本发明专利技术公开了一种超高矫顽力低Co型Sm-Co纳米晶合金的制备方法，属于纳米材料、新型功能材料和粉末冶金技术领域。首先将纯度为99.95％以上的稀土元素Sm、纯度为99.9％以上的Co按摩尔比1∶x配制成目标成分的母合金；用真空感应熔炼炉熔炼成SmCox合金铸锭，再将合金铸锭进行长时间的均匀化退火；然后在氩气保护下将退火后的合金破碎成粉末；将粉末进行高能球磨后制备出非晶态的合金粉末。最后利用已有的放电等离子烧结技术将非晶粉末快速烧结成型，获得单相SmCox纳米晶块体材料。本发明专利技术方法不必添加任何元素而制备超高矫顽力低Co型Sm-Co合金，工艺路线简单、流程短、技术参数的可控性强。
Preparation method of ultra-high coercive force low Co type Sm-Co nanocrystalline alloy
The invention discloses a preparation method of an ultra-high coercive force low Co type Sm-Co nanocrystalline alloy, belonging to the field of nanometer materials, novel functional materials and powder metallurgy technology. The purity of rare earth elements above 99.95% Sm, the purity of Co mol ratio of more than 99.9% 1: X preparation of master alloy target components; vacuum induction melting furnace smelting SmCox alloy ingot, the alloy ingot homogenizing annealing for long time; then in argon protection under the alloy after annealing crushed into powder; the powder milling prepared amorphous alloy powder. Finally, using the existing spark plasma sintering technology, the amorphous powders were rapidly sintered to obtain single-phase SmCox nanocrystalline bulk materials. The method of the invention does not need to add any element to prepare the super high coercive force low Co type Sm-Co alloy, the process route is simple, the process is short, and the technical parameter is controllable.
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及一种Sm-Co纳米晶块体材料的制备方法，尤其涉及一种超高矫顽力无 掺杂元素的低Co型Sm-Co纳米晶块体材料的制备方法，属于纳米材料、新型功能材料和粉 末冶金
技术介绍
