CN101042955A - 混合的稀土基高矫顽磁力永久性磁铁 - Google Patents

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Abstract

一种具有硼、铁和稀土材料的永久性磁铁的系统和方法。该稀土材料包含钕、至少50％重量的镨、0－20％重量的铽和5－25％重量的镝，其中该永久性磁铁包括至少17千奥斯特的内矫顽磁力。由于这种高内矫顽磁力，该永久性磁铁可以在高温(例如：超过80℃)下运行(例如：作为电动机，发电机等等的元件)。在一个示例性应用中，在商用风轮机或风车内部的发电机采用了3吨的该永久性磁铁材料。

Description

混合的稀土基高矫顽磁力永久性磁铁
技术背景
本发明通常涉及永久性磁铁，特别涉及具有高矫顽磁力并且其中至少一半稀土成分为镨的高温永久性磁铁(HTPM)。
含有稀土金属(例如，钕或者Nd)的永久性磁铁应用于计算机、电动机、发电机、汽车、风轮机或者风车、实验室设备、医疗系统和其他设备及装置。某些使用永久性磁铁的装置可能暴露于高温(例如，超过80℃)工作环境中。这些装置的永久性磁铁(PM)材料成分应当能够在预期的工作温度范围内提供足够的磁场(例如，在工作区域或间隙)。为了满足这个需要，当暴露于预期较高温度时，PM材料应将其特定磁性诸如剩磁和矫顽磁性保持在足够的水平。当这些装置正常或在许可失效条件下运行时，这种磁性保持力是有益的。
通常，将能够在高温下(例如，超过80℃，100℃等等)工作的PM材料称为高温永久性磁铁(HTPM)。一个商业应用的HTPM实例是高矫顽磁力钕-铁-硼(NdFeB)磁铁，此种磁铁相对于其他HTPMs磁铁，比如铝-镍-钴(AlNiCo)磁铁和钐-钴(SmCo)磁铁，是一种比较经济的可供选择的HTPM。有利地，NdFeB磁铁通常拥有比AlNiCo和SmCo磁铁更高的能量积。此外，钴(Co)或者其他元素可以代替NdFeB磁铁中的部分铁(Fe)，例如，以增加居里温度并进一步改善NdFeB磁铁的热稳定性。居里温度(Tc)通常指基本磁矩的平行排列耗散并且材料不能保持其磁化的温度。总体而言，由于相对较低的成本和较高的能量积，NdFeB磁铁，特别是那些具有高矫顽磁力的，例如超过14千奥斯特(kOe)，15kOe，16kOe，17kOe等，可用于高温应用，例如用于电动机和发电机。
矫顽磁力是一种HTPM特性，代表将磁铁早先饱和之后将HTPM的感应减少至零所需要的退磁力的数量。一般的，矫顽磁力或者抗磁力(Hc)越大，磁铁在高温环境下越稳定，以及其受到的外部磁场影响越少。磁铁的内矫顽磁力或者内部矫顽力(Hcj)是磁铁材料抵抗对应于内在磁感应(J)的零值的退磁的固有能力。并且，高内矫顽磁力Hcj值的实践结果是，特定种类材料的温度稳定性越大，动态运行环境的稳定性越大。
高矫顽磁力NdFeB磁铁一般是混合的稀土材料，通常由稀土金属铽(Tb)和镝(Dy)作为辅助成分，代替磁铁中的部分稀土金属钕(Nd)以进一步提高高温应用的NdFeB磁铁的内矫顽磁力Hcj。随着NdFeB磁铁在电动机类装置、发电机及其他装置中应用的增加，铽和镝的消耗变得显著。不幸的是，铽和镝比钕更加稀少，它们的储量有限。例如，铽的年产量只有数百吨，而钕的年产量则有数千吨(例如，10,000吨)。因此，铽的价格要比钕高很多(例如，50倍)。这个价格差异会随着高温应用的高矫顽磁力NdFeB磁铁的需求增加而变大。总体而言，传统上是通过含有铽和镝的NdFeB基磁铁作为部分钕的替代物来获得高矫顽磁力磁铁的。随着这种类型磁铁使用的增加，预计铽和镝会出现短缺。
一般需要更经济的NdFeB基磁铁和用于NdFeB基磁铁的可供应的原材料。特别需要对铽和钕对应用于高温环境中的高矫顽磁力NdFeB基磁铁的实用性与成本进行阐述。
概要
在本发明技术的一个实施方案中，一种永久性磁铁包括硼、铁和一种稀土材料。该稀土材料包括钕、至少50％重量的镨、0-20％重量的铽、和0-25％重量的镝，其中永久性磁铁在一个实施方案中的内矫顽磁力至少为14kOe，在另一个实施方案中为17kOe。此外，钴或者M或者上述的组合物，可以代替一部分铁，其中M包括铝、铜、铬、钒、铌或者镓或者锆或者上述的任何组合。
在一个实施方案中，一个机器里有一永久性磁铁，该永久性磁铁包括：硼、铁、钴或者M或者上述的任何组合，其中M包括铝、钒、铌、铜、铌或者镓或者锆或者上述的任何组合；和一种稀土材料，包括钕、至少50％重量的镨、0-20％重量的铽和0-25％重量的镝。进一步而言，永久性磁铁适于在该机器中在至少80℃的温度环境中运行。
