具有硬磁性相和软磁性相的复合磁体的制作方法

本公开涉及一种永磁体，并且更具体地，涉及一种具有硬磁性相和软磁性相的永磁体。

背景技术：

永磁体因持久的磁通而具有广泛应用。稀土永磁体(诸如nd-fe-b或sm-co永磁体)包括稀土元素，稀土元素表现出出色的硬磁性性能，这通过高矫顽力、高磁通密度以及因此高能量密度来证明。常规sm-co和nd-fe-b磁体因天然产状低而成本高昂并具有有限磁性能改进能力。

一种改进sm-co和nd-fe-b永磁体的磁性性能的方法是添加软磁性相，诸如fe和/或fe-co。软磁性相具有高磁通密度，这增加了最终磁体的剩磁，并且因此改进了所得的能量积应用。常规复合磁体是通过将软磁性相添加到ndfeb或smco中形成的，然而这些磁体无法实现超过常规烧结的nd-fe-b磁体的磁性性能，因为尽管增强了剩磁，但却牺牲了矫顽力。

另一种将软磁性相添加到硬磁性相中的方法包括使用纳米复合技术，诸如熔融旋铸、球磨或其他类似的技术。在通过这些方法制备的磁体中，软磁性相的晶粒粒度极小，即小于100nm。典型地，为了通过两个磁性相之间的晶粒间交换耦合来实现良好的磁性性能，软磁性相必须具有较大晶粒粒度，例如约10nm。

技术实现要素：

根据一个实施例，一种复合永磁体包括硬磁性相晶粒的基体，所述硬磁性相晶粒具有10nm至50μm的平均晶粒粒度。所述复合永磁体还包括软磁性相晶粒，所述软磁性相晶粒嵌入在所述基体内，所述软磁性相晶粒具有至少50nm的平均晶粒粒度，并且每个晶粒具有宽高比为至少2:1的细长形状。

根据一个或多个实施例，所述硬磁性相晶粒和所述软磁性相晶粒两者可以具有晶体织构。在一个或多个实施例中，所述硬磁性相晶粒可以是ndfeb、smco5、mnbi、sm-fe-c或其组合。在至少一个实施例中，所述软磁性相晶粒可以是fe、co、feco、ni或其组合。根据一些实施例，所述软磁性相晶粒可以具有至少50nm的平均晶粒宽度和20nm至500nm的平均晶粒高度。在一些实施例中，所述宽高比可以是至少10:1。在一个或多个实施例中，所述软磁性相晶粒可以具有卵圆形晶粒形状、椭圆形晶粒形状、分层状晶粒形状、薄片状晶粒形状或其组合。

根据另一个实施例，一种复合永磁体包括：硬磁性相晶粒的基体，所述硬磁性相晶粒具有10nm至50μm的平均晶粒粒度；以及软磁性相晶粒，所述软磁性相晶粒嵌入在所述基体内，并且具有至少50nm的平均晶粒宽度、20nm至500nm的平均晶粒高度以及至少2:1的宽高比。

根据一个或多个实施例，所述硬磁性相晶粒可以是ndfeb、smco5、mnbi、sm-fe-c或其组合。在一个或多个实施例中，所述软磁性相晶粒可以是fe、co、feco、ni或其组合。在至少一个实施例中，所述硬磁性相晶粒和所述软磁性相晶粒两者可以具有晶体织构。根据一个或多个实施例，所述软磁性相晶粒可以具有卵圆形晶粒形状、椭圆形晶粒形状、分层状晶粒形状、薄片状晶粒形状或其组合。

根据又一个实施例，一种形成复合永磁体的方法包括：提供具有10nm至50μm的平均晶粒粒度的硬磁性相晶粒，以及具有平均晶粒粒度为至少50nm且宽高比为至少2:1的细长形状的软磁性相晶粒；以高达50重量％的比率混合所述硬磁性相晶粒和所述软磁性相晶粒以形成混合物；将所述混合物热压实以形成压块；以及使所述压块热变形以形成复合永磁体，其中细长软磁性相晶粒嵌入在硬磁性相基体中。

