专利名称：R-t-b-m-a系稀土类永磁体以及其制造方法
技术领域：
本发明涉及永磁材料领域。具体而讲，其为稀土类永磁材料以及其制造方法，涉及不降低磁体的剩磁密度Br而大大提高烧结体的矫顽力的高性能稀土类永磁材料以及其制
造方法。
背景技术：
伴随新能源产业的发展与技术的进步，高性能的R-T-B系稀土类永磁体(R为稀土类元素中的至少一种，T为过渡性金属元素中的至少一种，B为硼)的应用领域在世界性地扩大。从现有的电子通信设备领域的硬盘驱动器的音圈马达(VCM)、⑶/DVD的拾音器、移动电话、如核磁共振成像装置(MRI)这样的医疗设备向更高效、节能的机电领域的风力发电机、空调和冰箱的压缩机电机、混合动力车(HybridCar)电动机和发电机等新能源领域发展。因此，对于高性能R-T-B系永磁材料的需求量不断扩大，尤其对即使在使用温度高的情况下剩磁密度也高且矫顽力也高的稀土类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术指标是剩磁密度与矫顽力。剩磁密度主要由以下因素决定，1.正向畴体积分数，2.主相(R2T14B)或磁性相的体积分数，3.磁晶粒的取向度，4.烧结磁体的实际密度与理论密度的比值等。由下式表示剩磁密度Br。Br = Α(1-β ) (d/d0)cos θ . Js其中，A 正向畴体积分数，l-β 主相的体积分数，d 烧结磁体的实际密度，d0 烧结磁体的理论密度，COS θ 晶粒的取向度，Js =R2T14B单晶体饱和磁极化强度。另外，矫顽力主要受磁晶各向异性场(Ha)、烧结磁体的微观组织结构(例如晶粒度的尺寸、形状等)、富钕相的数量与分布以及在反向退磁场的作用下的退磁因子的影响。由下式表示矫顽力Hcj。Hcj = CHa-NeffMs其中，Ha 磁晶各向异性参数，Ms 饱和磁化强度，c 微观组织结构参数，Neff 退磁因子。现在，不含作为重稀土类元素的Dy与Tb的R-T-B系烧结永磁材料虽然剩磁密度 Br较高(通常为1.4T)，但是矫顽力较低，只有960kA/m左右。因此，仅仅能够在使用温度低和稳定的环境中使用，极大地限制了永磁材料的应用领域。而且，为了提高R-T-B系烧结磁体的矫顽力扩大使用温度的范围，进行了成分调整及细化晶粒等各种改进工作。作为现有技术的主要的改进方法，采用各向异性场更高的重稀土类元素Dy或Tb 来部分取代Nd，提高矫顽力与使用温度。例如，采用5质量％的Dy来部分取代Nd的方法。 这样，虽然矫顽力可以提高到1680 (kA/m)，但是剩磁密度Br却降低到1J8(T)。而且，作为重稀土类的Dy及Tb因为是稀有资源所以价格高，该方法不适合于大量生产。尤其在作为新能源领域之一的IMW永磁直驱的风力发电机中，1台使用的永磁体的平均质量为IOOOkg以上，在成本方面形成了很大的制约因素。另外，还有通过添加多量fe、Nb、Mo等稀有金属元素来降低晶粒度和优化晶界，从而提高矫顽力的方法，但是这种方法也致使成本提高。在上述现有的稀土类磁体成分分配比中，没能提高到使用温度条件苛刻的(使用环境的温度高)用途，例如电动汽车电动机及混合动力汽车电动机、发电机所必需的矫顽力性能。在电动汽车或混合动力汽车的磁体温度方面，如果是电动汽车，则需要耐住150°C， 如果是混合动力汽车，则需要耐住200°C，如果从磁体矫顽力方面说，则需要1680 (KA/m)以上的材料，另外需要剩磁密度在US(T)以上。如果将重稀土类元素Dy或Tb作为添加物而加入，则虽然可以提高矫顽力性能 Hcj，但是却降低剩磁密度Br，这将造成降低电动机及发电机效率的后果。另外，为了不降低剩磁密度，有必要添加Ga、Nb、Mo等稀有金属元素，但是由于将高价的金属元素作为添加物来多量使用，因此成本增加，要想应用于需求量大的电动汽车电动机及混合动力汽车电动机、发电机，从经济面考虑实现起来比较困难。
发明内容
