电磁凝固Nd-Fe-B永磁速凝片及制备方法

摘要

一种电磁凝固Nd-Fe-B永磁速凝片及制备方法，属于稀土永磁材料技术领域。电磁凝固Nd-Fe-B永磁速凝片的合金成分化学式为：(Nd，R轻,R重)2(Fe,TM)14B，化学式中各成分的重量百分含量为Nd 13-27%；R轻10-40%；R重 2-9%；Fe 57-68%；B 1-1.2%；另外还包括其他微量元素TM为 Co 3-10%，Ga≤0-1%; Cu≤0.5-2%; Al≤0.3-1.5%；Nb≤0.1-0.6%。轻稀土 R轻为Ce 0-35%或La 0-20%、Pr 0-15%；重稀土R重为Dy 0-9% 或Tb 0-6%。速凝过程是在交变磁场或静磁场中进行，磁场强度在0.1-0.5T之间且垂直于辊面；交变磁场的频率范围在1500-12000Hz之间；静场磁场由钐钴磁辊提供。优点在于，速凝薄片的成分均匀，且整个断面都被柱状晶贯穿，织构度明显提高。

说明书

技术领域

本发明属于稀土永磁材料技术领域，特别是涉及一种电磁凝固Nd-Fe- B永磁速凝片及制备方法。

背景技术

在现有技术中，人们利用快速凝固铸片（简称：速凝薄片）作为母合 金，通过后续的磨粉、磁场取向成型、烧结等工艺制备高性能永磁材 料，主要目的是提高铁磁性相在Nd₂Fe₁₄B磁体中的体积分数，使合金中 的Nd的含量接近当量成分(27wt%)，同时，阻止α-Fe的析出，改善母 合金带的质量。在现有技术制备出的Nd-Fe-B永磁速凝合金薄片的织构 度较低。通常定义，许多晶粒取向集中分布在某一或某些取向位置附 近时称为择优取向，择优取向的多晶体取向结构称为织构（Preferre d Orientation Distribution）。现有速凝工艺，由于要求控制浇 铸钢液的温度漂移在较窄范围，而实际操作中难以控制，致使速凝薄 片边缘与中部厚薄不均，成分与结构不均匀，主相成分仍有可能偏离 化学计量比，难以得到表面光滑、平整、成分均匀的速凝薄片，现有 技术制备的速凝薄片，不能直接用于生产高性能烧结稀土永磁体的单 畴磁粉。

早在20世纪50年代，法国就开始对电磁场中的凝固现象进行了研究， 并把电磁凝固技术应用在板材的连铸中，以图实现高速连铸，无缺陷 连铸。目前，各国都注重发展电磁技术的应用研究，主要集中在各种 有色金属合金制造中，如铝合金、低熔点的Pb-Sn合金、Fe-C合金及一 些复合材料等方面。

电磁铸造分电磁模铸、电磁无模铸造和电磁连铸等．基本是通过电磁 力对熔融金属液起抑制或搅拌作用。能细化晶粒．抑制枝状晶的生长 。通过控制晶粒的大小和元素的分布达到改善材料性能的目的。但在 以往的研究中，还没有将电磁凝固技术用于Nd-Fe-B永磁速凝薄片制备 方面的报道，特别是像本发明这样的成分，以及在速凝辊的两侧施加 电磁场（见图1、2），通过调整电磁场的属性（直流或交流）和频率 ，对Nd-Fe-B永磁速凝薄片进行电磁力处理。

本发明给出的发明给出的电磁凝固Nd-Fe-B永磁速凝片及制备技术，保 证了高熔点、活泼金属的无污染熔炼，明显的减少了缩孔、夹杂等材 料晶格缺陷，容易得到宏观上表面光滑、平整，微观上晶粒细小、组 织致密、成分与结构均匀的速凝薄片。不同的电磁场产生的电磁力大 小、形状、方向都不同，对凝固组织的影响也不同。直流磁场产生的 直流磁束既可抑制液态金属中的自然对流，也可抑制固液界面处的晶 核生长，从而有利于形成柱状晶组织，为发展单晶体提供了有利条件 。在低频交流磁场作 用于熔融金属时，则产生定时改变方向和大小的体积力。该力可对正 在凝固中的熔融金属实施搅拌，使凝固界面产生结晶的熔解、枝晶的 折断与脱开，同时使结晶核移动呈活泼状态，并促使结晶组织等轴晶 化。但如在感应圈中通入高频电流、并使液固界面始终处在反应圈中 强磁场的位置，都会使液固界面沿垂直于辊面方向的温度梯度增大， 从而增大了获得柱状晶的可能性。另一方面，速凝薄片实际上是在自 由表面上结晶，在电磁场的作用下，由于明显的减少了缩孔、夹杂等 材料晶格缺陷，难以形成晶核，如提高合金纯度或增大垂直于辊面方 向的温度梯度都会增大获得纵向柱状晶的生长倾向。

