CN103151159A - 减少镝或铽用量的制造nd-fe-b烧结磁体的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及减少镝或铽用量的制造ND-FE-B烧结磁体的方法。制造永磁体的方法和永磁体。该方法包括提供结合芯材料和表面材料，使得该表面材料中的镝、铽或两者的表面浓度高而同时保持镝、铽或两者的整体浓度低。由此，该磁体具有不均匀分布的镝、铽或两者。可以使用变化的方法来准备结合的芯材料和表面材料，以确保以实现高表面浓度和低整体浓度的方式该表面粉末有效地包覆芯粉末。在一种形式中，芯材料可由钕铁硼永磁体前体材料制成。

Description

减少镝或铽用量的制造ND-FE-B烧结磁体的方法
本申请要求获得申请日为2011年9月30日的美国临时专利申请61/5412900和申请日为2012年3月30日的美国临时专利申请61/617956的权益。
背景技术
本发明一般涉及电动机和它们的制造，更具体地涉及用于形成永磁体的方法，其使用稀土(RE)添加剂来改进电动机的功率密度。
永磁体被用于各种设备，包括用于混合动力车辆和电动车辆的牵引电动机，以及风力涡轮机、空调机组及其他设备，其中小体积和大功率密度的结合是有益的。烧结的钕铁硼(Nb-Fe-B)永磁体在低温下具有很好的磁性。然而，由于这种磁体中Nd2Fe14B相的低居里温度，剩磁(magnetic remanence)和本征矫顽性随着温度的上升而迅速地减小。存在两种普遍的改进高温下的热稳定性和磁性的方法。一种是通过添加钴(Co)来提升居里温度，钴可完全溶在Nd2Fe14B相中。然而，具有Co的Nd-Fe-B磁体的矫顽磁性可能由于逆磁畴的成核位点而下降。第二方法是添加重RE元素，例如镝(Dy)或铽(Tb)。已知的是，在Nd-Fe-B磁体中用于Nd或Fe的置换导致各向异性场和本征矫顽性的增加以及饱和磁化强度的减小。例如参见“C.S.Herget，Metal，Poed.Rep.V.42，P.438(1987)；W.Rodewald，J.LessCommon Met.，VIII，P77(1985)；D.Plusa，J.J，Wystocki，Less-Common Met.V.133，P.231(1987)”。惯例是在熔化和成合金之前添加重RE金属例如为Dy或Tb到混合金属中。
然而，Dy和Tb是非常稀有和昂贵的原料。重RE仅包含大约2-7％的Dy，并且世界上的RE矿中仅有一小部分包含重RE。近来，Dy的价格已经急剧的上升。如果需要的磁性高于Dy可提供的磁性，Tb是必需的，其比Dy更加昂贵。此外，这些金属会很难以它们相对纯净的形式进行工作，例如纯Dy过于柔软而难以形成粉末，并且同时容易被氧化。虽然Dy的氢化物可用于使原料(因此使形成粉末成为可能)脆化，但是这样的原料会不利地影响扩散特性和该原料在较低温度时的工作性能，这进而会不利于随后的烧结或相关原料的固结尝试。例如，氢化Dy的快速扩散意味着与烧结关联的常规高温(例如，大约1000℃或更高)不能被用于原料固结，因为在这个温度上，Dy的扩散程度-和伴随的对更多原料的需要以提供足够的覆盖度-将会变得很大。
用于混合动力轿车和卡车中的牵引电动机的典型磁体包含大约6到10wt％之间的Dy以符合磁性的需要，同时其他的应用(例如上述的风力涡轮机和空调，以及其他的车辆结构(例如摩托车，其工作温度环境可不像它们的轿车和卡车对应项那样高)会具有较低的Dy需求。假定永磁体件的重量为大约1-1.5kg/每个电动机，并且该机加工件的成品率典型地为大约55-65％，那么每个电动机将需要2-3公斤的永磁体。此外，因为其他的工业与永磁体之间在有限的Dy资源方面存在竞争(从而使与这种原料关联的已经过高的成本更加增剧)，降低Dy在永磁体中的用量会具有非常显著的成本影响，对于Tb来说同样如此。
可以利用粉末冶金工艺生产Nd-Fe-B永磁体，其包括制备具有期望化学组成的粉末。典型的粉末冶金工艺包括称重、在磁场下压制、烧结、老化(例如，在真空中，在大约500℃到1100℃持续大约5到30小时)及机械加工，以生产磁体片。还可使用附加的表面处理，其包括磷酸盐处理(phosphating)、化学镀镍(electroless nicklel plating)、环氧树脂涂层等。
对于烧结的Nd-Fe-B磁体，理想的微观结构为Fe14Nd2B晶粒，其完全地由非铁磁性的富Nd相和Fe-Nd相隔离，富Nd相由主要的Nd加上一些Fe4Nd1.1B4的共晶基体构成，Fe-Nd相由杂质稳定。Dy或Tb的加入导致基于Fe、Nd和Dy或Tb的相当不同的三重晶粒间相形成，这些相位于晶粒边界区域中和Fe14Nd2B晶粒的表面处。
