纳米复相(Fe3B,α－Fe)/Nd2Fe14B磁性材料制备方法

摘要

本发明公开了一种纳米复相(Fe3B，α－Fe)/Nd2Fe14B磁性材料制备方法。其步骤为：1)制取合金蒸发靶材；2)蒸发合金，制取纳米粉末；3)收集粉末；4)原位加压制取高密度的纳米复相磁性材料，将合金粉末放入加压室内，先进行预热处理，然后升温并保温加压，降温并同时继续冷压直到合金材料的相对密度达到绝对密度的90％～95％。本发明的制备环境的真空度高，材料的含氧量低，制备装置对原材料的污染小，制备出的纳米颗粒圆滑，表面清洁，晶粒的完整性好，粒度的分布范围窄，颗粒比较的均匀，粒径大小较容易控制，能够控制软硬磁性相晶粒的大小与理论模型很好的符合，同时使用原位加压法能使材料的致密度很高。

说明书

                         技术领域

本发明涉及一种纳米复相(Fe₃B，α-Fe)·/Nd₂Fe₁₄B磁性材料制备方法。

                         背景技术

纳米复相磁性材料理论上具有很高的磁性能，其理论磁能积达到1000kJ/m³，是目前号称永磁之王的烧结钕铁硼的最大理论磁能积的几乎两倍。由于它同时含有硬磁相和软磁相，所以它既具有硬磁体的高矫顽力又具有软磁体的高磁导率，而且该材料的Nd含量低，因此降低了材料的成本。无论是从材料的磁性能还是生产成本来看，纳米复相磁性材料都是具有重要的应用前景。目前该材料的制备方法主要有熔体快淬法和机械合金法两种：

1)熔体快淬法，又称甩带法(melt-spinning)。这种方法是，选取磁性材料各组元的单质或合金，并去除氧化皮，按一定比例混合。把合金放入快淬炉中加热熔化，一般温度为1200℃左右。当熔融合金熔炼完毕后，通过一小直径的喷嘴注射到转动的铜鼓上，使熔融合金迅速冷却并凝固成快淬带。将快淬带适当进行热处理，粉碎后与粘接剂混合并压制成型，得到纳米复相(Fe₃B，α-Fe)/Nd₂Fe₁₄B粘结磁性材料。

2)机械合金法，也称高能球磨法(HEBM)。这种方法是将磁性材料各组元去除氧化皮并粉碎，然后按照一定的成份比混合，放入真空熔炼炉(真空度为10^-3左右)中进行熔炼(温度为1200～1300℃)。当固体熔化后，使合金快速冷却，得到了块状合金铸锭，采用粉碎机或震动球磨机对合金铸锭进行粗粉碎，使合金破碎成为粒径为10～40μm的粉末。将合金粉末和一定量的纯铁粉末均匀混合，再放入高能球磨机中球磨。球磨后的合金粉末，放入真空热处理炉当中，进行适当的晶化热处理之后与粘接剂混合并压制成型，得到纳米复相磁性材料。

虽然很多科学工作者对两种方法进行了不断的改进，但纳米复相磁性材料的实际磁性能与理论磁性能之间存在很大差距，主要原因是这两种方法用于制作纳米复相材料，软硬磁性相晶粒尺寸的大小与理想模型相差较远，软硬磁性相之间的交换耦合不够充分，而且材料晶粒的完整性较差，缺陷很多。

                          发明内容

本发明的目的是提供一种纳米复相(Fe₃B，α-Fe)/Nd₂Fe₁₄B磁性材料制备方法。

 纳米复相(Fe₃B，α-Fe)/Nd₂Fe₁₄B磁性材料制备方法的步骤为：

1)制取合金蒸发靶材

选取各组成成分的单质或合金，均匀混合并冶炼，制取合金蒸发靶材；

2)蒸发合金，制取纳米粉末

清除合金铸锭表面的氧化物和杂质，并在蒸发室内进行预热，同时抽真空，待真空度达到10^-6Pa后接着通入1～4kPa压力的高纯惰性气体，然后通过电弧加热，使靶材气化。纳米合金粉末在液氮冷阱上沉积；