耐高温的磁性材料是研制高温力矩马达和高速液电综合能源装置的关键，在航空 航天和军事等领域中具有非常重要的作用。在目前已开发的稀土永磁材料中SmD Co合 金磁体是目前研制高温永磁材料的首选材料。但是随着国防建设和高新技术的迅速发展， 对磁体性能的要求不断提高，目前已有的这些高性能Sm-Co永磁体已不能满足要求。因此， 目前关于高温磁性材料的研究，主要集中在对Sm-Co系合金的研究和探索中，期望开发出 新型的高温Sm-Co型永磁体。而目前的研究多数集中在对高Co型Sm-Co合金化合物(如 SmCo5, Sm2Co17型合金)的研究和开发。在已有的方法中，想要在SmCo5和Sm2Co17型合金中 获得比较高的矫顽力，就必须添加大量的合金元素(如ττ和Cu)或重稀土元素(如Dy和 Tb)，并且实行十分严格和复杂的工艺，通过获得特殊的有沉淀相粒子析出的显微组织结构 来提高矫顽力。如，需要在Sm2Co17合金中添加Fe、Cu、Zr等元素，经过长时间复杂的固溶 时效等处理后先得到胞状组织，才能获得比较高的矫顽力。在传统粗晶的Sm-Co金属间 化合物体系中，低Co型的Sm-Co合金化合物因显示的硬磁性能非常微弱、矫顽力非常小，使 人们对其研究报道极少。然而，值得注意的是，许多低Co型的Sm-Co合金化合物，如SmCo3、 Sm2Co7和Sm5Co19等合金的晶体结构均源自SmCo5合金，是SmCo5合金单胞点阵中特定位置 上的Co原子被Sm原子取代而形成。此外，这些低Co型的Sm-Co合金化合物的晶体结构本 身均具有非常大的轴比(c/a > 4. 5)，因而具有强的晶格各向异性，具备高矫顽力永磁合金 的重要潜力。而且，最近相继有报道证实，当晶粒尺寸达到纳米量级并且接近单畴粒子尺寸 时，合金会具有最大的矫顽力。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种不必添加任何元素且具有超高矫顽力的低Co型纳米晶 Sm-Co合金块体材料的制备方法，该技术的制备路线具有工艺流程短、可控性强、应用范围 广且潜力大等优势。本专利技术提供的具有超高矫顽力的无掺杂元素的低Co型Sm-Co纳米晶块体材料的 制备方法首先采用纯度为99. 95%以上的稀土元素Sm、纯度为99. 9%以上的Co配制成目 标成分的母合金，在本专利技术中，目标成分是指根据化学式SmCox中要求的原子比例进行配比 称取Sm和Co，其中3 < χ < 4 ；用真空感应熔炼炉熔炼成SmCox合金铸锭，再将合金铸锭进 行长时间的均勻化退火；然后在氩气保护下将退火后的合金破碎成粉末；将粉末进行高能 球磨后制备出非晶态的合金粉末。最后利用已有的放电等离子烧结技术将非晶粉末快速烧 结成型，获得单相SmCox纳米晶块体材料。本专利技术提供的超高矫顽力无掺杂元素的低Co型Sm-Co纳米晶块体材料的制备方 法，其特征在于，包括以下步骤(1)将薄片状的Co和块状的金属Sm按照χ 1的原子比(其中3彡χ < 4)混 合，将薄片Co均勻包裹住块状的Sm原料，然后用冷壁磁悬浮涡流感应炉熔炼制备出名义成 分为SmCox的合金铸锭，将合金铸锭进行2次以上的重熔处理；(2)将熔炼得到的SmCox合金铸锭，放入真空退火炉内，使炉内气体压力保持在 4X 1(Γ3-1Χ l(T2Pa，在900-1200°C进行20-30小时的等温均勻化退火处理；(3)将退火后的合金破碎成小于300 μ m的粉末颗粒，将破碎后的粉末颗粒按照 20 1的球料质量比装入球磨罐中，球磨时的转速为300-600r/min，球磨时间为10-20小 时，得到非晶结构的合金粉末；(4)在氩气保护下将球磨得到的非晶粉末装入硬质合金模具并预压成型，然后在 放电等离子烧结设备中进行烧结致密化，采用如下工艺参数终态烧结温度为550-700°C， 烧结压力为500-800MPa，达到终态烧结温度后保温3-lOmin，得到SmCox纳米晶合金块体材 料。步骤(1)中原料混合时，通过用薄片状的Co均勻包裹住小块的Sm，即可以有效避 免熔炼过程中Sm的氧化，又可有效防止在多次熔炼过程中Sm的挥发损失，从而保障了 Sm 和Co保持初始设计的摩尔比。步骤(1)中的反复重熔处理和步骤( 中的长时间均勻化退 火都是为了得到成分分布更加均勻的母合金铸锭。步骤(3)中，可根据不同成分配比合金 的需要对球磨时间和球磨转速进行合理调整，从而可以在高效能条件下获得非晶结构的合 金粉末。步骤⑷中，烧结温度和烧结压力的优化组合有助于制备出致密度高、物相纯净、 晶粒组织均勻的单相SmCox纳米晶合金块体。