專利名稱：一種粘結稀土超磁致伸縮材料的制備工藝的制作方法
技術領域：
本發(fā)明屬于稀土永磁材料制備技術領域，特別是提供了一種粘結稀土超磁致伸縮材料的制備工藝。
背景技術：
稀土超磁致伸縮材料比Ni、Co、Fe以及它們的合金等傳統(tǒng)的磁致伸縮材料的磁致伸縮大約2個數(shù)量級，并且室溫性能好。20世紀60年代，人們發(fā)現(xiàn)稀土元素具有很多獨特的磁性，1963年，Legvold等人發(fā)現(xiàn)稀土金屬鋱(Tb)和鏑(Dy)在低溫下的磁致伸縮是傳統(tǒng)磁致伸縮材料的100-1000倍，但他們的有序化溫度很低。20世紀70年代初，人們開始研究可在室溫下工作的超磁致伸縮材料。1972年，A.E.Clark發(fā)現(xiàn)TbFe2、DyFe2等二元稀土鐵合金在室溫和低磁場下有很大的磁致伸縮系數(shù)；1974年又發(fā)現(xiàn)三元稀土鐵合金在常溫下飽和磁致伸縮系數(shù)達到10-3數(shù)量級，磁機耦合系數(shù)大于0.6。1976年公布了Clark等人在美國申請的專利(US3949351)，并將其推向實用化。后來，美國、瑞典和日本等的一些公司對三元稀土鐵合金進行了大量研究，采用不同工藝不同配比制成了具有各種規(guī)格和配比的超磁致伸縮材料。20世紀80年代中期，開始出現(xiàn)商品化的稀土超磁致伸縮材料，產(chǎn)品主要有美國EdgeTechnologies公司的Terfenol-D和瑞典Feredyn AB公司的Magmek86，日本、英國等國家也進行了相關研究，取得一定成果。
稀土超磁致伸縮材料的制備技術主要采用定向凝固方法和粉末冶金方法。近年來，定向凝固法通過增加母合金中稀土元素含量，彌補制作過程中的稀土燒損；控制溫度梯度和熱流方向，采用適當?shù)耐嘶鸸に嚕倪M組織結構；同時不斷改進制作設備。2003年北京有色金屬研究總院稀土材料國家工程研究中心自行研究開發(fā)了“一步法”新工藝，將熔煉-定向凝固-熱處理等工序在一臺設備上連續(xù)完成，可用來制備大直徑、高性能、低成本的稀土超磁致伸縮材料，且易于批量生產(chǎn)。用這種工藝研制的稀土超磁致伸縮材料成本僅為國際售價的18％，現(xiàn)已成功生產(chǎn)出直徑70mm，長250mm的TbDyFe2超磁致伸縮棒材，主要技術經(jīng)濟指標均達到國際先進水平。但是用定向凝固法制成的稀土超磁致伸縮材料具有脆性大，電阻率低等缺點，而粉末冶金法可以解決其中的一些問題。粉末冶金法中的粘結法是近些年的熱點，粘結法是指將經(jīng)過冶煉、研磨后的合金粉末與樹脂、塑料或低熔點合金等粘結劑均勻混合。然后壓制、擠出或注射成型制成一定形狀和復合材料的過程。雖然由于粘結劑的加入引起了材料成分的變化。使材料密度降低，磁性能有所下降，但粘結磁體具有工藝過程簡單、原材料利用率高、可制成形狀復雜的磁體、成本低廉等優(yōu)點，同時添加了粘結劑使材料的電阻增大，高頻特性得到很大的改善。粘結稀土超磁致伸縮材料的制備工藝中的粉末粒度、粘結劑種類、各成分之間的配比等因素會對材料性能產(chǎn)生很大的影響，本發(fā)明對這些工藝參數(shù)進行確定以使材料得到盡可能好的性能。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種工藝簡單、材料利用率高，適宜于生產(chǎn)大直徑高性能粘結稀土超磁致伸縮材料的制備工藝。
