專利名稱：R-t-b-m-a系稀土類永磁體以及其制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及永磁材料領(lǐng)域。具體而講，其為稀土類永磁材料以及其制造方法，涉及不降低磁體的剩磁密度Br而大大提高燒結(jié)體的矯頑力的高性能稀土類永磁材料以及其制
造方法。
背景技術(shù)：
伴隨新能源產(chǎn)業(yè)的發(fā)展與技術(shù)的進(jìn)步，高性能的R-T-B系稀土類永磁體(R為稀土類元素中的至少一種，T為過渡性金屬元素中的至少一種，B為硼)的應(yīng)用領(lǐng)域在世界性地擴(kuò)大。從現(xiàn)有的電子通信設(shè)備領(lǐng)域的硬盤驅(qū)動器的音圈馬達(dá)(VCM)、⑶/DVD的拾音器、移動電話、如核磁共振成像裝置(MRI)這樣的醫(yī)療設(shè)備向更高效、節(jié)能的機(jī)電領(lǐng)域的風(fēng)力發(fā)電機(jī)、空調(diào)和冰箱的壓縮機(jī)電機(jī)、混合動力車(HybridCar)電動機(jī)和發(fā)電機(jī)等新能源領(lǐng)域發(fā)展。因此，對于高性能R-T-B系永磁材料的需求量不斷擴(kuò)大，尤其對即使在使用溫度高的情況下剩磁密度也高且矯頑力也高的稀土類永磁材料的要求正在提高。R-T-B系永磁材料的磁特性的主要技術(shù)指標(biāo)是剩磁密度與矯頑力。剩磁密度主要由以下因素決定，1.正向疇體積分?jǐn)?shù)，2.主相(R2T14B)或磁性相的體積分?jǐn)?shù)，3.磁晶粒的取向度，4.燒結(jié)磁體的實際密度與理論密度的比值等。由下式表示剩磁密度Br。Br = Α(1-β ) (d/d0)cos θ . Js其中，A 正向疇體積分?jǐn)?shù)，l-β 主相的體積分?jǐn)?shù)，d 燒結(jié)磁體的實際密度，d0 燒結(jié)磁體的理論密度，COS θ 晶粒的取向度，Js =R2T14B單晶體飽和磁極化強(qiáng)度。另外，矯頑力主要受磁晶各向異性場(Ha)、燒結(jié)磁體的微觀組織結(jié)構(gòu)(例如晶粒度的尺寸、形狀等)、富釹相的數(shù)量與分布以及在反向退磁場的作用下的退磁因子的影響。由下式表示矯頑力Hcj。Hcj = CHa-NeffMs其中，Ha 磁晶各向異性參數(shù)，Ms 飽和磁化強(qiáng)度，c 微觀組織結(jié)構(gòu)參數(shù)，Neff 退磁因子?，F(xiàn)在，不含作為重稀土類元素的Dy與Tb的R-T-B系燒結(jié)永磁材料雖然剩磁密度 Br較高(通常為1.4T)，但是矯頑力較低，只有960kA/m左右。因此，僅僅能夠在使用溫度低和穩(wěn)定的環(huán)境中使用，極大地限制了永磁材料的應(yīng)用領(lǐng)域。而且，為了提高R-T-B系燒結(jié)磁體的矯頑力擴(kuò)大使用溫度的范圍，進(jìn)行了成分調(diào)整及細(xì)化晶粒等各種改進(jìn)工作。作為現(xiàn)有技術(shù)的主要的改進(jìn)方法，采用各向異性場更高的重稀土類元素Dy或Tb 來部分取代Nd，提高矯頑力與使用溫度。例如，采用5質(zhì)量％的Dy來部分取代Nd的方法。 這樣，雖然矯頑力可以提高到1680 (kA/m)，但是剩磁密度Br卻降低到1J8(T)。而且，作為重稀土類的Dy及Tb因為是稀有資源所以價格高，該方法不適合于大量生產(chǎn)。尤其在作為新能源領(lǐng)域之一的IMW永磁直驅(qū)的風(fēng)力發(fā)電機(jī)中，1臺使用的永磁體的平均質(zhì)量為IOOOkg以上，在成本方面形成了很大的制約因素。另外，還有通過添加多量fe、Nb、Mo等稀有金屬元素來降低晶粒度和優(yōu)化晶界，從而提高矯頑力的方法，但是這種方法也致使成本提高。在上述現(xiàn)有的稀土類磁體成分分配比中，沒能提高到使用溫度條件苛刻的(使用環(huán)境的溫度高)用途，例如電動汽車電動機(jī)及混合動力汽車電動機(jī)、發(fā)電機(jī)所必需的矯頑力性能。