專利名稱：高強(qiáng)韌性鐵基稀土永磁體及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于稀土永磁材料的制造領(lǐng)域，特別適用于高強(qiáng)韌性鐵基稀土永磁體及其制備方法。
背景技術(shù)：
稀土永磁材料作為重要的金屬功能材料，在航天航海、信息電子、能源、交通、通訊、醫(yī)療衛(wèi)生等眾多領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。但是稀土永磁材料的強(qiáng)韌性很差，這已成為其致命弱點(diǎn)。金屬間化合物R2Fe14B屬于正方晶體結(jié)構(gòu)，其自身滑移系較少，再加上構(gòu)成材料永磁性能必不可少的富釹相的包覆，薄殼狀富釹相構(gòu)成了晶界弱化，富釹相與R2Fe14B主相結(jié)合較弱，使得材料以沿著晶界斷裂為主，構(gòu)成了典型的脆性斷裂。燒結(jié)Nd-Fe-B永磁材料表現(xiàn)為低的強(qiáng)韌性，使得稀土永磁材料很難加工，增加了材料的加工成本，降低了材料的加工精度；同時(shí)，強(qiáng)韌性差，也使得材料在生產(chǎn)、加工、運(yùn)輸、裝配等過(guò)程中容易掉邊掉角，甚至斷裂；韌性差，降低了材料的抗沖擊振動(dòng)能力，影響材料在使用過(guò)程中的穩(wěn)定性和安全性。強(qiáng)韌差的永磁體不僅增加了稀土永磁材料的生產(chǎn)成本，而且嚴(yán)重制約材料應(yīng)用范圍的進(jìn)一步擴(kuò)大。
美國(guó)Magnequench公司利用熔體快淬技術(shù)成功制備出了納米晶薄帶，用來(lái)制備粘結(jié)磁體以及熱壓/熱變形磁體。其成分范圍控制在正分以上，即磁體由Nd2Fe14B主相和少量富釹相和富硼相組成，由于缺乏塑性相，該熱壓/熱變形磁體的強(qiáng)韌性仍然很差。
中國(guó)發(fā)明專利ZL98123189.6為“一種高性能稀土永磁材料及其制備方法”，是將占基本組成總重量0.05～2.0％的添加劑D(D＝Al2O3或TiN)加入到R-Fe-M-B合金粉末中，將混合粉末壓制成型、燒結(jié)、熱處理制得含添加劑D的稀土永磁材料。該材料主要是為了降低磁體成本而采用Al2O3或TiN添加的辦法，添加的這兩種顆粒雖然在一定程度上可以代替重稀土元素或重稀土元素氧化物提高磁體矯頑力，但這兩種顆粒都屬于高硬度、高脆性顆粒，它們的加入并不能提高磁體的強(qiáng)韌性。
現(xiàn)有技術(shù)中永磁體中α-Fe的含量在0％～10％，主要存在于快淬磁粉中，該磁粉為各向同性磁粉，用來(lái)制備各向同性粘結(jié)磁體，其性能較低。
發(fā)明目的及發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的在于提供一種高強(qiáng)韌性鐵基稀土永磁體。
本發(fā)明的另一目的在于提供一種上述高強(qiáng)韌性鐵基稀土永磁體的制備方法。
商業(yè)燒結(jié)(Nd，R)-Fe-B的抗彎強(qiáng)度一般在250MPa左右，斷裂韌性在4.5±0.5MPa·M-1/2。對(duì)于脆性材料來(lái)講，在很多情況下其破壞是受到了一個(gè)沖擊作用，因此提高燒結(jié)磁體強(qiáng)韌性首要的是要提高磁體的抗沖擊性能。
可加工永磁體通常包括三種(1)FeCrCo-類型，該類磁體磁性能尤其是矯頑力很低；(2)PtCo-類型，該類磁體的價(jià)格是其致命缺點(diǎn)；(3)粘結(jié)磁體，該類磁體的磁性能很低，通常是其同類燒結(jié)磁體性能的50％。
本發(fā)明制備的永磁體要實(shí)現(xiàn)其強(qiáng)韌性和抗沖擊性能比商業(yè)磁體有顯著提高，力學(xué)性能的提高將有效的減少磁體在加工和使用過(guò)程中的破壞，大大提高磁體的可加工性能和可靠性。
