CN104952576B - R‑t‑b系永久磁铁 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种具备高剩余磁通密度并具备低矫顽力,且通过小的外部磁场就能够可逆地改变磁力的适宜作为可变磁通电动机用的磁力可变磁铁的R‑T‑B系永久磁铁。本发明通过含有形成主相的化合物的组成为(R1‑xYx)2T14B(R为由La、Ce、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,T为以Fe或者Fe和Co为必需元素的1种以上的过渡金属元素,0.2≤x≤0.7)的主相颗粒,剩余磁通密度Br为1.1T以上,矫顽力HcJ为400kA/m以下,用于使剩余磁通密度Br为0所需的外部磁场Hex与矫顽力HcJ之比Hex/HcJ为1.10以下,从而得到适宜作为可变磁通电动机用的磁力可变磁铁的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
众所周知以四方晶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,自1982年的发明(专利文献1:日本专利特开昭59-46008号公报)以来是一种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系磁铁其各向异性磁场Ha大且作为永久磁铁材料优选。其中将稀土元素R做成Nd的Nd-Fe-B系磁铁其饱和磁化强度Is、居里温度Tc以及各向异性磁场Ha的平衡良好,并且在资源量、耐蚀性方面比使用了其他稀土元素R的R-T-B系磁铁更为优异所以被广泛使用。
作为民生、产业以及运输设备的动力装置一直在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(armature current)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。
为了解决上述技术问题而开发了一种使用了通过使来自外部的磁场作用从而磁力可逆地变化的磁铁(磁力可变磁铁)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,通过减小磁力可变磁铁的磁力能够抑制由如现有的弱磁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:日本专利特开昭59-46008号公报
专利文献2:日本专利特开2010-34522号公报
专利文献3:日本专利特开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,对可变磁铁来说要求高剩余磁通密度和低矫顽力等磁性能。
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1.0T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1.3T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中公开了将以作为稀土元素R的Ce为必需成分的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而作为稀土元素R将Ce作为必需成分,剩余磁通密度Br为0.80T~1.25T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1.3T左右。
发明内容
发明所要解决的技术问题
本发明就是认识到上述技术问题而完成的发明,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适宜于可变磁通电动机的高剩余磁通密度、高矩形性且低矫顽力的可变磁铁。
解决技术问题的手段
本发明的R-T-B系永久磁铁的特征在于:含有组成为(R1-xYx)2T14B(R为由La、Ce、Pr、Nd、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb和Lu中的1种以上构成的稀土元素,T为以Fe或者Fe和Co作为必需成分的1种以上的过渡金属元素,0.2≤x≤0.7)的主相颗粒,剩余磁通密度Br为1.1T以上,矫顽力HcJ为400kA/m以下,用于将剩余磁通密度Br控制为0所需的外部磁场Hex与矫顽力HcJ之比Hex/HcJ为1.10以下。
