一種高耐蝕、高矯頑力燒結釹鐵硼磁體及製備方法與流程
2023-07-03 21:35:51 2
本發明涉及磁性材料表面材料領域，具體涉及一種高耐蝕、高矯頑力燒結釹鐵硼磁體及製備方法。
背景技術：
自1983年釹鐵硼(Nd-Fe-B)永磁體問世以來，就以其優異的磁性能而受到廣泛的關注，目前已在各類永磁材料中佔主導地位。由於燒結釹鐵硼永磁材料的多相結構使得釹鐵硼磁體具有易腐蝕的缺點，極大的限制了燒結釹鐵硼磁體應用領域的拓展。為了提高釹鐵硼磁體的耐蝕性，通常採用的方法主要包括合金化法和表面添加防護塗層法，前者通常以犧牲磁體磁性能為代價，且效果不明顯，因此，表面添加防護塗層的方法成為了當前釹鐵硼行業提高磁體耐蝕性能的主要手段。
高技術領域特別是混合動力汽車領域的需求要求燒結釹鐵硼磁體同時具有高矯頑力及耐高溫性能。燒結釹鐵硼永磁材料矯頑力的理論極限值為7.3T，然而釹鐵硼永磁材料實際矯頑力通常只有其理論值的1/2左右。通過添加合金元素細化晶粒以及通過回火熱處理工藝改善邊界結構都可以提高磁體的矯頑力。由於Dy2Fe14B和Tb2Fe14B的各向異性場分別為15和21T，遠高於Nd2Fe14B的7.3T，因此提高釹鐵硼磁體矯頑力最有效的方法是用鏑(Dy)和鋱(Tb)部分取代Nd2Fe14B中的Nd。然而由於Dy、Tb金屬十分昂貴，通過直接合金化在熔煉母合金的時候加入金屬Dy，由於Dy2Fe14B的飽和磁化強度僅為0.7T左右，還不到Nd2Fe14B的1.60T的一半，因此添加Dy提高矯頑力的同時會導致磁化強度降低。採用雙合金法將釹鐵硼粉末與Dy或Dy2O3粉混合製備磁體，雖然矯頑力提高且磁化強度變化不大，但貴重金屬Dy用量大，製備成本較高。
晶粒界面結構缺陷是燒結釹鐵硼永磁材料矯頑力降低的重要因素，一般認為在Nd2Fe14B晶粒表面存在厚度為幾個納米的結構缺陷區，其成分及晶格結構不同於晶粒內部，磁晶各向異性常數K和交換積分常數A均比晶粒內部低，使它成為反磁化疇的形核中心。近年來，採用晶界擴散工藝製備低重稀土高矯頑力燒結釹鐵硼磁體成為永磁製造領域的研究熱點，日本企業通過在釹鐵硼磁體表面磁控濺射一層重稀土(如Dy、Tb、鈥(Ho)等)膜，然後進行真空熱處理來改善磁體顯微組織。該技術處理後重稀土元素有效分布於晶界周圍，形成(Nd,Dy)2Fe14B改性區，有效降低Dy元素使用量並避免剩磁下降，同時提高矯頑力。然而這種方法存在生產效率低、成本高、批量生產難度大以及設備投入大等弊端。同時，由於重稀土元素主要分布在磁體表層晶界處，在後期為磁體表面添加防護塗層過程中，經過前處理工藝特別是酸洗工藝後，基體表面晶界處的富稀土相對容易大量腐蝕，導致磁體矯頑力的再次下降。
雷射熔覆技術是以雷射束作為熱源，在工件表面上塗覆一層金屬或合金粉末，使它形成與基體材料性能完全不同的表面熔覆層，熔覆層與基體形成冶金結合的一種表面處理技術。它成功地將熔覆金屬的延性、高強度和陶瓷相的高熔點、高硬度、較好的化學穩定性結合起來，構成一種新型的複合材料，從而提高材料或構件表面的性能，達到提高工件使用壽命的目的。用於雷射熔覆的合金主要是鎳基、鐵基自熔合金和鎳基高溫合金，其中鎳基自熔合金不但具有優良的抗氧化性能、耐磨損和耐腐蝕等性能，而且還具有一定的韌性和優良的雷射熔覆性，且價格較低，適宜產業化生產使用。
技術實現要素：
本發明正是針對現有技術存在的不足，提供一種高耐蝕、高矯頑力燒結釹鐵硼磁體的製備方法，改進傳統晶界擴散工藝，在保證磁體矯頑力提高的同時，實現磁體表面高耐蝕且結合力極高的金屬塗層的製備。
