專利名稱：用霧化永磁粉制備的粘合磁體的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及磁體和生產磁體的方法。更具體地說，本發(fā)明是從霧化的永久磁粉制備磁體、特別是粘合磁體以及生產這種磁粉和磁體的方法。
背景技術：
粘合磁體是用黏合劑(通常是有機或金屬樹脂)將磁粉粘合在一起制成的。雖然粘合磁體與它們充分致密化的對應體(諸如燒結磁體)相比通常磁能較低，但粘合磁體具有廣泛的工業(yè)應用性，因為它們有極好的成型性-形成機械容限高的形狀復雜的磁體的能力。事實上，粘合磁體市場已經經歷了任何永磁體市場的最迅速的增長。粘合磁體的應用實例包括家用電器、電子消費品、汽車、工廠自動化、醫(yī)療設備、計算機和辦公自動化。
粘合磁體通常是用鐵氧體、Nd-Fe-B、Sm-Co或Sm-TM(Co、Fe、Cu、Zr和Hf的組合)制備的，雖然近來也有其他類型的粘合磁體報告，諸如公開于US5,750,044和5,186,766中的Sm-Fe-N類的磁體。粘合磁體的主要增長領域是Nd-Fe-B型磁體。自從第一個粘合磁體在US 4,902,301中公開后，已經做了許多改良。例如，在US5,393,445、5,149,447和5,376,291中報道了專用黏合劑的使用；US5,647,886中報道了雜交類型的粘合磁體；US5,279,785公開了使用涂覆劑以改進粘合磁體的抗腐蝕性；US5,587,024和6,007,757報道了各向異性的粘合磁體。
在傳統(tǒng)上，強度最高的粘合磁體是用熔體旋轉法快速孰化Nd-Fe-B粉末生產的。而在事實上熔體旋轉法仍然是幾乎整個Nd-Fe-B粘合磁體工業(yè)的基礎。在熔體旋轉工藝中，熔融的合金混合物流到快速旋轉的輪盤表面，在與輪盤表面接觸時，熔融的合金混合物形成了帶狀，并孰化成小片狀的顆粒。通過熔體旋轉得到的小片狀顆粒是相對很脆的并具有很細微的微晶結構。在生產磁體以前，小片狀顆粒也可以進一步粉碎或研細。冷卻速度可以用質量流速和輪盤轉速二者來控制。
雖然熔體旋轉工藝是要達到必要的冷卻速度以從Nd2Fe14B型合金熔體形成質量好的磁粉在工業(yè)上唯一能提供的工藝，但是它有一些缺點，諸如由于非均勻的驟冷而產生的微結構的不均勻性；粉末顆粒之間存在大量空隙導致低密度和粉末被氧化；由于小片狀顆粒的粒徑大和形狀不規(guī)則使形成磁體的操作發(fā)生困難。
生產快速孰化的磁粉以制備粘合磁體的另一有潛力的方法是霧化法，雖然它還沒有被廣泛地以工業(yè)規(guī)模使用。霧化法是將液體打破成為細小的液滴。不同類型的霧化方法已經使用了多年用以生產某些合金粉末，諸如氣體霧化、水霧化、真空霧化和離心霧化。雖然霧化法具有比熔體旋轉工藝高得多的質量流速生產磁粉的潛力，但它并沒有用在工業(yè)上生產制造粘合磁體的磁粉。霧化工藝的主要缺點是其冷卻速度一般要低于熔體旋轉工藝的冷卻速度，通常得到的結果是驟冷不充分以及磁粉的磁性能很差。近年來，在生產制備磁體的磁粉中對改進霧化工藝的實用性做了一些試嘗。霧化的Nd-Fe-B已用于制備粘合磁體，如US5,905,424中所述。在US5,242,508中，在球形的磁粉上有一層保護層以制備充分致密的磁體。US5,474,623報道了制備磁各向異性的球形粉末的方法。US6,022,424公開了用霧化生產具有R2.1Q13.9B1結構的磁粉的方法。
但是，這些參考文獻中所公開的磁粉和粘合磁體都有一種或多種以下所述的缺點內矯頑力的損耗；磁體制備過程中的腐蝕不穩(wěn)定性；由于磁粉的特性而產生的內磁剪切損耗；由于磁粉的形狀和其他特征產生的低增量性填充；由于磁粉的低流動性而使裝載和填充困難；由于暴露在高溫下而產生的高磁通量損耗和剩磁損耗；由于黏度高而加工困難；由于磁粉的特性和從磁粉生產粘合磁體所用方法而使磁強度高和部件整體性高的小尺寸磁體的生產城市困難。
在制備粘合磁體、磁粉時，不論是用熔體旋轉法或是霧化法，通常要散布一種粘合劑，粘合劑可以是諸如任何熱固或熱塑性塑料的聚合物，或是諸如鋅之類的金屬。粘合磁體可以用各種方法從磁粉-黏合劑化合物形成，使用的方法有壓縮模塑(粉料擠粒)、注射模塑、擠壓模塑、壓延、使用網(wǎng)印、旋轉鑄造或水漿涂覆的薄層、薄箔和厚片。注射模塑是通常用來生產帶集成元件形狀復雜的粘合磁體的方法。但是，注射模塑要求磁粉/粘合劑混合物要有好的流動性。好的流動性通常是用限制磁粉的體積份數(shù)來達到的，但其結果將是磁體的磁能降低。壓縮模塑一般是生產磁能相對高的磁體，因為它容許有較低的流動性，它能從磁粉體積份數(shù)高的磁粉/粘合劑混合物生產磁體。但是壓縮模塑不能生產很小的磁體或形狀復雜的磁體。擠壓模塑是連續(xù)生產磁體的好方法，它的生產成本較低。雖然擠壓模塑不象注射模塑那樣對流動性有嚴格的要求，但是由于方法本身的特性，所生產的磁體的復雜性是受到限制的。
除了現(xiàn)今生產粘合磁體的各種方法中存在的上述缺點外，還存在著與磁粉和粘合磁體生產有關的其他一般性問題，諸如由于加工率低帶來的材料浪費；由于裝料極限引起的磁體龜裂和/或變形；以及由于尺寸變化產生的廢品。這些問題都會使成本增加，并影響終產品的磁性能。