本发明人发现,在R-T-B系永久磁铁中,通过将稀土元素R中的一定量做成Y可获得适宜作为可变磁通电动机用的可变磁铁的永久磁铁,该永久磁铁具有高剩余磁通密度且具有低矫顽力,并且通过小的外部磁场就能够控制磁化状态。
作为稀土磁铁的矫顽力的起源的磁晶各向异性是由于稀土离子的单离子各向异性束缚结晶整体的磁矩而产生的。该稀土离子的单离子各向异性是由原子组态和离子的电子云来决定的。例如,作为代表性的R-T-B系永久磁铁的四方晶Nd2Fe14B结构的磁各向异性起因于来自Nd的薄煎饼型的电子云的单离子各向异性。
如果能够将显示成为磁晶各向异性的起源的单离子各向异性的元素置换成不显示各向异性的元素,则能够这样维持R-T-B系永久磁铁的高磁化而仅降低磁各向异性。即,能够获得适宜作为可变磁通电动机用的可变磁铁的具有高剩余磁通密度且具有低矫顽力的永久磁铁。
在能够成为四方晶R2T14B结构的稀土元素R的元素中,具有不显示各向异性的球形电子云的元素为Y和La。然而,La因为离子半径大,所以在四方晶R2T14B结构的稀土元素R中所占的La的量有限制。即,如果选择Y作为四方晶R2T14B结构的稀土元素R,则能用比较容易的制造工序得到适宜作为可变磁通电动机用的可变磁铁的永久磁铁,该永久磁铁具有高剩余磁通密度并且具有低矫顽力,并且可以通过R中所占的Y的量在大的范围内调整矫顽力。
另外,由于Y的原子量为88.91并且小于Nd的原子量144.2,所以通过将Nd置换成Y而获得的永久磁铁与现有的Nd-Fe-B系永久磁铁相比变得轻了。
发明效果
根据本发明,通过将R-T-B系永久磁铁中的稀土元素R中的规定量做成Y,可获得适宜作为可变磁通电动机用的可变磁铁的永久磁铁,该永久磁铁具有高剩余磁通密度且具有低矫顽力,并且通过小的外部磁场就能够控制磁化状态。
附图说明
图1是用于求得本发明的实施例4中的剩余磁通密度Br成为0的外部磁场Hex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,实施方式所记载的所有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系永久磁铁特征在于:含有组成为(R1-xYx)2T14B(R为由La、Ce、Pr、Nd、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb和Lu中的1种以上构成的稀土元素,T为以Fe或者Fe和Co作为必需成分的1种以上的过渡金属元素,0.2≤x≤0.7)的主相颗粒,剩余磁通密度Br为1.1T以上,矫顽力HcJ为400kA/m以下,用于将剩余磁通密度Br做成0所需的外部磁场Hex与矫顽力HcJ之比Hex/HcJ为1.10以下。
在本实施方式中,R为由La、Ce、Pr、Nd、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb和Lu的1种以上构成的稀土元素。
在本实施方式中,在主相颗粒的组成中所占有的Y的量x为0.2≤x≤0.7。伴随x的增加,大致维持剩余磁通密度Br不变,而仅矫顽力HcJ降低。本发明人认为这是由于伴随于Y的量的增加试样的磁晶各向异性降低了。然而,如果x超过0.7则矩形性Hk/HcJ会显著降低,并且作为电动机用的磁铁所获取的磁通降低。另外,在本实施方式中,对于在主相颗粒的组成中所占的Y的量x,如果0.4≤x≤0.6,则伴随组成的变化的磁特性变化平稳,从制造上的稳定性的观点出发更为优选。
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或者Fe和Co作为必需成分的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,并且能够将矫顽力相对于温度上升的降低抑制小。另外,通过Co量的增加可以提高稀土永久磁铁的耐腐蚀性。
