一種微細球形Sm-Fe-N系永磁粉的製備方法

2023-10-04 09:47:19 4

一種微細球形Sm-Fe-N系永磁粉的製備方法
【專利摘要】本發明提供了一種微細球形Sm-Fe-N系永磁粉的製備方法，屬於粉末製備【技術領域】。其特徵在於，經過精煉的Sm-Fe系合金液經過導流管噴嘴被高壓氬氣霧化破碎成許多細小的液滴，在液滴急速冷凝過程中迅速施加高壓氮氣，使其發生氮化，生成Sm-Fe-N微細球形粉末。用該法製備的磁性粉末的平均粒徑10－80μm，具有表面光滑、球形度高、流動性好、氧含量低及冷卻速度大等優點，適於注射成型粘結磁體用。在制粉過程同時實現了氮化，縮短了Sm-Fe-N磁粉的製備工藝流程。本發明設備相對簡單、易於操作。
【專利說明】—種微細球形Sm-Fe-N系永磁粉的製備方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種微細球形Sm-Fe-N系永磁粉的製備方法,屬於粉末製備【技術領域】。
【背景技術】
[0002]釤鐵氮稀土永磁材料是當今永磁材料領域的研究熱點之一。其中的Sm2Fel7Nx稀土永磁材料具有優異的內稟磁性能，它的飽和磁化強度達1.54T,可與Nd-Fe-B的1.6T相媲美；它的各向異性場比Nd-Fe-B的各向異性場大I倍；它的居裡溫度達476°C，t匕Nd-Fe-B的高160°C ;並且其耐腐蝕性、熱穩定性、抗氧化性也更優於Nd-Fe-B永磁材料。
[0003]但是二元Sm2Fel7化合物是易基面，各向異性場低，不能製作成為有實用意義的永磁體。1990年，Coey等利用氣固相反應法研製出系列R2Fel7Nx化合物，其中Sm2Fel7Nx化合物顯示出室溫單軸各向異性，為釤鐵氮稀土永磁材料的發展奠定了良好的基礎(CoeyJDM, Sun Hong.J.Magn.Magn.Mater.,1990,87:251 — 254.)? 在合金的氮化研究方面，國外的學者採取了多種先進方法進行了積極探索。韓國學者用Sm2Fel7合金作為靶，採用從陰極真空濺射法，研究了氮氣壓力、流速、熱處理溫度等對氮化後合金顯微結構和磁性能影響，發現熱處理溫度在530°C，氮氣速率為20%時Sm2Fel7Nx的飽和磁化強度達6500G，矯頑力達1000Oe ;日本和巴西科學家則在流動的N2/H2複合氣體氣氛中等離子體滲氮,(Ken-1chi Machida, Akira Nakamoto, Yoshitaka Nakatani, et al.Newprocessing routes for the preparation of Sm2Fel7Mx (M=C and/or N) materials.J.Alloys Compd., 1995.222.(1~2): 18—22)。
[0004]國內，北京科技大學周壽增教授等和河北工業大學孫繼兵等均採用HDDR法加常規氮化方法獲得了高矯頑力的各向同性Sm2Fel7Nx永磁粉(周壽增，楊俊，張茂才，等。Sm2(Fel-xCrx)17N2.7永磁材料的結構與磁性能。金屬學報，1994，30⑵:B72-76)(孫繼兵，崔春翔，崔靜，等。HDDR處理的Sm2Fel6TilNx化合物高能球磨的研究。功能材料，2004，35:740-743)。中科院瀋陽金屬研究所也採用HDDR方法加常規氮化方法製備出了磁性能可達 Br=0.81T, HcJ =1670kA/m, (BH) max =103.5kJ/m3 的 Sm2Fel7Nx 稀土永磁粉末。另外，北京科技大學胡國輝等採用Sm203和CaFe作為原料，1100°C氧化還原4~7h，然後水洗得到了單相的Sm2Fel7化合物，並採用NH3+H2複合氣體進行滲氮處理製備Sm-Fe-N合金粉末(胡國輝，孫光飛，陳菊芳，等.還原擴散法製備稀土永磁Sm2Fel7Nx的研究[J].功能材料，2004，35:728-730)。總的來說，我國在Sm2Fel7Nx磁粉的研究方面，主要是先採用氫化歧化(HDDR)法、熔體快淬法、機械合金化法、還原擴散法等製備Sm2Fel7合金粉，隨後對粉末氮化處理製得Sm2Fel7Nx磁粉。其中，機械合金化法不需要大型的設備，是一種簡單的磁粉製造方法，但由於長時間的球磨，機械合金化法極易造成粉末氧化，再加上周期長等缺點，限 制其在生產中的推廣應用。熔體快淬法製備的Sm2Fel7化合物組織和成分均勻，晶粒細小，但粉末為層片狀，流動性差。還原擴散法利用還原劑還原稀土氧化物，使之成為稀土金屬，再通過稀土金屬與過渡族金屬的互擴散直接得到稀土永磁粉末，此法製備Sm2Fel7Nx化合物粉末的優點是原料成本低，缺點是實施起來比較困難。HDDR工藝具有設備簡單，均勻性好，含氧量低，收得率高，不僅能製備各向同性而且能製備各向異性磁體等特點，但是該過程涉及的反應眾多，過程和機理複雜。
