CN108352232A - 制造磁性材料的方法和电机 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及制造包含硬磁相(2)和晶界相(3)的磁性材料的方法，其中硬磁相(2)包含至少一种元素Z、铁和钛，该元素Z选自一种或多种稀土金属（RE）和/或钇；且硬磁相(2)具有下式：ZaTMbFec‑eTid‑fXe+f，其中TM是至少一种过渡金属，a=7至9原子%、b ≤ 41原子%、c ≥ 41原子%、d=7至9原子%，X选自Mo、V、Ta、Nb、Cr、Si、B、Zr、Al、W、Pd和P，e+f=0至4.5原子%，所述稀土金属（RE）含有至少3.5原子%铈且a+b+(c‑e)+(d‑f)+(e+f)=100原子%，且其中晶界相(3)包含至少一种金属M并具有低于硬磁相(2)的包晶温度的熔程。所述方法包括热压和/或热成型的步骤。

Description

制造磁性材料的方法和电机
现有技术
本发明涉及制造具有出色磁性性能的磁性材料的易实施且降低成本的方法。此外，本发明涉及具有高功率密度的电机。
具有高能量积(BH)max的磁性材料通常由Nd2Fe14B硬磁相和富含钕的晶界相构成，并通常通过烧结法制造。在此，晶界相实现液相烧结以实现高烧结密度。液相烧结在此归因于液相在烧结过程中展现出对于硬磁相元素的高溶解度，以使得大的磁性晶粒取代小晶粒通过溶解和再沉积过程而生长并产生多面（facettiert）球形晶粒结构。这提高了磁性材料的矫顽场强度。但是，缺点是钕元素的高成本。通过基于CeFe11Ti的硬磁体实现成本结构的改进。但是，使用Ce和部分Fe和Ti的熔体的类似的液相烧结由于该液相与CeFe11Ti的反应而导致形成CeFe2。硬磁相由于高含量的沉积CeFe2而具有差的磁性性能，因为硬磁相的晶粒受进攻（angegriffen）并且对于磁性性能而言重要的多面晶粒结构的形成受限制。
发明公开内容
根据主权利要求的制造磁性材料的本发明方法克服了这些困难。获得特征在于具有多面球形硬磁晶粒的硬磁相的磁性材料。硬磁相的晶粒通过形成晶界相而磁解耦（magnetisch entkoppelt），以使得磁性材料具有高的矫顽场强度和因此高的能量积(BH)max。
根据本发明，所述硬磁相含有至少一种元素Z，其选自一种或多种稀土金属（RE）和/或钇。作为其它元素，在该硬磁相中包含铁、钛和至少一种其它元素X。所述硬磁相具有下式：
ZaTMbFec-eTid-fXe+f
其中TM是至少一种过渡金属，a = 7至9原子%、b ≤ 41原子%、c ≥ 41原子%且d = 7至9原子%。所述其它元素X选自 Mo、V、Ta、Nb、Cr、Si、B、Zr、Al、W、Pd和P，其中e+f = 0至4.5原子%。特别地，元素X或上面对于X所述的元素的混合物可以替代Fe或Ti。元素X的以原子%为单位的含量（e+f的总和）此时从Fe或Ti的原子%含量中减去。Za在此应理解为可以含有一种或多种稀土金属（RE）和/或钇，其中指数“a”一起适用于元素Z，即稀土金属含量和钇含量的总和。如果所述硬磁相含有RE，其含有至少3.5原子%铈。总体上，根据a+b+(c-e)+(d-f)+(e+f) = 100原子%，由这些指数的总和得到100原子%。
有利地，本发明的硬磁相是基于CeFe11Ti的硬磁相。由上述根据本发明提到的元素形成的硬磁相相比于富含钕的硬磁相而言明显降低成本，但是特征仍在于高的矫顽场强度。这通过如下方式得以辅助，即硬磁晶粒通过根据本发明制造的晶界相而极好地磁解耦。
为此，晶界相包含至少一种金属M并具有低于硬磁相的包晶温度的熔程。如果晶界相包含多种金属M，则它们以合金形式存在并且该合金具有低于硬磁相的包晶温度的熔程。
根据本发明，制造上述磁性材料的方法包括热压和/或热成型的步骤。
通过热压，将获自硬磁相和晶界相的元素的磁性晶粒致密。它们是磁各向同性的，即不具有磁性优选方向。获得具有高能量积和各向同性磁性性能的紧实、致密的磁性材料。
相反，通过热成型，获得具有高能量积的各向异性的磁性材料。在热成型中，通过机械能量输入而引起金属M的流动，由此产生作用力方向上的晶轴。由此，改进磁性材料的剩磁。该热成型可以在热压之后进行。
