CN104952575A

CN104952575A - R-t-b系永久磁铁

Info

Publication number: CN104952575A
Application number: CN201510125527.1A
Authority: CN
Inventors: 榎户靖; 铃木健一
Original assignee: TDK Corp
Current assignee: TDK Corp
Priority date: 2014-03-28
Filing date: 2015-03-20
Publication date: 2015-09-30
Anticipated expiration: 2035-03-20
Also published as: US20150279526A1; CN104952575B; JP5686214B1; JP2015192043A; US10157701B2; DE102015104639A1

Abstract

本发明提供一种具备高剩余磁通密度并具备低矫顽力，且通过外部磁场对磁化的控制性高，作为可变磁通电动机用的可变磁力磁铁适合的R-T-B系永久磁铁。本发明的R-T-B系永久磁铁，其中，退磁曲线中Hk以下的斜率ΔJ/Δ(H/HcJ)小于400kG，通过优选其组成中的R由(R1_1-xR2_x)表示，R1为由Pr、Nd、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb和Lu中的1种以上所构成的稀土元素，R2含有Y、Ce、La中的至少1种，0.2≤x≤0.7，T为以Fe为必须或者以Fe和Co为必须的1种以上的过渡金属元素，从而得到作为可变磁通电动机用的可变磁力磁铁适合的R-T-B系永久磁铁。

Description

R-T-B系永久磁铁

技术领域

本发明涉及R-T-B系永久磁铁。

背景技术

已知以四方晶R₂T₁₄B化合物作为主相的R-T-B系永久磁铁(R为稀土元素，T为Fe或者其一部分被Co置换的Fe，B为硼)具有优异的磁特性，并且自1982年的发明(专利文献1：日本特开昭59-46008号公报)以来是代表性的高性能永久磁铁。

稀土元素R由Nd、Pr、Dy、Ho、Tb构成的R-T-B系磁铁，各向异性磁场Ha大，作为永久磁铁材料优选。其中将稀土元素R设为Nd的Nd-Fe-B系磁铁，饱和磁化强度Is、居里温度Tc、各向异性磁场Ha的平衡良好，并且在资源量、耐蚀性方面比使用其它稀土元素R的R-T-B系磁铁更优异，因此被广泛使用。

作为民生、产业以及运输设备的动力装置，一直使用永磁同步电动机。但是，由永久磁铁产生的磁场一定的永磁同步电动机由于感应电压与旋转速度成比例地提高，因此难以驱动。从而，永磁同步电动机在中/高速区域以及轻负载时需要进行用由电枢电流(armaturecurrent)产生的磁通来抵消永久磁铁的磁通的弱磁控制以使得感应电压不会成为电源电压以上，其结果存在降低电动机效率的问题。

为了解决上述问题而开发了一种使用通过使来自外部的磁场作用从而磁力可逆地变化的磁铁(可变磁力磁铁)的可变磁通电动机。在可变磁通电动机中，在中/高速区域以及轻负载时，通过减小可变磁力磁铁的磁力而能够抑制如现有的弱磁场所导致的电动机的效率降低。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本特开昭59-46008号公报

专利文献2：日本特开2010-34522号公报

专利文献3：日本特开2009-302262号公报

在可变磁通电动机中，并用磁力一定的固定磁铁和能够使磁力变化的可变磁铁。为了可变磁通电动机的高输出化和高效率化，要求从可变磁铁能获取与固定磁铁同等的磁通。然而，可变磁铁需要在被装入电动机的状态下用能够施加的小的外部磁场来控制磁化状态。即，对可变磁铁而言，要求高剩余磁通密度和低矫顽力这样的磁性能。

在专利文献2中公开了将Sm-Co系永久磁铁作为可变磁铁的可变磁通电动机，通过将Nd-Fe-B系永久磁铁作为固定磁铁的结构，能够获得电动机效率的改善。但是，作为可变磁铁的Sm-Co系永久磁铁的剩余磁通密度Br为10kG左右，没有达到作为固定磁铁的Nd-Fe-B系永久磁铁的剩余磁通密度Br的13kG左右，从而成为电动机输出和效率降低的原因。