本發(fā)明的制備工藝包括下述步驟1、將原料、篩子、小型球磨機等放入手套箱中制粉，制得粉末的規(guī)格為43μm-589μm，抽真空，真空度達到10-2Pa-10-3Pa時，停止抽真空，然后通入惰性氣體，在惰性氣體保護狀態(tài)下進行制粉；所用原料是成分為Tb1-xDyxFe2-y(0.27≤x≤0.3，0＜y＜0.5)的定向凝固棒材；2、按成分配比比例稱取相應量的粘結劑、偶聯(lián)劑，并與粉末均勻混合；3、將混合好的粉末在磁場壓機上進行垂直磁場模壓成形，然后對壓坯進行真空封裝，接著進行冷等靜壓；4、使壓坯固化，獲得高性能的粘結稀土超磁致伸縮材料，材料密度達到7.267-7.446g/cm3，電阻率達到5.036×10-3-5.605×10-3Ωm，磁致伸縮達到998-1020ppm。
在所述步驟1中由于成分為Tb1-xDyxFe2-y(0.27≤x≤0.3，0＜y＜0.5)的定向凝固棒材制成粉末后極易被氧化，所以制粉過程要在手套箱中進行。由于粉末粒度影響粉末顆粒的總表面積，影響粉末顆粒間的接觸電阻，進而會影響材料整體的導電性能，經(jīng)過試驗，用粒度為43μm-589μm的粉末制得的材料具有較好的磁性能和較高的電阻并且組織結構較為穩(wěn)定。
在所述步驟2的混煉過程中的成分配比比例為粉末重量1-5％的環(huán)氧樹脂和0.1-4％的硅烷。硅烷在這里是作為偶聯(lián)劑加入的，硅烷偶聯(lián)劑是在分子中同時具有兩種不同的反應性基團的有機硅化合物，其中的水解性基團烷氧基、鹵素及酰氧基等能夠與無機材料發(fā)生化學反應，或吸附在材料表面，從而提高與無機材料的親和性，有機官能團可與聚合物進行反應，因此，通過硅烷偶聯(lián)劑能使兩種不同性質(zhì)的材料很好地“偶聯(lián)”起來，即形成無機相-硅烷偶聯(lián)劑-有機相的結合，改善粉末顆粒與粘結劑的相溶性，加強粉末顆粒間的結合力，減弱壓力后效作用，使顆粒的粘結強度提高，從而使復合材料獲得較好的磁致伸縮致性能。
在所述步驟3中，垂直磁場模壓成形的磁場強度為1-2T，經(jīng)冷等靜壓壓力為1-2MPa，以油或水為介質(zhì)。
在所述步驟4中，壓坯固化選用在空氣中固化12-36小時、真空烘箱中40-80℃溫度場固化、加1-2T磁場狀態(tài)下固化等三種固化方式中的一種或兩種的組合。
本發(fā)明的優(yōu)點在于工藝簡單，材料利用率高，可制備大尺寸及形狀復雜的材料，并且制備出的材料具有較好的磁致伸縮性能、較高的密度及很好的高頻性能。此外，粘結法最突出的優(yōu)點是可以在顆粒的表面形成一層絕緣層，使粘結體的電阻率提高了3-4個量級，高頻特性得到明顯改善，大大降低了渦流損耗。


附圖1為本發(fā)明制備的30mm×65mm稀土超磁致伸縮棒材在預應力為10MPa時的磁致伸縮性能曲線。
附圖2為本發(fā)明制備的30mm×65mm稀土超磁致伸縮棒材的SEM形貌照片。
附圖3為本發(fā)明制備的50mm×80mm稀土超磁致伸縮棒材在預應力為10MPa時的磁致伸縮性能曲線。
具體實施例方式
實施例1將成分為(Tb0.3Dy0.7)Fe2.0的定向凝固原料、小型球磨機、-28目的篩子，丙酮等所需物品放入手套箱的物品進出倉，封閉好倉門，為防止手套扯出，密封蓋需封閉好。然后抽出內(nèi)部空氣。當真空度達到10-2Pa時，停止抽真空。然后充入氬氣進行清洗，接著再進行抽真空，如此反復操作2次。取下密封蓋，通過手套將物品進出倉中的物品取放到手套箱中，在手套箱中進行制粉，過篩，稱量等操作，然后將制得的粉末放入承有丙酮的容器中。稱取粉末重量1％的環(huán)氧樹脂和0.1％的硅烷與粉末均勻混合。將混合好的粉末裝入模具在磁場壓機中進行初步成形，所加垂直磁場為1T，加磁場的目的是為了使粉末顆粒朝規(guī)定的方向進行取向，使最終得到的產(chǎn)品具有較好的磁致伸縮性能。取出壓胚后對其進行真空封裝，然后在冷等靜壓機上進行以水為介質(zhì)壓力為1MPa的冷等靜壓。經(jīng)過冷等靜壓后讓材料在空氣中固化12小時，即可得到高性能的粘結稀土超磁致伸縮材料。附圖1和附圖2為本實例制備的30mm×65mm稀土超磁致伸縮棒材在預應力為10MPa時的磁致伸縮性能曲線和SEM形貌照片。