磁体及其形成方法
【技术领域】
[0001]一个或更多个实施例涉及一种用减少的重稀土元素制造稀土磁体的工艺。
【背景技术】
[0002]永磁体电动机可以具有高效率，使其潜在地适用于混合动力车辆和电动车辆的牵引电动机。永磁体的设计和选择在此类电动机中是重要的。与诸如铝镍钴合金(包括铝、镍和钴的铁合金)和铁氧体的传统的非稀土磁体相比，诸如钕(Nd)磁体的稀土永磁体因其高磁通密度和高抗退磁能力而经常被用在电动车辆中的牵引电动机中。然而，稀土永磁体会包含大量稀土元素(例如，在一些商用磁体中至少占30wt%)，这使得磁体昂贵。另外，为确保永磁体在车辆的传动环境中的高温运行，会需要将大约10wt%的诸如镝(Dy)和铽(Tb)的重稀土(HRE)元素添加到钕磁合金中。这使得磁体更昂贵，因为Dy和Tb的价格可能是钕的价格的大约十倍高。
【发明内容】
[0003]在至少一个实施例中，提供一种磁体，所述磁体包括在连续烧结的稀土(RE)磁体主体内具有重稀土(HRE)元素的浓度分布的单个烧结磁体。该浓度分布可以包括在所述主体内的位于HRE元素浓度的局部最小值之间的HRE元素浓度的至少一个局部最大值，使得磁体的对应的矫顽力分布在所述主体内具有位于局部最小值之间的至少一个局部最大值。
[0004]在另一个实施例中，HRE元素的浓度分布包括在所述主体内的HRE元素浓度的多个局部最大值。HRE元素的浓度分布可以是周期性的，具有交替的相对最大值和最小值，或者HRE元素的浓度分布可以基本上呈正弦曲线的形状。在另一实施例中，所述单个烧结磁体具有大于6mm的厚度。RE磁体主体可以包括RE-Fe-B和Sm-Co合金中的至少一种。所述磁体还可以包括在所述主体内的电阻材料，电阻材料可以被形成为在所述主体内的至少一个层。在一个实施例中，在所述主体内可存在电阻材料的周期性的浓度分布，具有交替的相对最大值和最小值。电阻材料可以包括磁性材料。
[0005]在至少一个实施例中，提供一种形成稀土磁体的方法。所述方法可以包括:将包括重稀土(HRE)元素或合金的材料与包括稀土(RE)元素或合金的磁性粉末的交替层引入到模型中；将所述层致密化成生坯；以及将生坯烧结，以形成具有扩散到稀土元素主体中的HRE元素的稀土磁体。
[0006]在一个实施例中，将包括HRE元素或合金的材料的至少三个层引入到模具中。包括HRE元素或合金的材料的层可以具有25 μ m至250 μ m的厚度。包括HRE元素或合金的材料的层可以均具有相同的厚度。在一个实施例中，包括HRE元素或合金的材料是粉末。所述粉末可以选自于DyF3、TbF3、Dy203、Tb203和DyFe中的一种。在另一实施例中，包括HRE元素或合金的材料是液体。包括HRE元素或合金的材料在被引入到模型中之前可以与电阻材料混合。在一个实施例中，电阻材料包括磁性材料。
[0007]在至少一个实施例中，提供一种稀土磁体。所述磁体可以包括生坯，所述生坯包括:包括稀土元素或合金的磁性粉末的压紧层和至少两层包括重稀土(HRE)元素或合金的材料。
【附图说明】
[0008]图1A是具有含重稀土(HRE)的材料和磁性粉末的交替层的层状磁体组件的示意图；
[0009]图1B是被压成生坯的图1A的层状组件的示意图；
[0010]图1C是被烧结成磁体的图1B的生坯的示意图，该磁体具有存在于磁体的主体各处的含HRE的材料；
[0011]图2是示出与传统晶界扩散工艺磁体的矫顽力曲线相比，层状磁体矫顽力的矫顽力曲线图；
[0012]图3A是具有含HRE的材料、电绝缘材料和磁性粉末的混合物的交替层的层状磁体组件的示意图；
[0013]图3B是被压成生坯的图3A的层状组件的示意图；
[0014]图3C是被烧结成磁体的图3B的生坯的示意图，该磁体具有存在于磁体的主体各处的含的HRE材料和分开的电绝缘材料层；
[0015]图4A是利用在竖直方向上定向的磁场并具有电绝缘材料和磁性粉末的交替层的层状磁体组件的示意图；
[0016]图4B是具有与硬磁相的c轴平行的电绝缘层的烧结磁体的示意图；
