CN1022520C - 新型稀土-铁-氮永磁材料 - Google Patents

Abstract

本发明通过氮气热处理工艺制成由式R(Fe_1-aM_a)₁₂表示的永磁材料，其中R为稀土元素，M为从Ti，V，Mo，Nb，Ga，W，Si，Al，Mn中选出的至少一种元素，a是0.08至0.17；z≈1。该永磁材料可以得到高居里温度，高饱和磁化强度，高矫顽力的新型复合磁体和粘结磁体。广泛应用于电器、机电及电子仪器中。

Description

该发明属于磁性材料领域。

现有的稀土永磁材料已发展了三代。第一、第二代是以SmCo₅和Sm₂Co₁₇为基的稀土-钴永磁合金。其主要成份是钴，但钴资源紧缺，成本昂贵，自1983年底以来，发展起以铁为主要成份的第三代Nd₂Fe₁₄B型磁体，但Nd₂Fe₁₄B居里温度不高，温度稳定性差，需要改善其性能或发展新型稀土-铁永磁材料。

本发明的目的就是提供一种新型稀土-铁-氮永磁材料系列。它的特点就是在原有R（Fe_1-αM_α）₁₂系列基础上，通过氮气热处理工艺，使氮原子渗入到1∶12结构的间隙位中，形成R（Fe_1-αM_α）₁₂N_s系列，从而使居里温度、饱和磁化强度有了很大的提高，特别是磁晶各向异性性质发生了根本性改变。其中Nd氮化物因其优越的内禀磁性可以制成高居里温度、高饱和磁化强度、高矫顽力的新型复合磁体和粘结磁体。

本发明的技术要点如下：

1.把以稀土-铁为主要成分的合金R（Fe_1-αM_α）₁₂，其中M为Ti，V，Mo，Nb，Ga，W，Si，Al，Mn等研成粉末，颗粒度在10-100μm之间，在氮气中进行热处理。处理温度在350℃-600℃之间，保温时间0.5-4小时，气压约为1个大气压。经此处理后，氮原子可进入到R-Fe合金的结构中，形成相应的R-Fe-N合金，即R（Fe_1-αM_α）₁₂N_s，其中R为稀土元素，即La，Ce，Pr，Nd，Sn，Gd，Tb，Dy，Ho，Er，Tm，La和Y中至少一种元素，M为稳定ThMn₁₂结构的第三元素，α为0.08至0.17，z≈1。中子衍射研究表明，氮原子进入晶体的间隙位置，表1列出其中典型的NdTiFe₁₁N合金的晶体结构及晶格常数。

表1 NdTiFe₁₁N的晶体结构和晶格常数

合金    晶体结构    a（nm）    e（nm）

NdTiFe₁₁N 四方 I₄/mmm 0.8701 0.4844

上述的R（Fe_1-αM_α）₁₂Nz合金，其特点是R＝Nd，Tb，Ho等，M＝Ti，V，Mo，Nb，W，Si，Ga，Al，Mn，具有优越的永磁性能，如NdTiFe₁₁Nz，NdV₂Fe₁₀Nz等。为了进一步提高矫顽力，饱和磁化强度和居里温度，Nd可部分地用Tb等高磁晶各向异性的重稀土元素代换，Ti，V可混合配比，或者掺杂微量的Mo，Nb，W，Ga，Si，Al等，Fe可用适量的Co代换，如（Nd，Tb）（Ti，Nb，Al，Fe）₁₂Nz，（Nd，Tb）（Ti，V，Co，Fe）₁₂Nz等。

2.在1中所述新型稀土-铁-氮永磁材料，即采用了在氮气气氛下的热处理工艺，使之吸氮后居里温度升高，饱和磁化强度增加，同时磁晶各向异性发生重大变化，因此氮气热处理工艺，可以作为制造高居里温度新型稀土-铁永磁材料的一种手段。R（Fe_1-αM_α）₁₂Nz，其中R为Nd，Tb，Ho等，吸氮以后不仅居里温度升高，居里温度T_α皆在700K以上，而且c轴成为易磁化方向，室温下具有强各向异性场。特别是Nd（Ti，Fe）₁₂Nz具有高饱和磁化强度，可制成高矫顽力、高磁能积磁体，最大磁能积的理论值是60MGOe，表2列出NdTiFe₁₁N的基本磁性。

上面所述的氮气处理工艺的条件为：氮气的纯度为99.9%以上，热处理温度为350℃-600℃，热处理的时间为0.5-4小时，氮气压力为1个大气压;样品的颗粒度在10-100μm之间，即在上述条件下的工艺过程制成R-Fe-N永磁材料。

