CN104308160A - 稀土合金永磁材料制备装置及制备工艺 - Google Patents

Abstract

稀土合金永磁材料制备装置，包括原料处理部分、沉淀槽、电解炉、研磨机构、压模机构及真空烧结炉；其中，原料处理部分包括稀土金属处理槽与调配槽，同时在稀土金属处理槽上设置有输送管，输送管与调配槽连接，且调配槽通过络合溶液输送管与沉淀槽连接，沉淀槽与电解炉连接，并在电解炉一侧设置有进料口，而电解炉尾端设置有浇铸室，浇铸室与冷却室连接，冷却室通过输出管与研磨机构连接，研磨机构与压模机构连接，压模机构与真空烧结炉连接。本发明有效解决了合金锭产生偏析的问题，Sc的加入有利于提高合金锭的高温强度、结构稳定性、焊接性能和抗腐蚀性能，且采用Nd Pr·Dy·Sc络合后的混合物熔炼合金锭使用普通电解炉即可。

Description

稀土合金永磁材料制备装置及制备工艺

技术领域

本发明涉及稀土永磁材料技术领域，尤其涉及一种稀土合金永磁材料制备装置及制备工艺。

背景技术

稀土永磁材料是目前综合性能最高的一种永磁材料，广泛应用于电子通讯、汽车、家用电器、电子仪表、核磁共振成像仪、音响设备、微型电机、移动电话等领域，比铁氧体、铝镍钴性能更优越；而由于稀土永磁材料的使用，不仅促进了永磁器件向小型化、集成化发展，而且提高了产品的性能。钪作为一种过渡族元素以及稀土元素添加至合金中，不仅能够显著细化铸态合金晶粒、提高再结晶温度从而提高钪合金的强度和韧性，而且能显著改善钪合金的可焊性、耐热性、抗蚀性、热稳定性和抗中子辐照损伤的作用，因此，钪合金被认为是新一代航天航空、舰船、兵器用高性能合金结构永磁材料。

然而传统制备稀土合金永磁材料的工艺是将前道的稀土金属氧化物，在后道经配比冶炼等各道工艺后得到，但是在生产过程中人为因素较多，难以控制，进而影响批量生产的质量。以钕铁硼为例，将经过萃取分离出的镨、钕和铁、硼及其他成分混合后添加至真空熔炼炉熔炼，熔炼后得到合金锭，在此过程中因为各成分的熔点不同，且受到前道混合搅拌是否均匀及人工添加时间间隔与量的控制等因素影响，易造成熔炼后的合金锭材料偏析，从而影响合金锭材料的性能与后续工艺效果，同时在生产过程中对操作人员的技术要求较高，且需要采用真空还原熔炼炉，这对企业的生产设备要求比较高，导致前期生产投入比较大。

此外，目前生产的稀土永磁材料实际矫顽力低、工作温度稳定性较低，且抗腐蚀性能弱，成为限制其在航天航空、舰船及兵器发展和应用的主要因素。而钪已被广泛应用于铝合金的掺杂，在铝中仅需加入千分之几的钪就会生成Al₃Sc新相，对铝合金起变质作用，使得合金的结构和性能发生明显变化，如加入0.2％～0.4％的Sc可使合金的再结晶温度提高150℃～200℃，高温强度、结构稳定性、焊接性能和抗腐蚀性能均明显提高，可避免高温下长期工作时合金产生脆化现象。因此，如何在不改变稀土永磁材料特性的前提下提高永磁材料的实际矫顽力，将钪加入合金中以提高合金的抗腐蚀性能，同时避免后续熔炼时的合金锭材料产生偏析，并降低对生产设备的技术要求与操作人员的劳动强度，已经成为本领域技术人员亟待解决的重要问题。

