專利名稱：：高性能輻向熱壓磁環(huán)及其制備方法
技術領域：
：本發(fā)明屬于稀土永磁材料的制造領域，特別適用于高性能輻向熱壓爿磁環(huán)及其制備方法。
背景技術：
：現(xiàn)在采用永久磁體制備輻向環(huán)的方法有多種，如采用永磁體拼接粘成永磁環(huán)，利用這種方法制備的輻向環(huán)在拼接處出現(xiàn)磁場不均勻；還有采用各向同性的磁粉粘結成輻向環(huán)，這種磁環(huán)為各向同性且密度較低，因此磁性能較低，磁能積范圍為6~10MGOe。中國專利ZL88103837(申請曰1988.07.16)公開的一種"輻向取向釹-鐵-硼永^t環(huán)及其制造方法"，是采用粉末冶金工藝制備稀土永磁輻向環(huán)。首先將磁體破碎成3-5jam的》茲粉，然后利用輻向磁場對磁粉進行取向并壓制成型，最后進行燒結和回火處理，從而制備出輻向永,茲環(huán)。由于這種^t環(huán)尺寸受到取向場的限制，因此磁環(huán)的尺寸受到了極大限制，同時難以實現(xiàn)高壁、薄壁磁環(huán)的制備。同時由于粉末冶金工藝導致的磁環(huán)燒結過程中大量收縮，使磁環(huán)不能做到近終成型，增加了磁環(huán)的后繼加工成本。采用仔細控制的生產永磁材料的工藝，已經(jīng)熔融旋制出由要形成RE2TM14B正方晶相的組分構成的含稀土元素的各種合金。在淬火或過冷淬火再退火的條件下，這種熔融旋制的材料基本上由正方晶體組成，典型的如Nd2FewB相，磁體組合物及其制造方法參見美國專利(專利號4802931),含正方晶體的晶粒都很小，典型的平均晶粒尺寸小于100nm,在它們周圍是一個或多個二級晶粒邊界相，該邊界相形成該組分的永磁特征。這種微粒材料是磁各向同性的，熔融旋制的帶段可粉碎成合適的粉末，再配上合適的粘合材料并膜制成有用的粘合永磁體。開式壓機中制備熱壓和/或熱變形磁體，通過氬氣噴吹使熱壓磁體與空氣隔離，以避免粉末合金材料的氧化和燃燒的辦法，可以實現(xiàn)磁體的高效、迅速生產，中國專利ZL92103558.6(申請日1992.05.15)公開了一種"在開式壓機中熱壓磁體"，其特點是通過氬氣噴吹以避免粉末合金材料的氧化，從而達到高效率生產的目的。但這種方法未能實現(xiàn)合金材料與空氣的完全隔離，在較高的溫度下(700°C~90(TC)熱壓過程中易于造成磁體中氧含量的增加，從而降低了各向異性磁體的性能，其最大磁能積約為20~30MGOe。熱壓/熱變形磁體的稀土含量較低(約13at%)，因此磁體對氧化較為敏感，磁體中氧含量將直接決定其性能。傳統(tǒng)制備熱壓輻向環(huán)的方法首先是制備各向同性的熱壓塊，然后利用壓頭的熱擠出過程將磁體制備成為環(huán)，這已在美國發(fā)明專利US4844754中公開。熱壓磁體織構形成與材料的塑性變形密切相關，由于材料在塑性變形過程中受到其與模具壁間摩擦力的作用，導致其變形的不均勻性，從而嚴重影響了材料的性能，如OGutfeisch(J.PhysDApplPhys.31(1998)807-811)和W.Gmnberger(JournalofAlloysandcompounds275(1997)293-301)的報道表明熱壓環(huán)磁性能沿磁環(huán)的軸向和徑向存在較大的不均勻性。同時材料在變形過程中的開裂有嚴重影響了其^f茲性能的均勻性，如C.D.Fuerst的才艮道(J.Apll.Phys.73(10)19935751-5756)。因此控制氧含量、提高材料塑性變形的均勻性并抑制開裂，對于制備高性能輻向磁環(huán)至關重要。
