一种含铈的钕铁硼磁体材料及其制备方法

技术领域

本申请涉及磁体材料的领域，更具体地说，它涉及一种含铈的钕铁硼磁体材料及其制备方法。

背景技术

钕铁硼磁体是由钕、铁、硼形成的四方晶系晶体，在当下磁体材料中，钕铁硼磁体由于具有高磁性和高性价比而著称，且钕铁硼磁体自发现以来，逐渐被应用于汽车、计算机、信息、航空等领域。

金属钕是生产钕铁硼磁体的主要原料之一，其在钕铁硼磁体中的重量百分比通常为30％左右。随着钕铁硼磁体使用量的增加，对金属钕的需求量也日益增大。然而，矿物中金属钕的含量有限，因此，日益增长的需求量使得金属钕的价格也随之升高，从而导致钕铁硼磁体的生产成本也增加。

其中，金属钕是从原生稀土资源中提炼得到的，常用于提取钕的原生稀土资源中通常含有20％左右的钕、50％左右的金属铈以及30％左右其他物质。所以，在大量开采金属钕资源的时候，容易造成金属铈的浪费。然而，与金属钕相比，金属铈是目前价格较低的稀土金属元素，故采用部分金属铈代替金属钕能够降低钕铁硼磁体的原料成本，同时还能减少金属铈的浪费。

但是，经研究发现，采用金属铈代替部分金属钕的时候，制得的钕铁硼磁体的内禀矫顽力以及剩余磁化强度均降低，因此，需要提供一种含铈但具有较高内禀矫顽力以及剩余磁化强度的钕铁硼磁体材料。

发明内容

为了改善含铈的钕铁硼磁体材料的内禀矫顽力以及剩余磁化强度，本申请提供一种含铈的钕铁硼磁体材料及其制备方法。

第一方面，本申请提供一种含铈的钕铁硼磁体材料，采用如下的技术方案：

一种含铈的钕铁硼磁体材料，所述磁体材料中各元素的重量百分比如下：

钕：12.80-13.80％

铜：0.15-0.25％

硼：0.91-0.97％

铈：16.50-20.50％

铝：0.15-0.25％

钆：3.33-4.33％

铌：0.01-0.05％

余量为铁。

通过采用上述技术方案，采用金属铈代替了50-65％的金属钕，降低了钕铁硼磁体材料的原料成本；其中，由于金属铈的加入会引起内禀矫顽力以及剩余磁化强度的降低，为解决这一问题，本申请加入了3.33-4.33％的金属钆，该金属钆能够抑制各组晶粒的快速增长，从而细化晶粒，使得含铈的钕铁硼磁体材料的各向异性场增大，从而提高含铈的钕铁硼磁体材料的内禀矫顽力以及剩余磁化强度，有利于增强含铈的钕铁硼磁体材料的温度稳定性。

优选的，所述磁体材料中各元素的重量百分比如下：

钕：12.80-13.80％

铜：0.15-0.25％

硼：0.91-0.97％

铈：16.50-20.50％

铝：0.15-0.25％

钆：3.65-4.12％

铌：0.01-0.05％

余量为铁。

通过采用上述技术方案，由于当含铈的钕铁硼磁体材料中的钆的重量百分比在3.65-4.12％范围内的时候，金属钆能够更好地抑制各组晶粒的快速增长，有利于提高含铈的钕铁硼磁体材料的内禀矫顽力以及剩余磁化强度。

第二方面，本申请提供一种含铈的钕铁硼磁体材料的制备方法，采用如下的技术方案：一种含铈的钕铁硼磁体材料的制备方法，包括以下步骤：

步骤S1，初熔炼：按上述配比将铜、铈、铝、钆进行熔融得到熔融液A1，然后往熔融液A1中通入由惰性气体与氮气按摩尔比(30-40)：(1-2)组成的混合气体，保温0.5-3h，得到熔融液A2；