為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明是這樣實(shí)現(xiàn)的本發(fā)明的一個(gè)方面是提供了一種高強(qiáng)韌性鐵基稀土永磁體，它包括硬磁性相Nd2Fe14B，永磁體的化學(xué)成分按重量百分比為Nd8～11，Re0.5～1，TM82～85，M0.1～1，B4～6，其中Re為選自Dy、Tb的稀土元素，TM為選自Fe、Co的過(guò)渡族元素，M為選自Nb、Cu、Ti、Al的微量添加元素，其余為不可避免的微量雜質(zhì)，該永磁體還包括軟磁性相α-Fe。
硬磁性相Nd2Fe14B的晶粒度約為100～150nm，軟磁性相α-Fe的晶粒度約為50～100nm。
硬磁性相Nd2Fe14B和軟磁性相α-Fe的體積比例為95∶5～80∶20。
本發(fā)明的另一個(gè)方面是提供了一種高強(qiáng)韌性鐵基稀土永磁體的制備方法，包括配料、冶煉、重熔、快淬得到具有納米晶和/或非晶結(jié)構(gòu)的速凝帶，將該速凝帶破碎，該永磁體由硬磁性相Nd2Fe14B和軟磁性相α-Fe兩相復(fù)合而成，稀土永磁體按重量百分比的化學(xué)成分為Nd8～11，Re0.5～1，TM82～85，M0.1～1，B4～6，其中Re為選自Dy、Tb的稀土元素，TM為選自Fe、Co的過(guò)渡族元素，M為選自Nb、Cu、Ti、Al的微量添加元素，其余為不可避免的微量雜質(zhì)；該制備方法還包括如下步驟A.加熱將破碎的速凝帶粉末快速加熱至600～1000℃；B.熱壓升溫至設(shè)定溫度后，進(jìn)行熱壓操作，在壓強(qiáng)為100～250MPa下將磁體壓至全密度；熱壓/熱變形步驟完成后使用高壓氬氣對(duì)磁體進(jìn)行快速冷卻。
加熱步驟為感應(yīng)加熱、熱電阻加熱或放電加熱三種方式之一。
加熱步驟的升溫速度為400℃/min。
破碎步驟將速凝帶破碎成0.1mm～0.5mm的顆粒。
熱壓步驟之后還包括熱變形步驟如下將磁體加熱至600～1000℃，壓力控制在20～100MPa，對(duì)磁體進(jìn)行熱變形處理，使得磁體在垂直于壓力方向上進(jìn)行自由變形；該熱變形過(guò)程完成后采用高壓氬氣對(duì)樣品進(jìn)行冷卻。
磁體熱壓/熱變形步驟完成后，還包括去應(yīng)力回火步驟如下在350～450℃將磁體保溫1～2小時(shí)，以消除磁體內(nèi)應(yīng)力，進(jìn)一步提高磁體磁性能。
軟磁性相α-Fe還可以通過(guò)以下方式之一得到I.利用電鍍法將α-Fe鍍于硬磁性相Nd2Fe14B顆粒的表面；II.利用離子蒸鍍方法將α-Fe涂覆于硬磁性相Nd2Fe14B顆粒的表面。
綜上所述，根據(jù)上述目的，本發(fā)明提出的解決方案是利用磁體沖擊破壞中伴隨的塑性變形特征。一方面，提高兩相界面結(jié)合鍵的強(qiáng)度，另一方面，依靠磁體破壞過(guò)程伴隨的塑性變形過(guò)程。因?yàn)樵谒苄宰冃芜^(guò)程中，磁體吸收的能量要高得多。磁體為雙相復(fù)合，其塑性相為α-Fe，塑性相在磁體破壞過(guò)程中發(fā)生塑性變形，從而達(dá)到吸收能量和減少應(yīng)力集中的目的。通過(guò)提高磁體中塑性相的比例以及主相與可塑性相的結(jié)合強(qiáng)度，從而可以有效提高磁體在破壞之前吸收的能量，制備出兼具高磁性能和強(qiáng)韌性的稀土永磁材料。因此，通過(guò)調(diào)整塑性相比例與含量，以及通過(guò)工藝調(diào)整提高主相和塑性相的結(jié)合強(qiáng)度來(lái)獲得高強(qiáng)韌性鐵基稀土永磁體。
