一种高耐蚀稀土永磁体及其制备方法
阅读说明：本技术 一种高耐蚀稀土永磁体及其制备方法 (High-corrosion-resistance rare earth permanent magnet and preparation method thereof ) 是由 毛华云 毛琮尧 孙长山 赖欣 于 2020-11-30 设计创作，主要内容包括：本发明提供了一种高耐蚀稀土永磁体的制备方法,包括：将合金原料配料后进行熔炼,然后甩带,得到铸片；将所述铸片进行氢破碎后再进行气流磨,得到细粉颗粒；将所述细粉颗粒和金属氧化物纳米粉混合,得到混合粉体；将所述混合粉体进行磁场压制后烧结,得到高耐蚀稀土永磁体。本发明通过将制得的粉末添加一定量的纳米级金属氧化物,搅拌均匀后进行取向压型、烧结成高剩磁的磁体,通过烧结后氧化物大部分分布在三角晶界(三个晶粒边界的交合点)上,降低了晶界或三角晶界和主相之间的电位差,晶界相得到了更好的化学稳定性,从而得到耐腐蚀性好的烧结钕铁硼磁体。本发明还提供了一种高耐蚀稀土永磁体。(The invention provides a preparation method of a high-corrosion-resistance rare earth permanent magnet, which comprises the following steps: alloy raw materials are proportioned and then smelted, and then strip casting is carried out to obtain a cast sheet; carrying out hydrogen crushing on the cast piece, and then carrying out jet milling to obtain fine powder particles; mixing the fine powder particles with metal oxide nano powder to obtain mixed powder; and (3) carrying out magnetic field pressing on the mixed powder and then sintering to obtain the high-corrosion-resistance rare earth permanent magnet. According to the invention, a certain amount of nano-scale metal oxide is added into the prepared powder, the powder is uniformly stirred and then subjected to orientation compression and sintering to form a high-remanence magnet, most of the sintered oxide is distributed on a triangular crystal boundary (a junction point of three crystal grain boundaries), so that the potential difference between the crystal boundary or the triangular crystal boundary and a main phase is reduced, the crystal boundary phase obtains better chemical stability, and the sintered neodymium-iron-boron magnet with good corrosion resistance is obtained. The invention also provides a high-corrosion-resistance rare earth permanent magnet.)