Nd-Fe-B烧结磁体的微观结构已经被广泛研究来改进主要由硬磁性Nd2Fe14B相和非磁性富Nd相组成的这种磁体的磁性。已知矫顽磁性很大地受到Nd2Fe14B晶粒之间的边界相的形态的影响。当磁体尺寸减小时，Nd-Fe-B烧结磁体的磁性下降，这是因为已机械加工表面导致逆磁畴的成核。同样地，在Machida等人的发表于Coll.Abstr.Magn.Soc.Jpn.142(2005)，25-30)的标题为“Improved Magnetic Properties of Small-Sized Magnets and Their Application for DCBrush-less Micro-Motors”的论文中发现，小尺寸的Nd-Fe-B烧结磁体的降低的矫顽磁性可以通过对形成的磁体用Dy和Tb金属蒸气吸附进行表面处理而得到改善，这种表面处理使得在形成的磁体的外侧上具有均匀分布的Dy或Tb涂层。虽然这种方法有助于改进已经使用Dy或Tb处理的磁体的特性，但是由于使用了过多的这些珍贵原料，这意味着很高的成本费用。
发明内容
本发明的一个方面是制造永磁体的方法。在一个实施例中，该方法包括将包含Nd、Fe和B的第一原料(其可以为芯粉末的形式)，以及包括含Dy或Tb中的一种或两种的第二原料(其可以为粉末或薄片的形式)以金属合金的形式结合，使得形成包覆的复合材料状原料(coated，composite-like material)，其中构成所述第二原料的Dy或Tb不均一(或不均匀)分布；这确保了Dy、Tb或两者的表面浓度超过它们的整体浓度，而同时保持低的总用量。在本申请背景中，不均匀或不均一分布意味着第二原料分布或集结在第一原料的不连续位置，比如在界面或晶粒边界或表面上的其他位置-很少或没有(例如由扩散、化学结合等)在构成该第一原料的颗粒内部。
在一种形式中，含Dy或Tb的合金可为小粉末形式，同时在另一种形式中，该原料可为较大的薄片基形式；与这些尺寸差异相关的细节将在下面以更长篇幅论述。不论形式怎样，它们都可以被用来掺合、混合和机械涂布以生产复合材料状原料。可以通过利用粉化(熔融金属接触高压惰性气体(比如氩气)来形成颗粒)或通过粉浆浇铸(slip casting)接着氢爆碎和脱氢的来制备粉末或薄片状粉末。
引人注意的是，根据本发明生产的磁性材料可通过这种方法烧结来保持低扩散并由此在晶粒边界区(这里也被称作晶粒边界表面)周围维持期望的Dy和Tb中一种或两种的不均一含量。在一种形式中，该永磁体的Dy、Tb或两者的晶粒边界表面浓度在大约3wt％到大约40wt％之间。
本发明通过改变温度、时间、空间形态和化学过程来改变Dy和Tb以及各种其他的元素的扩散或有关的传输特性，所述其他的元素比如为Nd、Pr、镓(Ga)、B、Fe、Co、铜(Cu)等。在一种特殊的形式中，被涂布材料周围的涂覆用材料的机械包绕(wrap)可通过调整这些参数而发生，这里更完整的包绕可以通过较高的能级达到，虽然包绕并不需要完整以证明改进的性能。在这种情况下，由于在烧结期间一种或多种上述的元素的扩散，所以在某种情况下部分的包绕也是可以接受的。通过控制研磨和混合动力学，会形成新的和不同的原料相。作为在工艺期间分别添加一些元素(或者以单独的形式，或者作为二元或三元合金的一部分)的结果，可以产生额外的改进。具体地说，这样的改进帮助促进例如如上所述的具有不同元素含量的新相的选择性形成。这些相可以包括在晶粒边界周围的具有如上所述的各种元素中的一种或多种的共晶相，比如富Nd和富Dy的三结相(triple junction phase)。这些相(其为来自相图的具有多种元素的共晶相)可以在改进(即，增加)矫顽磁性(HcJ)或其他的磁性方面起到重要的作用。从它们的形态来看，它们可以被称作三(或多)结相，因为它们位于晶粒边界周围，特别是在三个或(多个)晶粒相遇的结区周围。
本发明的另一个方面涉及通过以下制造Nd基的永磁体方法，该永磁体具有非均匀扩分散的Dy或Tb中的至少一种：通过机械研磨含Nd-Fe-B的粉末基原料和包含Dy或Tb中的至少一种的薄片基原料，使得所述粉末基原料基本上涂覆以所述薄片基原料层。在研磨以后，未涂布所述涂布的粉末基原料的薄片基原料的过量部分通过过筛去除，之后，在用于粉末排列(powder alignment)的磁场下，所述涂布的复合材料状材料形成预定形状。然后烧结该形成的零件，使得该永磁体形成，其中用于涂布下面的所述粉末基原料的所述薄片基原料以非均匀的方式分布。在一种形式中，这样的非均匀性通过在所述下面的粉末基原料的晶粒边界处的优先聚集导致，或者通过在烧结期间由共晶相形成导致。
本发明的另一个方面还涉及制造Nd基的永磁体的方法，该永磁体具有非均匀分散的Dy或Tb中的至少一种。该方法包括机械研磨包含Nd-Fe-B的第一粉末基原料和包含Dy和Tb中至少一种的第二粉末基原料，使得第一粉末基原料基本上涂布以第二粉末基原料层。然后此经涂布的粉末在磁场下形成预定形状，之后烧结，使得该永磁体形成，其中第二粉末基原料以非均匀的方式分布在第一粉末基原料的表面上。如前所述，这样的非均匀性可通过在下面的粉末基原料的晶粒边界处的优先聚集导致，或者通过共晶相形成导致。
