制備具有減少的重稀土金屬的Nd-Fe-B磁性材料的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]在至少一個(gè)方面，本發(fā)明一般涉及電動(dòng)機(jī)以及它們的制造，并且更具體地涉及用于形成永磁體的方法，所述永磁體使用稀土(RE)元素以用于改善電動(dòng)機(jī)的功率密度(與感應(yīng)電動(dòng)機(jī)等相比)，特別是使用重稀土元素例如Dy和Tb以用于改善高溫磁性。
【背景技術(shù)】
[0002]永磁體被用在多個(gè)領(lǐng)域諸如微電子、汽車(chē)、醫(yī)療設(shè)備、發(fā)電等中。永磁體典型地由硬磁材料形成，硬磁材料也在汽車(chē)、航空航天和電信工業(yè)中獲得應(yīng)用。稀土磁體，例如Nd-Fe-B比大多數(shù)其他硬磁體具有更高的能量密度。此外，此類(lèi)磁體被用在汽車(chē)應(yīng)用中，例如啟動(dòng)器、小馬達(dá)、交流發(fā)電機(jī)、傳感器、儀表以及電動(dòng)和混合動(dòng)力車(chē)輛推進(jìn)系統(tǒng)。
[0003]燒結(jié)稀土磁體通常由粉末金屬通過(guò)在壓力下成形然后燒結(jié)而制成。絕大多數(shù)硬磁體由鐵氧體和Nd-Fe-B形成。鐵氧體比較便宜但是只具有適中的磁性。該材料主要用在其中尺寸和重量不是主要設(shè)計(jì)考量的應(yīng)用中。
[0004]高強(qiáng)度永磁體必備的固有性質(zhì)包括高飽和磁化強(qiáng)度、大的磁晶各向異性以及合理的高居里溫度。這些性質(zhì)受到例如微觀結(jié)構(gòu)、化學(xué)組成、磁體尺寸、表面涂層等因素的強(qiáng)烈影響。受微觀結(jié)構(gòu)影響的材料性質(zhì)(例如磁性)包括相和組成分布、晶粒尺寸、晶粒形態(tài)和取向、以及晶粒邊界。當(dāng)晶粒尺寸低于被稱(chēng)為單疇限制(single domain limit)的臨界極限時(shí)，退磁困難得多，從而導(dǎo)致優(yōu)異的硬磁性。該單疇限制與特定的固有磁性(包括各向異性常數(shù)和飽和磁化強(qiáng)度)相關(guān)。對(duì)于Nd-Fe-B磁體來(lái)說(shuō)，單疇限制為約300nm。
[0005]用以產(chǎn)生精細(xì)尺度微觀結(jié)構(gòu)的優(yōu)選的商業(yè)技術(shù)為恪融紡絲(meltspinning)。取決于加工參數(shù)，熔融紡絲產(chǎn)生包括近似20-30nm的精細(xì)、等軸晶粒或無(wú)定形結(jié)構(gòu)的微觀結(jié)構(gòu)。在進(jìn)一步加工時(shí)保留精細(xì)的微觀結(jié)構(gòu)以使磁性最優(yōu)化是至關(guān)重要的。各向異性磁體是以晶粒呈優(yōu)選的晶體學(xué)排列(crystallographic alignment)制造的。高度的晶體學(xué)排列導(dǎo)致了高能源產(chǎn)品。相比于64MG0e的理論最大值，微觀結(jié)構(gòu)的衰退以及可達(dá)到的有限的晶體學(xué)排列將可商業(yè)獲得的能源產(chǎn)品限制為約50兆高斯-奧斯特(MGOe)。