技术领域
本发明属于稀土永磁材料技术领域，尤其涉及一种高耐蚀稀土永磁体及其制备方法。
背景技术
众所周知，以Nd2Fe14B型化合物为主相的R-Fe-B类稀土烧结磁铁是永磁体所有磁性材料中性能最高的磁体，它广泛地用于硬盘驱动的音圈电动机(VCM)、伺服电机、变频空调电机、混合动力车搭载用电动机等。作为一种粉末冶金工艺制备而成的多孔材料，因其中的富钕相，钕铁硼主相及边界相很容易形成晶间腐蚀。钕铁硼粉末合金中的稀土元素钕，性质活泼，使整个钕铁硼合金的耐蚀性能变得很差，在湿热的环境中极易生锈腐蚀。烧结钕铁硼最大的缺点是基体的耐蚀性比较差，在生产制造过程中，产品容易氧化和生锈，这会影响产品在制造过程中的良率；同时产品在使用的过程中由于耐蚀性差，影响产品的使用寿命。钕铁硼永磁材料的防腐问题一直是其需要解决的主要问题。
现有的传统方法在合金的熔炼阶段添加钴、铜等耐蚀性的元素，首先用甩带(速凝)的方法准备一种稀土金属合金，甩带合金通过氢碎、气流磨制粉、将制得的粉末搅拌均匀后进行取向压型、烧结成高耐蚀性的磁体。烧结钕铁硼的腐蚀主要从晶界尤其是三角晶界开始腐蚀，因为晶界和主相成分有较大差异，电位差较大。传统方法通过在合金的熔炼阶段添加钴、铜等耐蚀性的元素来提高基材的耐蚀性，然而添加的钴、铜等耐蚀性的元素对改变磁体中主相和晶界的电位差微乎其微，改善晶界的稳定性有限，因此对提高基材的耐蚀性不明显，而且成本较高。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种高耐蚀稀土永磁体及其制备方法，本发明提供的方法制备的稀土永磁体具有较好的耐蚀性。
本发明提供了一种高耐蚀稀土永磁体的制备方法，包括：
将合金原料配料后进行熔炼，然后甩带，得到铸片；
将所述铸片进行氢破碎后再进行气流磨，得到细粉颗粒；
将所述细粉颗粒和金属氧化物纳米粉混合，得到混合粉体；
将所述混合粉体进行磁场压制后烧结，得到高耐蚀稀土永磁体；
所述金属氧化物纳米粉，成分为：
Rx-My-Oz；
其中，R为稀土元素，包括Nd、Pr和Y中的一种或几种；
M选自Al、Cu、Zn、Sn、Ga、Ge、Nb、V、W、Ti、Ni、Zr、Ta、Mn、Cd和Mo中的至少一种元素；
50wt％≤x；0.1wt％≤y≤20wt％；z＞10wt％。
优选的，所述R为Nd；M选自Cu、Ti和Zr中的一种或几种。
优选的，70wt％≤x≤85wt％；5wt％≤y≤15wt％，15wt％≤z≤20wt％。
优选的，所述金属氧化物纳米粉的粒度为100～300nm。
优选的，所述合金原料配料后的成分为：
R1x1Fe(100-x1-y1-z1)M1y1Bz1，
其中，28wt％≤x1≤33wt％；0.1wt％≤y1≤3.0wt％；0.85wt％≤z1≤1.0wt％；
R1选自稀土元素，所述稀土元素包括镨和/或钕；
M1选自Al、Cu、Zn、Sn、Ga、Ge、Nb、V、W、Ti、Ni、Zr、Ta、Mn、Cd和Mo中的至少一种元素。
优选的，所述铸片的厚度为0.3～0.5毫米。
优选的，所述细粉颗粒的粒度为2.5～4.5微米。
优选的，所述金属氧化物纳米粉在混合粉体中的质量含量为0.1～1wt％。
优选的，所述烧结的温度为1020～1060℃，所述烧结的时间为4～10小时。
本发明提供了一种上述技术方案所述的方法制备得到的高耐蚀稀土永磁体。
本发明通过甩带(速凝)的方法制备一种稀土金属合金，甩带(速凝)合金通过氢碎、气流磨制粉、将制得的粉末添加一定量的纳米级金属氧化物，搅拌均匀后进行取向压型、烧结成高剩磁的磁体，通过烧结后氧化物大部分分布在三角晶界(三个晶粒边界的交合点，如图1所示)上，降低了晶界或三角晶界和主相之间的电位差，晶界相得到了更好的化学稳定性，从而得到耐腐蚀性好的烧结钕铁硼磁体。
