專利名稱：一種釹鐵硼稀土永磁器件的制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于永磁器件領(lǐng)域，特別是涉及一種高性能釹鐵硼稀土永磁器件的制造方法。
背景技術(shù)：
釹鐵硼稀土永磁材料，以其優(yōu)良的磁性能得到越來(lái)越多的應(yīng)用，被廣泛用于醫(yī)療的核磁共振成像，計(jì)算機(jī)硬盤驅(qū)動(dòng)器，音響、手機(jī)等；隨著節(jié)能和低碳經(jīng)濟(jì)的要求，釹鐵硼稀土永磁材料又開(kāi)始在汽車零部件、家用電器、節(jié)能和控制電機(jī)、混合動(dòng)力汽車，風(fēng)力發(fā)電等領(lǐng)域應(yīng)用。1982年日本住友特殊金屬公司首先公開(kāi)了釹鐵硼稀土永磁材料的日本專利1，622，492和2，137，496，隨即申請(qǐng)了美國(guó)專利和歐洲專利，公布了釹鐵硼稀土永磁材料的特性、成分和制造方法，確認(rèn)了主相:Nd2Fel4B相，晶界相:富Nd相、富B相和稀土氧化物雜質(zhì)。2007年4月I日日本日立金屬與日本住友金屬合并，并且繼承了住友金屬的釹鐵硼稀土永磁體的專利許可的權(quán)利與義務(wù)。2012年8月17日，日立金屬為了向美國(guó)國(guó)際貿(mào)易委員會(huì)(ITC)提出訴訟，提出其擁有在美國(guó)申請(qǐng)的US6, 461，565 ；US6, 491，765 ；US6，537，385 ；US 6，527，874 專利。

發(fā)明內(nèi)容
隨著釹鐵硼 稀土永磁材料的應(yīng)用市場(chǎng)的擴(kuò)大，稀土資源短缺的問(wèn)題越來(lái)越嚴(yán)重，尤其在電子元器件、節(jié)能和控制電機(jī)、汽車零部件、新能源汽車、風(fēng)力發(fā)電等領(lǐng)域的應(yīng)用，需要更多的重稀土以提高 矯頑力。因此，如何減少稀土的使用，尤其是重稀土的使用，是擺在我們面前的重要課題。經(jīng)過(guò)探索，我們發(fā)現(xiàn)了一種高性能釹鐵硼稀土永磁器件制造方法。本發(fā)明通過(guò)以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn):
一種釹鐵硼稀土永磁器件，其合金由R-Fe-B-M組成:
其中R代表稀土元素中的一種或多種；
Fe代表元素Fe ；
B代表元素B ；
M代表元素Al、Co、Nb、Ga、Zr、Cu、V、T1、Cr、N1、Hf元素中的一種或多種；
釹鐵硼稀土永磁器件的制造方法如下:
1、合金的熔煉
合金的熔煉方法采用鑄錠工藝，所述的鑄錠工藝是指釹鐵硼稀土永磁合金原料在真空或保護(hù)氣氛下加熱熔化成熔融狀態(tài)下的合金，然后在真空或保護(hù)氣氛下澆鑄到水冷鑄模中形成合金鑄錠。一種改進(jìn)技術(shù)的鑄錠工藝是澆鑄時(shí)通過(guò)鑄模移動(dòng)或轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)鑄錠厚度l-20mm ;改進(jìn)的合金熔煉方法采用真空速凝工藝,所述的真空速凝工藝，首先加熱熔化合金，然后將熔融的合金液通過(guò)中間包澆鑄到帶水冷卻的旋轉(zhuǎn)輥上，熔融合金經(jīng)過(guò)旋轉(zhuǎn)輥冷卻后形成合金片，旋轉(zhuǎn)輥的冷卻速度在100-1000°c /S，冷卻后的合金片溫度550-400°C ;進(jìn)一步的改進(jìn)方法是合金片離開(kāi)旋轉(zhuǎn)銅輥后隨即落到旋轉(zhuǎn)滾筒內(nèi)，對(duì)合金片進(jìn)行二次冷卻；另一種改進(jìn)方法是合金片離開(kāi)旋轉(zhuǎn)銅輥后隨即落到轉(zhuǎn)盤上進(jìn)行二次冷卻，轉(zhuǎn)盤位于銅輥的下方，在轉(zhuǎn)盤的上方設(shè)置有帶換熱器的惰性氣體冷卻裝置和機(jī)械攪拌裝置。再進(jìn)一步的改進(jìn)方法是合金片在離開(kāi)旋轉(zhuǎn)銅輥后和二次冷卻前在二次冷卻裝置內(nèi)保溫，保溫時(shí)間一般在10-120分鐘，保溫溫度550-400°C。2、合金的粗碎
合金的粗碎主要有機(jī)械破碎和氫破碎兩種方法，機(jī)械破碎是將熔煉后的合金鑄錠在氮?dú)獗Ｗo(hù)下用顎式破碎機(jī)、錘式破碎機(jī)、球磨機(jī)、棒磨機(jī)、盤磨機(jī)等制粉設(shè)備將合金鑄錠破碎成粒徑小于5mm的顆粒；合金片一般不用顎式破碎機(jī)、錘式破碎機(jī)破碎，直接在氮?dú)獗Ｗo(hù)下用球磨機(jī)、棒磨機(jī)、盤磨機(jī)等制粉設(shè)備將前序的粗顆粒磨成粒徑小于5mm的細(xì)顆粒。本工序的另一種生產(chǎn)方法是氫破碎，首先將前序的合金片或合金錠裝入真空氫碎爐，抽真空后充入氫氣讓真空氫碎爐內(nèi)的合金吸氫，吸氫溫度一般小于200°C，吸氫壓力一般50-200KPa,吸氫完成后,再抽真空和加熱脫氫,脫氫溫度一般在600-900°C,脫氫后進(jìn)行粉末冷卻，冷卻在真空或保護(hù)氣氛下進(jìn)行，保護(hù)氣氛一般用氬氣。一種改進(jìn)技術(shù)的氫破碎制造方法是將合金錠或合金片裝入旋轉(zhuǎn)滾筒內(nèi)，抽真空后充入氫氣讓合金吸氫，吸氫飽和后停止充入氫氣，保持10分鐘以上開(kāi)始抽真空，然后開(kāi)始加熱并旋轉(zhuǎn)滾筒進(jìn)行脫氫，脫氫在真空下進(jìn)行，脫氫溫度600-90(TC，脫氫后對(duì)滾筒冷卻。另一種改進(jìn)技術(shù)的氫破碎制造方法是一種稀土永磁合金氫破連續(xù)生產(chǎn)方法和設(shè)備，設(shè)備是由吸氫室、加熱 脫氫室、冷卻室、室間隔離閥門、料盒、傳動(dòng)裝置和抽真空裝置組成；吸氫室、加熱脫氫室和冷卻室間分別通過(guò)室間隔離閥門連接，所述傳動(dòng)裝置設(shè)置在吸氫室、加熱脫氫室和冷卻室的上部，料盒懸掛在傳動(dòng)裝置上，沿傳動(dòng)裝置依次經(jīng)吸氫室、加熱脫氫室和冷卻室滾動(dòng)輸送；工作時(shí)，先把合金錠或合金片裝入吊著的料筐，順序送入連續(xù)氫碎爐的吸氫室、加熱脫氫室、冷卻室分別進(jìn)行吸氫、加熱脫氫和冷卻，所述的吸氫室、加熱脫氫室、冷卻室或者分別是一個(gè)或者一個(gè)以上，然后在真空或保護(hù)氣氛下將合金裝入儲(chǔ)料罐。3、合金粉末的制造
