制备具有减少的重稀土金属的Nd-Fe-B磁性材料的方法
【技术领域】
[0001]在至少一个方面，本发明一般涉及电动机以及它们的制造，并且更具体地涉及用于形成永磁体的方法，所述永磁体使用稀土(RE)元素以用于改善电动机的功率密度(与感应电动机等相比)，特别是使用重稀土元素例如Dy和Tb以用于改善高温磁性。
【背景技术】
[0002]永磁体被用在多个领域诸如微电子、汽车、医疗设备、发电等中。永磁体典型地由硬磁材料形成，硬磁材料也在汽车、航空航天和电信工业中获得应用。稀土磁体，例如Nd-Fe-B比大多数其他硬磁体具有更高的能量密度。此外，此类磁体被用在汽车应用中，例如启动器、小马达、交流发电机、传感器、仪表以及电动和混合动力车辆推进系统。
[0003]烧结稀土磁体通常由粉末金属通过在压力下成形然后烧结而制成。绝大多数硬磁体由铁氧体和Nd-Fe-B形成。铁氧体比较便宜但是只具有适中的磁性。该材料主要用在其中尺寸和重量不是主要设计考量的应用中。
[0004]高强度永磁体必备的固有性质包括高饱和磁化强度、大的磁晶各向异性以及合理的高居里温度。这些性质受到例如微观结构、化学组成、磁体尺寸、表面涂层等因素的强烈影响。受微观结构影响的材料性质(例如磁性)包括相和组成分布、晶粒尺寸、晶粒形态和取向、以及晶粒边界。当晶粒尺寸低于被称为单畴限制(single domain limit)的临界极限时，退磁困难得多，从而导致优异的硬磁性。该单畴限制与特定的固有磁性(包括各向异性常数和饱和磁化强度)相关。对于Nd-Fe-B磁体来说，单畴限制为约300nm。
[0005]用以产生精细尺度微观结构的优选的商业技术为恪融纺丝(meltspinning)。取决于加工参数，熔融纺丝产生包括近似20-30nm的精细、等轴晶粒或无定形结构的微观结构。在进一步加工时保留精细的微观结构以使磁性最优化是至关重要的。各向异性磁体是以晶粒呈优选的晶体学排列(crystallographic alignment)制造的。高度的晶体学排列导致了高能源产品。相比于64MG0e的理论最大值，微观结构的衰退以及可达到的有限的晶体学排列将可商业获得的能源产品限制为约50兆高斯-奥斯特(MGOe)。
[0006]烧结的Nd-Fe-B永磁体在低温下具有非常好的磁性。在磁化之后，永磁体处于热力学非平衡状态。外部条件、特别是温度的任何变化，导致向另一种更加稳定的状态的转变。这些转变通常伴随有磁性的变化。由于Nd2Fe14B相的有限的低居里温度，顽磁和内禀矫顽力(intrinsic coercivity)随着温度升高而迅速降低。存在两种常见手段用来改善Nd-Fe-B永滋体的热稳定性和用来增强磁性，从而获得用于混合动力和电动车辆的紧密的、轻质的和强力的马达。一种手段在于通过添加Co来提高居里温度，所述Co可完全地溶解在Nd2Fe14B相中。然而，具有Co的Nd-Fe-B磁体的矫顽力下降，这可能是由于用于反向畴(reversed domain)的成核位置。第二种手段在于添加重稀土元素。已知的是在Nd-Fe-B磁体中用镝(Dy)替代钕(Nb)或铁(Fe)导致各向异性场以及内禀矫顽力的增加，和饱和磁化强度的降低(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据信一旦在晶粒的表面出现反向畴的核，就会立即发生整个晶粒的磁性反转。反向磁畴(Reverse magnetic domain)仅来自于晶粒边界。如果我们可以使得Dy围绕晶粒边界均一地分布，那么矫顽力应会被提高，并且顽磁应不会改变很多。因此，习惯做法是在熔融和合金化之前将重稀土金属例如Dy或Tb添加至混合的金属中。然而，Dy和Tb是非常稀有和昂贵的。在自然界中，很小部分的稀土金属是重RE，而重RE仅含有约2-7%的Dy。Dy的价格最近已经急剧地升高。如果需要甚至更高的磁性，那么就需要Tb，而其比Dy昂贵得多。
