亚微米各向异性钐铁氮磁粉及其杂化粘结磁体的制备方法技术

本发明专利技术公开了亚微米各向异性钐铁氮磁粉及其杂化粘结磁体的制备方法。采用速凝薄片技术制备钐铁合金，使其在氮气或者氮气与氢气的混合气体中进行气-固相反应，形成钐铁氮合金，接着进行气流磨和/或球磨，得到粒径在0.01～3μm的各向异性钐铁氮单晶颗粒磁粉。进一步的，将钐铁氮单晶颗粒磁粉作为第一组分与永磁铁氧体、快淬各向同性钕铁硼、各向异性钕铁硼、钐钴和/或钕铁氮组成的第二种组分混合成杂化磁粉，在添加加工助剂，通过压延、模压、挤出或注射方法制备出杂化粘结磁体。本发明专利技术制备的钐铁氮磁粉的磁能积、剩磁及内禀矫顽力高，成本低，粒径小，相应杂化粘结磁体的发挥不同组分磁粉的优点，成形度和机械强度高，且温度性能好。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于磁性材料领域，涉及一种制造亚微米级单晶颗粒各向异性钐铁氮磁粉及以其为组分之一的杂化粘结磁体的技术。
技术介绍
磁性材料领域包括烧结磁体和粘结磁体两类。随着消费类电子领域的不断发展，特别是电器、电机日益小型化、轻量化、高性能化的趋势，市场对粘结磁体的需求日益增长。当前粘结磁体市场的主导产品是以永磁铁氧体或各向同性钕铁硼磁粉为主要成分的粘结磁体，并根据所添加粘结剂的不同，采取不同的制作工艺，主要为注射、压延、挤出以及模压方法。以永磁铁氧体为主要成分的磁体是目前主要的柔性磁体，但其磁性能低，各向同性永磁铁氧体制备的粘结磁体最大磁能积仅为0.6MGOe，而各向异性永磁铁氧体制备的粘结磁体的最大磁能积亦仅在1.8MGOe以下。另一方面，各向同性钕铁硼磁粉由于粒径大(通常在100μm左右)，温度性能低，抗氧化能力不强，使其成形工艺受到限制，主要以模压、注射方法制备粘结磁体，在用其制备柔性磁体时，机械强度低、抗腐蚀能力低。此外，以此种材料制备的磁体表面粗糙，磁粉易脱落，防腐蚀能力差，其加工环境易受污染。因此，市场需要研究具备磁粉粒径小、磁性能高的特点的新型高性能粘结磁体。1990年，我国北京大学杨应昌研究组和爱尔兰三一大学Coey研究组基于所发现的新效应(在稀土合金中氮的间隙原子效应)，分别专利技术了Nd(Fe,M)12N(简称“钕铁氮”)和Sm2Fe17N3(简称“钐铁氮”)等新材料。此后，稀土氮化物成为开发新型稀土永磁材料的热点。以住友公司为代表的日本企业能够生产各向异性钐铁氮磁粉，但其采用的是“还原扩散”方法，生产成本较高。如何采用传统的冶金制粉技术制造亚微米量级粒径小、磁性能高的各向异性钐铁氮磁粉一直是个亟待解决的课题。此外，现有的以钐铁氮为组分之一的复合磁体制造方法，所选用的钐铁氮磁粉没有强调其粒径特征，没有发现钐铁氮重量比在磁体性能上的最佳配比方法，没有在制造工艺上体现出钐铁氮抗氧化、抗腐蚀能力强的特点，需要做进一步研究。
技术实现思路
本专利技术的第一个目的是提供一种以传统冶金制粉技术制造亚微米级单晶颗粒各向异性钐铁氮磁粉的方法，在较低的工艺成本下获得性能优异的各向异性钐铁氮磁粉。本专利技术制备的亚微米级各向异性钐铁氮单晶颗粒磁粉的分子式为(Sm1-αRα)xFe100-x-y-zMyIz，其中：R代表包括Y在内的除Sm以外的其他稀土金属的一种或多种，如La、Ce、Pt、Nd、Pm、Gd、Tb、Dy等；M代表3d4d过渡族金属，如Ti、V、Cr、Mn、Co、Ni、Cu、Zn、Zv、Nb、Mo等的一种或多种；I代表间隙原子，是N、或N与C的组合、或N与H的组合、或N与C和H的组合；下标表示各元素的原子百分比，9.0≤x≤10.5，0≤y≤10，2≤z≤13.6，0≤α≤0.3；其制备方法包括如下步骤：1)采用速凝薄片技术制备钐铁合金，所述钐铁合金的制备分为含C和不含C两种情况：①当制备不包含C的钐铁合金时，钐铁合金各成分按分子式(Sm1-αRα)xFe100-x-y-zMyIz所示的原子百分比除I以外的成分进行配比，制备钐铁合金母合金；②当制备包含C的钐铁合金时，C在熔炼时加入，钐铁合金各成分按分子式(Sm1-αRα)xFe100-x-y-zMyCz'I'z-z'所示的原子百分比除I'以外的成分进行配比，其中I'代表N或者N与H的组合，R、M、x、y、z和α如前所述，2≤z'≤6，且z'<z。