專利名稱：永磁快淬帶的電磁凝固及熱壓納米晶磁體及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及稀土永磁材料制造技術(shù)領(lǐng)域，特別是提供了一種永磁快淬帶的電磁凝固及熱壓納米晶磁體及其制備方法。
背景技術(shù)：
在現(xiàn)有技術(shù)中(見圖1)，人們利用快淬帶(也稱為速冷帯)作為母合金，通過后續(xù)的磨粉、熱壓/熱流變エ藝制備高性能熱壓永磁材料，主要目的是改善母合金帶的質(zhì)量?，F(xiàn)有快淬エ藝，由于要求控制澆鑄鋼液的溫度漂移在較窄范圍，而實際操作中難以控制，致使快淬帶邊緣與中部厚薄不均，成分與結(jié)構(gòu)不均勻，主相成分仍有可能偏離化學計量比。現(xiàn)有技術(shù)難以得到表面光滑、平整、成分均勻的快淬帶，現(xiàn)有技術(shù)制備的快淬帶，不能用于生產(chǎn) 高性能熱壓/熱流變磁體。早在20世紀50年代，法國就開始對電磁場中的凝固現(xiàn)象進行了研究，并把電磁凝固技術(shù)應用在板材的連鑄中，以圖實現(xiàn)高速連鑄，無缺陷連鋳。目前，各國都注重發(fā)展電磁技術(shù)的應用研究，主要集中在各種有色金屬合金制造中，如鋁合金、低熔點的Pb-Sn合金、Fe-C合金及一些復合材料等方面。電磁鑄造分電磁模鑄、電磁無模鑄造和電磁連鑄等.基本是通過電磁力對熔融金屬液起抑制或攪拌作用。能細化晶粒.抑制枝狀晶的生長。通過控制晶粒的大小和元素的分布達到改善材料性能的目的。但在以往的研究中，還沒有將電磁凝固技術(shù)用于非晶、納米晶或微晶永磁快淬帶制備方面的報道，特別是像本發(fā)明這樣，在快淬輥的兩側(cè)施加電磁場(見圖2、3)，通過調(diào)整電磁場的屬性(直流或交流)和頻率，對快淬帶進行電磁力處理。本發(fā)明給出的發(fā)明給出的納米晶或微晶Nd-Fe-B永磁快淬帶的電磁凝固技術(shù)，保證了高熔點、活潑金屬的無污染熔煉，明顯的減少了縮孔、夾雜等材料晶格缺陷，容易得到宏觀上表面光滑、平整，微觀上晶粒細小、組織致密、成分與結(jié)構(gòu)均勻的速凝帯。不同的電磁場產(chǎn)生的電磁力大小、形狀、方向都不同，對凝固組織的影響也不同。直流磁場產(chǎn)生的直流磁束既可抑制液態(tài)金屬中的自然對流，也可抑制固液界面處晶核的生長，從而有利于形成柱狀晶組織，為發(fā)展單晶體提供了有利條件。交流磁場作用于熔融金屬吋，則產(chǎn)生定時改變方向和大小的體積力。該カ可對正在凝固中的熔融金屬實施攪拌，使凝固界面產(chǎn)生結(jié)晶的熔解、枝晶的折斷與脫開，同時使結(jié)晶核移動呈活潑狀態(tài)，并促使結(jié)晶組織等軸晶化。等軸晶組織的形成機理是合金快淬凝固過程為一快速對流傳熱傳質(zhì)的動態(tài)過程，在溫度和成分高度均勻的生長環(huán)境下，枝晶機械斷裂或熔斷轉(zhuǎn)變?yōu)樾碌木Ш耍谶^冷度較大的情況下，晶核不易長大，具有優(yōu)先生成細小的等軸晶傾向。電磁凝固技術(shù)制備的材料組織與常規(guī)金屬模鑄造的組織結(jié)構(gòu)不同，其根本原因是各自的成型過程不同。常規(guī)鑄造過程可看作是相對靜止的，而電磁凝固快淬過程由于輥的旋轉(zhuǎn)和磁場的作用，一直處于強烈的對流傳熱傳質(zhì)過程，溫度場、溶質(zhì)場、流速場無時不在變化。電磁凝固快淬過程是ー個動態(tài)過程，在這種情況下，沒有哪ー個方向更占優(yōu)勢，因此也就決定了晶粒不會在某一方向上優(yōu)先生長，整體趨于各向同性，最終形成等軸晶。