本发明的另一个方面是永磁体。在一个实施方式中，该永磁体为Nd-Fe-B基，其Dy、Tb或两者的整体浓度(bulk concentration)相对于常规形成的RE增强型永磁体而言显著减小。因此，对于用于汽轿车或卡车的汽车牵引电动机(automotive traction motor)来说(正如以上论述的，常规的Dy或Tb增强型Nd-Fe-B磁体的整体浓度可能在大约6到10wt.％之间)，本发明的永磁体可以显著减少50％或更多。因此，在一种用于牵引电动机的形式中，整体Dy或Tb可以以该Dy或Tb的非均匀(即，表面占主导的)分布的形式在大约0.3到大约5wt.％的范围存在，使得磁性能与具有大得多的整体浓度的Dy或Tb处理的磁体的那些相似。同样地，在整体Dy或Tb用量可更低的情况下(例如，在风力涡轮机应用中，可能在大约3和4wt.％之间)，类似地可实现相当的降低。
本发明包括下面方面：
1、制造永磁体的方法，所述永磁体在其上具有非均匀分布的镝或铽中的至少一种，所述方法包括：
提供包含钕、铁和硼的第一材料；
提供包含镝和铽的至少一种的第二材料，所述镝和铽的至少一种为金属合金的形式；
以机械研磨方式结合所述第一和第二材料，使得所述第一材料基本上涂布以所述第二材料层；
将所述第一和第二材料成形为预定形状；和
烧结所述预定形状，使得形成具有所述第二材料在所述第一材料表面上的非均匀分布的永磁体。
2、方面1的方法，其中所述第一材料的颗粒尺寸在大约1微米和大约30微米之间。
3、方面1的方法，其中所述第二材料主要沿着所述第一材料内的晶粒边界形成。
4、方面3的方法，其中所述第一材料为粉末基的并且所述第二材料为薄片基的，使得所述第二材料通过所述机械研磨操作包覆所述第一材料。
5、方面4的方法，进一步包括筛除没有形成所述涂层的所述薄片基材料的过量部分。
6、方面4的方法，其中在所述结合之前，所述第一材料的硬度值比所述第二材料高。
7、方面2的方法，其中所述第一和第二材料为粉末基的。
8、方面7的方法，其中在经历所述机械研磨操作前，所述第二材料为比所述第一材料更精细的形式。
9、方面1的方法，其中所述合金化包括利用元素(elemental)和母合金粉末的混合物。
10、方面1的方法，其中所述结合包括使所述第一和第二材料中的至少一种塑性变形。
11、方面1的方法，其中所述永磁体具有大约3wt.％和大约40wt.％之间的所述镝或铽的至少一种的晶粒边界表面浓度。
12、方面1的方法，其中所述将第一和第二材料成形为预定形状在磁场中进行。
13、方面1的方法，其中在大约850℃到1100℃的温度范围内进行所述烧结，并且加热速率在大约2℃/分钟到6℃/分钟之间，并且烧结时间为大约1-10小时。
14、制造钕基永磁体的方法，所述永磁体具有不均匀分散的镝或铽中的至少一种，所述方法包括：
机械研磨包含钕、铁和硼的粉末基材料和包含镝和铽中的至少一种的薄片基材料，使得所述粉末基材料基本上涂布以所述薄片基材料层；
从所述经涂布的粉末基材料中筛除过量的所述薄片基材料；
将该第一和第二材料成形为预定形状；和
烧结所述预定形状，使得形成其中所述薄片基材料以非均匀的方式分布在所述粉末基材料表面上的永磁体。
15、方面14的方法，其中在所述机械研磨之前，所述薄片基材料限定比所述粉末基材料更大的表面积。
16、方面15的方法，其中所述薄片基材料比所述粉末基材料大。
17、制造钕基永磁体的方法，所述永磁体具有不均匀分布的镝或铽中的至少一种，所述方法包括：
机械研磨包含钕、铁和硼的第一粉末基材料和包含镝和铽的至少一种的第二粉末基材料，使得所述第一粉末基材料基本上涂布以第二粉末基材料层；
将该第一和第二材料成形为预定形状；和
烧结所述预定形状，使得形成其中所述第二粉末基材料以非均匀的方式分布在所述第一粉末基材料表面上的永磁体。
18、方面17的方法，其中构成所述第一粉末基材料的颗粒比构成所述第二粉末基材料的颗粒大。
19、方面17的方法，其中所述机械研磨包括使用许多位于磨机中的混合球，使得所述许多混合球限定多个不同的尺寸。
20、方面19的方法，进一步包括通过布置与所述磨机的壳体和所述许多混合球的至少一种热连通的热交换流体来控制所述机械研磨的温度。
附图说明
当结合下列附图阅读时，本发明的下列详细说明可以得到最佳的理解，附图中同样的结构用同样的标号表示，并且其中：
图1是机械磨机的示意图，该机械磨机可以被用来混合各种用来生产稀土增强型磁性材料的配料；
图2A为在混合和涂布来生产复合材料状材料(composite-like material)之后的表面粉末和芯粉末的颗粒的示意图；