[0005]Sm2Fel7Nx磁體一般採用先製備出Sm2Fel7Nx粉末然後製作成粘結磁體。粘結磁體是將磁粉與粘結劑和其它添加劑按一定比例均勻複合，然後用壓制、注射、擠出和壓延成型等方法製作而成。氣霧化制粉技術是利用高速氣流作用於熔融液流，使氣體動能轉化為熔體表面能，進而形成細小的液滴並凝固成粉末顆粒，粉末呈表面光滑的球形狀，流動性好，適於注射成形用。Magnequench公司用氣霧化法生產了牌號為MQP-S-9-8的納米複合釹鐵硼粉，即熔融母合金被高壓Ar氣由噴嘴噴出，並霧化成細小的金屬液滴，射向旋轉粉碎盤，落在霧化器底部，迅速凝固成球形合金顆粒，可使磁粉的裝載量從62 %提高到69%。(C.H.Sellers, D.J.Branagan, T.A.Hyde, et al.Proceedings of the 14thInternational Workshop on Rare-Earth Magnets and Their Applications, World Scientific, Singapore, 1996, p.28.)。

【發明內容】

[0006]本發明的目的是為了製備微細高球形度的Sm-Fe-N系永磁粉以提高磁粉的裝載量，同時縮短Sm-Fe-N磁粉的製備工藝流程，在制粉過程中同時實現氮化。
[0007]本發明的具體實施步驟為:
1)根據成分設計並考慮釤元素10-30wt%損耗配料，放入熔煉坩堝內，抽真空後在高純氬氣保護下，升溫至1400 - 1600°C，感應熔煉釤鐵合金；
2)經過精煉的釤鐵合金液倒入保溫坩堝中，並進入導流管和噴嘴；
3)從導流管噴嘴出來的合金液被3— 8MPa的氬氣霧化破碎成大量細小的液滴，在液滴快速凝固成球形或亞球形顆粒過程中迅速施加0.3 — 0.SMPa的氮氣，使其發生氮化，從而得到Sm2Fel7NX微細球形粉末；微細球形粉末尺寸為10 — 80 μ m ;
4)粉末篩分；
5)廣品檢驗及真空包裝。
[0008]本發明的原理是:經過精煉的合金液通過導流管噴嘴由高壓氣流將金屬液體霧化破碎成大量細小的液滴，細細的液滴在飛行中急速凝固成粉末。由於高速氣流的動能最大限度的轉化成新生粉末的表面能，粉體表面光滑，球形度高，流動性好，適於注射成型用。二元Sm2Fel7化合物是易基面，各向異性場低，不能製作成為有實用意義的永磁體。只有對Sm2Fel7進行氮化得到Sm2Fel7Nx化合物才能顯示出室溫單軸各向異性，從而製成真正的永磁體。因此Sm-Fe合金的氮化是製作Sm-Fe-N永磁體的關鍵步驟。不同於普通的鋼鐵氮化，Sm2Fel7氮化要求所有的Sm2Fel7晶粒必須充分氮化，否則未氮化的Sm2Fel7會作為軟磁相而嚴重影響Sm2Fel7NX的永磁性能。經過精煉的Sm-Fe合金液通過導流管噴嘴由高壓氣流霧化破碎成大量細小的液滴，細細的液滴在飛行中經過高壓氬氣+氮氣的複合氣流，既可以保證高的冷卻速度實現快速凝固，又在合金凝固過程中提供合適的氮源供Sm2Fe 17化合物全部氮化成Sm2Fe 17N3化合物。由此，氬氣+氮氣的複合氣霧化方法可以實現製備釤鐵合金粉的同時進行氮化，可以縮短Sm-Fe-N磁粉的製備工藝流程。
[0009]本發明提出的一種微細球形Sm-Fe-N系永磁粉的製備方法,其優點在於: 1)製備釤鐵合金粉的同時實現了氮化，縮短了Sm-Fe-N磁粉的製備工藝流程；
2)高速氣流的動能最大限度的轉化成新生粉末的表面能，粉體表面光滑，球形度高，流動性好,適於注射成型粘結磁體用；
