CN1060178A - 各向异性微晶稀土永磁材料的制备方法及其设备 - Google Patents

Abstract

本发明涉及铁基合金和永磁材料领域，特别涉及 稀土永磁材料。本发明提供一种制备磁各向异性的 稀土-铁-硼合金薄带材料的制备方法及其专用设 备。本发明方法是将稀土-铁-硼合金在熔炼室内冶 炼，而在喷淬室内喷淬于水冷单辊上，熔炼室与喷淬 室彼此分开并仅由喷嘴相连，合金喷淬时，熔炼室与 喷淬室的压差为50～150毫米汞柱，单辊辊速为 16.5～21.5米/秒。使用本发明方法与设备能得到 成本低廉，磁能积高的各向异性微晶永磁材料，方法 与设备简易可行。

Description

本发明涉及铁基合金和硬磁材料领域。

永磁材料的发展从二十世纪初至今经历了三个里程碑，它们是以最大磁能积和内禀矫顽力的改进作为划分标志的。从本世纪初的高碳钢到铝镍钴是永磁材料发展的第一阶段;三十年代开发的铁氧体为第二个里程碑;六十年代问世的稀土磁则是第三个里程碑。第三代稀上永磁以储量丰富的钕（Nd）取代稀贵的钐（Sm），以铁取代钴，并含有硼。含稀土元素约12at%的R₂Fe₁₄B基稀土磁体是第三代稀土永磁的代表。

在Nd-Fe-B磁性材料的制造工艺方面，主要有粉末冶金法、熔体旋淬法和还原扩散法。熔体旋淬法是将熔融的合金喷注在一个高速转动的金属辊子上，合金熔液以极快的速度冷却凝固成薄带，该簿带的厚度一般为35～50微米，宽为几毫米，其组织结构与辊速或淬速密切相关，若淬速过慢，则薄带断面上显示出粗大的晶粒，其直径约3～10微米。若淬速过大则整个断面组织为非晶态。常规快淬工艺制作的合金薄带在快淬过程中其断面上存在明显的温度梯度，靠辊轮一侧的冷速高于自由表面，从而造成条带断面上组织结构的明显差别;若靠辊轮一侧是微晶时，则自由表面的晶粒粗大;若自由表面是微晶时，则辊面一侧的薄带呈非晶状态。为克服由温度梯度过大造成的组织结构的不均匀性，往往被迫先制备成非晶态薄带，然后增加专门的晶化处理工序得到微晶稀土永磁材料。由于晶化时成核位置在材料体积内是随机分布，微晶晶粒的取向是散乱的，因此粉末材料呈各向同性。从以上可见，只有在较窄的淬速范围内，才形成较均匀的微晶结构，晶粒平均约为0.1微米。由于设备工艺条件的限制，一般只能生产厚度为35～50微米的薄带，从而也只能生产各向同性的磁粉。为直接淬制粒度均匀并取向一致的微晶薄带，必须减小淬制过程中薄带断面上的温度梯度，即减薄所淬薄带的厚度。但在常规工艺条件下，限于喷嘴尺寸，熔体自重等工艺因素基本固定，无法使薄带进一步减薄。

实践表明，辊速，即辊的表面速度约为22米/秒时，所得薄带的矫顽力可达到最大值，在常规工艺中必须严格控制辊速，使微晶晶粒尺寸最佳化，才能使矫顽力最大，辊速稍有一点偏差，则矫顽力降低较大，因此，薄带的旋淬工艺条件严格，不易获得高矫顽力的微晶磁粉。

在磁性材料的特性中，最大磁能积是综合表征材料永磁特性的重要参数，它既取决于材料的内禀矫顽力，也取决于材料的剩磁。现有技术用熔体旋淬技术制备稀土永磁材料都是各向同性的，它们虽然具有极高的内禀矫顽力，但剩磁不高，从而限制了此种材料的应用，也即它们的优秀磁特性尚未充分发挥出来，因此，进一步提高微晶稀土永磁材料的剩磁就成为扩大其应用范围的关键因素之一。

众所周知，永磁材料的性能与材料的组织结构和成分密切相关。Nd-Fe-B合金不使用贵重的钐和金属钴，并通过熔体旋淬法可获得由微晶晶粒组成的具有优异永磁性能的材料。显然，用一般旋淬方法所获得的永磁材料都是各向同性的。例如特开昭60-162750（1985年）公开了一种稀土类永磁，也使用熔体旋淬技术，旋淬后，非晶质多于微晶组织，所以用随后退火处理来提高矫顽力和剩磁，这样所得的薄带被粉碎后得到各向同性粉末。

