CN1189419C - 用于铁氧体磁体的粉末及其制造工艺 - Google Patents

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Abstract

提供了一种铁氧体磁体所用粉末，以及该粉末的制造工艺，其中该粉末是按照1∶8.2～1∶8.7的摩尔比范围混合SrCO3和Fe2O3，再与0.3-5.0wt%的碳混合，煅烧后再粉碎而制得的。

Description

用于铁氧体磁体的粉末及其制造工艺
本发明涉及基本通式为SrO·2(FeO)·n(Fe2O3)的W型铁氧体磁体；特别是本发明涉及铁氧体磁体、用于制造所述铁氧体磁体的粉末及其制造工艺，其特征在于最大磁能积大于5MGOe，这是传统的M型铁氧体磁体尚未达到的，按使上述化学通式中的n值处于最佳范围的方式混合原材料粉末，在煅烧之后添加一定类型的添加元素，把颗粒尺寸控制在给定范围，采用煅烧后的粉末形成生坯成型体，和烧结形成的生坯成型体。
由J.J.Went等(Philips，1952)提出的类型为SrO·6(Fe2O3)的氧化物磁体材料，是磁铅石型六角铁氧体并统称为M型铁氧体。由那时起，由于其优异的磁性能和高的性能价格比，已经批量生产及广泛使用。
目前，环境需求对汽车提出了低燃料耗费比的要求，因此对于汽车主体提倡使用重量轻的结构。结果，为了用小型轻质结构制造电子部件，急切需要制造更小尺寸更高效率的磁体，作为用于这些电子部件的主要部分。
但是，由于上述M型磁体的磁化程度小，所以很难获得更好的磁性能，例如大于5MGOe的最大磁能积(BH)max。
为了提供磁化程度大于传统M型磁体的铁氧体材料，已经提出使作为M型磁体的基本构成的SrO-Fe2O3扩展成三元系统例如SrO-MeO-Fe2O3(其中Me代表二价金属离子例如Co、Zn或Fe)，以便可以生产具有更强铁磁性的四种(W型、X型、Y型、和Z型)更复杂的六角铁氧体磁体。
在这些磁体中，已经发现W型磁体具有类似传统M型磁体的晶体结构，并呈现优异的性能，例如饱和磁化强度比M型磁体高约10％，而且各向异性场基本相同。但是，W型磁体尚未工业化。
例如，F.K.lotgerin等在Journal of Applied Physics(vol.51，p.5913，1980)提出的W型磁体的组成是BaO·2(FeO)·8(Fe2O3)和SrO·2(FeO)·8(Fe2O3)。但是，已经报道了与提出的磁体相关的几种缺点；包括(1)烧结气氛需要复杂的控制，(2)对于Ba系统磁体最大磁能积(BH)max是4.3MGOe，而对于Sr系统磁体最大磁能积(BH)max是3.8MGOe。因此，这些最大磁能积值表明这些提出的磁体不具有优于传统M型磁体的磁性能。
此外，S.Ram等在IEEE Trans.Magn.，vol.1，p.15；1992报道了Sr0.9Ca0.1O·2(ZnO)·8(Fe2O3)的最大磁能积(BH)max是2.7MGOe。但是这种磁体尚未工业化。
这样，为了克服上述文献中发现的问题，本发明的目的在于提供一种铁氧体磁体、用于此铁氧体磁体的粉末及其制造工艺，由此通式表示为SrO·2(FeO)·n(Fe2O3)的W型磁体，保持与传统M型磁体相同的性能价格比，呈现优异的磁性能例如超过5MGOe的最大磁能积。
本发明人已经确认，W型磁体具有大于传统M型磁体的磁化强度。我们发现在通式SrO·2(FeO)·n(Fe2O3)中n值存在最佳范围。此外，为了发现适当类型的添加剂以便改善磁性能所进行的连续努力研究之后，我们得出结论，通过在煅烧工艺之后添加确定类型的多种添加元素，可以显著地改善磁性能。
而且，通过发现以下铁氧体磁体，我们已经完成了本申请的发明，即通过以下顺序的工艺可以制造具有最大磁能积(BH)max超过5MGOe的铁氧体磁体(这是任何一种传统M型磁体均不能实现的)：(1)制备与确定类型的添加剂混合的原料粉末，(2)粉碎原料粉末使其具有小于0.06μm的平均颗粒尺寸(由BET测量)，(3)在磁场中形成生坯成型体，(4)在非氧化气氛中烧结形成的成型体。