另外一个实施方案涉及一种操作含有一永久性磁铁的电动机或者发电机的方法，该方法包括在至少80℃的内部运行温度下运行电动机或者发电机及使永久性磁铁暴露于内部运行温度。该永久性磁铁包括硼、铁和稀土材料，其中稀土材料包括钕、至少50％重量的镨、0-20％重量的铽和0-25％重量的镝。
但是另一个实施方案涉及一种制造永久性磁铁的方法，该方法包括：形成一种包括硼、铁和稀土材料的合金或者钢锭或者金属条，其中稀土材料包括钕、至少50％重量的镨、0-20％重量的铽和0-25％重量的镝；将合金或者钢锭或者金属条转化成微粒；压实和烧结微粒；对压实和烧结的微粒进行时效化处理。
附图
阅读下文的详细说明，并参考附图，这样会更好地理解本发明的这些及其他特点、方面及优点。在附图中，同样的符号代表附图中同样的部件，其中：
图1是根据本技术的实施方案，与实施例I的三个磁铁样本相对应的三条退磁曲线图；
图2是根据本技术实施方案，与实施例II的三个磁铁样本相对应的三条退磁曲线图；
图3是根据本技术实施方案，与实施例III的四个磁铁样本相对应的四条退磁曲线图；及
图4是矫顽磁力作为镨代替钕和稀土成分中的铽浓度的函数的图。
详细说明
本发明通过减少在混合的稀土磁铁中对铽和镝的需求，解决了铽和镝的供应短缺的风险。本技术提供了具有高矫顽磁力(例如，大于14千奥斯特或1，114千安培/米，大于17kOe等)的(RE)FeB型混合的稀土(RE)永久性磁铁，其拥有高矫顽磁力以适应，例如高温应用，而且相对于传统的(RE)FeBHTPM，减少了铽和镝的数量。这种铽和镝用量的减少一般会降低(RE)FeBHTPM的成本。要实现减少铽和镝，同时保持磁铁的高矫顽磁力和磁化或者剩磁，在磁铁中使用的镨的浓度大于全部稀土材料的50重量％。进一步而言，铽和镝的浓度分别平衡在全部稀土(RE)的0-20％重量和0-25％重量。在特定的实施方案中，镝占全部稀土的5-25％重量。此外，如下文所述，可以对烧结和时效温度进行调解以保持矫顽磁力，同时适于减少铽和镝。
这些根据本发明的具有高矫顽磁力的混合稀土磁铁可以被称为PrFeB基磁铁，因为镨含量在全部稀土中超过50％。与传统具有相似的能量积和矫顽磁力的NdFeB磁铁相比较，50％或者更多镨的存在部分地允许减少辅助稀土成分铽和镝的含量。
特别是，根据本技术实施方案的永久性磁铁是具有组成(Pr、Nd、Tb、Dy)-(Fe、Co、M)-B的PrFeB基磁铁，其中镨构成全部稀土成分的至少50％的重量，并且其中至少钕、铽及/或镝构成全部稀土的剩余部分(50％重量或者更少)。此外，钴(Co)和其他金属M，诸如铝(Al)、铜(Cu)、铌(Nb)、镓(Ga)及/或锆(Zr)，及类似金属，可以代替部分铁(Fe)。这些磁铁可以在超过80℃、90℃、100℃、110℃、120℃、130℃、140℃、150℃、160℃、170℃、180℃以及诸如此类的运行环境(或设计条件)中运行。本永久性磁铁的典型运行或者设计范围包括80-180℃、100-180℃、110-170℃、110-160℃、120-150℃、130-140℃以及诸如此类。
在某一实施方案中，本磁铁材料或合金主要的相是Pr2Fe14B。该Pr2Fe14B相材料在下表1中与磁铁中其他可能的相进行了比较。在列表比较中，列出了不同R2Fe14B(R＝Pr，Nd，Tb，Dy)相的磁晶体各向异性磁场(HA)(表示内矫顽磁力)和分子力矩(Um)(表示剩磁)。
表1.在室温下(RE)2Fe14B内禀磁性的举例比较
  Pr2Fe14B   Nd2Fe14B   Tb2Fe14B   Dy2Fe14B
 HA(千奥斯特)   79   70   220   158
 μm(μB)   31.0   32.2   15.5   14.1
在该表格的实施例中，Nd2Fe14B表现出最高的力矩(μm)和最低的各向异性HA。因此，正如所描述的，为了制造一高矫顽磁力磁铁，一般将铽和镝加入NdFeB基材料或合金中以强化平均晶体各向异性，因此增加了内矫顽磁力。但是，铽和镝的增加通常会减少NdFeB磁铁的饱和磁化值(剩磁)，因为Tb2Fe14B和Dy2Fe14B的分子力矩(Um)一般会小于Nd2Fe14B。因此，获取高矫顽磁力，或高磁化(剩磁)，有时是一种折衷。在特定实施方案中，剩磁至少为10千高斯(1Tesla)。