3)高壓氣流的作用，使合金液滴快速的在噴嘴附近經過多次破碎，並快速冷凝成粉體，因此粉體非常細小，10 — 80 μ m ;
4)氮含量可控，氧含量低。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0010]圖1平均粒徑為20 μ m的氣霧化Sm2Fel7N3粉SEM照片；
圖2平均粒徑為10 μ m的氣霧化SmlFe9N2.8粉SEM照片。
【具體實施方式】
[0011]實施例1:Sm2Fel7N3粉體的製備(製備出的Sm2Fel7N3粉SEM照片如圖1所示): 設計Sml0.6Fe89.4 (wt% )合金成分,考慮衫兀素15wt%損耗配料,將配好的Sm、Fe原
料放入熔煉坩堝內，抽真空後，在高純氬氣保護下，升溫至1400 - 1600°C，感應熔煉釤鐵合金；將經過精煉的釤鐵合金液倒入保溫坩堝中，並進入導流管和噴嘴，從導流管噴嘴出來的釤鐵合金液被5MPa氬氣霧化破碎成大量細小的液滴，在液滴快速凝固成球形或亞球形顆粒的過程中迅速施加0.4MPa的氮氣，使其發生氮化，從而得到Sm-Fe-N微細球形粉末，在霧化塔中進行沉降，落入收粉罐中，粉體粒度主要在15 - 30 μ m之間；對粉末進行篩分；最後對產品進行檢驗及真空包裝。
[0012]實施例2: SmlFe9N2.8粉體的製備(製備出的SmlFe9N2.8粉SEM照片如圖2所示):
設計Sml0.lFe89.9 (wt% )合金成分,考慮衫兀素15wt%損耗配料,將配好的Sm、Fe原料放入熔煉坩堝內，抽真空後，在真空環境下，升溫至1400 - 160(TC，感應熔煉釤鐵合金；將經過精煉的釤鐵合金液倒入保溫坩堝中，並進入導流管和噴嘴，從導流管噴嘴出來的釤鐵合金液被8MPa氬氣霧化破碎成大量細小的液滴，在液滴快速凝固成球形或亞球形顆粒的過程中迅速施加0.4MPa的氮氣，使其發生氮化，從而得到Sm-Fe-N微細球形粉末，在霧化塔中進行沉降，落入收粉罐中，粉體粒度主要在10 - 15 μ m之間；對粉末進行篩分；最後對產品進行檢驗及真空包裝。
【權利要求】
1.一種微細球形Sm-Fe-N系永磁粉的製備方法,其特徵在於，經過精煉的Sm-Fe系合金液經過導流管噴嘴被高壓氬氣霧化破碎成許多細小的液滴，在液滴急速冷凝過程中迅速施加高壓氮氣，使其發生氮化，生成Sm-Fe-N微細球形粉末； 工藝步驟為: 1)根據成分設計並考慮Sm元素10-3(^〖％損耗配料，放入熔煉坩堝內，抽真空後在高純氬氣保護下，升溫至1400 - 1600°C，感應熔煉合金； 2)經過精煉的合金液倒入保溫坩堝中，並進入導流管和噴嘴； 3)從導流管噴嘴出來的合金液被高壓氬氣霧化破碎成大量細小的液滴，在液滴快速凝固成球形或亞球形顆粒的過程中迅速施加高壓氮氣，使其發生氮化，從而得到Sm-Fe-N微細球形粉末；微細球形粉末尺寸為10 — 80 μ m ; 4)粉末篩分； 5)廣品檢驗及真空包裝。
2.根據權利要求1所述的一種微細球形Sm-Fe-N系永磁粉的製備方法,其特徵在於:氬氣的壓力範圍3-8 MPa，氮氣的壓力範圍0.3 — 0.8 MPa。
3.根據權利要求1所述的一種微細球形Sm-Fe-N系永磁粉的製備方法,其特徵在於:通過調節導流嘴的流率和氣體壓力調控Sm-Fe-N粉末顆粒尺寸和晶粒尺寸。
4.根據權利要求1所述的一種微細球形Sm-Fe-N系永磁粉的製備方法,其特徵在於:通過調節導流嘴的流率和氮氣的壓力調控氮含量。
5.根據權利要求1所述的一種微細球形Sm-Fe-N系永磁粉的製備方法,其特徵在於:Sm-Fe 基的化合物是:2:17，3:29, 1:12, 1:11, 1:9, 1:7 和 1:5 型，或者在 Sm-Fe 合金的基礎上根據需要添加適當的合金元素。
6.根據權利要求1所述的一種微細球形Sm-Fe-N系永磁粉的製備方法,其特徵在於:制粉過程同步氮化，縮短Sm-Fe-N磁粉的製備工藝流程，且粉末表面光滑、球形度高、流動性好、氧含量低。
【文檔編號】B22F9/08GK103785845SQ201410026127
【公開日】2014年5月14日 申請日期:2014年1月21日 優先權日:2014年1月21日
【發明者】包小倩, 高學緒, 朱潔 申請人:北京科技大學