用于制造永磁体或硬磁性材料的方法与流程

本发明涉及一种用于制造硬磁性材料或永磁体的方法，并且特别地涉及在使用触变成形下对含稀土的合金进行磁性硬化。

背景技术：

含稀土的硬磁性材料迄今为止是通过复杂且昂贵的粉末冶金方法来制造的。通过更具成本效益的熔融冶金方法的制造在工业上未被使用，因为这些合金在浇铸状态下具有不利的结构尺寸以及不均匀的结构分布，并且因此仅具有不足够的硬磁性能。由于已知的合金即使在较高的温度下也难以在没有裂纹的情况下进行成形，因此迄今为止尚未利用随后的晶粒细化，例如通过更具成本效益的压缩成型方法进行的晶粒细化。

在已知的粉末冶金方法中，首先制造粉末，然后进行压缩和最后烧结粉末。这种方法例如针对烧结磁体在us4,773,950中公开而针对热压磁体在us4,859,410中公开。除了复杂和昂贵的制造之外，这些方法的缺点还在于不连续的工艺流程。因此需要长的过程时间。另外，需要大量的能量消耗，这反过来导致在制造中的增加的成本。

因此，需要用于制造硬磁性材料的其他方法，该方法允许进行有效、连续和成本有利的过程控制，其中使用较少的工艺步骤，但是尽管如此仍然可以实现良好的硬磁性能。

技术实现要素：

所提到的问题中的至少一部分通过一种根据权利要求1或权利要求4所述的方法来解决。从属权利要求涉及独立权利要求的方法的有利的扩展方案。

本发明涉及一种用于制造硬磁性材料或永磁体的方法。该方法包括形成封装件，所述封装件至少部分地包围合金，其中，所述合金具有至少一种稀土元素、至少一种过渡金属和至少一种来自周期族iiia(根据iupac的第13族)的元素。此外，该方法包括将所述合金加热到所述合金处于触变状态的温度，和通过从不同侧面重复地加载和卸载所述封装件，在预定的持续时间段内对所述封装件与被加热的合金一起进行连续的机械成形(例如旋转锻造)。

触变状态是指，至少一个相处于液态下或几乎处于液态下，而至少一个其他相处于固态下。液相特别地位于间隙、裂缝、空腔中，或至少部分地覆盖在固态下(固相)的元件的表面。在加热期间的温度可以是预定的温度，该预定的温度处于在低熔点富r相(r为稀土元素)的熔融温度以上且在硬磁性的脆性相的熔融温度以下的范围内。在本发明的范围内，术语“相”旨在特别地涉及特定的材料组成或特定的元素。

可选地，所述形成所述封装件包括将所述合金在熔融状态下引入壳体中并因此包括浇铸，其中，所述壳体可以用作铸模。可选地，也可以提供由所述合金制成的在固态聚集体状态下的毛坯。可选地，毛坯的制造也可以是根据本发明的方法的一部分。随后，可以将所提供的毛坯引入壳体中，以实现所述合金(即铸锭)的封装。壳体可以具有可变形的材料(例如是可塑性变形的，例如钢或铜)。因此，毛坯也可以是铸件，其中，但是本发明并不应被局限于毛坯的特定制造上。

可选地，所述封装体形成为圆柱形，并且借助于工具进行成形，其中，该工具具有至少两个径向取向的(例如彼此相对的)压力体(例如工具钳口)，该压力体周期性地对封装件施加压力，而封装体被重复地或连续地移动并且/或绕轴向轴线旋转。

本发明还涉及另一种用于制造硬磁性材料或永磁体的方法，该方法包括以下步骤：

-将合金引入惰性环境中，其中，所述惰性环境抑制合金的氧化，其中，所述合金具有至少一种稀土元素、至少一种过渡金属和至少一种来自周期族iiia的元素；

-将所述合金加热到所述合金处于两相状态的最低温度；和

-通过从不同侧面重复地加载和卸载，在预定的持续时间段内对所述合金进行连续的机械的变形。

可选地，稀土元素包括以下元素中的至少一种：pr(镨)、nd(钕)、dy(镝)、ce(铈)、la(镧)、y(钇)、tb(铽)，其中，特别地nd、pr、dy和ce是有利合适的。可选地，过渡金属包括以下元素中的至少一种：fe(铁)、co(钴)、cu(铜)、ag(银)、au(金)、ni(镍)、zr(锆)，特别是fe。可选地，来自周期族iiia的元素包括以下元素中的至少一种：b(硼)、ga(镓)、al(铝)，特别是b。

可选地，所述方法进一步包括通过热处理使合金均质化(可以在所述成形之前或之后进行)，其中，所述热处理特别地在导致在合金中不期望的相(例如α-铁相)的还原的温度下实施。