高強(qiáng)韌性鐵基稀土永磁體的按重量百分比化學(xué)成份如圖1所示，化學(xué)成分按重量百分比為Nd8～11，Re0.5～1，TM82～85，M0.1～1，B4～6；其中Re為選自Dy、Tb的稀土元素，TM為選自Fe、Co的過(guò)渡族元素，M為選自Nb、Cu、Ti、Al的微量添加元素，其余為不可避免的微量雜質(zhì)。
當(dāng)稀土含量高于正分含量Nd2Fe14B時(shí)磁體由Nd2Fe14B主相和富釹相組成；當(dāng)稀土含量低于正分含量Nd2Fe14B時(shí)磁體以由Nd2Fe14B主相和α-Fe組成。α-Fe在磁體中的比例可以通過(guò)調(diào)節(jié)稀土含量來(lái)控制，稀土含量越低，α-Fe的比例越高?，F(xiàn)有技術(shù)中α-Fe的比例約為0％～10％。本發(fā)明采用快淬技術(shù)和熱壓/熱變形技術(shù)，利用快淬帶實(shí)現(xiàn)納米級(jí)α-Fe顆粒在磁體中彌散分布，本發(fā)明通過(guò)熱壓/熱變形技術(shù)制備各向異性大塊磁體，通過(guò)調(diào)節(jié)α-Fe在磁體中的比例來(lái)提高磁體強(qiáng)韌性這是本發(fā)明的特點(diǎn)。本發(fā)明高韌性鐵基稀土永磁體采用熱壓/熱變形制備工藝。
高韌性稀土永磁粉按上述成分配制后，于真空感應(yīng)爐或電弧爐中在氬氣保護(hù)下進(jìn)行熔煉，然后對(duì)鋼液進(jìn)行快淬處理，最后將快淬帶進(jìn)行熱壓、熱變形，從而制備出全密度磁體?？齑闶侵苽浞蔷А⒓{米晶的常用方法，由于該方法冷卻速度很大，凝固過(guò)程中晶核來(lái)不及長(zhǎng)大，可以制備非晶、納米晶薄帶。
高強(qiáng)韌性鐵基稀土永磁體的制備工藝是1、按照成分比例進(jìn)行配比，利用感應(yīng)爐對(duì)合金成分進(jìn)行冶煉。冶煉完成對(duì)鑄錠進(jìn)行重熔、快淬處理，快淬速度為20～50m/s，從而得到具有納米或部分非晶結(jié)構(gòu)的速凝帶，該過(guò)程在高純氬氣保護(hù)下進(jìn)行。
2、對(duì)快淬帶在盤磨中進(jìn)行破碎，破碎至粒度為0.2～0.5mm。
3、將快淬粉放入模具，迅速升溫至600～800℃。加熱方式可采用感應(yīng)加熱、熱電阻加熱或放電加熱的辦法。
4、加熱方式可采用感應(yīng)加熱、熱電阻加熱或放電加熱三種方法之一。
5、升溫至設(shè)定溫度后，進(jìn)行熱壓操作，壓強(qiáng)為100～250MPa，將磁體壓至全密度。熱壓過(guò)程完成后使用高壓氬氣對(duì)磁體進(jìn)行快速冷卻。
6、將磁體加熱至600～1000℃，壓力控制在20～100MPa，對(duì)磁體進(jìn)行熱變形處理。磁體在垂直于壓力方向上進(jìn)行自由變形。熱變形過(guò)程完成后采用高壓氬氣對(duì)樣品進(jìn)行冷卻。
7、對(duì)磁體進(jìn)行消除應(yīng)力熱處理，在300～450℃將磁體保溫1～2小時(shí)，消除磁體內(nèi)應(yīng)力，進(jìn)一步提高磁體磁性能。
本發(fā)明引入塑性相α-Fe，并通過(guò)熱壓、熱變形工藝制備出全密度磁體。α-Fe的引入增強(qiáng)了磁體的塑性，從而大大提高了磁體的強(qiáng)韌性和可加工性能。
本發(fā)明通過(guò)引入塑性較好的α-Fe的辦法，利用軟硬磁性相間的納米耦合效應(yīng)來(lái)產(chǎn)生永磁性能，有效增加磁體在破壞之前發(fā)生的塑性變形。從而有效的增加了磁體的臨界應(yīng)變能釋放率。在一定程度上克服了主相硬度高、脆性大的缺點(diǎn)，增加了磁體的強(qiáng)韌性。