图2B为图2A的复合材料状材料在压实之后的示意图；
图3描绘了芯粉末材料的颗粒和表面材料的薄片，与可用于图1的磨机中的不同尺寸的混合球；
图4示出了具有结合本发明制成的磁体部件的车用电动机；和
图5A和5B分别示出了永磁电动机和感应电动机的简化视图。
具体实施方式
转让与本发明的受让人的申请日为2011年1月14日、发明名称为″Method Of Making Nd-Fe-B Sintered Magnets With Dy Or Tb″的美国专利申请13/007203(以下称为申请‘203)通过引用的方式整体结合到本文中，其描述了磁体和三种制造该磁体的方法，所述方法使用了比常用方法少得多的Dy或Tb，同时获得了相似的磁性能。在申请‘203中论述的三种粉末涂布方法中，本发明人已经发现了改进它们中之一的途径(机械研磨，在这里也被称作机械合金化)；本发明的主题就是这种改进。
使用Dy或Tb(或它们的合金)涂布的Nd-Fe-B粉末来制造磁体，这导致在显微镜下观察时该磁体中Dy或Tb的不均匀分布；这样的特征可以利用扫描电子显微镜和微探针进行观察和测量。本发明人相信通过本发明，Dy和/或Tb的量可以比常规方法减少(取决于安放该磁体的应用)大约20％(按重量计)或更多，或者大约30％或更多，或者大约40％或更多，或者大约50％或更多，或者大约60％或更多，或者大约70％或更多，或者大约80％或更多，或者大约90％或更多。节省的量取决于表面粉末与芯粉末的相对量，和表面粉末中Dy或Te的浓度，以及烧结制度(sintering schedule)(这影响Dy或Tb从晶粒表面到芯粉末的本体中的扩散)。
用于本发明的在牵引电动机应用中使用的烧结制度，可以包括下列参数。首先，优选的烧结温度范围在大约850℃和1100℃之间，更优选的范围在大约950℃和1050℃之间。优选的加热速率在大约每分钟2℃/分钟到6℃/分钟之间，更优选的范围在大约5℃/分钟。优选的烧结时间为使用常规烧结炉1到10小时，并且更优选的时间在大约3到7小时之间。烧结之后的热处理同样进行优选，在此种情况下，优选为两阶段热处理，其中在超过(over)800℃温度下进行第一阶段大约2到5小时，更特别的时间为3小时，在第一阶段之后的第二阶段包括在氩气气氛下加热到大约500℃的温度持续大约2到5小时(更优选的时间为大约3小时)。需要的总时间在大约11小时到20小时之间，包括阶段间的加热和冷却，其中这样的冷却通过强制通入氩气实现。
与本发明相关联的工艺包括通过混合和机械研磨来涂布Nb-Fe-B基粉末，其与Dy或Tb金属或合金一起来制备烧结的Nb-Fe-B永磁体。优选地，添加这些(或相关)的元素来改进磁性能应该理想地满足下列情况：(1)金属间相应当为非铁磁性来隔离铁磁晶粒；(2)金属间相的熔点应该比Fe14Nd2B相低，以通过液相烧结产生致密材料；并且(3)这些元素在Nd2Fe14B中应该具有低溶度(solubility)以保持良好磁性能。在一个示范性形式中，含大约15至80wt.％的Dy或Tb的铁基原料与Nd-Fe-B基粉末进行研磨或机械合金化来产生具有Dy或Tb富集表面的新复合材料状粉末。由于纯Dy非常柔软且相当容易氧化，因此合金化可以助于改进其抗氧化性，且助于使其变脆以帮助将其转变为粉末形式。
通过在这里被称为“包覆(wrap-around)”磁体制造工艺中阐明如何使合金粉末包覆Nd-Fe-B粉末，本发明涉及申请‘203中论述的机械研磨法的变体。换句话说，包覆是经由机械研磨方法通过以下实现的：在构成Nd-Fe-B粉末的颗粒上形成涂层状表面，使得在烧结过程中于表面处发生固相扩散(乃至液相烧结)以产生具有Dy或Tb富集表面的新晶粒。在本发明中，固相扩散包括固态的原子(比如Dy)扩散，而液相烧结可以包括在烧结过程中一部分的材料熔化或软化，后一种方法促进了液相扩散。通过本发明的方法，本发明人相信粉末的Dy或Tb的表面浓度可以是高达大约5到大约50wt.％，同时仍然保存极低的(例如，在牵引电动机应用中大致在0.3到5wt.％之间或更少)整体Dy或Tb浓度。本发明的机械研磨包括两种不同类型的含Dy或Tb的粉末：或者(a)非常小的粉末(即，比下面的Nd-Fe-B芯粉末更小)，或者(b)比下面的Nd-Fe-B芯粉末大得多的薄片状粉末。在第二个方案中，一些含Dy或Tb的薄片在涂布之后被留下；如下面将要论述的那样，可以移除这些残留物使其可以再次使用。尤其，本发明的方法包括首先制造多种含Dy或Tb的合金，并且通过熔融、粉浆浇铸、雾化等将其转变成小粉末或较大的薄片，使其能够以期望的非均匀方式涂布Nd-Fe-B基底或芯粉末。
