一种用于钕磁铁生产的合金原料铸造成型方法与流程

[0001]
本发明涉及多合金永磁体制备以及合金铸造方法技术领域，具体涉及一种用于钕磁铁生产的合金原料铸造成型方法。


背景技术：

[0002]
磁性合成材料是近年发展起来的新型材料，是现代科学技术领域的重要基础材料之一。钕铁硼强磁铁无疑是其中的佼佼者。钕铁硼永磁材料是以金属间化合物nd2fe
14
b为基础的永磁材料。相对于铸造al-ni-co系永磁材料和铁氧体永磁材料，具有极高的磁能积和矫顽力，可吸起相当于自身重量的640倍的重物。高能量密度的优点使钕铁硼永磁材料在现代工业和电子技术中获得了广泛应用。随着钕铁硼永磁材料等新型稀土材料的高速增长，刺激了稀土行业的快速发展，也导致了各稀土元素应用极不平衡，这也进一步导致了钕铁碰永磁材料常用稀土元素价格直线上升，制备成本随之大幅增加。
[0003]
近年来也有部分研究涉及在钕铁硼永磁材料中添加其他稀土元素如金属钇等，但单一合金添加金属钇会导致磁体的剩磁和磁能积大幅下降，为避免这一缺陷，部分研究需添加其他高成本金属来解决这一问题，但这样做就无法达到降低成本的目标，使得金属钇的添加失去意义，部分研究不将金属钇添加到合金中，而是选择在永磁材料表面制备金属钇膜，但这会导致制备工艺复杂，且对工艺要求极为严格，否则会由于界面缺陷导致永磁材料整体性能的下降。
[0004]
同时，金属钇及其他调整用金属的加入，熔炼后的晶相会发生复杂的变化，这也使合金铸造工艺受到了考验，完全采用传统的铸造工艺，虽然也能够得到符合工业生产要求的产品，但不能充分凸显出新配方的优势。另外，仅通过铸造后的烧结、回火步骤的调整，不能完全消除添加金属钇导致的磁体的剩磁和磁能积大幅下降问题。


技术实现要素：

[0005]
为解决上述问题，本发明提供一种用于钕磁铁生产的合金原料铸造成型方法，包括以下步骤：
[0006]
(1)按合金配方取合金原料进行真空熔炼；
[0007]
(2)分步骤对熔炼后的合金原料进行吸藏氢；
[0008]
(3)程序升/降温下进行脱氢；
[0009]
(4)程序降温速凝铸片得到用于钕磁铁生产的合金原料铸片。
[0010]
步骤(1)所述合金配方包括以下元素：nd、y、b、fe。
[0011]
优选地，所述合金原料包括稀土金属nd、y、b、fe。
[0012]
优选地，所述合金材料取料比例为，按质量份数计，稀土金属nd23-26份，y5-10份，b0.9-0.95份，fe63-68份。
[0013]
优选地，步骤(1)所述合金配方包括以下元素：pr、nd、y、b、fe。
[0014]
优选地，所述合金原料包括稀土金属prnd、y、b、fe。
[0015]
优选地，所述合金材料取料比例为，按质量份数计，稀土金属prnd23-26份，y5-10份，b0.9-0.95份，fe63-68份。
[0016]
优选地，步骤(1)所述合金配方还包括以下元素：ga、zr、cu、co、al。
[0017]
优选地，所述合金原料还包括稀土金属nd、ga、zr、cu、co、al。
[0018]
优选地，所述合金材料取料比例为，按质量份数计，稀土金属prnd28-30份，y5-10份，b0.9-0.95份，fe63-68份，nb0.1-0.3份，ga0.1-0.3份，zr0.1-0.3份，cu0.1-0.5份，co0.5-1份，al0.1-0.5份。
[0019]
优选地，步骤(1)所述真空熔炼，配方中的每种合金组分分别熔炼，真空度为1.5
×
10-1-8.5
×
10-1pa。
[0020]
优选地，步骤(2)所述分步骤进行吸藏氢，具体为：首先对熔炼后的稀土金属prnd和y进行吸藏氢；将熔炼后的稀土金属全部混合后再次进行吸藏氢。对熔炼后的稀土金属prnd进行吸藏氢具体为：熔炼后的稀土金属prnd在996℃下开始进行吸藏氢，2-5min后，在吸藏氢过程中以20-50℃/min的速率升温至1132℃，保温继续吸藏氢6-10min。对熔炼后的稀土金属y进行吸藏氢具体为：熔炼后的稀土金属y在1337℃下开始进行吸藏氢，1-3min后，在吸藏氢过程中以50-100℃/min的速率升温至1426℃，保温继续吸藏氢4-6min。稀土金属全部混合后进行的吸藏氢具体为：混合后的熔炼稀土金属在1007℃下开始进行吸藏氢，2-4min后，在吸藏氢过程中以50-100℃/min的速率升温至1259℃，保温继续吸藏氢5-8min。