但是，如表1的实施例中所列，Pr2Fe14B相材料的各向异性(HA)(表示矫顽力)比Nd2Fe14B材料高出12％，但是，Pr2Fe14B的分子力矩(μm)(表示剩磁)有点低，在本例中大约低3.7％。由于具有较高各向异性磁场的优势，该PrFeB基磁铁，如这些实施例所示，一般提供适于在高温环境下作为HTPM运行的高矫顽磁力磁铁。
基于解释目的，一种PrFeB基HTPM和一种NdFeB基HTPM的特定组成的预测比较假定全部稀土(RE)占全部高温应用的磁铁材料或者合金的31.5％重量。例如，加入铽以提高材料的各向异性磁场，因此增加内矫顽磁力，传统的NdFeB基高矫顽磁力磁铁含有大约1.5％(磁铁)重量的成分铽以提供高矫顽磁力(如此处所用，矫顽磁力通常指内矫顽磁力)。
与之相比较，在本实施方案中，通过利用磁铁0.5％重量的成分铽就可以增加NdFeB基磁铁的各向异性，经过计算，以提供同样的各向异性磁场和高矫顽磁力。有益的，在这个例子中，这两种不同基的磁铁，Nd30Tb1.5(Fe-B)68.5和Pr16Nd15Tb0.5(Fe-B)68.5的平均分子力矩是可以比较的，表明它们的磁化(剩磁)和能量积(BH)的最大值可能也是可比较的。通过增加镨而加入较少的铽，同时保持矫顽磁力而基本上不会损失剩磁和能量积，这个原则也适用于添加镝的情况。
表2是一个传统NdFeB磁铁对混合稀土(Pr，Nd)-Fe-B磁铁成本模型的例子。很明显，如果铽的含量能够从1.5％重量减少到0.5％重量，尽管增加的镨的单位价格可能高于被清除的钕的价格，但总成本会下降。一个原因是，铽(以及镝，如果使用的话)相对于Pr而言非常昂贵。实际上，使用非常昂贵的铽(以及镝)的数量对磁铁的价格会产生很大的影响。因此，这种工艺的磁铁一般都不会很贵，尽管添加有点贵的镨代替了相对而言便宜一点的钕，磁铁中非常昂贵的铽的数量会显著地影响磁铁原材料价格。本技术提供了新组成的磁铁，含有相对较少数量的铽或者不含铽。
传统TPM含有1.5％的Tb，有代表性的成本是每公斤10.8美元，而本发明的HTPM含有重要含量的镨但是只含有0.5％Tb，其有代表性的成本是每公斤6.7美元，比传统HTPM每公斤少3.2美元。磁铁材料的单位成本减少了，因此应用或者终产品的价格就可以减少了。在一个实施方案中，应用实例是含有使用高矫顽磁力HTPM的发电机的风轮机或风车。(例如，发电机中有3吨HTPM材料)。
在表格所示的实施例中，在传统NdFeB HTPM和本发明的混合稀土PrFeBHTPM中，稀土的总数量大约是全部磁铁的31.5％重量。PrFeB HTPM在31.5％的稀土材料中至少含有50％重量的镨。应当强调的是，磁铁的稀土重量百分比是可以改变的，例如是，25％、26％、27％、28％、29％、30％、31％、32％、33％、34％、35％，等诸如此类。
表2.传统PM对混合的稀土HTPM原材料成本的示例比较
    传统的NdFeB     混合的稀土HTPM
  原料     wt％   $/kg   成本($)     wt％     $/kg   成本($)
  Tb     1.5   457.8   6.9     0.5     457.8   2.3
  Co     1.2   60.2   0.7     1.2     60.2   0.7
  Fe     62.3   0.5   0.3     62.3     0.5   0.3
  Fe-B22     5   3.4   0.2     5     3.4   0.2
  Nd     30   9.2   2.7
  Nd75Pr20     20     8.9   1.8
  Pr     11     13.3   1.5
  合计     100   10.8     100   6.7
下面所举的例子用来提供本工艺的一般技术，详细说明如何评估此处主张权利的方法，无意限制发明者对其发明所定义的范围。
实施例I
实施例I呈现了镨代替钕对NdFeB材料或者合金磁性的影响。评估的示范组成是(PrxNd1-x)32Fe余量Co1Cu0.1Nb1B1.1，其中x＝0、0.25、0.5、0.75和1。在实施例I中的生产工艺参数是：在1090℃烧结HTPM两小时，在900℃时效一小时，然后在600℃两小时，如下表3所示的结果，随着代替钕的镨的增加，剩磁Br通常会减少，内矫顽磁力Hcj显著增加，最大能量积(BH)max略微降低。