合金粉末的制造采用氣流磨制粉，氣流磨主要由加料器、下部裝有噴嘴和上部裝有分選輪的磨室、控制磨室內(nèi)粉料重量和加料速度的稱重系統(tǒng)、旋風(fēng)收集器、粉末過(guò)濾器、氣體壓縮機(jī)等組成，工作氣體一般選用氮?dú)?，壓縮氣體壓力0.6-0.SMPa ;工作時(shí)，首先將前序的粉末裝入氣流磨的加料器，在稱重系統(tǒng)的控制下將粉末加入到磨室，利用噴嘴噴射的高速氣流進(jìn)行磨削，磨削后的粉末隨氣流上升，達(dá)到制粉要求的粉末通過(guò)分選輪進(jìn)入旋風(fēng)收集器收集，未達(dá)到制粉要求的粗粉在離心力的作用下返回到磨室下部繼續(xù)磨削；進(jìn)入旋風(fēng)收料器的粉末作為成品收集在旋風(fēng)收集器下部的收料器中，由于旋風(fēng)收集器不能把全部粉末收集，少量的細(xì)粉會(huì)隨著氣流排出，這部分細(xì)粉用粉末用過(guò)濾器過(guò)濾，收集在過(guò)濾器下部的細(xì)粉收集器中。一般細(xì)粉的比例低于粉末重量的15%，粒徑小于I μ m，這部分粉末的稀土含量高于粉末的平均稀土含量，非常容易氧化，一般作為廢粉扔掉；一種改進(jìn)氣流磨技術(shù)是通過(guò)控制氣氛中的氧含量低于50ppm將這部分細(xì)粉與旋風(fēng)收集器收集的粉末一起加入到二維或三維混料機(jī)進(jìn)行混料，然后在保護(hù)氣氛下磁場(chǎng)成型；一般混料時(shí)間30分鐘以上，氣氛中的氧含量低于50ppm ;進(jìn)一步改進(jìn)的氣流磨技術(shù)是在旋風(fēng)收機(jī)器和過(guò)濾器之間增設(shè)了細(xì)粉收集器，收集旋風(fēng)收集器中隨氣流排出的細(xì)粉，一般能收集到10%左右的細(xì)粉，這部分細(xì)粉同樣與旋風(fēng)收集器收集的粉末一起加入到二維或三維混料機(jī)進(jìn)行混料，然后在保護(hù)氣氛下磁場(chǎng)成型；由于上述細(xì)粉的稀土含量較高，非常適合作晶界中的富稀土相，有利于磁性能的提高。為提高磁性能，另一種改進(jìn)技術(shù)的方法是按著前述的工藝分別熔煉多種成分的合金，然后分別制成粉末后將粉末混合再進(jìn)行磁場(chǎng)成型。4、成型
釹鐵硼稀土永磁體成型與普通的粉末冶金成型的最大差異是在取向磁場(chǎng)下成型，因此在壓機(jī)上設(shè)計(jì)有電磁鐵。由于釹鐵硼稀土永磁粉末易氧化，有專利提出需要控制成型時(shí)的環(huán)境溫度在5-35°C，相對(duì)濕度為40%-65%之間，氧含量在0.02-5%之間；為防止粉末氧化，一種改進(jìn)磁場(chǎng)成型技術(shù)是設(shè)計(jì)一個(gè)保護(hù)箱，保護(hù)箱上設(shè)置有手套，粉末在保護(hù)氣氛下磁場(chǎng)成型；進(jìn)一步的改進(jìn)技術(shù)是在保護(hù)箱內(nèi)的磁場(chǎng)空間設(shè)計(jì)有冷卻系統(tǒng)，形成磁場(chǎng)成型空間的溫度可控，模具置于可控溫度的低溫空間內(nèi)，粉末在可控溫度下成型，控溫范圍在-15至20°C，優(yōu)選成型溫度低于5°C ;所述的保護(hù)箱內(nèi)的氧含量低于200ppm，優(yōu)選IOOppm ;模腔內(nèi)的取向磁場(chǎng)強(qiáng)度一般1.5-3T，在磁粉受壓前預(yù)先取向并在壓型過(guò)程中保持取向磁場(chǎng)強(qiáng)度；取向磁場(chǎng)或者是恒定磁場(chǎng)或者是脈動(dòng)或交變磁場(chǎng)。為了減小成型壓力，磁場(chǎng)成型后或者進(jìn)行等靜壓，等靜壓后再送入到燒結(jié)爐燒結(jié)。5、燒結(jié)