发明内容

本发明所解决的技术问题在于提供一种稀土合金永磁材料制备装置及制备工艺，以解决上述背景技术中的缺点。

本发明所解决的技术问题采用以下技术方案来实现：

稀土合金永磁材料制备装置，包括原料处理部分、沉淀槽、电解炉、研磨机构、压模机构及真空烧结炉；其中，原料处理部分包括稀土金属处理槽与调配槽，稀土金属处理槽用于处理稀土原料以获得单一稀土金属氯化物，同时在稀土金属处理槽上设置有输送管，输送管与调配槽连接，调配槽用于将各种单一稀土金属氯化物调配成氯化物络合溶液，且调配槽通过络合溶液输送管与沉淀槽连接，沉淀槽与电解炉连接，并在电解炉一侧设置有进料口，而电解炉尾端设置有浇铸室，浇铸室与冷却室连接，冷却室通过输出管与研磨机构连接，研磨机构与压模机构连接，压模机构与真空烧结炉连接。

在本发明中，沉淀槽上设置有吊装环。

在本发明中，电解炉内设置有电加热部分、石墨槽、阳极导电管及阴极导电棒；此外，电解炉内还设置有电流传感器，稀土金属氯化物在沉淀槽内进行沉降处理后，被输送至电解炉进行电解熔融生成合金液，而后进入浇铸室浇铸，最后在冷却室冷却为合金锭。

在本发明中，电解炉内还设置有隔热层，保温防止热量流失，有利于提高电流利用率，节省能源消耗。

在本发明中，电解炉尾端与浇铸室连接处设置有挡板，挡板上安装有电磁阀，当石墨槽内生成的合金液达到一定高度时，电磁阀自动开启，挡板上升，合金液输入浇铸室进行浇铸，待合金液输入完毕后，挡板回归初始位置，电解炉进行下一轮的合金液合成。

在本发明中，冷却室内设置有温度传感器，用于检测冷却室的温度。

在本发明中，输出管上设置有自动送料输送带，自动送料输送带上安装有感应器，在合金锭下落至冷却室出口时，启动输送，将合金锭送至研磨机构破碎成细粉末。

在本发明中，研磨机构为一封闭箱体，其箱体上部安装有空气输送管，在进行气流磨时通过放入定量的空气进行钝化。

在本发明中，真空烧结炉为双层结构，上层为预热层，下层为煅烧层，预热层可吸收煅烧层部分热量用于对新进入的压坯预热，有效降低电加热所需消耗的电能。

稀土合金永磁材料制备工艺，具体步骤如下：

1)首先在稀土金属处理槽内将稀土原料经预处理、酸解、过滤、萃取分离以获得单一稀土金属氯化物，再按照后道稀土合金永磁材料的稀土组分与比例要求将各种单一稀土金属氯化物在调配槽中调配成氯化物络合溶液；

2)对步骤1)中获得的氯化物络合溶液在沉淀槽进行沉降处理，以提取Nd Pr·Dy·Sc混合共成体；

3)将步骤2)中获得的Nd Pr·Dy·Sc混合共成体与其他组分配好的原料通过进料口投入电解炉中进行熔炼使原料形成熔融的合金液，然后将熔融的合金液输送至浇铸室浇铸，最后进入冷却室冷却为合金锭；

4)将步骤3)中获得的合金锭通过研磨机构破碎成细粉末，且在进行破碎时通过空气输送管充入定量的空气进行钝化，并对前后磨出的粉进行混合搅拌；

5)将步骤4)中获得的细粉末通过压模机构压制成压坯，且压坯密度为4.2～4.9g/cm³；

6)将步骤5)中获得的压坯置于真空烧结炉中烧结并进行保温；

7)将步骤6)中烧结后的压坯在真空烧结炉中降温至280℃～330℃，在升温至第一段热处理并进行保温，而后继续降温至280℃～330℃，最后升温至第二段热处理并进行保温，并对两段热处理分别进行回火，以获得稀土合金永磁材料坯体，回火可消除稀土合金永磁材料坯体中的组织缺陷，改善组织中富稀土相的分布，有利于提高永磁材料的性能；