表3.HTPM剩磁(Br)、内矫顽磁力(Hcj)、最大能量积(BH)max与稀土材料的Pr重量分数(x)的关系(实施例I)
    x     Br(kGs)     Hcj(kOe)   (BH)max(MGOe)
    0     12.14     9.10   34.0
    0.25     12.16     9.55   34.2
    0.5     11.99     9.64   32.5
    0.75     12.06     10.07   30.8
    1.0     11.70     10.22   26.5
现在看附图，图1是实施例I中HTPM的退磁曲线10。与用千奥斯特标示的磁场(H)14相对，描绘出用千高斯标示的本征感应(J)12。(PrxNd1-x)32Fe余量Co1Cu0.1Nb1B1.1磁铁的重量分数是x＝0、0.5和0.75(或者Nd、Pr0.5Nd0.5和Pr0.75Nd0.25)，如同曲线16、18和20分别描绘的那样。在实施例I中，用镨代替钕能够使NdFeB磁铁的矫顽磁力增加大约12％(例如，从9.10增加到10.22kOe)。剩磁Br和能量积(BH)max随着镨的增加在某种程度上将会减少。最后，应当注意到，对特定的组成，HTPM的特性可能会受到制造体系和工艺参数，如烧结和时效温度/时间的影响。
实施例II
实施例II考虑了镨含量对拥有高矫顽磁力(例如，超过14kOe，17kOe等)的NdFeB合金磁性的影响。实施例II中HTPM的组成是(PrxNd1-x)29Dy6Fe余量Co1Cu0.1Nb1B1.1其中x＝0、0.5和1(全部磁铁的)。同实施例I的磁铁一样，实施例II中的磁铁样本在1090℃烧结HTPM两小时，在900℃时效一小时，然后在600℃时效两小时。根据下文表4中的结果，镝占稀土材料的6％重量，随着代替钕的镨的增加，Br少量下降，Hcj少量下降(如同开始预测的那样没有增加)，(BH)max有一个最大值。总之，我们认为可以针对这个镝实施例(稀土的6％重量)组成对烧结和时效温度及其他工艺参数进行调整以在增加代替钕的镨的同时增加Hcj矫顽磁力。
表4.HTPM剩磁(Br)、内矫顽磁力(Hcj)和最大能量积(BH)max与稀土材料中Pr的重量分数(x)的关系(实施例II)
    x     Br(kGs)     Hcj(kOe)     (BH)max(MGOe)
    0     11.27     18.9     27.1
    0.5     11.16     17.8     29.1
    1.0     11.04     16.1     28.5
参见图2，实施例II中图30的磁铁样本退磁曲线的基本水平斜面进一步证实，应针对含有磁铁稀土成分6％重量的镝的特定组成对HTPM制造工艺条件(例如烧结和时效温度/时间)进行调整。在图2中，与针对三种磁铁材料x＝0、0.5、1.0分别用曲线38、39、40标示的磁场(H)34相对，描绘出用千高斯标示的本征感应(J)32。一个结论是：对于不同组成来说有利的工艺参数范围是不同的。此外，固定的参数值，如烧结和时效的温度值，可能会误导人们对增加铽和/或镝以提高内矫顽磁力的积极影响的预测趋势的理解。
实施例III
在实施例III中测试了铽含量对磁性的影响。本实施例中HTPM组成是Nd27-xTbxDy5Co1Cu0.1Nb1B1.1，其中x＝全部磁铁的0、0.5、1和1.5。在1090℃进行烧结。然后样本在900℃时效一小时，在600℃时效两小时。根据下文表5中所示结果，随着铽从0到1.5％重量的增加，内矫顽磁力Hcj增加了大约27％，剩磁Br只下降了约3％，(BH)max下降了约6％。
表5.HTPM剩磁(Br)、内矫顽磁力(Hcj)和最大能量积(BH)max与实施例III中稀土材料中Pr的重量分数(x)的关系
    x     Br(kGs)     Hcj(kOe)     (BH)max(MGOe)
    0     11.48     16     30.5
    0.5     11.32     18     29.5
    1.0     11.19     19     29.2
    1.5     11.09     21     28.7