通過(guò)可塑性的α-Fe與高硬度、低塑性的Nd2Fe14B主相在納米數(shù)量級(jí)上的力學(xué)補(bǔ)償效應(yīng)，使磁體的強(qiáng)韌性顯著增加。采用快淬方法得到磁粉，然后分別進(jìn)行熱壓和熱變形制備成為全密度磁體，其中加熱方式可采用感應(yīng)加熱、熱電阻加熱或放電加熱三種辦法之一，使磁體獲得較高的升溫速率，升降溫速率高可以有效抑制晶粒長(zhǎng)大，從而產(chǎn)生較好的軟硬磁納米耦合效應(yīng)。在壓制完成后使用高壓氬氣對(duì)磁體進(jìn)行快速冷卻，從而有效避免了晶粒的長(zhǎng)大。磁體的各向異性在熱變形階段產(chǎn)生，在熱壓階段完成后，磁體已經(jīng)達(dá)到全致密，但此時(shí)磁體為各項(xiàng)同性的。
在熱變形階段，磁體在垂直于壓力方向是自由延伸的，由于Nd2Fe14B本身存在彈性模量各向異性，并且其滑移面為(001)，在熱變形階段Nd2Fe14B主相將在(001)面內(nèi)進(jìn)行滑移，如圖2所示，從而使c軸即易磁化軸逐漸轉(zhuǎn)向平行于壓應(yīng)力的方向，從而產(chǎn)生平行于壓力方向的各向異性。另外一個(gè)產(chǎn)生各向異性的原因可能是Nd2Fe14B本身存在彈性模量各向異性，平行于c軸方向的彈性模量小于垂直于c軸方向的彈性模量。在壓力作用下，晶粒在長(zhǎng)大過(guò)程中產(chǎn)生擇優(yōu)形核和擇優(yōu)長(zhǎng)大。C軸平行于壓力方向的晶核能量較低，從而更容易長(zhǎng)大，這也就產(chǎn)生了磁體的各向異性。
此外，軟磁性相α-Fe還可以通過(guò)以下方式得到按比例加入單質(zhì)Fe顆粒，其粒度小于10μm；利用電鍍法將α-Fe鍍于粗破碎后的快淬帶的表面；利用離子蒸鍍方法將α-Fe涂覆于粗破碎后的快淬帶的表面。α-Fe對(duì)快淬帶進(jìn)行包覆，其厚度取決于加入α-Fe的含量，α-Fe的含量越高，其厚度越大。
與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果在于高強(qiáng)韌性鐵基稀土永磁體的韌性有較明顯的提高(見(jiàn)實(shí)施例的綜合性能比較表)，比商業(yè)磁體擁有較高的抗沖擊、振動(dòng)性能，可以承受更高的加速度沖擊作用，同時(shí)擁有優(yōu)異的磁性能，特別適合于某些對(duì)材料強(qiáng)韌性要求較高的特殊場(chǎng)合。


圖1為高強(qiáng)韌性鐵基稀土永磁體的成分范圍圖。
圖2為Nd2Fe14B晶粒在拉伸力作用下滑移變形過(guò)程示意圖。
具體實(shí)施例方式
采用本發(fā)明方法所制備的高強(qiáng)韌性稀土永磁體，其合金的具體化學(xué)成分見(jiàn)表1，表2為本發(fā)明高強(qiáng)韌性稀土永磁體的制備工藝；表3為本發(fā)明實(shí)施例的各項(xiàng)性能與現(xiàn)有技術(shù)力學(xué)性能對(duì)比表；表4為本發(fā)明實(shí)施例的磁性能與商業(yè)磁體磁性能的對(duì)比表。
表1 本發(fā)明實(shí)施例高強(qiáng)韌性鐵基稀土永磁體熱壓/熱變形永磁化學(xué)成分表(原子％)

表2 本發(fā)明實(shí)施例高強(qiáng)韌性鐵基稀土永磁體熱壓/熱變形稀土永磁體制備工藝

表3 本發(fā)明實(shí)施例低溫度系數(shù)粘結(jié)稀土永磁體與現(xiàn)有技術(shù)的性能比較表

注1(1)+2(1)代表表1的成分(1)和表2的工藝(1)進(jìn)行組合的結(jié)果，依此類推。
表4 本發(fā)明高強(qiáng)韌性鐵基稀土永磁體磁性能與常規(guī)磁體磁性能對(duì)比表

權(quán)利要求