8)将步骤7)中获得的稀土合金永磁材料坯体，根据实际需求进行机械加工切割并精磨，同时预留进行电镀的尺寸，即得稀土合金永磁材料。

在本发明中，所述步骤1)中，单一稀土金属氯化物包括氯化钕、氯化镨、氯化镝和氯化钪。

在本发明中，所述步骤3)中，熔炼温度为1495℃～1535℃。

在本发明中，所述步骤4)中，细粉末平均粒度为2.2～2.9μm。

在本发明中，所述步骤5)中，压模机构等静压的压力为200～260MPa。

在本发明中，所述步骤6)中，烧结温度为1065℃～1095℃。

在本发明中，所述步骤6)中，保温时间为160分钟。

在本发明中，所述步骤7)中，第一段热处理温度为880℃～920℃，保温时间为90分钟。

在本发明中，所述步骤7)中，第二段热处理温度为510℃～620℃，保温时间为180分钟。

一种稀土合金永磁材料，组成为Re_αRe′_βRe″_ηB_δCo_ζAl_εFe_γ,Re为Nd、Pr，Re′为Dy，Re″为Sc，Fe为Fe及不可避免的杂质，α、β、η、δ、ζ、ε、γ为各组分质量百分比含量；其中，32≤α+β+η≤35，7≤β+η≤15，4≤η≤9，1.06≤δ≤1.12，0≤ζ≤0.35，0.48≤ε≤0.91，γ＝100-α-β-δ-ζ-ε。

在本发明中，Sc的加入有利于提高合金锭的实际矫顽力，其制备出的永磁材料产品，在抗腐蚀性、热稳定性、加工性能等方面更加优越；且在后续熔炼过程中不会因为各自熔点不同和人为操作因素而导致熔炼后得的合金锭产生偏析，而采用Nd Pr·Dy·Sc络合物熔炼合金锭不再需要真空还原熔炼炉，使用普通电解炉即可，有效降低企业的生产成本，此外，还可避免影响永磁材料性能α–Fe的出现。

有益效果：本发明有效解决了传统熔炼过程中各组分的熔点不同和人为操作因素而导致熔炼后得的合金锭产生偏析的问题，Sc的加入有利于提高合金锭的实际矫顽力，且采用Nd Pr·Dy·Sc络合后的混合物熔炼合金锭使用普通电解炉即可，进而降低企业的生产成本与操作人员的劳动强度，此外，还可有效避免影响永磁材料性能α–Fe的出现，在高温强度、结构稳定性、焊接性能和抗腐蚀性能均明显提高。

附图说明

图1为本发明的较佳实施例的结构示意图。

具体实施方式

为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体图示，进一步阐述本发明。

参见图1的稀土合金永磁材料制备装置，包括稀土金属处理槽1、调配槽2、络合溶液输送管3、沉淀槽4、吊装环5、电解炉6、电加热部分7、石墨槽8、阳极导电管9、阴极导电棒10、隔热层11、进料口12、浇铸室13、挡板14、冷却室15、输出管16、研磨机构17、压模机构18、真空烧结炉19及空气输送管20。

在本实施例中，稀土金属处理槽1用于处理稀土原料以获得单一稀土金属氯化物，同时在稀土金属处理槽1上设置有输送管，输送管与调配槽2连接，调配槽2用于将各种单一稀土金属氯化物调配成氯化物络合溶液，且调配槽2通过络合溶液输送管3与沉淀槽4连接，吊装环5设置在沉淀槽4上，沉淀槽4与电解炉6连接，并在电解炉6一侧设置有进料口12，而电解炉6内设置有电加热部分7、石墨槽8、阳极导电管9及阴极导电棒10，并在其尾端设置有浇铸室13，挡板14设置在电解炉6尾端与浇铸室13连接处，浇铸室13与冷却室15连接，冷却室15通过输出管16与研磨机构17连接，研磨机构17与压模机构18连接，压模机构18与真空烧结炉19连接。

此外，电解炉6内还设置有电流传感器，稀土金属氯化物在沉淀槽4内进行沉降处理后，被输送至电解炉6进行电解熔融生成合金液，而后进入浇铸室13浇铸，最后在冷却室15冷却为合金锭。