参见图3，提供了一个实施例III中四种磁铁组成的退磁曲线图50。与用千奥斯特标示的磁场(J)相对，描绘出用千高斯标示的本征感应(J)52。四个退磁曲线56、58、60、62分别针对四种铽组成x＝0、0.5、1和1.5绘制出来。这个实施例进一步证实铽浓度的增加在增加永久性磁铁矫顽磁力方面发挥着重要作用。
实施例IV
统计分析提供了一个示例性的转移函数，它将两个工艺因素：烧结温度和时效温度以及两个组成因素：镨和铽的浓度与磁铁的性能关联起来。该统计实施例的组成公式为(Pr1-xNdx)32-yTbyFe余量Co1Cu0.1Nb1B1.1。分析的要素值在表6中提供。
表6.转移函数的进展
  烧结T℃   时效T℃   Pr替换Nd的分数*   Tb占总磁铁的wt％   BrkGs   HcjkOe   (BH)maxMGOe
  1090   570   0     0   12.65   9.933   37
  1120   570   0     0   12.7   9.338   37.06
  1090   630   0     0   12.59   10.61   36.41
  1120   630   0     0   12.66   10.21   36.48
  1090   570   0.75     0   12.52   13.09   35.76
  1120   570   0.75     0   12.7   12.48   36.98
  1090   630   0.75     0   12.58   14.86   36.17
  1120   630   0.75     0   12.63   13.95   37.01
  1090   570   0     5   10.6   27   26.22
  1120   570   0     5   11.61   25.75   31.25
  1090   630   0     5   10.63   28.04   26.28
  1120   630   0     5   11.64   26.58   31.79
  1090   570   0.75     5   10.21   27.82   24.08
  1120   570   0.75     5   11.36   24.88   30.1
  1090   630   0.75     5   10.17   28.93   23.77
  1120   630   0.75     5   11.27   26.08   29.47
*可以通过从75％中减去Td和Dy的重量百分比浓度来将Pr替换Nd0.75的分数转换成稀土中Pr的重量％，即Pr大约占稀土的重量含量。
表7.成分和将四个因素与Hcj关联的转换函数的系数
    成分     现行系数     P
    常数     5.372     1.1507E-16
    烧结T     -0.00594     3.044E-05
    时效T     0.01869     0.00013135
    Pr     49.02     3.6989E-06
    Tb     14.39     2.1603E-13
    烧结T*Pr     -0.04006     0.02497418
    烧结T*Tb     -0.00998     0.00182777
    Pr*Tb     -0.9299     5.2972E-06
典型的转换函数是：
Hcj＝5.732-0.00594*烧结T+0.01869*时效T+49.02Pr+14.39*Tb-0.4006*烧结T*Pr-0.00998*烧结T*Tb-0.9299*Pr*Tb
根据这个关系式，可以看到，对于稀土成分中铽的不同含量，稀土成分的镨的含量对内矫顽磁力Hcj有不同的影响。一般而言，在磁铁的稀土部分中铽的含量越小，稀土成分中镨含量的增加对内矫顽磁力Hcj的影响越大。参见图4，其针对稀土中不同的Tb浓度0、1、2、3以及4wt％，提供了以千奥斯特表示的将矫顽力Hcj72与Pd代替Nd的百分量的替代量相关联的转移函数的图70，分别用线条76、78、80、82、84表示。
