一种脉冲电场作用下低温晶界扩散提高烧结钕铁硼磁体矫顽力的制备方法

本发明属于稀土磁性材料制备，涉及一种脉冲电场作用下低温晶界扩散提高烧结钕铁硼磁体矫顽力的制备方法。

背景技术：

1、第三代稀土永磁材料钕铁硼是目前最大磁能积最高且可以实现规模化生产的稀土永磁材料。被广泛用于电子信息、汽车工业、医疗设备、能源交通等众多领域。尽管烧结钕铁硼磁体磁能积高，但是实际磁体的内禀矫顽力远小于其理论值，无法应用于温度较高的工作环境。

2、提高钕铁硼磁体矫顽力的传统方式为在熔炼过程中直接添加重稀土元素dy或tb元素的合金或者化合物，取代主相nd2fe14b中nd原子形成各向异性场较高的(nd,dy/tb)2fe14b相，从而大幅提升钕铁硼磁体的矫顽力；但是由于重稀土dy、tb原子与fe原子的反铁磁性耦合，添加重稀土元素必然会降低磁体的剩磁br和最大磁能积bh(max)。另一方面，重稀土元素在地壳中的丰度低，原材料价格较高，如何实现重稀土元素的高效利用是研究者长期以来关注的热点问题。为此，人们在近年来开发出了晶界扩散技术，试图解决提高磁体矫顽力和提高重稀土元素的利用率之间的矛盾。

3、现有的晶界扩散处理技术主要采用浆料涂覆、电泳沉积、气相沉积、丝网印刷等方式，使含有dy/tb元素的合金或化合物(如dy2o3、dyf3、tbf3等)先附着在磁体表面，然后在某一温度范围内进行扩散热处理，使稀土元素沿晶界扩散到主相晶粒表层，形成(nd,dy/tb)2fe14b壳层结构，提高主相晶粒表面各向异性场，从而提高磁体矫顽力。但是这些含有dy/tb元素的合金或化合物熔点高，扩散难度大，扩散效率低，为保证扩散效果，常常进行多次重复扩散或长时间扩散，不利于降低生产成本和缩短生产周期。除此之外，扩散温度高会在晶界生成过多液相，导致主相晶粒表面形成过厚的重稀土壳层(≥3μm)，甚至形成反壳层结构，不利于重稀土的充分利用，且大幅降低了磁体的剩磁。例如，英文期刊《actamaterialia》(2019，vol.172，p.139-149)报道，nd31.8fe66.0b1.0cu0.1al0.15co0.9ga0.05(wt.％)磁体在950℃经过4小时的dy蒸汽扩散后生成了厚度为5μm的重稀土壳层；英文期刊《scriptamaterialia》(2019，vol.163，p.40-43)报道，对商用n52钕铁硼磁体表面涂覆dy或tb金属薄层，然后在900℃进行0.5～5小时的扩散处理，磁体中观察到了反壳层结构。

技术实现思路

1、针对现有技术存在的不足，本发明旨在提高钕铁硼矫顽力、提高重稀土元素的利用率、缩短生产周期，利用了低熔点合金熔体扩散结合脉冲电场处理的优势，有效提高了重稀土元素的晶界扩散效率，在主相晶粒表面形成了较为理想的壳层结构(壳层厚度＜3μm)，从而提高烧结钕铁硼磁体的矫顽力，并提高了重稀土元素的利用率。

2、本发明的技术方案如下：

3、一种脉冲电场作用下低温晶界扩散提高烧结钕铁硼磁体矫顽力的制备方法，具体工艺步骤如下：

4、(1)在纯氩气保护下，通过感应熔炼或电弧熔炼的方式制备低熔点ramb合金铸锭，ramb合金的熔点低于500℃，将其作为晶界扩散合金。ramb合金中质量百分比a+b＝100，a≥3，r为pr、nd、gd、tb、dy、ho中的一种或几种，在r的总含量中dy或tb的含量不低于60wt％，m为ga、sn、in、bi中的一种或几种，在m的总含量中ga和sn含量之和不低于70wt％。

5、(2)将ramb合金铸锭破碎成粒径小于3mm的颗粒，然后放入刚玉坩埚中，接着将待扩散的烧结钕铁硼磁体和石墨电极板一同包埋入ramb合金颗粒中，石墨电极板面积应大于磁体面积，分别将烧结钕铁硼磁体和石墨电极板连接脉冲电源。脉冲电源负极连接烧结钕铁硼磁体，脉冲电源正极连接石墨电极板。

6、(3)在纯氩气保护下，将刚玉坩埚升温至500～650℃，打开连接烧结钕铁硼磁体和石墨电极的脉冲电源，在脉冲电场的作用下进行熔体晶界扩散处理，处理时间为1～5h小时。脉冲电源的电流密度为5～20a/cm2，频率50～150hz，占空比为10％～30％。