成型后的工序是燒結(jié)，燒結(jié)在真空燒結(jié)爐內(nèi)完成，真空或保護(hù)氣氛條件下燒結(jié)，保護(hù)氣體用氬氣；燒結(jié)溫度1000-1200°C，保溫時(shí)間一般0.5-20小時(shí)，保溫后采用氬氣或氮?dú)饫鋮s；改進(jìn)技術(shù)的燒結(jié)方法和設(shè)備是在真空燒結(jié)爐前設(shè)置一個(gè)閥門和帶手套的傳送箱，成型后的料塊在保護(hù)氣氛的條件下送入傳送箱，對(duì)保護(hù)箱充入保護(hù)氣體，在保護(hù)氣氛條件下去掉外包裝和將料塊裝入燒結(jié)料盒，然后打開(kāi)傳送箱和燒結(jié)爐間的閥門，通過(guò)傳送箱內(nèi)的傳送機(jī)構(gòu)將裝有燒結(jié)料塊的料盒送入真空燒結(jié)爐進(jìn)行燒結(jié)；進(jìn)一步的改進(jìn)技術(shù)是用多室真空燒結(jié)爐燒結(jié)，脫氣、燒結(jié)、冷 卻分別在不同的真空室內(nèi)完成，帶手套的傳送箱通過(guò)閥門與多個(gè)真空室相連，料盒順序通過(guò)多個(gè)真空室；燒結(jié)后為提高磁體的矯頑力一般進(jìn)行一次或二次時(shí)效處理；一次時(shí)效一般選取時(shí)效溫度400-700°C ;二次時(shí)效一般高溫選取800-1000°C，低溫選取400-70(TC ;時(shí)效后料塊一般進(jìn)行機(jī)械加工和表面處理。本發(fā)明的真空熱處理工藝技術(shù)如下:
燒結(jié)后首先按著稀土永磁器件的最終尺寸和形狀或近似最終尺寸和形狀進(jìn)行機(jī)械加工；機(jī)械加工后將工件進(jìn)行除油、清洗和干燥，然后將工件裝入真空熱處理用金屬、石墨或陶瓷材料制作的料盒，一個(gè)料盒可以裝一個(gè)或多個(gè)工件，工件與工件之間、工件與料盒之間用金屬網(wǎng)或金屬板隔開(kāi)，料盒內(nèi)有含稀土的物料，之后將料盒蓋上蓋，放入到真空熱處理爐內(nèi)進(jìn)行真空熱處理；真空熱處理的真空度在5Pa至5X 10_4Pa范圍內(nèi)，保溫溫度在800-1000°C范圍內(nèi)，保溫時(shí)間2-20小時(shí)，保溫后用氬氣冷卻，冷卻后再升溫到450_650°C范圍內(nèi)，保溫0.5-12小時(shí)后用氬氣冷卻；一臺(tái)真空熱處理爐或者裝一個(gè)料盒或者裝多個(gè)料盒，真空熱處理爐或者是單室爐或者是雙室或者是三室或者是多室爐；裝爐后抽真空，在真空條件下加熱和保溫，然后冷卻；加熱、保溫和冷卻或者進(jìn)行一次或者進(jìn)行多次。真空熱處理后選擇性進(jìn)行磨削、倒角、噴砂、電鍍、電泳、噴涂、真空鍍膜等后處理，達(dá)到工件的尺寸、精度、耐蝕性等要求。本發(fā)明可用于高性能稀土永磁材料的生產(chǎn)，通過(guò)改進(jìn)真空熱處理技術(shù)，在同等重稀土含量的條件下，明顯提高了稀土永磁體的矯頑力，從而節(jié)省重稀土的用量，保護(hù)稀缺資源。
具體實(shí)施例方式下面通過(guò)實(shí)施例的對(duì)比進(jìn)一步說(shuō)明本發(fā)明的顯著效果。實(shí)施例1
