高膝点矫顽力烧结钐钴磁体的制备方法
阅读说明：本技术 高膝点矫顽力烧结钐钴磁体的制备方法 (Preparation method of high-knee-point coercive force sintered samarium-cobalt magnet ) 是由 宋奎奎 于 2019-09-27 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种高膝点矫顽力烧结钐钴磁体的制备方法,包括1)铸锭的制备；2)制粉；3)混粉；4)磁场成型、等静压；5)磁场热处理。本发明在外界强磁场下对生坯进行烧结和时效处理,优化钐钴磁体内部的微结构,细化磁体的磁畴,制备的磁体膝点矫顽力和取向度得到很大的改善,解决了钐钴磁体取向度差的瓶颈问题,制备工艺简单,具有较好的经济效益,适合产业化。(The invention discloses a preparation method of a high-knee-point coercive force sintered samarium cobalt magnet, which comprises the following steps of 1) preparing an ingot; 2) milling; 3) mixing the powder; 4) magnetic field forming and isostatic pressing; 5) and (4) performing magnetic field heat treatment. According to the invention, the green body is sintered and aged under an external strong magnetic field, the microstructure inside the samarium cobalt magnet is optimized, the magnetic domain of the magnet is refined, the knee point coercive force and the orientation degree of the prepared magnet are greatly improved, the bottleneck problem of poor orientation degree of the samarium cobalt magnet is solved, the preparation process is simple, and the method has good economic benefit and is suitable for industrialization.)
技术领域
本发明涉及磁性材料。更具体地说，本发明涉及一种高膝点矫顽力烧结钐钴磁体的制备方法。
背景技术
第二代2:17型钐钴永磁材料，因其较高的高温磁性能、较低的温度系数及极强的耐腐蚀性，而被广泛应用于航天航空、军事坦克、仪器仪表等仪器设备之上，钐钴的磁性能指标主要有剩磁Br，内禀矫顽力Hcj，最大磁能积(BH)max，然而钐钴的方形度(膝点矫顽力Hk)，是衡量磁体均匀性的主要指标之一，其大小直接决定材料的高温磁损耗特性，一个国家能否制备出性能优异的钐钴磁体，直接决定其军事力量的强弱，因此非常有必要在这方面进行深入地探究。
2:17型钐钴磁体的中的相结构主要为Sm2Co17R主相，SmCo5H胞璧相及富锆Z相，其矫顽力是来自于SmCo5H胞璧相对畴壁的钉扎。对于钐钴磁体，其表面的磁畴(取向方向垂直于观察面)形态主要是迷宫畴，磁体内部的磁畴(取向方向是平行于观察面)形态主要是片状畴，研究结果表明片状畴形态取决于胞状结构的状态和胞壁处Cu元素的分布，磁畴的尺寸越小，畴壁的位置越多，那么钉扎位置越多，磁体的性能越优良，而胞状结构的形成及Cu元素的再分布是发生在钐钴的时效阶段，传统的工艺制备的钐钴磁体，方形度较差(Hk～15kOe，其中Hk/Hcj～40％)，其主要原因是没有找到合适的方式来调控钐钴的胞状结构和元素分布，另外研究结果表明，钐钴的晶粒尺寸较大，一般50～100μm，并且晶粒之间的错配度也会直接影响钐钴材料的取向度，进而影响磁体的方形度，而钐钴材料的晶粒的大小和形态完全取决于烧结和固溶阶段，通过传统的热处理的形式，仅仅是克服了元素扩散的能垒，却不能定向的调控元素的分布。