在烧结钕铁硼晶界中，主相合金基本不熔化，金属氧化物纳米合金将主要分布于磁体中的晶界相内，只需少量金属氧化物纳米合金，就可以大大改善磁体的高温耐腐蚀性。同时，由于金属氧化物纳米合金主要分布在晶界相内，因此也不会损害钕铁硼磁体的磁性能。从而，在磁体磁性能基本不受影响的前提下，仅仅加入微量的金属，就大大改善了钕铁硼磁体的高温耐腐蚀性。
附图说明
图1为本发明制备的高耐蚀稀土永磁体的主相和晶界相的示意图及放大图。
具体实施方式
下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员经改进或润饰的所有其它实例，都属于本发明保护的范围。应理解，本发明实施例仅用于说明本发明的技术效果，而非用于限制本发明的保护范围。实施例中，所用方法如无特别说明，均为常规方法。
本发明提供了一种高耐蚀稀土永磁体的制备方法，包括：
将合金原料配料后进行熔炼，然后甩带，得到铸片；
将所述铸片进行氢破碎后再进行气流磨，得到细粉颗粒；
将所述细粉颗粒和金属氧化物纳米粉混合，得到混合粉体；
将所述混合粉体进行磁场压制后烧结，得到高耐蚀稀土永磁体。
在本发明中，所述合金原料包括稀土元素、硼元素、铁元素和M1金属元素；所述稀土元素包括镨和/或钕，优选还包括镝、铽、钬、钆和铈中的一种或几种；所述M1金属元素选自Al、Cu、Zn、Sn、Ga、Ge、Nb、V、W、Ti、Ni、Zr、Ta、Mn、Cd和Mo中的至少一种元素。在本发明中，所述合金原料配料后成分为：
R1x1Fe(100-x1-y1-z1)M1y1Bz1，
其中，28wt％≤x1≤33wt％；0.1wt％≤y1≤3.0wt％，优选的0.5wt％≤y1≤2.5wt％，更优选的，1.0wt％≤y1≤2.0wt％；0.85wt％≤z1≤1.0wt％；x1、y1、z1均为质量百分含量。
R1选自上述技术方案所述的合金原料中的稀土元素；
M1选自上述技术方案所述的M1金属元素；
B为硼元素。
在本发明中，所述合金原料配料后的成分优选为(PrNd)31.3Fe64.45Dy0.8Ti0.15Cu0.25Co1.5Al0.3Ga0.3B0.95、Nd30.5Fe67.53Ti0.18Cu0.17Co0.5Al0.1Ga0.1B0.92或Nd28Fe67.7Tb2Ti0.15Cu0.15Co0.8Al0.15Ga0.15B0.9。
在本发明中，所述熔炼优选为真空熔炼，所述熔炼过程中的温度优选为1410～1490℃，更优选为1430～1470℃，最优选为1450℃；所述熔炼优选在＜50KPa氩气条件下进行。
在本发明中，所述甩带为速凝工艺，所述甩带过程中的铜辊转速优选为1～1.5m/s，更优选为1.1～1.3m/s，最优选为1.2m/s。
在本发明中，所述铸片的厚度优选为0.3～0.5毫米，更优选为0.4毫米。
在本发明中，所述氢破碎优选包括：饱和吸氢后保温脱氢。
在本发明中，所述保温脱氢的温度优选为560～600℃，更优选为570～590℃，最优选为580℃；所述保温脱氢的时间优选为3～7h，更优选为4～6h，最优选为5h。
在本发明中，所述气流磨过程中的研磨压力优选为0.5～0.7MPa，更优选为0.55～0.6MPa，最优选为0.58MPa；分选轮的转速优选为3500～4000r/min，更优选为3700～3900r/min，最优选为3800r/min。
在本发明中，所述细粉颗粒的粒度优选为2.5～4.5微米，更优选为3～5微米，最优选为4微米。
在本发明中，所述金属氧化物纳米粉，成分为：
Rx-My-Oz；
其中，R为稀土元素，包括Nd、Pr和Y中的一种或几种；
M选自Al、Cu、Zn、Sn、Ga、Ge、Nb、V、W、Ti、Ni、Zr、Ta、Mn、Cd和Mo中的至少一种元素，优选选自Al、Cu、Zn、Mn和Mo中的一种或几种，更优选选自Cu、Ti和Zr中的一种或几种；
O为氧元素；
