專利名稱：一種Sm-Fe-N各向異性磁粉的制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于磁性材料領(lǐng)域，涉及一種Sm-Fe-N各向異性磁粉的制備方法。
背景技術(shù)：
Sm2Fe17Nx具有優(yōu)異的內(nèi)稟磁性能，被譽(yù)為繼NchFe-B以后的新一代永磁材料。與Nd2Fe14B相比，它具有更高的居里溫度(高出近160° C)，特別高的磁晶各向異性，Ha=IL 2MA/m (140K0e),僅次于 SmCo5,為 Nd2Fe14B 的 2 倍，理論磁能積為 472KJ/m3(59. 2MG0e)，與Nd2Fe14B (509KJ/m3)大體相當(dāng)。由于Sm2Fe17Nx在高溫下會(huì)分解，故不能燒結(jié)，只能做成粘接磁體。就內(nèi)稟磁特性而言，Sm2Fe17Nx的飽和磁極化強(qiáng)度略低于Nd2Fe14B,但其居里溫度和磁晶各向異性場均遠(yuǎn)高于后者。另外從實(shí)用化的角度看，Sm2Fe17Nx的熱穩(wěn)定性、抗氧化性和耐蝕性都優(yōu)于Nd2Fe14B15它的另一突出優(yōu)點(diǎn)是可以制成各向異性粘接磁粉和粘接磁體。 目前制備Sm2Fe17Nx的方法主要有機(jī)械合金化法(MA)、氫破碎法(HDDR)、還原擴(kuò)散法(R/D)、快淬法(RQ)、粉末冶金法(PM)。各種方法的制備Sm2Fe17粉末及其Sm2Fe17Nx磁粉的工藝流程、特點(diǎn)如下機(jī)械合金化法(MA):純組元粉末混合一高能球磨一形成層狀顆粒一擴(kuò)散退火，形成納米晶體一氮化一Sm2Fe17Nx磁粉。機(jī)械合金化法制備Sm2Fe17需要長時(shí)間的高能球磨,粉末活性高、顆粒細(xì)，在氮化和制備粘接磁體過程中容易帶來氧含量的增加；由于粉末顆粒太小，很難制備出高密度的粘結(jié)磁體；雖然粉末顆粒很小，但不一定是單晶單疇顆粒，主要適合于制備各向同性磁粉。還原擴(kuò)散法(R/D):—定配比的Sm203、Ca、Fe等原料一混料一壓塊一還原擴(kuò)散反應(yīng)一產(chǎn)物分離一氮化一細(xì)磨一Sm2Fe17Nx磁粉。該方法主要適合于制備各向同性磁粉，該方法的難點(diǎn)主要是反應(yīng)產(chǎn)物的分離及分離過程中Sm-Fe合金粉末的防氧化問題粉末冶金法(PM):—定配比的合金原料一熔煉一均勻化處理一粗破碎一球磨制粉一氮化一細(xì)磨
—Sm2Fe17Nx 磁粉。粉末冶金法(PM):—定配比的合金原料一熔煉一均勻化處理一粗破碎一球磨制粉一氮化一細(xì)磨一Sm2Fe17Nx磁粉。粉末冶金法可以制造出高性能的各向異性Sm2Fe17Nx磁粉，由于各向異性磁粉的剩磁、磁能積遠(yuǎn)高于各向同性磁粉，具有更好的應(yīng)用前景。該方法缺點(diǎn)需要對(duì)熔煉的合金進(jìn)行長時(shí)間的高溫均勻化退火，由于感應(yīng)熔煉水冷銅模澆鑄工藝的冷速較慢，凝固合金組織粗大，鑄錠組織成分分布不均勻；由于L+Fe — Sm2Fe17包晶反應(yīng)的特點(diǎn)，反應(yīng)不完全，合金中存在較多的a -Fe和富Sm相。為得到較多的Sm2Fe17相組織，將包晶反應(yīng)不完全的合金組織轉(zhuǎn)變?yōu)?!1^617相，須經(jīng)高溫(1020° C左右)長時(shí)間均勻化處理，一般達(dá)20小時(shí)左右才能達(dá)到較好的效果。另外，在制粉過程中合金不一定沿著晶界斷裂，獲得的部分Sm-Fe-N粉末顆?？赡苡啥嗑ЫM成，由于晶粒取向不同，這部分粉末顆粒也不具備各向異性。氫破碎法(HDDR):母合金熔煉一均勻化退火一粗破碎一HDDR過程的氫氣處理一氮化一Sm2Fe17Nx磁粉。