根据一个或多个实施例，所述软磁性相晶粒可以具有50nm至10μm的平均晶粒粒度。在至少一个实施例中，所述软磁性相晶粒可以具有卵圆形晶粒形状、椭圆形晶粒形状、分层状晶粒形状、薄片状晶粒形状或其组合。在一个或多个实施例中，所述宽高比可以是至少10:1。根据至少一个实施例，可以在100mpa至2gpa的压力下以550℃至800℃的温度进行所述热压实持续5分钟至30分钟的压制时间。在至少一个实施例中，可以在100mpa至1gpa的压力下以600℃至850℃的温度进行所述热变形持续5分钟至60分钟的压制时间，使得可以通过压力增加速度或压力机滑块位移速度来控制变形速度。根据至少一个实施例，所述方法还可以包括在不破坏硬磁性相的微结构的情况下研磨所述混合物。在一些实施例中，所述硬磁性相晶粒可以是ndfeb、smco5、mnbi、sm-fe-c或其组合，并且所述软磁性相晶粒可以是fe、co、feco、ni或其组合。

附图说明

图1示出了具有各种粒度的软磁性相的常规复合永磁体的示意图；

图2是示出具有不同软磁性相粒度的常规复合磁体的磁滞曲线的曲线图；

图3是根据一个实施例的复合永磁体的示意图；

图4是示出根据一个实施例的复合永磁体的磁滞回线的曲线图；

图5是示出根据一个实施例的形成复合永磁体的方法的流程图；

图6示出了根据一个实施例的未进行球磨的复合永磁体的结构的扫描电子图(sem)和fe、nd元素图；以及

图7是根据一个实施例的进行球磨的复合永磁体的结构的扫描电子图(sem)和fe、nd元素图。

具体实施方式

根据需要，本文中公开了本发明的详细实施例；然而，应理解，所公开的实施例仅仅是本发明的可以被体现为不同和替代形式的示例。附图不一定按比例绘制；一些特征可能被放大或最小化以示出特定部件的细节。因此，本文公开的具体结构和功能细节不解释为限制性的，而仅解释为用于教导本领域的技术人员以各种方式采用本发明的代表性基础。

此外，除非另有明确指示，否则在描述本公开的更广范围时，本公开中的所有数值应理解为由字词“约”修饰。一般优选在陈述的数值极限内进行实践。同样，除非另有明确陈述，否则对于给定目的结合本公开适当地或优选地对一组或一类材料的描述暗示该组或该类中的任何两个或更多个成员的混合物可以是同等地适合或优选的。

根据本公开的实施例，复合永磁体包括硬磁性相和软磁性相，其中在一些实施例中，软磁性相晶粒(或晶粒团簇，即在一起的多个晶粒，以下统称为软磁性相晶粒)的晶粒粒度可以大于50nm。此外，复合永磁体的晶粒形状是细长形状，诸如但不限于椭圆形形状、薄片状形状或分层状形状。与常规纳米复合永磁体相比，该复合永磁体由于硬磁性相和软磁性相的粒度而具有改进的织构形成(例如，各向异性)，从而具有良好的晶粒间耦合。此外，与常规烧结的磁体和常规纳米复合磁体相比，硬磁性相和软磁性相的微结构提供了良好的耦合，从而改进了复合永磁体的性能(即，剩磁和能量积密度)。另外，在一些实施例中，通过用具有比常规软相更高的矫顽力的半硬磁性相代替常规软相，可以改进磁体的整体矫顽力。

参考图1，在常规纳米复合永磁体100中，为了改进磁性性能，诸如剩磁(br)和能量积(bh)最大，将硬磁性相110(例如，nd-fe-b或sm-co)与对齐的软磁性相120、122(例如，fe和/或fe-co)组合。为了在不牺牲矫顽力的情况下实现剩磁增强，常规永磁体中的软相120的平均晶粒粒度是10nm，如图1所示。当颗粒具有经由诸如熔融旋铸和球磨的工艺形成的如此小的平均晶粒粒度时，难以在永磁体中形成织构，这限制了磁性性能。示出10nm材料的曲线的图2的虚线是人工曲线，因为难以以在该规模内的晶粒粒度形成织构材料。如果以较小晶粒粒度实现严格地控制的微结构，则会产生良好的矩形度，如图2的示意性示出的磁滞回线(m(t或高斯)对比h(ka/m或oe))所示，其中m-h曲线的平滑度显示出在硬磁性相与软磁性相之间的耦合，因为在常规永磁体中，软相必须对齐。然而，当软相的平均晶粒粒度大于20nm至50nm，如图1所示时，磁滞回线将显示出扭结，如图2所示，这指示在硬磁性相与软磁性相之间缺乏足够的耦合。

