CN103165280A - 掺入软磁材料的复合永磁体的制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种在基本保持永磁体磁场大小不变的情况下降低永磁体成本的方法，具体涉及一种掺入软磁材料的复合永磁体的制造方法。本发明中的掺入软磁材料的复合永磁体的制造方法包括：准备永磁粉料和软磁材料和在保护性气氛下将所述永磁粉料和软磁材料烧结成复合永磁体。本发明还涉及根据所述掺入软磁材料的复合永磁体的制造方法制造的复合永磁体。本发明在不显著降低永磁体场强的情况下，在永磁体内部掺入软磁材料，从而降低了永磁体成本。
Description
技术领域
本发明涉及一种在基本保持永磁体磁场大小不变的情况下降低永磁体成本的方法。更具体地，本发明涉及一种掺入软磁材料的复合永磁体的制造方法。
背景技术
随着科技的进步，磁性材料的应用越来越广泛，其中包括磁记录材料、应力传感器（磁致伸缩材料）、高磁导率低损耗软磁合金、磁制冷材料（磁热效应）、磁电阻材料等等。这也伴随着永磁体的应用越来越广泛。永磁材料从第一代永磁材料RCo5，发展至第二代永磁材料R2Co17，直至现在应用最广泛的第三代永磁材料Nd-Fe-B。但无疑这些材料中都包含了价格昂贵并且十分稀缺的稀土材料。虽然我国是稀土大国，但从全球的角度来看，稀土资源仍然十分稀少，并且其高昂的价格对民用及未来的发展都有极大的限制。从可持续发展的角度看，降低永磁体中稀土材料的使用比重是有意义的。
软磁材料，如：Fe、Co、Ni及其合金，具有高磁导率，低饱和场的特性，迄今发现的材料中Fe2Co具有最大的磁矩2.5 
。如将软磁材料替代部分永磁材料存在于永磁体内部，则软磁材料可替代永磁材料存在，这样即可在不显著降低永磁体场强的情况下降低永磁体成本。尤其在对磁体矫顽力要求不高时优势更为明显。
对于室温磁制冷项目，该发明具有特殊的意义。虽然材料的磁热效应随着磁场的增大而增大，但过高的磁场强度并不适合于民用，且室温磁制冷对磁场强度的依赖性并不是非常高。但对于室温磁制冷机，包括主动蓄冷磁制冷机以及现在备受关注的混合蓄冷磁制冷机，系统都包含体积巨大的永磁体。这样大体积的永磁体消耗大量的稀土元素，价格昂贵。本发明在不显著降低永磁体场强的情况下，在永磁体内掺入软磁材料，不但降低了永磁体成本，而且降低了室温磁制冷机的成本需求，可以推进磁制冷机替代气体压缩机的进程。
发明内容
为了解决现有技术中的上述问题，本发明提供了一种降低永磁体成本的方法。本发明的掺入软磁材料的复合永磁体的制造方法包括：准备永磁粉料和软磁材料；和在保护性气氛下将所述永磁粉料和软磁材料烧结成复合永磁体。
在本发明的一个方面，所述永磁体为圆柱体或长方体，掺入的软磁材料为片状。
在本发明的另一方面，所述永磁体为任意形状，掺入的软磁材料为颗粒状或丝状。
本发明在不显著降低永磁体场强的情况下，在永磁体内部掺入软磁材料，从而降低了永磁体成本。
附图说明
图1为根据本发明的一种掺入软磁材料的复合永磁体的示意透视图；
图2为根据本发明的又一种掺入软磁材料的复合永磁体的示意透视图；
图3A为根据本发明的一种掺入软磁材料颗粒的复合永磁体的剖视立体图；
图3B 为图3A中A处的局部放大图；
图4为本发明的一种软磁材料的立体示意图；
图5为采用图4中的软磁材料制作本发明中的复合永磁体的示意图；
图6为本发明的又一种软磁材料的立体示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步说明。应该清楚，附图中所描述的本发明的具体实施方式仅为说明本发明用，并不构成对本发明的限制。本发明的保护范围由所附的权利要求书进行限定。