[0007]烧结的Nd-Fe-B基磁体的理想微观结构为Fe14Nd2B晶粒，其优选地被非铁磁性的富含Nd的相(主要的Nd加上一些Fejd1.^的共晶基体和由杂质稳定的Fe-Nd相)隔离。Dy和/或Tb的添加导致了基于Fe、Nd和Dy或Tb的不同三元晶界相的形成。这些相位于晶粒边界区域并且在Fe14Nd2B晶粒的表面上。
[0008]用以改善磁性的任何元素的添加应当满足以下条件:1)金属间相应当是非铁磁性的，以分离铁磁性的晶粒；2)金属间相必须比Nd2Fe14B相具有更低的熔点以经由液相烧结制备密致材料；和3)所述元素应当在Nd2Fe14B中具有低溶解度以保持良好的磁性。已知矫顽力会受到Nd2Fe14B晶粒之间的边界相的形态的很大影响。
[0009]因此，需要用于制备永磁体、并且特别地是Nd-Fe-B基磁体的改进方法。
【发明内容】
[0010]本发明涉及的项目包括:
[0011 ] 1.制备磁性材料的方法，该方法包括:
[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)将所述第一材料与第二材料结合以形成粉末组合物，所述第二材料包括选自Dy、Tb以及它们的组合的组分；
[0014]c)封装所述粉末组合物，以形成封装的粉末组合物；
[0015]d)在封装过程中以及之后对所述粉末组合物施加磁场以将其磁化；和
[0016]e)等静压制所述封装的粉末组合物，同时加热使得所述粉末组合物的温度从第一温度增加至第二温度，以形成压制的组合物。
[0017]2.根据项目1所述的方法，进一步包括:
[0018]f)在约500到1000°C的温度下加热和烧结所述压制的组合物。
[0019]3.根据项目1所述的方法，进一步包括随后的退火，以进一步稳定微观结构并优化磁性。
[0020]4.根据项目3所述的方法，其中所述退火包括在从高温到低温的阶梯式的温度加热所述磁性材料。
[0021]5.根据项目1所述的方法，其中等静压制所述封装的粉末组合物的步骤包括在50MPa到350MPa的压力下使用惰性气体压制所述粉末组合物。
[0022]6.根据项目1所述的方法，其中所述第一温度是约5°C至约35°C，并且所述第二温度是约500°C至约1000 °C。
[0023]7.根据项目3所述的方法，其中所述惰性气体是氩气或氮气。
[0024]8.根据项目1所述的方法，其中所述封装的粉末是通过将所述粉末组合物放置到模具或胶囊中形成。
[0025]9.根据项目1所述的方法，其中封装所述粉末组合物的步骤包括选择性地激光烧结所述粉末组合物，以形成限定预定式样的固体表层。
[0026]10.根据项目1所述的方法，其中所述粉末组合物包括布置在所述第一材料上的第二材料的涂层。
[0027]11.根据项目10所述的方法，其中所述涂层包括镝、铽或它们的组合。
[0028]12.根据项目10所述的方法，其中所述磁性材料包含不均匀分布的Dy、Tb或它们的组合。
[0029]13.根据项目1所述的方法，其中所述磁性材料包括平均浓度为约0.3至约6重量％的Dy。
[0030]14.根据项目1所述的方法，其中所述磁性材料包括平均浓度为约零至约3重量％的Tb。
[0031]15.根据项目1所述的方法，其中所述磁场具有约1至约3特斯拉⑴的磁场强度。
[0032]16.根据项目1所述的方法，其中所述第一材料由式Nd2Fe14B描述。
[0033]17.根据项目16所述的方法，其中所述第一材料还包括选自Pr、Ga、Co、Cu以及它们的组合的组分。
[0034]18.根据项目1所述的方法，其中所述第二材料包括约5至约95重量％的镝和95
至5重量％的铺。
[0035]19.根据项目18所述的方法，其中所述第二材料还包括选自Fe、B、Pr、Ga、B、Co、Cu以及它们的组合的组分。
[0036]20.制备磁性材料的方法，该方法包括:
[0037]a)提供含有Nd、Fe和B的芯粉；
[0038]b)将所述芯粉与含有稀土金属的粉末结合以形成粉末组合物；
[0039]c)封装所述粉末组合物，以形成封装的粉末组合物；
[0040]d)对所述粉末组合物施加磁场以将其磁化；
[0041]e)在50MPa到350MPa的压力下使用惰性气体等静压制所述封