亦即，更具体地，本发明的特征在于以下工艺：(1)按给定的1∶8.2～1∶8.7的摩尔比范围制备作为SrCO3和Fe2O3的混合物的原料粉末，(2)添加0.3～5.0wt％的碳，(3)煅烧该混合物，(4)再添加0.3～1.5wt％的CaO、0.1～0.6wt％的SiO2和0.1～0.5wt％的C，(5)把混合物粉碎成平均颗粒尺寸小于0.06μm的细微颗粒，(6)在磁场中形成生坯成型体，(7)在非氧化气氛中烧结形成的成型体。结果，可以获得化学通式为SrO·2(FeO)·n(Fe2O3)的铁氧体磁体，上述通式中n值最佳范围在7.2～7.7之间，烧结体的平均晶粒尺寸小于2μm，呈现大于5MGOe的最大磁能积(BH)max。
本发明还提出上述铁氧体磁体的制造工艺，其特征在于如下工艺，(1)该工艺中，在煅烧工艺之后，除了上述添加剂之外，还添加Cr2O3(0.2～0.8wt％)或CoO(0.2～0.8wt％)中的至少一种，(2)该工艺中，形成的生坯成型体在100℃～200℃的温度范围内干燥，和(3)该工艺中，在烧结期间添加氧化剂或还原剂。
而且，本发明的特征在于采用如下方法制造铁氧体磁体所用粉末，可以有效地用做粘结磁体或烧结磁体的粉末，亦即，向按给定的1∶8.2～1∶8.7的摩尔比范围预先混合的SrCO3和Fe2O3原料粉末添加0.3～5.0wt％的碳，煅烧如此制备的混合物，和把煅烧后的粉末粉碎成平均颗粒尺寸小于3μm的细微颗粒。
通过以下结合附图对本发明实施例的详细说明，将可全面了解本发明的上述和其他许多目的、特征和优点。
图1展示了对于三种不同的烧结温度SrO·2(FeO)·n(Fe2O3)的组成中的n值变化时，磁体的内禀矫顽力iHc和剩余磁通密度Br的改变。
图2展示了向原料粉末添加0.5wt％的碳时，在四种不同温度加热的煅烧粉末的x射线衍射谱。
图3展示了未向原料粉末添加碳时，在四种不同温度加热的煅烧粉末的x射线衍射谱。
图4展示了当SrO·2(FeO)·7.5(Fe2O3)的组成中的CaO和SiO2的添加量变化时，内禀矫顽力iHc和剩余磁通密度Br的改变。
图5展示了煅烧工艺后未添加碳时，作为用于形成的生坯成型体的六种不同干燥温度的函数，最大磁能积(BH)max的变化。
图6展示了碳添加量从0变化为1wt％时，SrO·2(FeO)·7.5(Fe2O3)的组成的最大磁能积(BH)max的变化。
图7展示了当Cr2O3的添加量从0变化为1wt％时，SrO·2(FeO)·7.5(Fe2O3)的组成的内禀矫顽力iHc和剩余磁通密度Br的改变。
图8展示了当CoO的添加量从0变化为1wt％时，SrO·2(FeO)·7.5(Fe2O3)的组成的内禀矫顽力iHc和剩余磁通密度Br的改变。
图9展示了作为四种不同颗粒尺寸的函数，内禀矫顽力iHc和剩余磁通密度Br之间的相互变化。
图10展示了作为平均晶粒尺寸的函数，内禀矫顽力iHc和剩余磁通密度Br和最大磁能积(BH)max之间的变化。
图11展示了根据本发明实施例制造的W型磁体的磁化曲线。
以下是制造根据本发明的铁氧体磁体的顺序工艺。
1)按确定的摩尔比混合SrCO3和Fe2O3，制备原料粉末，
2)向原料粉末添加碳，
3)煅烧该混合物，
4)煅烧后向煅烧粉末添加CaO、SiO2和C，
粉碎该粉末混合物使其具有小于0.06μm的平均颗粒尺寸，
6)在磁场中对如此粉碎的粉末成形，
7)在非氧化气氛中烧结形成的生坯成型体。
首先，本发明人已经选择了通式为SrO·2(FeO)·n(Fe2O3)的W型磁体中的适当n值范围。制备原料粉末时，按各种摩尔比混合SrCO3和Fe2O3的混合物。然后在氮气气氛中1340℃下煅烧该混合物。此外，把煅烧后的混合物粉碎成具有0.06μm平均颗粒尺寸的细微颗粒。在外加磁场中把粉碎后的颗粒成形为生坯成型体。在三种不同温度1150℃、1175℃和1200℃下，最终烧结形成的生坯成型体。图1展示了当n值在7.0～8.75的范围变化时(x轴上)，分别制备的磁体的内禀矫顽力iHc和剩余磁通密度Br的改变。