為解決上述問題，本發明所採取的技術方案如下：
高耐蝕、高矯頑力燒結釹鐵硼磁體的製備方法，包括以下步驟：
(1)熔覆材料的製備：將自熔性鎳基合金粉末與納米稀土氫化物粉末通過機械攪拌充分混合後，加入醋酸纖維素的乙醇溶液，再混合製成糊狀溶液備用；
(2)磁體前處理工藝：對燒結釹鐵硼磁體進行去除磁體表面形成的氧化膜的前處理；
(3)磁體表面預置熔覆材料塗層的製備：將步驟(1)所製備的糊狀溶液均勻塗敷在步驟(2)處理後的磁體表面，再放入乾燥箱中進行乾燥，使磁體表面製備一層預置熔覆材料塗層；
(4)磁體表面雷射熔覆層的製備：將步驟(3)所製備的表面塗覆預置熔覆材料塗層的磁體進行雷射熔覆處理，製備雷射熔覆層；
(5)磁體熱處理：對步驟(4)所製備的表面具有雷射熔覆層的磁體進行熱處理。
具體地，步驟(4)的雷射熔覆層為能與基體工作表面呈冶金結合的鎳基/納米重稀土氫化物複合塗層。
具體地，所述自熔性鎳基合金粉末的粒度範圍為150-500目；所述納米稀土氫化物粉末的粒徑範圍為80-300nm。
具體地，所述納米稀土氫化物粉末選自Tb、Dy、Ho氫化物中的一種或多種。
具體地，所述自熔性鎳基合金粉末與納米重稀土氫化物重量混合比例為50-200:1。
具體地，步驟(2)包括燒結釹鐵硼磁體在鹼性除油液中除油；再乾燥後進行噴砂處理，噴砂處理時間為2-5min；最後將磁體在去離子水溶液中超聲清洗2-5min。
具體地，噴砂材料為棕剛玉和玻璃珠的混合砂，棕剛玉和玻璃珠重量混合比例為1:3-5。
具體地，步驟(3)中的塗敷厚度為0.2-1mm，乾燥溫度為60-120℃，乾燥時間為5-25h。
具體地，步驟(4)中雷射熔覆的熔覆功率為3000-4500W；光斑尺寸D為6.5-10mm，掃描速度為10-20mm/s。
具體地，步驟(5)的熱處理包括步驟(4)所製備的磁體置於真空熱處理爐中熱處理，溫度為650-750℃，時間為0.5-2h。
根據上述製備方法製備的表面具有鎳基/納米重稀土氫化物複合塗層的燒結釹鐵硼磁體。
與現有技術相比較，本發明的實施效果如下：
本發明的一種高耐蝕、高矯頑力燒結釹鐵硼磁體的製備方法，通過在磁體表面雷射熔覆一層鎳基/納米重稀土氫化物複合塗層的方式，實現磁體表面高耐磨、高耐蝕金屬塗層的製備。由於雷射熔覆塗層與基體之間為冶金結合方式，燒結釹鐵硼磁體表面雷射熔覆鎳基/納米重稀土氫化物複合塗層與基體之間的結合力極高。同時，通過熱處理晶界擴散的方式，使複合塗層中的納米重稀土氫化物滲入到磁體內部晶界處，起到晶界強化及去交換耦合作用，實現磁體矯頑力的提高。因此，該方式可以實現在磁體表面製備高耐蝕且具有高結合力的金屬塗層的同時，實現磁體矯頑力的提高。與中國發明專利(CN101908397B，稀土氫化物表面塗層處理劑、形成塗層的方法及其應用)所提供的方式相比，本發明可以實現磁體矯頑力提升的同時，在磁體表面製備高耐蝕且具有及高結合力的金屬鍍層，避免了晶界擴散後再進行表面處理時所造成的磁體矯頑力的二次下降。
具體實施方式
下面將結合具體的實施例來說明本發明的內容。
具體實施例1
實施例1：一種高耐蝕、高矯頑力燒結釹鐵硼磁體的製備方法，包括以下步驟：
步驟(1)、熔覆材料的製備：
將自熔性鎳基合金粉末Ni20(粒度：150目)與納米TbH3粉末(粒徑：80nm)的重量比例為200:1的混合粉末置於攪拌器中機械攪拌10h，然後與醋酸纖維素的乙醇溶液混合製成糊狀溶液備用。
