CN103366918A

CN103366918A - 永磁体及其制造方法

Info

Publication number: CN103366918A
Application number: CN2012100884713A
Authority: CN
Inventors: 张明龙; 吉路巴.哈兰; 刘兴民; 严长江
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 2012-03-29
Filing date: 2012-03-29
Publication date: 2013-10-23

Abstract

本发明提供了一种永磁体，该永磁体包括：轻稀土材料成分，包括约15-25％重量的镨和约5-15％重量的钕；小于约0.1％重量的重稀土材料；金属合金成分，包括约0.5-4.4％重量的钴、约0.1-1.3％重量的铝、约0.2-4％的锆和约0.1-0.2％重量的铜；以及作为余量的铁、硼或其组合。

Description

永磁体及其制造方法

技术领域

本发明涉及永磁体，更具体地，涉及一种含少量重稀土材料或甚至不含重稀土材料但性能很好的永磁体及其制造方法。

背景技术

稀土材料基永磁体应用于计算机、电动机、发电机、汽车、风力涡轮机、风车、实验室设备、医疗设备和其它设备和装置中。永磁体的一个实施例是钕-铁-硼(Nd-Fe-B)合金基磁体。为了获得具有高矫顽磁性的Nd-Fe-B基磁体，将具有高度磁晶各向异性场的重稀土元素，如铽(Tb)和镝(Dy)加入到合金中。例如，一种市售的磁体材料在合金中包含重量约1.5％重量的Tb和约3-5％重量的Dy。Tb和Dy是非常贵重的元素，磁体中含少量的Tb和Dy就会大大增加磁体的制造成本。比如，磁体中约1.5％重量的Tb或约3％重量的Dy将占磁体原料总成本的30％以上。因此，需要开发一种重稀土材料(Tb和Dy)含量尽可能小且具有高性能磁性的永磁体，以及制造该磁体的方法。

发明内容

本发明实施例提供了一种重稀土材料含量尽可能小且具有高性能磁性的永磁体，该永磁体包括轻稀土材料成分，包括约15-25％重量的镨和约5-15％重量的钕；小于约0.1％重量的重稀土材料；金属合金成分，包括约0.5-4.4％重量的钴、约0.1-1.3％重量的铝、约0.2-4％的锆和约0.1-0.2％重量的铜；以及作为余量的铁、硼或其组合。

附图说明

通过结合附图对于本发明的实施例进行描述，可以更好地理解本发明，在附图中：

图1是实例E3-1中的永磁体的退磁曲线图。

图2是实例E6中的永磁体的退磁曲线图。

图3是实例E14-1中的永磁体的退磁曲线图。

图4是实例E15-1中的永磁体的退磁曲线图。

图5是显示了实例E3-1中的永磁体的横截面显微结构的照片。

图6是显示了实例E3-1中的永磁体的表面显微结构的照片。

具体实施方式

本发明实施例涉及一种包含尽可能少量的重稀土元素且具有高矫顽力、高最大能量乘积和/或高剩余磁化强度的永磁体。

本文中所使用的近似性的语言可用于定量表述，表明在不改变基本功能的情况下可允许数量有一定的变动。因此，用“大约”、“左右”等语言所修正的数值不限于该准确数值本身。至少在某些情况下，近似性语言可能与测量仪器的精度有关。本文中所给出的数值范围可以合并或相互交换，除非文中有其它语言限定，这些范围应包括范围内所含的子范围。

本发明中所提及的数值包括从低到高一个单元一个单元增加的所有数值，此处假设任何较低值与较高值之间间隔至少两个单元。举例来说，如果说了一个组分的数量或一个工艺参数的值，比如，温度，压力，时间等等，是从1到90，20到80较佳，30到70最佳，是想表达15到85，22到68，43到51，30到32等数值都已经明白的列举在此说明书中。对于小于1的数值，0.0001，0.001，0.01或者0.1被认为是比较适当的一个单元。前述只是想要表达的特别示例，所有在列举的最低到最高值之间的数值组合均被视为以类似方式清楚地列在本说明书中。