發(fā)明概述本發(fā)明提供克服或減少了現(xiàn)今供應的粘合磁體的一些缺點或所有的缺點的磁體，特別是粘合磁體。本發(fā)明也提供生產粘合磁體的方法。具體地說，本發(fā)明是用霧化法加上組成控制制備的磁粉克服上述缺點的。更具體地說，本發(fā)明提供用霧化工藝得到的磁粉制成的粘合磁體，它包括以重量計的約15％-25％的RE；約0.8％-2.0％的B；約1％-10％的T；其余是Fe、Co或它們的混合物，其中RE是選自Y、La、Ce、Pr、Nd、Sm、Er、Gd、Tb、Dy、Ho、Tm、Yb和Lu的一種或多種稀土元素；T是選自Ti、Zr、Hf、V、Nb、Ta、Cr、Mo和W的一種或多種元素。
本發(fā)明優(yōu)選的磁體是由通式為Nd2Fe14B的磁粉制成，包括基本上有Nd2Fe14B作為初磁相的冶金結構。本發(fā)明的磁粉可進一步包括一種或多種附加的元素，諸如Cu、Si、Al、Sn和Ga，其量達1％；也可以進一步包括以雜質量存在的其他元素，諸如C、N、O、P和S。
在又一最佳具體實施方案中，本發(fā)明提供的粘合磁體是由如下組成的磁粉制成以重量計算約18％-20％的Nd；約1.8％-2.2％的Ti；約3.8％-4.2％的Zr；約1.4％-1.8％的B，其余是Fe。在本發(fā)明的另一更優(yōu)選的具體實施方案中，磁粉包括以重量計算約23％-24％的Nd；約3.8％-4.2％的Co；約1.1％-1.3％的B；約1.4％-1.6％的Ti；約2.2％-2.4％的Zr；約0.1％-0.3％的Cu，其余是Fe。在本發(fā)明的又一個更優(yōu)選的具體實施方案中，磁粉包括以重量計算約22％-23％的Nd；約8％-10％的Co；約1.1％-1.3％的B；約1.7％-1.8％的Nb；約3.1％-3.3％的Zr；約0.1％-0.3％的Cu，約0.1％-0.3％的C；其余是Fe。
在本發(fā)明的又一最佳具體實施方案中，磁體是由基本上為球形的磁粉制成，球形磁粉的直徑約為1μm-200μm。在本發(fā)明的又一最佳具體實施方案中，磁體是由包括直徑約為1μm-200μm的基本上為球形的磁粉顆粒和長度在約50μm-約500μm之間、厚度在約20μm-約100μm之間的小片狀顆粒的混合磁粉制成。優(yōu)選的本發(fā)明磁體是各向同性的，并且是由選自氣體霧化、離心霧化、水霧化、真空霧化、等離子體噴霧和濺射法的霧化工藝生產的。
本發(fā)明的粘合磁體可進一步包括粘合劑，粘合劑選自熱固性樹脂、熱塑性樹脂、金屬和它們的混合物。優(yōu)選的粘合劑是聚酰胺、PPS、天然橡膠或合成橡膠、或環(huán)氧樹脂。
在一最佳具體實施方案中，本發(fā)明的粘合磁體得自壓縮模塑、注射模塑、擠壓模塑、壓延、網(wǎng)印、旋轉鑄造、水漿涂覆或它們的結合。更優(yōu)選的是通過注射模塑制取磁體，其中經過4個注塑循環(huán)后，磁體的內矯頑力損耗低于約5％。
本發(fā)明的粘合磁體最好是由磁粉和粘合劑混合物制成。在一更優(yōu)選的具體實施方案中，磁粉是磁粉/粘合劑混合物的約40％-約90％(體積)，粘合磁體的內損耗小于約4％。在另一更優(yōu)選的具體實施方案中，磁粉是磁粉/粘合劑混合物的約63％-約69％(體積)，而磁體無龜裂和/或物理變形，并可用常規(guī)的模塑設備來制造。
在另一最佳具體實施方案中，本發(fā)明的磁體是由在剪切速率大于約20秒-1和約240℃的溫度下表觀黏度低于約500泊的磁粉/粘合劑混合物制成的。
本發(fā)明的粘合磁體進一步優(yōu)選由流動性好的磁粉制取，更優(yōu)選磁粉能夠從標準霍爾流量計(Hall flow meter)孔口以每秒大于約2克、優(yōu)選大于約3.5克的速率流出。
在本發(fā)明的另一最佳具體實施方案中，粘合磁體暴露于約260℃的溫度下約200小時，其剩磁損耗低于約30％。另外，本發(fā)明的粘合磁體最好是在約100℃的溫度下老化約2000小時后，其磁通量損耗低于約3％。
本發(fā)明進一步提供尺寸小、磁強度高的粘合磁體。例如磁體的總體積小于約50mm3，磁體的最大尺寸小于約5mm。這種尺寸的粘合磁體具有的磁通量密度比用常規(guī)小片狀磁粉得到的要大。在一最佳具體實施方案中，這種磁體的Br值大于約4.0k高斯，更優(yōu)選大于約4.8k高斯。
另一方面，本發(fā)明提供一種制備粘合磁體的方法，該方法包括如下步驟(a)形成包括以重量計約15％-25％的RE；約0.8％-2.0％的B；約1％-10％的T；其余是Fe、Co或它們的混合物的熔體，其中RE是選自Y、La、Ce、Pr、Nd、Sm、Er、Gd、Tb、Dy、Ho、Tm、Yb和Lu的一種或多種稀土元素；T是選自Ti、Zr、Hf、V、Nb、Ta、Cr、Mo和W的一種或多種元素；(b)將熔體霧化以得到磁粉；(c)加熱處理得到的磁粉；(d)用粘合劑與磁粉混合或涂覆磁粉；(e)壓制或模塑磁粉和粘合劑；(f)孰化粘合劑(如需要)。
在本發(fā)明的一最佳具體實施方案中，用霧化工藝形成的磁粉包括一基本上具有式Nd2Fe14B的冶金復雜結構。本發(fā)明步驟(a)中的合金熔體可進一步包括附加的元素，諸如Cu、Si、Al、Sn和Ga，其量達1％；也可以進一步包括以雜質量存在的其他元素，諸如C、N、O、P和S。