3)收集纳米粉末并原位加压

在密闭的高真空的环境下用机械手收集粉末，放入原位加压室中。先进行预热处理，然后保温加压，降温并同时继续压制。

本发明方法的优点是：制备环境真空度高，材料的含氧量低；制备装置对原材料的污染小，制备出的纳米颗粒圆滑，表面清洁，晶粒的完整性好；粒径大小较易控制，分布范围窄，能够控制软硬磁性相晶粒的大小与理论模型较好符合。此外，使用原位加压法能使材料的致密度较高。

                        具体实施方式

上述磁性材料主要由硬磁性相和软磁性相两相构成，其成份比例式为：Nd_3～6Fe_70～80B_12.5～22.5Cu_0.1～1.5Cr_0.5～4.5，其中硬磁性相的相组成为：Nd₂Fe₁₄B，而软磁性相则为两个相共同构成：α-Fe、Fe₃B。

在电弧轰击靶材之前，需对合金进行预热处理，减少材料杂质含量，预热温度控制在400～700℃左右，并保温15～45min。

真空蒸发室当中的真空度为10^-6Pa以上。在蒸发室抽真空完成后，继续向真空蒸发室当中充入高纯的惰性气体(纯度要求大于99.999％)，一般使用He，其压力应控制在1～4kPa范围内。

在原位加压之前要对纳米粉末进行预热处理，除去材料当中的气体原子，预热温度为200～300℃，保温为3～10min。使用原位加压法对材料进行超高压压制，在加压的过程当中，同时对合金加热至350～750℃范围并保温3～15min，加压时间则为10～30min，最后使块体材料的相对密度达到绝对密度的90％～95％。

本发明方法的主要步骤具体说明如下：

1)制备蒸发靶材：选取高纯度的工业纯Fe、Nd、铁硼(B的含量大约为19％～21％)合金、Cr、Cu等作为原材料(纯度要求≥99.9％)，清除各材料的氧化皮和表面杂质，按一定的成份比例进行混合，合金的成分配比为：Nd_3～6Fe_70～80B_12.5～22.5Cu_0.1～1.5Cr_0.5～4.5，放入真空熔炼炉中进行熔炼，真空熔炼炉先进行抽真空并使真空度达到10^-4Pa后，充入一定量的高纯Ar气(其纯度大于99.999％)进行保护，合金熔化后快速冷却获得合金铸锭。

2)制取纳米粉末：清除合金铸锭表而的氧化薄膜和杂质层，将合金铸锭放入真空蒸发室的坩埚内，先使用电阻丝对合金铸锭进行预热，预热温度一般控制在400～700℃左右，并保温15～45min。对蒸发室和原位加压室同时进行抽真空，使蒸发室内的真空度达到10^-6Pa，停止抽真空并通入一定量的高纯He气(其纯度达到99.999％以上)，保持蒸发室内的惰性气体压力在1k～4kPa范围内。使用电弧轰击靶材，使靶材的温度迅速升高并气化。

3)纳米粉末的收集：合金气化并凝结在液氮冷阱上后，使用聚四氟乙烯刮刀将纳米粉末从冷阱上刮下来，并用冷阱正下方的漏斗收集，漏斗下面放有一个容器，收集完成，将容器从漏斗下拿出，放入原位加压室当中。

4)原位加压制取(Fe₃B，α-Fe)/Nd₂Fe₁₄B磁性材料：首先对粉末加热升温，使粉末升温到200～300℃后，保温3～10min，迅速升温到350～750℃范围内，在纳米粉末上施加1.1～2.5GPa的压力，纳米粉末在加热的条件下保持压力3～15min，快速降温，使温度降低到100℃左右，继续保持压力10～30min，使纳米粉末紧密。使用原位加压法，将合金粉末压制成一相对密度可达到90％～95％的块状纳米复相(Fe₃B，α-Fe)/Nd₂Fe₁₄B磁性材料。

通过本发明方法制备的纳米复相(Fe₃B，α-Fe)/Nd₂Fe₁₄B磁性材料，主要由硬磁性相Nd₂Fe₁₄B和软磁性相α-Fe和Fe₃B组成。根据成分和制备工艺参数的不同，有时也含一定量的其它非磁性相。硬磁性相的晶粒大小为30～50nm，软磁性相的粒度大小分布范围为10～60nm。软硬磁性相的晶粒界面清洁，晶粒完整性好。