除有定义外，本文中所用的技术和科学术语具有与本发明所属领域金属人员普遍理解的相同含义。本文所用的术语“第一”、“第二”等并不表示任何顺序、数量或重要性，而只是用于区别一种要素和另一种要素。并且，属于“一”或“一个”不表述数量的限定，而是表示存在一个的相关项目。

本文所用的“矫顽力”或“矫顽磁性”(Hc)是一种永磁体的性能，其代表在磁体的磁饱和之后，用于将永磁体感应降低至零所需的消磁力的量。通常，矫顽力或矫顽磁性越大，在高温环境下磁体的稳定性越好，磁体受外部磁场的干扰越小。磁体的“内禀矫顽力”或“内禀矫顽磁性”(Hcj)是该磁性材料固有的抵抗消磁的能力，其对应于固有感应或磁极化强度(J)的零值。

本文所用的“最大能量乘积((BH)max)”是永磁体的另一种性能，其表示在永磁体中磁通密度(B)和磁场强度(H)的乘积。最大能量乘积越高，表示永磁体具有的磁能密度越高。

本文中所用的“剩余磁化强度”或“剩磁”(Br)是指在介质中除去外部磁场后剩余的磁化强度。剩磁越高表示该永磁体物质抵抗消磁的能力越高。

本文中提到的“没有某种重稀土元素”是指该重稀土元素的重量含量小于0.1％，或更适宜的，小于0.05％。

在本发明的某些实施方案中，提供了一种重稀土材料含量尽可能小且具有高性能磁性的永磁体，该永磁体包括：轻稀土材料成分，包括约15-25％重量的镨(Pr)和约5-15％重量的钕(Nd)；小于约0.1％重量的重稀土材料；金属合金成分，包括约0.5-4.4％重量的钴(Co)、约0.1-1.3％重量的铝(Al)、约0.2-4％重量的锆(Zr)和约0.1-0.2％重量的铜(Cu)；以及作为余量的铁(Fe)、硼(B)或其组合。

在某些实施例中，所述永磁体包括小于约0.05％重量的铽和小于约0.05％重量的镝。在某些实施例中，所述永磁体包括小于约0.05％重量的重稀土材料。

在某些实施例中，所述永磁体包括约15-20％重量的镨。在某些实施例中，所述永磁体包括约10-15％重量的钕。在某些实施例中，镨和钕的重量百分比之和在28-35％之间。在某些具体的实施例中，镨和钕的重量百分比之和在28-32％之间。

在某些实施例中，所述永磁体包括约0.5-2.5％重量的钴。在某些实施例中，所述永磁体包括约0.1-0.4wt％重量的铝。在某些实施例中，所述永磁体包括约0.2-0.4％重量的锆。

在某些实施例中，所述永磁体是通过以下方法获得的：形成具有所述成分的熔融合金；将该熔融合金经条带铸造形成片状物；将所述片状物氢爆形成颗粒；将所述颗粒脱氢；再将所述颗粒进行喷射研磨以形成平均颗粒直径在1.6-3.0微米范围内的粉末；在磁场中将所述粉末成型为坯块；将所述坯块在约1020-1120℃下烧结约1-5小时；淬火至室温。

在另外一些实施例中，所述永磁体是通过多方法获得的，该多合金法包括：分别提供一种主合金的粉末和至少一种辅助合金的粉末；混合所述主合金的粉末和所述至少一种辅助合金的粉末；在磁场中将所述混合粉末成型为粉末坯块；将所述坯块在大约1020-1120℃的温度下烧结1-5；将所述坯块淬火至室温。其中所述主合金粉末和至少一种辅助合粉末分别是通过一个包括以下步骤的工艺来提供的：形成熔融的主合金或辅助合金；将所述熔融的主合金或辅助合金经条带铸造形成片状物；将所述片状物氢爆形成颗粒；将所述颗粒脱氢；并将颗粒进行喷射研磨以形成平均颗粒尺寸在1.6-3.0微米范围内的主合金或辅助合金粉末。

