[發(fā)明專利]一種高性能MnBi基永磁合金及其制備方法

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• 申請日: 2017-06-13
• 公開（公告）號: CN107393670A
• 公開（公告）日: 2017-11-24
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 陸偉;向震
• 申請（專利權(quán)）人: 同濟(jì)大學(xué)
• 主分類號: H01F1/047
• 分類號: H01F1/047;H01F41/00;C22C12/00;C22C1/03
• 代理公司: 上?？剖⒅R產(chǎn)權(quán)代理有限公司31225
• 代理人: 褚明偉

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及功能材料領(lǐng)域中的永磁材料，尤其是涉及一種高性能MnBi基永磁合金及其制備方法。

背景技術(shù)

永磁材料廣泛應(yīng)用于磁懸浮、醫(yī)藥設(shè)備及電動汽車、風(fēng)力發(fā)電的馬達(dá)系統(tǒng)等。隨著新能源和電動汽車的發(fā)展，對高性能永磁材料的需求越來越大。目前大量應(yīng)用的永磁材料主要包括鐵氧體和稀土永磁。其中1/3為Ba或Sr六角鐵氧體，其最大磁能積低于5MGOe，但成本相對較低，另外2/3是以稀土為基的稀土永磁材料包括SmCo5、Sm2(Fe,Cu,Zr,Co…)17(2:17)和Nd-Fe-B等，性能很高，成本也很高，其中Nd-Fe-B材料的磁性積已達(dá)到接近60MGOe的理論值。但由于稀土資源有限性和使用成本(尤其是需要添加重稀土提高性能)的大幅度提高，開發(fā)無稀土類高性能永磁材料越來越成為世界各國磁性材料研究的重要方向之一。

低溫相(LTP)MnBi合金具有高的磁各向異性(11.6×10⁶erg/cc)、居里溫度約為633K，在150K～550K的溫度范圍內(nèi)具有正的矯頑力溫度系數(shù)，因此MnBi合金被認(rèn)為是具有廣泛應(yīng)用前景的高溫永磁材料。MnBi的鐵磁性能主要來源于其低溫相。MnBi合金在常溫下可以形成多個(gè)緊密聯(lián)系的相，如低溫相、高溫相還有新相等等，這在很大程度上制約了MnBi合金的發(fā)展，給制備高純度低溫相含量的MnBi合金帶來了極大的困難。

從結(jié)構(gòu)與性能的角度看，MnBi低溫相具有NiAs型晶體結(jié)構(gòu)，屬金屬間化合物。國內(nèi)外的研究者們也嘗試了許多種方法來提純低溫相，如固相燒結(jié)法、定向凝固法、磁場取向凝固技術(shù)、機(jī)械合金化工藝等等，但是直到目前還沒有見到純低溫相MnBi合金的報(bào)道。同時(shí)，MnBi合金的飽和磁化強(qiáng)度(M_s＝81emu/g)，有待進(jìn)一步提高。此外，矯頑力隨著磁晶各向異性增加而增加。目前，對MnBi合金合金化的研究太少。因此，通過對MnBi合金合金化，MnBi合金中摻雜適量的元素，從而研究其對MnBi合金的飽和磁化強(qiáng)度以及矯頑力的影響。

從應(yīng)用的角度看，雖然MnBi的理論磁能積與稀土類永磁相比有一定差距，但遠(yuǎn)好于鐵氧體、鋁鎳鈷和Fe-Cr-Co等磁性材料，可以填補(bǔ)鐵氧體和高性能稀土永磁體之間中檔磁體的空隙。同時(shí)MnBi永磁體具有價(jià)格低廉、不易腐蝕、力學(xué)性能好等優(yōu)點(diǎn)，特別是它在一定溫度范圍內(nèi)矯頑力呈正的溫度系數(shù)，可以彌補(bǔ)NdFeB永磁體的不足之處，它可以與NdFeB混合制成復(fù)合磁體，以期獲得低矯頑力溫度系數(shù)甚至零矯頑力溫度系數(shù)以及具有較高永磁性能的磁性材料，這對開發(fā)高溫工作電機(jī)很有意義。但是由于MnBi低溫相是由包晶反應(yīng)形成，極難制備單相合金，從而導(dǎo)致其磁性能偏低，極大地限制該類材料的應(yīng)用。

綜上所述，結(jié)構(gòu)上完全實(shí)現(xiàn)B8₁有序化轉(zhuǎn)變與性能上實(shí)現(xiàn)高磁化強(qiáng)度是密不可分的。如何找到之間的平衡點(diǎn)，即以盡可能實(shí)現(xiàn)優(yōu)異、穩(wěn)定的綜合永磁性能為前提，獲得簡單穩(wěn)定制備工藝MnBi基永磁材料，是當(dāng)前MnBi永磁合金材料研究中亟待解決的問題。

北京大學(xué)在專利CN 1062805 A中公布了在MnBi中摻入輕稀土元素R(R＝La，Ce，Pr，Nd，Sm，Gd)。該類元素能改善熱穩(wěn)定性，細(xì)化晶粒。但該類元素屬于稀土元素，具有較高的成本，有待進(jìn)一步改進(jìn)。

LG電子株式會社在專利CN 105321643 A中公布了MnBi基磁性物質(zhì)、其制備方法、MnBi基燒結(jié)磁體及其制備方法，該方法制備的MnBi燒結(jié)磁體具有優(yōu)異的磁性能。但是，分析發(fā)現(xiàn)，該材料的磁能積有待進(jìn)一步提高(7.2MGO)；此外，該方法采用了快速冷卻技術(shù)(65m/s轉(zhuǎn)速)，該工藝條件苛刻難以實(shí)現(xiàn)大規(guī)模生產(chǎn)，有待進(jìn)一步優(yōu)化。

目前，通過調(diào)整合金成分和優(yōu)化制備工藝在不同程度上改善了合金材料的磁性能，但仍然存在以下兩個(gè)顯著缺點(diǎn)：(1)結(jié)構(gòu)上，對于獲得低溫相MnBi方法，并不能獲得純低溫相，包含Bi相、Mn雜相；對通過等溫退火高溫相而獲得低溫相MnBi，需要復(fù)雜的快淬條帶制備工藝；(2)性能上，由于結(jié)構(gòu)上包含Bi相、Mn相雜相，很難獲得優(yōu)異的高的飽和磁化強(qiáng)度；同時(shí)MnBi很難實(shí)現(xiàn)高的矯頑力。

綜上所述，目前市場上缺乏制備工藝簡單，同時(shí)具備優(yōu)異磁性能的MnBi合金材料及其制品。因此，開發(fā)一種制備MnBi基永磁合金方法同時(shí)獲得優(yōu)異磁性能的MnBi合金對于當(dāng)前Mn基合金材料的研究和應(yīng)用具有極其重要意義。

發(fā)明內(nèi)容