專利名稱：各向異性微晶稀土永磁材料的制備方法及其設(shè)備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及鐵基合金和硬磁材料領(lǐng)域。
永磁材料的發(fā)展從二十世紀(jì)初至今經(jīng)歷了三個(gè)里程碑，它們是以最大磁能積和內(nèi)稟矯頑力的改進(jìn)作為劃分標(biāo)志的。從本世紀(jì)初的高碳鋼到鋁鎳鈷是永磁材料發(fā)展的第一階段;三十年代開發(fā)的鐵氧體為第二個(gè)里程碑;六十年代問(wèn)世的稀土磁則是第三個(gè)里程碑。第三代稀上永磁以儲(chǔ)量豐富的釹(Nd)取代稀貴的釤(Sm)，以鐵取代鈷，并含有硼。含稀土元素約12at%的R2Fe14B基稀土磁體是第三代稀土永磁的代表。
在Nd-Fe-B磁性材料的制造工藝方面，主要有粉末冶金法、熔體旋淬法和還原擴(kuò)散法。熔體旋淬法是將熔融的合金噴注在一個(gè)高速轉(zhuǎn)動(dòng)的金屬輥?zhàn)由?，合金熔液以極快的速度冷卻凝固成薄帶，該簿帶的厚度一般為35～50微米，寬為幾毫米，其組織結(jié)構(gòu)與輥速或淬速密切相關(guān)，若淬速過(guò)慢，則薄帶斷面上顯示出粗大的晶粒，其直徑約3～10微米。若淬速過(guò)大則整個(gè)斷面組織為非晶態(tài)。常規(guī)快淬工藝制作的合金薄帶在快淬過(guò)程中其斷面上存在明顯的溫度梯度，靠輥輪一側(cè)的冷速高于自由表面，從而造成條帶斷面上組織結(jié)構(gòu)的明顯差別;若靠輥輪一側(cè)是微晶時(shí)，則自由表面的晶粒粗大;若自由表面是微晶時(shí)，則輥面一側(cè)的薄帶呈非晶狀態(tài)。為克服由溫度梯度過(guò)大造成的組織結(jié)構(gòu)的不均勻性，往往被迫先制備成非晶態(tài)薄帶，然后增加專門的晶化處理工序得到微晶稀土永磁材料。由于晶化時(shí)成核位置在材料體積內(nèi)是隨機(jī)分布，微晶晶粒的取向是散亂的，因此粉末材料呈各向同性。從以上可見，只有在較窄的淬速范圍內(nèi)，才形成較均勻的微晶結(jié)構(gòu)，晶粒平均約為0.1微米。由于設(shè)備工藝條件的限制，一般只能生產(chǎn)厚度為35～50微米的薄帶，從而也只能生產(chǎn)各向同性的磁粉。為直接淬制粒度均勻并取向一致的微晶薄帶，必須減小淬制過(guò)程中薄帶斷面上的溫度梯度，即減薄所淬薄帶的厚度。但在常規(guī)工藝條件下，限于噴嘴尺寸，熔體自重等工藝因素基本固定，無(wú)法使薄帶進(jìn)一步減薄。
實(shí)踐表明，輥速，即輥的表面速度約為22米/秒時(shí)，所得薄帶的矯頑力可達(dá)到最大值，在常規(guī)工藝中必須嚴(yán)格控制輥速，使微晶晶粒尺寸最佳化，才能使矯頑力最大，輥速稍有一點(diǎn)偏差，則矯頑力降低較大，因此，薄帶的旋淬工藝條件嚴(yán)格，不易獲得高矯頑力的微晶磁粉。
在磁性材料的特性中，最大磁能積是綜合表征材料永磁特性的重要參數(shù)，它既取決于材料的內(nèi)稟矯頑力，也取決于材料的剩磁?，F(xiàn)有技術(shù)用熔體旋淬技術(shù)制備稀土永磁材料都是各向同性的，它們雖然具有極高的內(nèi)稟矯頑力，但剩磁不高，從而限制了此種材料的應(yīng)用，也即它們的優(yōu)秀磁特性尚未充分發(fā)揮出來(lái)，因此，進(jìn)一步提高微晶稀土永磁材料的剩磁就成為擴(kuò)大其應(yīng)用范圍的關(guān)鍵因素之一。