本發(fā)明的霧化步驟可按下面的一種或多種方法來完成氣體霧化、離心霧化、水霧化、真空霧化、等離子體噴霧和濺射法。優(yōu)選的霧化步驟是將輪盤或轉杯旋轉到轉速大于約20,000rpm并且得到的磁粉是用氦氣冷卻的離心霧化，更優(yōu)選的是離心霧化的輪盤或轉杯的旋轉速度在約20,000rpm-約35,000rpm之間，最優(yōu)選約24,000rpm-約33,000rpm之間。
在本發(fā)明的一具體實施方案中，霧化的磁粉基本上是球形的，其直徑在約1μm-約200μm范圍。在另一最佳具體實施方案中，磁粉包括直徑約1μm-200μm的基本上為球形的顆粒和長度在約50μm-約200μm之間、厚度在約20μm-約100μm之間的小片狀顆粒的混合物。
本發(fā)明的熱處理步驟最好包括在600℃-800℃的溫度之間將磁粉退火。同時，本發(fā)明中所用的粘合劑最好是熱固性樹脂、熱塑性樹脂和金屬中的一種或多種。更優(yōu)選的粘合劑是聚酰胺、PPS、天然或合成橡膠、環(huán)氧樹脂或鋅。可用于本發(fā)明的模塑方法包括壓塑、擠塑、注塑、壓延、網(wǎng)印、旋轉鑄造和水漿涂覆。
在本發(fā)明的另一最佳具體實施方案中，磁粉和粘合劑是使用注塑方法制備粘合磁體的。更優(yōu)選的是，在4個注塑循環(huán)后粘合磁體的內矯頑力損耗小于約5％。
在本發(fā)明的另一最好具體實施方案中，磁粉/粘合劑混合物中的磁約40％-約99％，磁體小于約4％。另一方面，磁粉/粘合劑混合物中的磁粉定容裝載量為約69％或更高，并且磁體沒有龜裂和/或物理變形，可使用常規(guī)設備來制造。
本發(fā)明進一步提供流動性好的的磁粉。例如，磁粉能夠流經一標準霍爾流量計孔口(直徑2.54mm)，其速率超過約每秒2克，優(yōu)選超過約每秒3.5克。與常規(guī)磁粉相比，當本發(fā)明的磁粉與一粘合劑混合時還有較低的黏度。例如在剪切速率大于約20秒-1、溫度約為240℃下，當磁粉與聚酰胺樹脂混合時具有的表觀黏度低于約500泊。
在另一最佳具體實施方案中，本發(fā)明方法生產的粘合磁體當暴露于升高的溫度下一段相當長的時間后磁能的損耗較低。例如，當本發(fā)明的磁體暴露在260℃的溫度下約200小時，其剩磁損耗小于約30％和/或在100℃的溫度下老化約2000小時，其磁通量損耗小于約3％。
最佳具體實施方案詳述本發(fā)明的磁體、特別是粘合磁體是用霧化工藝和組成控制生產的磁粉制成的。與常規(guī)磁體相比，這樣生產的磁體呈現(xiàn)了一種或多種下列的性能(1)在重復注塑循環(huán)下內矯頑力損耗較?。?2)內磁剪切損耗較小；(3)由于磁粉較高的定容裝載容量，Br得到了改進；(4)由于磁粉流動性好，有較高的部件完整性；(5)暴露于高溫后的環(huán)境降解較小；(6)磁通量損耗較小；(7)由于磁粉顆粒較小，有復雜的形狀和較高的部件完整性；(8)磁粉/粘合劑混合物的黏度較低；(9)甚至是尺寸小的磁體磁強度也很高。
本發(fā)明的一方面是提供用霧化工藝得到的磁粉制成的磁體，特別是粘合磁體。它包括以重量計約15％-25％的RE；約0.8％-2.0％的B；約1％-10％的T；其余是Fe、Co或它們的混合物，其中RE是選自Y、La、Ce、Pr、Nd、Sm、Er、Gd、Tb、Dy、Ho、Tm、Yb和Lu的一種或多種稀土元素；T是選自Ti、Zr、Hf、V、Nb、Ta、Cr、Mo和W的一種或多種元素。
在一最佳具體實施方案中，本發(fā)明的粘合磁體是由霧化磁粉制成，霧化磁粉包括基本上具有式Nd2Fe14B作為初磁相的冶金復雜結構。本發(fā)明的磁粉可進一步包括一種或多種附加的元素，諸如Cu、Si、Al、Sn和Ga，其量達1％；也可以進一步包括以雜質量存在的其他元素，諸如C、N、O、P和S。
在一更優(yōu)選的具體實施方案中，本發(fā)明提供由磁粉制成的磁體，該磁粉包括以重量計約18％-20％的Nd；約1.8％-2.2％的Ti；約3.8％-4.2％的Zr；約1.4％-1.8％的B，其余是Fe。在另一更優(yōu)選的具體實施方案中，磁粉包括以重量計約2 3％-24％的Nd；約3.8％-4.2％的Co；約1.1％-1.3％的B；約1.4％-1.6％的Ti；約2.2％-2.4％的Zr；約0.1％-0.3％的Cu，其余是Fe。在本發(fā)明的又一個更優(yōu)選的具體實施方案中，磁粉包括以重量計算約22％-23％的Nd；約8％-10％的Co；約1.1％-1.3％的B；約1.7％-1.8％的Nb；約3.1％-3.3％的Zr；約0.1％-0.3％的Cu，約0.1％-0.3％的C，其余是Fe。
在本發(fā)明的另一最佳具體實施方案中，粘合磁體是由基本上是圓形或球形的磁性顆粒制成，其直徑在約1μm-約200μm的范圍，更優(yōu)選約1μm-150μm范圍，最優(yōu)選約1μm-100μm范圍。磁粉基本上的球形能使其比熔體旋轉帶生產的小片狀或小板狀磁粉有更好的流動性。如本技術領域中的普通技術熟練者所知，磁粉的較好的流動性和填充性可使其在磁粉/粘合劑混合物中有較高的體積份數(shù)。較高的體積份數(shù)又產生具有形狀更復雜和部件整體性更高的強磁體。較高的流動性對于粘合磁體的注塑是特別有利的。例如，本發(fā)明的磁粉能夠流經一標準霍爾流量計孔口(直徑2.54mm)，其速率超過約每秒2克，優(yōu)選超過約每秒3.5克。與常規(guī)磁粉/粘合劑混合物相比，本發(fā)明的霧化磁粉/粘合劑混合物也有較低的黏度。例如在剪切速率大于約20秒-1、溫度約為240℃下，磁粉/聚酰胺粘合劑混合物的表觀黏度低于約500泊。