电解炉6内还设置有隔热层11，保温防止热量流失，有利于提高电流利用率，节省能源消耗。

挡板14上安装有电磁阀，当石墨槽8内生成的合金液达到一定高度时，电磁阀自动开启，挡板14上升，合金液输入浇铸室13进行浇铸，待合金液输入完毕后，挡板14回归初始位置，电解炉6进行下一轮的合金液合成。

输出管16上设置有自动送料输送带，自动送料输送带上安装有感应器，在合金锭下落至冷却室15出口时，启动输送，将合金锭送至研磨机构17破碎成细粉末。

研磨机构17为一封闭箱体，其箱体上部安装有空气输送管20，在进行气流磨时通过放入定量的空气进行钝化。

以下为稀土合金永磁材料制备工艺具体实施例：

实施例1

一种稀土合金永磁材料，按如下表1-1进行配料：

表1-1实施例1配方表

组分	Nd+Pr	Dy	Sc	B	Co	Al	Fe	合计
									重量/kg	5.94	0.44	0.66	0.235	0.024	0.073	14.64	21.99
质量百分比/％	27	2	3	1.02	0.1	0.33	66.55	100

本实施例的上述稀土合金永磁材料的制备工艺如下：

在稀土金属处理槽1内将稀土原料经预处理、酸解、过滤、萃取分离以获得氯化钕、氯化镨、氯化镝和氯化钪，按照后道稀土合金永磁材料的稀土组分与比例要求在调配槽2调配成氯化物络合溶液，并对氯化物络合溶液进行沉降处理得到Nd Pr·Dy·Sc混合共成体，再将Nd Pr·Dy·Sc混合共成体与其他组分配好的原料投入电解炉6中进行熔炼使原料形成熔融的合金液，熔炼温度为1495℃，然后将熔融的合金液浇铸并送至冷却室15冷却为合金锭，而后通过研磨机构17将合金锭破碎成平均粒度为2.2μm的细粉末，且在进行破碎时放入定量的空气进行钝化，并对前后磨出的粉进行混合搅拌；依次将细粉末通过压模机构18压制成压坯，且等静压的压力为200MPa，压坯密度为4.3g/cm³；待细粉末全部压制完毕后，将压坯置于真空烧结炉19中烧结，烧结温度为1065℃，并进行保温150分钟；而后将烧结后的压坯在真空烧结炉中降温至290℃，在升温至880℃并进行保温90分钟，再次降温至290℃，在升温至510℃并进行保温180分钟，即获得永磁材料坯体，最后根据实际需求对永磁材料坯体进行机械加工切割并精磨，同时预留进行电镀的尺寸，即得稀土合金永磁材料；其性能测试数据参见表1-2。

其中，Br为剩磁，Hcb为矫顽力，Hcj为内禀矫顽力，(B.H)max为磁能积。

表1-2实施例1产品性能测试表

项目	Br/kGs	Hcb/KOe	Hcj/kOe	(B.H)max/MGOe
					测试值	14.6	11.3	12.8	54

实施例2

一种稀土合金永磁材料，按如下表2-1进行配料：

表2-1实施例2配方表

组分	Nd+Pr	Dy	Sc	B	Co	Al	Fe	合计
									重量/kg	5.5	0.66	0.88	0.24	0.033	0.092	14.61	22.015
质量百分比/％	25	3	4	1.04	0.15	0.42	66.39	100