步骤S2，再熔炼：按上述配比将钕、硼、铌、铁加入熔融液A2中继续熔融得到熔融液B1，往熔融液B1中通入惰性气体，保温4-5h，得到熔融液B2；

步骤S3，制粉：将熔融液B2制成甩带片并干燥，然后对干燥后的甩带片进行氢破处理，得到氢碎粉；接着将氢碎粉进行气流磨处理，得到原料粉；

步骤S4，压型：将原料粉在氮气环境中压制成型，得到生坯，将生坯通过等静压油压进行二次压制成型，得到坯体；

步骤S5，烧结：对坯体进行烧结，之后进行两级时效，从而得到含铈的钕铁硼磁体材料。

通过采用上述技术方案，由于在步骤S1中通入由惰性气体与氮气组成的混合气体，该混合气体有利于增强金属钆对金属铈的补偿作用，使得各原料按照上述步骤进行生产得到的含铈的钕铁硼磁体材料的内禀矫顽力以及剩余磁化强度均更接近于不含金属铈的钕铁硼磁体材料。

优选的，所述步骤S1和S2中的惰性气体为氦气、氖气、氩气、氪气、氙气以及氡气中的任意一种或几种的组合物。

通过采用上述技术方案，惰性气体可以将熔融液A或熔融液B中的氧气或水气吹出，从而减少熔融液中的元素发生氧化的可能性，不仅有利于提高含铈的钕铁硼磁体材料的内禀矫顽力以及剩余磁化性能，还能够提高含铈的磁体材料的耐腐蚀性能；同时，惰性气体的通入还可以起到搅拌熔融液A或B的作用，使得含铈的钕铁硼磁体材料中的元素均匀分布，增强含铈的钕铁硼磁体材料的均一性。

优选的，所述步骤S1中的混合气体由惰性气体与氮气按摩尔比(33-36)：1.5组成。

通过采用上述技术方案，步骤S1中的混合气体由惰性气体与氮气按摩尔比(33-36)：1.5组成时，制得的含铈钕铁硼磁体材料具有较优的内禀矫顽力以及剩余磁化强度，有利于提高含铈钕铁硼磁体材料的温度稳定性。

优选的，所述步骤S1中的熔融温度为900-1100℃。

通过采用上述技术方案，步骤S1中的熔融温度控制在900-1100℃，能够使得铜、铈、铝、钆熔融完全。

优选的，所述步骤S2中的熔融温度为1300-1500℃。

通过采用上述技术方案，步骤S2中的熔融温度控制在1300-1500℃，能够使得用于制备含铈的钕铁硼磁体材料的各原料熔融完全。

优选的，所述原料粉的平均粒径为2.2-3.2μm。

通过采用上述技术方案，原料粉的平均粒径为2.2-3.2μm时，采用该平均粒径范围内的原料粉制得的坯体的孔隙率小，有利于增强含铈的钕铁硼磁体材料的物理机械性能。

优选的，所述步骤S5中对坯体进行烧结时，先将温度上升至700-900℃，保温30-40min，然后再将温度上升至1200-1300℃，保温2-3h。

通过采用上述技术方案，烧结温度分两步进行，能够产生熔融相物质，使得磁体材料收缩均匀，从而增大了磁体材料的密度，有利于提高磁体材料的强度。

优选的，所述步骤S5中的两级时效处理包括第一级时效处理和第二级时效处理，所述第一级时效处理的处理温度为880-910℃，所述第二级时效处理的处理温度为570-620℃。

通过采用上述技术方案，含铈的钕铁硼磁体材料经过两级时效处理后，能够提高含铈钕铁硼磁体材料的物理机械性能。

综上所述，本申请具有以下有益效果：

1、本申请金属铈代替了50-65％的金属钕，降低了钕铁硼磁体材料的原料成本；其中，由于金属铈的加入会引起内禀矫顽力以及剩余磁化强度的降低，为解决这一问题，本申请加入了3.33-4.33％的金属钆，该金属钆能够抑制各组晶粒的快速增长，从而细化晶粒，使得含铈的钕铁硼磁体材料的各向异性场增大，从而提高含铈的钕铁硼磁体材料的内禀矫顽力以及剩余磁化强度，有利于增强含铈的钕铁硼磁体材料的温度稳定性。