又如特开昭60-89546公开了一种稀土类永磁材料，使用了各种急冷方法，冷却后所得永磁薄带或所需形状可直接使用或粉碎后使用。在该文件的实施例1中，对辊速1000rpm所冷却的薄带细片的表面作了X-射线检验，表明具有C-轴各向异性。该发明人认为他不仅得到各向同性而且也得到各向异性永磁材料。实际上，在薄带上仅有极薄的表面层存在C-轴各向异性的结构，但从材料整体而言，仍是各向同性的结构。

本发明目的在于：提供一种制备磁各向异性的、磁能积较高而价廉的稀土-铁-硼全金薄带材料的制备方法及其所用改进的设备。

本发明的目的通过采取以下技术措施而完全达到了：选择最佳含量的钕-铁-稀土合金，通过改进的熔体旋淬工艺及其相应设备，从而改变旋淬薄带的组织结构，最后获得各向异性高磁能积稀土永磁微晶粉末。

以下结合附图对本发明进行详细说明。

附图1是改进的真空旋淬设备示意图;附图2是用本发明方法所制稀土永磁微晶粉末经过或未经磁场成型所得磁体的相应退磁曲线;附图3是熔体旋淬法所制永磁薄带的矫顽力与辊速的关系。

本发明涉及制备各向异性稀土类永磁材料所用熔体旋淬方法与设备。传统熔体旋淬法所制各向同性粉末的剩磁Br＝6～7.5千高斯，而本发明方法所制备的各向异性粉末的剩磁Br＝9.5～12千高斯，也即本发明方法可提高稀土永磁粉末平均3～4千高斯，从而相应地显著提高稀土-铁-硼永磁材料的最大磁能积。

在本发明方法中选用的稀土类永磁材料是NdxFeyBz，其中，x＝10～25at%，y＝70～84at%，z＝3～10at%。当然用其它永磁成分也可利用本发明方法制出各向异性粉末来。

本发明方法是这样实现的：采用普通熔体旋淬设备，在该设备中有熔炼设备如高频冶炼炉、抽真空设备、浇铸设备与高速旋转的水冷辊，其特征在于：将真空快淬装置中的熔炼作业与喷淬作业分为二室，即分别在熔炼室与喷淬室中进行，在两室之间仅由喷嘴连通，当喷淬时，喷嘴被注入的熔体隔离，两室即被隔断，再通过熔炼室内调节气压的装置通入惰性气体例如氩气，使熔炼室内的剩余压力大于喷淬室内的压力。这样，在喷淬时，合金液除自重外，还借助于两室之间的压差作用克服喷口细缝表面张力的阻力，而顺利地均匀地喷出。因此，其细缝比通常用者较小，喷出的合金量也较少，可得到厚度小于20微米的薄带，从而制成各向异性结构的永磁材料。而常用设备只能喷淬35～50微米厚的薄带，这样厚的薄带，其温度梯度明显，对断面结构与均匀度影响较大，这样，或者得到不同组织结构，或者得到非晶态后再进行退火处理，所得的永磁材料都是各向同性的。本发明旋淬工艺中，在熔炼室与喷淬室间的压差为50～150毫米水银柱。

用本发明方法所制备的永磁材料根本改变快淬薄带的晶体结构，上述成分的含量与成分的稀土-铁-硼永磁薄带材料的厚度只有20微米以下，其断面温度梯度只相当于通常厚35微米薄带的1/4，因此，断面温度梯度对薄带断面的组织结构和均匀性的影响大为缩小，但却足以生长所需柱状晶结构，本发明稀土-铁-硼永磁薄带的特征在于根本改变了快淬薄带的晶体结构，在此以前所有快淬工艺只能制备各向同性的微晶材料，而本发明能提供磁晶各向异性的快淬薄带，其断面结构呈贯穿断面的柱状晶，其生成方向与断面上温度梯度方向一致，即垂直于薄带表面，易磁化轴则平行于该薄带平面。柱状晶直径小于1微米，具有各向异性。本发明方法所制稀土永磁材料的主相是四方结构的Nd₂Fe₁₄B，在晶粒间界有富钕相，在晶界交叉点上有少许富硼相。例如所得微晶薄带用磁性振动样品磁强计测量，得到：Br＝9.2KG，iHc＝11.8KOe，（BH）max＝16.4MGOe。

