專利名稱：高能氣霧化法Fe的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及磁性材料領(lǐng)域，具體涉及一種高能氣霧化法Fe3B/R2Fe14B納米復(fù)合永磁粉末及制備方法。用該方法制備的永磁粉末具有表面光滑，呈球狀，流動性好的優(yōu)點，尤其適合注射成型粘結(jié)磁體。
背景技術(shù)：
NdFeB稀土永磁材料作為第三代永磁材料，由于具有體積小、重量輕、磁性強、性能價格比高等特點，已廣泛應(yīng)用于計算機、移動電話、音響設(shè)備、電動機等高技術(shù)產(chǎn)品。釹鐵硼永磁材料可分為燒結(jié)NdFeB和粘結(jié)NdFeB，兩者各有優(yōu)缺點。燒結(jié)NdFeB的磁性能較好，但生產(chǎn)工藝較為復(fù)雜，成本也相應(yīng)較高。粘結(jié)NdFeB磁體，雖然因粘結(jié)劑的加入使得磁性能降低了，但其具有批量生產(chǎn)容易，制造尺寸精確，易成形復(fù)雜形狀，比重輕，磁性能穩(wěn)定等諸多優(yōu)點，并且可以輻向多極化充磁，因此廣泛應(yīng)用于電子和醫(yī)療領(lǐng)域，近些年來其產(chǎn)量一直在高速增長。
粘結(jié)NdFeB磁體是將NdFeB磁粉和粘結(jié)劑按一定比例和工藝混合而制成的復(fù)合材料，制備方法主要有四種，即模壓成型、注射成型、擠壓成型和壓延成型，目前以模壓粘結(jié)磁體產(chǎn)量最大。近年來，隨著電子信息技術(shù)的飛速發(fā)展，市場對磁性材料及磁性元件在形狀復(fù)雜度、尺寸精度、薄型化、輕型化、智能化、整體成型化等方面提出了更高的要求。與模壓成型相比，注射成型工藝具有成本低，易批量生產(chǎn)形狀復(fù)雜、壁薄的產(chǎn)品，且可與單元嵌件一起整體成形的優(yōu)點，成為今后粘結(jié)磁體成型的重要發(fā)展方向。
注射成型工藝是將適當(dāng)粒度的NdFeB粉末與粘結(jié)劑混合、造粒后，進行注射成型，獲得粘結(jié)磁體。在注射機中，經(jīng)造粒的磁粉被加熱至一定溫度，再用螺桿將粉注射至模腔中，擠壓成所需形狀，并在模腔中冷卻和固化。日本是世界上最早研制開發(fā)注射成型NdFeB永磁材料的國家，產(chǎn)品已形成系列，占粘結(jié)磁體的比例正不斷提高。在國內(nèi)，注射成型NdFeB永磁材料尚處于研制開發(fā)階段，基本上還沒有注射成型NdFeB粘結(jié)磁體的產(chǎn)品。
注射成型工藝本身并不復(fù)雜，其應(yīng)用和發(fā)展的前景主要取決于適合注射成型工藝磁粉的供給。目前，粘結(jié)磁體的磁粉材料有鐵氧體、NdFeB、SmCo、AlNiCo及上述幾種粉的混合粉等。其中，NdFeB粘結(jié)磁體的磁性能最高，發(fā)展和應(yīng)用前景最廣闊。NdFeB粘結(jié)磁體的磁粉，生產(chǎn)方法可以有快淬法、氫爆法(HDDR法)、霧化法、機械合金化法及還原-擴散法等幾種，但形成規(guī)模生產(chǎn)的則主要是前三種?？齑惴ㄊ悄壳吧a(chǎn)NdFeB粘結(jié)磁粉的主要方法，特點是磁能積高，但粉末為層片狀，流動性差，不適宜進行注射成型。HDDR法制備的各向異性NdFeB磁粉，成型過程中需要較高的磁化場(2400kA/m)，其不可逆磁通損失較高，工作溫度也不能超過100℃，生產(chǎn)和應(yīng)用也因此受到限制。