表8展现了预测结果。对两个具体实例，即实施例A和实施例B进行了测试。第一个磁铁在稀土成分中含有3％重量的铽，不含镨(例A)，第二个磁铁在稀土成分中含有2％重量的铽和75％重量的镨(例B)。对于两个假设磁铁的预测内矫顽磁力是相似的，分别为20.8和20.3千奥斯特。含有实施例A和实施例B规定成分的第一和第二个磁铁样本的实验结果显示，实际内矫顽磁力Hcj分别为19.95和19.31千奥斯特，与预测分析一致。总之，在本实施例中，当磁铁稀土成分中的铽减少1％重量，用镨代替0.75分数的钕(或者稀土成分的大约70-75％重量为镨，取决于铽和镝的数量，即可以获得大致相同的内矫顽磁力Hcj。表8显示了结果。
表8.典型数据
                    实施例A  实施例B
                    第一磁铁 第二磁铁
  变量   单位     值   值     典型范围
  Tb   占磁铁的Wt％     3   2     对于稀土的重量％：0-20％、1-20％、5-20％、5-15％
  Pr   占稀土的Wt％     0   73     50+％、50-90％、51-85％、55-80％、70+％、71+％、72+％、73+％、75+％
  Dy   占磁铁的Wt％     0   0     对于稀土的重量％：0-25％、5-25％、10-20％、5-15％
  烧结T   ℃     1102   1090     1000-1200、1020-1188、1040-1160
  时效T*   ℃     630   630     580-680、600-660、610-650、620-640
  结果   单位     平均值   平均值     范围
  Br   kGs     11.7   11.6     10.0-13.5、10.5-13.0、11.0-12.5、10.0+、11.0+
  Hcj   kOe     20.8   20.3     17+、18+、19-25、21+
  (BH)max   MGOe     31.7   31.4     25-40、27-38、30-35、31+
  Hk/Hcj     0.75   0.6
  密度   克/cm3     7.3   7.2     6-8.5、6.5-8、6.8-7.8、7.0+
*初始时效可以在不同的温度，例如在大约580℃至约680℃下进行。
实施例V
本实施例考虑了既含有铽也含有镝的实际的磁铁。对一个含有3％重量的镝，用镨代替0.75分数的钕的磁铁而言，铽的重量％可能从1.5％降低到大约0.5％，内矫顽磁力不会有大的损失。只有在占(磁铁)的0.5％重量的情况下，预计大约有20kOe或者更大的内矫顽磁力。
表9.具有铽和镝的永久性磁铁
  磁铁成分     Hcj
  (Pr0Nd1)27.5Tb1.5Dy3Fe余量Nb1B1.1传统的     样本1A     20.81
    样本2A     20.81
    平均值     20.81
  (Pr0.75Nd0.25)27.5Tb1.5Dy3Fe余量Nb1B1.1本发明的     样本1A     19.86
    样本2A     20.17
    平均值     20.02
一般磁铁特性的讨论
虽然已经提到或讨论了一些术语，还需要另外讨论用来描述磁铁或永久性磁铁特性的术语。已经指出，磁化体内的磁通量密度用符号B标示，磁力(或者磁场产生的力)用符号H标示。磁通量密度和磁力可以表示为等式B＝μH，其中，希腊字母μ象征材料的渗透性，通常是一个特定磁场的磁化强度的度量标准。单位B包括特斯拉(T)、韦伯每平米(WB/m2)和高斯(Gs)。H的单位包括，例如安培每米(A/m)和奥斯特(Oe)。μ的典型单位是亨利每米。永久性磁铁材料的特性经常通过引用B和H的乘积的最大值来表现，即材料能达到的(BH)max。该乘积(BH)max可以认为是在给定间隙中产生所需要的通量密度所需要的永久性磁铁材料的最小量的度量标准，有时候也称为能量积。
饱和本征感应Js是一个材料能够被磁化多大强度的度量标准。剩磁或者剩余通量密度Br是磁场移除之后剩余的磁化，用特斯拉计量。正如已经讨论过的，将本征感应减少到零所必需的反转磁场的量级是内矫顽磁力或者矫顽力Hcj，用安培每米计量。
制造实例
正如已经指出的，REFeB型的材料是本技术的一个方面。这种材料有时被称为合金或者合金材料。在形成这种材料(合金)时，要使用铁、硼和稀土金属，每一样的数量要与最终烧结产品中希望含有的数量充分对应。该合金能够通过多种方法形成。例如，合金能够通过电弧熔化或者感应熔化在一个基本上为惰性气氛中，例如氩，将恰当数量的铁、硼及稀土金属熔化在一起，并让熔化物固化而形成。熔化物可以被制成锭或者金属条。
