一種無(wú)稀土MnAl永磁合金的制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種無(wú)稀土 MnAl永磁合金的制備方法，屬于永磁合金制備技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]永磁材料廣泛應(yīng)用于磁懸浮、醫(yī)藥設(shè)備及電動(dòng)汽車(chē)、風(fēng)力發(fā)電的馬達(dá)系統(tǒng)等。隨著新能源和電動(dòng)汽車(chē)的發(fā)展，對(duì)高性能永磁材料的需求越來(lái)越大。過(guò)去十年中，稀土永磁材料的年產(chǎn)量增長(zhǎng)都超過(guò)10%。但稀土資源有限且價(jià)格昂貴，同時(shí)生產(chǎn)過(guò)程中帶來(lái)嚴(yán)重環(huán)境污染，限制了稀土永磁材料的未來(lái)發(fā)展。以永磁鐵氧體為代表的無(wú)稀土永磁材料由于資源豐富、價(jià)格便宜而具有廣闊的應(yīng)用市場(chǎng)，但永磁鐵氧體的永磁性能較差，遠(yuǎn)低于稀土永磁材料，無(wú)法滿(mǎn)足社會(huì)發(fā)展和科技進(jìn)步對(duì)高性能永磁材料的需求。因此，目前國(guó)內(nèi)外研宄者都在尋求不含稀土和稀貴元素的新型高性能永磁材料。
[0003]無(wú)稀土 MnAl永磁合金(也稱(chēng)τ相MnAl合金)首先是由Kono與Koch發(fā)現(xiàn)的，因其具有高的磁各向異性(107erg/cc)、較高的矯頑力(可達(dá)4k0e以上)、低的密度(5.2g/cm3)、優(yōu)異的耐腐蝕性能和機(jī)械加工性能，尤其具有低的成本(不含有稀土和稀貴元素)，制作工藝簡(jiǎn)單，不用復(fù)雜的磁場(chǎng)處理，近年來(lái)，得到了國(guó)內(nèi)外研宄人員的大量研宄。
[0004]雖然MnAl永磁合金近年來(lái)發(fā)展非常迅速，但是也存在一些問(wèn)題。τ -MnAl相是一個(gè)亞穩(wěn)相，其成分范圍為Mn含量在50?59at.%之間，通常是從高溫的ε -MnAl相(hep結(jié)構(gòu))通過(guò)冷卻或者等溫退火而獲得，ε-MnAl相是高溫相，傳統(tǒng)制備工藝很難直接獲得，從而很難得到τ-MnAl相；因此目前采用不同方法制備的τ相MnAl合金中，或多或少都含有一些非磁性的MnAl相如ε相、β相和丫2相，未能完全實(shí)現(xiàn)τ相的轉(zhuǎn)變，影響其磁性能；其次得到的MnAl永磁合金的矯頑力較低，嚴(yán)重的限制了合金的應(yīng)用范圍。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的就是為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)存在的缺陷而提供一種成本低、制作工藝簡(jiǎn)單、永磁性能好、高矯頑力的無(wú)稀土 MnAl永磁合金的制備方法。
[0006]本發(fā)明的目的可以通過(guò)以下技術(shù)方案來(lái)實(shí)現(xiàn):
[0007]一種無(wú)稀土 MnAl永磁合金的制備方法，該MnAl永磁合金的成分組成由化學(xué)式表示為Μη6(ι_χΑ14(ι+χ，其中X = O?10，制備方法包括以下步驟:
[0008](I)配比母合金樣品成分:將純度不低于99.9%的錳、鋁按原子百分比配置成名義成分為Μη6(ι_χΑ14(ι+χ的母合金原料，其中X = O?10，由于Mn在恪煉時(shí)極易揮發(fā)，為了彌補(bǔ)其在熔煉過(guò)程中的揮發(fā)，配料時(shí)多加原子百分比為5%?10%的Mn。
[0009](2)母合金熔煉:采用非自耗真空電弧爐，在氬氣保護(hù)下將配比好的母合金原料放入水冷銅坩鍋中，將合金反復(fù)熔煉3?5遍，以得到成分均勻的MnAl合金鑄錠。