步驟(2)、磁體前處理工藝：
採用規格為35毫米×20毫米×10毫米的塊狀燒結釹鐵硼磁體(由安徽大地熊新材料股份有限公司提供，牌號：42H)進行試驗，將燒結釹鐵硼磁體在鹼性除油液中除油並乾燥後，置於噴砂機中進行噴砂處理，以去除磁體表面氧化層，噴砂材料選用棕剛玉及玻璃珠的混合砂，其重量比例約為1:3，時間為2min，最後將磁體在去離子水溶液中超聲清洗2min。
步驟(3)、磁體表面預置塗層的製備：
將步驟(1)所製備的糊狀混合溶液均勻的塗敷在前處理後的燒結釹鐵硼磁體表面，其厚度約為0.2mm左右，將塗覆混合溶液後的磁體放入溫度為60℃的乾燥箱中進行乾燥，乾燥時間為5h。乾燥後，使磁體表面形成一層均勻的預置熔覆材料塗層。
步驟(4)、磁體表面雷射熔覆層的製備：
採用雷射熔覆工藝，對步驟(3)表面塗覆預置熔覆材料塗層的磁體進行雷射熔覆層的製備，在燒結釹鐵硼磁體表面製備與基體工作表面呈冶金結合的鎳基/納米重稀土氫化物複合塗層。其製備工藝參數可以為：熔覆功率P＝3000W，光斑尺寸D＝6.5mm，掃描速度V＝10mm/s。
步驟(5)、磁體熱處理：
將表面塗覆雷射熔覆鎳基/納米重稀土氫化物複合塗層的燒結釹鐵硼磁體置於真空熱處理爐中，在650℃溫度下，進行0.5h的熱處理。
具體實施例2
實施例2：一種高耐蝕、高矯頑力燒結釹鐵硼磁體的製備方法，包括以下步驟：
步驟(1)、熔覆材料的製備：
將自熔性鎳基合金粉末Ni25(粒度：300目)與納米TbH3粉末(粒徑：150nm)的重量比例為100:1的混合粉末置於攪拌器中機械攪拌15h，然後與醋酸纖維素的乙醇溶液混合製成糊狀溶液備用。
步驟(2)、磁體前處理工藝：
採用規格為35毫米×20毫米×10毫米的塊狀燒結釹鐵硼磁體(由安徽大地熊新材料股份有限公司提供，牌號：42H)進行試驗，將燒結釹鐵硼磁體在鹼性除油液中除油並乾燥後，置於噴砂機中進行噴砂處理，以去除磁體表面氧化層，噴砂材料選用棕剛玉及玻璃珠的混合砂，其重量比例約為1:4，時間為3min，最後將磁體在去離子水溶液中超聲清洗3min。
步驟(3)、磁體表面預置塗層的製備：
將步驟(1)所製備的糊狀混合溶液均勻的塗敷在前處理後的燒結釹鐵硼磁體表面，其厚度約為0.5mm左右，將塗覆混合溶液後的磁體放入溫度為90℃的乾燥箱中進行乾燥，乾燥時間為15h。乾燥後，使磁體表面形成一層均勻的預置熔覆材料塗層。
步驟(4)、磁體表面雷射熔覆層的製備：
採用雷射熔覆工藝，對步驟(3)表面塗覆預置熔覆材料塗層的磁體進行雷射熔覆層的製備，在燒結釹鐵硼磁體表面製備與基體工作表面呈冶金結合的鎳基/納米重稀土氫化物複合塗層。其製備工藝參數可以為：熔覆功率P＝4000W，光斑尺寸D＝8mm，掃描速度V＝15mm/s。
步驟(5)、磁體熱處理：
將表面塗覆雷射熔覆鎳基/納米重稀土氫化物複合塗層的燒結釹鐵硼磁體置於真空熱處理爐中，在700℃溫度下，進行1.5h的熱處理。
具體實施例3
實施例3：一種高耐蝕、高矯頑力燒結釹鐵硼磁體的製備方法，包括以下步驟：
步驟(1)、熔覆材料的製備：
將自熔性鎳基合金粉末Ni60A(粒度：500目)與納米DyH3粉末(粒徑：300nm)的重量比例為50:1的混合粉末置於攪拌器中機械攪拌20h，然後與醋酸纖維素的乙醇溶液混合製成糊狀溶液備用。
步驟(2)、磁體前處理工藝：