[0006]燒結(jié)的Nd-Fe-B永磁體在低溫下具有非常好的磁性。在磁化之后，永磁體處于熱力學(xué)非平衡狀態(tài)。外部條件、特別是溫度的任何變化，導(dǎo)致向另一種更加穩(wěn)定的狀態(tài)的轉(zhuǎn)變。這些轉(zhuǎn)變通常伴隨有磁性的變化。由于Nd2Fe14B相的有限的低居里溫度，頑磁和內(nèi)稟矯頑力(intrinsic coercivity)隨著溫度升高而迅速降低。存在兩種常見(jiàn)手段用來(lái)改善Nd-Fe-B永滋體的熱穩(wěn)定性和用來(lái)增強(qiáng)磁性，從而獲得用于混合動(dòng)力和電動(dòng)車(chē)輛的緊密的、輕質(zhì)的和強(qiáng)力的馬達(dá)。一種手段在于通過(guò)添加Co來(lái)提高居里溫度，所述Co可完全地溶解在Nd2Fe14B相中。然而，具有Co的Nd-Fe-B磁體的矯頑力下降，這可能是由于用于反向疇(reversed domain)的成核位置。第二種手段在于添加重稀土元素。已知的是在Nd-Fe-B磁體中用鏑(Dy)替代釹(Nb)或鐵(Fe)導(dǎo)致各向異性場(chǎng)以及內(nèi)稟矯頑力的增加，和飽和磁化強(qiáng)度的降低(C.S.Herget, Metal,Poed.Rep.V.42,P.438 (1987).ff.Rodewald, J.Less-Common Met.，VIII，P77 (1985).D.Plusa, J.J.ffystocki, Less-Common Met.V.133,P.231 (1987)) o據(jù)信一旦在晶粒的表面出現(xiàn)反向疇的核，就會(huì)立即發(fā)生整個(gè)晶粒的磁性反轉(zhuǎn)。反向磁疇(Reverse magnetic domain)僅來(lái)自于晶粒邊界。如果我們可以使得Dy圍繞晶粒邊界均一地分布，那么矯頑力應(yīng)會(huì)被提高，并且頑磁應(yīng)不會(huì)改變很多。因此，習(xí)慣做法是在熔融和合金化之前將重稀土金屬例如Dy或Tb添加至混合的金屬中。然而，Dy和Tb是非常稀有和昂貴的。在自然界中，很小部分的稀土金屬是重RE，而重RE僅含有約2-7%的Dy。Dy的價(jià)格最近已經(jīng)急劇地升高。如果需要甚至更高的磁性，那么就需要Tb，而其比Dy昂貴得多。
[0007]燒結(jié)的Nd-Fe-B基磁體的理想微觀結(jié)構(gòu)為Fe14Nd2B晶粒，其優(yōu)選地被非鐵磁性的富含Nd的相(主要的Nd加上一些Fejd1.^的共晶基體和由雜質(zhì)穩(wěn)定的Fe-Nd相)隔離。Dy和/或Tb的添加導(dǎo)致了基于Fe、Nd和Dy或Tb的不同三元晶界相的形成。這些相位于晶粒邊界區(qū)域并且在Fe14Nd2B晶粒的表面上。
[0008]用以改善磁性的任何元素的添加應(yīng)當(dāng)滿(mǎn)足以下條件:1)金屬間相應(yīng)當(dāng)是非鐵磁性的，以分離鐵磁性的晶粒；2)金屬間相必須比Nd2Fe14B相具有更低的熔點(diǎn)以經(jīng)由液相燒結(jié)制備密致材料；和3)所述元素應(yīng)當(dāng)在Nd2Fe14B中具有低溶解度以保持良好的磁性。已知矯頑力會(huì)受到Nd2Fe14B晶粒之間的邊界相的形態(tài)的很大影響。
[0009]因此，需要用于制備永磁體、并且特別地是Nd-Fe-B基磁體的改進(jìn)方法。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0010]本發(fā)明涉及的項(xiàng)目包括:
[0011 ] 1.制備磁性材料的方法，該方法包括:
[0012]a)提供包括芯粉的第一材料，所述芯粉含有Nd、Fe和B ;
[0013]b)將所述第一材料與第二材料結(jié)合以形成粉末組合物，所述第二材料包括選自Dy、Tb以及它們的組合的組分；