在某些实施例中，所述熔融的主合金或辅助合金是通过将包括所述轻稀土材料成分、金属合金成分、铁和硼的材料一起熔化而形成的。在某些实施例中，所述熔融的合金是通过感应熔化法获得的。

在某些实施例中，所述条带铸造是在约0.01Pa或以下的真空下进行的。在某些实施方案中，所述经条带铸造形成的片状物的厚度大约在200-300微米之间，或更适宜的，在200-250微米之间。在某些实施方案中，所述氢爆是在氢气压力不小于0.1Mpa左右的条件下实施的。在某些实施方案中，所述脱氢是在大约400-700℃的真空环境中进行的。在某些实施方案中，为了获得足够细的主合金或辅助合金粉末，所述工艺可能包括一次以上的喷射研磨过程。在某些实施方案中，用所述工艺获得的主合金粉末和辅助合金粉末的平均颗粒直径大约在2.0-2.5微米之间。所述尺寸均匀的细粉有利于形成晶粒尺寸均匀的高性能永磁体。

在某些实施方案中，所述主合金粉末和辅助合金粉末的混合物在不小于1.5特斯拉(Tesla)的磁场中铸造成型，并在油中在不小于150MPa的等静压力下压缩形成粉末坯块。

在某些实施方案中，可对所述坯块进行至少一次烧结处理，所述烧结在1050-1120℃的真空环境下进行约1-5小时，或更适宜的，1-3小时。所述烧结过程可提高坯块的磁体密度并改善其微观结构，从而可以提高磁体的磁性能。

在某些实施方案中，所述烧结后的坯块进一步在大约800-1000℃的温度下进行约1-5小时的烧结后处理，然后淬火至室温，再在450-650℃的温度下退火1-5小时。

在某些实施方案中，所述永磁体按单位千高斯(kGs)计的剩磁大于12.8，或更进一步地，大于13.1；按单位千奥斯特(kOe)计的固有矫顽力大于13.3，或更进一步地，大于15；按单位兆高斯奥斯特(MGOe)计的最大能量积大于40，或更进一步地，大于42。

本发明可用其他的不违背本发明的精神或主要特征的具体形式来概述。因此，无论从哪一点来看，本发明的上述实施方案都只能认为是对本发明的说明而不能限制本发明，本发明的范围是由权利要求书界定，而不是由上述界定的，因此，在与本发明的权利要求书相当的含义和范围内的任何改变，都应认为是包括在权利要求书的范围内。

制备永磁体的示例性方法I

下表1中阐述了几种永磁体的组成(重量百分比)的比较，其中S1至S4分别是用合金M1、M2、M3和M4制成的实验样品。所述合金和样品的组成是通过感应耦合等离子体原子发射频谱测定法(ICP-AES)分析的。

表1、永磁体样品的组成(重量百分比)的比较I

对于各样品，先按照表1所示的组成制备其所需的合金，在约1600℃的温度下熔化，然后在大约0.01Pa的真空下经条带铸造形成大约200-300微米的片状物，在室温下将该片状物以约0.2MPa的氢气压力热爆形成粗颗粒，然后在约580℃下，约5Pa的真空环境下脱氢约2小时，再将所述粗颗粒进行喷射研磨，得到平均直径约2.0-2.6微米的细粉。在大约2.0特斯拉的磁场中将所述细粉压成坯块(样品)，然后在约200MPa的等静压力下，在油中将该坯块进一步压缩以增加其密度。再将所述坯块进行如下表2所示的烧结和老化处理。

如下表2所示，将所述坯块(生坯)在大约1050-1120℃下烧结约2小时以达到全面稠化，然后淬火至室温。接着再进行老化处理以获得高性能的毛坯，其中包括在大约900℃下进行烧结后处理约2小时后淬火至室温，以及在大约450-600℃下退火约2小时。然后将毛坯加工打磨成所需尺寸，再涂上钝化层便获得了永磁体。