本发明的永磁材料采用Nd-Fe-B合金，但也可采用本领域已知的其它永磁材料，如但不限于RCo5和R2Co17。
本发明中可使用本领域已知的软磁材料，包括但不限于Fe、Co、Ni及其合金。 优选的软磁材料为铁。
本发明的掺入软磁材料的复合永磁体的制造方法包括：准备永磁粉料和软磁材料；和在保护性气氛下将所述永磁粉料和软磁材料烧结成复合永磁体。
在一种具体实施方式中，永磁粉料和单层软磁材料片在保护性气氛中被烧结成圆柱体形状， 当然也可烧结成长方体 （或正方体）形状。
对于体积较小的圆柱形永磁体可采用单层掺入软磁材料片的方式，如图1所示。
当永磁体10中间没有掺入软磁材料片20时，根据磁荷的原理及高斯定理，当N1（标号202）与S2（标号201）面间距很小时，软磁材料层20位置的磁场主要来源于如图所示的N1（标号202）及S2（标号201）面上的面磁荷，此时面间的磁场与平行板电容器中的电场相似，面间各处的磁场方向与大小基本相同。在这样情况下掺入软磁材料片20，软磁材料被磁化后内部磁矩可以基本保持平行且各处磁化强度基本一致，这样掺入的软磁材料就起到了代替原永磁材料的作用。
但是，如果拉大N1（标号202）与S2（标号201）面的间距，即加大掺入软磁材料片20的厚度，面间各处的磁场方向随着间距的加大变得不一致，各处磁场大小也变得各不相同。如在这样的情况下掺入软磁材料片20，软磁材料被磁化后内部磁矩也不能互相平行排列，这不符合本发明的基本思想。
对于掺入软磁材料的圆柱形复合永磁体100，软磁材料片20的厚度与圆柱半径之比为0.3：1至0.8: 1， 优选0.4：1至0.7：1，更优选0.5:1至0.65:1。软磁材料片的掺入位置距离永磁体表面约1/8半径至1/3半径。
所述的保护性气氛可在烧结炉中采用氮气（N2）或惰性气体如氩气（Ar）形成。
在又一种具体实施方式中，永磁粉料和多层软磁材料片在保护性气氛中被烧结成形为圆柱体形状或长方体 （或正方体）形状。这样制得的掺入软磁材料的永磁体可具有更大尺寸。
如图2所示，当软磁材料片20、30、40层数过多时，层与层间的距离变小，层与层间的磁场相互作用不可忽略，如N3（标号402）与S2（标号201）面的面磁荷对于N2与S3面间的磁场的影响已不可忽略，这会导致原层间方向一致大小相等的磁场被破坏，如此时掺入软磁材料片，软磁材料不可替代永磁材料存在，因此层间间距必须大到相邻面影响可忽略，以保证软磁材料位置的磁场方向基本相同，大小基本相等。软磁材料片20、30、40的间距应至少为复合永磁体200圆柱半径的1/4。
在又一种具体实施方式中，永磁粉料和软磁材料颗粒经均匀混合后进行烧结成形为任意形状，如但不限于圆柱体。
如上所述，软磁材料片在掺入永磁体时需要考虑永磁体形状，层间间距及层厚度。图3A、3B示出了一种更加方便的以颗粒方式掺入软磁材料的方式。如图3A、3B所示，永磁粉料310和软磁材料颗粒320被烧结在一起形成掺入软磁材料的圆柱形复合永磁体300。 软磁材料颗粒320可以替代部分永磁材料存在于永磁体内部。软磁材料颗粒320尺寸不易过小，如尺寸过小，在烧结永磁体时，易把软磁材料原子烧结入永磁体结构，形成新的合金，如颗粒过细的Fe颗粒与NdFeB粉末烧结时易形成富铁NdFeB。 本发明中，软磁材料颗粒320的尺寸应在30-200目之间。