HDDR法是將經(jīng)均勻化處理的母合金經(jīng)氫化、岐化分解、脫氫再化合過程，以細(xì)化Sm2Fe17晶粒，經(jīng)氮化制得高矯頑力的各向同性磁粉?？齑惴?RQ):母合金熔煉一快淬成薄帶(非晶態(tài))一晶化處理(納米晶體)一破碎，球磨成粉末。利用在Sm-Fe合金中添加少量的Co、Zr、B分別以提高Sm2Fe17Nx居里溫度、細(xì)化Sm2Fe17晶粒和快淬薄帶非晶化,通過快淬薄帶中細(xì)小a -Fe相交換稱合作用提高Sm2Fe17Nx磁粉的剩磁，迄今獲得了剩磁、磁能積均優(yōu)于HDDR法等其它方法的各向同性磁粉。粉末冶金法可以制出高性能的各向異性磁粉，但由于鑄錠需要長時(shí)間的均勻化退火處理，妨礙了粉末冶金法在工業(yè)化生產(chǎn)上的推廣應(yīng)用，制約該方法發(fā)展的關(guān)鍵是Sm2Fe17合金制造部分。與其它方法相比，快淬法展示了很好的發(fā)展前途，目前報(bào)道應(yīng)用快淬法制出了各向同性Sm-Fe-N磁粉,如果能制出各向異性磁粉，將為今后進(jìn)一步提高剩磁和磁能積創(chuàng)造有利條件
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種利用熔體快淬制備Sm-Fe-N各向異性磁粉的方法，通過控制快速凝固過程中銅輥轉(zhuǎn)速、熔體噴射氣體壓力、噴嘴尺寸、熔體溫度、熔體成分，以控制熔體的冷卻速度和速凝鑄片的厚度，達(dá)到獲得速凝薄帶Sm2Fe17主相呈細(xì)小柱狀晶排列的目標(biāo)，柱狀晶基本上一致取向、垂直于速凝鑄片表面，再通過進(jìn)一步晶化處理、破碎、氮化、細(xì)磨，獲得粉末顆粒內(nèi)磁晶易磁化方向一致取向的各向異性Sm-Fe-N磁粉和各向異性粘結(jié)磁體。本發(fā)明制備Sm-Fe-N磁粉的工藝流程為原材料選擇及配比一真空感應(yīng)熔煉(合金熔體制備)一快淬(快速凝固過程參數(shù)的控制、鑄片厚度的控制)一合金組織分析一細(xì)小Sm2Fe17柱狀晶近一致取向的的速凝鑄片一粗破碎一熱處理(Sm2Fe17進(jìn)一步晶化)一破碎一氣化一細(xì)磨一各向異性Sm-Fe-N磁粉一檢測粉末磁性能。制得的Sm-Fe-N磁粉具有明顯的各向異性特征，與各向同性樣品比較，經(jīng)取向后剩磁提高20%以上。本發(fā)明的工藝過程(I)用Sm、Fe配料，可加入少量的Co、V、Zr、B，按Sm2 (Fe^xMx) 17分子式配料，M為Co、V、Zr、B中的一種或幾種，每種取代Fe的原子百分比不大于5%，由于Sm容易揮發(fā)，應(yīng)有一定的過量，一般多加計(jì)算量189^35%。應(yīng)用高溫感應(yīng)熔煉合金，熔化合金流到旋轉(zhuǎn)的銅輥上快速凝固成薄帶，通過控制銅棍的轉(zhuǎn)速(4 15m/s)、噴嘴尺寸(寛0. 2^0. 65mm)、熔體噴射氣體壓力氣體壓力(0. 5^1. 5atm)、熔體溫度(1520-1570° C)，獲得Sm2Fe17相呈細(xì)小柱狀晶近平行分布的薄帶組織，薄帶厚度0. 1 0. 4_。(2)應(yīng)用電子顯微鏡對(duì)薄帶截面進(jìn)行觀察分析確定是否形成了柱狀晶組織；應(yīng)用X射線衍射分析確定速凝薄帶主要相組織是否為Sm2Fe17相。(3)對(duì)合格的速凝鑄片進(jìn)行粗破碎至廣5mm，在70(T800° C高純氬氣保護(hù)氣氛下進(jìn)一步晶化熱處理，促進(jìn)原子擴(kuò)散，以使得Sm2Fe17相結(jié)晶度更加完整。(4)破碎應(yīng)用石油醚介質(zhì)保護(hù)或高純氬氣保護(hù)介質(zhì)下，將Sm-Fe合金粉末破碎到320目以下，以便于氮化過程中N原子向內(nèi)部擴(kuò)散。(5)氮化處理=Sm-Fe合金粉在高純氮或者NH3和H2的混合氣氛中進(jìn)行滲氮，氮化氣體壓力在0. ri. OMPa,氮化溫度400 500° C，氮化時(shí)間3 5小時(shí)。