由图1清楚可见，发现当上述通式中的n值小于7.2或大于7.7时，矫顽力(iHc)下降，不能实现5MGOe的最大磁能积(BH)max的目标值。因此，n值必须限定在7.2～7.7的范围内。为了在通式SrO·2(FeO)·n(Fe2O3)中实现对n值的这种限定，已经发现SrCO3和Fe2O3粉末应在1∶8.2～1∶8.7的摩尔比范围内混合。
图2是x射线衍射谱，确定了所述原料粉末混合了0.5wt％的碳粉末之后，在氮气氛中、1150℃、1200℃、1250℃和1300℃下加热的煅烧粉末的晶体结构。此外，图3展示了除了不向原料粉末混合碳粉末之外，其余在与上述相同条件加热的煅烧粉末的晶体结构。图2和3中所用的不同符号(例如圆、三角和正方形)代表每个煅烧温度的衍射强度。实心符号代表W型磁体的数据，空心符号代表M型磁体的数据。
不向原料粉末混合碳粉末时，W型磁体的烧结温度被限于相对高的温度；而通过向原料粉末添加碳粉末，可在较宽范围的煅烧温度制造W型磁体，以便降低生产成本，提高生产率，而且通过使用细小颗粒可以改善内禀矫顽力。
结果，如上所述，向预先按确定的摩尔比混合SrCO3和Fe2O3而制备的原料粉末混合0.3～5.0wt％的碳粉末。为了防止原料粉末在后续的工艺中氧化，添加用做还原剂的碳粉末。在煅烧工艺之前添加的碳量如果小于0.3wt％，则不能在宽温度范围确定煅烧温度；另一方面，如果碳添加量超过5.0wt％，则将更难于生产W型铁氧体，即使可以制造W型磁体也会降低磁性能。结果，在煅烧工艺之前向原料粉末添加的碳量应限于0.3～5.0wt％的适当范围内。
在以下步骤，将煅烧混合了确定量的碳的原料粉末。由于W型磁体含有二价铁离子(Fe++)，需要控制煅烧气氛。尽管氮气是合适的非氧化气氛，但在空气中煅烧也是可能的，这取决于碳粉末的添加量。此外，煅烧温度也取决于碳添加量。发现煅烧温度在1150℃～1400℃的范围内将最适合于本发明。
正如对煅烧粉末中形成的结构相的x射线衍射谱所显示的(见图2)，获得了W型铁氧体。于是，可再把煅烧粉末粉碎成细微颗粒，提供可以用于制造粘结磁体或烧结磁体的原料粉末。如果用来制造粘结磁体，最好把煅烧粉末粉碎成在0.07μm～3μm范围内的细微颗粒。如果用来制造烧结磁体，最好把煅烧粉末粉碎成颗粒尺寸小于0.06μm。
另一方面，根据本发明，在煅烧粉末中添加CaO(0.3～1.5wt％)、SiO2(0.1～0.6wt％)和C(0.1～0.5wt％)。这三种添加剂有助于改善剩余磁通密度(Br)和矫顽力(iHc)。
图4展示了当SrO·2(FeO)·7.5(Fe2O3)的组成中的CaO添加量从0.15wt％变化为0.9wt％(x轴)、和SiO2的添加量从0.15wt％(圆符号)、0.30wt％(三角符号)变化为0.45wt％(正方形符号)时，内禀矫顽力iHc和剩余磁通密度Br的改变。图4所示样品是在氮气氛中1340℃煅烧的，粉碎成平均颗粒尺寸为0.06μm的细微颗粒，在磁场中成形为生坯成型体，并在1175℃烧结。
虽然在较宽的CaO添加量范围内可以发现内禀矫顽力的显著改善，但如果小于0.3wt％，则不会实现添加效果。另一方面，如果CaO添加量超过1.5wt％，将制成Ca铁氧体，可能导致磁性能降低。因此，CaO添加量如果限于0.3～1.5wt％的范围内则较好。如果限于0.5～0.8wt％的范围内则最好。
对于SiO2的添加量来说，发现如果小于0.1wt％，则内禀矫顽力无改善；如果超过0.6wt％，内禀矫顽力和剩余磁通密度均降低。这样，在0.1wt％～0.6wt％的范围内为好；如果限于0.3wt％～0.4wt％的范围内则会更好。
图5展示了作为煅烧工艺之后不添加碳粉末时形成的生坯成型体的50℃～175℃的干燥温度范围的函数，最大磁能积(BH)max的变化。正如图中清楚可见，对于不添加碳的情况，仅在极窄的干燥温度的范围内可以获得优异的磁性能。因此，在粉碎煅烧粉末之前添加碳使得用于干燥温度的最佳温度范围移向高温侧，结果稳定了优异的最大磁能积(BH)max。
此外，图6展示了相对于SrO·2(FeO)·7.5(Fe2O3)的组成改变碳添加量时最大磁能积(BH)max的改变。这些样品在氮气氛中1340℃下煅烧，粉碎成平均颗粒尺寸为0.06μm的细微颗粒，在磁场中成形为生坯成型体，并在1150℃烧结。