[0014]c)封裝所述粉末組合物，以形成封裝的粉末組合物；
[0015]d)在封裝過(guò)程中以及之后對(duì)所述粉末組合物施加磁場(chǎng)以將其磁化；和
[0016]e)等靜壓制所述封裝的粉末組合物，同時(shí)加熱使得所述粉末組合物的溫度從第一溫度增加至第二溫度，以形成壓制的組合物。
[0017]2.根據(jù)項(xiàng)目1所述的方法，進(jìn)一步包括:
[0018]f)在約500到1000°C的溫度下加熱和燒結(jié)所述壓制的組合物。
[0019]3.根據(jù)項(xiàng)目1所述的方法，進(jìn)一步包括隨后的退火，以進(jìn)一步穩(wěn)定微觀結(jié)構(gòu)并優(yōu)化磁性。
[0020]4.根據(jù)項(xiàng)目3所述的方法，其中所述退火包括在從高溫到低溫的階梯式的溫度加熱所述磁性材料。
[0021]5.根據(jù)項(xiàng)目1所述的方法，其中等靜壓制所述封裝的粉末組合物的步驟包括在50MPa到350MPa的壓力下使用惰性氣體壓制所述粉末組合物。
[0022]6.根據(jù)項(xiàng)目1所述的方法，其中所述第一溫度是約5°C至約35°C，并且所述第二溫度是約500°C至約1000 °C。
[0023]7.根據(jù)項(xiàng)目3所述的方法，其中所述惰性氣體是氬氣或氮?dú)狻?br>[0024]8.根據(jù)項(xiàng)目1所述的方法，其中所述封裝的粉末是通過(guò)將所述粉末組合物放置到模具或膠囊中形成。
[0025]9.根據(jù)項(xiàng)目1所述的方法，其中封裝所述粉末組合物的步驟包括選擇性地激光燒結(jié)所述粉末組合物，以形成限定預(yù)定式樣的固體表層。
[0026]10.根據(jù)項(xiàng)目1所述的方法，其中所述粉末組合物包括布置在所述第一材料上的第二材料的涂層。
[0027]11.根據(jù)項(xiàng)目10所述的方法，其中所述涂層包括鏑、鋱或它們的組合。
[0028]12.根據(jù)項(xiàng)目10所述的方法，其中所述磁性材料包含不均勻分布的Dy、Tb或它們的組合。
[0029]13.根據(jù)項(xiàng)目1所述的方法，其中所述磁性材料包括平均濃度為約0.3至約6重量％的Dy。
[0030]14.根據(jù)項(xiàng)目1所述的方法，其中所述磁性材料包括平均濃度為約零至約3重量％的Tb。
[0031]15.根據(jù)項(xiàng)目1所述的方法，其中所述磁場(chǎng)具有約1至約3特斯拉⑴的磁場(chǎng)強(qiáng)度。
[0032]16.根據(jù)項(xiàng)目1所述的方法，其中所述第一材料由式Nd2Fe14B描述。
[0033]17.根據(jù)項(xiàng)目16所述的方法，其中所述第一材料還包括選自Pr、Ga、Co、Cu以及它們的組合的組分。
[0034]18.根據(jù)項(xiàng)目1所述的方法，其中所述第二材料包括約5至約95重量％的鏑和95
至5重量％的鋪。
[0035]19.根據(jù)項(xiàng)目18所述的方法，其中所述第二材料還包括選自Fe、B、Pr、Ga、B、Co、Cu以及它們的組合的組分。
[0036]20.制備磁性材料的方法，該方法包括:
[0037]a)提供含有Nd、Fe和B的芯粉；
[0038]b)將所述芯粉與含有稀土金屬的粉末結(jié)合以形成粉末組合物；
[0039]c)封裝所述粉末組合物，以形成封裝的粉末組合物；
[0040]d)對(duì)所述粉末組合物施加磁場(chǎng)以將其磁化；
[0041]e)在50MPa到350MPa的壓力下使用惰性氣體等靜壓制所述封