這里所述的合金快淬凝固、晶粒長大方式，是電磁凝固快淬過程中的一種趨勢。但在感應圈中通入高頻電流、并使液固界面始終處在反應圈中強磁場的位置，都會使液固界面沿垂直于輥面方向的溫度梯度増大，從而增大了獲得柱狀晶的可能性。另ー方面，快淬帶實際上是在自由表面上結(jié)晶，不與任何容器接觸，難以形成晶核，如提高合金純度或增大垂直于輥面方向的溫度梯度都會增大獲得縱向柱狀晶的生長傾向。利用本發(fā)明給出的納米晶或微晶Nd-Fe-B永磁快淬帶的電磁凝固技術(shù)，可以制備高質(zhì)量快淬帶。噴嘴射出的合金液與水冷銅輥表面直接接觸產(chǎn)生的強冷效果對凝固過程及凝固組織產(chǎn)生很大影響，從而明顯提高了材料的力學性能，其壓延性能大大提高，用于生產(chǎn) 熱壓/熱流變磁體，尤其是高性能熱壓/熱流變磁體，減緩了磁體的開裂現(xiàn)象。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種永磁快淬帶的電磁凝固及熱壓納米晶磁體及其制備方法，得到可以直接使用的高性能永磁原料。本發(fā)明的永磁快淬帶的電磁凝固及熱壓納米晶磁體的合金化學方程式為(Nd，R輕，尺重)2び6，1')148，其中，1 輕為〇6、1^、？1'的組合，至少包括〇6 0-35%或La 0_10%、Pr 0-15% ；Rg的含量占總稀土含量的10%-40% ;重稀土 Ri為Dy、Tb的組合，至少包括Dy 0-9%或Tb0-6% ；Nd 13-27% ;Rg 10-40% ;R重 2-9% ；Fe 57-69% ；B 1-1. 2% ;另外還包括其他元素 T Co 3-10% ；Ga 0-1%; Cu O. 5-2%; Al O. 3-1. 5% ；Nb O. 1_0. 6% ;均為重量百分數(shù)。本發(fā)明的制備方法包括一下步驟(I)按合金的化學方程式(Nd，Re, Rm)2(Fe, T) 14B配制原料，將配制的原料裝進坩堝，抽真空至(1-5) X 10_4Pa，送中頻電流使其完全熔化，且合金液溫度上升至1350-1500°C時，待合金液成分混合均勻；化學方程式中，R輕為Ce、La、Pr的組合，至少包括Ce 0-35%或La 0-10%, Pr0-15% ;Rg的含量占總稀土含量的10%-40%(重量％，以下同)；重稀土 Ri為Dy、Tb的組合，至少包括Dy 0-9%或Tb 0-6% ；具體而言，Nd13-27% ；RK 10-40% ；Rm 2-9% ；Fe 57-69% ；B 1-1. 2% ;另外還包括其他元素 T:Co 3-10% ；Ga 0-1%; Cu O. 5-2%; Al O. 3-1. 5% ；Nb O. 1_0· 6% ;其余是由于原料
純度所帯來的微量雜質(zhì)。(2)開啟快淬輥表面上方的線圈磁場控制系統(tǒng)，產(chǎn)生磁場的線圈平面平行與快淬帶的運動方向平行，使磁場盡可能垂直于快淬帶的自由面。采用頻率范圍在200-1300ΗΖ之間的交變磁場，磁場強度可調(diào)范圍在O. 03-0. 6Τ之間。也可用耐高溫釤鈷磁體做成磁輥，以提供垂直于輥面的磁場。線圈與輥之間有耐火材料相隔，避免導線與速凝鱗片接觸或由于過熱導致導線熔化(見圖2、3)。(3)控制輥的表面初始溫度保持在100_500°C范圍恒定；控制輥速在15m-40m/s。(4)將合金液在壓カ差的作用下，噴射到輥面上，壓差范圍為O. 3-1. 2MPa，快淬過程是在磁場中進行，形成的納米晶或微晶Nd-Fe-B永磁快淬帶在強冷及電磁力的作用下在輥面上約束成型，輥旋轉(zhuǎn)拉伸快淬帶并將其送入的水冷儲料罐中，獲得厚度在O. 03-0. 45mm的快淬帶；