与其中宏观来看不产生纳米晶体磁性材料的传统烧结法不同，通过本发明的热压和/或热成型法以工艺技术简单的方式且因此在没有高技术以及能量技术支出的情况下获得具有出色的磁性性能的纳米晶体磁性材料。
从属权利要求显示本发明的优选扩展方式。
根据本发明方法的一个优选的实施方案，首先由要制造的硬磁相的元素以及至少一种金属M的化学计量混合物制造第一合金。“化学计量”在此表示要制造的硬磁相的元素如同其随后也存在于硬磁相中那样按比例相互混合。金属M具有低于要制造的硬磁相的包晶温度的熔程，这反映在晶界相的熔程中。如果使用多种金属M，它们以合金形式存在或进一步加工成具有低于要制造的硬磁相的包晶温度的熔程的合金。
在随后的步骤中，将第一合金进一步加工，以使得第一合金在处理后具有纳米晶体结构。“纳米晶体”在本发明的意义上理解为是指粒度为小于500 nm的颗粒和晶粒。优选地，这些晶粒和颗粒具有小于100 nm，特别是30至50 nm的粒度。
随后将纳米晶体第一合金粉末化并且将所得的粉末，即粉末状的第一合金通过如前所述的热压进行预致密，并在等于或高于金属M的熔程且低于所述硬磁相的包晶温度的温度下进行热成型。
所述热压可以有利地在大约500 MPa的压力下且同样在等于或高于金属M（或金属M的合金）的熔程且低于所述硬磁相的包晶温度的温度下进行。
所述热成型优选地在大约100 MPa的压力下实施。通过所示方法获得的磁性材料除了高的能量积和高的剩磁外还具有高的矫顽场强度。
根据本发明方法的一个替代性的有利扩展方式，使用所谓的多元合金化。在此，首先由要制造的硬磁相的元素的化学计量混合物制造第二合金并将其然后加工，以使得第二合金具有纳米晶体结构。随后将所得的纳米晶体第二合金粉末化。
“纳米晶体”如前所述那样在本发明的意义上理解为是指粒度为小于500 nm的颗粒和晶粒。优选地，这些晶粒和颗粒具有小于100 nm，特别是30至50 nm的粒度。
分开地，提供至少一种金属M，其中金属M 具有低于要制造的硬磁相的包晶温度的熔程。如果使用多种金属M，它们以合金形式存在或进一步加工成具有低于要制造的硬磁相的包晶温度的熔程的合金。
随后，同样将金属M或金属M的合金进一步加工，以使得金属M或金属M的合金具有纳米晶体结构。然后，由一种金属M/多种金属M获得的纳米晶体材料粉末化。
接着进行多元合金化工艺。为此，将粉末状的第二合金和粉末状的金属M混合。
又通过热压和经热压的混合物的热成型在等于或高于金属M（或金属M的合金）的熔程且低于所述硬磁相的包晶温度的温度下将粉末状第二合金和粉末状金属M的所得混合物进行预致密。
还通过上述方法获得具有高能量积和高剩磁以及高矫顽场强度的磁性材料。
有利地，借助熔体纺丝、热能研磨或机械合金化将金属M、第一合金和/或第二合金加工成具有纳米晶体结构的金属M或合金。这些方法可容易地使用并且实现具有低于100nm的最大粒度的纳米晶体结构。
为了提高所述磁性材料的剩磁，可以有利地随后进行一个进一步工艺，即晶界相扩散的步骤。该晶界相扩散（晶界扩散）包括将至少一种具有低于硬磁相的包晶温度的熔程的金属M施加到经热成型的磁性材料的表面上的第一步骤。在此，金属M优选与晶界相的金属M相同。这同样适用于使用多种金属M。然后在等于或高于金属M的熔程的情况下进行温度处理，由此使金属M沿着晶界扩散到磁性材料中。
为了改进所述硬磁相的磁性性能，与铈组合使用的稀土金属有利地选自La、Nd、Pr或Sm。这些元素的混合物同样可行。
根据本发明制造的磁性材料的磁性性能可以在同时降低成本的情况下有利地通过如下方式改进，即使得过渡金属是至少一种选自Co、Ni和M的元素。
根据另一个有利的扩展方式，硬磁相具有ThMn12结构。
进一步有利地，晶界相的熔程低于1100℃，优选低于900℃，更优选低于600℃。由此使得溶解和沉积过程变得容易。硬磁相的晶粒被较不严重地进攻，并且形成的晶粒的结构在特别大的程度上是多面且球形的。
为了改进硬磁晶粒在溶解过程中，例如在热压过程时和/或在热成型时的润湿，并为了进一步降低晶界相的熔程，晶界相含有至少一种选自Ag、Ga、Cu、Ce、Al、Si、Nd、Y、Pr、Sm和La的元素。