在专利文献3中公开了将作为稀土元素R以Ce为必须的R-T-B系永久磁铁作为可变磁铁的可变磁通电动机，通过将与作为固定磁铁的Nd-Fe-B系永久磁铁同等的结构的R-T-B系永久磁铁作为可变磁铁，从而能够期待从可变磁铁也能获得与固定磁铁同等的剩余磁通密度Br。但是，在专利文献3中，如果为了将矫顽力控制在作为可变磁铁优选的低值从而作为稀土元素R以Ce为必须，剩余磁通密度Br为8kG～12.5kG左右，则不会达到作为固定磁铁的Nd-Fe-B系永久磁铁的剩余磁通密度Br的13kG左右。

另外，在作为可变磁铁使用时，其控制性成为问题。通过从外部使磁场作用来使磁力改变的时候，如果对于磁场，磁力的变化很陡，则磁力的控制变得不容易。如果可变磁铁的磁力不能任意地控制，则可变磁通电动机的效率显著降低。

发明内容

发明所要解决的技术问题

本发明就是认识到这样的状况而完成的发明，其目的在于提供一种在宽的旋转速度区域中能够维持高效率的可变磁通电动机中适宜的、高剩余磁通密度、低矫顽力且磁力控制性优异的可变磁铁。

解决技术问题的手段

本发明的R-T-B系永久磁铁，其特征在于，退磁曲线中Hk以下的斜率ΔJ/Δ(H/HcJ)小于400kG，优选其组成中的R由(R1_1-xR2_x)表示，R1为由Pr、Nd、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb和Lu中的1种以上所构成的稀土元素，R2含有Y、La、Ce中的至少1种，0.2≤x≤0.7，T为以Fe为必须或者以Fe和Co为必须的1种以上的过渡金属元素。

本发明人们发现，在R-T-B系永久磁铁的退磁曲线中，在比Hk低的矫顽力侧的ΔJ/Δ(H/HcJ)的倾斜度越小，则磁通的控制越容易，越适合作为可变磁通电动机用的可变磁铁。特别地，通过将稀土元素R中的规定量设为Y、Ce、La的任意种或者设为它们的混合，从而可以得到作为可变磁通电动机用的可变磁铁适合的、高剩余磁通密度且低矫顽力、并且通过小的外部磁场就能够控制磁化状态的永久磁铁。

在从被磁化的磁铁中除去磁力的情况下，需要施加与磁化的方向相反方向的磁场。此时所需磁场根据该磁铁的矫顽力表现机制或者矫顽力的绝对值而不同，但是至少需要矫顽力以上的磁场。反磁场通常由在磁铁附近的卷线线圈中流过电流来进行。流通的电流根据卷线的状态或者温度，或者电流的控制系统的状态而不同，因此并不一定流通恒定的电流值。该电流值与反磁场的大小直接相关。如果磁通对反磁场的大小敏感地发生变化，则难以将施加反磁场后的可变磁铁的磁通保持为一定值。因此，需要具有对反磁场反应迟钝的磁通变化的可变磁铁。

即，希望退磁曲线中磁化开始急剧下降后的区域中磁化会缓慢地减少。如果缓慢地减少，则对于所需求的磁化的容许值所需的反磁场的宽度增大。如果所需的磁场的绝对值增大，则反磁场的宽度的绝对值即使相同，控制性也降低。因此，不是希望ΔJ/ΔH小，而是希望H除以矫顽力HcJ后的ΔJ/Δ(H/HcJ)小。

在可变磁通电动机中，通过反磁场的施加在可变磁铁中所追求的磁化不一定限于0。然而，即便是想将磁化可变为0以外的量的时候，如果ΔJ/Δ(H/HcJ)小，也不能说控制性变高。

即便ΔJ/Δ(H/HcJ)小，如果矩形比、即Hk/HcJ小，则容易退磁。因此，在矩形比确保为某种程度之上，希望ΔJ/Δ(H/HcJ)小。在此，Hk是指磁通密度为剩余磁通密度(Br)的90％时的磁场的值。在此，在本发明中将从Hk到HcJ处的斜率记作ΔJ/Δ(H/HcJ)。