在電動汽車或混合動力汽車的磁體溫度方面，如果是電動汽車，則需要耐住150°C， 如果是混合動力汽車，則需要耐住200°C，如果從磁體矯頑力方面說，則需要1680 (KA/m)以上的材料，另外需要剩磁密度在US(T)以上。如果將重稀土類元素Dy或Tb作為添加物而加入，則雖然可以提高矯頑力性能 Hcj，但是卻降低剩磁密度Br，這將造成降低電動機(jī)及發(fā)電機(jī)效率的后果。另外，為了不降低剩磁密度，有必要添加Ga、Nb、Mo等稀有金屬元素，但是由于將高價的金屬元素作為添加物來多量使用，因此成本增加，要想應(yīng)用于需求量大的電動汽車電動機(jī)及混合動力汽車電動機(jī)、發(fā)電機(jī)，從經(jīng)濟(jì)面考慮實現(xiàn)起來比較困難。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于解決這些缺點，在大幅削減成為高成本的主要原因的高價的稀有金屬材料的同時，通過提高影響電動機(jī)、發(fā)電機(jī)效率的剩磁密度Br與矯頑力性能HcjjlJ 用低成本的豐富的材料而提供高性能的稀土類磁體。另外，根據(jù)本發(fā)明，也何以降低高價的重稀土類元素Dy或Tb的使用量，可以降低成本。本發(fā)明的產(chǎn)品可以使用于伺服馬達(dá)、直線電動機(jī)、電梯馬達(dá)等多方面。下面說明應(yīng)用于電動汽車電動機(jī)及混合動力汽車電動機(jī)、發(fā)電機(jī)時的具體效果。電動汽車電動機(jī)或混合動力汽車電動機(jī)的電動機(jī)輸出特性如圖1所示，從基本旋轉(zhuǎn)速度以上開始，需要伴隨速度上升而轉(zhuǎn)矩降低的穩(wěn)定輸出特性。這些電動機(jī)主要采用將所述稀土類磁體在周向上等間隔埋入電動機(jī)的轉(zhuǎn)子芯的內(nèi)磁型永磁同步電動機(jī)anterior Permanent Magnet type Synchronous Motor,以下簡稱 IPMSM)(參照圖 2)。如圖3所示，在橫軸為以磁體磁通軸(d軸)為基準(zhǔn)時的電流相位角θ，縱軸為轉(zhuǎn)矩T時，該IPMSM的轉(zhuǎn)矩特性為磁體轉(zhuǎn)矩Tm與磁阻轉(zhuǎn)矩Tr的合成轉(zhuǎn)矩。下面表示各轉(zhuǎn)矩式。T = Tm+TrTm = τ m · cos θ ( τ m 磁體轉(zhuǎn)矩Tm的最大值)Tr = τ r · sin (2 θ ) ( τ r 磁體轉(zhuǎn)矩Q 最大值)該電動機(jī)的特征為，通過用電樞磁通來降低所述磁體具有的磁能即發(fā)生磁通來實現(xiàn)了電動機(jī)的穩(wěn)定輸出范圍。從圖2的IPMSM構(gòu)造可知，所述稀土類磁體被配置在磁體磁通軸(d軸)上，以 R-T-B為主成分的稀土類磁體的磁導(dǎo)率1.05，是大致與空氣相同的磁導(dǎo)率。因此，從電樞觀察時的d軸電感與垂直于該d軸的軸(q軸)的q軸電感相比成以下關(guān)系。Ld < Lq在電動機(jī)的輸出控制中，為了降低磁通，將伴隨速度上升而增加的電動機(jī)端子之間的電壓控制為一定值，優(yōu)選該d軸電感大。也就是說以配設(shè)在轉(zhuǎn)子芯內(nèi)部的磁體的厚度 Lm小為好。
在電動機(jī)的設(shè)計上，該磁體厚度Lm由使用的磁體的使用溫度tm(使用環(huán)境溫度) 時的矯頑力性能Hcj、電樞的磁場削弱能Ata決定。由于磁場削弱能Ata由電動機(jī)的輸出規(guī)格決定，因此取決于如何在磁體使用溫度tm(使用環(huán)境溫度)下使用矯頑力性能Hcj高的磁體。也就是說，如果矯頑力性能Hcj低，為了耐住電樞的磁場削弱能Ata(為了不發(fā)生減磁)則有必要使磁體厚度Lm變厚。但是，如上所述，如果磁體厚度Lm變厚，則上述的d軸電感變小，為了得到規(guī)定輸出特性，有必要使很多無功電流流通于電樞，這將顯著地?fù)p壞在電動機(jī)的穩(wěn)定輸出域的效率特性。