发明内容
本发明的一个目的是解决至少上述问题，并提供至少后面将说明的优点。
本发明还有一个目的是提供一种高膝点矫顽力烧结钐钴磁体的制备方法，其通过磁场热处理，有效地调控了钐钴材料的微结构，制备出的钐钴磁体磁畴的尺寸细小而且分布均匀，同时磁体的膝点矫顽力Hk得到了很大的提高，从14kOe增大到20kOe，并且工艺简单，适合工业化生产。
为了实现根据本发明的这些目的和其它优点，提供了一种高膝点矫顽力烧结钐钴磁体的制备方法，包括：
1)按照如下重量百分比配制钐钴合金原料：Sm：24～29％、Fe：10～25％、Zr：2～6％、 Cu：2～8％、余量为Co；
将配制好的钐钴合金原料在惰性气氛下熔炼、浇铸得到合金铸锭；
2)将合金铸锭在氮气的保护下依次经过机械破碎、中破碎、气流磨制备合金粉末；
3)向合金粉末中加入其总重量0.2～0.5‰的润滑剂，混粉时间0.5～3h，制得合金磁粉；
4)将合金磁粉直接在空气中进行称料，再在敞开压机中取向成型，取向成型磁场强度为1.4～2T，然后再进行冷等静压压制，冷等静压压力为200～300MPa，制备出生坯；
5)将生坯加热到1190～1220℃下烧结0.5～2h进行致密化处理，然后冷却到1150～1190℃进行2～8h固溶处理，并快速风冷至室温；然后升温至800～900℃，保温5～40h后冷却到 400℃保温1～20h，并风冷至室温，整个热处理的过程均是在磁场强度为3-10T的磁场下进行，得到烧结钐钴磁体。
优选的是，步骤1)中钐钴合金原料在氩气保护下熔炼、浇铸。
优选的是，步骤2)中破碎后的合金粉末粒度为3～6μm。
优选的是，步骤4)中取向成型磁场强度为2.0T，冷等静压压力300MPa。
优选的是，步骤5)中致密化处理后，加热到1190～1220℃下烧结0.5～2h进行致密化处理，然后冷却到1150～1190℃进行2～8h固溶处理，并快速风冷至室温；然后升温至800～900℃，保温5～40h，以0.5～1℃/min速度降温至520℃保温2～5h，再以0.5～1℃/min速度降温至400℃保温1～20h，并风冷至室温，整个热处理的过程均是在磁场强度为3-10 T的磁场下进行，得到烧结钐钴磁体。
所述的制备方法得到的烧结钐钴磁体。
本发明至少包括以下有益效果：
本发明在外界强磁场下对生坯进行烧结和时效处理，优化钐钴磁体内部的微结构，细化磁体的磁畴，制备的磁体膝点矫顽力和取向度得到很大的改善，解决了钐钴磁体取向度差的瓶颈问题，制备工艺简单，具有较好的经济效益，适合产业化。
本发明的其它优点、目标和特征将部分通过下面的说明体现，部分还将通过对本发明的研究和实践而为本领域的技术人员所理解。
附图说明
图1为本发明的工艺流程示意图；
图2为本发明两种样品的观察面平行于c轴的典型的磁畴结构(a)磁场热处理和(b)未加磁场热处理的区域示意图。
具体实施方式
下面结合实例对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。
应当理解，本文所使用的诸如“具有”、“包含”以及“包括”术语并不配出一个或多个其它元件或其组合的存在或添加。
需要说明的是，下述实施方案中所述实验方法，如无特殊说明，均为常规方法，所述试剂和材料，如无特殊说明，均可从商业途径获得。
一种高膝点矫顽力烧结钐钴磁体的制备方法，如图1所示，包括：
1)铸锭的制备：
按照如下重量百分比配制钐钴合金原料：Sm：24～29％、Fe：10～25％、Zr：2～6％、Cu：2～8％、余量为Co；
将配制好的钐钴合金原料在惰性气氛下(综合成本及效果，优选为氩气保护下进行，目的是有效防止了Sm的挥发及铸锭的氧化)熔炼、浇铸，熔炼在中频熔炼炉中进行，浇铸在盘冷水冷铜模中进行，得到厚度约为10mm的合金铸锭；
2)制粉：
将合金铸锭在氮气的保护下依次经过机械破碎、中破碎、气流磨制备平均粒度3～6μm 的合金粉末；
3)混粉：
向合金粉末中加入其总重量0.2～0.5‰的润滑剂，为了保证混合均匀，混粉时间0.5～3 h，制得合金磁粉；
