稀有金属 2004,(05),843-846 DOI:10.13373/j.cnki.cjrm.2004.05.008

快淬NdFeB磁粉的磁选分离

刘颖 高升吉 涂铭旌 王永强

四川大学材料科学与工程学院,四川大学材料科学与工程学院,四川大学材料科学与工程学院,四川大学材料科学与工程学院,绵阳西磁科技开发公司 四川成都610065 ,四川成都610065 ,四川成都610065 ,四川成都610065 ,四川绵阳621600

摘 要：

快淬NdFeB磁粉的制备过程中有许多因素影响磁粉性能的均匀性 , 致使出现部分低性能的磁粉 , 磁选可把低性能的磁粉分离出来。研究了磁选时辊轮转速、磁选次数以及磁场强度对快淬Nd9.5 (FeCoZrAl) 84 .5B6 磁粉分离效果的影响。研究表明 , 选择合适的磁选工艺参数能有效分离低矫顽力的磁粉。与未磁选的Nd9.5 (FeCoZrAl) 84 .5B6 磁粉制作的粘结磁体相比 , 磁选后的磁粉制作的粘结磁体磁性能有较大的提高 , 最佳磁性能为 :Br=697.4mT , Hcb=44 2kA·m- 1 , Hcj=741kA·m- 1 , (BH) max=77kJ·m- 3。

关键词：

金属材料;粘结NdFeB磁体;磁选;磁性能;

中图分类号： TM273

作者简介：刘颖, 通讯联系人 (Email:liuy5536@vip.sina.com.cn) ;

收稿日期：2003-08-25

基金：国家 8 63计划资助项目 ( 2 0 0 1AA3 2 40 3 0 );

Application of Magnetic Separation in Preparation of Bonded NdFeB Magnet

Abstract：

Many factors could affect the properties of rapid-quenching magnetic powder during production, which might lead to poor properties of the powder. Magnetic separation was applied to separate the magnetic powder which shows low coercive force. The effects of the rotating speed of the rollers, the times of separation and the intensity of the field on the results of magnetic separation were studied respectively. The properties of bonded NdFeB magnets would be greatly improved by choosing appropriate parameters of the process. The optimal properties of bonded Nd 9.5 (FeCoZr) 84.5B 6 magnets reach B r=697.4 mT, H cb=442 kA·m -1, H cj=741 kA·m -1 and (BH) max= 77 kJ·m -3.

Keyword：

metal material; bonded NdFeB magnet; magnetic separation; magnetic properties;

Received： 2003-08-25

快淬NdFeB磁粉的制备过程中有许多因素能影响磁粉的性能, 如快淬带贴辊面与自由面冷却速度的不同、 热处理过程中温度场的波动等, 这些因素都能导致磁粉微观结构发生改变, 致使磁粉性能的均匀性发生变化, 出现部分低性能磁粉。 磁选的目的就是分离磁粉中低性能的磁粉, 为制备高性能粘结NdFeB磁体创造条件。 本文比较系统地研究了磁选工艺参数对快淬NdFeB磁粉的分离效果的影响, 并对有关结果进行了讨论和分析。

1 实验方法

1.1 磁选装置及原理

磁粉的矫顽力是表征磁粉对外界磁场的抗干扰能力。 在较小的外场作用下, 矫顽力较低的磁粉能被磁化; 而矫顽力较高的磁粉由于畴壁移动困难, 磁化程度小甚至不能被磁化。 控制外场强度, 仅使磁粉发生可逆磁化, 去除磁场后, 磁粉又可恢复到原来的未磁化状态。 根据这个原理, 可设计如图1所示的装置。 在Ⅲ号辊轮中施加适当强度的磁场, 使A传送带中低矫顽力的磁粉发生可逆磁化, 将其吸到B传送带上, A传送带上剩下的磁粉就是磁选出的矫顽力较高的磁粉, 由料筒D收集。 由于磁场较弱, B传送带上的磁粉到Ⅳ号辊轮处可脱离外场的影响, 磁粉恢复到原来的未磁化状态, 由料筒C收集, 从而实现磁粉的选择分离。