發(fā)明內容本發(fā)明的目的在于提供一種高性能輻向熱壓磁環(huán)。本發(fā)明的另一目的在于提供一種上述高性能輻向熱壓磁環(huán)制備方法。為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明是這樣實現(xiàn)的一種高性能輻向熱壓磁環(huán)，是通過將磁性速凝薄帶制成粉末、熱壓成全密度各向同性磁體，通過熱變形工藝將所述各向同性磁體制成的具有細片晶顯^f效組織的環(huán)；該磁環(huán)的成分按原子比為(RElxRFx)2(Fe^TMy^B，其中RE為釹和/或鐠，RE'是耳又自Y，La,Ce,Sm，Eu，Gd,Tb,Dy，Ho，Er,Tm，Yb，Lu中的一種或多種；TM是一個或多個過渡族元素，如Co,Ni，Mn，Cr，Al，Sn,Ga，Ti,Zn,Zr,Mo，Ag,W,Nb和Cu;x為00.4,y為0~0.4;該》茲環(huán)的》茲能積大于30MGOe。非晶納米晶薄帶制成的粉末可以完全為晶態(tài)，也可以包含部分非晶態(tài)，晶粒度小于500nm。氧含量為600~800ppm。化學成分按重量百分比為Fe70%~85%,稀土金屬10~40%,稀土金屬中的Nd和/或Pr至少60%，B0.7%~1.1%。還包括Co216%。一種高性能輻向熱壓磁環(huán)的制備方法，包括配料、冶煉、快淬得到非晶納米晶薄帶，》茲環(huán)的成分按原子比為(RE^RE'x)2(Fei-yTMy)14B,其中RE為釹和/或鐠，RE'是取自Y,La，Ce，Sm,Eu，Gd，Tb,Dy,Ho，Er,Tm，Yb,Lu中的一種或多種；TM是一個或多個過渡族元素，如Co,Ni，Mn，Cr，Al，Sn，Ga，Ti，Zn,Zr,Mo，Ag，W,Nb和Cu;x的取度范圍為0~0.4,y的取值范圍為0~0.4;該方法還包括如下步驟A.將該非晶納米晶薄帶制成磁各向同性稀土-鐵-硼合金粉末；B.將該稀土-鐵-硼合金粉末在600°C800。C熱壓成為全密度各向同性f茲體；C.將該全密度各向同性》茲體在700°C900。C熱成形為輻向取向的》茲環(huán)。熱壓和熱擠壓均在高真空下或達到高真空度后充入氬氣保護下進行，所述真空度高于1xl0-2Pa。非晶納米晶薄帶采用快淬方法制備，溫度至1400。C左右時熔融合金開始噴射到以25~45m/s的速度高速旋轉的水冷銅輥上。合金可以完全為晶態(tài)，也可以包含部分非晶態(tài)，晶粒度小于500nm。熱壓和熱擠壓采用雙向浮動壓制，上下兩個方向同時施加力，并且都產生位移，模具外套產生一個與磁環(huán)流變方向相同的位移。在壓制過程中，當上壓頭或下壓頭壓移動時，模具外套向相反的方向移動?！菲澀h(huán)的晶粒尺寸最大至500nm。磁環(huán)的磁能積為30MGOe45MGOe。熱壓步驟中，上下壓頭為相同直徑；在熱變形步驟，上下壓頭為不同直徑。綜上所述，根據(jù)上述目的，本發(fā)明的所提出的解決方案是通過控制適當?shù)睦鋮s速度，采用快淬來制備薄帶。得到的薄帶具有適當?shù)募毦Я＝Y構(20nm~400nm或500nm)。由于晶粒結構較為細小，該薄帶具有優(yōu)異的磁性能，較低的矯頑力、較高的矯頑力和磁能積。本發(fā)明利用快淬帶的熱壓/熱變形工藝(hotextrusion)制備輻向取向的永》茲環(huán)，這利用了熱變形過程中Nd2Fe14B磁性主相易磁化方向垂直于流變方向的機理。由于不需要磁場取向，利用這種技術可以制備出尺寸范圍大、高壁和薄壁的輻向永〃磁環(huán)。由于可以實現(xiàn)近終成型，其后繼加工只需要簡單的磨加工，成本較低。利用熱壓/熱變形制備全密度磁體。而通過熱擠出工藝，利用合理控制淬速得到的薄帶，制備全密度、高織構的輻向磁環(huán)。該輻向磁環(huán)具有均勻細小的樣O見結構(20nm~400nm或500nm)，較高的剩/磁和矯頑力。制備方法改進」按照本發(fā)明，用兩步壓制法生產熱壓輻向熱壓;茲環(huán)。將上述成分的合金熔融，然后利用快淬工藝將熔融合金制成薄帶，該薄帶具有晶態(tài)或部分非晶態(tài)結構。