[0010](3) MnAl合金鑄錠清洗:將熔煉得到的MnAl合金鑄錠破碎，將破碎的塊體合金依次放入丙酮溶液和酒精溶液中超聲清洗，取出后晾干待用。
[0011](4)制備MnAl合金薄帶:采用單輥快淬法制備MnAl合金薄帶，將步驟(3)中清洗得到的塊體合金放入急冷制帶設(shè)備的石英管中，腔室在抽真空后充入99.99%氬氣作為保護(hù)氣氛，氣壓控制在0.8?IMpa，熔煉溫度為1000?1200°C ;將熔融的合金噴至旋轉(zhuǎn)的水冷銅輥上，銅輥線速度，即甩帶快淬速度為30?45m/s，最終制得寬度約為2?3mm，厚度約為30?35 μ m的MnAl合金薄帶。
[0012](5)真空熱處理:將步驟(4)得到的MnAl合金薄帶，采用不同的熱處理制度進(jìn)行真空熱處理，熱處理溫度為400°C?550°C，熱處理時(shí)間為10分鐘?60分鐘，得到τ相MnAl
I=IO
[0013](6)機(jī)械球磨:將步驟(5)得到的τ相MnAl合金，進(jìn)行球磨處理，控制加入乙醇質(zhì)量為原材料的4?5倍，球料質(zhì)量比為10?30，轉(zhuǎn)速為300?500轉(zhuǎn)/分，球磨時(shí)間I小時(shí)?30小時(shí)，獲得τ相MnAl合金粉末。
[0014](7)性能檢測(cè):對(duì)制備得到的τ相MnAl合金進(jìn)行性能檢測(cè)，包括:ΜηΑ1永磁合金的物相檢測(cè)、MnAl永磁合金的成分及微觀結(jié)構(gòu)檢測(cè)、磁性能檢測(cè)。
[0015]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn)及有益效果:
[0016](I)本發(fā)明選擇Mn和Al作為永磁合金的原料，它們不僅具有優(yōu)異的機(jī)械加工性能和耐腐蝕性能，并且成本低，制作工藝簡(jiǎn)單，不用復(fù)雜的磁場(chǎng)處理。
[0017](2)本發(fā)明采用單錕甩帶快淬技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)MnAl合金熔體在極高的冷卻速度下快速凝固，直接獲得了傳統(tǒng)工藝很難制備的高溫ε-MnAl相，而結(jié)合合適的熱處理制度(控制熱處理溫度和時(shí)間)，實(shí)現(xiàn)了 MnAl永磁合金ε — τ相的完全轉(zhuǎn)變，從而改善永磁性能。
[0018](3)本發(fā)明采用球磨工藝，使晶粒顯著細(xì)化，同時(shí)球磨過(guò)程中產(chǎn)生的應(yīng)力和缺陷可以釘扎疇壁，從而極大地提高了矯頑力。
[0019](4)本發(fā)明綜合采用單錕甩帶快淬、熱處理、球磨處理等多種工藝，在保持相對(duì)較高的飽和磁化強(qiáng)度條件下，實(shí)現(xiàn)了 MnAl永磁合金矯頑力的極大提高。
【附圖說(shuō)明】
[0020]圖1為Mn55Al45快淬薄帶熱處理前的XRD圖譜；
[0021]圖2為Mn55Al45快淬薄帶熱處理后的XRD圖譜；
[0022]圖3為1115#145快淬薄帶球磨前和球磨20小時(shí)后的磁滯回線圖；
[0023]圖4為11154148快淬薄帶球磨前和球磨25小時(shí)后的磁滯回線圖；
[0024]圖5為1115^142快淬薄帶球磨前和球磨30小時(shí)后的磁滯回線圖。
【具體實(shí)施方式】
[0025]下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。
[0026]實(shí)施例1