(5)將電磁凝固永磁快淬帶破碎成粉，稱取一定量，放入圓柱狀熱壓模具的腔體內(nèi)，通過上下壓頭將合金粉固定在模具內(nèi)；(6)利用感應加熱或電流加熱，將熱壓模具和磁粉加熱至600 800°C ;上壓頭啟動并對磁粉施加100 200MPa的壓強，制成各向同性壓坯樣品，并使壓坯樣品達到全密度，然后停止加熱和加壓，當壓坯樣品冷卻至室溫后將其從熱壓模具中取出；樣品在600 800°C階段的時間控制在6min以內(nèi)，升溫時間為3_5min，保溫時間為l_2min，；整個熱壓過程是在高真空之下完成的，真空度高于IXlO-2Pa ；(7)更換熱壓模具為熱流變模具，內(nèi)徑要大于熱壓模具20-60mm，利用感應線圈將熱流變模具和全密度壓坯樣品迅速加熱至600 950°C，上壓頭啟動并對樣品施加IOOMPa的壓強，將直徑為20-60mm的各向同性壓坯樣品熱變形至30mm-80mm，控制變形率為65-75%，最終獲得熱壓/熱流變納米晶磁體。本發(fā)明的優(yōu)點積極效果 采用本發(fā)明技術(shù)還可制備雙相納米復合永磁快淬帶和磁體。采用本發(fā)明技術(shù)還可用于制備非晶快淬帯。采用本發(fā)明技術(shù)與現(xiàn)有技術(shù)相比較，其產(chǎn)品抗氧化能力強、且制備エ藝簡單，用這種材料生產(chǎn)的磁粉可以制作各向異性和各向同性粘結(jié)永磁體；采用本發(fā)明技術(shù)永磁快淬帶制備熱壓/熱流變磁體，生產(chǎn)效率高，產(chǎn)品的均勻性、一致性明顯好于常規(guī)快淬帶制備的磁體，且熱壓/熱流變溫度低比常規(guī)エ藝低，生產(chǎn)能耗減少，制作成本降低約1/5-1/6。采用常規(guī)エ藝，納米晶或微晶Nd-Fe-B永磁快淬帶有明顯的三區(qū)分布，即貼輥面的非晶納米晶區(qū)、中心部位的細等軸晶區(qū)及自由面的柱狀晶區(qū)，不同區(qū)域呈層狀分布，自由面積不光滑(見圖4、5)。采用本發(fā)明永磁快淬帶的電磁凝固技術(shù)，在選定的頻率下，快淬帶的整個斷面都分布著均勻細等軸晶(見圖6)。


圖I為常規(guī)快淬エ藝原理示意圖。圖2為永磁快淬帶的電磁凝固技術(shù)原理示意3為永磁快淬帶的電磁凝固技術(shù)裝備正面結(jié)構(gòu)示意圖。圖4為常規(guī)エ藝制備的Nd-Fe-B永磁快淬帶有明顯的三區(qū)分布。圖5為常規(guī)エ藝制備的Nd-Fe-B永磁快淬帶，自由面積不光滑。圖6為本發(fā)明エ藝制備的快淬帶，整個斷面都分布著均勻細等軸晶。
