CN1067985A - 稀土铁氮化物永磁材料 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种稀土铁氮化物永磁材料，其特 征是成分可用分子式(R_1-xR′_x)(Fe_1-yM_y)17N_δ表示， R代表镧系稀土元素，R′代表与R不同的稀土元素， M代表元素周期表中的3d和4d过渡族金属元素以 及IIIA、IVA、VA、VIA族元素的一种或多种。采用 适当的生产工艺，生产出的化合物粉末的磁性能可 达：居里温度Tc≥470℃，各向异性HA≥ 11.14MA/m，矫顽力Hci≥796-2388KA/m，剩磁 Br≥0.7-1.1T。将具有该性能磁粉采用粘结或冷压 或热压或温度变形等技术可制成性能优异的永磁材 料。

Description

本发明提供了一种稀土铁氮化物永磁材料及其生产工艺。

R2Fe17稀土金属化合物具有很高的饱和磁化强度（Ms），它的理论磁能积（B·H）m可达到477KJ/m³到557KJ/m³，它不含战略金属钴，并且在化合物中，它的相对稀土含量较低，是理想的高性能廉价稀土永磁材料的候选者。但它有两个缺点：①它是易基面的，各向异性较低;②它的居里点低。最近实验发现将R2Fe17与氮（N）化合，形成R2Fe17Nδ化合物。它的居里点可提高到470℃，它可转化为易C轴，各向异性场可高达11.14MA/m。（见J.M.D.Coey et al A new Family of rare earth Iron nitnidel）它有可能发展成为高磁能积，高使用温度，高稳定性新型稀土永磁材料。但文献仅给出R₂Fe₁₇Nδ化合物的内禀磁特性，并没有给出将该材料做成高矫顽力磁粉或磁体的成分，具体方法与工艺。另有一篇文献K.Schnitzhe et al Applphys Lett报导，采用机械合金化方法，可将Sm2Fe17Nδ化合物做成高矫顽力（H_ci＝2.38MA/m）各向异性磁粉。但采用此方法需要高能球磨机和真空保护系统，工艺不易控制，具有较大局限性。

最近有两篇含有N元素的RFe永磁材料方面的专利。一篇是欧洲专利，专利号为EP369097，它是日本I.Takahiko，K.Kulima和I.Hideaki等人申请的。专利名称是“含有稀土元素，Fe，N和H₂的磁性材料，该材料的分子式是R_αFe（100-α-β-γ）N_βH_γ和R_αFe（100-α-β-γ-δ）N_βH_γM_δ，其中α＝5-20%，β＝5-30%，γ＝0.01-10%，δ＝0.1-40%（原子百分数）。R起码是一种稀土元素（包括Y），M是元素添加物，起码是下列元素的一种，即Sn，Ga，In，Bi，Pb，Zn，Al，Zr，Cu，Mo，Ti，Si，MgO等。在工艺上将铸锭粉末在NH₃和N₂气混合气体中，加热至200-650℃吸N₂和吸H₂，然后做成粘结磁体或烧结磁体。

另一篇是日本专利，专利号为J02057663，它是日本今井秀秋和八山恭彦申请的，专利名称是“各向异性稀土永磁材料和制造方法”，该材料的分子式为：R_αFe（100-α-β-γ）N_βH_γ和RαFe（100-α-β-γ-δ）COδNβHγ，工艺过程与上述EP369097基本相同。并且这两个专利，磁体的性能均较低。

本发明与已有的专利，在材料成分上和工艺上均有不同。

本发明的目的在于通过改进成分和采用新工艺将R2Fe17Nδ化合物做成高性能、高稳定性并有实用意义的永磁材料。

本发明的构成：

1.材料成分：本发明是稀土氮化物永磁材料，它的成分可用如下分子式表示：（R_1-xR′_x）₂（Fe_1-yM_y）₁₇Nδ。其中R代表镧系稀土元素，如Sm，Dy，Nd，Pr等等，优先选择Sm。R′代表与R不同的稀土元素如Pr，Nd，Ce，Dy，Tb，Ho等，优先选择Dy，Tb，X可在0-0.6范围内变化，优先选择0.1-0.3，M代表元素周期表中的3d和4d过渡族金属元素，以及ⅢA，ⅣA，ⅤA，ⅥA族元素的一种或多种。y在0-0.6范围内变化优先选择0.01-0.2。δ在2.0-2.8范围内变化。

2。相组成：

本材料的相组成为：主相是R2Fe17相，还有其他少量相。

3。制造工艺与性能：

采用工业纯Fe（如DT₂等），商品纯金属钐（Sm），镝（Dy），钕（Nd）……等稀土元素，工业硼铁（B-Fe）和其他商品纯金属Cr，Ti，V，Mn，Co，Si，Zr等作为原材料。用真空炉，Ar气保护下冶炼，水冷金属模铸锭。在950-1100℃均匀化处理24-144小时。在氮气保护下破碎至60-400目。装入真空炉内，抽真空至10^-3～10^-5托。通入纯度为99。9%的流动氢气或维持1大气压的氢气，加热至400-800℃优先选择700-750保温2-15小时优先选择4-7小时，抽真空至10^-5托。随炉降温至300-600℃优先选择500-550℃，通入纯度为99.9-99.99%的流动氮气或维持1大气压的氮气，保温2-15小时，出炉快冷。用此制造出的（R_1-xR′_x）₂（Fe_1-yMy）₁₇Nδ化合物粉末的磁性能达到：