表2、分别具有如表1中所示的组成，并以不同的烧结和老化工艺获得的永磁体的性能比较

制备永磁体的示例性方法II

下表3中阐述了几种永磁体的组成(重量百分比)的比较，其中M4用作主合金，A用作辅助合金，S5至S9是分别用所述主合金M4和辅助合金A以多合金法制成的实验样品。其中，样品S5(M4+5A)是由5％重量的辅助合金A和作为余量的主合金M4制成的，样品S6(M4+10A)和样品S9(M4+10A)都是由10％重量的辅助合金A和作为余量的主合金M4制成的，样品S7(M4+13A)是由13％重量的辅助合金A和作为余量的主合金M4制成的，样品S8(M4+9A)是由9％重量的辅助合金A和作为余量的主合金M4制成的，。其中用来制备样品S5至S8的辅助合金A只进行了一次喷射研磨，而来制备样品S9的辅助合金A进行了两次喷射研磨。所述主合金、辅助合金及样品的组成是通过感应耦合等离子体原子发射频谱测定法(ICP-AES)分析的。

表3、永磁体样品的组成(重量百分比)的比较II

对于各样品，先按照表3所示的组成制备其所需的主合金M4，在约1600℃的温度下熔化，然后在大约0.01Pa的真空下经条带铸造形成大约200-300微米的片状物，在室温下将该片状物以约0.2MPa的氢气压力热爆形成粗颗粒，然后在约580℃下，约5Pa的真空环境下脱氢约2小时，再将所述粗颗粒进行喷射研磨，得到平均直径约2.0-2.6微米的细粉。再以类似的方法按表3所示的组成制备所需的辅助合金A，获得平均直径约2.0-2.6微米的辅助合金细粉。然后按表3所示的重量比例将主合金粉末和辅助合金粉末混合在一起获得样品所需的组成。在大约2.0特斯拉的磁场中将所述主合金和辅助合金的粉末混合物压成坯块(样品)，然后在约200MPa的等静压力下，在油中将该坯块进一步压缩以增加其密度。再将所述坯块进行如下表4所示的烧结和老化处理。

如下表4所示，将所述坯块(生坯)在大约1050-1120℃下烧结约2小时以达到全面稠化，然后淬火至室温。接着再进行老化处理以获得高性能的毛坯，其中包括在大约900℃下进行烧结后处理约2小时后淬火至室温，以及在大约450-600℃下退火约2小时。然后将毛坯加工打磨成所需尺寸，再涂上钝化层便获得了永磁体。

表4、分别具有如表3中所示的组成，并以不同的烧结和老化工艺获得的永磁体的性能比较

如表2和表4所示，在实例E1至E19-2中，分别将样品S1至S9进行不同的烧结和老化处理获得不同的永磁体，然后在室温下测试并比较所述不同永磁体的性能。比如，在实例E15-1中，将样品S6在大约1100℃下烧结约2小时，然后淬火至室温，再进行一个两步老化工艺，包括在大约900℃下进行烧结后处理约2小时，然后淬火至室温，和在大约500℃下退火约2小时。

如表2和表4所示，在一些实例中，比如，在实例E1-1、E1-2和E1-3、或在实例E16-1和E16-2中，分别对组成相同的样品进行了相同的烧结和老化处理。所获得的数据也表明了所述方法的再现性。

从表2和表4可知，实例E1至E19-2中的永磁体不含重稀土材料，但其剩磁大于12.8kGs，最大能量乘积大于42MGOe。且其中实例E1-1至E10-1以及实例E12至E19-2中的永磁体的内禀矫顽力大于13.3kOe，实例E14-1至E19-2中的永磁体的内禀矫顽力大于17kOe，实例E17-1至E19-2中的永磁体的内禀矫顽力大于20kOe。一般而言，由于用来制造磁体的材料中可能含有少量重稀土元素的杂质，因而最终获得的磁体中也可能会含有极少量的重稀土元素。因此，某种重稀土含量小于一定合理值的磁体应被认为是没有或不含该重稀土元素的。本文中，将某种重稀土元素含量小于0.1％(重量)，或更进一步地，小于0.05％(重量)当成是没有或不含该重稀土元素。