实施例1：

1)选取工业用纯Nd、Fe、Cr、Cu(其纯度要求高于99.9)和铁硼合金(B的含量为33％)作为原材料，去除氧化皮和杂质，按合金组成Nd_4.5Fe_74.2Cu_0.3Cr_2.5B_18.5称量各原材料，进行混合。放入真空熔炼炉中进行熔炼，真空熔炼炉先进行抽真空并使真空度达到10^-4Pa后，充入一定量的Ar气进行保护(Ar气压力约为45kPa)，熔化后快速冷却。

2)清除合金铸锭表面的氧化薄膜和杂质层，放入真空蒸发室的坩埚内。先用电阻丝对合金铸锭进行预热，使合金温度加热到450℃左右，并保温30min。对蒸发室和原位加压室同时进行抽真空，使蒸发室内的真空度达到10^-6Pa，停止抽真空并通入一定量的高纯He气(其纯度达到99.999％以上)，使蒸发室内的惰性气体压力达到2kPa左右。使用电弧轰击靶材，使合金铸锭熔化并开始气化。

3)合金气化并凝结在液氮冷阱上后，收集纳米粉末，放入原位加压室当中。

4)对粉末加热升温，使粉末升温到200℃，保温5min，继续升温到680℃左右后，在纳米粉末上施加1.5GPa的压力，纳米粉末在加热的条件下保持压力3min，降温，使温度降低到100℃左右，继续保持压力20min左右。通过原位加压法压制后合金粉末将被压制成块状纳米复相磁性材料。

对实例1所制备的样品使用振动样品磁强计(VSM)对其进行磁性能的检测，所检测出的磁性能指标为：(BH)_max＝106.8kJ/m³，Br＝1.10T，Hc＝550A/m。然后对样品再进行相分析，确定了它的相组成：在该材料当中，主要是由硬磁性相和软磁性相组成，硬磁性相组成成份比为Nd₂Fe₁₄B；软磁性相则主要由两个相共同构成：α-Fe、Fe₃B。

实施例2：

1)选取工业用纯Nd、Fe、Cr、Cu(其纯度要求高于99.9)和铁硼合金(B的含量为33％)作为原材料，去除氧化皮和杂质，按合金组成Nd_5.5Fe_78.2Cu_0.5Cr_2.2B_20.5称量各原材料，进行混合。放入真空熔炼炉中进行熔炼，真空熔炼炉先进行抽真空并使真空度达到10^-4Pa后，充入一定量的Ar气进行保护(Ar气压力大约为45kPa)，合金熔化后快速冷却。

2)清除合金铸锭表面的氧化薄膜和杂质层，放入真空蒸发室的坩埚内。先用电阻丝对合金铸锭进行预热，使合金温度加热到450℃左右，并保温30min，对蒸发室和原位加压室同时进行抽真空，使蒸发室内的真空度达到10^-6Pa，停止抽真空并通入一定量的高纯He气(其纯度达到99.999％以上)，使蒸发室内的惰性气体压力达到2kPa左右。使用电弧轰击靶材，使合金铸锭熔化并开始气化。

3)合金气化并凝结在液氮冷阱上后，收集纳米粉末，放入原位加压室当中。

4)对粉末加热升温，使粉末升温到200℃，保温5min，继续升温到650℃左右后，在纳米粉末上施加1.5GPa的压力，纳米粉末在加热的条件下保持压力5min，降温，使温度降低到100℃左右，继续保持压力20min左右，通过原位加压法压制后合金粉末将被压制成一相对密度可达到90％～95％的块状纳米复相(Fe₃B，α-Fe)/Nd₂Fe₁₄B磁性材料。

对实例2所制备的样品使用振动样品磁强计(VSM)对其进行磁性能的检测，所检测出的磁性能指标为：(BH)_max＝95.8kJ/m³，Br＝1.12T，Hc＝500A/m。对样品再进行了相分析，确定了它的相组成：在该材料当中，主要是由硬磁性相和软磁性相组成，硬磁性相组成成份比为Nd₂Fe₁₄B；软磁性相则主要由两个相共同构成：α-Fe、Fe₃B。