1.2 磁选分离效果评价

磁选所用磁粉是绵阳西磁科技开发公司提供的快淬Nd_9.5 (FeCoZrAl) _84.5B₆磁粉。 将磁选后的磁粉制成粘结NdFeB标准试样, 有关工艺参数见表1, 磁体密度在6.05 g·cm^-3左右。 在国产AMT-3磁化特性自动测量仪上测试标样的B_r, H_cb, H_cj和 (BH) _max。

图1 磁选装置

Fig.1 Device of magnetic separation

表1 粘结NdFeB磁体制备工艺参数

Table 1 Parameters of process of bonded NdFeB magnets

粘结剂的配比/ (%, 质量分数)	成型压力/ (t·cm-2)	固化 氛围	固化温度/ ℃	固化时间 /min
磁粉∶粘结剂= 97.5∶2.5	10	真空	120	120

2 结果与讨论

2.1 辊轮转速对磁选分离效果的影响

表2为用不同转速磁选的快淬Nd_9.5 (FeCoZrAl) _84.5B₆磁粉制作的粘结磁体的磁性能。 由表可知, 与用原粉制作的粘结磁体相比, 用磁选出的磁粉 (未被磁铁辊吸住的磁粉) 制作的粘结磁体磁性能有所提高, 而用分离出的磁粉 (被磁铁辊吸住的磁粉) 制作的粘结磁体磁性能却有所下降。 随着辊轮转速的增加, 被磁选出的磁粉虽然增多, 但用其制作的粘结磁体磁性能的提高却不是很大; 而被分离的磁粉不断减少, 用其制作的粘结磁体磁性能有很大下降。

磁粉的可逆磁化是畴壁内的磁矩发生可逆转动, 畴壁产生一定的可逆位移, 去除外场后畴壁将恢复到原来状态。 由于磁矩向外场方向转动, 引起系统静磁能减小E_H ^[1] 。 设畴壁可逆移动s距离, 磁畴易磁化方向与外场方向之间的夹角为θ, 饱和磁化强度为M_s, 则

E_H=-20μ₀M_sHcosθ·s (1)

畴壁内磁矩的转动使其偏离能量最低位置, 引起畴壁能增大γ_{ω (s)} 。 畴壁能增大使系统总能量增加, 这将阻碍壁移磁化, 因而畴壁可逆移动s后系统的能量变化为

ΔE=γ_{ω (s)} -20μ₀M_sHcosθ·s (2)

根据 ?(ΔE)?s=0 , 可得 2μ0ΜsΗcosθ=?γω(s)?s???(3)

因此, 要使畴壁可逆移动s距离, 外场强度H应满足

Η≥12μ0Μscosθ(?γω(s)?s)???(4)

矫顽力高的磁粉畴壁能很高, (?γω(s)?s) 较大, 要使畴壁可逆移动s所需的外场强度较大, 较小的外场强度不能满足 (4) 式, 磁粉不能被磁化, 因而可被磁选出来。

在A传送带上传送的磁粉所受的力有磁场力F_m, 向心力F_c, 摩擦力f, 磁粉颗粒之间的短程磁作用力, 范德华力等 ^[2] 。 由于传送带摩擦系数很小, 磁粉之间比较松散, 间距较大, 可逆磁化所需的外场强度也较小, 因而磁粉所受的摩擦力、 磁粉颗粒之间的短程磁作用力以及范德华力都可忽略, 主要考虑磁场力F_m、 向心力F_c以及重力G对磁选效果的影响。

颗粒所受磁场力

F_m=μ₀kmHgradHcosβ ^[3] (5)

由于k=χ/ρ, ρ=m/V, χ=M/H,

∴ F_m=μ₀VMgradHcosβ (6)

磁粉要实现磁选, 在Ⅱ号辊轮处应满足

F_m≥F_c+G, 而此时β=0,

∴ F_m=μ₀VMgradH≥mg+mv²/r (7)

