CN108538531A - 一种用于磁保持继电器的永磁磁钢及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种用于磁保持继电器的永磁磁钢及其制备方法，其永磁磁钢合金组分是由29~33重量份（NdαRE1‑α）、65.9~70.2重量份（FeβM1‑β）和0.8~1.1重量份B组成，其中RE是La、Ce、Pr、Gd、Tb、Dy、Ho、Y、Sc中任意一种或几种，M是Co、Mo、V、Ti、Hf、Cu、Al、Nb、Zr、Ga中任意一种或几种，50%≤α≤100%，90%≤β≤100%。本发明的有益效果：专门针对磁保持继电器而开发的永磁磁钢，能够满足工作状态无功耗、体积小、重量轻、稳定可靠的需求；工作状态无功耗是因为不需要通过线圈通电产生磁场保持置位、复位状态。

Description

一种用于磁保持继电器的永磁磁钢及其制备方法
技术领域
本发明涉及磁保持继电器领域，特别涉及一种用于磁保持继电器的永磁磁钢及其制备方法。
背景技术
继电器是具有隔离功能的自动开关元件，广泛应用于遥控、遥测、通讯、自动控制、机电一体化及电力电子设备中，是最重要的控制元件之一。磁保持继电器是近几年兴起的一种新型继电器，也是一种自动开关。和其他电磁继电器一样，对电路起着自动接通和切断作用。所不同的是，它是通过电磁工作、永磁系统锁定结构，采用瞬间脉冲驱动，在触点闭合或释放时即通过永磁系统锁定该状态，非驱动时工作线圈一直保持断电状态。因此具有瞬间脉冲驱动低功耗、工作状态无功耗、线圈无温升、外型设计体积小、重量轻、稳定可靠等优点。作为磁保持继电器的核心部件之一的永磁磁钢，尚未发现有专门针对磁保持继电器而设计开发的永磁磁钢的相关专利和文献报道。
发明内容
为了解决上述技术问题，为了实现和满足磁保持继电器工作状态无功耗、体积小、重量轻、稳定可靠以及其它更优越的特性需求，有必要设计和开发一款适合应用于磁保持继电器的永磁磁钢。本发明正是基于上述问题而开发出一种用于磁保持继电器的永磁磁钢及其制备方法。
本发明提供一种用于磁保持继电器的永磁磁钢，其合金组分是由29~33重量份（NdαRE1-α）、65.9~70.2重量份（FeβM1-β）和0.8~1.1重量份B组成的，其中RE是La、Ce、Pr、Gd、Tb、Dy、Ho、Y、Sc中任意一种或几种，M是Co、Mo、V、Ti、Hf、Cu、Al、Nb、Zr、Ga中任意一种或几种，50%≤α≤100%，90%≤β≤100%。
作为优选，本发明永磁磁钢的合金组分是由32重量份Pr0.2Nd0.7Ho0.1、67重量份Fe0.959Co0.015Cu0.002Al0.022Zr0.002和1重量份B组成的；其中：Pr0.2Nd0.7Ho0.1表示合金成分之间的重量百分率Pr∶Nd∶Ho为20%∶70%∶10%，Fe0.959Co0.015Cu0.002Al0.022Zr0.002表示合金成分之间的重量百分率Fe∶Co∶Cu∶Al∶Zr为95.9%∶1.5%∶0.2%∶2.2%∶0.2%。
作为优选，本发明永磁磁钢的合金组分是由32重量份Pr0.2Nd0.7Ho0.1、67重量份Fe0.966Co0.015Cu0.002Al0.015Zr0.002和1重量份B组成的；其中：Pr0.2Nd0.7Ho0.1表示合金成分之间的重量百分率Pr∶Nd∶Ho为20%∶70%∶10%，Fe0.966Co0.015Cu0.002Al0.015Zr0.002表示合金成分之间的重量百分率Fe∶Co∶Cu∶Al∶Zr为96.6%∶1.5%∶0.2%∶1.5%∶0.2%。