本发明的目的在于解决这些缺点，在大幅削减成为高成本的主要原因的高价的稀有金属材料的同时，通过提高影响电动机、发电机效率的剩磁密度Br与矫顽力性能HcjjlJ 用低成本的丰富的材料而提供高性能的稀土类磁体。另外，根据本发明，也何以降低高价的重稀土类元素Dy或Tb的使用量，可以降低成本。本发明的产品可以使用于伺服马达、直线电动机、电梯马达等多方面。下面说明应用于电动汽车电动机及混合动力汽车电动机、发电机时的具体效果。电动汽车电动机或混合动力汽车电动机的电动机输出特性如图1所示，从基本旋转速度以上开始，需要伴随速度上升而转矩降低的稳定输出特性。这些电动机主要采用将所述稀土类磁体在周向上等间隔埋入电动机的转子芯的内磁型永磁同步电动机anterior Permanent Magnet type Synchronous Motor,以下简称 IPMSM)(参照图 2)。如图3所示，在横轴为以磁体磁通轴(d轴)为基准时的电流相位角θ，纵轴为转矩T时，该IPMSM的转矩特性为磁体转矩Tm与磁阻转矩Tr的合成转矩。下面表示各转矩式。T = Tm+TrTm = τ m · cos θ ( τ m 磁体转矩Tm的最大值)Tr = τ r · sin (2 θ ) ( τ r 磁体转矩Q 最大值)该电动机的特征为，通过用电枢磁通来降低所述磁体具有的磁能即发生磁通来实现了电动机的稳定输出范围。从图2的IPMSM构造可知，所述稀土类磁体被配置在磁体磁通轴(d轴)上，以 R-T-B为主成分的稀土类磁体的磁导率1.05，是大致与空气相同的磁导率。因此，从电枢观察时的d轴电感与垂直于该d轴的轴(q轴)的q轴电感相比成以下关系。Ld < Lq在电动机的输出控制中，为了降低磁通，将伴随速度上升而增加的电动机端子之间的电压控制为一定值，优选该d轴电感大。也就是说以配设在转子芯内部的磁体的厚度 Lm小为好。
在电动机的设计上，该磁体厚度Lm由使用的磁体的使用温度tm(使用环境温度) 时的矫顽力性能Hcj、电枢的磁场削弱能Ata决定。由于磁场削弱能Ata由电动机的输出规格决定，因此取决于如何在磁体使用温度tm(使用环境温度)下使用矫顽力性能Hcj高的磁体。也就是说，如果矫顽力性能Hcj低，为了耐住电枢的磁场削弱能Ata(为了不发生减磁)则有必要使磁体厚度Lm变厚。但是，如上所述，如果磁体厚度Lm变厚，则上述的d轴电感变小，为了得到规定输出特性，有必要使很多无功电流流通于电枢，这将显著地损坏在电动机的稳定输出域的效率特性。也就是说，通过使用矫顽力性能Hcj高的本发明的磁体，可以使磁体厚度Lm比现有的磁体厚度薄，因此可以降低所述无功电流在电枢中的流通，而且提高稳定输出范围的效率，得到可以实现节能的很大效果。本发明与现有技术相比大约可以提高25%的矫顽力性能Hcj，可以使磁体的厚度薄25%。其结果，由于大约可以降低所述无功电流的25%，因此大约可以降低在电枢绕组中发生的焦耳热损失的35%。本发明的特征是在R-T-B-M-A系稀土类永磁材料中最合适地设定微量元素A的成分范围。本发明未添加所述稀有金属，通过在粉碎工序中细化粉末的粒度的基础上将微量元素A的成分设定在最合适的范围来提高磁体的矫顽力。首先，对氧“0”的影响与规定范围的必然性进行说明。由于磁粉被控制成粉末的粒度非常细，因此在烧结过程中磁体晶粒容易发生异常长大。因此，在粉碎工序中严格控制磁体中的氧“0”含量，在粉末的表面形成氧化膜而防止晶粒的异常长大。因此，重要的是仅用于形成氧化膜的氧“0”含量，有必要设定某个成分规定范围。如果过量地放入氧，则富钕相被氧化，造成矫顽力降低。对氢“H”的影响与规定范围的必然性进行说明。如果氢“H”残留在磁体中，则在烧结工序脱气时发生HDDROlydrogen-Disproport ionation-Desorption-Recombination)反应，产生纳米级别的晶粒，成为在烧结工序中晶粒异常长大的原因。为了防止该现象，在氢处理工序中进行脱氢后必须严格地控制真空度， 使残留氢“H”不超过规定值。下面，对氮“N”的影响与规定范围的必然性进行说明。如果磁粉的粒度非常细，则粉末的活性也变强。如果将通常的氮气作为保护环境而进行制粉，则由于在温度上升时，氮与稀土类元素发生反应，因此对晶界相的润湿性起不良影响，使矫顽力降低。