本发明方法专用的永磁熔体旋淬改良装置见附图1，将原来熔体旋淬装置的熔炼作业与喷淬作业分别在熔炼室1与喷淬室2内进行，在熔炼室1与喷淬室2之间由喷嘴6相通，照惯例坩场4由高频线圈5加热，在中间包3的喷嘴6处由高频线圈7加热，喷出的合金液喷到水冷单辊8上，箭头是冷水进出的方向。调节熔炼室1中的压力时通过进气阀门9通入氩气，抽气阀门10是对熔炼室抽气用的。水冷单辊8的辊速是16.5～21.5米/秒。

用本发明方法及设备，可得到20微米以下厚度的薄带，其断面结构呈贯穿断面的柱状晶，该柱状晶小于1微米。用此薄带制备的鳞片状粉末，分别在磁场内和不加磁场内成形，所得粘结磁体的曲线示于附图2，其中，a为磁场成形，b为不加磁场成形。不难看出：各向异性永磁材料的优点在于剩磁显著提高，用它制作的粘结磁体，其磁能积可达16MGOe以上。

本发明方法显著改善了矫顽力Hc随辊速的变化曲线，将最佳淬速区的峰值移向低速区，且峰高增大，峰宽扩展。换言之，对应于高矫顽力的最佳淬速区的范围显著变宽。例如，取Hc＝14KOe，常规工艺只有严格控制辊速，使V＝22.25米/秒，时才能达到。辊速稍有一点偏差，如只有±1米/秒（相当于4.5%），则Hc降低18%，即2.5KOe。当采用本发明的改进工艺，辊速在16.5～21.5米/秒的范围内，快淬薄带的矫顽力Hc≥14KOe，也就是说辊速在19米/秒附近变动±13%，即±2.5米/秒均可，见附图3，这一点对于生产至为重要。由于最佳的淬速范围大，生产上不必先淬制成非晶态合金再进行晶化处理，而是直接控制最佳淬速就可以生产出符合性能要求的各向异性微晶稀土永磁材料。

利用本发明方法能制成成本低廉，磁性优异的永磁合金，本发明稀土-铁-永磁材料的制备方法与设备简易可行，具有开创性。

实施例1

采用纯度为99.8（重量）%的Nd、99.8（重量）%的Fe、16（重量）%的B-Fe合金作为原料，作用前经去锈处理。50克的母合金锭用电弧炉熔炼。为保证母合金锭的成分基本符合设计成分，对稀土元素在熔炼过程中的损耗量必须给予特殊的关注。为使母合金成分均匀，每个锭子重熔4次。母合金的稀土、Fe、B的含量均用化学分析测定。结果表明，合金铸锭中稀土含量与设计值偏差＜5%;Fe、B含量的偏差＜3%。

本例的合金锭成分的原子有分比为Nd_14.5Fe₈₀B_5.5。合金在氩气保护下以单辊快淬技术制备成厚20微米的微晶薄带。

熔炼室与喷淬室压差为80毫米汞柱。

所得微晶薄带用磁性振动样品磁强计测量，其结果如下：

Br＝8.9KG，iHc＝14.3KOe，（HB）max＝14.6MGOe。

实施例2

本例所用原料、冶炼、分析、测试方法如实施例1。合金成分的原子百分比为Nd_13.5Fe_81.5B₅。熔炼室与喷淬室间的压差为120毫米汞柱，所得微晶薄带的测量结果为：Br＝9.2KG，iHc＝11.8KOe，（HB）max＝16.4MGOe。

Claims (2)

1、各向异性微晶稀土永磁材料的制备方法，使用原子比为X=10～25at%、y=70～84at%、z=3～10at%的含钕、铁和硼的合金：

Nd_xFe_xB_z其特征在于：在熔体旋淬设备的熔炼室内熔炼，而在喷淬室内喷淬于水冷单辊上，所说的熔炼室与喷淬室由喷咀相连，当合金喷淬时熔体将所说的熔炼室与喷淬室隔开，随即通过氩气进品送入氩气，调节熔炼室的压力，使熔炼室与喷淬室的压差为50～150毫米汞柱，合金液通过喷嘴细缝顺利喷到辊速为16.5～21.5米/秒的水冷单辊上，从而制成厚度为小于20微米、具有柱状晶生长方向垂直于薄带面的柱状微晶结构、晶体的易磁化方向平行于带面的各向异性稀土永磁薄带材料。

2、制备各向异性微晶稀土永磁薄带的装置，所说的装置包括坩埚4、单辊8、送气阀门9、抽空阀门10、转动的水冷单辊8、坩埚加热线圈5、喷嘴加热线圈7，其特征在于：熔炼室1和喷淬室2彼此分开设置，其间仅由喷嘴6相连。

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