式中μ₀为真空导磁率, k为比磁化系数, χ为磁化率, V为磁粉体积, m为磁粉颗粒质量, ρ为磁粉颗粒密度, M为磁粉磁化强度, gradH为磁场梯度, β为磁场梯度方向与磁场方向之间的夹角, v为辊轮转动的线速度, r为辊轮半径。 控制磁粉在传送带上的堆积厚度, 减小gradH的影响; 并假设磁粉比较均匀, 不同磁粉颗粒的体积V和质量m相等, 这样就只考虑M和v对磁选效果的影响。

具有一定矫顽力的磁粉, 虽然较小外场强度能使其畴壁产生一定的位移, 但畴壁能的影响使畴壁的位移很小, 磁矩有序化程度不高, 磁化程度很小, M较小, F_m不能满足 (7) 式, 因而也能被磁选出来。

矫顽力低的磁粉, 畴壁移动的阻力较小, 磁化十分容易, 磁矩易转动到与外场夹角最小的易磁化方向, 磁矩有序化程度很高, 引起M迅速增大, F_m很容易满足 (7) 式, 因而被分离出去。 所以, 被分离的磁粉是矫顽力较低的磁粉, 用其制作的粘结磁体与用原粉制作的粘结磁体相比磁性能有所降低。

在外场强度不变的前提下, F_m要满足 (7) 式, 则

Μ≥mg+mv2/rμ0vgradΗ???(8)

设低转速下M≥M₁就能使F_m满足要求; 辊轮转速增加使v增大, 此时M≥M₂ (M₂≥M₁) 才能使F_m满足要求。 矫顽力很低的磁粉由于磁化容易, 磁化程度很高, M≥M₂, 其F_m在高转速下仍能满足 (7) 式, 可被分离; 而低转速下能被分离的部分低矫顽力磁粉, 其矫顽力比前者高, 磁化程度比前者低, M₂≥M≥M₁, 在高转速下其F_m不能

表2 用不同转速磁选的Nd9.5 (FeCoZrAl) 84.5B6磁粉制作的粘结磁体磁性能

Table 2 Magnetic properties of bonded Nd_9.5 (FeCoZrAl) _84.5B₆magnets made by magnetic separation powder which selected at different rotating speed

磁粉状态	辊轮转速/ (r·min-1)	质量分数/%	Br/mT	Hcb/ (kA·m-1)	Hcj/ (kA·m-1)	(BH) max/ (kJ·m-3)
原粉	0	100	655.3	362	677	60
磁选出的磁粉	16	29.82	675.0	406	716	70
	18	54.76	667.2	398	716	68
	20	84.05	660.4	374	693	62
被分离的磁粉	16	70.18	643.0	354	644	54
	18	45.24	628.4	318	625	50
	20	15.95	605.8	283	570	42

满足 (7) 式, 不能被分离。 因而, 随着转速的提高, 磁选出的磁粉虽然逐渐增加, 但由于部分低矫顽力的磁粉没有被分离, 用其制作的粘结磁体磁性能提高不大, 而此时能被分离的磁粉是原粉中矫顽力很低的磁粉, 用其制作的粘结磁体磁性能很低。 所以, 磁选时辊轮转速不能太高, 否则低矫顽力的磁粉不能完全被分离, 用磁选的磁粉制作的粘结磁体磁性能的提高不大。

2.2 磁选次数对磁选分离效果的影响

表3为辊轮转速为18 r·min^-1时, 用不同磁选次数磁选出的Nd_9.5 (FeCoZrAl) _84.5B₆磁粉制作的粘结磁体磁性能。 由此可知, 随着磁选次数的增加, 磁选出的磁粉逐渐减少, 用其制作的磁体磁性能逐渐升高。 这是因为第一次磁选时, 磁粉较多, 磁粉在传送带上堆积成具有一定厚度的条带。 此时表层矫顽力较高而未被磁铁辊吸住的磁粉对条带内部的磁粉来说有一定的屏蔽作用, 使条带内部低矫顽力的磁粉在初次磁选时未能被分离。 磁选次数的增加使低矫顽力的磁粉不断被分离, 条带不断减薄, 这使内部低矫顽力的磁粉出现在条带表层的几率增加, 因而它被分离的几率也增加。 所以, 多次磁选后磁选出的磁粉矫顽力较高, 用其制作的粘结磁体的磁性能也有提高。