这里公开的工艺的特定要素优选包括：(1)利用高能研磨来促成冷焊所需要的塑性变形--其包括固态处理，其中在界面处没有高温熔融或加热的情况下通过扩散进行结合--以及减少处理时间；(2)使用元素和母合金粉末(后者减少元素的活性，因为众所周知的是合金或配混物的活性可能数量级地比纯金属中的活性小)的混合物，并且(3)表面活性剂的限制使用以保持粉末的污染最小化，和助于制造有效地包覆大粉末颗粒的小粉末颗粒，同时在熔焊(welding)和破裂(fracturing)之间存在恒定的相互作用，以产生具有精细的内部构造的粉末混合物。在本发明中，熔焊包括局部材料熔融或软化以及随后的粘结在一起，同时破裂可发生在压制步骤中的高压下。
首先参考图1，研磨机10(这里也被称作球磨机)包括旋转的圆柱形筒15，其高宽比达到三倍直径长度，使得装载的翻滚或层叠钢球20、柱或相关的搅拌元件，可以通过由于筒15旋转导致的它们的下落和升起而将置于其中的一种或多种材料(没有示出)研磨成更细的形式。在一种形式中，钢球20可以占到筒15的总内部体积的三分之一到一半。圆筒15可由不锈钢制造，并且可以附加地在内部涂布以氧化铝、碳化硅、氮化硅等。同样地，还可以使用附加的用于冷却、加热等的装置，如下面更详细的论述那样。不同于申请‘203中描述的球磨机，本发明的球磨机10结合了两种类型的表面颗粒尺寸(相当于上述的表面粉末和芯粉末)，和两种不同的制备表面颗粒的方式，同时使用促进表面合金化的试剂。此外，本发明将重点强调表面颗粒形态，申请‘203中对此并未进行考虑。特别地，该表面粉末应该是更不规则形状的(即，非圆形的)，以促进大表面面积及伴随的增强的合金化能力。可以采用溶剂或载体，通过助于减小两种粉末的表面间的界面能(这进而增加了表面粉末的均匀包覆和分布)及避免表面粉末聚结，以加速机械合金化和涂覆工艺来改进工艺效率。该溶剂或载体可以是有机的或无机的化学品，比如酒精、氯化溶剂，或者可商购的工业溶剂，以及固体润滑剂如氮化硼粉末、二硫化钼(MbS2)粉末等。优选地，在该处理之后从粉末去除溶剂。
在Nd-Fe-B芯粉末要涂布以铁基Dy或Tb薄片原料的情况中，第一步包括称重含Dy或Tb的薄片，然后通过筒15、钢球20的联合作用和叶轮25的运动而把它们与Nd-Fe-B粉末混合。围绕球磨机10形成的冷却夹套可以用来控制研磨温度，其中可通过该夹套经由进口30和出口35循环加热或冷却液(没有示出)。工艺温度优选为在大约室温与大约200℃之间，处于抽空或氩气/氮气惰性气氛中。在一种形式中，组成研磨介质的钢球20可以是不锈钢或陶瓷，其具有不同的直径来产生动态的(即，变化的)冲击能。在一种形式中，用作研磨介质的钢球20可制成为不同的尺寸，包括相对大的(20A)、中等(20B)和小(20C)的那些。例如，它们可具有三种不同的尺寸：1毫米、5毫米和10毫米，尽管也可以是其他的尺寸。三种钢球20的重量比可以改变，比如1∶1∶1、1∶1∶2、1∶2∶3、2∶1∶3等。增加更多的研磨介质，以及利用更大数量的较大尺寸的钢球20，提供了更大的动态冲击能量。在研磨结束时，通过较大、较软的含Dy或Tb的薄片的包覆作用，在Nd-Fe-B粉末上形成含Dy或Tb的涂层层；在一种形式中，厚度在大约0.1到5微米之间，并且尤其在大约0.2到3微米之间，尽管取决于应用，也可以使用其他的涂层厚度(例如，达到10微米(在一些结构中)并且甚至达到100微米(在其他的结构中))。通常来讲，虽然薄片的厚度不是关键，但是下面芯材的颗粒尺寸对尺寸要敏感得多，举例来说，小于1到2微米的直径(或相当于直径)被认为对于涂布应用来说过于精细(并且可能额外地受到改变的磁性能的影响)，同时大于(over)大约30微米的直径或其等同项倾向于显示降低的磁性能。
一旦薄片状颗粒在芯粉末上形成涂层，然后将残余的片状颗粒筛除用于将来再使用，同时随后将涂布的Nd-Fe-B粉末进行成形和烧结。有利地，尽管所得的Dy或Tb的表面浓度高(例如，如上所述，在大约5到50wt.％之间)，整体Dy或Tb浓度低(又一次，对于许多车用牵引电动机应用来说小于5wt.％)，从而在制造永磁体中降低Dy或Tb的量用，同时仍然提供高温磁性能。如下面将要论述的那样，芯粉末对于其尺寸的敏感性与涂层材料是否处于薄片基形式或粉末状形式相关。
在其中Nd-Fe-B的芯粉末上涂布以Fe基Dy或Tb的粉末材料的情况下，第二(即，涂布)粉末的最初粉末尺寸优选比Nd-Fe-B的第一(即，被涂布的)粉末更小，第二粉末可以包括少量(例如，小于3到5wt.％)的重稀土元素，比如Dy和Tb或其他元素。第二粉末可以由两种方法制成。