眾所周知，永磁材料的性能與材料的組織結(jié)構(gòu)和成分密切相關(guān)。Nd-Fe-B合金不使用貴重的釤和金屬鈷，并通過(guò)熔體旋淬法可獲得由微晶晶粒組成的具有優(yōu)異永磁性能的材料。顯然，用一般旋淬方法所獲得的永磁材料都是各向同性的。例如特開昭60-162750(1985年)公開了一種稀土類永磁，也使用熔體旋淬技術(shù)，旋淬后，非晶質(zhì)多于微晶組織，所以用隨后退火處理來(lái)提高矯頑力和剩磁，這樣所得的薄帶被粉碎后得到各向同性粉末。
又如特開昭60-89546公開了一種稀土類永磁材料，使用了各種急冷方法，冷卻后所得永磁薄帶或所需形狀可直接使用或粉碎后使用。在該文件的實(shí)施例1中，對(duì)輥速1000rpm所冷卻的薄帶細(xì)片的表面作了X-射線檢驗(yàn)，表明具有C-軸各向異性。該發(fā)明人認(rèn)為他不僅得到各向同性而且也得到各向異性永磁材料。實(shí)際上，在薄帶上僅有極薄的表面層存在C-軸各向異性的結(jié)構(gòu)，但從材料整體而言，仍是各向同性的結(jié)構(gòu)。
本發(fā)明目的在于提供一種制備磁各向異性的、磁能積較高而價(jià)廉的稀土-鐵-硼全金薄帶材料的制備方法及其所用改進(jìn)的設(shè)備。
本發(fā)明的目的通過(guò)采取以下技術(shù)措施而完全達(dá)到了選擇最佳含量的釹-鐵-稀土合金，通過(guò)改進(jìn)的熔體旋淬工藝及其相應(yīng)設(shè)備，從而改變旋淬薄帶的組織結(jié)構(gòu)，最后獲得各向異性高磁能積稀土永磁微晶粉末。
以下結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。
附

圖1是改進(jìn)的真空旋淬設(shè)備示意圖;附圖2是用本發(fā)明方法所制稀土永磁微晶粉末經(jīng)過(guò)或未經(jīng)磁場(chǎng)成型所得磁體的相應(yīng)退磁曲線;附圖3是熔體旋淬法所制永磁薄帶的矯頑力與輥速的關(guān)系。
本發(fā)明涉及制備各向異性稀土類永磁材料所用熔體旋淬方法與設(shè)備。傳統(tǒng)熔體旋淬法所制各向同性粉末的剩磁Br＝6～7.5千高斯，而本發(fā)明方法所制備的各向異性粉末的剩磁Br＝9.5～12千高斯，也即本發(fā)明方法可提高稀土永磁粉末平均3～4千高斯，從而相應(yīng)地顯著提高稀土-鐵-硼永磁材料的最大磁能積。
在本發(fā)明方法中選用的稀土類永磁材料是NdxFeyBz，其中，x＝10～25at%，y＝70～84at%，z＝3～10at%。當(dāng)然用其它永磁成分也可利用本發(fā)明方法制出各向異性粉末來(lái)。
本發(fā)明方法是這樣實(shí)現(xiàn)的采用普通熔體旋淬設(shè)備，在該設(shè)備中有熔煉設(shè)備如高頻冶煉爐、抽真空設(shè)備、澆鑄設(shè)備與高速旋轉(zhuǎn)的水冷輥，其特征在于將真空快淬裝置中的熔煉作業(yè)與噴淬作業(yè)分為二室，即分別在熔煉室與噴淬室中進(jìn)行，在兩室之間僅由噴嘴連通，當(dāng)噴淬時(shí)，噴嘴被注入的熔體隔離，兩室即被隔斷，再通過(guò)熔煉室內(nèi)調(diào)節(jié)氣壓的裝置通入惰性氣體例如氬氣，使熔煉室內(nèi)的剩余壓力大于噴淬室內(nèi)的壓力。這樣，在噴淬時(shí)，合金液除自重外，還借助于兩室之間的壓差作用克服噴口細(xì)縫表面張力的阻力，而順利地均勻地噴出。因此，其細(xì)縫比通常用者較小，噴出的合金量也較少，可得到厚度小于20微米的薄帶，從而制成各向異性結(jié)構(gòu)的永磁材料。而常用設(shè)備只能噴淬35～50微米厚的薄帶，這樣厚的薄帶，其溫度梯度明顯，對(duì)斷面結(jié)構(gòu)與均勻度影響較大，這樣，或者得到不同組織結(jié)構(gòu)，或者得到非晶態(tài)后再進(jìn)行退火處理，所得的永磁材料都是各向同性的。本發(fā)明旋淬工藝中，在熔煉室與噴淬室間的壓差為50～150毫米水銀柱。