作为优选，本发明永磁磁钢的合金组分是由32重量份Pr0.2Nd0.7Ho0.1、67重量份Fe0.974Co0.015Cu0.002Al0.007Zr0.002和1重量份B组成的；其中：Pr0.2Nd0.7Ho0.1表示合金成分之间的重量百分率Pr∶Nd∶Ho为20%∶70%∶10%，Fe0.966Co0.015Cu0.002Al0.015Zr0.002表示合金成分之间的重量百分率Fe∶Co∶Cu∶Al∶Zr为97.4%∶1.5%∶0.2%∶0.7%∶0.2%。
本发还提供基于上述的一种用于磁保持继电器的永磁磁钢的制备方法，按上述合金组分进行配料→熔炼→氢碎→制粉→成型→烧结→时效的工艺流程制备得到永磁磁钢；具体步骤如下：
步骤（1）、配料：在进行配料前先对所需合金组分材料进行分拣、剪切和表面处理，去除杂质、氧化层、油污等，然后按设计要求称重配置；
步骤（2）、熔炼：使用设备为真空速凝炉，在真空状态下利用电磁感应加热将原材料熔化成液态合金，并使其温度达到1400~1600℃，再利用离心力将液态合金通过流槽、旋转的急冷辊浇铸制成固态合金片，合金片厚度为1~6mm，颜色为银白色，急冷辊的表面温度达到10~20℃；
步骤（3）、氢碎：使用设备为氢碎炉，利用镧系元素组成的合金吸氢膨胀的原理将合金片粗碎成微米级到毫米级的粉末，并加热到400~600℃发生化学反应使粉末中残留的氢含量降低至3000ppm以下，再过筛并将粒径为100~5000μm的粉末装填到无氧的密闭空罐中；
步骤（4）、制粉：使用设备为气流磨，在密闭循环系统中，以惰性气体为载体，带动合金粉末加速至音速或音速以上，让粉末颗粒发生互相碰撞或碰撞在某个固定的靶体上，使粉末进一步破碎至1~6μm；所述惰性气体可以是氮气、氩气、氦气或其它惰性气体；所述合金粉末在进入密闭循环系统前以及进入后，皆可加入0.0001‰~5‰的添加剂并与粉末混合均匀；所述添加剂可以是烷烃类、烯烃类、酯类、醇类、醚类等有机物的单体、聚合物和它们的共聚物或混合物，也可以是金属粉末、合金粉末、石墨烯和它们的化合物或混合物；所述的密闭循环系统内可以无氧或往里加入0.01~5000ppm的氧气；
步骤（5）、成型：使用设备为压机，在磁场作用下将合金粉末通过压机压制成一定形状的坯体；所述的压机可以是普通机械压机、等静压机或二者的组合；所述一定形状的坯体是通过模具成型成方形、圆柱形、圆环形、瓦形或其它规则形状；所述磁场的强度必须达到1T以上；
步骤（6）、烧结：使用设备为烧结炉，在真空或一定压力的惰性气体保护下通过将坯体加热到1000~1300℃，并保温1~10h，然后冷却到室温状态；所述烧结炉可以是单台式的，也可以是连续隧道式的；所述惰性气体可以是氮气、氩气；所述加热可以是辐射加热、传导加热、等离子加热，且以一定的速度匀速升温或以不同的速度分阶段升温；所述冷却可以是自然冷却、充入惰性气体冷却或它们的组合；
步骤（7）、时效：使用设备为时效炉，在真空或一定压力的惰性气体保护下通过将坯体加热到400~1000℃，并保温1~6h，然后冷却到室温状态；所述时效，在此可以叫回火或热处理，以一个温度只进行1次，也可以以不同的温度反复进行1次以上。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：本发明是专门针对磁保持继电器而开发的永磁磁钢，能够满足工作状态无功耗、体积小、重量轻、稳定可靠的需求；工作状态无功耗是因为不需要通过线圈通电产生磁场保持置位、复位状态，采用的是永磁磁钢，一经充磁，即可长时间保持强磁状态，可以通过磁力将衔铁吸住或施加反向驱动电流产生磁场将衔铁推开，从而实现置位、复位双稳态工作；体积小是因为该磁钢具有高矫顽力、高综合磁性能、加工性好，可以通过小型化设计、简单的机械加工易于实现磁钢的小型化，从而实现磁保持继电器的小型化，但磁保持的功能不变。重量轻一是因为磁钢性能高所以本身体积可小，二是专门开发的磁钢，相比于普通的钕铁硼磁钢，具有密度小的优点，同等体积的情况下，重量更轻；稳定可靠是因为根据磁保持继电器的使用环境条件专门设计特定的配方以及工艺，确保磁体的耐腐蚀性、服役性、抗震性优于普通的钕铁硼磁钢。