一种方法，已知为氢化和脱氢法(hydride and de-hydride process)，与制造Nd-Fe-B粉末的方法相同，其中合金由真空感应熔化制成，并且熔融合金被粉浆浇铸到旋转的水冷铜合金筒来形成薄片(thin pieces)(例如，厚度为0.2到0.5毫米，并且长度和宽度为大约5到100毫米)。该方法在真空(例如，大约10-5到10-6大气压)或氩气气氛中进行以防止氧化或污染。将密封钢容器中的薄片输送到氢爆碎机(hydride cracking machine)中来制成粉末，其中H2压力大约为15psi，并且持续时间在大约5到大约18小时。在所述薄片破裂为粉末或非常小的片之后，在大约300℃到大约400℃、典型地在大约350℃的温度下脱除氢气。持续时间在大约5到大约25小时。然后粉末在锤磨机中在惰性气体(为大约15至大约30psi的N2或Ar)下被进一步锤磨为更小尺寸，或在单独的气体研磨机(gas milling machine)(未示出)中被氮气(或氩气)下研磨。不管研磨的形式如何，优选机器的接触面由不锈钢或钨合金制成以防止污染。经处理的粉末贮存大约15到大约30psi的N2下的桶中。使用研磨器和/或磨机来制备在期望尺寸范围内的更精细粉末，并且该粉末可以针对该所需范围进行筛选。全部的操作在惰性气氛(例如，大约25psi的N2)中进行来防止氧化和污染。
另一种制造Fe-Dy类型粉末的方法利用了雾化工艺。在真空熔炼后，熔融金属或熔融锭可以在N2或Ar中雾化为细粉。粉末尺寸可以利用研磨，例如通过如上所述的研磨机10进一步降低。
接下来参照图2A和2B，示出了根据本发明的机械合金化方法制成的复合材料状材料的不同阶段，其中两种前体材料为粉末形式。具体参照图2A，适当比例的芯粉末和表面粉末60、70，和钢球20或相关研磨介质装入图1的磨机10中。构成表面粉末70的Fe-Dy基合金的颗粒尺寸应当比下面的Nd-Fe-B基芯粉末60小。例如，Fe-Dy基合金粉末70优选为在亚微米到大约30微米的范围内，同时Nd-Fe-B基粉末60在大约1到30微米的范围内，而3到10微米为良好的平均尺寸以得到期望的磁性能。然后该混合物在所需的持续时间内研磨，直至达到均匀混合并获得表面粉末70在芯粉末60上的涂布。应当注意的是，涂布有时候导致表面粉末70的原材料到芯粉末60的材料的迁移，同时表面粉末材料可仍以单独的粉末形式存在。
具体参照图2B，在涂布工艺过程中，机械研磨能量和局部热可促进芯粉末60的表面合金化。如图所示，研磨的粉末然后在磁场下被固结或压实一定形状(或最终的部件形状)80并烧结，且进行老化(如果需要的话)以获得期望的微观结构和性能。应当注意的是，高能研磨粉末可有助于使Fe14Nd2B晶粒的微观结构通过基于Fe、Nd、Dy或Tb的非铁磁相完全隔离。
因而，机械合金化方法的重要组成包括原材料、研磨和工艺变量。参数包括磨机10的类型、研磨容器(即，筒15)、研磨速度(例如，大约50到大约400rpm、典型地为大约250rpm)、研磨时间(例如，大约0.5到大约12小时)，以及研磨钢球20的类型、尺寸和尺寸分布(直径为几毫米到几厘米)、钢球与粉末的重量比(例如，大约1∶1到高达大约220∶1，典型的是大约10∶1)，筒15的填充程度，研磨气氛(例如，真空、氮气，或者氩气)，以及研磨的温度(例如，大约室温到大约250℃)。用于机械合金化的原材料的颗粒尺寸在大约1到200微米。利用这些方法，Nd-Fe-B类粉末60上的涂层厚度可以为大约1微米到大约100微米，例如为大约2到大约100微米，或者大约3到大约90微米，或者大约3到大约80微米，或者大约3到大约70微米，或者大约3到大约60微米。虽然如上所述并不是关键之处，但是在一种优选的形式中，涂层厚度在大约1微米到大约10微米之间。
根据本发明的粉末涂布工艺允许平均Dy或Tb浓度减小，并改变了Dy或Tb在磁体中的分布。因而，磁体的平均Dy或Tb整体浓度可以在大约0.3到大约5wt.％的范围内，或者大约0.3到大约4wt.％的范围内，或者大约0.3到大约3wt.％的范围内，相比于用于具有相似的高磁性能的车用牵引电动机应用中所用的传统磁体的大约6到10wt.％(或更高)。同时，Dy或Tb表面浓度通常高达大约5到大约50wt.％(如上所述)，并且特别在5到15wt.％之间。如果需要的话，可以特意将Dy和/或Tb从颗粒表面扩散进入粉末颗粒，只要颗粒内部的整体浓度小于表面浓度。Nd-Fe-B晶粒周围的高Dy或Tb浓度区域或相可以由一个或多个的下列项控制：(a)表面粉末与芯粉末的比；(b)表面粉末中的Dy含量，(c)粉末成分、形态和尺寸，(d)机械研磨或涂布工艺和(e)烧结制度。值得注意的是，重要的是保持对相形成和相成分的热力学和动力学控制，以保持扩散在紧密控制的限制之内；这些因素在上面已经论述。
在优选的形式中，使用了Dy和Tb两者，需要的话Tb与Dy之比达到大约1∶3，但是出于成本考虑，更典型的达到大约1∶10。Dy或Tb浓度分布特征还可以由多种磁体的热处理控制，特别是退火制度。更长的时间或更高的温度使Dy或Tb分布更宽和在颗粒表面更少的聚集。