参考图3，示出了根据一个实施例的永磁体300。永磁体300包括硬磁性相310和软磁性相320。硬磁性相310可以是但不限于ndfeb、smco5、mnbi、sm-fe-c或其他合适的永磁体材料或化合物，或其组合。软磁性相320可以是但不限于fe、co、feco、ni或其组合。在一些实施例中，软磁性相可以是半硬磁性相，诸如但不限于al-ni-co、fe-n、l10材料、mn-al、mn-al-c、mn-bi或其他类似的材料。此外，在一些实施例中，硬相可以包括材料的组合，诸如但不限于nd-fe-b+a-fe(co)的复合物，并且可以包括可调整含量的fe(co)、smco+fe(co)、非共析smco、ndfeb合金或其他类似的材料。软磁性相320结合到硬磁性相310中，使得软磁性相320的平均晶粒粒度大于常规永磁体。图3的硬相中的箭头示意性地示出了硬磁性相的晶体织构，即，硬磁性相晶粒的c轴对齐。在下文中，平均晶粒粒度可互换地称为“晶粒粒度”，并且被定义为颗粒的最小尺寸(例如，球体的平均直径等)。在一些实施例中，硬磁性相的晶粒粒度可以是10nm至100μm，在一些实施例中是50nm至50μm，并且在其他实施例中是75nm至25μm。然而，尽管提供了示例性范围，但是应注意，硬磁性相可以具有在数十纳米至数十微米的规模的任何合适的晶粒粒度。软磁性相320的晶粒粒度和形状在最终永磁体中提供了改进的磁性性能。为了在硬磁性相与软磁性相之间实现良好的耦合，软磁性相的形状可以是细长形状，诸如但不限于椭圆形形状、薄片状形状或分层状形状。在某些实施例中，软磁性相晶粒的晶粒粒度是至少50nm，在其他实施例中是50nm至1000nm，并且在又一些实施例中是至少75nm。在某些实施例中，软磁性相的平均晶粒高度h1是20nm至500nm，在一些实施例中是30nm至200nm，并且在其他实施例中是50nm至500nm。此外，在某些实施例中，软磁性相的平均晶粒宽度w1是至少50nm，在一些实施例中是至少100nm，并且在其他实施例中是100nm至1000nm。

晶粒的形状可以以多种方式影响性能，诸如但不限于改进晶粒边界、提供高织构区域、提供造成晶粒伸长的磁性美学相互作用。软磁性相320被示出为矩形形状，但是可以是任何合适的形状，诸如但不限于卵圆形或椭圆形形状325、分层状形状(未示出)或薄片状形状(未示出)。软磁性晶粒可以包括矩形形状320和卵圆形形状325的混合物，或包括单一形状的所有晶粒。在一些实施例中，软磁性相320具有球形形状，其具有小于细长晶粒的宽度的直径。例如，在一些实施例中，直径可以小于500nm，并且在其他实施例中，直径可以小于250nm。在某些实施例中，软磁性晶粒的细长形状可以用晶粒的宽高比来表征，该宽高比是晶粒宽度(w)(或长度)与晶粒高度(h)的比率。在一些实施例中，软磁性相具有大于2:1的晶粒高宽比，并且在其他实施例中，晶粒高宽比大于10:1。此外，在某些实施例中，硬磁性相310具有晶体织构。在一些实施例中，软磁性相320具有晶体织构。由于由软磁性相提供的高磁通，如图4中的磁滞回线所示，可以改进所得的永磁体的饱和极化和剩磁。另外，由于软磁性相晶粒的增加的尺寸(或平均晶粒粒度)，可以生产具有硬磁性相和软磁性相的复合磁体，其中织构得到改进，这在常规永磁体中是无法实现的。