表3 用不同磁选次数磁选的Nd9.5 (FeCoZrAl) 84.5B6磁粉制作的粘结磁体磁性能 (18 r·min-1)

Table 3 Magnetic properties of bonded Nd_9.5 (FeCoZrAl) _84.5B₆magnets made by magnetic separation powder which selected under different times (18 r·min^-1)

磁粉 状态	磁选 次数	质量分数/ %	Br/ mT	Hcb/ (kA·m-1)	Hcj/ (kA·m-1)	(BH) max/ (kJ·m-3)
原粉	0	100	658.3	362	680	61
磁选	1	53.75	670.0	398	716	68
出的	2	39.70	675.2	410	724	70
磁粉	3	33.50	678.4	422	728	71
	4	28.40	683.0	430	732	74

2.3 磁场强度对磁选分离效果的影响

调整Ⅱ号和Ⅲ号辊轮之间的距离x可改变磁场强度。 表4为用不同场强磁选出的Nd_9.5 (FeCoZrAl) _84.5B₆磁粉制作的粘结磁体磁性能的比较。 由此可知随着磁场强度的增加, 磁选出的磁粉减少, 用其制作的粘结磁体磁性能有较大的提高。 这是因为式 (5) 中的磁场梯度gradH与磁粉颗粒相距磁体的距离有关。 如果设磁选机中的条形磁铁体积为V₂, 磁化强度为M₂, 磁粉颗粒距磁体中心的距离为x, 则 ^[4] :

表4 不同磁场强度磁选的Nd9.5 (FeCoZrAl) 84.5B6磁粉制作的粘结磁体磁性能比较 (18 r·min-1, 4次磁选)

Table 4 Magnetic properties of bonded Nd_9.5 (FeCoZrAl) _84.5B₆magnets made by magnetic separation powder which selected at different field intensity (18 r·min^-1, 4 times)

磁粉状态	辊轮间距	磁场强度	质量分数/%	Br/mT	Hcb/ (kA·m-1)	Hcj/ (kA·m-1)	(BH) max/ (kJ·m-3)
磁粉未被	x1	H1	28.40	683.0	430	732	74
吸住部分	x2 (x2<x1)	H2 (H2>H1)	15.82	697.4	442	741	77

grad Η=3Μ2V22πx4???(9)

由式 (9) 知gradH与x⁴成反比关系, 随着x的减少, gradH迅速增加。 由于辊轮转速不变, 不但易磁化磁粉的F_m能满足式 (7) 被分离; 部分矫顽力较高的磁粉, 虽然M较小, 但gradH的增加使其F_m也能满足式 (7) , 因而也被分离出去。 所以, 场强的增加使磁选出的磁粉减少, 但选出的磁粉矫顽力很高, 用其制作的粘结磁体磁性能也较高。 增加磁场强度可以加强磁选的效果。 但是, 场强不能太高, 以防低矫顽力的磁粉发生不可逆磁化。

3 结 论

1. 通过磁粉能分离快淬NdFeB磁粉中矫顽力较低的磁粉。

2. 磁选时辊轮转速不能太高, 以免不能有效分离低矫顽力的磁粉; 随着磁选次数的增加, 磁选出的磁粉减少, 用其制作的粘结磁体性能有较大的提高; 磁场强度的增加也有同样的效果, 但为了防止磁粉发生可逆磁化, 磁场强度不能太高。

3. 选择适当的辊轮转数、 磁选次数以及磁场强度可有效分离Nd_9.5 (FeCoZrAl) _84.5B₆磁粉中的低矫顽力磁粉。 用磁选磁粉制成的粘结磁体与用原粉制成的粘结磁体相比, 前者磁性能有较大的提高, 最佳磁性能为: B_r=697.4 mT, H_cb=442 kA·m^-1, H_cj=741 kA·m^-1, (BH) _max=77 kJ·m^-3。

参考文献

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[3] 　谢　强.　梯度磁场中磁性矿粒所受磁力及影响因素[J].金属矿山, 2001, (1) :26.

[4] 　伍　勇, 方善如, 王　颖, 等.　稀土永磁NdFeB在固液分离中的应用研究[J].中国稀土学报, 2002, 20 (5) :419.