对于以锭或者金属条形式存在的材料(合金)，材料能够通过本行业技术人员知晓的传统方式被转换成微粒形式。锭或者金属条经过压碎和研磨过程以形成微粒材料。此种转换可以在室温下在空气中实施。例如，材料被研钵和槌压碎，然后通过喷射研磨研磨成微粒形式。这种粉末也可以通过已知的球磨机程序、喷射研磨或已知的氢化处理生成。本发明的铁-硼-稀土合金的微粒尺寸是可以改变的。它能够被尽可能的细微分碎。合金微粒的平均微粒尺寸达到60微米。对大部分应用而言，平均微粒尺寸的范围为大约1到10微米，或者大约为1到7微米，或者大约为3到5微米。微粒材料可以超过100微米，但不常见。尽管可以使用较大尺寸的微粒，应当指出，当微米尺寸增加时，可达到的抗磁力可能下降，因为矫顽力通常与微米尺寸反方向变化。另外，正如本行业已知的，因为烧结温度对相对小微粒的不利影响，微粒尺寸越小，使用的烧结温度就越低。
材料(合金)先于磁场应用之前存在。一旦磁场被应用，微粒即磁化排列，因此主要磁力相为(RE)2Fe14B，并且微粒沿着易磁化轴磁化排列。如果微粒(合金)被暴露于一个矫正磁场，在将微粒压制和压实成未成熟体之前一般会发生上述现象，未成熟体接下来会进行烧结。矫正磁场也可以在压制和压实未成熟体过程中被应用。应用的磁场至少为17kOe。微粒(在此也称为粒子)的磁化排列越大，最终的磁性越好。
微粒材料(合金)可以通过本行业技术人员知晓的一些技术压缩或压实成所需的尺寸和密度的未成熟体。这些技术中的一些包括：流体静压或者使用钢模的方法。实施压缩可以生成尽可能高密度的未成熟体，因为密度越大，烧结率越大。通常使用密度约为50％或者理论上更高的未成熟体。
可以对未成熟体进行烧结以生成一个所需密度的烧结的金属间产品。可以对未成熟体进行烧结以生成一个烧结的金属间产品，其中孔隙是完全非互联的。这种非互联性一般稳定产品的永久磁性，因为烧结的金属间产品或磁铁的内部受到保护，不会暴露于环境大气。
烧结温度很大程度上取决于选择的合金组成和微粒尺寸。一般应当有足够的烧结温度，以使选择的合金组成中发生烧结，并使微粒接合。实施烧结能使烧结的金属间产品的孔隙是完全非互联的。具有至少87％的理论密度的烧结的金属间产品，其孔隙一般是完全非互联的。非互联性能够通过标准金相学技术确定，如通过光学电子显微镜检测烧结产品的横截面。最大烧结温度通常是微粒或者颗粒不会发生重大增长的温度，因为微粒尺寸太大的增长会对诸如顽磁力等磁性产生不良影响。未成熟体可以在一个基本上为惰性的气氛中，例如氩气中，进行烧结，完成烧结后，将该未成熟体在一个基本上为惰性的气氛中冷却到室温。
一个选定组成的特定烧结范围可以根据经验确定，例如，通过在连续的较高烧结温度下实施一系列的运转，然后确定烧结的金属间产品的磁性。对于本发明的大部分成分而言，烧结温度的范围可以为950至1200℃。烧结时间是变化的，但是可以为1小时和5小时，或者更多。
烧结的金属间产品的密度可以改变，例如，取决于所需特定永久磁铁的特性。要获得一个具有完全稳定的永久性磁铁特性的产品，烧结的金属间产品的密度一般是使得孔隙是完全非互联的，这种情况通常发生在密度大约为87％或者更大的时候。但是，对于某些应用，密度可能低于87％，范围从80％到100％。例如，在低温应用中，一个密度范围约低于80％的烧结的金属间产品可能是令人满意的。烧结的金属间产品的优选密度是一个在不会造成微粒尺寸增加的条件下可得到的最大密度，因为微粒尺寸的增长会对磁性产生重大不良影响，而密度越大磁性越好。对于本发明的铁-硼-稀土烧结的金属间产品而言，理论密度，即最大密度的至少87％的密度和高达约理论密度的96％的密度是优选的以生成具有基本稳定的适当磁性的永久磁铁。
在本技术中，在烧结温度和室温下，最终烧结的金属间产品包含主要量的(RE)2Fe14B固体金属间相。主要量是指超过金属间产品重量的50％。也可以存在微量的其他铁-硼-稀土金属间相。具有最高能量积的烧结金属间产品是那些含有其他铁-硼-稀土金属间相最少的产品。在一个实施方案中，最终烧结的金属间产品主要由占即约重量的95％或者更高，但少于100％的(RE)2Fe14B固体金属间相构成。
烧结未成熟体生成一个烧结产品，该烧结产品与未成熟体重量大约相同，因为未成熟体显示没有发生铁、硼和稀土成分的损耗或重大损耗。烧结产品的标准化学分析显示，稀土和铁和硼成分没有受到烧结程序的实质影响。