50wt％≤x；0.1wt％≤y≤20wt％；z＞10wt％；优选的，70wt％≤x≤85wt％，更优选的，73wt％≤x≤82wt％，最优选的，75wt％≤x≤80wt％；优选的，0.5wt％≤y≤15wt％，更优选的，5wt％≤y≤15wt％，更优选的，8wt％≤y≤12wt％，最优选的，y为10wt％；优选的，15wt％≤z≤20wt％；x、y、z均为质量百分含量。
在本发明中，所述金属氧化物纳米粉的成分优选为Nd78(CuTi)9O13、Nd78(TiZr)9O13或Nd78(CuZr)9O13。
在本发明中，所述金属氧化物纳米粉的粒径优选为100～300nm，更优选为150～250nm，最优选为200nm。
本发明对所述金属氧化物纳米粉的制备方法没有特殊的限制，采用本领域技术人员熟知的制备金属氧化物纳米粉的制备方法制备即可，如可利用溶胶-凝胶或化学气相沉积的方法制备得到。
在本发明中，所述金属氧化物纳米粉在混合粉体中的质量含量优选为0.1～1wt％，更优选为0.2～0.8wt％，最优选为0.3～0.6wt％。
在本发明中，优选为在磁场中进行取向压制，所述压制的方法优选为等静压压制。在本发明中，所述磁场强度优选为1.5T～1.9T，更优选为1.6～1.8T。本发明优选在磁场中压制成型后再进行等静压，所述等静压的强度优选为190～220MPa，更优选为200～210MPa；压强越高对材料性能越有利，但是过高的压强势必会提高对安全设施的要求，同时也导致设备体积增大，从而导致生产成本的增加。
在本发明中，所述烧结的温度优选为1020～1060℃，更优选为1030～1050℃，最优选为1040℃；所述烧结的时间优选为4～10小时，更优选为5～8小时，最优选为6～7小时。在本发明中，所述烧结优选为真空烧结。
在本发明中，所述烧结完成后优选还包括热处理，所述热处理优选包括：
将获得的烧结产物进行一级时效和二级时效，得到高耐蚀稀土永磁体。
在本发明中，所述一级时效的温度优选为800～920℃，更优选为850～900℃，保温时间优选为3～5h，更优选为4h；所述二级时效的温度优选为480～600℃，更优选为500～550℃，保温时间优选为3～5h，更优选为4h。
在本发明中，上述时效处理是可选择的，可以只进行一级时效，或只进行二级时效，或先进行一级时效再进行二级时效，或不进行任何时效处理。
本发明还提供了一种上述技术方案所述的方法制备得到的高耐蚀稀土永磁体。
为了改善烧结钕铁硼磁体的高温耐腐蚀性，可以采取两条技术路线：其一是提高钕铁硼磁体本身的耐腐蚀性，其二是在磁体表面上涂布涂层；但是耐腐蚀涂层的耐久性往往难以满足实际使用要求，本发明采用了提高钕铁硼磁体本身的耐腐蚀性的技术路线。在本发明中，通过在烧结钕铁硼细粉颗粒中添加金属氧化物纳米粉，将纳米金属氧化物加入到钕铁硼磁体的三角晶界相内，来提高钕铁硼磁体的高耐腐蚀性。
烧结钕铁硼粉末添加一定量的纳米级金属氧化物，搅拌均匀后进行取向压型、烧结成高剩磁的磁体，通过烧结后氧化物大部分分布在三角晶界上，降低了晶界或三角晶界和主相之间的电位差，纳米氧化物颗粒非常小，可以稳定地掺杂在晶界里，晶界相得到了更好的化学稳定性。金属氧化物的化学性能比较稳定，工艺上可操作性很强，成本相对较低。
比较例1
通过甩带(速凝)技术将合金成分为：(PrNd)31.3Fe64.45Dy0.8Ti0.15Cu0.25Co1.5Al0.3Ga0.3B0.95(下标为质量百分含量)的合金原料制成铸片(在<50kPa氩气条件下，1450℃±40℃熔炼，铜辊转速1.2m/s)，然后采用氢破碎(饱和吸氢后580℃保温脱氢5h)和气流磨工艺(研磨压力0.58MPa,分选轮转速3800r/min)将其制成平均粒径为3.2微米的细粉；
将上述细粉在1.8T的磁场中取向并压制成型，在200MPa压力等静压制成生坯；随后将生坯置于烧结炉内，在1040℃保温6小时，然后进行两级时效处理，一级时效温度为890℃，保温时间为3小时，二级时效温度为550℃，保温时间为6小时，得到稀土永磁体。