居里温度    Tc≥470℃，

各向异性场    HA≥11.14MA/m，

矫顽力    Hci≥796-2388KA/m，

剩磁    Br≥0.7-1.1T

具有上述磁性能的粉末，采用粘结技术或冷压或热压或温变形技术，做成的实用大块磁体的磁性能达到：

剩磁    Br≥0.4-1.0T，

矫顽力    Hci≥796-2388KA/m，

磁能积 （B·H）m≥36-159KJ/m³

居里点    Tc≥470℃

本发明的优点与效益

1.本发明的稀土铁氮化物永磁材料具有下列优点：

（1）比NdFeB永磁材料的居里温度高，稳定性好，抗腐蚀，工作温度高。

（2）这种新型永磁材料可广泛地应用于仪器仪表，微波器件，发电机与电动机，音响设备，磁分离器件，计算机外围设备，石油化工，家用电器，磁疗与健身器件等。

（3）这种材料不含战略金属钴，相对稀土含量较低，目前世界稀土永磁产量约3000吨/年，其中Sm-Co永磁材料产量占一半，约1500吨/年。若用本发明的新型稀土永磁材料代替Sm-Co永磁材料，每年可节约金属钴900吨，相当于可节约1.8亿元/年。

2.本发明方法与工艺的优点是：设备简单，不需要特殊设备，工艺简单，便于操作，工艺消耗费低。

本发明的实施方案

原材料准备→真空冶炼→均匀化退火→H₂破碎处理→氮化处理→成型→热处理→机械加工→检测。

本发明的实施范例：

实施例一

成分为9.17%Sm，12.84%N，余为Fe（原子百分数）采用上述原材料，经真空感应炉，或真空电弧炉，在Ar保护下冶炼。合金铸锭在1000℃退火72小时，在氩气或氮气保护下破碎至320目。装入真空炉内，抽真空至10^-4托，通入纯度为99.9%的氢气，维持正压力，加热至700-750℃，保温4小时，抽真空至10^-5托，随炉降温至500℃，通入纯度为99.99%的氮气，保温5小时，出炉快冷。所得到的磁性粉末的磁性能达到：

剩磁    Br≥0.7-0.85T，

矫顽力    Hci≥1472KA/m，

磁能积 （B·H）m≥87.5-119KJ/m³

采用冷压或温变形技术得到的磁体，其磁性达到：

剩磁    Br≥0.9-1.0T，

矫顽力    Hci≥1432-1592KA/m，

磁能积 （B·H）m≥127-159KJ/m³

实施例二

成分为9.17%Sm，3.89%Cr，12.84%N，余为Fe（原子百分数）的稀土铁氮化物，采用实施例一所用的原材料，方法与工艺，获得磁性粉末的磁性能为：

剩磁    Br≥0.7-0.9T，

矫顽力    Hci≥1592-1910KA/m，

磁能积 （B·H）m≥67-112KJ/m³

采用实施例一的成型方法，得到的大块磁体的磁性能为：

剩磁    Br≥0.75-0.95T，

矫顽力    Hci≥1671-1990KA/m，

磁能积 （B·H）m≥103-151KJ/m³。

Claims (2)

1、一种稀土铁氮化物永磁材料，其特征在于：

a)成分可用分子式(R_1-xR′_x)₂(Fe_1-yMy)₁₇Nδ表示，其中R代表镧系稀土元素，(如Sm，Py，Nd，Pr等)，R′代表与R不同的稀土元素(如Pr，Nd，Ce，Dy，Tb，Ho等)x可在0-0.6范围内变化，M代表元素周期表中的3d和4d过渡族金属元素以及ⅢA、ⅣA、ⅤA、ⅥA族元素的一种或多种，y在0-0.6范围内变化，

b)制造工艺：采用工业纯铁(如DT2等)，商品纯金属钐、镝、钕等稀土元素，工业硼铁和其它商品纯金属Cr，Ti，V，Mn，Co，Si，Zr等作为原材料，用真空炉，Ar气保护下冶炼，水冷金属模铸锭，在950-1100℃均匀化处理24-144小时，在氮气保护下破碎至60-400目，装入真空炉内，抽真空至10^-3～10^-5托，通入纯度为99.9%的流动氢气或维持1大气压的氢气，加热至400-800℃，保温2-15小时，抽真空至10^-5托，随炉降温至300-600℃，通入纯度为99.9-99.99%的流动氮气或维持1大气压氮气，保温2-15小时，出炉快冷，用此方法制造的(R_1-xR′_x)₂(Fe_1-yMy)₁₇Nδ化合物粉末再采用粘结技术或冷压或热压或温变形技术做成实用永磁材料。

2、按照权利要求1所述的稀土铁氮化物永磁材料，其特征在于R的优先选择钐（Sm），R′优先选择镝（Dy）、铽（Tb），X优先选择0.1-0.3，y优先选择0.01-0.2，加热温度优先选择700-750℃，保温时间优先选择4-7小时。