根据至少一个实施例，公开了一种用于形成具有硬相和软相的永磁体的方法500，如图5所示。在步骤510，提供硬磁性相的薄片或粉末。可以通过任何合适的技术来制备硬磁性相的薄片或粉末以实现具有小晶粒粒度的初始硬磁性相，诸如但不限于熔融旋铸。通过在硬磁性相中利用小晶粒粒度，可以在后续处理步骤期间更好地控制期望的晶粒生长。在硬磁性相呈粉末形式的实施例中，粉末可以是具有纳米级晶粒粒度的hddr粉末。硬磁性相可以是但不限于nd-fe-b和sm-co。在步骤515，提供软磁性相。软磁性相可以是椭圆形形状、细长形状、球形形状或薄片状形状，并且可以提供为粉末或薄片。软磁性相的粉末或薄片可以是但不限于fe、co或fe-co，并且可以具有50nm至10μm的颗粒粒度。

在步骤520，将来自步骤510的硬磁体相的粉末或薄片与来自步骤515的软磁性相的粉末或薄片(例如，fe和/或fe-co)混合以形成混合物。在一个或多个实施例中，为了实现改进的剩磁和矫顽力，混合物可以包括至多50重量％的软磁性相，并且在某些实施例中包括10重量％至30重量％的软磁性相。

在步骤530，然后研磨混合物以产生软相的晶粒的条状微结构，而不破坏硬相。为了实现期望的结构，软磁性相可以具有某些性质，诸如但不限于良好的延展性。用于软磁性相的材料的示例包括但不限于fe、co和fe-co或具有良好的延展性的其他类似的材料。在一个或多个实施例中，研磨步骤530还包括在压实和变形之前进行球磨。在某些实施例中，研磨混合物以形成具有200nm至500nm的平均晶粒粒度的软磁性fe和/或fe-co晶粒。在至少一个实施例中，不研磨混合物，而仅进行摇动或混合。

图6至图7示出了热变形的永磁体的sem和fe/nd元素图，其示出了可以通过球磨工艺控制软磁性相的晶粒粒度和形状。图6示出了未进行球磨的元素图，而图7示出了进行10分钟球磨的元素图。在研磨混合物的实施例中，可以限制研磨以避免破坏硬磁性相的微结构。在至少一个实施例中，研磨混合物持续至少5分钟，并且在其他实施例中，持续10分钟至20分钟。在混合物经历高能量球磨的实施例中，球磨时间可以高达60分钟。然而，应注意，研磨时间取决于许多参数，诸如球料比、球磨强度等。

然后处理研磨的混合物以产生永磁体的形状和织构。用来产生期望的形状和织构的处理可以包括例如在步骤540进行压实，以及在步骤550使混合物热变形。在某些实施例中，永磁体的形状和织构包括条状结构，其中复合相的晶粒粒度对性能至关重要。可以通过温度、压制时间和压制压力来控制在步骤540的热压实，其中每个参数可以取决于其他参数。例如，在一些实施例中，在温度可以是550℃至800℃的情况下，压制时间可以是5分钟至30分钟，并且压力可以是100mpa至2gpa。类似地，可以通过温度、时间、压力和变形速度来控制热变形步骤550。例如，在一些实施例中，温度可以是600℃至850℃，压制可以是5分钟至60分钟，并且压力可以是100mpa至1gpa。因此，变形速度由压力增加速度或压力机滑块的位移速度控制。通过热压实和热变形工艺，在步骤560可以形成硬磁性相的晶体微结构织构。

根据本公开的实施例，复合永磁体包括硬磁性相和软磁性相，其中在一些实施例中，软磁性相的晶粒粒度可以大于50nm。此外，复合永磁体的晶粒形状可以是细长形状，诸如但不限于卵圆形形状、椭圆形形状、分层状形状、薄片状形状或球形形状(具有受控制的直径)。由于硬磁性相和软磁性相的晶粒之间的粒度和形状差异，因此与常规纳米复合永磁体相比，该复合永磁体具有改进的织构形成(例如，各向异性)。此外，硬磁性相和软磁性相的微结构提供了良好的耦合，从而改进了复合永磁体的性能，诸如剩磁和能量积。