也就是說，通過使用矯頑力性能Hcj高的本發(fā)明的磁體，可以使磁體厚度Lm比現(xiàn)有的磁體厚度薄，因此可以降低所述無功電流在電樞中的流通，而且提高穩(wěn)定輸出范圍的效率，得到可以實現(xiàn)節(jié)能的很大效果。本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比大約可以提高25%的矯頑力性能Hcj，可以使磁體的厚度薄25%。其結(jié)果，由于大約可以降低所述無功電流的25%，因此大約可以降低在電樞繞組中發(fā)生的焦耳熱損失的35%。本發(fā)明的特征是在R-T-B-M-A系稀土類永磁材料中最合適地設(shè)定微量元素A的成分范圍。本發(fā)明未添加所述稀有金屬，通過在粉碎工序中細(xì)化粉末的粒度的基礎(chǔ)上將微量元素A的成分設(shè)定在最合適的范圍來提高磁體的矯頑力。首先，對氧“0”的影響與規(guī)定范圍的必然性進(jìn)行說明。由于磁粉被控制成粉末的粒度非常細(xì)，因此在燒結(jié)過程中磁體晶粒容易發(fā)生異常長大。因此，在粉碎工序中嚴(yán)格控制磁體中的氧“0”含量，在粉末的表面形成氧化膜而防止晶粒的異常長大。因此，重要的是僅用于形成氧化膜的氧“0”含量，有必要設(shè)定某個成分規(guī)定范圍。如果過量地放入氧，則富釹相被氧化，造成矯頑力降低。對氫“H”的影響與規(guī)定范圍的必然性進(jìn)行說明。如果氫“H”殘留在磁體中，則在燒結(jié)工序脫氣時發(fā)生HDDROlydrogen-Disproport ionation-Desorption-Recombination)反應(yīng)，產(chǎn)生納米級別的晶粒，成為在燒結(jié)工序中晶粒異常長大的原因。為了防止該現(xiàn)象，在氫處理工序中進(jìn)行脫氫后必須嚴(yán)格地控制真空度， 使殘留氫“H”不超過規(guī)定值。下面，對氮“N”的影響與規(guī)定范圍的必然性進(jìn)行說明。如果磁粉的粒度非常細(xì)，則粉末的活性也變強(qiáng)。如果將通常的氮氣作為保護(hù)環(huán)境而進(jìn)行制粉，則由于在溫度上升時，氮與稀土類元素發(fā)生反應(yīng)，因此對晶界相的潤濕性起不良影響，使矯頑力降低。因此，首先為了使氮“N”處于規(guī)定值以下，有必要在將惰性氣體從氮“N”變更為氬或者氦的環(huán)境下實施制粉，提高磁體的矯頑力。下面，對碳“C”的影響與規(guī)定范圍的必然性進(jìn)行說明。如果磁粉的粒度非常細(xì)，則粉末容易集結(jié)，粉末的取向也變難。為了解決這樣的問題，雖然有必要添加大量的潤滑劑來使粉末分散，但是潤滑劑是乙酸甲脂、辛酸甲脂、硬脂酸鋅、硬脂酸鋰中的一種，所有潤滑劑都是包含碳“C”的有機(jī)物。因此有可能增加磁體中的碳“C”含量。如果碳“C”增加，則剩磁密度Br從某個值降低，矯頑力也急劇降低。因此有必要使碳“C”處于某個規(guī)定范圍。
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本發(fā)明是一種以Ii2T14B型化合物為主要構(gòu)成的R-T-B-M-A系稀土類永磁體，R為稀土類元素中的至少一種，T為過渡性金屬元素中的至少一種，B為硼，M為由Ti、Mn、Ni、Cu、 Zn、Al、Si、P、S組成的群當(dāng)中選擇的至少一種，A為微量元數(shù)，其特征為，1 為M質(zhì)量％ ；34質(zhì)量％，T為63質(zhì)量％ 74質(zhì)量％，B為0.5質(zhì)量％ 1.5質(zhì)量％，其余由M及A構(gòu)成，A由以下構(gòu)成，C 的含量為 IlOOppm 2000ppm，H的含量為IOppm以下，0 的含量為 1300ppm 2000ppm，N的含量為150ppm以下，并且，被粉碎的永磁材料的平均粒子直徑在2 5 μ m范圍，以及在氬或者氦氣環(huán)境下粉碎所述磁體材料。