高能氣霧化法是用數(shù)馬赫的超音速高壓氣流，將液態(tài)金屬直接霧化成粉末的快速凝固技術(shù)，其冷卻速度能達(dá)到105K/s，具有工藝簡單、成本低、可連續(xù)大規(guī)模生產(chǎn)的特點，而且制得的粉末表面光滑，呈球狀，流動性較好，粉末的粒徑也易于控制，因而在生產(chǎn)粘結(jié)磁體時可以獲得較高的裝載量，尤其適宜于注射成型技術(shù)使用。目前，只有Magnequench公司能供應(yīng)這類各向同性的NdFeB磁粉，牌號為MQP-S-9-8。但這種粉末最大磁能積(BH)max只有9MGOe，商品化各向同性注射成型NdFeB磁體的磁性能僅5.0～5.2MGOe，磁性能較低。而且，其成本明顯高于注射鐵氧體磁體。因此，開發(fā)成本低、流動性好、磁性能高的注射成型用粘結(jié)磁粉，是注射NdFeB磁體應(yīng)用亟待解決的問題。
納米復(fù)相Nd2Fe14B/Fe3B磁性材料的出現(xiàn)，使得開發(fā)低成本、高磁能積、表面光滑的球形磁粉成為了可能。這種永磁材由于晶粒磁交換耦合的納米效應(yīng)，兼具軟磁相(Fe3B)高飽和磁感應(yīng)強度和硬磁相(Nd2Fe14B)相高矯頑力的優(yōu)點，因而具有較高的磁能積；同時其稀土含量低(3.5～6at％)，成本便宜，性價比遠(yuǎn)高于鐵氧體。另一方面，其B含量高(18at％)，非晶形成能力強，使得高能氣霧化制備表面光滑的球形納米復(fù)相Nd2Fe14B/Fe3B永磁粉成為可能。
高能氣霧化法技術(shù)是用數(shù)馬赫的超音速高壓氣流，將液態(tài)金屬直接霧化成粉末的快速凝固技術(shù)，其冷卻速度能達(dá)到105K/s。它不僅具有工藝簡單、成本低、可連續(xù)大規(guī)模生產(chǎn)的特點，而且制得的粉末表面光滑，呈球狀，流動性較好，粉末的粒徑也易于控制，因而在生產(chǎn)粘結(jié)磁體時可以獲得較高的裝載量，尤其適宜于注射成型技術(shù)使用。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種高能氣霧化法Fe3B/R2Fe14B納米復(fù)合永磁粉末及制備方法。
高能氣霧化法Fe3B/R2Fe14B納米復(fù)合永磁粉末原子組成式為Rx(Fe1-wCow)100-x-y-zByTz，其中R是至少一種選自Nd、Pr、Dy和Tb的元素，T是至少一種選自Zr、Nb、Cr、Ga、Ti、V和Si的元素，其組成比分別滿足3.0≤x≤6.0，8≤y≤22， 0≤z≤5，0≤w≤0.5。
高能氣霧化法Fe3B/R2Fe14B納米復(fù)合永磁粉末制備方法根據(jù)上述的原子組成，以金屬釹，純鐵，硼鐵，海綿鋯，電解Co為原材料，采用高能氣霧化設(shè)備，以數(shù)馬赫的超音速氬氣流將液態(tài)金屬直接霧化成非晶態(tài)球形粉末，非晶態(tài)球形粉末再經(jīng)過600℃～850℃的晶化熱處理，獲得以Fe3B為基的Fe3B/R2Fe14B納米復(fù)合永磁粉末。
與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下優(yōu)點1)首次采用高能氣霧化技術(shù)制備出以Fe3B為基的納米復(fù)相Fe3B/R2Fe14B磁粉。高能氣霧化技術(shù)制備的粉末為球形、表面光滑、流動性好，可以滿足注射成型工藝對磁粉的要求。納米復(fù)相Fe3B/R2Fe14B磁粉含B量高，非晶形成能力強，十分有利于在制粉時磁粉完全非晶化。