本发明人们为了制作ΔJ/Δ(H/HcJ)小的磁铁而进行专门努力，结果发现了通过调节R-T-B系磁铁的组成而可以得到ΔJ/Δ(H/HcJ)小的磁铁。为使ΔJ/Δ(H/HcJ)小，需要磁铁内部的各颗粒的矫顽力分布大。R-T-B系磁铁的矫顽力表现机制为成核型，即，通过晶界相而造成的颗粒之间的磁分离状况影响各颗粒的矫顽力。如果该磁分离不均匀，则能够使矫顽力的分布增大，进一步使ΔJ/Δ(H/HcJ)减小。

作为使磁分离不均匀的方法，发现使晶界相不均匀是有效的。Nd-Fe-B系磁铁的晶界相主要由被称作富Nd相(Nd-rich phase)的、以Nd为主成分的相形成。该富Nd相磁分离性高，且表现高的矫顽力。相对于此，由于富Y相(Y-rich phase)或者富Ce相(Ce-rich phase)、富La相(La-rich phase)与富Nd相的磁分离性不同，因此通过使这些相与富Nd相复合存在，从而可以使矫顽力具有分布。

然而，仅仅只是添加Y或者Ce、La则作为晶界相形成均匀的固溶相，无法得到不均匀的矫顽力分布。在此，通过进行6小时以上的长时间热处理会在晶界部形成富Y相或富Ce相、富La相，并与富Nd相形成复相(multiple phase)，成功地具备矫顽力分布。

发明的效果

根据本发明，通过将退磁曲线中Hk以下的斜率ΔJ/Δ(H/HcJ)设为小于400kG，可以得到作为可变磁通电动机用的可变磁铁适合的、高剩余磁通密度且低矫顽力、并且通过小的外部磁场就能够控制磁化状态、进而其控制性高的永久磁铁。

附图说明

[图1]是本发明中用于求得ΔJ/Δ(H/HcJ)的磁化-磁场曲线。

具体实施方式

以下详细说明本发明的优选的实施方式。另外，实施方式是不限定发明的例示，实施方式所记载的全部特征或其组合不一定限于发明的本质内容。

本发明的R-T-B系永久磁铁，其特征在于，退磁曲线中Hk以下的斜率ΔJ/Δ(H/HcJ)小于400kG，优选其组成中的R由(R1_1-xR2_x)表示，R1为由Pr、Nd、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb和Lu中的1种以上所构成的稀土元素，R2含有Y、Ce、La中的至少1种，0.2≤x≤0.7，T为以Fe为必须或者以Fe和Co为必须的1种以上的过渡金属元素。

在本实施方式中，B可以用C来置换其一部分。C的置换量相对于B优选为10原子％以下。

在本实施方式中，作为组成余量的T为以Fe为必须或者以Fe和Co为必须的1种以上的过渡金属元素。Co量相对于T量优选为0原子％以上且10原子％以下。通过Co量的增加可以提高居里温度，并且能够将相对于温度上升的矫顽力的降低抑制小。另外，通过Co量的增加可以提高稀土永久磁铁的耐蚀性。

以下针对本发明的制造方法的优选例子进行说明。

在本实施方式的R-T-B系永久磁铁的制造中，首先，准备具有能够得到所希望的组成的R-T-B系磁铁的原料合金。原料合金能够在真空或者惰性气体，优选为Ar气氛中通过薄带连铸(strip casting)法、其它公知的熔化法来制作。薄带连铸法是将原料金属在Ar气氛围等非氧化性气氛中熔化而获得的金属熔液喷出至旋转的滚筒的表面。在滚筒上被急冷的金属熔液被急冷凝固成薄板或者薄片(鳞片)状。该被急冷凝固的合金具有结晶粒径为1～50μm的匀质的组织。原料合金不限定于薄带连铸法，能够通过高频感应熔化(high frequency inductionmelting)等熔化法来得到。还有，为了防止熔化后的偏析，例如可以将金属熔液倾注于水冷铜板上使其凝固。另外，也能够将通过还原扩散法得到的合金作为原料合金来使用。

在本发明中，在制得R-T-B系永久磁铁的情况下，作为原料合金，基本上应用从1种合金来制作磁铁的所谓单一合金法，但也能够应用将作为主相颗粒的R₂T₁₄B结晶作为主体的主相合金(低R合金)、和比低R合金更多地含有R且有效地有助于晶界形成的合金(高R合金)的所谓混合法。