若进一步将永磁材料R-Fe-N合金粉末制成永磁磁体，该发明采用了复合磁体工艺，其方法是用重量比为10wt%-50wt%的锌粉、锡粉或铝粉永磁合金粉末均匀混合，然后在100-300MPa的压力下在磁场中成型，再在400℃-500℃温度下热处理，即制成各向异性的复合磁体。

亦可先采用机械合金化或快淬方法，制出R-Fe具有纳米微晶结构的粉末，然后在氮气中热处理，形成R-Fe-N纳米微晶粉末，该粉末可以直接采用橡胶或树脂粘接或直接压制成各向同性的粘接磁体。

本发明的优点在于R-Fe-N合金具有很高的居里温度（700K以上），因此制成的永磁体可在较高温度下使用，克服了Nd₂Fe₁₄B磁体的缺点。另外，Nd（Ti，Fe）₁₂Nz合金制成的永磁体，因为可以不使用价格昂贵和稀有的钐（Sm）金属，从而成本低，有利于市场竞争。

实施例

电弧炉或感应炉熔炼Nd（Ti，Fe）₁₂合金。

把合金磨粉，颗粒度约30μm放入钼皿。置钼皿用于石英管中，进行热处理。热处理温度为480℃。石英管内注入流通的高纯氮气，压力为1个大气压。保温2小时，然后从炉中取出石英管，用水冷却石英管。制成Nd（Ti，Fe）₁₂Nz合金，z≈1。此合金居里温度为740K，e轴为易磁化方向，室温各向异性场8特斯拉，饱和磁化强度4πMs在温度为1.5K和300K时分别为14759高斯和13509高斯。上面制成的Nd（Ti，Fe）₁₂Nz合金粉末，进一步研磨到颗粒度为3μ，然后与15wt%的锌粉均匀混合，高压压型，再在400℃的温度下热处理，即制成复合磁体。

Claims (9)

1、一种新型稀土-铁-氮永磁材料，其特征是用式

R(Fe_1-αM_α)₁₃N₂表达，其中：

(1)R为稀土元素，即R是La，Ce，Pr，Nd，Sm，Gd，Tb，Dy，Ho，Er，Tm，Ln和Y中至少一种元素；

(2)M为Ti，V，Me，Nb，Ga，W，Si，Al，Mn；

(3)α是0.08至0.17；

(4)x≈1。

2、按照权利要求1所述的新型稀土-铁-氮永磁材料，其特征在于永磁材料具有ThMn₁₂型四方晶体结构。

3、按照权利要求1所述的新型稀土-铁-氮永磁材料，其特征在于R可以是Nd，Tb，Ho中一种稀土元素。

4、按照权利要求1、2、3所述的新型稀土-铁-氮永磁材料，其特征是E（Fe_1-αM_α）₁₂N_s合金可以：

（1）Nd可用Tb部分替代;

（2）Fe可用Co部分替代;

（3）M是Ti-V合金，并掺杂微量的Mo，Nb，W，Ga，Si，Al。

5、权利要求1所述的新型稀土-铁-氮永磁材料的制造方法，其特征在于包括下列步骤：

（1）将R（Fe_1-αM_α）₁₂N_s合金研磨粉末，颗粒度为10～100μm;

（2）将所述粉末在氮气中进行热处理，温度为350℃-600℃，气压约为1个大气压。

6、按照权利要求5所述的新型稀土-铁-氮永磁材料的制造方法，其特征在于氮气的纯度为99.9%以上，热处理的时间为0.5-4小时。

7、按照权利要求5、6所述的新型稀土-铁-氮永磁材料的制造方法，其特征在于包括下列步骤：

（1）将所述粉末与重量比为10～50wt%的锌粉、锡粉、铝粉混合后，在磁场中取向，同时在100～300MPa压力下成型;

（2）将成型体在400～500℃的温度下热处理，制成各向异性的复合磁体;

8、权利要求1所述的新型稀土-铁-氮永磁材料的制造方法，其特征在于：

（1）通过机械合金化或快淬法得到具有纳米微晶结构的R（Fe_1-αM_α）₁₂粉末;

（2）将所得粉末在氮气中进行热处理，温度为350℃-600℃气压约为1个大气压。

9、按照权利要求8所述的新型稀土-铁-氮永磁材料的制造方法，其特征在于将所述具有纳米微晶结构的粉末与橡胶或树脂粘接直接压型，制成各向同性永磁体。