磁性材料、其应用和其制造方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种磁性材料、其应用、以及用于制造该磁性材料的方法。
【背景技术】
[0002]由于最近尤其在汽车制造中增加地使用电动机，因此在过去几年中对高效率的磁性材料并且尤其是对永久磁铁的需求大大上升。合适的磁性材料在此情况下包括具有硬磁相的磁性材料，这些磁性材料以剩余磁化强度高、矫顽磁场大、能积大而出众。磁性材料的磁特性越好，就越有利的是将其正好使用在结构空间减小的装置中，并且例如应用于汽车的传动系的电气化中。因此高效率的、持久稳定的并且在此成本粗放的磁性材料是电动汽车的关键组分。包括至少一种如钕(Nd)、镨(Pr)和钐(Sm)之类的稀土金属以及至少一种如铁(Fe)或钴(Co)之类的过渡金属的磁性材料已证明为特别高效率的，也就是具有大的能积。经常给这样的材料掺入例如硼(B)、碳(C)、氮(N)或者氢(H)之类的填隙添加剂以便优化组织结构以及因此也优化固有磁特性。已证实Nd2Fe14B为特别高效的磁性材料。但是由于其受限制的化学、机械和热长期稳定性，仍然没有通过Nd2Fe14B完全替代传统的铁素体。Nd2Fe14B的高的原料和制造成本是进一步不利的。除此之外，稀土金属的可用性在如此高的程度上大大受限制，并且尤其由中国市场主导，由此以正如Nd2Fe14B之类的高稀土金属含量的磁性材料为基础的磁铁的制造量是大大受限的。
【发明内容】
[0003]根据本发明的磁性材料以出众的磁特性、并且因此高的剩余磁化强度、高的矫顽磁场强度、以及大的能积而出众。其机械稳定性、磁稳定性以及热稳定性是高的，这适合使用于强烈要求的、即例如可移动的装置、如汽车和移动电子设备中。通过使用至少一种过渡金属(TM)、至少一种稀土金属(RE)和钨，其中分别相对于磁性材料的总质量，过渡金属的份额为60到90质量％，稀土金属的份额为10到20质量％，钨的份额为5到25质量％，获得一种以特别好的物理、化学和机械特性、并且尤其是以出色的磁特性而出众的高效的磁性材料。使用钨作为本发明必要的金属正好在此决定性地有助于稳定磁性材料的晶格组织。除此之外，钨支持磁相的各向异性的形成，并且因此促进所期望的磁特性。通过减少的稀土金属的含量或者选择可与钨组合的稀土金属和过渡金属的灵活性，确保了原料的可用性，由此能够有效避免供应瓶颈，并且制造量不受限制。相对于稀土金属含量大的传统磁性材料，根据本发明的材料的原料成本也由此明显被降低。由于根据本发明的特定的组成，因此也可以降低根据本发明的材料的制造成本，这大大提高其市场接受度。通过使用根据本发明的磁性材料，因此也在低价产品中开辟多种多样的应用可能性，而对其质量特性没有不利影响。
[0004]从属权利要求示出本发明的优选的改进方案。
[0005]按照本发明的一种有利实施方式，过渡金属选自如下组，该组由铁(Fe)、钴(Co)、镍(Ni)和锰(Mn)构成，并且优选地是铁。这里所提及的过渡金属与稀土金属和钨构成特别稳定的晶格结构，并且增强地有助于形成所期望的有利的磁特性，即尤其有助于根据本发明的材料的饱和和磁各向异性。此外，其在市场上的可用性高，其原料成本低，这明显降低根据本发明的磁性材料的制造成本。在这些金属中铁的优选的使用可归因于其有益于健康以及生态的毫无疑问性，并且此外也可归因于其与Co、Ni和Mn相比再次明显降低的原料成本。
[0006]按照本发明的另一种有利实施方式，稀土金属(RE)选自如下组，该组由钕(Nd)、镧(La)、铈(Ce)、镝(Dy)、铽(Tb)、镨(Pr)、钐(Sm)、钷(Pm)、铕(Eu)、钇(Y)、钪(Sc)、钆(Gd)、钦(Ho)、铒(Er)、铥(Tm)、镱(Yb)和镥(Lu)构成，并且优选地是Ce和/或La。所列举的稀土金属 Nd、La、Ce、Dy、Tb、Pr、Sm、Pm、Eu、Y、Sc、Gd、Ho、Er、Tm、Yb 和 Lu 已证明为与本发明必要的其它组分、也就是与至少一种过渡金属和钨特别好地兼容，并且在其侧促进持久稳定的具有高各向异性的晶格结构的构成，由此改善根据本发明的磁性材料的磁特性。尽管其原料成本部分较高，但是由于其相对于传统的磁性材料降低的在根据本发明的磁组成中的含量，根据本发明的磁性材料的制造成本较低。由于可用性特别高并且原料成本相对低，因此特别是元素La和Ce的使用对于本发明是特别有利的。
