网络首发时间: 2015-04-07 09:26
稀有金属 2015,39(09),782-786 DOI:10.13373/j.cnki.cjrm.2015.09.003
物理法整体再利用废弃Nd-Fe-B合金研究
唐杰 张铭杰 王晓军 赵导文 张林 魏成富
绵阳师范学院化学与化学工程学院
中国工程物理研究院激光聚变研究中心
烟台正海磁性材料股份有限公司
绵阳西磁磁电有限公司
摘 要：
烧结Nd-Fe-B合金加工过程中会产生10%~30%的边角料、成型中可能的氧化粉末、烧结过程失误的废品及使用后的产品等,其中含有大量的Fe与丰富的稀土元素。一般研究主要的注意力集中在稀土元素的回收,也有部分仅针对Fe元素的回收利用研究,而对其他元素丢弃或者采用另外的方式处理,造成材料、资源的浪费,工艺成本亦相应增加。为综合利用有限资源,在(Pr Nd)xB1.05Al0.5Nb0.3Fe98.15-x合金的制备过程中,采用物理手段添加一定含量的废弃Nd-Fe-B磁体,从而制备出合格产品,并与不添加废弃磁体的(Pr Nd)xB1.05Al0.5Nb0.3Fe98.15-x合金进行对比研究。结果表明,经X射线衍射(XRD)分析,在废料少量添加的情况下,二者的物相相似,且经50℃老化处理1 h后,两种样品磁通量分别降低了0.51和0.52 Wb,经70℃处理1 h后,降低了0.96和0.95 Wb,再经90℃处理1 h后,又分别降低了0.80和0.82 Wb。相对于无废弃Nd-Fe-B磁体的样品,添加废料样品粉末颗粒较粗,比表面积较小,离散性稍大,但是其块体样品的微观结构基本一致。
关键词：
Nd-Fe-B合金;废弃;热稳定性;微观结构;平均粒度;
中图分类号： X757
作者简介：唐杰(1972-),男,四川资阳人,博士研究生,研究方向:稀土永磁材料;E-mail:tyy2000@yeah.net;;魏成富,教授;电话:0816-2200064;E-mail:wcf@mail.xhu.edu.cn;
收稿日期：2014-02-22
基金：四川省科技厅应用基础研究项目(2011SZZ029,2012SZZ025,2013SZZ024);四川省教育厅重点项目(14ZA0253);四川省教育厅青年项目(12zb260);绵阳市科技局重大专项项目(12J005);绵阳师范学院科研启动项目(QD2013A01);绵阳师范学院青年项目(2011A03);绵阳师范学院稀土磁功能材料研究创新团队项目(KYJG-201301)资助;
Integrally Reuse of Discarded Nd-Fe-B Alloy by Physical Method
Tang Jie Zhang Mingjie Wang Xiaojun Zhao Daowen Zhang Lin Wei Chengfu
School of Chemical and Chemistry Engineering,Mianyang Normal University
Research Center of Laser Fusion,China Academy of Engineering Physics
Yantai Zhenghai Magnetic Material Co,Ltd.
Xici Magnetoelectricity Co.Ltd.
Abstract：
There are 10% ~ 30% superfluous offcut,oxydic powder in moulding processing,waste products with sintering fault and after being applied. In these materials,there are a lot of Fe and rare elements,and most researches are about rare earth elements recycling and a few about Fe element recycling. However,other elements are discarded or disposed by some methods,which causes material waste and the increase of cost. So in this paper,( Pr Nd)xB1. 05Al0. 5Nb0. 3Fe98. 15- xalloys with a few discarded Nd-Fe-B alloys were prepared by physical method for avoiding waste of resources,and were also comparatively researched with( Pr Nd)xB1. 05Al0. 5Nb0. 3Fe98. 15- xalloys without waste. It was indicated that the X-ray diffraction( XRD) patterns and change law of flux of samples with waste and without waste were similar when they were simultaneously aged at different temperatures. The decreased flux values of these two samples aged at 50 ℃ for 1 h were 0. 51 and 0. 52 Wb,respectively,and those values were 0. 96 and 0. 95 Wb with 70 ℃ × 1 h aging. Moreover,they were 0. 80 and 0. 82 Wb if aged at 90 ℃ for 1 h. The particle size of sample with waste was a little bigger than that of sample without waste. In addition,the specific surface area of the former was smaller than that of the latter. Furthermore,its discreteness was also bigger than that of the latter. However,the microstructures of the two samples had few differences.