典型的合金薄帶具有晶態(tài)結構和永磁性能。如果有必要，將快淬薄帶破碎成顆粒以便于熱壓操作，然后將顆粒在金屬磨具中加熱至60080(TC左右，并進行短時間熱壓操作制備成為全密度各向同性磁體，該磁體磁性能不低于15MGOe。然后將各向同性的》茲體熱擠壓成磁環(huán)，熱擠壓溫度約為700卯(TC。熱壓和熱變形過程的時間較短，以避免晶粒的長大，從而確保獲得優(yōu)異的磁性能，熱壓和熱擠出工藝均在高真空下或者達到高真空后充入Ar氣保護下進行。模具設計采用外模套浮動設計，即磁環(huán)在擠出過程中外模套向與材料的流變相同的向同運動，減小了材料流變過程中的阻力，從而有效克服了熱擠壓過程中^f茲環(huán)各部位性能不均勻的現(xiàn)象。在磁環(huán)流變的最后階段，通過上壓頭的臺階在磁環(huán)的自由伸展面上施加一個反向的壓力。從而達到抑制磁環(huán)開裂的目的。高性能輻向熱壓磁環(huán)的具體制備工藝是l.首先制備快淬薄帶，該快淬薄帶是在氬氣保護氣氛下制備的。利用感應爐熔煉上述成分的液態(tài)熔融合金，熔融合金經(jīng)過精煉，當熔融合金溫度至1400"C左右時開始噴射到以25~45m/s的速度高速旋轉的水冷銅輥上，水冷銅輥的外側包覆了一層鉻?？齑銕Ш穸冗_約為30um,其寬度取決于噴口的寬度，約為l~100mm。由于銅輥轉速和成分的差異，快淬帶的結構和性能會有較大差異。當銅輥轉速太快時，快淬帶中包含了一定的非晶成分，此時快淬帶性能較低。當銅輥轉速較慢時，快淬帶具有優(yōu)異的永f茲性能(矯頑力大于lOOOOe)。2.薄帶破碎成小片，稱取30g放入模具的圓柱狀腔體內，模具內徑為25mm,通過上下壓頭將合金粉固定在模具內。模具利用鎳基高溫合金制成，上下壓頭采用碳化鴒制成。3.利用感應線圈將模具和快淬帶迅速加熱至600~800°C,溫度采用插入模具中的熱電偶進行測量。上壓頭啟動并對樣品施加80~200MPa的壓強，使樣品達到全密度(約7.5g/cm3),然后停止加熱和加壓，當樣品冷卻至室溫后將其從模具中取出。樣品在高溫階段的時間控制在5min以內。整個熱壓過程是在高真空之下完成的，真空度高于1x10—2Pa。4.從熱壓柱上切取樣品，樣品尺寸2x2x2mm3。利用大于4T的脈沖磁場對樣品進行充磁，利用振動樣品磁強計(VSM)測量樣品沿取向方向(》茲環(huán)的輻向方向)的》茲性能。熱壓柱在平4于于》茲化方向和垂直于磁化方向的》茲性能幾乎相同，呈現(xiàn)各向同性。5.圖l和圖2分別給出了兩種熱變形工藝的示意圖。圖l所示為改進后熱變形過程，將圓柱形的熱壓磁體放置在直徑為30mm的腔體內，如圖1(a)所示，熱變形上壓頭1的直徑小于熱變形下壓頭5的直徑，已經(jīng)全密度化的^f茲體的直徑與上壓頭接近，這樣，熱變形上壓頭1與模具外套3有一空腔6，即為所需磁環(huán)的形狀。利用感應線圈將模具和磁體迅速加熱至700~900°C，熱變形上壓頭1啟動并對樣品施加約80~200MPa的壓強，同時環(huán)狀底座4帶動模具3向上移動。將樣品2熱擠壓成環(huán)狀，如圖1(b)所示，其中7為熱擠壓磁環(huán)。整個熱擠出過程是在高真空之下或者達到高真空后充氬氣保護完成的，真空度優(yōu)于1xlO—2Pa。圖2(a)-(d)所示為傳統(tǒng)熱壓和熱變形過程的示意圖，其中圖2(a)-(b)為熱壓過程，圖2(C)-(d)為熱變形過程，在該壓制過程中，模具的外套不發(fā)生位移，僅僅是通過熱壓上壓頭8或熱壓下壓頭10的移動來制備熱壓環(huán)。其中9為快淬4分，ll為熱壓環(huán)。6.從輻向環(huán)取向方向切取樣品，樣品尺寸2x2x2mm3。利用大于4T的脈沖》茲場對樣品進行充磁，利用振動樣品磁強計(VSM)測量樣品沿輻向方向U茲環(huán)的輻向方向)的磁性能，典型的磁性能如圖3示?？