将原料合金供给粉碎工序。在利用混合法的情况下，低R合金和高R合金被分别或者一起粉碎。在粉碎工序中，有粗粉碎工序和微粉碎工序。首先，将原料合金粗粉碎至粒径为数百μm左右。粗粉碎优选使用捣碎机、颚式破碎机、布朗磨等在惰性气体氛围中进行。在粗粉碎之前，通过在原料合金中吸附氢之后再使之释放来进行粉碎是有效的。氢释放处理以将作为稀土类烧结磁铁减少成为杂质的氢为目的而进行。用于氢吸附的加热保持温度为200℃以上，优选为350℃以上。保持时间根据与保持温度之间的关系、原料合金的厚度等而改变，但至少为30分钟以上，优选为1小时以上。氢释放处理在真空中或者Ar气流中进行。另外，氢吸附处理、氢释放处理不是必须的处理。还可以将该氢粉碎定位为粗粉碎，从而省略机械性的粗粉碎。

粗粉碎工序之后转移至微粉碎工序。在微粉碎工序主要使用喷射磨(jet mill)，将粒径为数百μm左右的粗粉碎粉末做成平均粒径为2.5～6μm，优选为3～5μm。喷射磨是一种将高压惰性气体通过狭窄的喷嘴放出从而产生高速气流，并且通过该高速气流来加速粗粉碎粉末，使粗粉碎粉之间的碰撞、或者粗粉碎粉与靶材或容器壁的碰撞发生来粉碎的方法。

微粉碎中也可以使用湿式粉碎。湿式粉碎中使用球磨或者湿式磨碎机等，将粒径数百μm左右的粗粉碎粉末做成平均粒径为1.5～5μm，优选为2～4.5μm。在湿式粉碎中通过选择适当的分散介质，从而使磁铁粉末不接触氧而进行粉碎，因此能够得到氧浓度低的微粉末。

在微粉碎时可以添加0.01～0.3wt％左右的以提高成形时的润滑和取向性为目的的脂肪酸或者脂肪酸的衍生物或烃，例如作为硬脂酸类或油酸类的硬脂酸锌、硬脂酸钙、硬脂酸铝、硬脂酸酰胺、油酸酰胺、亚乙基二异硬脂酸酰胺；作为烃的石蜡、萘等。

将微粉碎粉提供至磁场中成形。将磁场中成形的成形压力设为0.3～3ton/cm²(30～300MPa)的范围即可。成形压力从成形开始到结束为止，既可以是一定的，也可以是逐渐增加或者逐渐减少，或者也可以不规则变化。成形压力越低则取向性越好，但是如果成形压力过低，则成形体的强度不足，会在操作上产生问题，因此考虑这一点而从上述范围选择成形压力。磁场中成形所得到的成形体的最终相对密度通常为40～60％。

所施加的磁场为400～1600kA/m(5～20kOe)左右即可。所施加的磁场并不限定于静磁场，也可以做成脉冲状的磁场。另外，也可以并用静磁场和脉冲状磁场。

将成形体提供给烧结工序。烧结是在真空或者惰性气体氛围中进行。其温度根据组成而不同，但优选在1000℃～1100℃下进行。

烧结之后，可以对所获得的烧结体施以时效处理。该工序是控制矫顽力的重要工序。在将时效处理分成2个阶段进行的情况下，在800℃附近、500℃附近保持规定的时间有效。如果在烧结之后进行800℃附近的热处理，则矫顽力增大。另外，由于在500℃附近的热处理会大大增加矫顽力，因此在以1个阶段进行时效处理的情况下，可以进行500℃附近的时效处理。

实施例

以下基于实施例和比较例来进一步具体说明本发明，但是本发明完全不限定于以下所述的实施例。

称量规定量的稀土金属、电解铁、硼铁合金(ferro boron)以使主相颗粒的组成成为所希望的组成，用薄带连铸法得到薄板状的R-T-B合金。将该合金在氢气流中边搅拌边进行热处理，从而做成粗粉末，然后作为润滑剂添加油酸酰胺，使用喷射磨在非氧化气氛中做成微粉末(平均粒径4.3μm)。将得到的微粉末充填于模具(开口尺寸：20mm×18mm)，在与加压方向成直角的方向上施加磁场(2T)，并且用2.0ton/cm²的压力进行单轴加压成形。将所获得的成形体升温至1050℃并保持一定时间，然后使其冷却至室温，接着进行850℃-1小时、530℃-1小时的时效处理，得到烧结体。