在本發(fā)明的另一最佳具體實施方案中，磁體由包括直徑約1μm-200μm范圍的基本上為球形的顆粒和長度在約50μm-約500μm之間、厚度在約20μm-約100μm之間的小片狀顆粒的混合物制成。
本技術領域中的普通技術熟練者會知道，常規(guī)的小片狀磁粉的注塑最大體積份數(shù)通常是在63％左右。體積份數(shù)過高，得到的磁體會產生龜裂和/或變形，或是不能用常規(guī)的注塑設備來生產。另一方面，本發(fā)明則可以使體積份數(shù)高到至少69％的注塑不產生最終磁體的龜裂或變形。這樣就能夠使復雜形狀的磁體的生產具有較高的機械強度和改進的磁性能(與常規(guī)磁體相比)。
基本上是球形的顆粒形狀與較窄的粒子大小分布也能使本發(fā)明的磁粉達到較高的填充密度。這也有助于生產機械性能好并適合更廣泛應用的粘合磁體。另外，本發(fā)明的粘合磁體可以是各向同性或各向異性的，也可以是剛性或柔性的。
本發(fā)明的粘合磁體可以由任何霧化工藝得到的磁粉進行生產。如本技術領域技術熟練者所知，霧化是將液體破碎成為小液滴。多年來已經使用過不同類型的霧化工藝去生產某些合金粉末，諸如氣體霧化、水霧化、真空霧化、離心霧化和超聲霧化。本文所用的水霧化或氣體霧化是指用水或氣體的高壓噴射實現(xiàn)的液流破碎。使用離心的作用，將熔融的合金液流引到一旋轉杯或旋轉輪盤上，當它被徑向拋離旋轉杯時，液流被破碎，即本文中所稱的離心霧化。使用真空或超聲力去破碎液流分別稱為真空霧化和超聲霧化。另外，為了本發(fā)明的目的，諸如等離子噴射和濺射之類的工藝也被認為是霧化工藝。本發(fā)明的磁體最好是用離心、氣體或水霧化工藝生產的磁粉制成。
本發(fā)明的粘合磁體可以通過各種壓制/模制工藝來生產，包括但不限于壓塑、擠塑、注塑、壓延、網(wǎng)印、旋轉鑄造和水漿涂覆。如所討論，因為本發(fā)明磁粉的高流動性和填充容量，可以用注塑來生產粘合磁體(在過去常規(guī)磁粉只能用擠塑或壓塑來進行生產)，這樣便得到了形狀復雜和整體性高的磁體。
在另一最佳具體實施方案中，粘合磁體是通過注塑生產的，粘合磁體的內矯頑力損耗低于常規(guī)注塑粘合磁體的內矯頑力損耗。例如，本發(fā)明粘合磁體的內矯頑力損耗在4個注塑循環(huán)后可低于約5％。再者，本發(fā)明磁粉的內磁剪切損耗也低于常規(guī)磁粉。
在本發(fā)明的另一最佳具體實施方案中，提供了尺寸非常小但磁強度很高的粘合磁體。在此具體實施方案中，粘合磁體的總體積小于約50mm3，磁體的最大尺寸小于約5mm。同時，磁體的磁通量密度大于用常規(guī)小片狀磁粉所能達到的密度。在一最佳具體實施方案中，這種磁體的Br值大于約4.0千高斯，更優(yōu)選大于約4.8千高斯。
另一方面，本發(fā)明提供了一制備粘合磁體的方法，該方法包括以下步驟(a)形成包括以重量計約15％-25％的RE；約0.8％-2.0％的B；約1％-10％的T；其余是Fe、Co或它們的混合物的熔熔體，其中RE是選自Y、La、Ce、Pr、Nd、Sm、Er、Gd、Tb、Dy、Ho、Tm、Yb和Lu的一種或多種稀土元素；T是選自Ti、Zr、Hf、V、Nb、Ta、Cr、Mo和W的一種或多種元素；(b)霧化熔熔體以得到磁粉；(c)加熱處理得到的磁粉；(d)用粘合劑與磁粉混合或涂覆磁粉；(e)壓制和/或模塑磁粉和粘合劑；(f)熟化得到的磁體(如需要)。早期討論的各種具體實施方案也適合于在本發(fā)明的方法中用作熔熔體和由熔熔體生產磁粉的組成。
本發(fā)明的霧化步驟包括一個或多個下面的方法氣體霧化、離心霧化、水霧化、真空霧化、超聲霧化、等離子體噴霧和濺射法。優(yōu)選使用的是離心、氣體或水霧化。更優(yōu)選使用的本發(fā)明的霧化步驟包括離心霧化。離心霧化一般是指用離心力將液流破碎成細滴，而在本發(fā)明中離心霧化是指離心作用的使用，是將熔融的合金液流引到一旋轉杯或旋轉輪盤上，當它沿徑向拋出時，液流即被破碎。
本發(fā)明可以使用的具體離心方法如下將熔融的合金通過一噴嘴澆灌在旋轉的用水冷卻的杯或輪盤上，杯和輪盤的位置靠近霧化容器的頂部。由于離心力的作用，熔體沿徑向拋出杯外。當熔體離開杯時便形成了薄的液膜，然后又形成長絲，長絲再破碎成為一個一個的金屬液滴。當這些液滴落向霧化容器的底部時便形成球形并得到孰化。液滴通過霧化室在空氣中的自然對流冷卻可以選擇性地進行加強，方法是當液滴離開旋轉杯時用高速惰性氣體(具體地說，氦氣)向下噴向液滴。然后在霧化容器的底部收集磁粉。在本發(fā)明的離心霧化方法中，優(yōu)選的旋轉杯或旋轉輪盤的轉速大于約20,000rpm，更優(yōu)選約20,000rpm-約35,000rpm，最優(yōu)選約24,000rpm-約33,000rpm。任何通常用于冷卻霧化方法得到的磁粉的液體或氣體介質都能用于本發(fā)明。優(yōu)選的是將得到的磁粉在氦氣環(huán)境下冷卻。