具體實施例方式本發(fā)明實施例，選擇了 8種合金成分(見表1)、5種エ藝條件(見表2)，通過成分與エ藝條件的組合，制備出9種不同性能的熱壓/熱流變納米晶磁體樣品(見表3)，具體過程如下I)將按表I選定原料裝進坩禍，抽真空至3X 10_4Pa，送中頻電流使其完全熔化，且合金液溫度上升至1400°C時，待合金液成分混合均勻。2)開啟電磁場控制系統(tǒng)，控制交流磁場大小，磁場為O. 4T，頻率為600Hz。將合金液在壓カ差的作用下，噴射到輥面上，壓差范圍為IMPa，控制輥速見表2，由此可得到表面光滑、平整、成分和厚薄均勻的快淬帶。3)將獲得的電磁凝固永磁快淬帶破碎成粉，稱取一定量，放入圓柱狀熱壓模具的腔體內(nèi)，利用感應加熱方式，將熱壓模具和磁粉迅速加熱至表2對應的熱壓溫度。上壓頭啟動并對樣品施加200MPa的壓強，使樣品達到全密度(約7. 6g/cm3)，然后停止加熱和加壓，當樣品冷卻至室溫后將其從熱壓模具中取出。整個熱壓過程是在高真空之下完成的，真空度聞于 I X 10 2Pa ；4)換熱壓模具為熱流變模具，利用感應線圈將熱流變模具和全密度壓坯樣品迅速加熱至表2對應的熱變形溫度，上壓頭啟動并對樣品施加IOOMPa的壓強，控制相應變形率為表2給出值，最終獲得9種熱壓/熱流變納米晶磁體樣品(見表3)。表I為本發(fā)明的電磁凝固永磁快淬帶初始化學成分；表2為本發(fā)明電磁凝固永磁快淬帶制備熱壓納米晶磁體的エ藝；表3為利用BH儀測量的熱壓/熱流變各向異性磁體的 磁性能。表I :本發(fā)明實施例的磁凝固永磁快淬帶初始化學成分(wt%)
fdPr I LaCe DyFe CoGa Al Ib B
序號\^II—I
1「29· 5II68 3.5I ]
2Γ 26.5II 366 30.2 0.2I. I I
a I 25.2 Il 3.5 I 66 3 0,2 0,1 I I
T |" 26 2 I「I 65 4 0.3I. I |
8 I 27.5 2 ΓI" 65 4 0,40.1 I I表2 :本發(fā)明實施例的電磁凝固永磁快淬帶制備納米晶熱壓磁體的エ藝
-1-1-
快淳纏 fmim 戀纖率戀薄濕瘦
XCm/s)CC)(s")i'm
I28730 I 0.02 Γ 870232700 |" 0.01 1 850
332700 I 0.008 I 850
_____ニ__
433700 I 0.15 I 850
538b80 j 0.005 I 酶0表3 :本發(fā)明實施例熱壓/熱流變各向異性磁體的磁性能
權(quán)利要求
1.一種永磁快淬帶的電磁凝固及熱壓納米晶磁體，其特征在于，合金的化學方程式為(Nd，R輕，R^2(FeJ) 14B，其中，R輕為 Ce ,La, Pr 的組合，至少包括 Ce 0-35% 或 La 0-10%, Pr0-15% ;Rg的含量占總稀土含量的10%-40% ;重稀土 Ri為Dy、Tb的組合，至少包括Dy 0-9%或 Tb 0-6% ； Nd 13-27% ；RK 10-40% ;R重 2-9% ；Fe 57-69% ；B 1-1. 2% ;另外還包括其他元素 T Co3-10% ；Ga く 1%; Cu く 2%; Al く I. 5% ； Nb 彡 O. 6% ;均為重量百分數(shù)。
2.—種權(quán)利要求I所述永磁快淬帶的電磁凝固及熱壓納米晶磁體的制備方法，其特征在于，包括以下エ藝步驟 (1)按合金的化學方程式(Nd，Re,Rm)2(Fe,T) 14B配制原料，將配制的原料裝進坩堝，抽真空至(1-5) X 10_4Pa，送中頻電流使其完全熔化，且合金液溫度上升至1350-1500°C吋，待合金液成分混合均勻； 化學方程式中，Rg為Ce、La、Pr的組合，至少包括Ce 0-35%或La 0-10%, Pr 0-15% ；Rg的含量占總稀土含量的10%-40% ;重稀土 Ri為Dy、Tb的組合，至少包括Dy 0-9%或Tb0-6% ； Nd 13-27% ；RK 10-40% ;R重 2-9% ；Fe 57-69% ；B 1-1. 