而且需要强调的是：本发明的创新点在于：
1、配方创新：为磁保持继电器专门设计成分，大量添加铝元素掺杂，降低磁体密度，改善磁体磁性能、耐腐蚀性，提高磁钢的服役性；2、制粉工艺创新：将粒度调粗、减少防氧化剂的添加比例、增加氧含量，改善加工性、耐腐蚀性和磁体的温度稳定性，降低后加工工序的防护成本和加工成本，减少料残的产生，提高磁体服役性；3、烧结工艺创新：烧结结束后先采取缓慢自然冷却，再充入惰性气体并开启风机快速冷却，既保证磁体的矫顽力，又改善磁体的加工性，降低加工成本和料残率。
具体实施方式
以下结合表格对本发明做进一步描述：
其中：
1、Br为剩磁，Hcj为矫顽力，（BH）max为最大磁能积，皆为磁钢的磁性能主要技术指标。
2、PCT（高压加速腐蚀试验）试验参考GB∕T 2423.40-2013 《环境试验第2部分：试验方法试验Cx：未饱和高压蒸汽恒定湿热》进行，试验条件为：130℃，85%RH，240h，样品尺寸为10mm*10mm*10mm，样品数量为15个，试验前称量每个样品的单重m1，并测量产品的尺寸，计算出样品表面积S，试验后用绒布清理干净样品表面的腐蚀物，再次测试单重m2，失重=（m1-m2）/S，以失重表征样品的耐腐蚀性，失重越小，代表样品的耐腐蚀性越好。平行测定三次，取其平均值作为最终测试结果。
3、高温磁通不可逆损失：样品尺寸为D10mm*7mm（取向尺寸），样品数量为20个，充磁饱和后用磁通计测试初始磁通值φ1，将样品圆柱端面贴放在2mm厚的铝板上，样品之间间隔15cm，再将铝板置于烘箱中烘烤，烘烤温度为120℃，烘烤时间为2h，烘烤结束后自然冷却到室温，再将样品取出测试磁通值φ2，最后计算磁通不可逆损失率=（φ1-φ2）/φ1*100%。以此表征样品的温度稳定性，磁通不可逆损失率越小，代表样品温度稳定性越好，越不容易在使用过程中失磁。
加工合格率为磨加工、切片、倒角、电镀四道工序的合格率乘积。以加工合格率表征样品的加工性，合格率越高，代表加工性越好。

Claims (8)

1.一种用于磁保持继电器的永磁磁钢，其特征在于，其合金组分是由29~33重量份（NdαRE1-α）、65.9~70.2重量份（FeβM1-β）和0.8~1.1重量份B组成的，其中RE是La、Ce、Pr、Gd、Tb、Dy、Ho、Y、Sc中任意一种或几种，M是Co、Mo、V、Ti、Hf、Cu、Al、Nb、Zr、Ga中任意一种或几种，50%≤α≤100%，90%≤β≤100%。
2.根据权利要求1中所述的一种用于磁保持继电器的永磁磁钢，其特征在于，其合金组分是由32重量份Pr0.2Nd0.7Ho0.1、67重量份Fe0.959Co0.015Cu0.002Al0.022Zr0.002和1重量份B组成的；
其中：Pr0.2Nd0.7Ho0.1表示合金成分之间的重量百分率Pr∶Nd∶Ho为20%∶70%∶10%，Fe0.959Co0.015Cu0.002Al0.022Zr0.002表示合金成分之间的重量百分率Fe∶Co∶Cu∶Al∶Zr为95.9%∶1.5%∶0.2%∶2.2%∶0.2%。
3.根据权利要求1中所述的一种用于磁保持继电器的永磁磁钢，其特征在于，其合金组分是由32重量份Pr0.2Nd0.7Ho0.1、67重量份Fe0.966Co0.015Cu0.002Al0.015Zr0.002和1重量份B组成的；