在本發(fā)明方法的一個最佳具體實施方案中，霧化的磁粉基本上是球形，直徑為約1μm-約200μm范圍。在另一最佳具體實施方案中，磁粉包括直徑為約1μm-約200μm范圍的基本上為球形的顆粒和長度在約50μm-約500μm之間、厚度在約20μm-約100μm之間的小片狀顆粒的混合物。
按照本發(fā)明的方法，由霧化工藝得到的磁粉需要加熱處理以改進其磁性能。雖然優(yōu)選的加熱處理步驟是磁粉在600℃-800℃的溫度下退火以得到所要求的磁性能，但任何通常采用的熱處理方法都是可以使用的。
本發(fā)明的霧化磁粉經熱處理后，將其與一適合的粘合劑混合，以制備粘合磁體。任何通常使用的粘合劑都是適合的。用于本發(fā)明的優(yōu)選的粘合劑是熱固性樹脂、熱塑性樹脂、金屬或它們的混合物。更優(yōu)選的粘合劑是聚酰胺、PPS、天然或合成橡膠，或是環(huán)氧樹脂或鋅。
本發(fā)明的壓制/模制步驟包括壓塑、擠塑、注塑、壓延、網(wǎng)印、旋轉鑄造和水漿涂覆。如所討論，因為本發(fā)明磁粉的高流動性和填充容量，可以用注塑來生產粘合磁體(在過去常規(guī)磁粉只能用擠塑或壓塑來進行生產)，這樣便得到了形狀雜和整體性高的磁體。
在本發(fā)明的另一最佳具體實施方案中，磁粉和粘合劑是通過注塑來制備粘合磁體的。部分原因是由于本發(fā)明的磁粉的基本球形的性質，粘合磁體的內矯頑力損耗較低，例如，與常規(guī)粘合磁體相比，在4個注塑循環(huán)后低于約5％。再者，本發(fā)明磁粉的內磁剪切損耗也低于常規(guī)磁粉。例如，當磁粉/粘合劑混合物中的磁粉定容裝載量為約40％-約99％時，本發(fā)明的磁體的內磁剪切損耗低于約4％。另一方面，當磁粉/粘合劑混合物中本發(fā)明的磁粉定容裝載量至少高至約69％時，磁體沒有龜裂和/或物理變形，并可以常規(guī)設備進行制造。
在另一最佳具體實施方案中，按照本發(fā)明生產的粘合磁體當暴露在升高的溫度下一段較長的時間后，磁能損耗較低。例如，本發(fā)明的粘合磁體暴露在約260℃的溫度下約200小時，剩磁損耗低于約30％，和/或在100℃的溫度下老化約2000小時，磁通量的損耗低于約3％。
在使用熱固性樹脂粘合劑的情況下，本發(fā)明的熟化步驟是在升高的溫度下和足以熟化所使用的特定粘合劑的時間段進行的。本技術領域的普通技術熟練者會知道特定的粘合劑與特定的磁粉進行熟化的條件。
實施例在下面的實施例中，所有的組成均以重量百分計，除非另外說明。
對比產品1將公稱組成為27.5％Nd，5％Co，0.9％B，其余是Fe的合金進行熔體旋轉并接著進行退火。將得到的各向同性粉末粉碎至粒度約150μm，然后與聚酰胺粘合劑混合。將此復合物進行注射模塑制備直徑10mm、高6mm的圓筒，由于有注口和注道，產率約為30％。樣品的內矯頑力是用磁滯曲線繪制儀測定的。用摩擦方法使注口和注道再循環(huán)使用，然后再進行注射模塑，測定樣品的內矯頑力。測定內矯頑力的百分損耗。注射模塑/再循環(huán)共4次，每個循環(huán)后測定內矯頑力損耗。損耗值示于表1。
表1

實施例1將公稱組成為19％Nd；2％5Ti；4％Zr；1.6％B；其余是Fe的合金用離心霧化法制成粉末，旋轉輪盤的轉速約為30,000rpm，并將這樣得到的各向同性粉末在氦氣環(huán)境下冷卻。如此得到的粉末基本上是球形。粉末的平均粒度約55μm。經適合的熱處理后，類似于對比產品1將粉末與聚酰胺混合。粘合磁體的制備如對比產品1。試驗的進行類似于對比產品1，測定內矯頑力損耗。測定值也示于表1。
如表1所示，本發(fā)明的粘合磁體的內矯頑力損耗低于5％(如實施例1所示)，與常規(guī)磁體的相比為22％(以對比產品1為代表)。這就證明本發(fā)明可以用來制備粘合磁體，其中除了別的外，注口和注道可以再使用而沒有可察覺得到的磁體的磁性能損耗。這樣就可以制備成本低和性能得到改進的磁體。
對比產品2使用類似于對比產品1的組成的熔體-旋轉粉末制備Nd-Fe-B型粘合磁體，其中以體積計的磁粉量改變?yōu)?0％-80％。測定樣品的剩磁和與樣品中磁粉體積含量的關系。粘合磁體中的磁粉顆粒用粘合劑稀釋，互相絕緣。由于這種方法的磁粉是在磁剪切狀態(tài)下操作，導致內磁剪切損耗(在此稱之為內損耗)，使粘合磁體的磁性能降低。對比產品2的內損耗示于表2。
表2

實施例2在此實施例中，粘合磁體的制備是用實施例1所給的霧化磁粉的組成。對比產品2的磁粉含量從20％至80％(體積)不同。測定了各定容裝載量的內損耗，并示于表2，實施例2。
表2顯示了使用熔體-旋轉和霧化磁粉制備的粘合磁體的內損耗。使用本發(fā)明的霧化磁粉(表2，實施例2)時，粘合磁體在各種磁粉裝載量水平都具有較低的內損耗并因此改進了磁性能。
對比產品3將公稱組成為20％Nd、6.5％Pr、1.3％B、0.08％Cu、其余是Fe的合金進行熔體-旋轉，然后退火。將得到的各向同性粉末粉碎至約150μm粒度，用注塑法制備粘合磁體。將不同量的磁粉與聚酰胺粘合劑混合，得到磁性材料的定容裝載量為63％、67％和69％(體積份數(shù))?？捎糜诔Ｒ?guī)磁粉注塑的最大裝載量為63vol％。較高的定容裝載量會呈現(xiàn)龜裂和/或變形，或超過注塑設備的能力，得不到到好的注塑磁體。
實施例3.