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气气氛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。在滚筒上被急剧冷却的金属熔液被急剧冷却凝固成薄板或者薄片(鳞片)状。该被急剧冷却凝固的合金具有由作为粒径为1~50μm的主相颗粒的R2T14B结晶与高R组成的晶界相颗粒构成的树枝状组织。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,作为原料合金是基本上应用从1种合金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。
原料合金被提供给吸氢工序。原料合金通过吸氢从而脆化并容易在以后的粉碎工序中粉碎。另外,在由主相颗粒和晶界相颗粒构成的原料合金中,由于主相和晶界相的吸氢量即体积膨胀率的差异而产生裂纹并容易在以后的粉碎工序中粉碎。原料合金能够吸附的氢量越是低温越大,为了使粉碎工序变得容易而在更低温度下的吸氢工序是有效的。然而,由于在低温下吸附氢存在需要长时间的制造上的问题,因此通常在吸氢工序中原料合金被加热并保持在200~400℃左右。另外,如果将原料合金的加热和保持温度设在700℃以上,则吸氢量会陡增。这是起因于主相Nd2Fe14B分解成NdH2、Fe2B、Fe这3相的歧化反应,并且利用本现象有将结晶颗粒细微化从而获得高矫顽力粉末的HDDR(氢化、歧化、脱氢、再结合(Hydrogeneration、Decomposition、Desorption、Recombination))法。在本实施方式中,吸氢工序中的加热和保持温度根据原料合金的组成而不同,为600~800℃。本发明人认为通过将吸氢工序中的温度控制在上述范围,从而仅在原料合金的一部分中发生歧化反应,并且有助于通过组织不均匀化引起的低矫顽力化以及由钉扎相(pin phase)生成引起的磁化机理的钉扎化。
吸氢后的原料合金被提供给氢排放工序。氢排放工序是在真空中或者在被控制了压力的惰性气体气氛中进行。在HDDR法中氢化-歧化反应后的脱氢-再结合工序是用于获得高矫顽力的极为重要的工序,但是本发明的目的是获得通过小的外部磁场就能够控制磁化状态的永久磁铁,因此不需要如HDDR法那样严密的氢排放工序的控制。在本实施方式中,氢排放工序中的加热和保持温度根据原料合金的组成而不同,为650~850℃。在氢排放工序中通过将温度控制在上述范围并减小气氛中的氢分压,从而脱氢-再结合反应进行,并且从NdH2、Fe2B、Fe的3相中生成Nd2Fe14B。本发明人认为,在由该脱氢-再结合反应进行的Nd2Fe14B的生成过程中,由于不完全反应产生异相或缺陷的残留,从而有助于低矫顽力化以及由钉扎相生成而引起的磁化机理的钉扎化。另外,在通过氢排放工序的脱氢-再结合反应生成Nd2Fe14B之后,在不发生氢化-分解反应的温度(特别是以增大吸氢量为目的的低温)下对原料合金进行吸氢对于使之后的粉碎工序容易是有效的。在该情况下,虽然原料合金是在吸氢了的状态下经过粉碎工序,但是由于在烧结工序的初期阶段的升温过程中被吸附的氢被放出所以没有问题。
氢排放工序后的原料合金被提供给粗粉碎工序。通过由捣碎机、颚式破碎机、布朗磨等将原料合金粉碎到成为数百μm左右的粒径,得到粗粉碎粉。另外,粗粉碎工序优选在惰性气体气氛中进行。此外,在吸氢-放出工序后的原料合金已成为大致所希望的粒径的情况下可以省略粗粉碎工序。
粗粉碎粉被提供给微粉碎工序。将粗粉碎粉通过气流粉碎机、湿式粉碎机(球磨机、超微磨碎机)等粉碎到成为1~5μm的平均粒径,从而获得微粉碎粉。气流粉碎机是一种将高压气体通过狭窄的喷嘴放出从而产生高速气流并使粗粉碎粉加速并碰撞来进行粉碎的方法,通过以惰性气体作为该气体能够抑制被粉碎粉的氧化。湿式粉碎机是一种对分散介质中的介质(media)和被粉碎粉赋予动能并粉碎被粉碎粉的方法,通过选择适当的分散介质能够抑制被粉碎粉的氧化。
微粉碎粉被提供给磁场中成型。磁场中成型中成型压力设为0.3~3ton/cm2(30~300MPa)的范围即可。成型压力从成型开始到结束既可以一定也可以是逐渐增加或者逐渐减少,或者也可以不规则变化。成型压力越低则取向性越好,但是如果成型压力过低则成型体的强度不足会在操作处理上产生问题,因此考虑这一点而在上述范围选择成型压力。以磁场中成型所得到的成型体的最终相对密度通常为40~60%。所施加的磁场为960~1600kA/m(12~20kOe)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。