[0021]
优选地，步骤(3)具体为：保持温度不变，抽真空，在真空下保温7-10min，保持真空度，以20-50℃/min的速率降温至580℃，保持10-15min。
[0022]
优选地，所述抽真空，压力为-0.040
–
0.010mpa。
[0023]
优选地，步骤(4)所述程序降温速凝铸片，具体为：在真空条件下，将合金继续升温加热至1130-1260℃，保温1-5min；以500-900℃/min的速率降温至780-830℃，迅速进行带状铸造；得到铸片后材料温度为620-760℃，保持该温度1-30min；自然冷却至室温。
[0024]
优选地，步骤(4)所述速凝铸片中，带状铸造的压力为2.5
×
10
2-8
×
103pa，铸片厚度为0.4-0.6mm。
[0025]
有益效果
[0026]
本发明的有益效果在于：
[0027]
本发明提供的方法适用于钕铁硼永磁材料中使用的合金原料的铸造，该方法通过对熔炼后的合金原料进行吸藏氢和脱氢操作，配合吸藏氢和脱氢操作过程中特定的升降温程序，加之在速凝铸片中的特定升降温及保温程序，克服添加金属y对钕铁硼永磁材料带来的材料缺陷，无需通过添加其他金属元素来提升性能，如果配合添加其他元素，将得到更好的材料性能。
[0028]
本发明真空熔炼所需真空度要求较常规方法要求低，对设备要求不高，同时节约能源。
[0029]
本发明速凝铸片步骤中所要求的压力较常规方法低，相应地，铸片厚度也较大，在节能环保的基础上，由于吸藏氢/脱氢步骤配合其他技术特征(包括升降温程序中的特定温度或特定时间之间的关系)的贡献，加之合金元素的选取合理，所得铸片经后续加工后得到的永磁材料性能未受到负面影响。
具体实施方式
[0030]
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。
[0031]
除非特别指出，以下实施例和对比例为平行试验，采用同样的处理步骤和参数。
[0032]
实施例1用于钕磁铁生产的合金原料铸造成型：
[0033]
(1)按合金配方取合金原料进行真空熔炼；
[0034]
(2)分步骤对熔炼后的合金原料进行吸藏氢；
[0035]
(3)程序升/降温下进行脱氢；
[0036]
(4)程序降温速凝铸片得到用于钕磁铁生产的合金原料铸片。
[0037]
步骤(1)所述合金配方包括以下元素：nd、y、b、fe。所述合金原料包括稀土金属nd、y、b、fe。所述合金材料取料比例为，按质量份数计，稀土金属nd23份，y5份，b0.9份，fe63份。
[0038]
步骤(1)所述真空熔炼，配方中的每种合金组分分别熔炼，真空度为1.5
×
10-1
pa。
[0039]
步骤(2)所述分步骤进行吸藏氢，具体为：首先对熔炼后的稀土金属prnd和y进行吸藏氢；将熔炼后的稀土金属全部混合后再次进行吸藏氢。对熔炼后的稀土金属prnd进行吸藏氢具体为：熔炼后的稀土金属prnd在996℃下开始进行吸藏氢，2min后，在吸藏氢过程中以20℃/min的速率升温至1132℃，保温继续吸藏氢6min。对熔炼后的稀土金属y进行吸藏氢具体为：熔炼后的稀土金属y在1337℃下开始进行吸藏氢，1min后，在吸藏氢过程中以50℃/min的速率升温至1426℃，保温继续吸藏氢4min。吸土金属全部混合后进行的吸藏氢具体为：混合后的熔炼稀土金属在1007℃下开始进行吸藏氢，2min后，在吸藏氢过程中以50℃/min的速率升温至1259℃，保温继续吸藏氢5min。
[0040]
步骤(3)具体为：保持温度不变，抽真空，在真空下保温7min，保持真空度，以20℃/min的速率降温至580℃，保持10min。所述抽真空，压力为-0.040mpa。
[0041]
步骤(4)所述程序降温速凝铸片，具体为：在真空条件下，将合金继续升温加热至1130-1260℃，保温1min；以500℃/min的速率降温至780-830℃，迅速进行带状铸造；得到铸片后材料温度为620-760℃，保持该温度5min；自然冷却至室温。