按照GB/T-3217-2013《永磁(硬磁)材料磁性试验方法》标准，对本发明比较例1制备的稀土永磁体进行磁性能检测；检测结果如表1所示。
将比较例1得到的稀土永磁体制成Φ10mm×10mm和Φ15mm×3mm两种规格的磁体，每种规格5个，共20个，进行HAST(加速老化测试)实验，实验条件是为120℃，2atm，240小时；检测结果如表1所示。
实施例1
通过甩带(速凝)技术将合金成分为：(PrNd)31.3Fe64.45Dy0.8Ti0.15Cu0.25Co1.5Al0.3Ga0.3B0.95(下标为质量百分含量)的合金原料制成铸片(在<50kPa氩气条件下，1450℃±40℃熔炼，铜辊转速1.2m/s)，然后采用氢破碎(饱和吸氢后580℃保温脱氢5h)和气流磨工艺(研磨压力0.58MPa,分选轮转速3800r/min)将其制成平均粒径为3.2微米的细粉；
将平均粒径为100nm～300nm的成分为Nd78(CuTi)9O13(下标为质量百分含量)氧化物纳米粉加入到上述细粉中，并混合均匀，得到合金混粉，氧化物纳米粉在合金混粉中的质量含量为0.2％；
将上述合金混粉在1.8T的磁场中取向并压制成型，在200MPa压力等静压制成生坯；随后将生坯置于烧结炉内，在1040℃保温6小时，然后进行两级时效处理，一级时效温度为890℃，保温时间为3小时，二级时效温度为550℃，保温时间为6小时，得到高耐蚀稀土永磁体。
按照比较例1的方法，对本发明实施例1制备得到的高耐蚀稀土永磁体进行磁性能检测，检测结果如表1所示。
将实施例1制备得到的高耐蚀稀土永磁体制成Φ10mm×10mm和Φ15mm×3mm两种规格的磁体，每种规格5个，共20个，进行HAST(加速老化测试)实验，实验条件是为120℃，2atm，240小时；测试结果如表1所示，表明本发明实施例1制备的高耐蚀稀土永磁体表面腐蚀大大改善，在2atm，120℃和100％的相对湿度下持续200小时的试验箱测试中，平均失重(失重的计算方法为：老化前样品与老化后样品的质量之差/样品表面积)从0.89mg/cm2降到0.09mg/cm2。
表1本发明实施例1和比较例1制备的稀土永磁体的性能检测结果
比较例2
通过甩带(速凝)技术将合金成分为：
Nd30.5Fe67.53Ti0.18Cu0.17Co0.5Al0.1Ga0.1B0.92(下标为质量百分含量)的合金原料制成铸片(在<50kPa氩气条件下，1450℃±40℃熔炼，铜辊转速1.2m/s)，然后采用氢破碎(在<50kPa氩气条件下，1450℃±40℃熔炼，铜辊转速1.2m/s)和气流磨工艺(研磨压力0.58MPa,分选轮转速3800r/min)将其制成平均粒径为3.5微米的细粉；将细粉在1.8T的磁场中取向并压制成型，在200MPa压力等静压制成生坯，随后将生坯置于烧结炉内，在1040℃保温6小时，然后进行两级时效处理，其中一级时效温度为900℃，保温时间为3小时，二级时效温度为550℃，保温时间为6小时，得到稀土永磁体。
按照比较例1的方法对本发明比较例2制备的稀土永磁体进行性能检测，检测结果如表2所示。
实施例2
通过甩带(速凝)技术将合金成分为：
Nd30.5Fe67.53Ti0.18Cu0.17Co0.5Al0.1Ga0.1B0.92(下标为质量百分含量)的合金原料制成铸片(在<50kPa氩气条件下，1450℃±40℃熔炼，铜辊转速1.2m/s)，然后采用氢破碎(饱和吸氢后580℃保温脱氢5h)和气流磨工艺(研磨压力0.58MPa,分选轮转速3800r/min)将其制成平均粒径为3.5微米的细粉；
将平均粒径为100nm～300nm的合金成分为Nd78(TiZr)9O13(下标为质量百分含量)氧化物纳米粉加入到上述细粉，并混合均匀，得到合金混粉，氧化物纳米粉在合金混粉中的质量含量为0.4％；