因此，首先为了使氮“N”处于规定值以下，有必要在将惰性气体从氮“N”变更为氩或者氦的环境下实施制粉，提高磁体的矫顽力。下面，对碳“C”的影响与规定范围的必然性进行说明。如果磁粉的粒度非常细，则粉末容易集结，粉末的取向也变难。为了解决这样的问题，虽然有必要添加大量的润滑剂来使粉末分散，但是润滑剂是乙酸甲脂、辛酸甲脂、硬脂酸锌、硬脂酸锂中的一种，所有润滑剂都是包含碳“C”的有机物。因此有可能增加磁体中的碳“C”含量。如果碳“C”增加，则剩磁密度Br从某个值降低，矫顽力也急剧降低。因此有必要使碳“C”处于某个规定范围。
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本发明是一种以Ii2T14B型化合物为主要构成的R-T-B-M-A系稀土类永磁体，R为稀土类元素中的至少一种，T为过渡性金属元素中的至少一种，B为硼，M为由Ti、Mn、Ni、Cu、 Zn、Al、Si、P、S组成的群当中选择的至少一种，A为微量元数，其特征为，1 为M质量％ ；34质量％，T为63质量％ 74质量％，B为0.5质量％ 1.5质量％，其余由M及A构成，A由以下构成，C 的含量为 IlOOppm 2000ppm，H的含量为IOppm以下，0 的含量为 1300ppm 2000ppm，N的含量为150ppm以下，并且，被粉碎的永磁材料的平均粒子直径在2 5 μ m范围，以及在氩或者氦气环境下粉碎所述磁体材料。
图1是电动汽车电动机或混合动力汽车电动机的电动机输出特性。图 2 是内磁型永磁同步电动机(Interior Permanent Magnet type Synchronous Motor)的构造示意图。图3是上述IPMSM的转矩特性。图4是N含量与剩磁密度的相关图。图5是N含量与矫顽力的相关图。图6是粉碎粒子直径与剩磁密度的相关图。图7是粉碎粒子直径与矫顽力的相关图。图8是0含量与剩磁密度的相关图。图9是0含量与矫顽力的相关图。图10是C含量与剩磁密度的相关图。图11是C含量与矫顽力的相关图。图12是H含量与剩磁密度的相关图。图13是H含量与矫顽力的相关图。
具体实施例方式下面，根据实施例对本发明的实施方式进行说明。并且，在下面的实施例中的质量标记由质量％进行表示，表示各元素在物质中的质量比。另外，平均粒子直径作为中位直径的D50(50%粒子直径)来进行表示，各数值是通过激光衍射式粒度分布测定装置来测定的值。实施例1合金的制作在氩气环境中熔化金属或合金原材料进行精炼。该合金是在烧结体R-T-B-M-A的构成体中，R 为Nd :22. 5 质量 ％，Dy :3.5 质量 ％，ft· :5. 0 质量 ％ 构成，T 为Fe :66. 6 质量％，Co :1.0 质量 ％ 构成，B 为B :1.0 质量 ％，M 为Al :0.3 质量％，Cu 0. 1质量％构成的合金。通过速凝薄带(SC)工艺，使用水冷铜辊来使合金熔融金属冷却凝固，得到合金薄片。粉碎在通过氢化处理而粗粉碎所述合金后，使氢炉处于真空状态进行脱氢处理。之后， 使用高压氩气在气流粉碎机内将所述粗粉碎的合金研磨成平均粒子直径为5.0μπι左右的粉末。为了防止晶粒异常长大，在粉碎过程中，在气流粉碎机粉碎用惰性气体中加入一定量的氧。之后，在惰性气体中保存粉末。润滑剂的添加为了提高粉末的取向性，在粉末混合机内添加一定量的润滑剂。润滑剂的混入过程在氩气保护环境下进行。成型使用通过所述方法制作的微细粉末在惰性气体环境下进行磁场成型。之后，在 400°C以上的温度环境下将通过所述方法成型的成型体保温一定时间，之后，通过烧结工序进行烧结而得到烧结体R-T-B-M-A。时效处理在进行完烧结处理后，对磁体进行时效处理。之后，通过机械加工制作了直径 10mm、高度IOmm尺寸的实施例1的试样。实施例2同时也制作了实施例2的试样。实施例2与实施例1的不同点在于，在粉碎、润滑剂的添加及成型工序中作为保护环境使用了氦气。对比例1 3另外，为了验证实施例1及2的效果，也制作了对比例1、对比例2及对比例3的合