在又一种具体实施方式中，永磁粉料和丝状软磁材料经均匀混合后进行烧结成形制成掺入软磁材料的复合永磁体。其制造方法与图3、4中示出的掺入颗粒软磁材料的永磁体的制造方法基本相同。丝状软磁材料如软铁相对于颗粒状的软磁材料更抗氧化，更容易保存。本发明中，丝状软磁材料的直径的范围为0.2-2 mm，优选0.3-1 mm。
图4和图5示出了本发明的另外一种实施方式。与前述不同，软磁材料50为楔形。此种形状的软磁材料与永磁材料60混合烧结时，由于热膨胀系数不同，彼此会自动调节相对距离，如图5所示。这样就可以避免撑坏模具。在永磁体的两极的磁场都要使用时，可以采用如图6所示的双头楔形软磁材料80。
实施例1
对10mm厚直径为40mm的片状软铁进行粗糙处理，然后将处理后的软铁和NdFeB粉料放在模具中于充氮气的烧结炉中一起烧结制得直径为60mm高为60mm的掺入软铁的NdFeB圆柱形永磁体。经测量，所获得的复合永磁体内部磁矩基本保持平行且各处磁化强度基本一致。
实施例2
与实施例1中不同的是，粗糙处理后的软铁上开直径为1mm的小孔，再和NdFeB粉料一起烧结。经观察，软铁小孔中渗入NdFeB，复合永磁体结构更坚固。
实施例3
将体积比为1:3的100目软铁颗粒和NdFeB粉料混合均匀放在模具中于充氮气的烧结炉中一起烧结制得直径为60mm高为60mm的掺入软铁颗粒的NdFeB圆柱形永磁体。经测量，所获得的复合永磁体内部磁矩基本保持平行且各处磁化强度基本一致。
实施例1-3中所采用的NdFeB以商品名N42购自山西金山磁材有限公司。
尤其需要强调的是，尽管本发明是针对烧结永磁体阐述的，但本发明中的复合永磁体也可使用粘接剂将永磁粉料和软磁材料混合粘接压模成型。
基于对本发明优选实施方式的描述，应该清楚，由所附的权利要求书所限定的本发明并不仅仅局限于上面说明书中所阐述的特定细节，未脱离本发明宗旨或范围的对本发明的许多显而易见的改变同样可能达到本发明的目的。
Claims (9)
1.一种掺入软磁材料的复合永磁体的制造方法，包括以下步骤：
准备永磁粉料和软磁材料；和
在保护性气氛下将所述永磁粉料和软磁材料烧结成复合永磁体；或使用粘接剂将永磁粉料和软磁材料混合粘接压模成型。
2.根据权利要求1所述的掺入软磁材料的复合永磁体的制造方法，其特征在于，所述永磁粉料选自Nd-Fe-B合金、RCo5和R2Co17；所述软磁材料选自Fe、Co、Ni和它们的合金。
3.根据权利要求2所述的掺入软磁材料的复合永磁体的制造方法，其特征在于，所述复合永磁体为圆柱体或长方体，掺入的软磁材料为片状。
4.根据权利要求3所述的掺入软磁材料的复合永磁体的制造方法，其特征在于，所述复合永磁体为圆柱体，且所述掺入的软磁材料片的厚度与所述圆柱半径之比为0.3：1至0.8: 1。
5.根据权利要求4所述的掺入软磁材料的复合永磁体的制造方法，其特征在于，所述掺入的软磁材料片距离所述永磁体表面约1/8圆柱半径至1/3圆柱半径。
6.根据权利要求2所述的掺入软磁材料的复合永磁体的制造方法，其特征在于，所述掺入的软磁材料为颗粒状或丝状。
7.根据权利要求6所述的掺入软磁材料的复合永磁体的制造方法，其特征在于，所述软磁材料颗粒的尺寸为30-200目。
8.根据权利要求6所述的掺入软磁材料的复合永磁体的制造方法，其特征在于，所述软磁材料丝的直径为0.2-2 mm。
9.一种根据权利要求1-8任一项所述的掺入软磁材料的复合永磁体的制造方法制造的复合永磁体。
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