可选地，所述成形的步骤进一步包括以下步骤：以在5hz和100hz之间的范围内或在10hz和40hz之间的范围内(或在大约30hz下实施)的频率对合金施加脉动压力，并且对合金施加进给运动。结果，在施加周期性压力下，合金(带有或不带有封装件)连续地轴向地运动通过所述工具。压力大到足以使合金变形。

可选地，所述加热包括感应加热，并且预定的温度处在500℃和1400℃之间或在600℃和1200℃之间的范围内或处于在低熔点富r相(r代表稀土元素)的熔融温度以上且在硬磁性的脆性相的熔融温度以下的范围内。

不言而喻，针对频率和温度的特定的工艺参数仅是示例，并且本发明不限于此。原则上可以使用任何频率和温度，至少只要获得所期望的晶粒细化的效果即可。

为了克服至少一部分开头提到的问题，实施例因此使用了所谓的触变成形，其中在提高的温度下在同时存在固相和液相的情况下进行成形。固态脆性相在增量成形过程中被粉碎或破碎，同时该固态脆性相被低熔点的液相包围。液相渗透到产生的裂纹中并填充裂纹。通过具有与之关联的多个加载状态和卸载状态的增量过程对此进行支持。随着在冷却过程中液相的固化，恢复了被裂纹干扰的材料的内聚力。液相还用于铁磁脆性相的磁去耦，并且因此导致显著的磁硬化。实施例的另一个大的优点在于借助于器械进行的成形(例如通过在使用工具下的旋转锻造)，其允许进行连续的过程控制。

附图说明

借助于不同的实施例的以下详细描述和附图，将更好地理解本发明的实施例，然而不应将这些实施例理解为其将公开内容限制于特定的实施方式，而仅是用于解释和理解。

图1示出了根据本发明的实施例的用于制造硬磁性材料或永磁体的方法的流程图。

图2示出了根据实施例进行的合金封装的结果。

图3示出了用于成形封装件/合金的工具的实施例。

图4示出了根据实施例在工具中成形封装件/合金时的可能的相对运动。

具体实施方式

图1示出了根据本发明的实施例的用于制造硬磁性材料或永磁体的方法的流程图。该方法包括以下步骤：

-s110形成封装件(壳体，其例如可以整体地形成)，所述封装件至少部分地包围合金，其中，所述合金具有至少一种稀土元素r、至少一种过渡金属(具有原子序数为21至30、39至48、57至80和89至112的元素)和至少一种来自周期族iiia的元素；

-s120将合金加热到所述合金处于触变状态的温度；和

-s130通过从不同侧面重复地加载和卸载所述封装件，在预定的持续时间段内对所述封装件与被加热的合金一起进行连续的机械成形。

加热可以特别地在一定的持续时间段内进行，因此该加热还应当包括导致在材料中发生所期望的变化的热处理。

特别地，该方法限定了用于将以r-fe-b为基的合金与稀土元素r(例如nd)一起进行磁硬化的成形过程。为此，可以预先将合金制成铸件。但是本发明不应被限制于合金的特定的制造上。随后的封装件s110应保护所述铸件免受氧化。在加热时，铸件被转变为液-固态，其中，富r相变为液态。随后的成形加工对铸件产生多个机械负载，在此期间铸件保持在固-液状态下。这导致晶粒细化。与封闭在这些晶粒之间的裂缝和空隙的液相相关联地，这导致所期望的磁硬化。最终，上述变形的铸件冷却至室温。

可选地，也可以在没有先前的封装件s110的情况下进行磁硬化。封装件用于防止氧化，氧化将不利地影响磁性性能。通过例如在低氧环境中并且特别是在真空中或在保护气体中加工合金，也可以防止氧化。作为保护气体，可以使用惰性气体，例如稀有气体或氮气。随后再次进行加热，以达到液-固状态。在此情况下，富r相又变成液态。最后，可以在保护气体的存在下再次进行晶粒细化，其中再次对在固-液状态下的合金实施多个机械负载，以粉碎晶粒。同时，液相封闭在这些晶粒或结晶粒之间的裂纹和空隙，这导致所期望的磁硬化。

图2示出了合金120的封装的结果，如合金被布置在封装件110中的那样。如果封装是完全封闭的，以避免氧化，则是有利的。但是，封装件110也可以在一侧是敞开的。此时在该位置上可能形成的氧化部分可以稍后被去除。可选地，封装件110也可以在敞开侧处被密封(通过表面层)，以便抑制氧化或氧气到壳体中的渗透。

有利地，封装件110被这样地设计，即该封装件尽可能紧密地邻接在合金120上并且不留间隙。封装件110是用于铸件120的(临时的)壳体，并且具有足够耐热的和可膨胀性的材料。除了防止氧化之外，壳体110附加地具有支撑功能，以避免铸锭在机械加载期间可能的破裂。