(6)細(xì)磨以石油醚為球 磨介質(zhì)，球料比為4: f 30:1，球磨3 20小時(shí)。(7)干燥和制樣。球磨好后，出料常溫真空干燥，獲得各向異性Sm-Fe-N磁粉。對(duì)粉末取樣，以ABI父作為粘結(jié)劑,在2T磁場下取向固化制備測量樣品尺寸(03mm><4mm),應(yīng)用振動(dòng)樣品磁強(qiáng)計(jì)(VSM)測量粉末磁性能。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于獲得的Sm-Fe合金速凝鑄片組織均勻，不需要長時(shí)間的高溫均勻化退火處理；由于細(xì)小Sm2Fe17柱狀晶垂直于速凝鑄片表面近一致取向，以此為原料，可以制備各向異性Sm-Fe-N磁粉。


圖I.垂直于銅輥的柱狀晶組織結(jié)構(gòu)(未侵蝕)，圖中淺灰色相主要Sm2Fe17柱狀晶，晶間分布的白色相為富Sm相圖2.速凝鑄片的XRD分析，由X-衍射可見，主要形成了 Sm2Fe17相，另外還有富Sm相-SmFe具體實(shí)施例方式實(shí)施例I用純度為99. 9%的純鐵、稀土 Sm為原料，將Fe棒清理干凈，按Sm2Fe17配料，由于Sm容易揮發(fā)，在計(jì)算量的基礎(chǔ)上多加22%。，將配好的Sm、Fe原料放入真空感應(yīng)熔煉爐的鎂砂坩堝中，關(guān)爐抽真空，當(dāng)真空度達(dá)0. OlPa,開始加熱，加熱到約700° C，充入0. 05MPa高純氬氣(純度為99. 999%)，隨著溫度的升高，Sm先完全融化，繼續(xù)加熱3分鐘后Fe完全熔化，在溫度約1540° C，保溫精煉3分鐘后澆入水冷銅模中，在爐內(nèi)冷卻30分鐘以上取出鑄錠。然后在速凝鑄片制備裝置的石英管中真空條件下感應(yīng)加熱再熔化，在0. 8個(gè)大氣壓噴射壓力作用下燒注到棍面線速度在5m/s高速旋轉(zhuǎn)的銅棍上,形成約0. 24mm厚薄帶,將薄帶界面取樣于電子顯微鏡下觀察形成了柱狀晶，用XRD分析證明主要形成了 Sm2Fe17相。將這種速凝的薄帶破碎成l、mm的片狀,裝入料盒,放入石英管中，先用抽真空至4X 10_3Pa,充入高純氬氣(純度為99. 9995%)，將石英管放入爐內(nèi)，在730° C保溫I小時(shí)后，取出爐管，冷卻到室溫后取出合金片。在高純氬氣保護(hù)介質(zhì)下用合金鋼研缽破碎過500目篩；將過篩后的粉末裝入料盒，放入石英管中，抽高真空至4 X 10 ,關(guān)閉抽氣閥，充入高純氮?dú)?，氮?dú)鈮毫_(dá)0.5MPa，放入爐內(nèi)滲氮，滲氮溫度為480° C，保溫5小時(shí)后，取出爐管，冷卻到室溫后取出粉末；以球料比為30:1、石油醚為球磨介質(zhì)，裝料球磨，球磨9小時(shí)后出料沉淀，將多余的石油醚回收，將料漿常溫真空干燥；將干燥好后的粉末以AB膠作為粘結(jié)劑，在2T磁場下取向固化制備振動(dòng)樣品磁強(qiáng)計(jì)(VSM)測量樣品，通過VSM測量獲得粉末磁性能。取向性能為Hci21130e、Br0. 89T ;未磁場取向(同性樣品)性能為Hci22300e, BrO. 7T。實(shí)施例2用純度為99. 9%的純鐵、稀土 Sm、Co、V為原料，將Fe棒清理干凈，按Sm2(Fe0.94Co0.02V0.o4) it配料，由于Sm容易揮發(fā)，在計(jì)算量的基礎(chǔ)上多加25%。