7、(4)扩散处理后，将烧结钕铁硼磁体取出，清理表面残留的ramb合金，然后将磁体在纯氩气保护下升温至450～550℃进行1～3h的时效处理，获得最终的烧结钕铁硼磁体。

8、进一步的，所述的低熔点ramb合金包括tb3dy1ga96、tb3ga97、dy3ga97、tb3gd2ga13sn82、tb5ga13sn82、dy5ho1ga72bi22、tb3pr0.5nd1.5ga95、dy5pr0.5nd1.5ga80in13。

9、本发明的优点如下：

10、(1)本发明合理设计并制备了低熔点合金，其中tb、dy、ho可以有效提高nd2fe14b主相晶粒表面的各向异性场，pr、nd、gd、tb、dy、ho可以有效修复主相晶粒表面外延层的缺陷。ga、sn、in、bi元素一方面可以有效降低合金的熔点，使得合金熔点低于500℃；另一方面可以与稀土原子、fe原子结合，降低磁体晶界相的熔点并提高晶界相的润湿性，有效促进稀土元素的晶界扩散。

11、(2)本发明在低熔点合金熔体扩散处理过程中引入脉冲电场进行辅助扩散，脉冲电场可以活化磁体表面和磁体中的液态晶界相，降低晶界元素扩散激活能，从而加速了合金熔体中的r和m元素通过扩散进入烧结钕铁硼的晶界区域，提升了扩散效率，增大了扩散深度。

12、(3)本发明可以有效减少扩散处理过程中主相晶粒表层的过度熔化，防止主相晶粒表层形成的重稀土壳层厚度过大，提高了重稀土元素的利用率，并减少了扩散处理后磁体剩磁的下降幅度。

技术特征：

1.一种脉冲电场作用下低温晶界扩散提高烧结钕铁硼磁体矫顽力的制备方法，其特征在于，所述的制备方法包括如下步骤：

2.根据权利要求1所述的一种脉冲电场作用下低温晶界扩散提高烧结钕铁硼磁体矫顽力的制备方法，其特征在于，步骤（1）中所述的低熔点ramb合金的熔点低于500℃，且质量百分比a+b=100，a≥3；r为pr、nd、gd、tb、dy、ho中的一种或几种，在r的总含量中dy和tb的含量之和不低于60wt%；m为ga、sn、in、bi中的一种或几种，在m的总含量中ga和sn含量之和不低于70wt%。

3.根据权利要求1所述的一种脉冲电场作用下低温晶界扩散提高烧结钕铁硼磁体矫顽力的制备方法，其特征在于，所述的低熔点ramb合金包括tb3dy1ga96、tb3ga97、dy3ga97、tb3gd2ga13sn82、tb5ga13sn82、dy5ho1ga72bi22、tb3pr0.5nd1.5ga95、dy5pr0.5nd1.5ga80in13。

4.根据权利要求1所述的一种脉冲电场作用下低温晶界扩散提高烧结钕铁硼磁体矫顽力的制备方法，其特征在于，步骤（2）中脉冲电源负极连接烧结钕铁硼磁体，脉冲电源正极连接石墨电极板，石墨电极板面积应大于磁体面积。

5.根据权利要求1所述的一种脉冲电场作用下低温晶界扩散提高烧结钕铁硼磁体矫顽力的制备方法，其特征在于，步骤（3）中脉冲电源的电流密度为5～20a/cm2，频率50～150hz，占空比为10%～30%。

6.根据权利要求1所述的一种脉冲电场作用下低温晶界扩散提高烧结钕铁硼磁体矫顽力的制备方法，其特征在于，步骤（3）中熔体晶界扩散处理的温度为500~650℃，处理时间为1～5小时。

技术总结
本发明公开了一种脉冲电场作用下低温晶界扩散提高烧结钕铁硼磁体矫顽力的制备方法。本发明的制备方法为：首先制备R<subgt;a</subgt;M<subgt;b</subgt;（a+b=100,wt%）合金作为晶界扩散合金，其熔点＜500℃，R为Pr、Nd、Gd、Tb、Dy、Ho中的一种或几种，M为Ga、Sn、In、Bi中的一种或几种；然后将烧结钕铁硼磁体包埋入R<subgt;a</subgt;M<subgt;b</subgt;合金颗粒中，在氩气保护下加热至R<subgt;a</subgt;M<subgt;b</subgt;合金颗粒熔化，并在脉冲电场作用下进行扩散，最后将扩散后的磁体进行时效处理。本发明可以有效提高烧结钕铁硼磁体的矫顽力，而且具有扩散温度低、扩散效率高、生产周期短、重稀土元素利用率高等优点。

技术研发人员：王晨,王健,师大伟,付刚,苏文泽
受保护的技术使用者：福州大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15