2、本申请的方法，由于在步骤S1中通入由惰性气体与氮气组成的混合气体，该混合气体有利于增强金属钆对金属铈的补偿作用，使得各原料按照上述步骤进行生产得到的含铈的钕铁硼磁体材料的内禀矫顽力以及剩余磁化强度均更接近于不含金属铈的钕铁硼磁体材料。

具体实施方式

金属钕是生产钕铁硼磁体的主要原料之一，其在钕铁硼磁体中的重量百分比通常为30％左右。随着钕铁硼磁体使用量的增加，对金属钕的需求量也日益增大。然而，矿物中金属钕的含量有限，因此，日益增长的需求量使得金属钕的价格也随之升高，从而导致钕铁硼磁体的生产成本也增加。

其中，金属钕是从原生稀土资源中提炼得到的，常用于提取钕的原生稀土资源中通常含有20％左右的钕、50％左右的金属铈以及30％左右其他物质。所以，在大量开采金属钕资源的时候，容易造成金属铈的浪费。然而，与金属钕相比，金属铈是目前价格较低的稀土金属元素，故采用部分金属铈代替金属钕能够降低钕铁硼磁体的生产成本，同时还能减少金属铈的浪费。

基于此，本申请人做了一些研究，研究发现，含铈的钕铁硼磁体材料中金属铈的重量百分比含量越大，钕铁硼磁体的内禀矫顽力以及剩余磁化强度就越低。

为得到一种具有较高内禀矫顽力以及剩余磁化强度的含铈钕铁硼磁体，申请人从调整含铈的钕铁硼磁体中各元素的重量占比以及含铈钕铁硼磁体的制备工艺出发，结果申请人发现，当往含铈的钕铁硼磁体材料中加入一定量的钆能够改善含铈的钕铁硼磁体材料的内禀矫顽力和剩余磁化强度，从而成功解决了本申请所要解决的技术问题。

以下对本申请作进一步详细说明。

本申请所涉及的原料均为市售，其中，本申请中的硼由硼铁合金提供，硼铁合金中硼的重量占比为18.7％；铌由铌铁合金提供，铌铁合金中铌的重量占比为5.14％；另外，金属钕、铜、铈、铝以及钆的纯度均大于99.5％，金属铁的纯度大于99.9％。

实施例

实施例1-2中含铈的钕铁硼磁体材料的组成及配比如下表1：

表1 实施例1-2中含铈的钕铁硼磁体材料的组成及配比(wt％)

实施例1

一种含铈的钕铁硼磁体材料，该磁体材料的制备方法包括如下步骤：

步骤S1，初熔炼：按上述表1中的配比将铜、铈、铝、钆加入熔炼炉中，将熔炼炉升温至900℃，保温，直至铜、铈、铝、钆完全熔解得到熔融液A1，往熔融液A1中通入由氦气与氮气按摩尔比30∶2组成的混合气体，控制混合气体的流量为1L/h，保温3h，得到熔融液A2；

步骤S2，再熔炼，按上述表1中的配比将钕、硼、铌、铁加入熔融液A2中，将熔炼炉升温至1500℃，保温，继续熔融得到熔融液B1，往熔融液B1中通入氪气，控制氪气的流量为2L/h，保温4h，得到熔融液B2；

步骤S3，制粉：将熔融液B2制成甩带片并干燥，然后对干燥后的甩带片进行氢破处理，得到氢碎粉；接着将氢碎粉进行气流磨处理，得到平均粒径为2.2μm的原料粉；

步骤S4，压型：将平均粒径为2.2μm的原料粉在氮气环境中压制成型，得到生坯，将生坯通过等静压油压进行二次压制成型，得到坯体；

步骤S5，烧结：对坯体进行烧结，先将温度上升至700℃，保温40min，然后再将温度上升至1300℃，保温2h；接着进行两级时效处理，第一级时效处理的处理温度为880℃，保温时间为1.5h，第二级时效处理的处理温度为620℃，保温时间为2h，最后，冷却至室温，即可得到含铈的钕铁硼磁体材料。