利用本发明给出的电磁凝固Nd-Fe-B永磁速凝片及制备技术，可以制备 高质量速凝薄片，用于生产综合磁性能H_cj(kOe)+(BH)_max(MGOe)>70的磁 体。

发明内容

本发明的目的在于提供一种电磁凝固Nd-Fe-B永磁速凝片及制备方法， 得到可以直接使用的高性能永磁原料。

本发明的电磁凝固Nd-Fe-B永磁速凝片的合金成分化学式为：(Nd,R_轻, R_重)₂(Fe,TM)₁₄B，其中，轻稀土 R_轻为Ce、La或Pr， R_轻的含量占总稀 土含量的10%-40%，(重量%，以下同)；重稀土R_重为Dy或Tb；TM为 Co 、Ga、Cu、Al或Nb。

化学式中各成分的重量百分含量为Nd 13-27%；R_轻10-40%；R_重 2-9% ；Fe 57-68%；B 1-1.2%；另外还包括其他微量元素TM：Co 3-10% ，Ga 0-1%; Cu 0.5-2%; Al 0.3-1.5%；Nb 0.1-0.6%；其中， 所述轻稀土R_轻为Ce、La、Pr的组合，至少包括Ce 0-35%或La 0-20% 、Pr 0-15%；所述重稀土R_重为Dy、Tb的组合，至少包括Dy 0-9% 或 Tb 0-6%。

本发明的制备方法包括如下工艺步骤：

（1）按化学式 (Nd,R_轻,R_重)₂(Fe,TM)₁₄B各成分的重量百分含量配制原 料，将配制好原料装进坩埚，抽真空至(1-5)×10^-4Pa，送中频电流使 其完全熔化，且合金液温度上升至1400-1600℃时，待合金液成分混合 均匀。

其中，轻稀土 R_轻= Ce、La 、Pr， R_轻的含量占总稀土含量的10% -40%，(重量%，以下同)；重稀土R_重=Dy、Tb。TM= Co、Ga、Cu、Al、 Nb。

化学式中各成分的重量百分含量为：Nd 13-27%；R_轻10-40%；R_重 2- 9%；Fe 57-68%；B 1-1.2%；另外还包括其他微量元素TM：Co 3-1 0%，Ga 0-1%; Cu 0.5-2%; Al 0.3-1.5%；Nb 0.1-0.6%；其中 ，所述轻稀土R_轻为Ce、La、Pr的组合，至少包括Ce 0-35%或La 0-2 0%、Pr 0-15%；所述重稀土R_重为Dy、Tb的组合，至少包括Dy 0-9%  或Tb 0-6%。

（2）开启导流槽和冷却辊表面上方的电磁场控制系统，产生磁场的线 圈平面平行与辊面，使磁场垂直于辊面；采用频率范围在1500-12000 Hz之间的交变磁场，磁场可调范围在0.1-0.5T之间。也可用耐高温钐 钴磁体做成磁辊，以提供垂直于辊面的磁场。线圈与辊之间有耐火材 料相隔，避免导线与速凝鳞片接触或由于过热导致导线熔化（见 图1、2）。

（3）控制辊的表面初始温度保持在100-500℃范围恒定；控制辊速在 1m-12m/s。

（4）让合金液从导流槽流到冷却辊表面上。Nd-Fe-B永磁速凝鳞片在 强冷及电磁力的作用下在辊面上约束成型，辊旋转拉伸速凝薄片，并 将其送入转动的水冷储料罐中，得到厚度在0.10-0.45mm，织构度较高 的速凝片。

