[发明专利]一种镧铈基永磁材料及其制备方法和应用

说明书

技术领域

本发明涉及一种镧铈基永磁材料及其制备方法和应用。

背景技术

20世纪80年代初，日本和美国的研究人员分别研发出Nd-Fe-B三元合金，并使用快速淬火的方法制备出商用磁粉，成为第三代稀土永磁材料。这种材料的永磁性能主要来自于化学式为Nd₂Fe₁₄B的硬磁相。随后的研究发现，少量富Nd的晶界相、少量Tb和Dy的添加以及细化晶粒的工艺均可有效地提高磁体的永磁性能。时至今日，钕铁硼依然是性能最好的永磁材料。

随着信息技术、自动化技术和新能源技术的发展，钕铁硼永磁材料的生产量不断增加，使金属钕的使用量大幅提高。稀土矿多为伴生矿，其所含的主要稀土元素为镧和铈，其中铈的比例占全部稀土元素的50％左右。金属镨钕的开采和使用造成了大量稀土金属镧和铈的积压。

钕铁硼永磁材料中金属镨钕占原材料成本的90％，而金属铈的价格仅为金属镨钕的十分之一，相对丰富的资源和相对低廉的价格促使人们开始研究铈铁硼永磁材料。早期的相关研究主要集中在两个方面：一方面使用Ce取代Nd₂Fe₁₄B中的Nd，但取代量通常低于40％，与此同时，Ce的取代所带来的磁体永磁性能的降低也是明显的。另一方面，仅以Ce作为稀土原料，制备具有Nd₂Fe₁₄B晶体结构的铈基永磁，但早期的相关研究成果并不理想。直至2012年，才由美国通用汽车环球科技运作有限责任公司研制成功具有商业应用价值的铈基永磁材料(CN102779602A)，其内禀矫顽力H_ci(以kOe为单位)和剩磁B_r(以kG为单位)的数值总和为9或更大，最大磁能积(BH)_max(以MGOe为单位)的数值达到4.59。

使用La部分取代Nd₂Fe₁₄B的Nd或者单独作为稀土原料制备永磁材料的工作一直处于基础研究阶段(Appl.Phys.Lett.47,757)，但截止到上述铈基永磁专利公开之时尚未获得具有商业应用价值的材料。虽然La₂Fe₁₄B的饱和磁化强度4πM_s和居里温度T_c均高于Ce₂Fe₁₄B，但其各向异性场H_a低于Ce₂Fe₁₄B，更主要的是La₂Fe₁₄B的合成十分困难，人们甚至一度认为La₂Fe₁₄B相不存在。

在现有技术中，Nd₂Fe₁₄B类永磁材料在制备过程中使用的稀土原材料均为商业化的单质元素钕或镨钕合金，纯度要求≥99％。因为通常认为杂质元素的存在对材料的磁性能会产生不良影响。

天然稀土资源多为伴生矿，在稀土金属的生产过程中，需要先通过酸洗将稀土元素从矿石中萃取出来，再将这些稀土元素进行分离，在分离之前，稀土金属按照矿石所规定的天然百分比以合金形式存在，称为混合稀土。以包头白云鄂博矿为例，其混合稀土中各稀土元素的比例为：La＝26～29％，Ce＝49～53％，Pr＝4～6％，Nd＝15～17％，Sm≦0.10％。混合稀土经过分离得到镨钕合金和镧铈合金，再次分离得到纯金属镨、钕、镧、铈等。稀土金属价格高，除了矿藏稀少外，很大程度上是由于金属分离和提纯工艺复杂。

发明内容

因此，本发明的目的是使用稀土分离过程中的中间产物低纯度镧铈合金为稀土金属原料，制备具有Nd₂Fe₁₄B相结构的永磁材料。

在本发明中“金属镧铈”和“镧铈合金”两个术语均指代稀土提纯过程中从轻稀土矿中提取的含杂质的具有天然元素比例的镧铈合金，这两个术语含义相同，可以互换使用。