由上述步骤可得到无掺杂元素且具有超高矫 顽力的低Co型SmCox纳米晶合金块体材料。本专利技术是根据我们最近的研究发现提出的。传统粗晶的二元Sm-C0合金基本上没 有矫顽力，而纳米晶的二元Sm-Co合金的矫顽力及其它硬磁性能大幅提升。对于传统粗晶 的Sm-Co合金而言，其高的矫顽力主要来自于第二相粒子的钉扎作用。例如，Sm2Co17永磁合 金一般需要添加狗，Cu和ττ等合金元素，通过复杂热处理形成弥散分布的第二相颗粒或者 完整的胞状结构，在合金中钉扎住磁畴壁，使合金具有高的矫顽力。对于传统粗晶Sm-Co合 金，由于不存在第二相颗粒的畴壁钉扎作用，矫顽力极低。而本专利技术制备得到的纳米晶结构 的SmCox合金块体却具有超高的矫顽力，其原因可以归结为两个方面一是纳米晶SmCox合 金具有超细的纳米结构，因而存在大量的纳米尺度晶界，这些纳米晶界可以起到畴壁钉扎 的作用，而使纳米晶SmCox合金具有高的矫顽力；二是纳米尺度的晶粒之间存在交换耦合作 用，而使矫顽力获得提高。本专利技术采用球磨和放电等离子烧结相结合的技术路线，通过非晶 合金粉末发生晶化、形成一定晶粒尺寸的纳米晶合金，制备得到具有超细纳米晶结构的单 相SmCox(其中3 < χ < 4)合金块体材料。本专利技术的关键是利用放电等离子烧结技术的特 殊烧结机制，即在对SmCox非晶合金粉末进行放电等离子烧结时，利用脉冲电流产生的焦耳 热效应使粉末颗粒迅速升到较高温度，非晶粉末在烧结致密化的同时，发生瞬时饱和晶化 形核，然后晶核长大，进而形成单相的纳米晶粒组织。同时，在烧结过程中施加高的烧结压 力，可以加速烧结致密化过程，降低烧结温度和缩短烧结时间，从而有效控制纳米晶粒的粗 化。这些都十分有利于获得超细纳米晶结构的SmCoj^H，从而使材料具有超高的矫顽力。总之，采用本专利技术中的制备技术路线可以制备出完全致密的SmCox(其中3 < χ < 4)纳米晶， 该方法的工艺路线简单、流程短、技术参数的可控性强，该制备技术也可以推广至其它硬磁 合金如NdFeB、SmFeN等的制备中。附图说明图1实施例中制备的不同成分配比的单相Sm-Co纳米晶合金块体的X射线衍射图 谱，曲线(a)为实施例1中的SmCo3合金，曲线(b)为实施例2中的Sm2Co7合金，曲线(c)为 实施例3中的Sm5Co19合金。图2实施例1中制备的SmCo本文档来自技高网...
【技术保护点】
１．一种超高矫顽力低Ｃｏ型Ｓｍ－Ｃｏ纳米晶合金的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：（１）将薄片状的纯度为９９．９％以上的Ｃｏ和块状的纯度为９９．９５％以上的金属Ｓｍ按照ｘ∶１的原子比混合，其中３≤ｘ＜４，将薄片Ｃｏ均匀包裹住块状的Ｓｍ原料，然后用冷壁磁悬浮涡流感应炉熔炼制备出名义成分为ＳｍＣｏｘ的合金铸锭，将合金铸锭进行２次以上的重熔处理；（２）将熔炼得到的ＳｍＣｏｘ合金铸锭，放入真空退火炉内，使炉内气体压力保持在４×１０－３－１×１０－２Ｐａ，在９００－１２００℃进行２０－３０小时的等温均匀化退火处理；（３）将退火后的合金破碎成小于３００μｍ的粉末颗粒，将破碎后的粉末颗粒按照２０∶１的球料质量比装入球磨罐中，球磨时的转速为３００－６００ｒ／ｍｉｎ，球磨时间为１０－２０小时，得到非晶结构的合金粉末；（４）在氩气保护下将球磨得到的非晶粉末装入硬质合金模具并预压成型，然后在放电等离子烧结设备中进行烧结致密化，采用如下工艺参数：终态烧结温度为５５０－７００℃，烧结压力为５００－８００ＭＰａ，达到终态烧结温度后保温３－１０ｍｉｎ，得到ＳｍＣｏｘ纳米晶合金块体材料。
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：宋晓艳，张哲旭，李定朋，
申请(专利权)人：北京工业大学，
类型：发明
国别省市：11
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