2)冷卻速度均勻，有利于獲得接近理想顯微組織的磁粉。高能氣霧化技術(shù)制備納米復(fù)相Fe3B/R2Fe14B磁粉，由于顆粒呈球狀，因此具有均勻的冷卻速度，有助于克服快淬法中快淬條帶在貼輥面和自由面冷卻速度不均勻的問題，從而獲得更接近理想顯微組織的磁粉，充分發(fā)揮軟磁相和硬磁相交換耦合的納米效應(yīng)，提高磁性能。
3)所制備的磁粉具有低成本高性能的特點。Fe3B/R2Fe14B磁粉稀土含量低(3.5～6at％)，低成本，性價比大大高于注射成型鐵氧體磁體，市場競爭力大。
具體實施例方式
本發(fā)明的高能氣霧化Fe3B/R2Fe14B納米復(fù)合永磁粉末原子組成式為Rx(Fe1-wCow)100-x-y-zByTz(R是至少一種選自Nd、Pr、Dy和Tb的元素，T是至少一種選自Zr、Nb、Cr、Ga、Ti、V和Sil的元素)，組成比分別滿足3.0≤x≤6.0，8≤y≤22，0≤z≤5，0≤w≤0.5。其中軟磁相Fe3B的平均晶粒尺寸在3nm以上100nm以下，硬磁相R2Fe14B的平均晶粒尺寸在10nm以上150nm以下，兩相均勻混合在同一金屬組織中，且Fe3B的體積百分?jǐn)?shù)大于50％。
由于高能氣霧化法的冷卻速度只有105K/s，比熔體快淬的冷卻速度低一個數(shù)量級，為了保證熔體具有較大的非晶形成能力，通過高能氣霧化獲得非晶，B含量必須高于8at％以上，但過高得B含量會導(dǎo)致R2Fe14B硬磁相數(shù)量低減少，降低粉末的磁性能，因此B含量應(yīng)低于22at％，在優(yōu)選的實施方式中，16≤y≤20之間。
R是R2Fe14B硬磁相形成必須的元素，在優(yōu)選的實施方式中，優(yōu)選Nd和Pr為主要元素，為了進一步提高磁粉的矯頑力，可用Dy或Tb部分取代。為了保證熔體具有較大的非晶形成能力和較高的磁性能，在優(yōu)選的實施方式中，3.5≤x≤5.5。
T是本發(fā)明不可缺少的元素，其作用主要是抑制高能氣霧化粉末晶化時晶粒的長大，減弱霧化粉末對晶化工藝的敏感程度，細(xì)化晶粒，提高磁性能。在優(yōu)選的實施方式中，優(yōu)選Zr、Ti、Nb和Cr。由于都是非磁性元素，加入量不能過高，否則磁性能會顯著降低，在優(yōu)選的實施方式中，0.5≤z≤3，且優(yōu)選復(fù)合添加。
用Co取代部分Fe能提高粉末的居里溫度，提高磁粉的工作溫度。但Co的取代將導(dǎo)致磁性能的降低，在優(yōu)選的實施方式中，w≤0.3。
在優(yōu)選的實施方式中，軟磁相Fe3B的平均晶粒尺寸在10nm～50nm之間，硬磁相R2Fe14B的平均晶粒尺寸在15nm～80nm。
在優(yōu)選的實施方式中，粉末的平均粒徑在5μm～25μm之間。
本發(fā)明高能氣霧化法Fe3B/R2Fe14B納米復(fù)合永磁粉末的制備步驟為根據(jù)設(shè)計的成分配方，采用金屬釹，純鐵，硼鐵，海綿鋯，電解Co為原材料，采用高能氣霧化設(shè)備，以數(shù)馬赫的超音速氬氣流將液態(tài)金屬直接霧化成非晶態(tài)球形粉末。非晶態(tài)球形粉末再經(jīng)過600℃～850℃的晶化熱處理，獲得以Fe3B為基的Fe3B/R2Fe14B納米復(fù)合永磁粉末。并且Fe3B的平均晶粒尺寸在3nm以上100nm以下，R2Fe14B相的平均晶粒尺寸在10nm以上150nm以下。