尽管上文描述了示例性实施例，但是这些实施例并不意图描述本发明的所有可能形式。相反，本说明书中使用的字词为描述性而非限制性的字词，并且应理解，可以在不脱离本发明的精神和范围的情况下做出各种改变。另外地，可以组合各种实现的实施例的特征以形成本发明的另外的实施例。

根据本发明，提供了一种复合永磁体，所述复合永磁体具有：硬磁性相晶粒的基体，所述硬磁性相晶粒具有10nm至50μm的平均晶粒粒度；以及软磁性相晶粒，所述软磁性相晶粒嵌入在所述基体内，并且具有至少50nm的平均晶粒粒度，每个晶粒具有宽高比为至少2:1的细长形状。

根据一个实施例，硬磁性相和软磁性相两者都具有晶体织构。

根据一个实施例，所述硬磁性相晶粒是ndfeb、smco5、mnbi、sm-fe-c或其组合。

根据一个实施例，所述软磁性相晶粒是fe、co、feco、ni或其组合。

根据一个实施例，所述软磁性相晶粒具有至少50nm的平均晶粒宽度和20nm至500nm的平均晶粒高度。

根据一个实施例，所述宽高比是至少10:1。

根据一个实施例，所述软磁性相晶粒具有卵圆形晶粒形状、椭圆形晶粒形状、分层状晶粒形状、薄片状晶粒形状或其组合。

根据本发明，提供了一种复合永磁体，所述复合永磁体具有：硬磁性相晶粒的基体，所述硬磁性相晶粒具有10nm至50μm的平均晶粒粒度；以及软磁性相晶粒，所述软磁性相晶粒嵌入在所述基体内，并且具有至少50nm的平均晶粒宽度、20nm至500nm的平均晶粒高度以及至少2:1的宽高比。

根据一个实施例，所述硬磁性相晶粒是ndfeb、smco5、mnbi、sm-fe-c或其组合。

根据一个实施例，所述软磁性相晶粒是fe、co、feco、ni或其组合。

根据一个实施例，所述硬磁性相晶粒和所述软磁性相晶粒两者都具有晶体织构。

根据一个实施例，所述软磁性相晶粒具有卵圆形晶粒形状、椭圆形晶粒形状、分层状晶粒形状、薄片状晶粒形状或其组合。

根据本发明，提供了一种形成复合永磁体的方法，所述方法具有：提供具有10nm至50μm的平均晶粒粒度的硬磁性相晶粒，以及具有平均晶粒粒度为至少50nm且宽高比为至少2:1的细长形状的软磁性相晶粒；以高达50重量％的比率混合硬磁性相和软磁性相以形成混合物；将所述混合物热压实以形成压块；以及使所述压块热变形以形成复合永磁体，其中细长软磁性相晶粒嵌入在硬磁性相基体中。

根据一个实施例，所述软磁性相晶粒具有50nm至10μm的平均晶粒粒度。

根据一个实施例，所述软磁性相晶粒具有卵圆形晶粒形状、椭圆形晶粒形状、分层状晶粒形状、薄片状晶粒形状或其组合。

根据一个实施例，所述宽高比是至少10:1。

根据一个实施例，在100mpa至2gpa的压力下以550℃至800℃的温度进行所述热压实持续5分钟至30分钟的压制时间。

根据一个实施例，在100mpa至1gpa的压力下以600℃至850℃的温度进行所述热变形持续5分钟至60分钟的压制时间，使得通过压力增加速度或压力机滑块位移速度来控制变形速度。

根据一个实施例，本发明的特征还在于，在不破坏所述硬磁性相晶粒的微结构的情况下研磨所述混合物。

根据一个实施例，所述硬磁性相晶粒是ndfeb、smco5、mnbi、sm-fe-c或其组合，并且所述软磁性相晶粒是fe、co、feco、ni或其组合。