1.一種高強(qiáng)韌性鐵基稀土永磁體，它包括硬磁性相Nd2Fe14B，其特征在于該永磁體的化學(xué)成分按重量百分比為Nd 8～11，Re 0.5～1，TM 82～85，M 0.1～1，B 4～6；其中Re為選自Dy、Tb的稀土元素，TM為選自Fe、Co的過(guò)渡族元素，M為選自Nb、Cu、Ti、Al的微量添加元素，其余為不可避免的微量雜質(zhì)，其中，該永磁體還包括軟磁性相α-Fe。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高強(qiáng)韌性鐵基稀土永磁體，其特征在于所述硬磁性相Nd2Fe14B的晶粒度約為100～150nm，軟磁性相α-Fe的晶粒度約為50～100nm。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的高強(qiáng)韌性鐵基稀土永磁體，其特征在于硬磁性相和軟磁性相的體積比例為Nd2Fe14B∶α-Fe為95∶5～80∶20。
4.一種高強(qiáng)韌性鐵基稀土永磁體的制備方法，包括配料、冶煉、重熔、快淬得到具有納米晶和/或非晶結(jié)構(gòu)的速凝帶，將該速凝帶破碎，其特征在于該永磁體由硬磁性相Nd2Fe14B和軟磁性相α-Fe兩相復(fù)合而成，該稀土永磁體按重量百分比的化學(xué)成分為Nd 8～11，Re 0.5～1，TM 82～85，M 0～1，B 4～6，其中Re為選自Dy、Tb的稀土元素，TM為選自Fe、Co的過(guò)渡族元素，M為選自Nb、Cu、Ti、Al的微量添加元素，其余為不可避免的微量雜質(zhì)；該方法還包括如下步驟A.加熱將破碎的速凝帶粉末快速加熱至600～1000℃；B.熱壓升溫至設(shè)定溫度后，進(jìn)行熱壓操作，在壓強(qiáng)為100～250MPa下將磁體壓至全密度；熱壓/熱變形步驟完成后使用高壓氬氣對(duì)磁體進(jìn)行快速冷卻。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的制備方法，其特征在于所述加熱步驟為感應(yīng)加熱、熱電阻加熱或放電加熱三種方式之一。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的制備方法，其特征在于所述加熱步驟的升溫速度為400℃/min。
7.根據(jù)權(quán)利要求4所述的制備方法，其特征在于所述破碎步驟將速凝帶破碎成0.1mm～0.5mm的顆粒。
8.根據(jù)權(quán)利要求4所述的制備方法，其特征在于所述熱壓步驟之后還包括熱變形步驟如下將磁體加熱至600～1000℃，壓力控制在20～100MPa，對(duì)磁體進(jìn)行熱變形處理，使得磁體在垂直于壓力方向上進(jìn)行自由變形；該熱變形過(guò)程完成后采用高壓氬氣對(duì)樣品進(jìn)行冷卻。
9.根據(jù)權(quán)利要求4或8之一所述的制備方法，其特征在于所述磁體熱壓/熱變形步驟完成后，還包括去應(yīng)力回火步驟如下在350～450℃將磁體保溫1～2小時(shí)，以消除磁體內(nèi)應(yīng)力，進(jìn)一步提高磁體磁性能。
10.根據(jù)權(quán)利要求4所述的制備方法，其特征在于所述軟磁性相α-Fe還可以通過(guò)以下方式之一得到I.利用電鍍法將α-Fe鍍于硬磁性相Nd2Fe14B顆粒的表面；II.利用離子蒸鍍方法將α-Fe涂覆于硬磁性相Nd2Fe14B顆粒的表面。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種高強(qiáng)韌性鐵基稀土永磁體及其制備方法，該永磁體是由硬磁性相Nd
文檔編號(hào)H01F41/02GK101090015SQ20071009987
公開日2007年12月19日 申請(qǐng)日期2007年5月31日 優(yōu)先權(quán)日2007年5月31日
發(fā)明者李衛(wèi), 王會(huì)杰, 朱明剛, 郭朝暉 申請(qǐng)人:鋼鐵研究總院