實施例1根據(jù)設(shè)計的成分配方Nd4(Fe0.8Co0.2)75B18.5Zr2.5(at％)，采用金屬釹，純鐵，硼鐵，海綿鋯，電解Co為原材料，采用高能氣霧化設(shè)備，以噴射壓力為4MPa，速度達(dá)到數(shù)馬赫的超音速的氬氣流將1400℃的液態(tài)金屬直接霧化成非晶態(tài)球形粉末。經(jīng)檢測，霧化粉末的平均粒徑為28μm。然后再將霧化粉末于+0.01MPa的氬氣氛下，于650℃保溫20min晶化。磁性能的檢測結(jié)果為剩磁Br為1.14T(11KGs)；內(nèi)稟矯頑力Hcj為462KA/m(5.78KOe)；最大磁能積(BH)max97KJ/m3(12.1MGOe)。
實施例2根據(jù)設(shè)計的成分配方Nd4.5Fe74B18.5Zr1.5Cr1.5(at％)，采用金屬釹，純鐵，硼鐵，海綿鋯，金屬鉻為原材料，采用高能氣霧化設(shè)備，以噴射壓力為4.3MPa，速度達(dá)到數(shù)馬赫的超音速的氬氣流將1400℃的液態(tài)金屬直接霧化成非晶態(tài)球形粉末。經(jīng)檢測，霧化粉末的平均粒徑為18μm。將霧化粉末于+0.01MPa的氬氣氛下，于650℃保溫20min晶化。磁性能的檢測結(jié)果為剩磁Br為1.08T(10.8KGs)；
內(nèi)稟矯頑力Hcj為523KA/m(6.54KOe)；最大磁能積(BH)max89KJ/m3(11.1MGOe)。
實施例3根據(jù)設(shè)計的成分配方Nd5Fe74B18Ti1.5Cr1.5(at％)，采用金屬釹，純鐵，硼鐵，海綿Ti，金屬鉻為原材料，采用高能氣霧化設(shè)備，以噴射壓力為3.8MPa，速度達(dá)到數(shù)馬赫的超音速的氬氣流將1400℃的液態(tài)金屬直接霧化成非晶態(tài)球形粉末。經(jīng)檢測，霧化粉末的平均粒徑為27μm。將霧化粉末于+0.01MPa的氬氣氛下，于600℃保溫20min晶化。磁性能的檢測結(jié)果為剩磁Br為0.98T(9.8KGs)；內(nèi)稟矯頑力Hcj為486KA/m(6.07KOe)；最大磁能積(BH)max86KJ/m3(10.8MGOe)。
實施例4根據(jù)設(shè)計的成分配方(Nd0.75Dy0.25)5Fe77B16Ga1V1(at％)，采用金屬釹，金屬鏑，純鐵，硼鐵，金屬鎵，金屬釩為原材料，采用高能氣霧化設(shè)備，以噴射壓力為4.2MPa，速度達(dá)到數(shù)馬赫的超音速的氬氣流將1400℃的液態(tài)金屬直接霧化成非晶態(tài)球形粉末。經(jīng)檢測，霧化粉末的平均粒徑為18μm。將霧化粉末于+0.01MPa的氬氣氛下，于600℃保溫20min晶化。磁性能的檢測結(jié)果為剩磁Br為0.95T(9.5KGs)；內(nèi)稟矯頑力Hcj為543KA/m(6.78KOe)；最大磁能積(BH)max91KJ/m3(11.4MGOe)。