用于本发明的包覆磁体制造方法的步骤可以包括：(1)感应熔化和粉浆浇铸(strip casting)Nd-Fe-B合金来形成尺寸为若干厘米的薄片(例如，小于1毫米)；(2)在大约25℃到大约300℃下利用所述薄片吸收氢进行氢爆碎5到20小时，以分裂成非常小的片，随后在200℃到400℃脱氢大约3到25小时；(3)如果需要的话进行锤磨及研磨和/或机械粉碎(在氮气中)或氮气下研磨，以形成适合进一步的粉末冶金加工的细粉；(4)为了期望的颗粒尺寸进行任选地筛选以得到合适的粒度分布用于优化烧结；(5)通过混合粉末调节化学成分；(6)制备具有其他元素的Fe-Dy或Fe-Dy-Tb基合金粉末；(7)通过机械研磨用富Fe-Dy或富Fe-Dy-Tb表面粉末和其他的粉末涂布Nd-Fe-B粉末，有或没有最小量的Dy或Tb；和(8)粉末冶金步骤，例如而在磁场下称重和压制以促进粉末在优选方向上的磁取向，在模具中等静压制或冲击压实(shockcompaction)，在大约900℃到大约1100℃下烧结大约1到30小时，以及如果需要的话在大约300℃到700℃下老化大约3到20小时(在真空中)。冲击压实或其他的高速压实技术还可以用来制造近网状磁体(near-net shape magnet)，与这种方法相关的细节可以在受让人与本发明相同的申请日为2011年9月29日、发明名称为“Near Net Shape Manufacturing of Rare Earth Permanent Magnets”的美国申请61/540737中找到，其以引用的方式并入本文。最后，如果需要的话，该磁体进行表面处理来防止生锈或相关的氧化，其中的实例包括磷酸盐处理、化学镀Ni，铝物理气相淀积(PVD)、环氧树脂涂层或有关方法。值得注意的是，本文论述的包覆方法发生在较大的薄片基涂布材料或在较小的粉末基涂布材料的情况下；重要的标准是在存下Dy或Tb显著表面浓度时，而整体值(即，遍布下面的磁性材料)保持为低的。
接下来参照图3，公开了制造具有降低的Dy或Tb含量的Nd-Fe-B烧结磁铁的另一个实施方式例的细节。在这个实施例中，通过将相对细的芯材料60(例如对应Nd-Fe-B粉末)60涂布以相对粗的表面材料70形成所得的复合材料状粉末(对应包含Tb或Dy的薄片70)。在一种形式中，所得的复合材料状粉末80(比如在图2B中描绘的)可以包括高达5到50wt.％的Dy或Tb表面浓度，以及极低的Dy或Tb的整体浓度。具体地说，粗的薄片70的尺寸比大于Nd-Fe-B粉末60的尺寸大得多。例如，对应于薄片70的表面积的各线性尺寸可在大约0.5到15毫米之间，同时薄片厚度可能在大约50微米到3毫米之间，而构成下面的或芯材料的Nd-Fe-B粉末60的细颗粒的平均直径(或者对于非圆形颗粒的情况等同于直径)可以(如上所述)在大约1到30微米之间，并且平均在大约3到10微米。任何不能附着到粉末60的过量粗薄片70都可在随后筛除，用于在机械研磨之后将来的涂布用途。
在采用薄片70作为涂层材料的结构中，Fe基Dy和Tb合金构件(components)或片比Nd-Fe-B粉末60软得多；当经受在球磨机10的多维转动和旋转运动期间来自许多钢球20的动态能量时，大得多的薄片的柔软性促进了其高效及有效的″包覆″结构。包覆作用导致复合粉末80的形成。来自薄片70的含Dy和/或Tb的铁合金的平均涂层厚度通常优选为大约0.1到10微米，并且特别为大约0.2到3微米。任何涂层均匀性或均一性的缺乏都不用关注，因为涂层粉末随后被压实以形成磁体并进行烧结和热处理。后一工艺确保含Dy和/或Tb相围绕晶粒边界的均匀分布以更大地改进磁性能。
接下来参照图4，示出了概念上的基于永磁体的电动机100的简化视图，其中转子110在轴或芯轴120上相对于定子130响应由电流的流动产生磁场的变化而旋转。本领域技术人员应该理解的是，根据本发明制成的磁体也适合于其他电动机结构，只要它们采用永磁体磁部件(将结合图5A进行更详细的论述)。转子110和定子130的协作使得转子110的旋转运动可以转化为沿着轴或芯轴120的有用功。例如，在轴120端部形成的齿124可用于与互补表面(complementary surface)相互作用来转动车轮、滑轮、变速器、叶片等。机壳140用来包含转子110和定子130，同时可旋转轴120可以通过一个或多个轴承122固定到壳体140，轴承122可以与和壳体140一起形成的或固定到壳体140的端板142相互作用。