在微粉碎时可以添加0.01~0.3wt%左右的以提高成型时的润滑和取向性作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、双乙撑硬脂酸酰胺、作为烃的石蜡、萘等。
成型体被提供给烧结工序。烧结是在真空或者惰性气体气氛中进行。烧结保持温度和烧结保持时间有必要根据组成、粉碎方法、平均粒径和粒度分布的差异等各条件进行调整,不过大致在1000℃~1200℃、2小时~20小时下即可。
众所周知通过提高烧结保持温度并且延长烧结保持时间能够获得高剩余磁通密度且低矫顽力的永久磁铁。但是,通过高温和长时间的烧结工序引起的烧结体的矫顽力降低是起因于粗大的结晶颗粒,并且为了反方向磁化需要数倍于矫顽力的外部磁场,因此不能通过小的外部磁场控制磁化状态。即,通过高温和长时间的烧结工序获得的具有高剩余磁通密度且具有低矫顽力的永久磁铁不适宜作为可变磁通电动机用的可变磁铁。
在烧结之后,可以对所获得的烧结体施以时效处理。时效处理工序是对调整矫顽力有效的工序,但在时效处理工序中能够调整的矫顽力为400kA/m左右,仅用时效处理工序难以将Nd-Fe-B系永久磁铁的矫顽力(1000kA/m以上)降低到适宜作为可变磁通电动机用的可变磁铁的矫顽力。即,矫顽力的粗略调整取决于组成(Y量的调整),时效处理工序通过停留于矫顽力的微调整程度,从而能够在比较容易的制造工序中得到具有高剩余磁通密度并且具有低矫顽力的适宜作为可变磁通电动机用的可变磁铁的永久磁铁。
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Nd金属、Y金属、电解铁、硼铁至主相颗粒的组成成为(R1-xYx)2T14B(R=Nd,T=Fe,x=0.0~1.0),用薄带连铸(strip casting)法得到薄板状的合金。将合金进行吸氢工序,该吸氢工序是在被控制在氢分压PHD=10~100kPa的气氛中、吸氢温度为THD=500~800℃下保持1小时,该吸氢工序之后进行氢排放工序,该氢排放工序是在真空中在氢排放温度TDR=800℃下保持1小时。进一步,将氢排放工序后的合金进行吸氢工序,该吸氢工序是在控制为氢分压PAB=1MPa的气氛中在吸氢温度TAB=-50℃下保持3小时。另外,由于吸氢工序后的原料合金被粉碎成数百μm的粒径,因此省略粗粉碎工序。作为润滑剂添加0.1wt%的油酸酰胺,使用气流粉碎机在Ar气气氛中得到了微粉碎粉(平均粒径3μm)。将微粉碎粉充填于模具(开口尺寸:20mm×18mm),在与加压方向成直角的方向上施加磁场(2T)的同时用2.0ton/cm2的压力进行单轴加压成型。将所获得的成型体升温至烧结温度TS=1090℃并保持4小时,之后使其冷却至室温,接下来,以在一次时效温度T1=850℃下1小时在二次时效温度T2=530℃下1小时进行时效处理,得到了烧结体。
烧结体的磁特性使用BH示踪器来测定。首先,在正负方向上施加烧结体达到磁饱和的充分的外部磁场并得到磁化-磁场曲线(全环)。接下来,在负方向上施加规定磁场,之后在正方向上施加达到饱和的磁场并获得磁化-磁场曲线(局部回路)。通过使在负方向上施加的规定的磁场逐渐增加同时进行多次测定,从而能够求得剩余磁通密度Br成为0的外部磁场Hex。在图1中例示了用于求得本发明的实施例4中的剩余磁通密度Br成为0的外部磁场Hex的磁化-磁场曲线。
在通过X线衍射法确认了烧结体主要生成相为四方晶R2T14B结构之后,使用在扫描透射电子显微镜(STEM:Scanning Transmission Electron Microscope)上所具备的能量分散型X线分析(EDS:Energy Dispersive Spectroscopy)装置来分析主相颗粒的中央附近,并对主相颗粒的组成定量化。
[实施例1~6、比较例1~7]