[0027]將純度不低于99.9%的純錳塊、純鋁塊以適量的原子百分比配制成分為Mn55Al45的母合金樣品，由于Mn在熔煉時(shí)極易揮發(fā)，為了彌補(bǔ)其在熔煉過(guò)程中的揮發(fā)，配料時(shí)多加原子百分比為7%的Mn，共計(jì)15克。采用非自耗真空電弧爐，在氬氣保護(hù)下將配比好的母合金原料放入水冷銅坩鍋中，抽真空后充入99.99%氬氣作為保護(hù)氣氛，將合金反復(fù)熔煉4遍，得到成分均勻的鑄態(tài)母合金；將熔煉得到的MnAl合金鑄錠破碎，將破碎的塊體合金依次放入丙酮溶液和酒精溶液中超聲清洗，取出后自然晾干；采用單輥快淬法制備MnAl合金薄帶，將清洗得到的塊體合金放入急冷制帶設(shè)備的石英管中，腔室在抽真空后充入99.99%氬氣作為保護(hù)氣氛，控制氣壓在0.8Mpa，感應(yīng)加熱至溶體溫度1100 °C，甩帶快淬速度為35m/s，得到寬度約為3mm，厚度約為32 ym的MnAl合金薄帶，XRD圖譜如圖1所示。將得到的薄帶采用真空熱處理爐進(jìn)行真空熱處理，熱處理溫度為450°C，熱處理時(shí)間為10分鐘，得到全部為τ相的MnAl薄帶，XRD圖譜如圖2所示。選取QM-3SP4型行星球磨機(jī)進(jìn)行球磨處理，將熱處理后的薄帶裝入不銹鋼球磨罐中，然后加入4倍原材料質(zhì)量的乙醇，再加入直徑為6mm和1mm的不銹鋼磨球，球料比為15:1 ;轉(zhuǎn)速設(shè)定為500轉(zhuǎn)/分，球磨時(shí)間設(shè)定為20小時(shí)，得到τ相MnAl合金粉末。
[0028]對(duì)本實(shí)施例制得的球磨前和球磨20小時(shí)后的τ相Mn55Al45合金利用振動(dòng)樣品磁強(qiáng)計(jì)進(jìn)行磁性能測(cè)試，得到的磁滯回線如圖3所示。由圖3可知，τ相Mn55Al4^金球磨20小時(shí)后矯頑力得到極大提高，由球磨前的1.84k0e提高到4.97kOe，是現(xiàn)有商業(yè)用磁體鍶鐵氧體的1.5倍(約3.3kOe)，Alnico4永磁鐵的3倍(約1.55kOe)。
[0029]實(shí)施例2
[0030]將純度不低于99.9%的純錳塊、純鋁塊以適量的原子百分比配制成分為Mn52Al48的母合金樣品，由于Mn在熔煉時(shí)極易揮發(fā)，為了彌補(bǔ)其在熔煉過(guò)程中的揮發(fā)，配料時(shí)多加原子百分比為5%的Mn，共計(jì)15克。采用非自耗真空電弧爐，在氬氣保護(hù)下將配比好的母合金原料放入水冷銅坩鍋中，將合金反復(fù)熔煉4遍，得到成分均勻的鑄態(tài)母合金；將熔煉得到的MnAl合金鑄錠破碎，將破碎的塊體合金依次放入丙酮溶液和酒精溶液中超聲清洗，取出后自然瞭干；采用單棍快淬法制備MnAl合金薄帶，將清洗得到的塊體合金放入急冷制帶設(shè)備的石英管中，腔室在抽真空后充入99.99%氬氣作為保護(hù)氣氛，控制氣壓在0.8Mpa，感應(yīng)加熱至溶體溫度1000°C，甩帶快淬速度為30m/s，得到寬度約為2mm，厚度約為30μπι的MnAl合金薄帶。將得到的薄帶采用真空熱處理爐進(jìn)行真空熱處理，熱處理溫度為410°C，熱處理時(shí)間為30分鐘。選取QM-3SP4型行星球磨機(jī)進(jìn)行球磨處理，將熱處理后的薄帶裝入不銹鋼球磨罐中，然后加入4倍原材料質(zhì)量的乙醇，再加入直徑為6mm和1mm的不銹鋼磨球，球料比為20:1 ;轉(zhuǎn)速設(shè)定為400轉(zhuǎn)/分，球磨時(shí)間設(shè)定為25小時(shí)，得到τ相MnAl合金粉末。
[0031]對(duì)本實(shí)施例制得的球磨前和球磨25小時(shí)后的τ相Mn52Al48合金利用振動(dòng)樣品磁強(qiáng)計(jì)進(jìn)行磁性能測(cè)試，得到的磁滯回線如圖4所示。由圖4可知，τ相Mn52Al48^金球磨25小時(shí)后矯頑力得到極大提高，由球磨前的1.68kOe提高到4.68kOe?
[0032]實(shí)施例3
[0033]將純度不低于99.9%的純錳塊、純鋁塊以適量的原子百分比配制成分為Mn58Al42的母合金樣品，由于Mn在熔煉時(shí)極易揮發(fā)，為了彌補(bǔ)其在熔煉過(guò)程中的揮發(fā)，配料時(shí)多加