制備過程與實(shí)施例I類似，先用真空感應(yīng)熔煉、水冷銅模冷卻，獲得合金鑄錠。然后在速凝鑄片制備裝置的石英管中真空條件下感應(yīng)加熱再熔化，在0. 8個(gè)大氣壓噴射壓力作用下澆注到輥面線速度在7m/s高速旋轉(zhuǎn)的銅棍上,形成約0. 16mm厚薄帶,將薄帶界面取樣于電子顯微鏡下觀察形成了柱狀晶，用XRD分析證明主要形成了 Sm2Fe17相。將這種速凝的薄帶破碎成5mm的片狀，然后高純氬氣氣氛下780° C保溫0.5小時(shí)，以進(jìn)一步晶化處理Sm2Fe17相。將合金薄片在高純氬氣保護(hù)介質(zhì)下用合金鋼研缽破碎成500目以下進(jìn)行氮化處理；氮化處理使用高純氮?dú)鈮毫?. 2MPa，滲氮溫度為490° C，保溫5小時(shí)；球磨、干燥、制樣同實(shí)施例1，獲得粉末磁性能，取向性能為:Hci49800e、Br0. 83T ;未磁場取向性能為:Hci52600e、BrO. 66T。實(shí)施例3用純度為99. 9%的純鐵、稀土 Sm、V為原料，將Fe棒清理干凈，按Sm2 (Fea95Vatl5)17配料，由于Sm容易揮發(fā)，在計(jì)算量的基礎(chǔ)上多加23%。制備過程與實(shí)施例I類似，先用真空感應(yīng)熔煉、水冷銅模冷卻，獲得合金鑄錠。然后在速凝鑄片制備裝置的石英管中真空條件下感應(yīng)加熱再熔化，在0. 8個(gè)大氣壓噴射壓力作用下澆注到輥面線速度在6m/s高速旋轉(zhuǎn)的銅輥上，形成約0. 19mm厚薄帶，將薄帶界面取樣于電子顯微鏡下觀察形成了柱狀晶，用XRD分析證明主要形成了 Sm2Fe17相。將這種速凝的薄帶破碎成f5mm的片狀，然后高純氬氣氣氛下780° C保溫0. 5小時(shí)，以進(jìn)一步晶化處理Sm2Fe17相。將合金薄片在高純氬氣保護(hù)介質(zhì) 下用合金鋼研缽破碎成320目以下進(jìn)行氮化處理；使用NH3和H2 (體積比3 :7)的混合氣體進(jìn)行滲氮，氣體壓力為0. 12MPa，滲氮溫度為450° C，保溫3. 5小時(shí)；球磨、干燥、制樣同實(shí)施例1，獲得粉末磁性能，取向性能為Hei39200e、BrO. 85T ;未磁場取向性能為Hei41300e、BrO. 68T0實(shí)施例4用純度為99. 9%的純鐵、稀土 Sm、Co、V為原料，將Fe棒清理干凈，按Sm2(Fea94Coatl2Vatl3)17配料，由于Sm容易揮發(fā)，在計(jì)算量的基礎(chǔ)上多加25%。省去真空感應(yīng)爐熔煉，直接在速凝鑄片制備裝置中感應(yīng)加熱熔煉合金并噴注到輥面線速度在15m/s高速旋轉(zhuǎn)的銅棍上，燒注噴嘴寬度0. 65mm,噴注高純IS氣壓力Iatm,形成約0. 3mm厚薄帶,檢測速凝鑄片的顯微組織和相組成，以獲得細(xì)小Sm2Fe17柱狀晶排列的顯微組織。將這種速凝的薄帶破碎成f 5mm的片狀，然后高純氬氣氣氛下750° C保溫I小時(shí)，以進(jìn)一步晶化處理Sm2Fe17相。將合金薄片以石油醚為介質(zhì)、球料比為8:1，裝料球磨I小時(shí)，然后出料、沉淀，將料漿真空常溫干燥，獲得合金粉末；在NH3和H2 (體積比3 :7)的混合氣體中進(jìn)行氮化處理，氣體壓力為0. 12MPa，滲氮溫度為450° C，保溫3. 5小時(shí)；氮化后粉末球磨工藝是球料比為8: I、球 磨時(shí)間12小時(shí)，然后出料、沉淀，將料漿真空常溫干燥，同實(shí)施例I制樣測量粉末磁性能，結(jié)果為取向性能為Hei45800e、Br0. 84T ;未磁場取向性能為Hei47200e、BrO. 67T。
權(quán)利要求