採用規格為35毫米×20毫米×10毫米的塊狀燒結釹鐵硼磁體(由安徽大地熊新材料股份有限公司提供，牌號：42H)進行試驗，將燒結釹鐵硼磁體在鹼性除油液中除油並乾燥後，置於噴砂機中進行噴砂處理，以去除磁體表面氧化層，噴砂材料選用棕剛玉及玻璃珠的混合砂，其重量比例約為1:5，時間為5min，最後將磁體在去離子水溶液中超聲清洗5min。
步驟(3)、磁體表面預置塗層的製備：
將步驟(1)所製備的糊狀混合溶液均勻的塗敷在前處理後的燒結釹鐵硼磁體表面，其厚度約為1mm左右，將塗覆混合溶液後的磁體放入溫度為120℃的乾燥箱中進行乾燥，乾燥時間為25h。乾燥後，使磁體表面形成一層均勻的預置熔覆材料塗層。
步驟(4)、磁體表面雷射熔覆層的製備：
採用雷射熔覆工藝，對步驟(3)表面塗覆預置熔覆材料塗層的磁體進行雷射熔覆層的製備，在燒結釹鐵硼磁體表面製備與基體工作表面呈冶金結合的鎳基/納米重稀土氫化物複合塗層。其製備工藝參數可以為：熔覆功率P＝4500W，光斑尺寸D＝10mm，掃描速度V＝20mm/s。
步驟(5)、磁體熱處理：
將表面塗覆雷射熔覆鎳基/納米重稀土氫化物複合塗層的燒結釹鐵硼磁體置於真空熱處理爐中，在750℃溫度下，進行2h的熱處理。
對照實施例1
一種高耐蝕燒結釹鐵硼磁體的製備方法，包括以下步驟：
步驟(1)、熔覆材料的製備：
將自熔性鎳基合金粉末Ni25(粒度：300目)與醋酸纖維素的乙醇溶液混合製成糊狀溶液備用。
步驟(2)、磁體前處理工藝：
採用規格為35毫米×20毫米×10毫米的塊狀燒結釹鐵硼磁體(由安徽大地熊新材料股份有限公司提供，牌號：42H)進行試驗，將燒結釹鐵硼磁體在鹼性除油液中除油並乾燥後，置於噴砂機中進行噴砂處理，以去除磁體表面氧化層，噴砂材料選用棕剛玉及玻璃珠的混合砂，其重量比例約為1:4，時間為3min，最後將磁體在去離子水溶液中超聲清洗3min。
步驟(3)、磁體表面預置塗層的製備：
將步驟(1)所製備的糊狀混合溶液均勻的塗敷在前處理後的燒結釹鐵硼磁體表面，其厚度約為0.5mm左右，將塗覆混合溶液後的磁體放入溫度為90℃的乾燥箱中進行乾燥，乾燥時間為15h。乾燥後，使磁體表面形成一層均勻的預置熔覆材料塗層。
步驟(4)、磁體表面雷射熔覆層的製備：
採用雷射熔覆工藝，對步驟(3)表面塗覆預置熔覆材料塗層的磁體進行雷射熔覆層的製備，在燒結釹鐵硼磁體表面製備與基體工作表面呈冶金結合的鎳基塗層。其製備工藝參數可以為：熔覆功率P＝4000W，光斑尺寸D＝8mm，掃描速度V＝15mm/s。
對照實施例2
採用規格為35毫米×20毫米×10毫米的塊狀燒結釹鐵硼磁體(由安徽大地熊新材料股份有限公司提供，牌號：42H)進行試驗，將燒結釹鐵硼磁體在鹼性除油液中除油並乾燥後，置於噴砂機中進行噴砂處理，以去除磁體表面氧化層，噴砂材料選用棕剛玉及玻璃珠的混合砂，其重量比例約為1:4，時間為3min，最後將磁體在去離子水溶液中超聲清洗3min，乾燥後作為對照實施例2樣品進行性能測試。
試驗例
對具體實施例1-3和對照實施例1-2製備的產品進行鹽霧試驗及磁性能測試，具體結果見下表：
通過上述實施例可以發現，通過在燒結釹鐵硼磁體表面雷射熔覆鎳基/納米重稀土氫化物複合塗層並進行熱處理後，磁體的耐中性鹽霧實驗能力顯著提高，說明磁體的耐蝕性能顯著提高。同時，在保證磁體的剩磁(Br)基本不下降的同時，磁體的矯頑力(Hcj)實現了顯著增加。
以上內容是結合具體的實施例對本發明所作的詳細說明，不能認定本發明具體實施僅限於這些說明。對於本發明所屬技術領域的技術人員來說，在不脫離本發明構思的前提下，還可以做出若干簡單推演或替換，都應當視為屬於本發明保護的範圍。