加入润滑剂的目的是在磁场成型的过程中，减小磁粉之间的摩擦力，使得取向成型过程中磁粉更容易转动，并且加入润滑剂以后可以减少取向场的大小，节约电能，进而节约生产成本。
4)磁场成型、等静压：
将合金磁粉直接在空气中进行称料，再在敞开压机中取向成型，取向成型磁场强度为 1.4～2T，然后再进行冷等静压压制，冷等静压压力为200～300MPa，制备出生坯；
5)磁场热处理：
将生坯加热到1190～1220℃下烧结0.5～2h进行致密化处理，然后冷却到1150～1190℃进行2～8h固溶处理，并快速风冷至室温；然后升温至800～900℃，保温5～40h后冷却到 400℃保温1～20h，并风冷至室温，整个热处理的过程均是在磁场强度为3-10T的磁场下进行，得到烧结钐钴磁体。
<实例1>
高膝点矫顽力烧结钐钴磁体的制备方法，包括：
1)铸锭的制备
铸锭由以下成分组成：重量百分比为28.2％的Sm、重量百分比为20.6％的Fe、重量百分比为2.4％的Zr、重量百分比为5.6％的Cu，余量为Co；
合金铸锭的制备方法为：配置钐钴合金原料；将配置好的原料在高纯氦气中进行熔炼和浇铸，中频熔炼炉中进行熔炼，然后在盘冷水冷铜模中进行浇铸，制备出平均厚度为约 10mm的合金铸锭；
2)制粉
将铸锭在氮气的保护下经过机械破碎，中破碎，气流磨制备合金粉末的平均粒度3.48 μm；
3)混粉
将合金粉末加入其总重量0.35‰的润滑剂，为了保证混合均匀，控制时间3h，制得合金磁粉；
4)磁场成型、等静压
混合后的合金磁粉直接在空气中进行称料，再在敞开压机中2T磁场下取向成型，然后再经过300MPa的冷等静压压制，制得生坯；
5)磁场热处理
生坯加热到1198℃下烧结1h进行致密化处理，然后冷却到1173℃进行6h固溶处理，并快速风冷至室温；然后升温至830℃，保温20h后，先以0.65℃/min降温到520℃保温4h，再0.78℃/min降温到400℃保温10h，并风冷至室温，得到钐钴磁体，整个热处理的过程均是在8T的强磁场下进行。
制备的烧结钐钴磁体磁性能为：剩磁Br＝11.72kGs，磁能积(BH)max＝32.75MGOe，内禀矫顽力Hcj＞25kOe，膝点矫顽力Hk＝19.38kOe。
<实例2>
高膝点矫顽力烧结钐钴磁体的制备方法，包括：
1)铸锭的制备
铸锭由以下成分组成：重量百分比为27.4％的Sm、重量百分比为17.2％的Fe、重量百分比为2.8％的Zr、重量百分比为5.8％的Cu，余量为Co；
合金铸锭的制备方法为：配置钐钴合金原料；将配置好的原料在高纯氩气中进行熔炼和浇铸，在中频熔炼炉中进行熔炼，然后在盘冷水冷铜模中进行浇铸，制备出平均厚度为约10mm的合金铸锭a；
2)制粉
将铸锭在氮气的保护下经过机械破碎，中破碎，气流磨制备合金粉末的平均粒度4.13 μm；
3)混粉
将合金粉末加入其总重量0.30‰的润滑剂，为了保证混合均匀，控制时间2.5h，制得合金磁粉；
4)磁场成型、等静压
混合后的合金磁粉直接在空气中进行称料，再在敞开压机中1.8T磁场下取向成型，然后再经过280MPa的冷等静压压制，制得生坯；
5)磁场热处理
生坯加热到1203℃下烧结1.5h进行致密化处理，然后冷却到1180℃进行5h固溶处理，并快速风冷至室温；然后升温至850℃，保温15h后，先以0.75℃/min降温到520℃保温3h，再0.88℃/min降温到400℃保温6h，并风冷至室温，得到钐钴磁体，整个热处理的过程均是在6T的强磁场下进行。
制备的烧结钐钴磁体磁性能为：剩磁Br＝11.32kGs，磁能积(BH)max＝30.42MGOe，内禀矫顽力Hcj＞25kOe，膝点矫顽力Hk＝21.43kOe。
<实例3>
高膝点矫顽力烧结钐钴磁体的制备方法，包括：
1)铸锭的制备
铸锭由以下成分组成：重量百分比为26.1％的Sm、重量百分比为15.4％的Fe、重量百分比为3.1％的Zr、重量百分比为6.4％的Cu，余量为Co；
合金铸锭的制备方法为：配置钐钴合金原料；将配置好的原料在高纯氩气中进行熔炼和浇铸，在中频熔炼炉中进行熔炼，然后在盘冷水冷铜模中进行浇铸，制备出平均厚度为约10mm的合金铸锭；
2)制粉
将铸锭在氮气的保护下经过机械破碎，中破碎，气流磨制备合金粉末的平均粒度4.47
μm；
3)混粉
将合金粉末加入其总重量0.24‰的润滑剂，为了保证混合均匀，控制时间2h，制得合金磁粉；