1.一種Sm-Fe-N各向異性磁粉的制備方法,其特征在于工藝流程為合金熔體制備—快速凝固過程參數(shù)的控制、鑄片厚度的控制一細(xì)小Sm2Fe17柱狀晶近一致取向的的速凝鑄片一晶化處理一粗破碎一氮化一細(xì)磨一各向異性Sm-Fe-N磁粉,具體制備步驟如下 (1)用Sm、Fe配料，應(yīng)用高溫感應(yīng)熔煉合金，熔化合金流到旋轉(zhuǎn)的銅輥上快速凝固成薄帶，通過控制銅棍的轉(zhuǎn)速4 15m/s、噴嘴尺寸寛O. 2"O. 65mm、熔體噴射氣體壓力氣體壓力·O.5 I. 5atm、熔體溫度1520-1570° C，獲得Sm2Fe17相呈細(xì)小柱狀晶近平行分布的薄帶組織，薄帶厚度O. I "O. 4mm ； (2)應(yīng)用電子顯微鏡對(duì)薄帶截面進(jìn)行觀察分析確定是否形成了柱狀晶組織；應(yīng)用X射線衍射分析確定速凝薄帶主要相組織是否為Sm2Fe17相； (3)對(duì)合格的速凝鑄片進(jìn)行粗破碎至f5mm，在70(T800° C高純氬氣保護(hù)氣氛下進(jìn)一步晶化熱處理，促進(jìn)原子擴(kuò)散，以使得Sm2Fe17相結(jié)晶度更加完整； (4)破碎應(yīng)用石油醚介質(zhì)保護(hù)或高純氬氣保護(hù)介質(zhì)下，將Sm-Fe合金粉末破碎到320目以下，以便于氮化過程中N原子向內(nèi)部擴(kuò)散； (5)氮化處理=Sm-Fe合金粉在高純氮或者NH3和H2的混合氣氛中進(jìn)行滲氮，氮化氣體壓力在O. I I. OMpa,氮化溫度400 500。C，氮化時(shí)間3 5小時(shí)； (6)細(xì)磨以石油醚為球磨介質(zhì)，球料比為4:f 30:1，球磨3 20小時(shí)； (7)干燥和制樣球磨好后，出料常溫真空干燥，獲得各向異性Sm-Fe-N磁粉。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種Sm-Fe-N各向異性磁粉的制備方法，其特征在于配料時(shí)Sm總過量在18% 35%。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種Sm-Fe-N各向異性磁粉的制備方法，其特征在于在制備速凝薄帶時(shí)冷卻銅棍面線速度在4 15m/s。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種Sm-Fe-N各向異性磁粉的制備方法，其特征在于加入少量的Co、V、Zr、B，按Sm2 (Fe1Jx) 17分子式配料，M為Co、V、Zr、B中的一種或幾種，每種取代Fe的原子百分比不大于5%。
全文摘要
一種Sm-Fe-N各向異性磁粉的制備方法，屬于磁性材料領(lǐng)域。工藝流程為合金熔體制備→快速凝固過程參數(shù)的控制、鑄片厚度的控制→細(xì)小Sm2Fe17柱狀晶近一致取向的的速凝鑄片→晶化處理→粗破碎→氮化→細(xì)磨→各向異性Sm-Fe-N磁粉。其主要特征為通過冷卻銅輥轉(zhuǎn)速、熔體噴射氣體壓力、噴嘴尺寸、熔體溫度、熔體成分的控制，以控制熔體的冷卻速度和結(jié)晶過程，從而獲得細(xì)小柱狀晶Sm2Fe17一致取向的速凝鑄片，為制得磁晶一致取向的各向異性磁粉和粘結(jié)磁體奠定基礎(chǔ)。這種Sm-Fe-N各向異性磁粉的制備方法避免了通常所需的對(duì)Sm-Fe合金鑄錠長時(shí)間高溫均勻化退火。
文檔編號(hào)B22D11/06GK102737801SQ20121024057
公開日2012年10月17日 申請(qǐng)日期2012年7月11日 優(yōu)先權(quán)日2012年7月11日
發(fā)明者包小倩, 張茂才, 林國標(biāo), 畢文龍 申請(qǐng)人:北京科技大學(xué)