本实施例的上述稀土合金永磁材料的制备工艺如下：

在稀土金属处理槽1内将稀土原料经预处理、酸解、过滤、萃取分离以获得氯化钕、氯化镨、氯化镝和氯化钪，按照后道稀土合金永磁材料的稀土组分与比例要求在调配槽2调配成氯化物络合溶液，并对氯化物络合溶液进行沉降处理得到Nd Pr·Dy·Sc混合共成体，再将Nd Pr·Dy·Sc混合共成体与其他组分配好的原料投入电解炉6中进行熔炼使原料形成熔融的合金液，熔炼温度为1500℃，然后将熔融的合金液浇铸并送至冷却室15冷却为合金锭，而后通过研磨机构17将合金锭破碎成平均粒度为2.4μm的细粉末，且在进行破碎时放入定量的空气进行钝化，并对前后磨出的粉进行混合搅拌；依次将细粉末通过压模机构18压制成压坯，且等静压的压力为220MPa，压坯密度为4.4g/cm³；待细粉末全部压制完毕后，将压坯置于真空烧结炉19中烧结，烧结温度为1070℃，并进行保温150分钟；而后将烧结后的压坯在真空烧结炉中降温至300℃，在升温至880℃并进行保温90分钟，再次降温至300℃，在升温至530℃并进行保温180分钟，即获得永磁材料坯体，最后根据实际需求对永磁材料坯体进行机械加工切割并精磨，同时预留进行电镀的尺寸，即得稀土合金永磁材料；其性能测试数据参见表2-2。

表2-2实施例2产品性能测试表

项目	Br/kGs	Hcb/KOe	Hcj/kOe	(B.H)max/MGOe
					测试值	14.1	11.2	12.4	53

实施例3

一种稀土合金永磁材料，按如下表3-1进行配料：

表3-1实施例3配方表

组分	Nd+Pr	Dy	Sc	B	Co	Al	Fe	合计
									重量/kg	5.06	0.88	1.1	0.244	0.04	0.11	14.58	22.014

质量百分比/％

23

4

5

1.06

0.18

0.5

66.26

100

本实施例的上述稀土合金永磁材料的制备工艺如下：

在稀土金属处理槽1内将稀土原料经预处理、酸解、过滤、萃取分离以获得氯化钕、氯化镨、氯化镝和氯化钪，按照后道稀土合金永磁材料的稀土组分与比例要求在调配槽2调配成氯化物络合溶液，并对氯化物络合溶液进行沉降处理得到Nd Pr·Dy·Sc混合共成体，再将Nd Pr·Dy·Sc混合共成体与其他组分配好的原料投入电解炉6中进行熔炼使原料形成熔融的合金液，熔炼温度为1505℃，然后将熔融的合金液浇铸并送至冷却室15冷却为合金锭，而后通过研磨机构17将合金锭破碎成平均粒度为2.7μm的细粉末，且在进行破碎时放入定量的空气进行钝化，并对前后磨出的粉进行混合搅拌；依次将细粉末通过压模机构18压制成压坯，且等静压的压力为240MPa，压坯密度为4.7g/cm³；待细粉末全部压制完毕后，将压坯置于真空烧结炉19中烧结，烧结温度为1080℃，并进行保温150分钟；而后将烧结后的压坯在真空烧结炉中降温至310℃，在升温至880℃并进行保温90分钟，再次降温至300℃，在升温至550℃并进行保温180分钟，即获得永磁材料坯体，最后根据实际需求对永磁材料坯体进行机械加工切割并精磨，同时预留进行电镀的尺寸，即得稀土合金永磁材料；其性能测试数据参见表3-2。

表3-2实施例3产品性能测试表

项目	Br/kGs	Hcb/KOe	Hcj/kOe	(B.H)max/MGOe
					测试值	14.4	10.9	12.2	54

在上述实施例1～3中，将前道萃取分离后得到的氯化钕、氯化镨、氯化镝和氯化钪，按照后道稀土合金永磁材料的稀土组分与比例要求调配成氯化物络合溶液，并对氯化物络合溶液进行沉降处理得到Nd Pr·Dy·Sc混合共成体，在后续熔炼过程中稀土组分以共成体的形式存在，有效解决了各组分的熔点不同和人为操作因素而导致熔炼后得的合金锭产生偏析问题，而采用Nd Pr·Dy·Sc混合共成体熔炼合金锭使用普通电解炉即可，进而有效避免影响永磁材料性能α–Fe的出现；Sc的加入有利于提高合金锭的实际矫顽力，其制备出的永磁材料产品，在抗腐蚀性、热稳定性、加工性能等方面更加优越。

以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (10)