接下来参照图5A和5B，示出了图4的概念上永磁体电动机100的变体与感应电动机结构200在细节上的比较，其中前者的本发明永磁体105可用于牵引电动机，例如用于混合动力或电供能轿车或卡车中。具体参照图5B，感应电动机结构200使用带有与定子230中的相当线圈235协作的转子线圈(rotor windings)215的转子210，使得线圈235中的电流变化引起转子210和轴220中的旋转运动。对于同样体积的感应电动机对应件，永磁体电动机倾向于具有更高的功率密度。所以在以小体积封装产生大量功率很重要的情况下，例如涉及车用于辆应用的紧凑驱动源的那些，优选为永磁体电动机。因而，与感应电动机相关的后者结构将不会以任何附加细节论述。
具体参照图5A，基于永磁体的电动机100的转子110和定子130中的任一个或两个可经设计以保持结合本发明制成的一个或多个永磁体105(尽管图5A的简化视图仅在转子110中显示它们)。这些磁体105与在定子130中形成的线圈135协作，使得流入线圈135的电流的变化引起围绕磁体105的磁场的变化，这反过来迫使转子110和轴120的旋转运动，从而可以产生有用功。这样的电动机100可用来或者形成用于电动车辆的唯一推进装置，或者可以形成混合动力型汽车的推进系统的一部分，或者可以用作电气变速传动(electricallyvariable transmission)的一部分，电气变速传动可以连续地改变车辆发动机的速度或结合再生制动工作。
应当注意的是，类似“优选”、“通常”和“典型地”这样的术语在本文中不用于限制要求保护的发明的范围或暗示某些特征对于要求保护的发明的结构或功能是至关重要的、必不可少的或甚至重要的。相反地，这些术语仅意于强调在本发明的具体实施方案中可以使用或可以不使用的可替代的或另外的特征。
为了描述和限定本发明的目的，应当注意的是，本文中使用的术语“装置”表示部件的组合或单一部件，无论该部件是否与其他部件结合。同样地，应该理解的是，本发明中的车辆包括多种自推进的变体，包括轿车、卡车、飞机、太空船、船只或摩托车。
为了描述和限定本发明的目的，应当注意的是，术语“基本上”此处用于表示不确定的固有程度，其可归因于任何定量比较、值、测量或其他表达式。术语“基本上”此处还用于表示定量表达可能相对表示的参考量有变化而不造成所讨论主题的基本功能变化的程度。
尽管已经详细地并参照其具体实施方案描述了本发明，但是，显然的是，在不脱离所附权利要求限定的本发明范围的前提下，还可以有多种修改和变化方式。更具体地说，虽然本发明的某些方面在此处被确定为优选的或特别有利的，但是设想的是，本发明并不必然受限于这些本发明的优选方面。

Claims (10)

1.制造永磁体的方法，所述永磁体在其上具有非均匀分布的镝或铽中的至少一种，所述方法包括：
提供包含钕、铁和硼的第一材料；
提供包含镝和铽的至少一种的第二材料，所述镝和铽的至少一种为金属合金的形式；
以机械研磨方式结合所述第一和第二材料，使得所述第一材料基本上涂布以所述第二材料层；
将所述第一和第二材料成形为预定形状；和
烧结所述预定形状，使得形成具有所述第二材料在所述第一材料表面上的非均匀分布的永磁体。
2.权利要求1的方法，其中所述第二材料主要沿着所述第一材料内的晶粒边界形成。
3.权利要求2的方法，其中所述第一材料为粉末基的并且所述第二材料为薄片基的，使得所述第二材料通过所述机械研磨操作包覆所述第一材料。
4.权利要求3的方法，进一步包括筛除没有形成所述涂层的所述薄片基材料的过量部分。
5.权利要求1的方法，其中所述结合包括使所述第一和第二材料中的至少一种塑性变形。
6.权利要求1的方法，其中所述永磁体具有大约3wt.％和大约40wt.％之间的所述镝或铽的至少一种的晶粒边界表面浓度。
7.权利要求1的方法，其中在大约850℃到1100℃的温度范围内进行所述烧结，并且加热速率在大约2℃/分钟到6℃/分钟之间，并且烧结时间为大约1-10小时。
8.制造钕基永磁体的方法，所述永磁体具有不均匀分散的镝或铽中的至少一种，所述方法包括：
机械研磨包含钕、铁和硼的粉末基材料和包含镝和铽中的至少一种的薄片基材料，使得所述粉末基材料基本上涂布以所述薄片基材料层；
从所述经涂布的粉末基材料中筛除过量的所述薄片基材料；
将该第一和第二材料成形为预定形状；和
烧结所述预定形状，使得形成其中所述薄片基材料以非均匀的方式分布在所述粉末基材料表面上的永磁体。
9.制造钕基永磁体的方法，所述永磁体具有不均匀分布的镝或铽中的至少一种，所述方法包括：
机械研磨包含钕、铁和硼的第一粉末基材料和包含镝和铽的至少一种的第二粉末基材料，使得所述第一粉末基材料基本上涂布以第二粉末基材料层；
将该第一和第二材料成形为预定形状；和
烧结所述预定形状，使得形成其中所述第二粉末基材料以非均匀的方式分布在所述第一粉末基材料表面上的永磁体。
10.权利要求9的方法，进一步包括通过布置与所述磨机的壳体和所述许多混合球的至少一种热连通的热交换流体来控制所述机械研磨的温度。
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