圖1是電動汽車電動機(jī)或混合動力汽車電動機(jī)的電動機(jī)輸出特性。圖 2 是內(nèi)磁型永磁同步電動機(jī)(Interior Permanent Magnet type Synchronous Motor)的構(gòu)造示意圖。圖3是上述IPMSM的轉(zhuǎn)矩特性。圖4是N含量與剩磁密度的相關(guān)圖。圖5是N含量與矯頑力的相關(guān)圖。圖6是粉碎粒子直徑與剩磁密度的相關(guān)圖。圖7是粉碎粒子直徑與矯頑力的相關(guān)圖。圖8是0含量與剩磁密度的相關(guān)圖。圖9是0含量與矯頑力的相關(guān)圖。圖10是C含量與剩磁密度的相關(guān)圖。圖11是C含量與矯頑力的相關(guān)圖。圖12是H含量與剩磁密度的相關(guān)圖。圖13是H含量與矯頑力的相關(guān)圖。
具體實施例方式下面，根據(jù)實施例對本發(fā)明的實施方式進(jìn)行說明。并且，在下面的實施例中的質(zhì)量標(biāo)記由質(zhì)量％進(jìn)行表示，表示各元素在物質(zhì)中的質(zhì)量比。另外，平均粒子直徑作為中位直徑的D50(50%粒子直徑)來進(jìn)行表示，各數(shù)值是通過激光衍射式粒度分布測定裝置來測定的值。實施例1合金的制作在氬氣環(huán)境中熔化金屬或合金原材料進(jìn)行精煉。該合金是在燒結(jié)體R-T-B-M-A的構(gòu)成體中，R 為Nd :22. 5 質(zhì)量 ％，Dy :3.5 質(zhì)量 ％，ft· :5. 0 質(zhì)量 ％ 構(gòu)成，T 為Fe :66. 6 質(zhì)量％，Co :1.0 質(zhì)量 ％ 構(gòu)成，B 為B :1.0 質(zhì)量 ％，M 為Al :0.3 質(zhì)量％，Cu 0. 1質(zhì)量％構(gòu)成的合金。通過速凝薄帶(SC)工藝，使用水冷銅輥來使合金熔融金屬冷卻凝固，得到合金薄片。粉碎在通過氫化處理而粗粉碎所述合金后，使氫爐處于真空狀態(tài)進(jìn)行脫氫處理。之后， 使用高壓氬氣在氣流粉碎機(jī)內(nèi)將所述粗粉碎的合金研磨成平均粒子直徑為5.0μπι左右的粉末。為了防止晶粒異常長大，在粉碎過程中，在氣流粉碎機(jī)粉碎用惰性氣體中加入一定量的氧。之后，在惰性氣體中保存粉末。潤滑劑的添加為了提高粉末的取向性，在粉末混合機(jī)內(nèi)添加一定量的潤滑劑。潤滑劑的混入過程在氬氣保護(hù)環(huán)境下進(jìn)行。成型使用通過所述方法制作的微細(xì)粉末在惰性氣體環(huán)境下進(jìn)行磁場成型。之后，在 400°C以上的溫度環(huán)境下將通過所述方法成型的成型體保溫一定時間，之后，通過燒結(jié)工序進(jìn)行燒結(jié)而得到燒結(jié)體R-T-B-M-A。時效處理在進(jìn)行完燒結(jié)處理后，對磁體進(jìn)行時效處理。之后，通過機(jī)械加工制作了直徑 10mm、高度IOmm尺寸的實施例1的試樣。實施例2同時也制作了實施例2的試樣。實施例2與實施例1的不同點在于，在粉碎、潤滑劑的添加及成型工序中作為保護(hù)環(huán)境使用了氦氣。對比例1 3另外，為了驗證實施例1及2的效果，也制作了對比例1、對比例2及對比例3的合
^^ ο對比例的合金制作方法在氮氣環(huán)境中熔化金屬或合金原材料進(jìn)行精煉。該合金是在燒結(jié)體R-T-B-M-A的構(gòu)成體中，R 為
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Nd:21 質(zhì)量 ％，Dy :5.0 質(zhì)量％，ft· :5. 0 質(zhì)量 ％ 構(gòu)成，T 為Fe :66. 6 質(zhì)量％，Co :1.0 質(zhì)量％構(gòu)成，B 為B :1.0 質(zhì)量 ％，M 為Al :0. 3 質(zhì)量％，Cu 0. 1質(zhì)量％構(gòu)成的合金。通過速凝薄帶工藝使用水冷銅輥來使合金熔融金屬冷卻凝固，得到合金薄片。