梢娧卮怒h(huán)輻向方向的磁性能較熱壓柱有顯著提高，其剩磁大于13.4kGs,最大》茲能積大于42MGOe。這表明》茲環(huán)沿輻向方向產生了較強的織構。利用掃描電鏡對磁環(huán)的微觀結構進行觀測，其微觀結構如圖4所示，箭頭的方向代表磁環(huán)的輻向方向?？梢娫诖怒h(huán)內部生成了很多垂直于輻射取向方向的片狀晶，這些片狀晶與磁環(huán)的各向異性有緊密的關系，且片狀晶的厚度方向垂直于易石茲化方向。磁環(huán)沿輻射方向的XRD衍射譜和快淬粉的XRD衍射譜如圖5所示，對于熱壓環(huán)沿輻射方向的XRD衍射譜，其(004)、(006)和(008)的衍射峰相對于快淬帶有顯著增強，這也表明輻向環(huán)沿輻向方向產生了較強的織構，這是磁環(huán)具有優(yōu)異磁性能的原因。與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明的有益效果在于高性能輻向磁環(huán)具有較低的氧含量，從而使磁環(huán)具有較高的磁性能。浮動雙向壓制減小了塑性流變的阻力，從而使磁環(huán)具有較高的磁性能和一致性，并且可以有效抑制磁環(huán)開裂。圖1(a)-(b)是本發(fā)明中全密度圓柱體磁體熱變形過程的示意圖。圖2(a)-(d)是本發(fā)明中快淬粉熱壓和熱變形過程的示意圖。圖3是本發(fā)明得到的輻向熱壓磁環(huán)沿輻射方向的磁性能圖。圖4(a)、(b)是不同》文大倍數(shù)下本發(fā)明得到的輻向熱壓磁環(huán)微觀結構圖，箭頭所示為易f茲化方向c軸。圖5是磁環(huán)XRD衍射譜和快淬粉XRD衍射譜圖。上述附圖中，l為熱變形上壓頭，2為樣品(全密度同性磁體)，3為模具外套，4為環(huán)狀底座，5為熱變形下壓頭，6為空隙，7為熱擠壓磁環(huán)，8為熱壓上壓頭，9為快淬粉，IO為熱壓下壓頭，ll為熱壓環(huán)。具體實施例方式表1為本發(fā)明的高性能熱壓環(huán)的具體化學成分；表2為本發(fā)明高性能熱壓環(huán)的制備工藝；表3為利用VSM測量的本發(fā)明實施例熱壓環(huán)的磁性能和氧含量以及現(xiàn)有技術性能對比。表1:本發(fā)明實施例的高性能熱壓環(huán)的化學成分(at0/。)<table>tableseeoriginaldocumentpage13</column></row><table>表2:本發(fā)明實施例高性能熱壓環(huán)的熱壓/熱變形工藝<table>tableseeoriginaldocumentpage14</column></row><table>表3:本發(fā)明實施例高性能熱壓環(huán)的磁性能<table>tableseeoriginaldocumentpage14</column></row><table>注在實施例中，1(1)+2(2)指表1中成分(1)與表2中工藝(2)相結合，其余依次類推。因此，盡管本發(fā)明已對其優(yōu)選實施方案作了說明，很顯然本領域技術人員可采取其它實施方式，例如改變成份、快淬速度、加壓方式和模具設計等。權利要求1、一種高性能輻向熱壓磁環(huán)，其特征在于是通過將磁性速凝薄帶制成粉末、熱壓成全密度各向同性磁體，通過熱變形工藝將所述各向同性磁體制成的具有細片晶顯微組織的環(huán)；該磁環(huán)的成分按原子比為(RE1-xRE′x)2(Fe1-yTMy)14B，其中RE為釹和/或鐠，RE′是取自Y，La，Ce，Sm，Eu，Gd，Tb，Dy，Ho，Er，Tm，Yb，Lu中的一種或多種；TM是一個或多個過渡族元素，如Co，Ni，Mn，Cr，Al，Sn，Ga，Ti，Zn，Zr，Mo，Ag，W，Nb和Cu；x為0～0.4，y為0～0.4；該磁環(huán)的磁能積大于30MGOe。