[0042]
步骤(4)所述速凝铸片中，带状铸造的压力为2.5
×
102pa，铸片厚度为0.4mm。
[0043]
得到铸片后，采用对比例1相同方法(相同步骤及参数)对所得铸片进行混合氢碎、气流磨磨粉得到合金粉末；磨粉后的合金粉末在磁场压机中制备成生坯；所得生坯经烧结、热处理，得到添加钇元素的钕磁铁。
[0044]
实施例2用于钕磁铁生产的合金原料铸造成型：
[0045]
(1)按合金配方取合金原料进行真空熔炼；
[0046]
(2)分步骤对熔炼后的合金原料进行吸藏氢；
[0047]
(3)程序升/降温下进行脱氢；
[0048]
(4)程序降温速凝铸片得到用于钕磁铁生产的合金原料铸片。
[0049]
步骤(1)所述合金配方包括以下元素：pr、nd、y、b、fe。所述合金原料包括稀土金属prnd、y、b、fe。所述合金材料取料比例为，按质量份数计，稀土金属prnd26份，y10份，b0.95份，fe68份。
[0050]
步骤(1)所述真空熔炼，配方中的每种合金组分分别熔炼，真空度为8.5
×
10-1
pa。
[0051]
步骤(2)所述分步骤进行吸藏氢，具体为：首先对熔炼后的稀土金属prnd和y进行吸藏氢；将熔炼后的稀土金属全部混合后再次进行吸藏氢。对熔炼后的稀土金属prnd进行吸藏氢具体为：熔炼后的稀土金属prnd在996℃下开始进行吸藏氢，2min后，在吸藏氢过程中以20℃/min的速率升温至1132℃，保温继续吸藏氢10min。对熔炼后的稀土金属y进行吸藏氢具体为：熔炼后的稀土金属y在1337℃下开始进行吸藏氢，3min后，在吸藏氢过程中以100℃/min的速率升温至1426℃，保温继续吸藏氢6min。吸土金属全部混合后进行的吸藏氢具体为：混合后的熔炼稀土金属在1007℃下开始进行吸藏氢，4min后，在吸藏氢过程中以100℃/min的速率升温至1259℃，保温继续吸藏氢8min。
[0052]
步骤(3)具体为：保持温度不变，抽真空，在真空下保温10min，保持真空度，以50℃/min的速率降温至580℃，保持15min。所述抽真空，压力为0.010mpa。
[0053]
步骤(4)所述程序降温速凝铸片，具体为：在真空条件下，将合金继续升温加热至1130-1260℃，保温5min；以900℃/min的速率降温至830℃，迅速进行带状铸造；得到铸片后材料温度为620-760℃，保持该温度30min；自然冷却至室温。
[0054]
步骤(4)所述速凝铸片中，带状铸造的压力为8
×
103pa，铸片厚度为0.6mm。
[0055]
得到铸片后，采用对比例2相同方法(相同步骤及参数)对所得铸片进行混合氢碎、气流磨磨粉得到合金粉末；磨粉后的合金粉末在磁场压机中制备成生坯；所得生坯经烧结、热处理，得到添加钇元素的钕磁铁。
[0056]
实施例3用于钕磁铁生产的合金原料铸造成型：
[0057]
(1)按合金配方取合金原料进行真空熔炼；
[0058]
(2)分步骤对熔炼后的合金原料进行吸藏氢；
[0059]
(3)程序升/降温下进行脱氢；
[0060]
(4)程序降温速凝铸片得到用于钕磁铁生产的合金原料铸片。
[0061]
步骤(1)所述合金配方包括以下元素：pr、nd、y、b、fe、ga、zr、cu、co、al。所述合金原料包括稀土金属prnd、y、b、fe、nd、ga、zr、cu、co、al。所述合金材料取料比例为，按质量份数计，稀土金属prnd29份，y7份，b0.9份，fe65份，nb0.2份，ga0.2份，zr0.2份，cu0.3份，co0.7份，al0.3份。
[0062]
步骤(1)所述真空熔炼，配方中的每种合金组分分别熔炼，真空度为5.5
×
10-1
pa。
[0063]
步骤(2)所述分步骤进行吸藏氢，具体为：首先对熔炼后的稀土金属prnd和y进行吸藏氢；将熔炼后的稀土金属全部混合后再次进行吸藏氢。对熔炼后的稀土金属prnd进行吸藏氢具体为：熔炼后的稀土金属prnd在996℃下开始进行吸藏氢，3min后，在吸藏氢过程中以30℃/min的速率升温至1132℃，保温继续吸藏氢8min。对熔炼后的稀土金属y进行吸藏氢具体为：熔炼后的稀土金属y在1337℃下开始进行吸藏氢，2min后，在吸藏氢过程中以70℃/min的速率升温至1426℃，保温继续吸藏氢5min。吸土金属全部混合后进行的吸藏氢具体为：混合后的熔炼稀土金属在1007℃下开始进行吸藏氢，3min后，在吸藏氢过程中以70℃/min的速率升温至1259℃，保温继续吸藏氢6min。