Keyword：
Nd-Fe-B alloy; waste; thermal stability; microstructure; average particle size;
Received： 2014-02-22
烧结Nd-Fe-B合金被发明之后,在磁控管、高速智能公路、磁悬浮列车、核磁共振成像仪、汽车电机、音响、计算机等 领域发挥 了重要的 作用[1,2,3]。一般认为其制备过程中最重要的工序为配料、成型、熔炼和烧结及后续使用中的腐蚀与防腐等,相关的研究资料也较多[4,5]。
然而在该合金的生产过程中会产生10% ~ 30% 后加工的边角料、氧化的粉末或者废弃块体等,其主要成分为Fe,此外还含有丰富的稀土元素[6,7]。因此这些元素如何得到合理利用成为众多研究人员积极探索的课题之一。
目前,解决上述问题主要方法是对其中稀土元素的回 收,而忽略了 其他元素 的回收与 利用[6,7,8,9,10],也有的仅针对Fe元素的回收利用[11,12], 对其他元素采用丢弃或者另外的方式处理,造成材料、资源的浪费,工艺成本也相应增加。
针对这些情况,本实验在Nd-Fe-B合金制备过程中加入一定比例同类产品加工后的边角料,用一部分原有的元素来降低Nd-Fe-B合金在生产过程中所需要投入的原料比例,尽量保持原有合金的磁性能,从而为大量生产得出实践依据,实现其他牌号该合金的物理法回收,达到整体再利用稀土与Fe和B等元素的最终目标。
该合金生产过程中产生的其他被氧化或者污染的材料,尚需经过进一步的去污和除氧等净化处理后才能够采用本工艺进行整体再利用[6,8]。
1实验
根据( Pr Nd)xB1. 05Al0. 5Nb0. 3Fe98. 15 - x进行配料、 熔炼和制粉后分为两部分。其中一部分加入3%~ 5% 的后加工过程中产生的高矫顽力Nd-Fe-B边角料( 经清洗、去皮和氢破碎) ,两种粉末都经过成型和烧结,再经过线切割制得 Φ20 mm × 20 mm样品 ( 轴向充磁) ,各取其中1件经过镶样抛光后采用DPEIX-320型金相显微镜 ( OM) 观察其微观结构, X射线衍射( XRD) 物相分析由TD3500完成。再各取3件,用HT20系列手持式数字特斯拉计测试经过50,70和90 ℃老化处理1 h后的磁通量( 结果取平均值) 。两种未成 型的粉末 样品利用BT9300H型激光粒度仪测试其粒度。实验制备的样品1添加废料,样品2未添加废料。
2结果与讨论
2.1显微结构
图1是两种样品的微观结构图。对比图1中的两种样品可以发现,其Nd2Fe14B基体相晶粒呈多边形,富Nd相沿晶界或晶界交隅处分布,将基体相晶粒包围住[13],与一般的Nd-Fe-B合金微观结构一致。并且可以观察出两种样品微观结构均匀而规则, 条形、四边形、楔形等含有尖锐棱角、形状极不规则的晶粒和尺寸过大或过小的晶粒也基本相同。
从所取视场中还可以观察到,添加废料的NdFe-B合金样品富Nd相比没有添加废料的Nd-Fe-B合金样品稍微多一些,但是总体含量较为接近。此外,二者的Nd2Fe14B基体分布情况及含量基本相同。由此可见,Nd-Fe-B合金制备过程中废料的添加对合金微观结构的影响较小。
材料的性能是由其微观结构决定的,这两种样品的微观结构一致,因此,其性能也较接近[2,4,13]。
图1 样品的微观结构 Fig.1 OM images of samples
( a) Sample 1 with waste; ( b) Sample 2 without waste
2.2粉末粒度
粉末的颗粒大小及均匀程度往往对样品的密度、力学性能和磁性能等有着重要的影响[14]。因此对粉末平均颗粒度大小的测试分析也能够充分考察 添加废料 与否的Nd-Fe-B合金有无 区别[15,16]。