烧结体的磁特性使用BH示踪器来测定。从所得到的退磁曲线来计算ΔJ/Δ(H/HcJ)的值。

将所得到的烧结体在环氧树脂中进行树脂填埋，并研磨其截面。研磨使用市售的砂纸，并且一边从目数低的砂纸变换到高的砂纸一边进行研磨。最后使用抛光轮(buff)和金刚石磨粒进行研磨。此时，不沾水等进行研磨。如果使用水，则晶界相成分会腐蚀。

使用电子显微镜观察研磨过的样品的晶界部的相状态。通过反射电子像可以从其深浅来识别晶界相的组成的区别。由此辨别晶界的富R相是由多个相复合存在的复相状态、还是固溶有多种R成分的固溶相。另外，在R成分仅为Nd的情况下成为单相。

[实施例1～8、比较例1～2]

以14.2mol％R-5.8mol％B-余量Fe作为基本成分，向其中添加0.5质量％的Co、0.18质量％的Al、0.1质量％的Cu。做成该组成的烧结体。R的组成(原子％)和烧成时间如表1所示。测定了它们的磁特性和剩磁偏差、退磁。将其结果示于表1。

与Nd 100％相比，通过添加Y、Ce、La从而矫顽力HcJ的绝对值降低。另外，显示了低的ΔJ/Δ(H/HcJ)。其结果是剩磁偏差小，磁化的控制性良好。由于矩形比(HK/HcJ)高，因此也没有发现退磁。比较例1和2的矫顽力HcJ高，剩磁偏差变大。实施例6显示低的ΔJ/Δ(H/HcJ)，且剩磁偏差变小。但是，如果矫顽力HcJ显著降低为1.2kOe，则可能会退磁。

[比较例3～5]

比较例3和比较例4除了将烧结时间定为2小时以外，其它均与实施例2和实施例4同样地制作。比较例6除了将烧结时间定为12小时以外，其它均与比较例1同样地制作。比较例3和比较例4与实施例2和实施例4相比，矫顽力HcJ没有大的改变，但是ΔJ/Δ(H/HcJ)大幅度增加。其结果是剩磁偏差变大。这是由于晶界相的偏析少，矫顽力的分布变小。

比较例5定为与实施例1～8同样的烧成时间，但与比较例1相比，矫顽力HcJ有一些降低，但是ΔJ/Δ(H/HcJ)没有增加。这是由于没有引起Y、Ce和La这样的偏析，没有在晶界相的磁分离中产生分布。

产业上的利用可能性

如上所述，本发明所涉及的R-T-B系永久磁铁因为具备高剩余磁通密度并且用外部磁场的磁化的控制性高，所以适宜作为在民生·产业·运输设备等需要可变速的运转中能够获得高效率的可变磁通电动机用的可变磁力磁铁。

Claims

1.一种R-T-B系永久磁铁，其特征在于，

退磁曲线中Hk以下的磁场的退磁曲线的斜率ΔJ/Δ(H/HcJ)小于400kG。

2.如权利要求1所述的R-T-B系永久磁铁，其特征在于，

剩余磁通密度Br为12kG以上且矫顽力HcJ小于8.0kOe。

3.如权利要求1或2所述的R-T-B系永久磁铁，其特征在于，

矩形比Hk/HcJ为80％以上。

4.如权利要求1所述的R-T-B系永久磁铁，其特征在于，

R的组成由R1_1-xR2_x表示，R1为由Pr、Nd、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb和Lu中的1种以上所构成的稀土元素，R2含有Y、Ce、La中的至少1种，0.2≤x≤0.7，T为以Fe为必须或者以Fe和Co为必须的1种以上的过渡金属元素。

5.如权利要求4所述的R-T-B系永久磁铁，其特征在于，

作为晶界相具有富R相，所述富R相由富R1相和富R2相的复相构成。

6.一种可变磁力磁铁，其特征在于，

使用权利要求1～5中任一项所述的R-T-B系永久磁铁。

7.一种可变磁通电动机，其特征在于，

使用权利要求1～5中任一项所述的R-T-B系永久磁铁。