附圖1表明本實例實例制備的30mm×65mm稀土超磁致伸縮棒材具有良好的磁致伸縮性能，飽和磁致伸縮系數(shù)λs達到1008ppm；附圖2表明由于冷等靜壓對壓胚施加極為均勻的壓力，得到的產(chǎn)品組織均勻性很好，粉末顆粒能夠較為緊密的結合在一起，結構致密，使粘結體具有較高密度，獲得較好磁致伸縮性能，經(jīng)測量密度達到了7.267g/cm3。此外，由于粘結劑和偶聯(lián)劑的加入，使得粘結體的電阻率大大提高，達到了5.036×10-3Ωm，這就大大減小了材料在高頻應用時的渦流損耗，有效改善材料的高頻性能。
實施例2將成分為(Tb0.3Dy0.7)Fe2.0的定向凝固原料、小型球磨機、-80目的篩子，丙酮等所需物品放入手套箱的物品進出倉，封閉好倉門，為防止手套扯出，密封蓋需封閉好。然后抽出內(nèi)部空氣。當真空度達到10-3Pa時，停止抽真空。然后充入氬氣進行清洗，接著再進行抽真空，如此反復操作3次。取下密封蓋，通過手套將物品進出倉中的物品取放到手套箱中，在手套箱中進行制粉，過篩，稱量等操作，然后將制得的粉末放入承有丙酮的容器中。稱取粉末重量3％的環(huán)氧樹脂和0.2％的硅烷與粉末均勻混合。將混合好的粉末裝入模具在磁場壓機中進行初步成形，所加垂直磁場為2T。取出壓胚后對其進行真空封裝，然后在冷等靜壓機上進行以油為介質(zhì)的冷等靜壓。經(jīng)過冷等靜壓后讓材料在80℃溫度場及2T磁場中固化12小時，即可得到高性能的粘結稀土超磁致伸縮材料。附圖3為本實例制備的50mm×80mm稀土超磁致伸縮棒材在預應力為10MPa時的磁致伸縮性能曲線，表明本實例實例制備的50mm×80mm稀土超磁致伸縮棒材具有良好的磁致伸縮性能，飽和磁致伸縮系數(shù)λs達到1020ppm；分析測試表明材料密度達到了7.315g/cm3，電阻率達到了5.326×10-3Ωm。
實施例3將成分為(Tb0.3Dy0.7)Fe1.95的定向凝固原料、小型球磨機、-325目的篩子，丙酮等所需物品放入手套箱的物品進出倉，封閉好倉門，為防止手套扯出，密封蓋需封閉好。然后抽出內(nèi)部空氣。當真空度達到10-3Pa時，停止抽真空。然后充入氬氣進行清洗，接著再進行抽真空，如此反復操作3次。取下密封蓋，通過手套將物品進出倉中的物品取放到手套箱中，在手套箱中進行制粉，過篩，稱量等操作，然后將制得的粉末放入承有丙酮的容器中。稱取粉末重量2％的環(huán)氧樹脂和2％的硅烷與粉末均勻混合。將混合好的粉末裝入模具在磁場壓機中進行初步成形，所加垂直磁場為2T。取出壓胚后對其進行真空封裝，然后在冷等靜壓機上進行以油為介質(zhì)的冷等靜壓。經(jīng)過冷等靜壓后讓材料在2T磁場中固化24小時，即可得到高性能的粘結稀土超磁致伸縮材料。分析測試表明本實例制備的40mm×70mm稀土超磁致伸縮棒材在預應力為10MPa時的磁致伸縮系數(shù)λs達到1010ppm，材料密度達到了7.421g/cm3，電阻率達到了5.521×10-3Ωm。
實施例4將成分為(Tb0.3Dy0.7)Fe1.95的定向凝固原料、小型球磨機、-200目的篩子，丙酮等所需物品放入手套箱的物品進出倉，封閉好倉門，為防止手套扯出，密封蓋需封閉好。然后抽出內(nèi)部空氣。當真空度達到10-3Pa時，停止抽真空。然后充入氬氣進行清洗，接著再進行抽真空，如此反復操作3次。取下密封蓋，通過手套將物品進出倉中的物品取放到手套箱中，在手套箱中進行制粉，過篩，稱量等操作，然后將制得的粉末放入承有丙酮的容器中。稱取粉末重量4％的環(huán)氧樹脂和3％的硅烷與粉末均勻混合。將混合好的粉末裝入模具在磁場壓機中進行初步成形，所加垂直磁場為2T。取出壓胚后對其進行真空封裝，然后在冷等靜壓機上進行以油為介質(zhì)的冷等靜壓。經(jīng)過冷等靜壓后讓材料在40℃溫度場及2T磁場中固化24小時，即可得到高性能的粘結稀土超磁致伸縮材料。分析測試表明本實例制備的35mm×50mm稀土超磁致伸縮棒材在預應力為5MPa時的磁致伸縮系數(shù)λs達到998ppm，材料密度達到了7.446g/cm3，電阻率達到了5.592×10-3Ωm。