实施例2

一种含铈的钕铁硼磁体材料，该磁体材料的制备方法包括如下步骤：

步骤S1，初熔炼：按上述表1中的配比将铜、铈、铝、钆加入熔炼炉中，将熔炼炉升温至1100℃，保温，直至铜、铈、铝、钆完全熔解得到熔融液A1，往熔融液A1中通入由氡气与氮气按摩尔比30:2组成的混合气体，控制混合气体的流量为2L/h，保温0.5h，得到熔融液A2；

步骤S2，再熔炼，按上述表1中的配比将钕、硼、铌、铁加入熔融液A2中，将熔炼炉升温至1300℃，保温，继续熔融得到熔融液B1，往熔融液B1中通入氦气，控制氦气的流量为1L/h，保温5h，得到熔融液B2；

步骤S3，制粉：将熔融液B2制成甩带片并干燥，然后对干燥后的甩带片进行氢破处理，得到氢碎粉；接着将氢碎粉进行气流磨处理，得到平均粒径为3.2μm的原料粉；

步骤S4，压型：将平均粒径为3.2μm的原料粉在氮气环境中压制成型，得到生坯，将生坯通过等静压油压进行二次压制成型，得到坯体；

步骤S5，烧结：对坯体进行烧结，先将温度上升至900℃，保温30min，然后再将温度上升至1200℃，保温3h；接着进行两级时效处理，第一级时效处理的处理温度为910℃，保温时间为1h，第二级时效处理的处理温度为570℃，保温时间为2.5h，最后，冷却至室温，即可得到含铈的钕铁硼磁体材料。

实施例3

一种含铈的钕铁硼磁体材料，与实施例1的区别在于：

步骤S1中钆和铁的配比不同；其中，钆的重量百分比为3.65％，铁的重量百分比为65.69％；步骤S1中混合气体由氪气与氮气按摩尔比30:2组成。

实施例4

一种含铈的钕铁硼磁体材料，与实施例1的区别在于：

步骤S1中钆和铁的配比不同；其中，钆的重量百分比为4.12％，铁的重量百分比为65.22％；步骤S1中混合气体由氖气与氮气按摩尔比30:2组成。

实施例5

一种含铈的钕铁硼磁体材料，与实施例1的区别在于：

步骤S1中混合气体由氦气与氮气按摩尔比40:1组成。

实施例6

一种含铈的钕铁硼磁体材料，与实施例1的区别在于：

步骤S1中混合气体由氦气与氮气按摩尔比33:1.5组成。

实施例7

一种含铈的钕铁硼磁体材料，与实施例1的区别在于：

步骤S1中混合气体由氦气与氮气按摩尔比36:1.5组成。

实施例8

一种含铈的钕铁硼磁体材料，与实施例1的区别在于：

步骤S1中控制混合气体的流量为0.1L/h。

实施例9

一种含铈的钕铁硼磁体材料，与实施例1的区别在于：

步骤S1中控制混合气体的流量为10L/h。

实施例10

一种含铈的钕铁硼磁体材料，与实施例1的区别在于：

步骤S1中通入纯氦气。

实施例11

一种含铈的钕铁硼磁体材料，与实施例1的区别在于：

步骤S1中通入纯氮气。

对比例

对比例1

一种钕铁硼磁体材料，该磁体材料中各金属元素的质量百分比如下：

钕：31.4％

铜：0.15％

硼：0.91％

铝：0.25％

铌：0.05％

铁：67.24％；

该磁体材料的制备方法包括以下步骤：

步骤S1，初熔炼：按上述表1中的配比将钕、铜、硼、铝、铌以及铁加入熔练炉中，将熔炼炉升温至1350℃，保温，直至各金属完全熔解得到熔融液C；

步骤S2，制粉：将熔融液C制成甩带片并干燥，然后对干燥后的甩带片进行氢破处理，得到氢破粉；接着将氢破粉进行气流磨处理，得到气流磨粉；

步骤S3，压型：将气流磨粉在氮气环境中压制成型，得到生坯，将生坯通过等静压油压进行二次压制成型，得到坯体；

步骤S4，烧结：在1000℃下对坯体进行真空烧结，然后再将温度上升至1500℃，烧结3h；接着以3℃/min降温至400℃后保温1h，再以5℃/min冷却至室温后取出，得到钕铁硼磁体材料。