为了更直观地评估磁性能，图1至图4分别显示了实例E3-1、E6、E15-1和E17-1中永磁体的退磁曲线。其中图1对应不同温度的三个退磁曲线，图2至图4则分别显示了对应不同温度的两个退磁曲线。“退磁曲线”是磁感应(常用磁通密度B/磁极化强度J)随着施加于磁体的消磁力(常用外磁场强度H)变化的曲线。退磁曲线所描述的是磁场从饱和状态退磁到等于零的过程。一个退磁曲线可能包括一条B-H曲线和一条J-H曲线。比如，在图1中，对应20℃的退磁曲线包括一条B-H曲线102和一条J-H曲线104。在退磁曲线中，退磁曲线与B/J坐标相交点的B/J值一般代表了剩磁(Br)的值，B-H曲线与H坐标相交点的H值一般代表矫顽力(Hcb)，J-H曲线与H坐标相交点的H值一般代表内禀矫顽力(Hcj)。如图1至4所示，所述永磁体的剩磁、矫顽力和内禀矫顽力都比较高，而且这些永磁体的退磁曲线中的J-H曲线的方形度也很好，这表明所述永磁体的最大能量乘积比较高。

图5和图6以实例E3-1中的永磁体为例，显示了本发明实施例所获得的永磁体的微观结构。图5和图6分别显示了实例E3-1中永磁体的横截面和表面的微观结构。从图5和图6可以看出，该永磁体具有均匀的柱状结构和均匀的晶粒尺寸。

虽然结合特定的实施例对本发明进行了说明，但本领域的技术人员可以理解，对本发明可以作出许多修改和变型。因此，要认识到，权利要求书的意图在于覆盖在本发明真正构思和范围内的所有这些修改和变型。

Claims

1.一种永磁体，其包括：

轻稀土材料成分，包括约15-25％重量的镨和约5-15％重量的钕；

小于约0.1％重量的重稀土材料；

金属合金成分，包括约0.5-4.4％重量的钴、约0.1-1.3％重量的铝、约0.2-4％的锆和约0.1-0.2％重量的铜；以及

作为余量的铁、硼或其组合。

2.如权利要求1所述的永磁体，该永磁体包括小于约0.05％重量的重稀土材料。

3.如权利要求1所述的永磁体，该永磁体包括约15-20％重量的镨。

4.如权利要求1所述的永磁体，该永磁体包括约10-15％重量的钕。

5.如权利要求1所述的永磁体，其中镨和钕的重量百分比之和约在28-35％的范围内.

6.如权利要求5所述的永磁体，其中镨和钕的重量百分比之和约在28-32％的范围内.

7.如权利要求1所述的永磁体，该永磁体包括约0.5-2.5％重量的钴。

8.如权利要求1所述的永磁体，该永磁体包括约0.1-0.4％重量的铝。

9.如权利要求1所述的永磁体，该永磁体包括约0.2-0.4％重量的锆。

10.一种用多合金工艺制造永磁体的方法，该永磁体包括：轻稀土材料成分，包括约15-25％重量的镨和约5-15％重量的钕；小于约0.1％重量的重稀土材料；金属合金成分，包括约0.5-4.4％重量的钴、约0.1-1.3％重量的铝、约0.2-4％的锆和约0.1-0.2％重量的铜；以及作为余量的铁、硼或其组合，

该多合金工艺包括：

通过以下步骤分别提供一种主合金粉末和至少一种辅助合金粉末：

形成一种熔化的主合金或辅助合金；

将该熔化的主合金或辅助合金经条带铸造形成片状物；

将所述片状物氢爆形成颗粒；

将所述颗粒进行脱氢处理；并

将所述颗粒进行喷射研磨以形成平均颗粒直径在1.6-3.0微米的主合金或辅助合金粉末；

将所述主合金粉末和所述至少一种辅助合金粉末混合；

在磁场中将所述粉末的混合物成型为粉末坯块；

在1020-1120℃下烧结所述坯块1-5小时；

淬火至室温。