^^ ο对比例的合金制作方法在氮气环境中熔化金属或合金原材料进行精炼。该合金是在烧结体R-T-B-M-A的构成体中，R 为
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Nd:21 质量 ％，Dy :5.0 质量％，ft· :5. 0 质量 ％ 构成，T 为Fe :66. 6 质量％，Co :1.0 质量％构成，B 为B :1.0 质量 ％，M 为Al :0. 3 质量％，Cu 0. 1质量％构成的合金。通过速凝薄带工艺使用水冷铜辊来使合金熔融金属冷却凝固，得到合金薄片。粉碎在通过氢化处理而粗粉碎所述合金后，使氢炉处于真空状态进行脱氢处理。之后， 使用高压氮气在气流粉碎机内将所述粗粉碎的合金研磨成平均粒子直径为5.0μπι左右的粉末。为了防止晶粒异常长大，在粉碎过程中，在气流粉碎机粉碎用氮气中加入一定量的氧。之后，在氮气中保存粉末。润滑剂的添加为了提高粉末的取向性，在粉末混合机内添加一定量的润滑剂。润滑剂的混入过程在氮气保护环境下进行。成型使用通过所述方法制作的微细粉末在氮气环境下进行磁场成型。之后，首先在 400°C以上的温度环境下将通过所述方法成型的成型体保温一定时间，之后，通过烧结工序进行烧结而得到烧结体R-T-B-M-A。时效处理在进行完烧结处理后，对磁体进行时效处理。之后，通过机械加工制作了直径 10mm、高度IOmm尺寸的对比例1、对比例2及对比例3的磁体。对比例1至3是明确氮N的量对矫顽力的性能降低产生影响的例子，对比例1是 "K"的氮N = 160ppm，对比例2是氮N = 160ppm，对比例3是氮N = 400ppm。实施例1、2与对比例1 3的分析结果将磁特性的测定结果及成份分析的结果对比表示于下述的表1及图4、图5(图表)。图4是将横轴作为氮N含量，纵轴作为剩磁密度而表示两者关系。图5是将横轴作为氮N含量，纵轴作为矫顽力而表示两者关系。从这些图可以确认，为了达到作为高性能的永磁所要求的矫顽力为1680kA/m以上，需要使氮N为150ppm以下，此时，剩磁密度为1. 28T 以上。表权利要求
1.一种WI^2T14B型化合物为主要构成的R-T-B-M-A系稀土类永磁体，R为稀土类元素中的至少一种，T为过渡性金属元素中的至少一种，B为硼，M为由Ti、Mn、Ni、Cu、Zn、Al、Si、 P、S组成的群当中选择的至少一种，A为微量元数，其特征为，尺为对质量％ ；34质量％， T为63质量％ 74质量％， B为0.5质量％ 1.5质量％， 其余由M及A构成， 所述A的组成如下， C 的含量为 IlOOppm 2000ppm， H的含量为IOppm以下， 0 的含量为 1300ppm 2000ppm， N的含量为150ppm以下，所述稀土类永磁材料粉末的平均粒子直径在2 5 μ m范围。
2.根据权利要求1所述的稀土类永磁体的制造方法，其特征为，在氩气或者氦气环境下实施所述稀土类永磁材料的粉碎工序。
全文摘要
本发明的目的在于，在R-T-B-M-A系稀土类永磁体中，通过将氮(N)、碳(C)、氧(O)、氢(H)控制为适当值来实现低成本的同时不降低剩磁密度性能Br并提高矫顽力性能Hcj。具体为，本发明的稀土类永磁材料以R2T14B型化合物为主要构成，R为24质量％～34质量％，T为63质量％～74质量％，B为0.5质量％～1.5质量％，其余由M及A构成，微量元素A是C为1100ppm～2000ppm，H为10ppm以下，O为1300ppm～2000ppm，N为150ppm以下。另外，本发明的稀土类永磁材料在惰性气体环境下粉碎，平均粒子直径在2～5μm范围。
文档编号H01F1/057GK102214508SQ20101014250
公开日2011年10月12日 申请日期2010年4月2日 优先权日2010年4月2日
发明者丁开鸿, 于京春, 吕思晶, 宫本恭祐, 李忠华, 林喜峰, 王国海, 王永杰 申请人:株式会社安川电机, 烟台首钢磁性材料股份有限公司