將實施例1中所給組成的合金如實施例1中所述用離心霧化法霧化。磁粉的平均粒度約為55μm。熱處理后，如對比產品3將磁粉與聚酰胺粘合劑混合以得到63％、67％和69％的磁性材料定容裝載量。霧化磁粉高達72vo1％的復合組成可用于生產注塑磁體。這種磁體沒有龜裂或變形。由于磁性材料的定容裝載量增加而得到的磁性能(此例中是Br)改進示于表3。
表3.

從表3可見，本發(fā)明可以制備磁性能得到改進的高磁裝載量的粘合磁體(如實施例3所示)而不產生變形和/或龜裂。
對比產品4將對比產品1中所給組成的合金進行熔體-旋轉，并粉碎至粒度約150μm。粉末用標準霍爾流動性測試設備進行流動特性試驗。測定了50克粉末流經標準霍爾流量計孔口(2.54mm)的時間。粉碎的熔體旋轉粉末不能流經流量計孔口，說明其流動性很差。將粉末用環(huán)氧樹脂粘合劑(2wt％)涂覆以改進流動特性并進行測試，流動時間為34秒。
實施例4將公稱組成為23.3％Nd、4％Co、1.22％B、1.55％Ti、2.36％Zr、0.2％Cu、其余是Fe的合金進行霧化。霧化粉末的平均粒度約55μm。粉末如對比產品4所述進行流動特性測試。流動時間為17秒。
可以看出，本發(fā)明的磁粉(以實施例4代表)流動非常容易，而常規(guī)磁粉(以對比產品4代表)不能流經流量計孔口，甚至在用環(huán)氧樹脂涂覆后流經孔口的時間也很長。本發(fā)明的磁粉的極好流動性在制備磁體時容易連貫流入模具，使之可以形成高的部件、表面光潔度好的部件和薄的部件等?？傊景l(fā)明的粘合磁體具有高的部件整體性。
對比產品5將對比產品1中所給組成的合金進行熔體-旋轉，并粉碎至粒度小于約150μm。將粉末退火以使磁性能最佳化。然后將粉末暴露在約260℃的溫度下達200小時。測定剩磁損耗百分。結果示于表4，對比產品5。
表4

實施例5將公稱組成為22.6％Nd、9％Co、1.2％B、1.8％Nb、3.2％Zr、0.2％Cu、0.2％C、其余是Fe的合金霧化至平均粒度約55μm，將粉末退火以使磁性能最佳化。如對比產品5中所述進行測試，將粉未暴露在260℃的溫度下各種不同的時間。剩磁損耗百分示于表4，實施例5。
從表4可見，本發(fā)明的霧化磁粉(實施例5)與常規(guī)熔體旋轉磁粉(以對比產品5代表)相比在暴露于高溫后顯示較小的環(huán)境降解。事實上，在暴露24小時后與常規(guī)磁粉(以對比產品5代表)的剩磁損耗56％相比，本發(fā)明的磁粉的剩磁損耗僅為8％。此結果證明，本發(fā)明的材料可以直接用于制備粘合磁體，因為霧化后的粒度已經在約55μm或更小，不需要粉碎(破碎成為更細的尺寸，研磨等)過程。而且與常規(guī)的材料相比本發(fā)明的磁體磁性能的降低較小，說明在制備粘合磁體的加工過程中的操作性好。
對比產品6將對比產品1中所給公稱組成的合金進行熔體旋轉，并粉碎至粒度約150μm。將粉末退火以使磁性能最佳化。以環(huán)氧樹脂作為粘合劑制備直徑約10mm、長約8mm的壓縮模制的磁體。磁磁性材料的裝載量為80％(體積)。將磁體在100℃老化2000小時，測定的磁通量損耗為5.2％。
實施例6將實施例1中所給公稱組成的合金用實施例1中所述的離心霧化法制成粉末。將此粒度約為55μm的球形粉末退火以使磁性能最佳化，用80％(體積)的磁性材料裝載量如對比產品6中所述制備壓縮模制磁體。然后將磁體于100℃老化2000小時，如對比產品6所述測定磁通量損耗。磁通量損耗為2.8％。
從對比產品6和實施例6可以看出，與常規(guī)粘合磁體(以對比產品6代表)相比，本發(fā)明的粘合磁體(以實施例6代表)具有較低的磁通量損耗。
對比產品7將退火的對比產品1的磁粉與聚酰胺粘合劑混合，使磁性材料裝載量為60％(體積)。用毛細管流變儀測定240℃下的混合物表觀黏度(作為剪切速率的函數(shù))。得到的值示于表5，對比產品7。
表5

實施例7將實施例1中所給的磁粉用于本實施例的退火條件。然后如對比產品7將粉末與粘合劑混合至磁性材料的定容裝載量為62％(體積)。如對比產品7所述，以剪切速率的函數(shù)測定混合物的黏度，并示于表5，實施例7。
可以看出，與常規(guī)粉末(以對比產品7代表)相比，本發(fā)明的磁性粉末/粘合劑混合物(以實施例7代表)具有較低的黏度。事實上，本發(fā)明的磁粉/粘合劑混合物的黏度比常規(guī)磁粉的黏度低約5-10倍(取決于剪切速率)，盡管本發(fā)明的粉末裝載量稍高于常規(guī)粉末。低黏度有助于制備形成能力好的粘合磁體，可得到特性好的具有高尺寸公差的錯綜復雜和復合的形狀。一句話，得到了高的部件完整性。低黏度也有助于低成本的大量生產加工。
對比產品8
在退火條件中使用對比產品1中所給的磁粉。使用定容裝載因數(shù)55.4％(已知的能使粘合磁體具有典型的磁體Br約4.9千高斯)將磁粉與聚酰胺粘合劑混合。使用這一混合材料可以注塑尺寸非常小(外經2.5mm×內徑1.0mm×長2.0mm)的粘合磁體。部件激磁后，在一裝有磁通量計探頭的特別裝置中測定其磁性能。距小磁體表面一固定距離的磁場強度為580±80高斯，相應于約3.9千高斯實際磁體的Br。