[0017]图4C是具有相对于硬磁相的c轴倾斜的电绝缘层的烧结磁体的示意图；
[0018]图4D是具有电绝缘层的烧结磁体的示意图，该电绝缘层相对于硬磁相的c轴呈网状构造。
【具体实施方式】
[0019]按需要在此公开本发明的详细实施例；然而，将理解的是，所公开的实施例仅是可以以各种可替换形式实施的本发明的举例说明。附图未必是按比例绘制的；一些特征可能被夸大或最小化，以示出具体组件的细节。因此，在此公开的特定结构和功能的细节不应该被解释为限制，而仅被解释为用于教导本领域技术人员以各种方式使用本发明的代表性基础。
[0020]由于包括重稀土(HRE)元素的稀土(RE)磁体的相对高成本，因此减少使用的HRE元素的量，同时仍然保持由HRE元素提供的增强的性质将是有益的。减少在永磁体中使用的HRE元素的量的一种方法是将HRE介质的层或覆层施用到烧结磁体的表面，继而通过热处理来增强扩散。该烧结磁体可以是任何合适的稀土磁体，例如钕-铁-硼磁体，其中，烧结磁体具有Nd2Fe14B的晶粒和包括富Nd相的晶界。
[0021]该方法可以是晶界扩散工艺(在下文中称作GBDP)，它包括:利用含HRE的元素的层通过例如湿法涂覆或金属蒸镀来包覆烧结磁体的表面。然后，可将磁体加热到使富Nd晶界熔化的温度，从而显著加快HRE元素向晶界中的扩散。在该工艺过程中，一些HRE元素进一步扩散到晶粒(例如，Nd2Fe14B晶粒)的外壳中。外壳中的HRE元素提供加强的各向异性场并增强磁体的抗退磁性质，使得磁体的矫顽力增强。
[0022]虽然与将HRE元素与原始的磁体合金混合相比，上面讨论的晶界扩散工艺可以增强矫顽力并减少所需HRE元素的量，但HRE元素的进一步减少将有益于降低成本。另外，上面描述的GBDP具有大约3_的最大扩散深度。这意味着如果用包括HRE元素的层来包覆磁体的两个相对表面，则磁体的最大厚度是大约6mm。在一些应用中，使磁体比6mm厚可能是有益的或者是必要的。虽然可以将利用上述GBDP处理过的多个磁体堆叠在一起以形成厚度大于6_的磁体,但这样堆叠的磁体具有差的机械性质。例如，比6_薄的磁体可以粘在一起以形成比6mm厚的磁体，但与单一的磁体相比，粘胶的机械强度差。薄磁体的机械绑束(mechanical bundling)也是可能的，以形成比6mm厚的磁体,但这需要额外的成本并且在一些应用中可能是不实际的。
[0023]参照图1A至图1C，示出了与上面描述的GBDP相比，用于形成具有灵活的厚度范围和更均一的性质的磁体10的工艺。形成磁体的主体(bulk)的磁性粉末12可以是任何合适的磁性材料。在一个实施例中，磁性粉末12是稀土磁性粉末。合适的稀土磁性组合物的示例包括但不限于RE-Fe-B和Sm-Co，其中，RE是诸如Nd、Pr、Sm、Gd或其他的稀土元素。可以通过合金化和磨粉来制备磁性粉末12，然而可以使用其他合适的方法。
[0024]如图1A所示，可以将磁性粉末12与含HRE元素的材料14层叠在模型或模具(未示出)中。含HRE的材料14可以是诸如DyF3、TbF3> Dy203、Tb203、DyFe合金或其他的粉末。含HRE的材料14还可以是包括一种或更多种HRE元素(诸如Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb、Lu或Y)的液体溶液/悬浮液。可以将磁性粉末12和含HRE的材料14交替地层叠以形成磁性粉末层16和HRE层18。HRE层18可以具有始终均匀的厚度，或者HRE层18可以具有变化的厚度。另外，在一些实施例中，HRE层18可以彼此平行或彼此不平行，并且可以交叉。在至少一个实施例中，HRE层18在磁体的整个尺寸(例如，宽度)上形成连续的层。然而，在一些实施例中，HRE层18可以不形成连续的层(例如，磁性粉末层可以彼此接触)。
[0025]在一个实施例中，磁体10的第一层和最后一层是含HRE的材料14。一旦已将磁性粉末12和含HRE的材料14插入到模型或模具中，就可以将该层状组件压制成生坯20。在一个实施例中，用来形成生坯20的压力可以是