本发明的烧结的铁、硼和稀土的的金属间产品的磁化生成一种新型的永久性磁铁。本发明的烧结的金属间产品的磁性可以通过一个热时效程序进行改善。烧结的金属间产品可以在低于烧结温度的400℃以内的示范温度进行热时效。在其他实施方案中，时效温度在低于烧结温度的300℃到100℃之间。热时效在诸如氩气的气氛中实施，在其中，材料完全是惰性的。材料进行热时效的具体温度根据经验确定。例如，烧结产品最初被磁化，确定其磁性。然后加热至低于其烧结温度的温度，一般是低于其烧结温度的100℃，持续一段时间，例如约3个小时或者更长，之后，冷却到室温，以同样的方式进行磁化，确定其磁性。该过程可以连续在较低温度下重复，直到找到一个产品磁性即本征及/或常规矫顽力显著提高的温度。然后可以将产品在该温度进一步时效，以增加矫顽力。一旦对一个具体系统而言确定了具体的热时效温度，如果需要，能够在烧结之后立即对烧结产品进行热时效，简单的降低炉子温度，即炉子冷却，直到所需的热时效温度。时效过程可以分为两个或更多的步骤实施。例如，在900℃时效2小时，然后在600℃时效4小时。
优选通过将炉子冷却到所需的时效温度进行热时效。其要求较短的时间，生成的产品的本征及/或常规矫顽力一般比通过先冷却烧结产品至室温然后加热至恰当的热时效温度的技术生成的产品高出很多。为了有利的结果，炉子冷却的速率应当随着由经验确定的具体炉子冷却速率而减慢。优选的，炉子冷却速率范围可以在约0.1至约20℃每分钟之间，很大程度上取决于使用的具体铁-硼-稀土合金。此外，炉子冷却速率可以以连续方式实施，如果需要，可以分步冷却。
磁化时，本技术的热时效烧结金属间产品作为永久性磁铁是有益的。所得的永久性磁铁在空气中是完全稳定的，有着广泛用途。例如，本发明的永久性磁铁在下列应用中有益的：中等温度的应用中例如计算机、磁共振成像装置及诸如此类，以及在高温应用中例如电动机、发电机及诸如此类。
如果需要，本发明的烧结的大块金属间产品能够被压碎成所需的微粒尺寸，优选粉末，其特别适于结合校正和矩阵粘合以生成一个稳定的永久磁铁。基于前述，即可以获得本技术的(RE)FeB型永久磁铁材料，其本征矫顽磁力(Hcj)值至少为17kOe。在特定实施方式中，相应的最大能量积值(BH)max至少为31MGOe。
尽管此处已经阐述和说明了本发明的某些特性，对于本行业的技术人员而言，还会产生一些修正和变化。因此，应理解为，附带的权利要求应当包括所有的此类修正和变化，因为这些修正和变化属于本发明的实质内容。

Claims (10)

1、一种永久性磁铁，包括：
硼；
铁、钴或M或其组合，其中M包括铝、铜、铬、钒、铌或镓或锆或其任意组合；和
一种稀土材料，其包括钕、至少50％重量的镨、0-20％重量的铽和5-25％重量的镝，其中该永久性磁铁包括至少15千奥斯特的内矫顽磁力。
2、如权利要求1所述的永久性磁铁，其中永久性磁铁包括Pr2Fe14B相。
3、如权利要求1所述的永久性磁铁，其中所述稀土材料构成所述永久性磁铁的至少28％重量。
4、如权利要求1所述的永久性磁铁，其中在饱和前将该永久性磁铁材料在大约1000℃至1200℃的温度范围内烧结。
5、如权利要求1所述的永久性磁铁，其中在饱和前将该永久性磁铁材料在大约850℃至950℃的第一温度范围以及在大约580℃至680℃的第二温度范围内进行时效处理。
6、如权利要求1所述的永久性磁铁，其中该永久性磁铁包括至少31MGOe的最大能量积。
7、如权利要求1所述的永久性磁铁，其中该永久性磁铁包括至少11.6千高斯的剩磁。
8、一种包括永久性磁铁的机器，该永久性磁铁包括：
硼；
铁、钴或M或其组合，其中M包括铝、铜、铬、钒、铌或镓或锆或其任意组合；和
一种稀土材料，其包括钕、至少50％重量的镨、0-20％重量的铽和5-25％重量的镝，其中该永久性磁铁适应于在机器内部至少80℃的温度环境下运行。
9、如权利要求8所述的机器，其中该机器包括一个风轮机。
10、一种操作具有永久性磁铁的电动机或发电机的方法，该方法包括：
在至少80℃的操作温度下操作该电动机或发电机；并
使该永久性磁铁暴露于至少80℃的操作温度，其中该永久性磁铁包括硼、铁和稀土材料，并且该稀土材料包括钕、至少50％重量的镨、0-20％重量的铽和5-25％重量的镝，其中该永久性磁铁包括至少17千奥斯特的内矫顽磁力。
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