1.稀土合金永磁材料制备装置，包括原料处理部分、沉淀槽、电解炉、研磨机构、压模机构及真空烧结炉；其特征在于，原料处理部分包括稀土金属处理槽与调配槽，同时在稀土金属处理槽上设置有输送管，输送管与调配槽连接，且调配槽通过络合溶液输送管与沉淀槽连接，沉淀槽与电解炉连接，并在电解炉一侧设置有进料口，而电解炉尾端设置有浇铸室，浇铸室与冷却室连接，冷却室通过输出管与研磨机构连接，研磨机构与压模机构连接，压模机构与真空烧结炉连接。

2.根据权利要求1所述的稀土合金永磁材料制备装置，其特征在于，电解炉内设置有电加热部分、石墨槽、阳极导电管及阴极导电棒；此外，电解炉内还设置有电流传感器。

3.根据权利要求1所述的稀土合金永磁材料制备装置，其特征在于，电解炉内还设置有隔热层。

4.根据权利要求1所述的稀土合金永磁材料制备装置，其特征在于，电解炉尾端与浇铸室连接处设置有挡板，挡板上安装有电磁阀。

5.根据权利要求1所述的稀土合金永磁材料制备装置，其特征在于，冷却室内设置有温度传感器。

6.根据权利要求1所述的稀土合金永磁材料制备装置，其特征在于，输出管上设置有自动送料输送带，自动送料输送带上安装有感应器。

7.根据权利要求1所述的稀土合金永磁材料制备装置，其特征在于，研磨机构为一封闭箱体，其箱体上部安装有空气输送管。

8.根据权利要求1所述的稀土合金永磁材料制备装置，其特征在于，真空烧结炉为双层结构，上层为预热层，下层为煅烧层。

9.稀土合金永磁材料制备工艺，其特征在于，具体步骤如下：

1)首先在稀土金属处理槽内将稀土原料经预处理、酸解、过滤、萃取分离以获得单一稀土金属氯化物，再按照后道稀土合金永磁材料的稀土组分与比例要求将各种单一稀土金属氯化物在调配槽中调配成氯化物络合溶液；

2)对步骤1)中获得的氯化物络合溶液在沉淀槽进行沉降处理，以提取Nd Pr·Dy·Sc混合共成体；

3)将步骤2)中获得的Nd Pr·Dy·Sc混合共成体与其他组分配好的原料通过进料口投入电解炉中进行熔炼使原料形成熔融的合金液，然后将熔融的合金液输送至浇铸室浇铸，最后进入冷却室冷却为合金锭；

4)将步骤3)中获得的合金锭通过研磨机构破碎成细粉末，且在进行破碎时通过空气输送管充入定量的空气进行钝化，并对前后磨出的粉进行混合搅拌；

5)将步骤4)中获得的细粉末通过压模机构压制成压坯，且压坯密度为4.2～4.9g/cm³；

6)将步骤5)中获得的压坯置于真空烧结炉中烧结并进行保温；

7)将步骤6)中烧结后的压坯在真空烧结炉中降温至280℃～330℃，在升温至第一段热处理并进行保温，而后继续降温至280℃～330℃，最后升温至第二段热处理并进行保温，并对两段热处理分别进行回火，以获得稀土合金永磁材料坯体；

8)将步骤7)中获得的稀土合金永磁材料坯体，根据实际需求进行机械加工切割并精磨，同时预留进行电镀的尺寸，即得稀土合金永磁材料。

10.根据权利要求9所述的稀土合金永磁材料制备工艺制备的稀土合金永磁材料，其特征在于，组成为Re_αRe′_βRe″_ηB_δCo_ζAl_εFe_γ,Re为Nd、Pr，Re′为Dy，Re″为Sc，Fe为Fe及不可避免的杂质，α、β、η、δ、ζ、ε、γ为各组分质量百分比含量；其中，32≤α+β+η≤35，7≤β+η≤15，4≤η≤9，1.06≤δ≤1.12，0≤ζ≤0.35，0.48≤ε≤0.91，γ＝100-α-β-δ-ζ-ε。