實施例8此例使用實施例1的霧化粉末。如對比產品8將粉末退火使磁性能最佳化。然后如對比產品8所述使用定容裝載因數(shù)64.7％(已知的能使粘合磁體具有典型的磁體Br約4.9千高斯)將磁粉與聚酰胺粘合劑混合。也如對比產品8將粉末注塑，得到尺寸非常小的粘合磁體。也如對比產品8在部件激磁后，在一裝有磁通量計探頭的特別裝置中測定其磁性能。距小磁體表面一固定距離的磁場強度為720±20高斯，相應于約4.8千高斯實際磁體的Br。
這些結果證明，用本發(fā)明霧化磁粉制備的粘合磁體具有高的磁場強度，甚至是制成尺寸非常小的磁體。與之對比，從對比產品8生產的尺寸非常小的粘合磁體呈現(xiàn)的填充性很差，而且空隙率高，其結果是磁性能與基于磁粉/粘合劑混合物所預期的值降低甚多。本發(fā)明磁體的這一品質要歸咎于球形霧化粉末的好的流動性，它有助于裝載、填充，并且磁體空隙率較低。
本發(fā)明已經做了全面的解釋，并且提供了本發(fā)明磁粉和粘合磁體制備的詳細敘述實施例。實施例也證明了本發(fā)明磁體和磁粉的優(yōu)越和未預料到的性能。實施例也闡述本發(fā)明僅有和決不限受制的范圍。顯然，對于本技術領域的技術人員來說，可以實踐一些不脫離本發(fā)明目的和范圍的產品和方法的改良。
權利要求
1.一種由霧化工藝得到的磁粉制成的粘合磁體，所說的磁粉包括以重量計約15％-約20％的稀土RE、約0.8％-約2.0％的B、約1％-約10％的T、其余是Fe、Co或它們的混合物，其中RE是選自Y、La、Ce、Pr、Nd、Sm、Er、Gd、Tb、Dy、Ho、Tm、Yb和Lu的一種或多種稀土元素；T是選自Ti、Zr、Hf、V、Nb、Ta、Cr、Mo和W的一種或多種元素。
2.權利要求1所述的粘合磁體，其中磁粉包括基本上有Nd2Fe14B作為主磁相的冶金復合結構。
3.權利要求1所述的粘合磁體，其中磁粉包括以重量計算約18％-約20％的Nd；約1.8％-約2.2％的Ti；約3.8％-約4.2％的Zr；約1.4％-約1.8％的B，其余是Fe。
4.權利要求1所述的粘合磁體，其中磁粉包括以重量計算約23％-24％的Nd；約3.8％-4.2％的Co；約1.1％-1.％的B；約1.4％-1.6％的Ti；約2.2％-2.4％的Zr；約0.1％-0.3％的Cu，其余是Fe。
5.權利要求1所述的粘合磁體，其中磁粉進一步包括一種或多種Cu、Si、Al、Sn和Ga，其量以重量計為1％或更少
6.權利要求5所述的粘合磁體，其中磁粉包括以重量計算約22％-23％的Nd；約8％-約10％的Co；約1.1％-約1.3％的B；約1.7％-約1.8％的Nb；約3.1％-約3.3％的Zr；約0.1％-約0.3％的Cu，約0.1％-約0.3％的C；其余是Fe。
7.權利要求1所述的粘合磁體，其中磁粉基本上是球形，具有的直徑在約1μm-約200μm范圍。
8.權利要求1所述的粘合磁體，其中磁粉包括直徑在約1μm-約200μm范圍的基本上是球形的顆粒和長度在約50μm-約500μm之間、厚度在約20μm-約100μm之間的小片狀顆粒的混合物。
9.權利要求1所述的粘合磁體，所說的磁體是各向同性的。
10.權利要求1所述的粘合磁體，其中霧化工藝選自一種或多種包括氣體霧化、離心霧化、水霧化、真空霧化、等離子體噴霧和濺射工藝。
11.權利要求1所述的粘合磁體，其中磁體進一步包括選自熱固性樹脂、熱塑性樹脂、金屬以及它們的混合物的粘合劑。
12.權利要求11所述的粘合磁體，其中粘合劑是聚酰胺、PPS、天然或合成橡膠，或是環(huán)氧樹脂。
13.權利要求11所述的粘合磁體，其中磁體是通過壓塑、擠塑、注塑、壓延、網(wǎng)印、旋轉鑄造、水漿涂覆或它們的組合得到的。
14.權利要求13所述的粘合磁體，其中磁體是通過注塑得到的。
15.權利要求14所述的粘合磁體，其中4個注塑循環(huán)后磁體的內矯頑力損耗低于約5％。
16.權利要求11所述的粘合磁體，其中磁體是從磁粉和粘合劑的混合物制備的。
17.權利要求16所述的粘合磁體，其中磁粉包括磁粉/粘合劑混合物的約40％-約99％(體積)，粘合磁體的內損耗低于約4％。
18.權利要求16所述的粘合磁體，其中磁粉占磁粉/粘合劑混合物的約63體積％以上，其中磁體沒有龜裂和/或物理變形，可以用常規(guī)的模塑設備制造。
19.權利要求16所述的粘合磁體，其中磁粉/粘合劑混合物在剪切速率大于約20秒、溫度約為240℃下的表觀黏度低于約500泊。
20.權利要求1所述的粘合磁體，其中磁粉以每秒大于約2克的速率流經一標準孔口。
21.權利要求20所述的粘合磁體，其中磁粉以每秒大于約3.5克的速率流經一標準孔口。
22.權利要求1所述的粘合磁體，其中粘合磁體暴露在約260℃的溫度約200小時后的剩磁損耗低于約30％。
23.權利要求1所述的粘合磁體，其中粘合磁體在約100℃的溫度老化約2000小時后的磁通量損耗低于約3％。