将上述合金混粉在1.8T的磁场中取向并压制成型，在200MPa压力等静压制成生坯，随后将生坯置于烧结炉内，在1040℃保温6小时，然后进行两级时效处理，其中一级时效温度为900℃，保温时间为3小时，二级时效温度为550℃，保温时间为6小时，得到高耐蚀稀土永磁体。
按照比较例1的方法对本发明实施例2制备的高耐蚀稀土永磁体进行性能检测，检测结果如表2所示，表明，本发明实施例2制备的高耐蚀稀土永磁体表面腐蚀大大改善，在2atm，120℃和100％的相对湿度下持续200小时的试验箱测试中，平均失重从1.6mg/cm2降到了0.12mg/cm2。
表2本发明实施例2和比较例2制备的稀土永磁体的性能检测结果
比较例3
通过甩带(速凝)技术将合金成分为：
Nd28Fe67.7Tb2Ti0.15Cu0.15Co0.8Al0.15Ga0.15B0.9(下标为质量百分含量)的合金原料制成铸片(在<50kPa氩气条件下，1450℃±40℃熔炼，铜辊转速1.2m/s)，然后采用氢破碎(饱和吸氢后580℃保温脱氢5h)和气流磨工艺(研磨压力0.58MPa,分选轮转速3800r/min)将其制成平均粒径为3.0微米的细粉；
将细粉在1.8T的磁场中取向并压制成型，在200MPa压力等静压制成生坯，然后将生坯置于烧结炉内，在1040℃保温6小时，然后进行两级时效处理，其中一级时效温度为890℃，保温时间为3小时，二级时效温度为505℃，保温时间为5.5小时，得到稀土永磁体。
按照比较例1的方法对本发明比较例3制备的稀土永磁体进行性能检测，检测结果如表3所示。
实施例3
通过甩带(速凝)技术将合金成分为：
Nd28Fe67.7Tb2Ti0.15Cu0.15Co0.8Al0.15Ga0.15B0.9(下标为质量百分含量)的合金原料制成铸片(在<50kPa氩气条件下，1450℃±40℃熔炼，铜辊转速1.2m/s)，然后采用氢破碎(饱和吸氢后580℃保温脱氢5h)和气流磨工艺(研磨压力0.58MPa,分选轮转速3800r/min)将其制成平均粒径为3.0微米的细粉；
将平均粒径为100nm～300nm的合金成分为Nd78(CuZr)9O13(下标为质量百分含量)氧化物纳米粉加入到上述细粉中，并混合均匀，得到合金混粉，氧化物纳米粉在合金混粉中的质量含量为0.6％；
将上述合金混粉在1.8T的磁场中取向并压制成型，在200MPa压力等静压制成生坯，然后将生坯置于烧结炉内，在1040℃保温6小时，然后进行两级时效处理，其中一级时效温度为890℃，保温时间为3小时，二级时效温度为505℃，保温时间为5.5小时，得到高耐蚀稀土永磁体。
按照比较例1的方法对本发明实施例3制备的高耐蚀稀土永磁体进行性能检测，检测结果如表3所示，表明本发明实施例3制备的高耐蚀稀土永磁体表面腐蚀大大改善，在2atm，120℃和100％的相对湿度下持续200小时的试验箱测试中，平均失重从1.8mg/cm2降到了0.19mg/cm2。
表3本发明实施例3和比较例3制备的稀土永磁体的性能检测结果
从上述实施例可知，本发明通过独特的方法添加微量的金属氧化物纳米合金粉，大大改善了磁体的高温稳定性、耐腐蚀性，而磁体的磁性能只是略微有所下降；这样的技术效果是现有技术中所不曾取得的，也是本领域一般技术人员难以轻易推测出来的。基于前面描述的原理和具体实施方案，本领域技术人员可以容易地做出修改或设计出其他等同实施方案。本领域技术人员应当理解这样的等同实施方案仍在本申请权利要求的范围之内。
由以上实施例可知，烧结钕铁硼粉末添加一定量的纳米级金属氧化物，搅拌均匀后进行取向压型、烧结成高剩磁的磁体，通过烧结后氧化物大部分分布在三角晶界上，降低了晶界或三角晶界和主相之间的电位差，纳米氧化物颗粒非常小，可以稳定地掺杂在晶界里，晶界相得到了更好的化学稳定性。金属氧化物的化学性能比较稳定，工艺上可操作性很强，成本相对较低。
以上所述的仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
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