實施例5根據(jù)設(shè)計的成分配方(Nd0.75Tb0.25)5Fe77B16Zr1Ga1(at％)，采用金屬釹，金屬鋱，純鐵，硼鐵，金屬鎵，金屬鋯為原材料，采用高能氣霧化設(shè)備，以噴射壓力為4.2MPa，速度達(dá)到數(shù)馬赫的超音速的氬氣流將1400℃的液態(tài)金屬直接霧化成非晶態(tài)球形粉末。經(jīng)檢測，霧化粉末的平均粒徑為18μm。將霧化粉末于+0.01MPa的氬氣氛下，于700℃保溫20min晶化。磁性能的檢測結(jié)果為剩磁Br為0.90T(9.0KGs)；內(nèi)稟矯頑力Hcj為571KA/m(7.14KOe)；最大磁能積(BH)max86KJ/m3(10.75MGOe)。
實施例6
根據(jù)設(shè)計的成分配方Pr5Fe72B20Zr2Si1(at％)，采用金屬鐠，純鐵，硼鐵，金屬鋯，金屬硅為原材料，采用高能氣霧化設(shè)備，以噴射壓力為3.8MPa，速度達(dá)到數(shù)馬赫的超音速的氬氣流將1400℃的液態(tài)金屬直接霧化成非晶態(tài)球形粉末。經(jīng)檢測，霧化粉末的平均粒徑為28μm。將霧化粉末于+0.01MPa的氬氣氛下，于600℃保溫20min晶化。磁性能的檢測結(jié)果為剩磁Br為1.02T(10.2KGs)；內(nèi)稟矯頑力Hcj為468KA/m(5.85KOe)；最大磁能積(BH)max89KJ/m3(11.1MGOe)。
實施例7根據(jù)設(shè)計的成分配方(Nd0.7Pr0.2Dy0.1)4Fe76B18Zr1Nb1(at％)，采用金屬釹，金屬鏑，金屬鐠，純鐵，硼鐵，金屬鋯和金屬鈮為原材料，采用高能氣霧化設(shè)備，以噴射壓力為4.2MPa，速度達(dá)到數(shù)馬赫的超音速的氬氣流將1400℃的液態(tài)金屬直接霧化成非晶態(tài)球形粉末。經(jīng)檢測，霧化粉末的平均粒徑為18μm。將霧化粉末于+0.01MPa的氬氣氛下，于600℃保溫20min晶化。磁性能的檢測結(jié)果為剩磁Br為1.05T(10.5KGs)；內(nèi)稟矯頑力Hcj為483KA/m(6.04KOe)；最大磁能積(BH)max93KJ/m3(11.6MGOe)。
實施例8根據(jù)設(shè)計的成分配方(Nd0.9Tb0.1)3.5Fe78.5B16Zr1V1(at％)，采用金屬釹，金屬鋱，純鐵，硼鐵，金屬鋯和金屬釩為原材料，采用高能氣霧化設(shè)備，以噴射壓力為4.2MPa，速度達(dá)到數(shù)馬赫的超音速的氬氣流將1400℃的液態(tài)金屬直接霧化成非晶態(tài)球形粉末。經(jīng)檢測，霧化粉末的平均粒徑為18μm。將霧化粉末于+0.01MPa的氬氣氛下，于600℃保溫20min晶化。磁性能的檢測結(jié)果為剩磁Br為1.25T(12.5KGs)；內(nèi)稟矯頑力Hcj為422KA/m(5.28KOe)；最大磁能積(BH)max86KJ/m3(10.3MGOe)。
實施例9根據(jù)設(shè)計的成分配方Nd3.5Fe75.5B18Zr2Ti1(at％)，采用金屬釹，金屬鋱，純鐵，硼鐵，金屬鋯和金屬釩為原材料，采用高能氣霧化設(shè)備，以噴射壓力為4.2MPa，速度達(dá)到數(shù)馬赫的超音速的氬氣流將1400℃的液態(tài)金屬直接霧化成非晶態(tài)球形粉末。經(jīng)檢測，霧化粉末的平均粒徑為18μm。將霧化粉末于+0.01Mpa的氬氣氛下，于600℃保溫20min晶化。磁性能的檢測結(jié)果為剩磁Br為1.35T(13.5KGs)；內(nèi)稟矯頑力Hcj為358KA/m(4.48KOe)；最大磁能積(BH)max78KJ/m3(9.75MGOe)。