用本發(fā)明方法所制備的永磁材料根本改變快淬薄帶的晶體結(jié)構(gòu)，上述成分的含量與成分的稀土-鐵-硼永磁薄帶材料的厚度只有20微米以下，其斷面溫度梯度只相當(dāng)于通常厚35微米薄帶的1/4，因此，斷面溫度梯度對(duì)薄帶斷面的組織結(jié)構(gòu)和均勻性的影響大為縮小，但卻足以生長(zhǎng)所需柱狀晶結(jié)構(gòu)，本發(fā)明稀土-鐵-硼永磁薄帶的特征在于根本改變了快淬薄帶的晶體結(jié)構(gòu)，在此以前所有快淬工藝只能制備各向同性的微晶材料，而本發(fā)明能提供磁晶各向異性的快淬薄帶，其斷面結(jié)構(gòu)呈貫穿斷面的柱狀晶，其生成方向與斷面上溫度梯度方向一致，即垂直于薄帶表面，易磁化軸則平行于該薄帶平面。柱狀晶直徑小于1微米，具有各向異性。本發(fā)明方法所制稀土永磁材料的主相是四方結(jié)構(gòu)的Nd2Fe14B，在晶粒間界有富釹相，在晶界交叉點(diǎn)上有少許富硼相。例如所得微晶薄帶用磁性振動(dòng)樣品磁強(qiáng)計(jì)測(cè)量，得到Br＝9.2KG，iHc＝11.8KOe，(BH)max＝16.4MGOe。
本發(fā)明方法專用的永磁熔體旋淬改良裝置見附圖1，將原來(lái)熔體旋淬裝置的熔煉作業(yè)與噴淬作業(yè)分別在熔煉室1與噴淬室2內(nèi)進(jìn)行，在熔煉室1與噴淬室2之間由噴嘴6相通，照慣例坩場(chǎng)4由高頻線圈5加熱，在中間包3的噴嘴6處由高頻線圈7加熱，噴出的合金液噴到水冷單輥8上，箭頭是冷水進(jìn)出的方向。調(diào)節(jié)熔煉室1中的壓力時(shí)通過(guò)進(jìn)氣閥門9通入氬氣，抽氣閥門10是對(duì)熔煉室抽氣用的。水冷單輥8的輥速是16.5～21.5米/秒。
用本發(fā)明方法及設(shè)備，可得到20微米以下厚度的薄帶，其斷面結(jié)構(gòu)呈貫穿斷面的柱狀晶，該柱狀晶小于1微米。用此薄帶制備的鱗片狀粉末，分別在磁場(chǎng)內(nèi)和不加磁場(chǎng)內(nèi)成形，所得粘結(jié)磁體的曲線示于附圖2，其中，a為磁場(chǎng)成形，b為不加磁場(chǎng)成形。不難看出各向異性永磁材料的優(yōu)點(diǎn)在于剩磁顯著提高，用它制作的粘結(jié)磁體，其磁能積可達(dá)16MGOe以上。
本發(fā)明方法顯著改善了矯頑力Hc隨輥速的變化曲線，將最佳淬速區(qū)的峰值移向低速區(qū)，且峰高增大，峰寬擴(kuò)展。換言之，對(duì)應(yīng)于高矯頑力的最佳淬速區(qū)的范圍顯著變寬。例如，取Hc＝14KOe，常規(guī)工藝只有嚴(yán)格控制輥速，使V＝22.25米/秒，時(shí)才能達(dá)到。輥速稍有一點(diǎn)偏差，如只有±1米/秒(相當(dāng)于4.5%)，則Hc降低18%，即2.5KOe。當(dāng)采用本發(fā)明的改進(jìn)工藝，輥速在16.5～21.5米/秒的范圍內(nèi)，快淬薄帶的矯頑力Hc≥14KOe，也就是說(shuō)輥速在19米/秒附近變動(dòng)±13%，即±2.5米/秒均可，見附圖3，這一點(diǎn)對(duì)于生產(chǎn)至為重要。由于最佳的淬速范圍大，生產(chǎn)上不必先淬制成非晶態(tài)合金再進(jìn)行晶化處理，而是直接控制最佳淬速就可以生產(chǎn)出符合性能要求的各向異性微晶稀土永磁材料。