铸件120例如在保护气体气氛或真空下由以化学计量为2-14-1相的r-fe-b为基的合金(r＝稀土元素，例如nd、pr、ce、……)制成。也可以将合金120在液态下浇铸到壳体110中，并且紧接着进行冷却和固化。然而，如果铸件120(合金)是单独制造的，则其形状应有利地尽可能地与壳体110的内部轮廓的形状相对应，从而可以将铸件120尽可能无间隙地引入壳体110中。由此应防止在封装件110中存在氧气，否则这可能在成形加工期间导致氧化。

铸件120的加热例如可以以感应方式进行并一直持续到温度高于低熔点富r相的固相线温度为止，其中，富r相的固相线温度/液相线温度取决于在铸造过程中制造的以r-fe-b为基的合金的合金元素的确切的组成。其他存在的相，特别是脆性硬磁相，以固态形式存在于结构中(触变状态)。

即使本发明应不限于此，合金120也可以例如包括圆柱体形式的铸造的ndfeb样品，其在氩气气氛下封装在由不锈钢制成的棒中。

图3示出了用于工具200的实施例，用于使封装件110与合金120(铸件)一起从不同的侧面交替地变形。为此，工具200具有例如多个工具钳口210、220、230，……作为压力体，以从不同的侧面使封装件110变形。例如可以存在两个在水平方向上彼此相对布置的和两个在垂直方向上彼此相对布置的工具钳口210、220、230，……，以便沿径向方向交替地压缩封装件110(例如首先沿水平方向或垂直于在图3中的图平面地压缩并且随后沿垂直方向压缩)。这种径向的成形可以以任何频率(例如以大约30hz)周期性地进行。

在将封装件110引入工具200中之前，可以借助于感应线圈150进行加热，以便为在封装件110内的合金120产生期望的温度(例如，在合金的固相线温度和液相线温度之间，即其中富r相存在于液态下而硬磁性脆性相仍存在于固态下)。封装件110在压制过程中轴向运动并且另外也可以旋转(例如也交替地进行)，使得封装件110以预定的频率从不同的侧面压缩，并且随后再次松弛。

因此，在上面描述的触变状态下，对加热的铸件120进行多次机械的加载和卸载/增量成形。机械的加载/成形在高应变率下进行，并且在成形的材料中导致局部地如此之高的应力，以至于在该应力下固态脆性相会在形成裂纹下破裂。这导致硬磁性结构部分的晶粒细化。液相渗透到产生的裂纹中并填充这些裂纹。由此硬磁性结构部分被液相完全包围。在机械的加载/成形完成之后，将铸件冷却至室温，在该温度下铸件的所有相均以固态存在。

尽管在机械加载期间形成了裂纹，但是通过在冷却至室温之后液相的固化确保了被成形的材料的内聚力。通过低熔点的富r相对硬磁性相进行包封导致硬磁性结构包部分的磁去耦，并且由此导致材料的显著的磁硬化。

通过不同的刀具几何形状可以不仅在径向方向上而且在径向轴向平面上实现机械加载/成形。

图4以示例的方式示出了具有或没有封装件110的合金120如何示例性地从左向右被引导穿过工具200。工具钳口210、220在此执行径向交替的推压运动p，这导致工具钳口210、220径向地压缩封装件/合金110、120。同时可以进行轴向运动v(进给方向)。可选地，此外，在叠加推压运动p的同时，也可以使封装件/合金110、120从左向右交替地运动。

这导致，在进行期望的晶粒细化期间，合金/封装件110、120连续地运动通过工具200。最后，封装件/合金110、120在右侧例如离开工具200。

在图4的左侧上，示例性地示出了在进行晶粒细化之前合金121的图示。在图4中的右侧上，示出了在已经通过工具200进行晶粒细化之后的合金122。亮区显示低熔点富r相，而暗区显示硬磁性脆性相。在成形之前的热处理还导致均质化和α-铁部分的还原。如图所示，在工具200中的机械的成形加工导致在合金内的晶粒被粉碎。

在铸造状态下(左)和在旋转锻造之后(右)的样品的微观结构被工具200的振荡运动p或对工件120的多次加载和卸载所破坏，并导致所期望的晶粒细化。

可选地，对以此方式处理的磁体/材料随后可以通过锻粗、反向挤压或轧制过程进行纹理化处理，以实现硬磁性性能的进一步提高。

实施例具有以下优点：

-实现在限定的成形过程中的连续的过程控制。

-触变成形允许对铸造的硬磁性合金进行无裂纹的成形。

-显著的晶粒细化是可能的。

-在铸造合金的基础上，通过少量的工艺步骤来制造高性能硬磁体的成本有利的过程控制是可能的。

-特别地避免了粉末冶金步骤。

在说明书、权利要求书和附图中公开的本发明的特征不仅单独地而且以任何组合地对于实现本发明都是至关重要的。

附图标记列表

110封装件

120合金

121、122在晶粒细化之前和之后的合金

150加热装置

200工具

210、220、…工具钳口

p交替推压运动

v进给运动