根据形成在极好矫顽场强度下具有极高最大能量积的磁性材料而言，被证明特别有利的是含有至少一种选自Mg93Nd7、Cu30Nd70、Cu28La72、Cu28Sm72、Ca67Al33、NdGa6、CuAl2、Mg41Nd5、Al3Ca8、LaFe、Fe2Ti、CuCe、Cu2Ce、AlCu、Al2Cu、Al8Cu4Ce、Al4CuCe、CeAl、CeFe、CeFe2、CeGa、CeSi、CeZn、CeSn、CeAg、AlCuCe、SmCu、SmCu2、SmCu4、SmCu5、SmCu6、Nd2Cu和NdCu的合金的晶界相。如果这些合金例如用于通过热压和/或热成型进行加工，则它们不显示出与硬磁相的元素的严重反应，但是具有对于硬磁相元素的高溶解度，以使得促进溶解和沉积过程，这导致硬磁相的严重球形且多面的晶粒结构。
有利地，硬磁相的元素在晶界相中的溶解度在低温下是更小的，因为这样在冷却时通过沉积而形成高含量的硬磁相。硬磁相的晶粒不受进攻，由此改进磁性性能。
CeCu共晶合金在大约407℃下具有共晶。此外，相比于通常使用的无铜的铈熔体而言，铜明显地改进硬磁晶粒的润湿。硬磁晶粒的一部分在通过热压和/或热成型进行加工的过程中溶解在形成的液体晶界相中。在冷却时，根据组成和冷却条件，直接由熔体形成例如CuCe、Cu2Ce、Fe2Ti以及小含量的CeFe2。由此不发生熔体与硬磁相反应形成CeFe2或该反应明显减少。
Al-Cu-Ce共晶合金在大约550℃下具有共晶。这些共晶合金的熔体在通过热压和/或热成型进行加工的过程中具有良好的润湿能力。在此，硬磁晶粒的一部分也溶解在形成的晶界相的熔体中。在冷却时根据组成和冷却条件而直接由该熔体形成相，例如CuCe、Cu2Ce、Fe2Ti、A2Cu、Al8Cu4Ce、Al4CuCe或CeFe2。明显减少形成CeFe2。
在使用在大约520℃ 下具有共晶的Nd-Cu共晶合金时，同样表现。在冷却时根据组成和冷却条件形成相，例如NdCu、Nd2Cu、CuCe、Cu2Ce、CFe2Ti或CeFe2。
此外，使用La合金也类似表现。La与元素Fe、Ce和Ti都不形成二元相，由此使得硬磁相的硬磁晶粒不受进攻。镧在大约920℃下熔化并具有对于铈的完全溶解度，由此可以使例如过量铈吸收在所述晶界相中。
特别地，该磁性材料基本上，即除了不可避免的技术量外，是不含硼的。因此，有利地不将硼添加至硬磁相的元素。
同样根据本发明，还描述了电极，其特别是设计为电动机、定子或发电机。该电机包含至少一种如上所述制造的磁性材料并且其特征在于在最佳成本结构下的高的功率密度。
附图简述
下面，参考所附附图详细描述本发明的实施例。
图1显示了根据本发明方法的一个有利实施方案制造的磁性材料的微结构的截面示意图。
发明实施方案
下面，参考图1描述本发明。详细地，图1显示了磁性材料1，其具有硬磁相2和晶界相3。硬磁相2由通过晶界相3分开并因此磁解耦的硬磁晶粒4构成。
硬磁相2含有至少一种元素Z。元素Z含有至少一种稀土金属RE和/或钇。如果含有稀土金属，其含有至少3.5原子%铈。作为其它元素，硬磁相2含有至少一种过渡金属TM、铁和钛。硬磁相2可以通过下式描述：
ZaTMbFec-eTid-fXe+f
其中a = 7至9原子%、b ≤ 41原子%、c ≥ 41原子%、d = 7至9原子%，X选自Mo、V、Ta、Nb、Cr、Si、B、Zr、Al、W、Pd和P，e+f = 0至4.5原子%，且a+b+(c-e)+(d-f)+(e+f) = 100原子%。
晶界相3含有至少一种金属M并具有低于硬磁相2的包晶温度的熔程。
磁性材料1的特征在于高的矫顽场强度、高的剩磁和高的最大能量积(BH)max。
为了制造磁性材料1，首先由所述硬磁相的元素以及金属M的化学计量混合物制造第一合金。随后将第一合金进一步加工，以使得其具有纳米晶体结构。然后将第一合金粉末化。