对比例2-5中含铈的钕铁硼磁体材料中的组成及配比如下表2：

表2 对比例2-5中含铈的钕铁硼磁体材料中的组成及配比(wt％)

对比例2-5

一种含铈的钕铁硼磁体材料，与实施例1的区别在于：

含铈的钕铁硼磁体材料的配比如上述表2。

检测方法/试验方法

(1)内禀矫顽力Hcj：采用上海圣通电气有限公司的永磁性能测量装置测试。

(2)剩余磁化强度Br：采用上海圣通电气有限公司的永磁性能测量装置测试。

上述实施例1-11与对比例1-5中的磁体材料的内禀矫顽力Hcj以及剩余磁化强度Br的检测数值具体参照下表3：

表3 实施例1-11与对比例1-5中的磁体材料的性能数据表

结合实施例1-11和对比例1并结合表3可以看出，本申请中含铈的钕铁硼磁体材料与对比例1中没有采用金属铈代替金属钕的磁体材料相比，本申请所制得的含铈的钕铁硼磁体材料的内禀矫顽力Hcj以及剩余磁化强度Br与对比例1中制得的钕铁硼磁体材料的相近，然而本申请中采用金属铈代替了50-65％左右的金属钕，有利于降低钕铁硼磁体材料的原料成本。

结合实施例1-4与对比例2-5并结合表3可以看出，当采用金属铈代替50-65％左右的金属钕时，本申请中钆的配比会影响含铈的钕铁硼材料的内禀矫顽力Hcj以及剩余磁化强度Br。其中，只有当钆的重量百分比在3.33-4.33％的时候，含铈的钕铁硼磁体材料才能具有较好的内禀矫顽力Hcj以及剩余磁化强度Br；且当钆的重量百分比在3.65-4.12％的时候，含铈的钕铁硼磁体材料的内禀矫顽力Hcj以及剩余磁化强度Br更高；另外，当钆的重量百分比超出3.33-4.33％的时候，含铈的钕铁硼磁体材料的内禀矫顽力Hcj以及剩余磁化强度Br均下降。

结合实施例1与实施例5-7并结合表3可以看出，改变混合气体的配比，其中，当混合气体中的氦气与氮气的摩尔比为(30-40)：(1-2)时，含铈钕铁硼磁体材料的内禀矫顽力Hcj以及剩余磁化强度Br与对比例1中的磁体材料相差不大，且当混合气体中的氦气与氮气的摩尔比为(33-36):1.5时，含铈的钕铁硼磁体材料的内禀矫顽力Hcj以及剩余磁化强度Br与对比例1中的磁体材料相比更为接近。

结合实施例1-2与实施例8-9并结合表3可以看出，改变混合气体的通气速率会影响含铈的钕铁硼磁体材料的内禀矫顽力Hcj以及剩余磁化强度Br，其中，当控制混合气体的流量为1-2L/h，含铈的钕铁硼磁体材料的内禀矫顽力Hcj以及剩余磁化强度Br较优。

结合实施例1与实施例10-11并结合表3可以看出，将步骤S1中的混合气体改为纯惰性气体或纯氮气时，含铈的钕铁硼磁体材料的内禀矫顽力Hcj以及剩余磁化强度Br均下降，说明步骤S1中的惰性气体与氮气具有协同作用，采用惰性气体与氮气的混合气体时才能更好地提高含铈的钕铁硼磁体材料的内禀矫顽力Hcj以及剩余磁化强度Br。

本具体实施例仅仅是对本申请的解释，其并不是对本申请的限制，本领域技术人员在阅读完本说明书后可以根据需要对本实施例做出没有创造性贡献的修改，但只要在本申请的权利要求范围内都受到专利法的保护。