速凝薄片自由面XRD谱显示(006)、(004)、(008)晶面的衍射峰最强， 速凝薄片织构的形成方向与柱状晶的〈00L〉方向平行。通过控制辊速 和直流（或交流）磁场大小调整Nd-Fe-B永磁速凝鳞片微观组织与性能 ，由此可得到厚度在0.10-0.45mm，织构度较高的速凝片。然后将速凝 鳞片制备成磁体。作为制备磁能积在50MGOe以上的高性能稀土永磁材 料的母合金带使用，它解决了常规母合金定成分偏析的问题。

本发明的发明人发现，在特定的成分、速凝工艺参数和速凝辊的材质 配合下，可以得到结构优异的速凝薄片，即c轴的排列垂直于辊面的取 向性的速凝薄片。因此，本发明一种Nd-Fe-B永磁速凝薄片及电磁凝固 制备方法的关键为：A. 一种Nd-Fe-B永磁速凝薄片的合金成份、B.  Nd-Fe-B永磁速凝薄片的电磁凝固技术方法。C.这种可直接使用的、结 构均匀的速凝薄片，其自由面的XRD谱显示(00L)晶面的衍射峰最强。

本发明的优点积极效果

本发明给出的一种Nd-Fe-B永磁速凝薄片及电磁凝固制备方法，主要合 金元素的作用为提供一种制备低钕、低重稀土高性能钕铁硼永磁体母 合金带的成分配方。采用常规工艺，Nd-Fe-B永磁速凝薄片有明显的分 布不均匀，即贴辊面有多处的非晶、纳米晶区，柱状晶区分布混乱， 很少贯穿横截面，并且织构度低。采用本发明方法，在选直流磁场或 特定的频率下，速凝薄片的整个断面都贯穿着均匀柱状晶，织构度明 显提高（见图3）。

附图说明

图1为电磁凝固Nd-Fe-B永磁速凝片及制备技术原理示意图。

图2为电磁凝固Nd-Fe-B永磁速凝片及制备技术原理正面示意图。

图3为本发明实施例Nd-Fe-B永磁速凝薄片的自由面X衍射图谱。

具体实施方式

本发明一种电磁凝固Nd-Fe-B永磁速凝片及制备技术，包括如下工艺步 骤：

1）可熔炼多种成分配比的(Nd,R_轻,R_重)₂(Fe,T)₁₄B合金，见表1列出了可 供选择的10种成分。将选定原料装进坩埚，抽真空至3×10^-4Pa，送中 频电流使合金液温度上升至1450℃时，待合金液成分混合均匀。

2）开启电磁场控制系统，调整辊速，相关技术参数见表2。在表2中， 频率为零对应着使用耐高温钐钴永磁辊，频率不为零对应着使用其它 常规辊。将合金液以一定的流速倒入导流槽，让合金液以一定的流速 和流量从导流槽流到冷却辊表面上。辊旋转 拉伸速凝薄片并将其送入转动的水冷储料罐中，由此可得到织构度较 高的速凝片。速凝薄片自由面XRD谱显示(006)、(004)、(008)晶面的 衍射峰最强，速凝薄片织构的形成方向与柱状晶的〈00L〉方向平行（ 见图3）。

选择本发明实施例表1中给出的10个成分，按上述工艺制备速凝薄片， 然后制备磁体，烧结温度和时间见表2，快冷后，在900℃回火2小时， 然后再在500℃回火2小时，最后得到的磁体性能见表3。

表1为本发明实施例一种电磁凝固Nd-Fe-B永磁速凝片初始化学成分； 表2为本发明实施例电磁凝固Nd-Fe-B永磁速凝片制备技术工艺。表3为 本发明实施例电磁凝固Nd-Fe-B永磁速凝片制备磁体的磁性能。

表1:本发明实施例的电磁凝固Nd-Fe-B永磁凝片初始化学成分(wt%)

表2为本发明实施例电磁固永磁速凝片制备技术工艺

表3:本发明实施例电磁凝永磁速薄片制备磁体的磁性能

1(1)+2(4)表示表1中的序号1成分，使用表2中的序号4工艺条件。不同 的成分对应不同的工艺可制备出不同性能的磁体。