分別按表一 A、B、C、D成分選取合金600Kg熔煉，在熔融狀態(tài)下將合金澆鑄到帶水冷卻的旋轉(zhuǎn)的冷卻輥上冷卻形成合金片，然后使用真空氫碎爐對(duì)合金片進(jìn)行粗破碎，氫破碎后進(jìn)行氣流磨，氣流磨氣氛氧含量低于50ppm，旋風(fēng)收集到的粉末和細(xì)粉收集器收集的細(xì)粉在氮?dú)獗Ｗo(hù)下用二維混料機(jī)混料60分鐘后送到氮?dú)獗Ｗo(hù)磁場(chǎng)取向壓機(jī)成型，保護(hù)箱內(nèi)的氧含量150ppm，取向磁場(chǎng)強(qiáng)度1.8T，模腔內(nèi)溫度3°C，磁塊尺寸62X52X42mm，取向方向?yàn)?2尺寸方向，成形后在保護(hù)箱內(nèi)封裝，然后取出進(jìn)行等靜壓，等靜壓壓力200MPa，之后送入真空燒結(jié)爐燒結(jié)，燒結(jié)溫度1060°C，氬氣循環(huán)冷卻到80°C后取出進(jìn)行機(jī)械加工，分別加工成大方片(60X25X10)、小方片(30X20X3)、扇形(R30Xr40弧度60°厚度5)、同心瓦(R60Xr55弦長(zhǎng)20瓦高30)四種規(guī)格，經(jīng)除油、清洗、干燥后將工件分別裝入真空熱處理用金屬、石墨和陶瓷材料制作的料盒，然后蓋上料盒蓋。料盒裝工件的數(shù)量如表二所示，工件與工件之間、工件與料盒之間用金屬網(wǎng)隔開(kāi)。通過(guò)可以移動(dòng)的料車將料盒裝入真空熱處理爐進(jìn)行真空熱處理，真空熱處理的真空度在5X 10_2Pa，溫度在850°C，保溫10小時(shí)后用氬氣冷卻到100°C，再升溫到480°C，保溫4小時(shí)后用氬氣冷卻到80°C以下出爐。將工件選擇性進(jìn)行磨削、倒角、噴砂、電鍍、電泳、噴涂、真空鍍膜等后處理，達(dá)到工件的尺寸、精度、耐蝕性要求。磁性能測(cè)量結(jié)果列入表二
表一、合金的成分:
權(quán)利要求
1.一種釹鐵硼稀土永磁器件的制造方法，首先將釹鐵硼稀土永磁合金原料在真空或保護(hù)氣氛下熔煉成合金，經(jīng)過(guò)氫破碎和制粉后在取向磁場(chǎng)下壓力成型，之后進(jìn)行燒結(jié)，其特征在于:燒結(jié)后首先按著稀土永磁器件的最終尺寸和形狀或近似最終尺寸和形狀進(jìn)行機(jī)械加工；然后將工件裝入真空熱處理用金屬、石墨或陶瓷材料制作的料盒，一個(gè)料盒可以裝一個(gè)或一個(gè)以上工件，工件與工件之間、工件與料盒之間用金屬網(wǎng)或金屬板隔開(kāi)，料盒內(nèi)有含稀土的物料，之后將料盒蓋上蓋，送入真空熱處理爐內(nèi)進(jìn)行真空熱處理；一臺(tái)真空熱處理爐裝一個(gè)料盒或者裝一個(gè)以上料盒，裝爐后抽真空，在真空條件下加熱、保溫和惰性氣體冷卻。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種釹鐵硼稀土永磁器件的制造方法，其特征在于:所述的在取向磁場(chǎng)下壓力成型后還有等靜壓工序；所述的真空熱處理工序前將工件還進(jìn)行除油、清洗和干燥工序；所述的真空熱處理工序后還選擇進(jìn)行磨削、倒角、噴砂、電鍍、電泳、噴涂、真空鍍膜等后處理工序。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種釹鐵硼稀土永磁器件的制造方法，其特征在于:所述的真空熱處理的真空度在5Pa至5 X 10_4Pa范圍內(nèi)，保溫溫度在800-1000°C范圍內(nèi)，保溫時(shí)間2-20小時(shí)，保溫后用氬氣冷卻，冷卻后再升溫到450-650°C范圍內(nèi)，保溫0.5-12小時(shí)后用氬氣冷卻。