[0007]本发明的另一种有利实施方式规定，相对于磁性材料的总质量，过渡金属的份额为60到70质量％，优选地为61到67质量％，进一步优选地为63到65质量％，并且/或者稀土金属的份额为13到19质量％，优选地为15到17质量％，并且/或者钨的份额为10到25质量％,优选地为14到23质量并且进一步优选地为16到21质量％。如果过渡金属的份额处于至少60质量％并且优选地处于至少61质量％或者进一步优选地处于63质量％并且/或者钨的份额处于至少10质量％或者优选地处于至少14质量％且尤其处于至少16质量％，那么获得高效率的并且在机械、化学以及热意义上稳定的磁性材料，该磁性材料只有很少的稀土金属含量，尽管如此仍然具有出色的磁特性，并且尤其具有大的能积，并且因此也在其原料成本方面并且因此也鉴于其制造成本是优选的。但是，从大于65质量％并且尤其大于67质量％并且尤其大于70质量％的过渡金属的含量起，磁性材料的晶格结构的稳定性下降。这也对大于21质量％并且尤其大于23质量％并且尤其大于25质量％的钨的含量适用。如果稀土金属的份额为13到19质量％并且优选地为15到17质量％，那么能使根据本发明的磁性材料的剩余磁化强度以及矫顽磁场强度最大化。
[0008]按照本发明的另一种有利实施方式，根据本发明的磁性材料的结构选自:RE(TM，W)12结构、Th2Zn17结构、如RE2(TMJ)1JP RE 3(TM，W)29结构。这里所阐述的结构已证实为对于构造根据本发明的磁性材料的各向异性相特别好。这可归因于其有利的电子结构和电子配置以及原子的自旋矩和轨道矩。
[0009]本发明的另一种有利实施方式规定存在至少一种选自由氮(N)、碳(C)和氢(H)构成的组的另外的元素。这里所提及的元素均为填隙添加剂，也就是占据晶格结构的填隙位置，由此磁性材料的晶格被扩张并且特别好地稳定化。这有助于改善根据本发明的材料的磁特性，并且尤其是提高磁性材料的磁化强度、居里温度和各向异性。
[0010]根据本发明的磁性材料进一步优选地包含至少一种选自由钒(V)、铜(Cu)、铬(Cr)、锡(Sn)、铝(Al)、硅(Si)、.(Mo)、镓(Ga)、钛(Ti)、锌(Zn)、铌(Nb)和锆(Zr)构成的组的另外的元素。这些元素可以对材料的磁特性以及物理和化学特性及其耐抗性、即其化学耐抗性或者电化学耐抗性(例如耐腐蚀性)起到正面影响。尤其是元素Cu、Ga和Al在此通过在烧结磁铁的情况下的晶界相改善硬磁晶粒的润湿。
[0011]此外根据本发明还描述一种包括如上所述的磁性材料的永久磁铁。根据本发明的材料在根据本发明的永久磁铁中优选地作为硬磁相存在。根据本发明的永久磁铁除了根据本发明的磁性材料之外还可以具有其它磁相或者非磁相，但也可以仅仅由根据本发明的磁性材料构成。永久磁铁优选地包括如上所述的由至少一种过渡金属(TM)、至少一种稀土金属(RE)和钨构成的硬磁相，其中分别相对于磁性材料的总质量，过渡金属(TM)的份额为60到90质量％，稀土金属(RE)的份额为10到20质量％，并且钨(W)的份额为5到25质量％，其中所述永久磁铁可以例如是在传统的意义上烧结的或者塑料接合的。针对根据本发明的磁性材料所描述的有利效果、优点和实施方式也应用于根据本发明的永久磁铁。
[0012]根据本发明同样也描述一种用于制造磁性材料的方法，其中所述方法的特征在于将至少一种过渡金属(TM)、至少一种稀土金属(RE)与钨混合以及使所获得的混合物熔化的步骤，其中分别相对于磁性材料的总质量，过渡金属(TM)的份额为60到90质量％，稀土金属(RE)的份额为10到20质量％，并且钨(W)的份额为5到25质量％。通过根据本发明的方法，以简单而且成本低的方式提供具有出众的剩余磁化强度和矫顽磁场强度以及大的能积的高效率的磁性材料，该磁性材料此外具有非常好的机械、化学和热稳定性。针对根据本发明的磁性材料所描述的有利的特性、效果和实施方式也应用于根据本发明的用于制造这种磁性材料的方法。
[0013]按照根据本发明的方法的一种优选实施方式，在电弧中或者在真空炉中熔化由本发明必要的元素所构成的混合物。通过该方法运用(Verfahrensfiihrung)来保证完全熔融所有元素，而在此不发生材料的氧化，使得此后构成磁性材料的均匀的结晶组织，这不仅有