2、如權利要求l所述的高性能輻向熱壓磁環(huán)，其特征在于所述非晶納米晶薄帶制成的粉末可以完全為晶態(tài)，也可以包含部分非晶態(tài)，晶粒度小于500nm。3、如權利要求2所述的高性能輻向熱壓磁環(huán)，其特征在于氧含量為600~800ppm。4、如權利要求2所述的高性能輻向熱壓磁環(huán)，其特征在于化學成分按重量百分比為Fe70%~85%,稀土金屬10~40%,稀土金屬中的Nd和/或Pr至少60%,B0.7%~1.1%。5、如權利要求4所述的高性能輻向熱壓磁環(huán)，其特征在于還包括Co216%。6、一種高性能輻向熱壓磁環(huán)的制備方法，包括配料、冶煉、快淬得到非晶納米晶薄帶，其特征在于磁環(huán)的成分按原子比為(RE^RE'x)2(Fe卜yTMy)4B,其中RE為釹和/或鐠，RE'是取自Y,La，Ce，Sm,Eu，Gd，Tb,Dy，Ho，Er,Tm,Yb，Lu中的一種或多種；TM是一個或多個過渡族元素，如Co，Ni,Mn，Cr，Al,Sn,Ga,Ti,Zn,Zr，Mo,Ag,W,Nb和Cu;x的取值范圍為0~0.4，y的取值范圍為0~0.4;該方法還包括如下步驟A.將該非晶納米晶薄帶制成磁各向同性稀土-鐵-硼合金粉末；B.將該稀土-鐵-硼合金粉末在600℃-800℃熱壓成為全密度各向同性磁體；C.將該全密度各向同性磁體在700℃900℃熱成形為輻向取向的磁環(huán)。7、根據(jù)權利要求6所述的制備方法，其特征在于所述熱壓和熱擠壓均在高真空下或達到高真空度后充入氬氣保護下進行，所述真空度高于1x10-2Pa。8、根據(jù)權利要求6所述的制備方法，其特征在于所述非晶納米晶薄帶采用快淬方法制備，溫度至1400。C左右時熔融合金開始噴射到以25~45m/s的速度高速旋轉的水冷銅輥上。9、根據(jù)權利要求8所述的制備方法，其特征在于合金可以完全為晶態(tài)，也可以包含部分非晶態(tài)，晶粒度小于500nm。10、根據(jù)權利要求6所述的制備方法，其特征在于所述熱壓和熱凈齊壓采用雙向浮動壓制，上下兩個方向同時施加力，并且都產生位移，模具外套產生一個與磁環(huán)流變方向相同的位移。11、根據(jù)權利要求6所述的制備方法，其特征在于在壓制過程中，當上壓頭或下壓頭壓移動時，模具外套向相反的方向移動。12、根據(jù)權利要求10或11所述的制備方法，其特征在于磁環(huán)的晶粒尺寸最大至500nm。13、根據(jù)權利要求10或11所述的制備方法，其特征在于磁環(huán)的磁能積為30MGOe-45MGOe。14、根據(jù)權利要求6所述的制備方法，其特征在于所述熱壓步驟中，上下壓頭為相同直徑；在熱變形步驟，上下壓頭為不同直徑。全文摘要本發(fā)明為一種高性能輻向熱壓磁環(huán)及其制備方法，利用快淬方法制備的薄帶破碎后在600℃～800℃熱壓成為全密度各向同性磁體，在溫度達到700℃～900℃，通過浮動雙向壓制工藝該磁體熱擠壓成環(huán)狀，熱壓環(huán)的取向為輻向取向，其晶粒尺寸最大至500nm。其中兩步熱壓工藝均是在高真空下，或者達到高真空后充入氬氣保護下進行的。本發(fā)明得到的磁環(huán)具有較低的氧含量，從而使磁環(huán)具有較高的磁性能。浮動雙向壓制減小了塑性流變的阻力，從而使磁環(huán)具有較高的磁性能和一致性，并且可以有效抑制磁環(huán)開裂。文檔編號H01F7/02GK101202143SQ200710177080公開日2008年6月18日申請日期2007年11月9日優(yōu)先權日2007年11月9日發(fā)明者劉興民,衛(wèi)李,李安華,旻林,偉潘,王會杰,閆阿儒,陳仁杰申請人:鋼鐵研究總院;中國科學院寧波材料技術與工程研究所