两种样品前期制备的粉末粒度测试结果如图2和表1所示。从表1可以看出,两种样品的中位径相差0. 32 μm,原因是添加废料后,粉末颗粒度较粗。并且其体积平均粒径和面积平均粒径也比没有添加废弃Nd-Fe-B合金的相应值高0. 24和0. 21 μm,并且由于其同类粗颗粒较多,使得其比表面积比后者小1. 52 m2·kg- 1。
由图2可以看出,两种样品的粉末粒度分布区间基本一致。添加废料样品的粉末累计含量和区间含量比没有添加废料的样品粉末相应值稍高。此外,两种粉末的分布区间都是双峰结构, 说明均存在一定的离散现象,只是添加废料之后,样品的粉末离散程度更大一些[15]。这是因为其中有一定数量废弃合金,这些合金以烧结之后的固体状态存在,其密度和硬度较高,破碎很困难,因此总体粗颗粒较多,而没有废料部分易于破碎,颗粒粒度集中度较好,二者组成的一个整体就表现出较大的离散性。没有添加废弃Nd-Fe-B合金粉末整体一致较好,虽然也有一定的离散性,但趋势较小,对其磁性能影响亦较小[14,15]。
表1 样品的粉末粒度测试结果 Table 1 Particle size of powder samples 下载原图
表1 样品的粉末粒度测试结果 Table 1 Particle size of powder samples
图2 粉末样品粒度 Fig.2 Particle size of powder samples
( a) With waste; ( b) Without waste
从以上分析可知,两种样品粉末粒度指标在数值上虽然有一定的偏差,但是偏差范围不大,因此其最终样品的磁性能差距也会较小[15,16]。
2.3磁通量
两种Nd-Fe-B合金样品在通过50,70,90 ℃ 处理后磁通量变化情况如表2所示。从表2中可以看出,同一种Nd-Fe-B合金,随着温度的升高,其磁通量下降,发生了不可逆的磁性消弱,并且温度越高,其下降幅度越大[17,18,19]。
经过50 ℃老化处理后,样品1磁通量降低了0. 51 Wb,样品2降低了0. 52 Wb; 而又经过70 ℃ 处理后,样品1降低了0. 96 Wb,样品2降低了0. 95 Wb; 再经过90 ℃ 处理后,样品1降低了0. 80 Wb,样品2降低了0. 82 Wb。
这一结果表明两种样品的热稳定性基本没有区别,即不论是否添加废料,其磁性能较为接近, 不影响Nd-Fe-B合金的正常使用[17,19]。
2. 4 XRD 谱
图3是所制备样品的X射线衍射图。从图3中可以看出,两种Nd-Fe-B合金X射线衍射峰强度的大小和变化趋势基本一致,只是在某些角度处添加废料样品的衍射峰强度高于没有添加废料的样品,衍射强度最大约400,其晶面的各向异性更加明显[20],峰顶较尖锐。这是因为合金中添加废料后,由于废料的硬度较高,破碎困难,在较长时间的制粉中,无废料部分粒度较细,在成型磁化时更加容易转动,取向较好,因此衍射峰强度稍高。
表2 样品的磁通量 Table 2 Magnetic flux of samples( Wb) 下载原图
表2 样品的磁通量 Table 2 Magnetic flux of samples( Wb)
图3 样品的 XRD 谱 Fig.3 XRD patterns of samples
3结论
1. Nd-Fe-B合金在制备的过程中,可以适当的添加一定比例的废料。在废料少量添加的情况下,对物相、磁通量和热稳定性影响较小。
2. 与无废弃Nd-Fe-B合金的样品相比,添加废料后粉末颗粒中位径大0. 32 μm,体积平均粒径和面积平均粒径高0. 24和0. 21 μm,比表面积小1. 52 m2·kg- 1。
3. 两种样品的微观结构基本没有区别。