在将主相颗粒的组成设定为(R1-xYx)2T14B(R=Nd,T=Fe,x=0.0~1.0)的情况下,随着Y相对于Nd的置换量x的增加,在大致维持剩余磁通密度Br不变下仅矫顽力HcJ减低,并且在x为0.2以上的条件下可获得适宜作为可变磁通电动机用的可变磁铁的400kA/m以下的矫顽力。但是,如果x超过0.7,则矩形性Hk/HcJ会显著降低,并且作为电动机用的磁铁获取的磁通量降低。即,可知在0.2≤x≤0.7的范围内,能够获得具有高剩余磁通密度且具有低矫顽力的,适宜作为可变磁通电动机用的可变磁铁的永久磁铁。另外,可知在上述范围内,为使剩余磁通密度Br为0所需的外部磁场Hex与矫顽力HcJ之比Hex/HcJ为1.10以下,并能够获得通过小的外部磁场就能控制磁化状态的,适宜作为可变磁通电动机用的可变磁铁的永久磁铁。
[实施例4、实施例7~8]
在将主相颗粒的组成设定为(R1-xYx)2T14B(R=Nd、Pr,T=Fe,x=0.5)的情况下,不依赖于在R中所占的Nd和Pr的比例,通过Y相对于R的置换而能够获得大致维持了剩余磁通密度Br和矩形性Hk/HcJ不变而仅使矫顽力HcJ降低的效果。另外,对于用于使剩余磁通密度Br为0所需的外部磁场Hex与矫顽力HcJ之比Hex/HcJ,其也不依赖于R中所占的Nd和Pr的比例而大致一定。由此可知,在主相颗粒的组成为(R1-xYx)2T14B(0.2≤x≤0.7)的R-T-B系永久磁铁中,即使R是Nd以外的元素也能获得能通过小的外部磁场来控制磁化状态的适宜作为可变磁通电动机用的可变磁铁的永久磁铁。
[实施例4、实施例9、比较例8~9]
在将主相颗粒的组成设定为(R1-xYx)2T14B(R=Nd,T=Fe,x=0.5)并将吸氢工序中的氢分压PHD设定为10~100kPa的情况下,可知如果氢分压PHD过大则剩余磁通密度Br急剧降低,如果氢分压PHD过小则用于使剩余磁通密度Br为0所需的外部磁场Hex与矫顽力HcJ之比Hex/HcJ会急剧增大。即,可知通过将氢分压PHD控制在适当的范围能够获得具有高剩余磁通密度并具有低矫顽力的适宜作为可变磁通电动机用的可变磁铁的永久磁铁。另外,还可知如果氢分压PHD在适当的范围内,则用于使剩余磁通密度Br为0所需的外部磁场Hex与矫顽力HcJ之比Hex/HcJ为1.10以下,并且能够获得通过小的外部磁场就能控制磁化状态的适宜作为可变磁通电动机用的可变磁铁的永久磁铁。
[实施例4、实施例10、比较例10~11]
在将主相颗粒的组成设定为(R1-xYx)2T14B(R=Nd,T=Fe,x=0.5)并将吸氢工序中的吸氢温度THD设定为500~800℃的情况下,可知如果吸氢温度THD过大则剩余磁通密度Br急剧降低,如果吸氢温度THD过小则用于使剩余磁通密度Br为0所需的外部磁场Hex与矫顽力HcJ之比Hex/HcJ会急剧增大。即,可知通过将吸氢温度THD控制在适当的范围能够获得具有高剩余磁通密度并具有低矫顽力的适宜作为可变磁通电动机用的可变磁铁的永久磁铁。另外,还可知如果吸氢温度THD在适当的范围内则用于使剩余磁通密度Br为0所需的外部磁场Hex与矫顽力HcJ之比Hex/HcJ为1.10以下,并且能够获得通过小的外部磁场就能控制磁化状态的适宜作为可变磁通电动机用的可变磁铁的永久磁铁。
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通过小的外部磁场就能够可逆地改变磁力,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磁力可变磁铁。

Claims (2)

1.一种R-T-B系永久磁铁,其特征在于:
含有组成为(R1-xYx)2T14B的主相颗粒,剩余磁通密度Br为1.1T以上,矫顽力HcJ为400kA/m以下,且用于使剩余磁通密度Br为0所需的外部磁场Hex与矫顽力HcJ之比Hex/HcJ为1.10以下,
其中,R为由La、Ce、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,T为以Fe或者Fe和Co为必需元素的1种以上的过渡金属元素,0.2≤x≤0.7。
2.一种旋转电机,其特征在于:
具备权利要求1所述的R-T-B系永久磁铁。
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