2% ;另外還包括其他元素 T Co3-10% ；Ga く 1%; Cu く 2%; Al く I. 5% ； Nb 彡 O. 6% ;均為重量百分數(shù)； (2)開啟快淬輥表面上方的線圈磁場控制系統(tǒng)，產(chǎn)生磁場的線圈平面平行與快淬帶的運動方向平行，使磁場垂直于快淬帶的自由面；采用頻率范圍在200-1300HZ之間的交變磁場，磁場強度范圍在O. 03-0. 6T之間； 或者用耐高溫釤鈷磁體做成磁輥，以提供垂直于輥面的磁場； 線圈與輥之間有耐火材料相隔，避免導線與速凝鱗片接觸或由于過熱導致導線熔化； (3)控制輥的表面初始溫度保持在100-500°C范圍；輥速在15m-40m/s； (4)將合金液在壓カ差的作用下，噴射到輥面上，壓差范圍為O.3-1. 2MPa，快淬過程是在磁場中進行，形成的納米晶或微晶Nd-Fe-B永磁快淬帶在強冷及電磁力的作用下在輥面上約束成型，輥旋轉(zhuǎn)拉伸快淬帶并將其送入的水冷儲料罐中，獲得厚度在O. 03-0. 45mm的快淬帶； (5)將電磁凝固永磁快淬帶破碎成粉，稱取一定量，放入圓柱狀熱壓模具的腔體內(nèi)，通過上下壓頭將合金粉固定在模具內(nèi)； (6)利用感應加熱或電流加熱，將熱壓模具和磁粉加熱至600 800°C;上壓頭啟動并對磁粉施加100 200MPa的壓強，制成各向同性壓坯樣品，并使壓坯樣品達到全密度，然后停止加熱和加壓，當壓坯樣品冷卻至室溫后將其從熱壓模具中取出；樣品在600 800°C階段的時間控制在6min以內(nèi)，升溫時間為3-5min，保溫時間為l_2min，；整個熱壓過程是在高真空之下完成的，真空度高于I X 10_2Pa ; (7)更換熱壓模具為熱流變模具，內(nèi)徑要大于熱壓模具20-60mm，利用感應線圈將熱流變模具和全密度壓坯樣品迅速加熱至600 950°C，上壓頭啟動并對樣品施加IOOMPa的壓強，將直徑為20-60mm的各向同性壓還樣品熱變形至30mm-80mm,控制變形率為65-75%,最終獲得熱壓/熱流變納米晶磁體。
全文摘要
一種永磁快淬帶的電磁凝固及熱壓納米晶磁體及其制備方法，涉及稀土永磁材料制造技術(shù)領(lǐng)域。永磁快淬帶的電磁凝固及熱壓納米晶磁體的合金化學方程式為 (Nd,R輕,R重)2(Fe,T)14B，其中，R輕為Ce、La、Pr的組合，至少包括Ce 0-35%或La 0-10%、Pr 0-15%；R輕的含量占總稀土含量的10%-40%；重稀土R重為Dy、Tb的組合，至少包括Dy 0-9% 或Tb 0-6%；Nd 13-27%；R輕10-40%；R重 2-9%；Fe 57-69%；B 1-1.2%；另外還包括其他元素TCo 3-10%；Ga≤1%; Cu≤2%; Al≤1.5%； Nb≤0.6%。優(yōu)點在于，快淬帶的整個斷面都分布著均勻細等軸晶。產(chǎn)品抗氧化能力強、性能高，且制備工藝簡單。
文檔編號H01F41/02GK102693799SQ20121019348
公開日2012年9月26日 申請日期2012年6月12日 優(yōu)先權(quán)日2012年6月12日
發(fā)明者孫威, 張珂, 朱明剛, 李衛(wèi), 汪旭超, 賴彬 申請人:鋼鐵研究總院