利用本發(fā)明方法能制成成本低廉，磁性優(yōu)異的永磁合金，本發(fā)明稀土-鐵-永磁材料的制備方法與設(shè)備簡(jiǎn)易可行，具有開創(chuàng)性。
實(shí)施例1采用純度為99.8(重量)%的Nd、99.8(重量)%的Fe、16(重量)%的B-Fe合金作為原料，作用前經(jīng)去銹處理。50克的母合金錠用電弧爐熔煉。為保證母合金錠的成分基本符合設(shè)計(jì)成分，對(duì)稀土元素在熔煉過(guò)程中的損耗量必須給予特殊的關(guān)注。為使母合金成分均勻，每個(gè)錠子重熔4次。母合金的稀土、Fe、B的含量均用化學(xué)分析測(cè)定。結(jié)果表明，合金鑄錠中稀土含量與設(shè)計(jì)值偏差＜5%;Fe、B含量的偏差＜3%。
本例的合金錠成分的原子有分比為Nd14.5Fe80B5.5。合金在氬氣保護(hù)下以單輥快淬技術(shù)制備成厚20微米的微晶薄帶。
熔煉室與噴淬室壓差為80毫米汞柱。
所得微晶薄帶用磁性振動(dòng)樣品磁強(qiáng)計(jì)測(cè)量，其結(jié)果如下Br＝8.9KG，iHc＝14.3KOe，(HB)max＝14.6MGOe。
實(shí)施例2本例所用原料、冶煉、分析、測(cè)試方法如實(shí)施例1。合金成分的原子百分比為Nd13.5Fe81.5B5。熔煉室與噴淬室間的壓差為120毫米汞柱，所得微晶薄帶的測(cè)量結(jié)果為Br＝9.2KG，iHc＝11.8KOe，(HB)max＝16.4MGOe。
權(quán)利要求
1.各向異性微晶稀土永磁材料的制備方法，使用原子比為X=10～25at%、y=70～84at%、z=3～10at%的含釹、鐵和硼的合金NdxFexBz其特征在于在熔體旋淬設(shè)備的熔煉室內(nèi)熔煉，而在噴淬室內(nèi)噴淬于水冷單輥上，所說(shuō)的熔煉室與噴淬室由噴咀相連，當(dāng)合金噴淬時(shí)熔體將所說(shuō)的熔煉室與噴淬室隔開，隨即通過(guò)氬氣進(jìn)品送入氬氣，調(diào)節(jié)熔煉室的壓力，使熔煉室與噴淬室的壓差為50～150毫米汞柱，合金液通過(guò)噴嘴細(xì)縫順利噴到輥速為16.5～21.5米/秒的水冷單輥上，從而制成厚度為小于20微米、具有柱狀晶生長(zhǎng)方向垂直于薄帶面的柱狀微晶結(jié)構(gòu)、晶體的易磁化方向平行于帶面的各向異性稀土永磁薄帶材料。
2.制備各向異性微晶稀土永磁薄帶的裝置，所說(shuō)的裝置包括坩堝4、單輥8、送氣閥門9、抽空閥門10、轉(zhuǎn)動(dòng)的水冷單輥8、坩堝加熱線圈5、噴嘴加熱線圈7，其特征在于熔煉室1和噴淬室2彼此分開設(shè)置，其間僅由噴嘴6相連。
全文摘要
本發(fā)明涉及鐵基合金和永磁材料領(lǐng)域，特別涉及稀土永磁材料。本發(fā)明提供一種制備磁各向異性的稀土-鐵-硼合金薄帶材料的制備方法及其專用設(shè)備。本發(fā)明方法是將稀土-鐵-硼合金在熔煉室內(nèi)冶煉，而在噴淬室內(nèi)噴淬于水冷單輥上，熔煉室與噴淬室彼此分開并僅由噴嘴相連，合金噴淬時(shí)，熔煉室與噴淬室的壓差為50～150毫米汞柱，單輥輥速為16.5～21.5米/秒。使用本發(fā)明方法與設(shè)備能得到成本低廉，磁能積高的各向異性微晶永磁材料，方法與設(shè)備簡(jiǎn)易可行。
文檔編號(hào)H01F1/053GK1060178SQ9010784
公開日1992年4月8日 申請(qǐng)日期1990年9月22日 優(yōu)先權(quán)日1990年9月22日
發(fā)明者羅陽(yáng), 董學(xué)敏 申請(qǐng)人:北京坤奇稀土新材料聯(lián)合公司