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種釹鐵硼稀土永磁器件的制造方法，其特征在于:所述的稀土永磁合金采用真空感應(yīng)熔煉，在熔融狀態(tài)下將合金澆鑄到帶水冷卻的旋轉(zhuǎn)的冷卻輥上冷卻，形成合金片，離開(kāi)冷卻輥的合金片落入到旋轉(zhuǎn)的滾筒或轉(zhuǎn)盤內(nèi)對(duì)合金片進(jìn)行再冷卻。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種釹鐵硼稀土永磁器件的制造方法，其特征在于:所述的氫破碎是把合金裝入吊著的料筐，順序送入連續(xù)氫碎爐的吸氫室、加熱脫氫室、冷卻室分別進(jìn)行吸氫、加熱脫氫和冷卻，所述的吸氫室、加熱脫氫室、冷卻室或者分別是一個(gè)或者一個(gè)以上，然后在真空或保護(hù)氣氛下將合金裝入儲(chǔ)料罐。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種釹鐵硼稀土永磁器件的制造方法，其特征在于:所述制粉為氣流磨制粉，粉 末通過(guò)旋風(fēng)收集器收集，隨旋風(fēng)收集器中氣體排出的粒徑小于I μ m的細(xì)粉收集在過(guò)濾器中，之后將兩種粉末混合；氣流磨的磨室內(nèi)氣體的氧含量在50ppm以內(nèi)。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種釹鐵硼稀土永磁器件的制造方法，其特征在于:所述制粉為氣流磨制粉，粉末通過(guò)旋風(fēng)收集器收集，隨旋風(fēng)收集器中氣體排出的粒徑小于I μ m的細(xì)粉收集在細(xì)粉收集器中，之后將兩種粉末混合；氣流磨的磨室內(nèi)氣體的氧含量在50ppm以內(nèi)。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種釹鐵硼稀土永磁器件的制造方法，其特征在于:從氫破碎結(jié)束至真空燒結(jié)開(kāi)始的全過(guò)程都在真空或保護(hù)氣氛下進(jìn)行，氣氛的氧含量控制在200ppm以內(nèi)。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種釹鐵硼稀土永磁器件的制造方法，其特征在于:燒結(jié)后先進(jìn)行時(shí)效處理，然后在進(jìn)行機(jī)械加工和所述的真空熱處理等后續(xù)工序。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種釹鐵硼稀土永磁材料及制造方法，主要有合金熔煉、粗破碎和制粉、磁場(chǎng)成型、燒結(jié)、機(jī)械加工、真空熱處理等工序；通過(guò)改進(jìn)氫破碎、氣流磨制粉、真空熱處理技術(shù)提高永磁器件的磁性能，從而減少稀土用量；本發(fā)明適合于生產(chǎn)高性能的稀土永磁材料。
文檔編號(hào)B22F3/24GK103231059SQ20131016060
公開(kāi)日2013年8月7日 申請(qǐng)日期2013年5月5日 優(yōu)先權(quán)日2013年5月5日
發(fā)明者孫昊天 申請(qǐng)人:沈陽(yáng)中北真空磁電科技有限公司