将第一合金的粉末通过热压进行预致密，并随后进行热成型。通过该热压，将获自硬磁相和晶界相的元素的磁性晶粒进行致密。该磁性晶粒是磁各向同性的，并且因此不具有磁性优选方向。通过随后的热成型，将磁各向同性材料转变成具有高能量积的磁各向异性材料。该磁性优选方向在图1中通过箭头说明。通过在等于金属M的熔程且因此低于硬磁相的包晶温度的温度下进行的热成型，改进磁性材料的剩磁。

Claims (13)

1.制造包含硬磁相(2)和晶界相(3)的磁性材料的方法，其中硬磁相(2)包含至少一种元素Z、铁和钛，该元素Z选自一种或多种稀土金属（RE）和/或钇；且硬磁相(2)具有下式：
ZaTMbFec-eTid-fXe+f
其中TM是至少一种过渡金属，a = 7至9原子%、b ≤ 41原子%、c ≥ 41原子%、d = 7至9原子%，X选自Mo、V、Ta、Nb、Cr、Si、B、Zr、Al、W、Pd和P，e+f = 0至4.5原子%，所述稀土金属（RE）含有至少3.5原子%铈且a+b+(c-e)+(d-f)+(e+f) = 100原子%，且
其中晶界相(3)包含至少一种金属M并具有低于硬磁相(2)的包晶温度的熔程，
其中所述方法具有热压和/或热成型的步骤。
2.根据权利要求1的方法，其特征在于下列步骤：
- 由要制造的硬磁相的元素以及至少一种金属M的化学计量混合物制造第一合金，其中金属M具有低于要制造的硬磁相(2)的包晶温度的熔程，
- 将第一合金加工成具有纳米晶体结构的第一合金，
- 将所述第一合金粉末化，
- 将粉末状的第一合金通过热压进行预致密，并
- 将第一合金在等于或高于金属M的熔程且低于所述硬磁相的包晶温度的温度下进行热成型。
3.根据权利要求1的方法，其特征在于下列步骤：
- 由要制造的硬磁相的元素的化学计量混合物制造第二合金，
- 将第二合金加工成具有纳米晶体结构的第二合金，
- 将所述第二合金粉末化，
- 提供至少一种金属M，其中金属M具有低于要制造的硬磁相(2)的包晶温度的熔程，
- 将金属M加工成具有纳米晶体结构的金属M，
- 将金属M粉末化，
- 将粉末状的第二合金与粉末状的金属M混合，
- 将粉末状第二合金和粉末状金属M的混合物通过热压进行预致密，并
- 将经热压的混合物在等于或高于金属M的熔程且低于所述硬磁相的包晶温度的温度下进行热成型。
4.根据权利要求2或3的方法，其特征在于，金属M、第一合金和/或第二合金至具有纳米晶体结构的金属M或合金的加工借助熔体纺丝、热能研磨或机械合金化实施。
5.根据前述权利要求任一项的方法，其特征在于进一步的晶界相扩散步骤，其包括下列步骤：
- 将至少一种具有低于硬磁相(2)的包晶温度的熔程的金属M施加到经热成型的磁性材料的表面上，并
- 在等于或高于金属M的熔程下进行温度处理。
6.根据前述权利要求任一项的方法，其特征在于稀土金属（RE）含有La、Nd、Pr或Sm的至少一种。
7.根据前述权利要求任一项的方法，其特征在于TM是至少一种选自Co、Ni和Mn的元素。
8.根据前述权利要求任一项的方法，其特征在于硬磁相(2)具有ThMn12结构。
9.根据前述权利要求任一项的方法，其特征在于晶界相(3)的熔程为低于1100℃，优选低于900℃，更优选低于600℃。
10.根据前述权利要求任一项的方法，其特征在于晶界相(3)含有至少一种选自Ag、Ga、Cu、Ce、Al、Si、Nd、Y、Pr、Sm和La的元素。
11.根据前述权利要求任一项的方法，其特征在于晶界相(3)含有至少一种选自Mg93Nd7、Cu30Nd70、Cu28La72、Cu28Sm72、Ca67Al33、NdGa6、CuAl2、Mg41Nd5、Al3Ca8、LaFe、Fe2Ti、CuCe、Cu2Ce、AlCu、Al2Cu、Al8Cu4Ce、Al4CuCe、CeAl、CeFe、CeFe2、CeGa、CeSi、CeZn、CeSn、CeAg、AlCuCe、SmCu、SmCu2、SmCu4、SmCu5、SmCu6、Nd2Cu和NdCu的合金。
12.根据前述权利要求任一项的方法，其特征在于磁性材料基本上不含硼。
13.电机，特别是电动机、定子或发电机，其包括至少一种根据前述权利要求任一项制造的磁性材料(1)。
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