[0064]
步骤(3)具体为：保持温度不变，抽真空，在真空下保温8min，保持真空度，以30℃/min的速率降温至580℃，保持12min。所述抽真空，压力为-0.010mpa。
[0065]
步骤(4)所述程序降温速凝铸片，具体为：在真空条件下，将合金继续升温加热至
1130-1260℃，保温3min；以700℃/min的速率降温至780-830℃，迅速进行带状铸造；得到铸片后材料温度为620-760℃，保持该温度20min；自然冷却至室温。
[0066]
步骤(4)所述速凝铸片中，带状铸造的压力为3
×
103pa，铸片厚度为0.4-0.6mm。
[0067]
得到铸片后，采用对比例3相同方法(相同步骤及参数)对所得铸片进行混合氢碎、气流磨磨粉得到合金粉末；磨粉后的合金粉末在磁场压机中制备成生坯；所得生坯经烧结、热处理，得到添加钇元素的钕磁铁。
[0068]
对比例1添加钇元素的钕磁铁加工：
[0069]
(1)按合金配方取合金原料，真空熔炼；
[0070]
(2)所得合金进行速凝铸片；
[0071]
(3)所得铸片经混合氢碎、气流磨磨粉得到合金粉末；
[0072]
(4)磨粉后的合金粉末在磁场压机中制备成生坯；
[0073]
(5)所得生坯经烧结、热处理，得到添加钇元素的钕磁铁；
[0074]
步骤(1)所述合金配方包括以下元素：nd、y、b、fe。
[0075]
所述合金原料包括稀土金属nd、y、b、fe。
[0076]
所述合金材料取料比例为，按质量份数计，稀土金属nd23份，y5份，b0.9份，fe63份。
[0077]
步骤(1)所述真空熔炼，真空度为1.5
×
10-1
pa。
[0078]
步骤(2)所述速凝铸片，具体为：在真空条件下，将合金以500℃/min的速率降温至780-830℃，迅速进行带状铸造；自然冷却至室温。压力为2.5
×
102pa，铸片厚度为0.4mm。
[0079]
步骤(3)所得合金粉末，粒度为2.2-4.3μm。
[0080]
步骤(4)所述磁场压机磁场强度为2t。
[0081]
步骤(5)所述烧结，真空度为5.5
×
10-1
pa。
[0082]
步骤(5)所述烧结，为阶梯烧结，首先以200℃/min速率升温至第一烧结温度t11200℃，保温0.5h；以50℃/min速率降温至第二烧结温度t2880℃，保温第二烧结时间t21h；以50℃/min速率升温至第三烧结温度t3980℃，保温0.5h。
[0083]
步骤(5)所述热处理，包括第一次自然冷却、一级回火、二级回火和第二次自然冷却，所述第一次自然冷却，随炉自然冷却至回火前温度t
m
。所述一级回火，以100℃/min升温至一级回火温度t
t1
，保温时间为一级回火时间t
t1
；所述二级回火，以250℃/min降温至二级回火温度t
t2
，保温时间为二级回火时间t
t2
。所述第二次自然冷却，随炉自然冷却至室温。
[0084]
所述t
t2
＝2t
t1
。
[0085]
对比例2添加钇元素的钕磁铁加工：
[0086]
(1)按合金配方取合金原料，真空熔炼；
[0087]
(2)所得合金进行速凝铸片；
[0088]
(3)所得铸片经混合氢碎、气流磨磨粉得到合金粉末；
[0089]
(4)磨粉后的合金粉末在磁场压机中制备成生坯；
[0090]
(5)所得生坯经烧结、热处理，得到添加钇元素的钕磁铁；
[0091]
步骤(1)所述合金配方包括以下元素：pr、nd、y、b、fe。
[0092]
所述合金原料包括稀土金属prnd、y、b、fe。
[0093]
所述合金材料取料比例为，按质量份数计，稀土金属prnd26份，y10份，b0.95份，fe68份。
[0094]
步骤(1)所述真空熔炼，真空度为8.5
×
10-1
pa。
[0095]
步骤(2)所述速凝铸片具体为：在真空条件下，将合金以900℃/min的速率降温至780-830℃，迅速进行带状铸造；自然冷却至室温。压力为8