實施例5將成分為(Tb0.3Dy0.7)Fe2.0的定向凝固原料、小型球磨機、-115目的篩子，丙酮等所需物品放入手套箱的物品進出倉，封閉好倉門，為防止手套扯出，密封蓋需封閉好。然后抽出內(nèi)部空氣。當真空度達到10-2Pa時，停止抽真空。然后充入氬氣進行清洗，接著再進行抽真空，如此反復操作3次。取下密封蓋，通過手套將物品進出倉中的物品取放到手套箱中，在手套箱中進行制粉，過篩，稱量等操作，然后將制得的粉末放入承有丙酮的容器中。稱取粉末重量5％的環(huán)氧樹脂和4％的硅烷與粉末均勻混合。將混合好的粉末裝入模具在磁場壓機中進行初步成形，所加垂直磁場為2T。取出壓胚后對其進行真空封裝，然后在冷等靜壓機上進行以油為介質(zhì)的冷等靜壓。經(jīng)過冷等靜壓后讓材料在2T磁場中固化36小時，即可得到高性能的粘結稀土超磁致伸縮材料。分析測試表明本實例制備的45mm×70mm稀土超磁致伸縮棒材在預應力為15MPa時的磁致伸縮系數(shù)λs達到1013ppm，材料密度達到了7.413g/cm3，電阻率達到了5.605×10-3Ωm。
權利要求
1.一種粘結稀土超磁致伸縮材料的制備工藝，其特征在于制備工藝步驟為a、將原料、篩子、小型球磨機等放入手套箱中制粉，制得粉末的規(guī)格為43μm-589μm，抽真空，真空度達到10-2Pa-10-3Pa時，停止抽真空，然后通入惰性氣體，在惰性氣體保護狀態(tài)下進行制粉；所用原料是成分為Tb1-xDyxFe2-y(0.27≤x≤0.3，0＜y＜0.5)的定向凝固棒材，b、按成分配比比例稱取相應量的粘結劑、偶聯(lián)劑，并與粉末均勻混合；c、將混合好的粉末在磁場壓機上進行垂直磁場模壓成形，然后對壓坯進行真空封裝，接著進行冷等靜壓；d、使壓坯固化，獲得高性能的粘結稀土超磁致伸縮材料，材料密度達到7.267-7.446g/cm3，電阻率達到5.036×10-3-5.605×10-3Ωm，磁致伸縮達到998-1020ppm。
2.根據(jù)權利要求書1所述的制備工藝，其特征在于在所述步驟b的混煉過程中的成分配比比例為粉末重量1-5％的環(huán)氧樹脂和0.1-4％的硅烷。
3.根據(jù)權利要求書1所述的制備工藝，其特征在于在所述步驟c中，垂直磁場模壓成形的磁場強度為1-2T，經(jīng)冷等靜壓壓力為1-2MPa，以油或水為介質(zhì)。
4.根據(jù)權利要求書1所述的制備工藝，其特征在于在所述步驟d中，壓坯固化選用在空氣中固化12-36小時、真空烘箱中40-80℃溫度場固化、加1-2T磁場狀態(tài)下固化三種固化方式中的一種或兩種的組合。
全文摘要
一種粘結稀土超磁致伸縮材料的制備工藝，屬于稀土永磁材料制備技術領域。工藝步驟為將原料、篩子、小型球磨機等放入手套箱中制粉，抽真空，然后在惰性氣體保護狀態(tài)下進行制粉；按成分配比比例稱取相應量的粘結劑、偶聯(lián)劑，并與粉末均勻混合；將混合好的粉末在磁場壓機上進行垂直磁場模壓成形，然后對壓坯進行真空封裝，接著進行冷等靜壓；使壓坯固化，獲得高性能的粘結稀土超磁致伸縮材料。本發(fā)明的優(yōu)點在于工藝簡單，材料利用率高，可制備大尺寸及形狀復雜的材料，并且制備出的材料具有較好的磁致伸縮性能、較高的密度及很好的高頻性能。
文檔編號H01F1/032GK1845272SQ20061001189
公開日2006年10月11日 申請日期2006年5月15日 優(yōu)先權日2006年5月15日
發(fā)明者張深根, 曲選輝, 左志軍, 田建軍, 秦明禮, 汪志廣, 何新波, 李平, 段柏華 申請人:北京科技大學