粉碎在通過氫化處理而粗粉碎所述合金后，使氫爐處于真空狀態(tài)進(jìn)行脫氫處理。之后， 使用高壓氮氣在氣流粉碎機(jī)內(nèi)將所述粗粉碎的合金研磨成平均粒子直徑為5.0μπι左右的粉末。為了防止晶粒異常長大，在粉碎過程中，在氣流粉碎機(jī)粉碎用氮氣中加入一定量的氧。之后，在氮氣中保存粉末。潤滑劑的添加為了提高粉末的取向性，在粉末混合機(jī)內(nèi)添加一定量的潤滑劑。潤滑劑的混入過程在氮氣保護(hù)環(huán)境下進(jìn)行。成型使用通過所述方法制作的微細(xì)粉末在氮氣環(huán)境下進(jìn)行磁場成型。之后，首先在 400°C以上的溫度環(huán)境下將通過所述方法成型的成型體保溫一定時間，之后，通過燒結(jié)工序進(jìn)行燒結(jié)而得到燒結(jié)體R-T-B-M-A。時效處理在進(jìn)行完燒結(jié)處理后，對磁體進(jìn)行時效處理。之后，通過機(jī)械加工制作了直徑 10mm、高度IOmm尺寸的對比例1、對比例2及對比例3的磁體。對比例1至3是明確氮N的量對矯頑力的性能降低產(chǎn)生影響的例子，對比例1是 "K"的氮N = 160ppm，對比例2是氮N = 160ppm，對比例3是氮N = 400ppm。實施例1、2與對比例1 3的分析結(jié)果將磁特性的測定結(jié)果及成份分析的結(jié)果對比表示于下述的表1及圖4、圖5(圖表)。圖4是將橫軸作為氮N含量，縱軸作為剩磁密度而表示兩者關(guān)系。圖5是將橫軸作為氮N含量，縱軸作為矯頑力而表示兩者關(guān)系。從這些圖可以確認(rèn)，為了達(dá)到作為高性能的永磁所要求的矯頑力為1680kA/m以上，需要使氮N為150ppm以下，此時，剩磁密度為1. 28T 以上。表權(quán)利要求
1.一種WI^2T14B型化合物為主要構(gòu)成的R-T-B-M-A系稀土類永磁體，R為稀土類元素中的至少一種，T為過渡性金屬元素中的至少一種，B為硼，M為由Ti、Mn、Ni、Cu、Zn、Al、Si、 P、S組成的群當(dāng)中選擇的至少一種，A為微量元數(shù)，其特征為，尺為對質(zhì)量％ ；34質(zhì)量％， T為63質(zhì)量％ 74質(zhì)量％， B為0.5質(zhì)量％ 1.5質(zhì)量％， 其余由M及A構(gòu)成， 所述A的組成如下， C 的含量為 IlOOppm 2000ppm， H的含量為IOppm以下， 0 的含量為 1300ppm 2000ppm， N的含量為150ppm以下，所述稀土類永磁材料粉末的平均粒子直徑在2 5 μ m范圍。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的稀土類永磁體的制造方法，其特征為，在氬氣或者氦氣環(huán)境下實施所述稀土類永磁材料的粉碎工序。
全文摘要
本發(fā)明的目的在于，在R-T-B-M-A系稀土類永磁體中，通過將氮(N)、碳(C)、氧(O)、氫(H)控制為適當(dāng)值來實現(xiàn)低成本的同時不降低剩磁密度性能Br并提高矯頑力性能Hcj。具體為，本發(fā)明的稀土類永磁材料以R2T14B型化合物為主要構(gòu)成，R為24質(zhì)量％～34質(zhì)量％，T為63質(zhì)量％～74質(zhì)量％，B為0.5質(zhì)量％～1.5質(zhì)量％，其余由M及A構(gòu)成，微量元素A是C為1100ppm～2000ppm，H為10ppm以下，O為1300ppm～2000ppm，N為150ppm以下。另外，本發(fā)明的稀土類永磁材料在惰性氣體環(huán)境下粉碎，平均粒子直徑在2～5μm范圍。
文檔編號H01F1/057GK102214508SQ20101014250
公開日2011年10月12日 申請日期2010年4月2日 優(yōu)先權(quán)日2010年4月2日
發(fā)明者丁開鴻, 于京春, 呂思晶, 宮本恭祐, 李忠華, 林喜峰, 王國海, 王永杰 申請人:株式會社安川電機(jī), 煙臺首鋼磁性材料股份有限公司