24.權利要求1所述的粘合磁體，其中磁體的總體積小于約50mm3，磁體的最大尺寸小于約5mm。
25.權利要求24所述的粘合磁體，其中磁體的Br值大于約4.0千高斯。
26.一種制備粘合磁體的方法，該方法包括如下步驟(a)形成一種熔體，其包括以重量計約15％-約25％的RE；約0.8％-約2.0％的B；約1％-約10％的T；其余是Fe、Co或它們的混合物，其中RE是選自Y、La、Ce、Pr、Nd、Sm、Er、Gd、Tb、Dy、Ho、Tm、Yb和Lu的一種或多種稀土元素；T是選自Ti、Zr、Hf、V、 Nb、Ta、Cr、Mo和W的一種或多種元素；(b)霧化所說的熔體以得到磁粉；(c)熱處理所說的磁粉；(d)用粘合劑與磁粉混合或涂覆磁粉；(e)壓塑和/或模塑所說的磁粉和粘合劑。
27.權利要求26所述的方法，其中磁粉包括基本上有Nd2Fe14B作為初磁相的冶金復合結構。
28.權利要求26所述的方法，其中熔體進一步包括一種或多種Cu、Si、Al、Sn和Ga，其量以重量計為1％或更少。
29.權利要求26所述的方法，其中霧化步驟按下面的一種或多種工藝進行氣體霧化、離心霧化、水霧化、真空霧化、等離子體噴霧和濺射工藝。
30.權利要求26所述的方法，其中霧化步驟包括旋轉輪速度大于約20,000rpm的離心霧化，得到的磁粉是在氦氣環(huán)境下冷卻的。
31.權利要求26所述的方法，其中霧化步驟包括旋轉輪速度在約20,000rpm-約35,000rpm的離心霧化，得到的磁粉是在氦氣環(huán)境下冷卻的。
32.權利要求26所述的方法，其中霧化步驟包括旋轉輪速度在約24,000rpm-約33,000rpm的離心霧化，得到的磁粉是在氦氣環(huán)境下冷卻的。
33.權利要求26所述的方法，其中磁粉基本上是球形的，其直徑在約1μm-約200μm范圍。
34.權利要求26所述的方法，其中磁粉包括直徑在約1μm-約200μm范圍的基本上是球形的顆粒和長度在約50μm-約500μm之間、厚度在約20μm-約100μm之間的小片狀顆粒約混合物。
35.權利要求26所述的方法，其中熱處理步驟包括磁粉的退火。
36.權利要求26所述的方法，其中粘合劑選自熱固性樹脂、熱塑性樹脂、金屬，以及它們的混合物。
37.利要求36所述的方法，其中粘合劑是聚酰胺、PPS、天然或合成橡膠，或環(huán)氧樹脂。
38.權利要求26所述的方法，其中壓制和/或模制步驟包括壓塑、擠塑、注塑、壓延、網(wǎng)印、旋轉鑄造、水漿涂覆或者它們的組合。
39.權利要求38所述的方法，其中磁粉和粘合劑是用注塑注塑粘合磁體的。
40.權利要求39所述的方法，其中在4個注塑循環(huán)后粘合磁體的內矯頑力損耗低于約5％。
41.權利要求39所述的方法，其中磁粉/粘合劑混合物中的磁粉定容裝載量為約40％-約99％，磁體的內損耗低于約4％。
42.權利要求39所述的方法，其中磁粉/粘合劑混合物中的磁粉定容裝載量大于約63％，其中磁體沒有龜裂和/或物理變形，可以用常規(guī)的模塑設備制造。
43.權利要求26所述的方法，其中磁粉以每秒大于約2克的速率流經標準霍爾流量計孔口。
44.利要求43所述的方法，其中磁粉以每秒大于約3.5克的速率流經標準霍爾流量計孔口。
45.權利要求26所述的方法，其中磁粉/粘合劑混合物在剪切速率大于約20秒-1、溫度約為240℃下的表觀黏度低于約500泊。
46.權利要求26所述的方法，其中粘合磁體暴露在約260℃的溫度約200小時后的剩磁損耗低于約30％。
47.權利要求26所述的方法，其中粘合磁體在約100℃的溫度下老化約2000小時后的磁通量損耗低于約3％。
48.權利要求26所述的方法，進一步包括磁粉和粘合劑的熟化步驟。
全文摘要
本發(fā)明涉及用霧化磁粉制備的Re－Fe－B型磁體，特別是粘合磁體，并涉及生產磁粉和磁體的方法。磁粉包括以重量計的約15％－20％的RE；約0.8％－2.0％的B；約1％－10％的T；其余是Fe、Co或它們的混合物，其中RE是選自Y、La、Ce、Pr、Nd、Sm、Er、Gd、Tb、Dy、Ho、Tm、Yb和Lu的一種或多種稀土元素；T是選自Ti、Zr、Hf、V、Nb、Ta、Cr、Mo和W的一種或多種元素。生產粘合磁體是將霧化的磁粉進行熱處理，與一粘合劑混合，進行壓制或模制，然后熟化。與用熔體－旋轉磁粉或其他常規(guī)霧化磁粉制備的粘合磁體相比，本發(fā)明的粘合磁體呈現(xiàn)了下面的一種或多種性能經重復的注塑循環(huán)后內矯頑力損耗較低；內磁剪切損耗較??；磁粉的流動性得到改進；Br和部件整體性得到改進；暴露于高溫后環(huán)境降解較小并且磁通量損耗較少；形狀復雜和部件整體性高；磁粉/粘合劑混合物的黏度較低；甚至是小尺寸磁體的磁場強度也很高。
文檔編號B22F9/10GK1592940SQ02809025
公開日2005年3月9日 申請日期2002年2月27日 優(yōu)先權日2001年2月28日
發(fā)明者C·H·塞勒斯, B·H·拉賓, W·埃文斯, J·J·沃爾登, V·潘查納塔 申請人:馬格內昆茨國際公司