2)使钐铁合金在氮气中或者氮气与氢气的混合气体中进行气-固相反应，形成钐铁氮合金(Sm1-αRα)xFe100-x-y-zMyIz；3)将钐铁氮合金进行气流磨和/或球磨，得到粒径在0.01～3μm的各向异性钐铁氮单晶颗粒磁粉。上述步骤1)运用速凝技术无需退火处理或只需要短时间的退火处理即可制备出单相性好的钐铁合金。相对于传统熔炼技术，该方法制备的速凝薄带的微结构细小均匀，非常有利于后续步骤中氮原子的扩散，在相同的氮化条件(吸氮温度和吸氮时间)下，可以获得具有更高氮含量的钐铁氮材料。上述步骤2)气-固相反应优选温度为200～600℃，时间2～100小时，气压为0.05～1.0MPa。制备均匀一致的氮化物是生产高性能磁粉的关键，是本工艺的核心技术。本专利技术利用旋转氮化机制，利用氮化炉氮化以后，间隙氮原子灵敏调节了铁的3d电子的能带结构和稀土钐的4f电子的晶场作用，使合金的居里温度、饱和磁化强度及磁晶各向异性场得到全面、大幅的提高。氮化后的钐铁氮合金需要在步骤3)通过气流磨和球磨等进行处理才能得到各向异性钐铁氮磁粉。亚微米级单晶钐铁氮磁粉的反磁化过程具有形核机制的特征，磁粉的剩余磁感应强度和矫顽力随磁粉颗粒尺寸变化而变化。当钐铁氮磁粉颗粒粒径小于1μm时，磁粉矫顽力迅速增大，当颗粒的平均粒径大小趋于0.2μm时，磁粉的矫顽力呈现最大值(参见图2和表4)。上述制备亚微米级各向异性钐铁氮单晶颗粒磁粉的方法的关键是，研究利用了稀土合金的成相规律，制造出有适宜微结构的合金，并掌握氮化机制，保证氮原子在气-固相反应过程中都能够进入稀土合金的间隙晶位，特别是在研究球磨介质、球料比、助磨剂对制粉粒度、形貌和性能的影响的基础上，利用钐铁氮磁粉矫顽力、剩磁随颗粒大小变化的规律，实现工艺成本较低、完全采用自行设计的国产设备来工业化制备粒径在0.01μm～3μm之间亚微米级、高矫顽力、高使用温度的各向异性钐铁氮磁粉的制备方法。本方法制备的钐铁氮磁粉的最大磁能积可达45MGOe以上，剩磁可达15kGs以上，内禀矫顽力可达16kOe以上。至此，具有工业化价值的高性能钐铁氮磁粉真正具备了进一步开发及大规模生产的现实条件。本专利技术的第二个目的是利用上述各向异性钐铁氮磁粉制备各种杂化粘结磁体。以上述亚微米级各向异性钐铁氮单晶颗粒磁粉作为基本组分之一，在其含量达到特定比例范围的情况下，根据不同的性能要求，按照特定的比例混合下列一种或多种不同性能的磁粉，即：永磁铁氧体、快淬各向同性钕铁硼、各向异性钕铁硼、钐钴、钕铁氮，形成杂化磁粉，视不同的工艺方法，添加粘结剂、偶联剂、增塑剂和润滑剂等加工助剂，在外力作用下，通过压延、模压、挤出、注射等工艺方法，制备各种形态的粘结磁体。具体的，本专利技术制备钐铁氮杂化粘结磁体的方法包括以下步骤：a)将亚微米级各向异性钐铁氮单晶颗粒磁粉作为第一组分和第二种组分按预定比例混合成杂化磁粉，其中所述第一组分的含量优选30％以上，所述第二组分选自下列磁粉中的一种或多种：永磁铁氧体、快淬各向同性钕铁硼、各向异性钕铁硼、钐钴和钕铁氮；b)根据不同工艺需要在所述杂化磁粉中添加加工助剂，然后通过压延、模压、挤出或注射等方法制备出粘结磁体。作为第一组分的亚微米级各向异性钐铁氮磁粉根据本专利技术的方法制备，其平均粒径在0.01μm～3μm之间，最大磁能积在25～45MGOe之间，剩磁在9～15kGs之间，矫顽力在7～16kOe之间。步骤a)的杂化磁粉组合物中各种磁粉可以以任意比例配比，并根据不同的磁体性能要求，选择不同的配比方法。根据不同磁粉的特性及其与钐铁氮磁粉之间组合时可发挥的效用，要合理控制其他磁粉所占杂化磁粉的重量比例。