實施例10根據(jù)設(shè)計的成分配方(Nd0.8Dy0.2)4(Fe0.9Co0.1)76B18Zr2(at％)，采用金屬釹，金屬鋱，純鐵，硼鐵，金屬鋯和金屬釩為原材料，采用高能氣霧化設(shè)備，以噴射壓力為4.2MPa，速度達(dá)到數(shù)馬赫的超音速的氬氣流將1400℃的液態(tài)金屬直接霧化成非晶態(tài)球形粉末。經(jīng)檢測，霧化粉末的平均粒徑為18μm。將霧化粉末于+0.01MPa的氬氣氛下，于600℃保溫20min晶化。磁性能的檢測結(jié)果為剩磁Br為1.10T(11KGs)；內(nèi)稟矯頑力Hcj為478KA/m(5.98KOe)；最大磁能積(BH)max102KJ/m3(12.75MGOe)。
權(quán)利要求
1.一種高能氣霧化法Fe3B/R2Fe14B納米復(fù)合永磁粉末，其特征在于以Fe3B為基的Fe3B/R2Fe14B納米復(fù)合球形永磁粉末，原子組成式為Rx(Fe1-wCow)100-x-y-zByTz，其中R是至少一種選自Nd、Pr、Dy和Tb的元素，T是至少一種選自Zr、Nb、Cr、Ga、Ti、V和Si的元素，其組成比分別滿足3.0≤x≤6，8≤y≤22，0≤z≤5，0≤w≤0.5。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種高能氣霧化法Fe3B/R2Fe14B納米復(fù)合永磁粉末，其特征在于所說Fe3B和R2Fe14B兩相均勻混合在同一金屬組織中，且Fe3B的體積百分?jǐn)?shù)大于50％。
3.一種高能氣霧化法Fe3B/R2Fe14B納米復(fù)合永磁粉末的制備方法，其特征在于根據(jù)權(quán)利要求1的原子組成，以金屬釹，純鐵，硼鐵，海綿鋯，電解Co為原材料，采用高能氣霧化設(shè)備，以數(shù)馬赫的超音速氬氣流將液態(tài)金屬直接霧化成非晶態(tài)球形粉末，非晶態(tài)球形粉末再經(jīng)過600℃～850℃的晶化熱處理，獲得以Fe3B為基的Fe3B/R2Fe14B納米復(fù)合永磁粉末。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種高能氣霧化法Fe3B/R2Fe14B納米復(fù)合永磁粉末的制備方法，其特征在于所說Fe3B和R2Fe14B兩相均勻混合在同一金屬組織中，且Fe3B的體積百分?jǐn)?shù)大于50％。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種高能氣霧化法Fe3B/R2Fe14B納米復(fù)合永磁粉末的制備方法，其特征在于所說Fe3B相的平均晶粒尺寸為3nm～100nm；R2Fe14B相的平均晶粒尺寸在10nm～150nm。
6.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種高能氣霧化法Fe3B/R2Fe14B納米復(fù)合永磁粉末的制備方法，其特征在于所說納米復(fù)永磁粉末平均粒徑在5μm～50μm。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種高能氣霧化法Fe
文檔編號B22F9/08GK1593820SQ20041002564
公開日2005年3月16日 申請日期2004年6月22日 優(yōu)先權(quán)日2004年6月22日
發(fā)明者文玉華, 嚴(yán)密, 羅偉, 王晨 申請人:浙江大學(xué)