4)磁场成型、等静压
混合后的合金磁粉直接在空气中进行称料，再在敞开压机中1.6T磁场下取向成型，然后再经过260MPa的冷等静压压制，制得生坯；
5)磁场热处理
生坯加热到1208℃下烧结1.5h进行致密化处理，然后冷却到1185℃进行4h固溶处理，并快速风冷至室温；然后升温至860℃，保温12h后，先以0.85℃/min降温到520℃保温2.5h，再0.78℃/min降温到400℃保温5h，并风冷至室温，得到钐钴磁体，整个热处理的过程均是在5T的强磁场下进行。
制备的烧结钐钴磁体磁性能为：剩磁Br＝10.83kGs，磁能积(BH)max＝27.41MGOe，内禀矫顽力Hcj＞25kOe，膝点矫顽力Hk＝22.16kOe。
<实例4>
高膝点矫顽力烧结钐钴磁体的制备方法，包括：
1)铸锭的制备
铸锭由以下成分组成：重量百分比为25.4％的Sm、重量百分比为12.6％的Fe、重量百分比为2.7％的Zr、重量百分比为6.5％的Cu，余量为Co；
合金铸锭的制备方法为：配置钐钴合金原料；将配置好的原料在高纯氦气中进行熔炼和浇铸，在中频熔炼炉中进行熔炼，然后在盘冷水冷铜模中进行浇铸，制备出平均厚度为约10mm的合金铸锭a；
2)制粉
将铸锭在氮气的保护下经过机械破碎，中破碎，气流磨制备合金粉末的平均粒度5.13
μm；
3)混粉
将合金粉末与加入其总重量0.30‰的润滑剂，为了保证混合均匀，控制时间2.5h，制得合金磁粉；
4)磁场成型、等静压
混合后的合金磁粉直接在空气中进行称料，再在敞开压机中1.5T磁场下取向成型，然后再经过250MPa的冷等静压压制，制得生坯；
5)磁场热处理
生坯加热到1212℃下烧结1.5h进行致密化处理，然后冷却到1185℃进行4h固溶处理，并快速风冷至室温；然后升温至830℃，保温10h后，以0.75℃/min降温到400℃保温4h，并风冷至室温，得到钐钴磁体，整个热处理的过程均是在5T的强磁场下进行。
制备的烧结钐钴磁体磁性能为：剩磁Br＝10.56kGs，磁能积(BH)max＝24.63MGOe，内禀矫顽力Hcj＞25kOe，膝点矫顽力Hk＝21.38kOe。
<对比例1>
高膝点矫顽力烧结钐钴磁体的制备方法，同实例1，区别是步骤5)中热处理不加磁场。
<对比例2>
高膝点矫顽力烧结钐钴磁体的制备方法，同实例2，区别是步骤5)中热处理不加磁场。
<对比例3>
高膝点矫顽力烧结钐钴磁体的制备方法，同实例3，区别是步骤5)中热处理不加磁场。
<对比例4>
高膝点矫顽力烧结钐钴磁体的制备方法，同实例4，区别是步骤5)中热处理不加磁场。
为了方便验证本发明专利中高膝点矫顽力烧结钐钴磁体的制备方法，分别将实例1～4 和对比例1～4的性能指标列于下表1所示。可以看出，本发明提供了一种高膝点矫顽力烧结钐钴磁体(高剩磁、高膝点矫顽力)的制备方法，磁场热处理后，磁体中的磁畴变得均匀而细小(见图2)，实例1与对比例1两种样品的观察面平行于c轴的典型的磁畴结构(a) 磁场热处理和(b)未加磁场热处理；观察的区域是80μm×80μm，可以看出，实例1相对于对比例1磁体的剩磁Br和膝点矫顽力Hk得到明显的提高。
表1
B<sub>r</sub>(kGs)
H<sub>cj</sub>(kOe)
(BH)<sub>max</sub>(MGOe)
H<sub>k</sub>(kOe)
实例1
11.72
>25
32.75
19.38
实例2
11.32
>25
30.42
21.43
实例3
10.83
>25
27.41
22.16
实例4
10.56
>25
24.63
21.38
对比例1
11.65
>25
31.78
9.92
对比例2
11.25
>25
29.51
11.86
对比例3
10.72
>25
26.47
12.07
对比例4
10.38
>25
23.38
12.39
这里说明的设备数量和处理规模是用来简化本发明的说明的。对本发明的应用、修改和变化对本领域的技术人员来说是显而易见的。
尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的实例。
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