本专利技术进一步全面研究了各种组分比例与磁粉性能之间的关系，该性能变化是非线性的——在钐铁氮磁粉与其本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种制备亚微米级各向异性钐铁氮单晶颗粒磁粉的方法，所制备的钐铁氮的各元素及其原子百分比为(Sm1‑αRα)xFe100‑x‑y‑zMyIz，其中：R代表包括Y在内的除Sm以外的其他稀土金属的一种或多种；M代表3d4d过渡族金属的一种或多种；I代表间隙原子，是N、或N与C的组合、或N与H的组合、或N与C和H的组合；9.0≤x≤10.5，0≤y≤10，2≤z≤13.6，0≤α≤0.3；所述方法包括如下步骤：1)采用速凝薄片技术制备钐铁合金，分为含C和不含C两种情况：①当制备不包含C的钐铁合金时，钐铁合金各成分按分子式(Sm1‑αRα)xFe100‑x‑y‑zMyIz所示的原子百分比除I以外的成分进行配比，制备钐铁合金母合金；②当制备包含C的钐铁合金时，C在熔炼时加入，钐铁合金各成分按分子式(Sm1‑αRα)xFe100‑x‑y‑zMyCz'I'z‑z'所示的原子百分比除I'以外的成分进行配比，其中I'代表N或者N与H的组合，R、M、x、y、z和α如前所述，2≤z'≤6，且z'<z；2)使钐铁合金在氮气中或者氮气与氢气的混合气体进行气‑固相反应，形成钐铁氮合金(Sm1‑αRα)xFe100‑x‑y‑zMyIz；3)将钐铁氮合金进行气流磨和/或球磨，得到粒径在0.01～3μm的各向异性钐铁氮单晶颗粒磁粉。...

【技术特征摘要】
1.一种制备亚微米级各向异性钐铁氮单晶颗粒磁粉的方法，所制备的钐铁氮的各元素及其原子百分比为(Sm1-αRα)xFe100-x-y-zMyIz，其中：R代表包括Y在内的除Sm以外的其他稀土金属的一种或多种；M代表3d4d过渡族金属的一种或多种；I代表间隙原子，是N、或N与C的组合、或N与H的组合、或N与C和H的组合；9.0≤x≤10.5，0≤y≤10，2≤z≤13.6，0≤α≤0.3；所述方法包括如下步骤：1)采用速凝薄片技术制备钐铁合金，分为含C和不含C两种情况：①当制备不包含C的钐铁合金时，钐铁合金各成分按分子式(Sm1-αRα)xFe100-x-y-zMyIz所示的原子百分比除I以外的成分进行配比，制备钐铁合金母合金；②当制备包含C的钐铁合金时，C在熔炼时加入，钐铁合金各成分按分子式(Sm1-αRα)xFe100-x-y-zMyCz'I'z-z'所示的原子百分比除I'以外的成分进行配比，其中I'代表N或者N与H的组合，R、M、x、y、z和α如前所述，2≤z'≤6，且z'<z；2)使钐铁合金在氮气中或者氮气与氢气的混合气体进行气-固相反应，形成钐铁氮合金(Sm1-αRα)xFe100-x-y-zMyIz；3)将钐铁氮合金进行气流磨和/或球磨，得到粒径在0.01～3μm的各向异性钐铁氮单晶颗粒磁粉。2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述其他稀土金属包括La、Ce、Pt、Nd、Pm、Gd、Tb和Dy。3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述3d4d过渡族金属包括Ti、V、Cr、Mn、Co、Ni、Cu、Zn、Zv、Nb和Mo。4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤2)气-固相反应温度为200～600℃，时间2～100小时，气压为0.05～1.0MPa。5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤3)将钐铁氮合金进行气流磨和/或球磨，得到粒径小于1μm的亚微米级各向异性钐铁氮单晶颗粒磁粉。6.一...

【专利技术属性】
技术研发人员：程本培，陈海英，王心安，
申请(专利权)人：北京恒源谷科技股份有限公司，
类型：发明
国别省市：北京;11