稀土是重要的戰略資源,在國防及民用高技術領域應用廣泛。近年來,我國經濟的快速發展和持續的全球供給消耗了大量的稀土,造成稀土原礦儲量的急劇下降。因此,稀土再生資源的回收再利用迫在眉睫。本文以典型的稀土再生資源——燒結釹鐵硼廢料為研究對象,開展了廢料中稀土及其伴生資源的高效提取和綜合再利用研究。針對燒結釹鐵硼塊狀廢料,首先研究了廢料的吸氫過程熱力學條件和動力學過程;基于此,研制出磁性能優良的再生粘結釹鐵硼磁體,開展了再生燒結釹鐵硼磁體的批量化中試,取得較好效果,并考查了燒結磁體的溫度穩定性、化學穩定性和力學性能;針對燒結釹鐵硼油泥廢料,探索出基于共沉淀技術和鈣還原反應燒結技術的回收新工藝,制備出性能可用的再生燒結釹鐵硼磁體。研究為稀土再生資源的回收再利用提供了有益探索。系統研究了燒結釹鐵硼塊狀廢料的吸氫過程熱力學條件和動力學過程,并采用釹鐵硼速凝鑄片做了對比研究。

  考查了吸氫壓力、溫度、以及磁體的尺寸等因素對吸氫過程和磁體爆破效果的影響。首先,燒結釹鐵硼廢舊磁體的吸氫量隨著初始氫壓的增加而增加,隨著溫度和廢舊磁體尺寸的增加而降低,燒結釹鐵硼廢舊磁體吸氫量小于速凝鑄片。第二,燒結釹鐵硼塊狀廢料吸氫過程由磁體表面活化、富釹相慢速吸氫、主相Nd2Fe14B快速吸氫和合金心部慢速吸氫等四個階段組成。隨著氫壓的增加,磁體表面活化進程加快,6 MPa以上基本消失。初始壓力為15 MPa時廢舊磁體的吸氫反應活化能E=6.71 kJ/mol,鑄片為E=6.64kJ/mol,說明釹鐵硼速凝鑄片吸氫反應更易發生。第三,燒結釹鐵硼廢舊磁體的吸氫反應的爆破能力隨著初始氫壓的增加而降低;在423 K時,尺寸小于10 mm的廢舊磁體,其吸氫反應的爆破效果最好。研究了利用氫處理技術將塊狀燒結釹鐵硼廢舊磁體制備成高性能再生粘結磁體和再生燒結磁體的工藝。粘結磁體方面:機械破碎廢舊磁體所得再生磁粉的斷裂方式主要為穿晶斷裂,氫破碎廢舊磁體所得再生磁粉的斷裂方式主要為沿晶斷裂,二者所得再生粘結磁體的最大磁能積分別為91.4 kJ/m3和111.6 kJ/m3。氫破碎磁粉經10 wt.%的納米NdHx顆粒表面改性后所得粘結磁體比未添加納米顆粒的粘結磁體矯頑力提高了22.3%。通過優化工藝制備了大批量高性能再生燒結釹鐵硼磁體,與原始磁體相比,牌號35SH的再生磁體的剩磁、矯頑力、最大磁能積回復率分別為99.2%、105.65%、98.65%。牌號42H的再生磁體的剩磁、矯頑力、最大磁能積回復率分別為99.27%、96.76%、99.29%,達到了商用水平。以牌號為35SH和42H的兩種再生燒結釹鐵硼磁體為對象,考查了再生磁體的熱穩定性、化學穩定性及力學性能,并與相同牌號的原生燒結釹鐵硼磁體做了對比。研究表明,再生磁體的剩磁溫度系數α、矯頑力溫度系數β和最高使用溫度TO均與原生磁體十分相近,說明二者溫度穩定性相當。再生燒結釹鐵硼磁體化學穩定性略遜于原生磁體。

  分析發現再生磁體較高的稀土總量和微結構中較多的邊界富釹相是主因。再生燒結釹鐵硼磁體的抗拉/抗壓強度和硬度略低于原生磁體,但斷裂韌性較佳。這也與前者微結構中邊界富釹相較多有關。上述結果表明,再生磁體具有與原生磁體相近的溫度穩定性、化學穩定性和力學性能,完全能夠滿足商業應用。建立了從燒結釹鐵硼油泥廢料到燒結釹鐵硼再生磁體的回收工藝。采用化學共沉淀技術將燒結釹鐵硼油泥廢料制備成氧化物粉末,成功實現了油泥廢料中稀土元素及其主要伴生過渡金屬元素的共同回收。采用鈣還原擴散技術將氧化物粉末還原成單相Nd2Fe14B合金粉末。采用NdHx納米顆粒摻雜燒結技術制備出再生燒結釹鐵硼磁體。通過對上述過程反應具體機理的分析,實現了關鍵工藝參數的優化,獲得了性能可用的再生燒結釹鐵硼磁體,磁體的最佳磁性能為:剩磁1.2 T,矯頑力517.6 kA/m,最大磁能積258 kJ/m3。