其中：Pr0.2Nd0.7Ho0.1表示合金成分之间的重量百分率Pr∶Nd∶Ho为20%∶70%∶10%，Fe0.966Co0.015Cu0.002Al0.015Zr0.002表示合金成分之间的重量百分率Fe∶Co∶Cu∶Al∶Zr为96.6%∶1.5%∶0.2%∶1.5%∶0.2%。
4.根据权利要求1中所述的一种用于磁保持继电器的永磁磁钢，其特征在于，其合金组分是由32重量份Pr0.2Nd0.7Ho0.1、67重量份Fe0.974Co0.015Cu0.002Al0.007Zr0.002和1重量份B组成的；
其中：Pr0.2Nd0.7Ho0.1表示合金成分之间的重量百分率Pr∶Nd∶Ho为20%∶70%∶10%，Fe0.966Co0.015Cu0.002Al0.015Zr0.002表示合金成分之间的重量百分率Fe∶Co∶Cu∶Al∶Zr为97.4%∶1.5%∶0.2%∶0.7%∶0.2%。
5.基于权利要求1~4中任意一项所述的一种用于磁保持继电器的永磁磁钢的制备方法，其特征在于，按上述合金组分进行配料→熔炼→氢碎→制粉→成型→烧结→时效的工艺流程制备得到永磁磁钢；具体步骤如下：
步骤（1）、配料：在进行配料前先对所需合金组分材料进行分拣、剪切和表面处理，去除杂质、氧化层、油污，然后按设计要求称重配置；
步骤（2）、熔炼：使用设备为真空速凝炉，在真空状态下利用电磁感应加热将原材料熔化成液态合金，并使其温度达到1400~1600℃，再利用离心力将液态合金通过流槽、旋转的急冷辊浇铸制成固态合金片，合金片厚度为1~6mm，颜色为银白色，急冷辊的表面温度达到10~20℃；
步骤（3）、氢碎：使用设备为氢碎炉，利用镧系元素组成的合金吸氢膨胀的原理将合金片粗碎成微米级到毫米级的粉末，并加热到400~600℃发生化学反应使粉末中残留的氢含量降低至3000ppm以下，再过筛并将粒径为100~5000μm的粉末装填到无氧的密闭空罐中；
步骤（4）、制粉：使用设备为气流磨，在密闭循环系统中，以惰性气体为载体，带动合金粉末加速至音速或音速以上，让粉末颗粒发生互相碰撞或碰撞在某个固定的靶体上，使粉末进一步破碎至1~6μm；所述合金粉末在进入密闭循环系统前以及进入后，皆可加入0.0001‰~5‰的添加剂并与粉末混合均匀；
步骤（5）、成型：使用设备为压机，在磁场作用下将合金粉末通过压机压制成一定形状的坯体；
步骤（6）、烧结：使用设备为烧结炉，在真空或一定压力的惰性气体保护下通过将坯体加热到1000~1300℃，并保温1~10h，然后冷却到室温状态；所述烧结炉可以是单台式的，也可以是连续隧道式的；
步骤（7）、时效：使用设备为时效炉，在真空或一定压力的惰性气体保护下通过将坯体加热到400~1000℃，并保温1~6h，然后冷却到室温状态。
6.根据权利要求5中所述的一种用于磁保持继电器的永磁磁钢的制备方法，其特征在于，在步骤（4）中的惰性气体是氮气、氩气或氦气；所述添加剂是烷烃类、烯烃类、酯类、醇类、醚类有机物的单体、聚合物、共聚物或混合物；或者所述添加剂是金属粉末、合金粉末、石墨烯及其化合物或混合物；所述密闭循环系统内为无氧或往里加入0.01~5000ppm的氧气。
7.根据权利要求5中所述的一种用于磁保持继电器的永磁磁钢的制备方法，其特征在于，在步骤（5）中的压机是普通机械压机、等静压机或二者的组合；所述一定形状的坯体是通过模具成型成方形、圆柱形、圆环形、瓦形或其它规则形状；所述磁场的强度要达到1T以上。
8.根据权利要求5中所述的一种用于磁保持继电器的永磁磁钢的制备方法，其特征在于，在步骤（6）中的惰性气体是氮气或氩气；所述加热是辐射加热、传导加热或等离子加热，且以一定的速度匀速升温或以不同的速度分阶段升温；所述冷却是自然冷却、充入惰性气体冷却或其二者的组合方式。
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