×
103pa，铸片厚度为0.6mm。
[0096]
步骤(3)所得合金粉末，粒度为2.7-3.0μm。
[0097]
步骤(4)所述磁场压机磁场强度为2t。
[0098]
步骤(5)所述烧结，真空度为9
×
10-2
pa。
[0099]
步骤(5)所述烧结，为阶梯烧结，首先以300℃/min速率升温至第一烧结温度t11250℃，保温0.75h；以100℃/min速率降温至第二烧结温度t2910℃，保温第二烧结时间t22.5h；以100℃/min速率升温至第三烧结温度t31050℃，保温2h。
[0100]
步骤(5)所述热处理，包括第一次自然冷却、一级回火、二级回火和第二次自然冷却，所述第一次自然冷却，随炉自然冷却至回火前温度t
m
。所述一级回火，以200℃/min升温至一级回火温度t
t1
，保温时间为一级回火时间t
t1
；所述二级回火，以300℃/min降温至二级回火温度t
t2
，保温时间为二级回火时间t
t2
。所述第二次自然冷却，随炉自然冷却至室温。
[0101]
所述t
t2
＝2t
t1
。
[0102]
对比例3添加钇元素的钕磁铁加工：
[0103]
(1)按合金配方取合金原料，真空熔炼；
[0104]
(2)所得合金进行速凝铸片；
[0105]
(3)所得铸片经混合氢碎、气流磨磨粉得到合金粉末；
[0106]
(4)磨粉后的合金粉末在磁场压机中制备成生坯；
[0107]
(5)所得生坯经烧结、热处理，得到添加钇元素的钕磁铁；
[0108]
步骤(1)所述合金配方包括以下元素：pr、nd、y、b、fe、ga、zr、cu、co、al。
[0109]
所述合金原料包括稀土金属prnd、y、b、fe、nd、ga、zr、cu、co、al。
[0110]
所述合金材料取料比例为，按质量份数计，稀土金属prnd29份，y7份，b0.9份，fe65份，nb0.2份，ga0.2份，zr0.2份，cu0.3份，co0.7份，al0.3份。
[0111]
步骤(1)所述真空熔炼，真空度为5.5
×
10-1
pa。
[0112]
步骤(2)所述速凝铸片具体为：在真空条件下，将合金以700℃/min的速率降温至780-830℃，迅速进行带状铸造；自然冷却至室温，速凝铸片压力为3
×
103pa，铸片厚度为0.4-0.6mm。
[0113]
步骤(3)所得合金粉末，粒度为2.7-3.0μm。
[0114]
步骤(4)所述磁场压机磁场强度为2t。
[0115]
步骤(5)所述烧结，真空度为2.5
×
10-1
pa。
[0116]
步骤(5)所述烧结，温度为1040-1070℃，时间为3h；所述热处理，为在600-650℃失效热处理，时间为4h。
[0117]
性能检测：
[0118]
以对比例3为例：进行退磁等试验检测，得到退磁曲线等数据，参数具体如下：br:14.12-14.21；hcj:13.3-13.9；hk/hcj:96％-98.2％；(bh)max:48.5-49.2。在2.0个大气压，
温度120℃条件下，实验240小时，失重1.8mg/mm3。氧含量700-1000ppm。
[0119]
在数据对比方面：性能参数从优到劣排列依次为：实施例1、实施例2、实施例3、对比例2、对比例1、对比例3；从性能比对可以看出，本发明提供的合金材料的铸造方法，对最终磁性材料的性能影响，远大于后续烧结/回火步骤中的参数调节对性能的影响，也大于对合金材料配方的调整所带来的影响，采用本发明提供的方法，即使不额外添加其他元素，也能够避免金属y的添加所带来的材料缺陷，提升材料整体性能，当然，如果配合对合金配方的调整及后续烧结/回火参数的调节，那么材料的性能提升会更加明显。
[0120]
以上对本发明优选的具体实施方式和实施例作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式和实施例，在本领域技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明构思的前提下作出各种变化。

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