已经发现添加碳改善了内禀矫顽力和剩余磁通密度。此外，成型体进行干燥处理时，添加碳有助于扩展最佳干燥温度范围，稳定优异的最大磁能积(BH)max；使用经下文将说明的湿法粉碎工艺粉碎的粉末，在磁场中形成所述的成型体。
该碳添加量不同于煅烧工艺之前添加的所需量。亦即，如果小于0.1wt％，则最大磁能积(BH)max无改善；另一方面，如果超过0.5wt％，最大磁能积趋于降低。这样，添加量在0.1wt％～0.5wt％的范围为好，如果限于0.1wt％～0.3wt％的范围则更好。
除了上述添加剂，通过添加Cr2O3(在0.2～0.8wt％的范围)或者CoO(在0.2～0.8wt％范围)中的至少一种，可以实现对内禀矫顽力和剩余磁通密度两者的改善。
亦即，相对于SrO·2(FeO)·7.5(Fe2O3)的组成，在0.45wt％的CaO和0.45wt％的SiO2的恒量下，从0至1wt％改变Cr2O3的添加量。图7展示了作为Cr2O3的添加量的函数，内禀矫顽力(iHc)和剩余磁通密度Br的变化。正如从图7清楚可见，发现通过添加Cr2O3粉末可以改善内禀矫顽力。但是，存在某种限制；如果小于0.2wt％或大于0.8wt％，则内禀矫顽力下降。结果，最好把Cr2O3的添加量控制在0.2～0.8wt％的范围内。
此外，图8展示了CaO和SiO2保持不变(即分别是0.45wt％)，CoO从0变化至1wt％时，内禀矫顽力iHc和剩余磁通密度Br的变化。由图8可见，发现通过添加CoO可以改善剩余磁通密度；但是如果小于0.2wt％，则不能实现添加CoO的有利效果。另一方面，如果大于0.8wt％，则内禀矫顽力降低。因此，最好把CoO的添加量控制在0.2～0.8wt％的范围内。
而且，除了上述有效的添加物之外，还发现从改善磁性能来看，SrCO3的添加量在0.3～1.0wt％的范围内也是有效的；所述添加量取决于其他条件包括煅烧温度和粉碎的粉末的颗粒尺寸。
把添加有各种添加剂的粉末粉碎成平均颗粒尺寸小于0.06μm的细微颗粒。尽管粉碎设备并不限于特殊技术，但最好采用湿法粉碎工艺例如球磨或碾磨。然后把粉碎后的粉末在磁场中成形为生坯成型体，与已有技术相同。
图9展示了颗粒尺寸按0.027μm、0.047μm、0.081μm、0.143μm变化时剩余磁通密度Br的变化。具有SrO·2(FeO)·7.5(Fe2O3)的组成的这些样品在煅烧工艺之前与0.5wt％的碳混合，在氮气氛中1250℃下煅烧，再添加0.47wt％的CaO、0.3wt％的SiO2和0.17wt％的C，粉碎成一定颗粒尺寸的粉末，随后在磁场中成形为生坯成型体并在1175℃烧结。
如果平均颗粒尺寸超过0.06μm，尽管仍可改善剩余磁通密度Br，但发现对内禀矫顽力iHc有不利影响。此外，如果平均颗粒尺寸过小，尽管对内禀矫顽力iHc有改善，但剩余磁通密度Br变劣。这样，用来制备烧结磁体的原料粉末的平均颗粒尺寸应控制在小于0.06μm。平均颗粒尺寸的最佳范围应在0.04-0.06μm之间。所有颗粒尺寸的数据均是通过BET测量获得的。
如上所述，采用湿法粉碎例如球磨时，最好在最佳温度干燥生坯成型体。根据粉碎前添加的碳或其他添加剂的添加量，最佳温度范围应在100℃与200℃之间。
工艺的最终阶段是烧结生坯成型体。虽然对烧结工艺无特别要求，但烧结气氛最好是非氧化气氛例如惰性气氛或真空，烧结温度最好在1150℃～1250℃的范围内。除此之外，如果需要最好根据成型体的组成、添加剂类型、煅烧条件、粉碎颗粒尺寸和干燥条件，添加氧化剂或还原剂。碳或PVA可以用做还原剂；而三氧化二铁(Fe2O3)粉末可以用做氧化剂。
根据本发明，制造的铁氧体磁体的平均晶粒尺寸限制为小于2μm。图10展示了作为以μm计的平均晶粒尺寸的函数的各种磁性能，内禀矫顽力iHc、剩余磁通密度Br和最大磁能积(BH)max。在本发明的SrO·2(FeO)·n(Fe2O3)(n＝7.2～7.7)的组成中，发现如果平均晶粒尺寸超过2μm，则存在磁性能(特别是内禀矫顽力)降低的趋势。因此，为了获得优异的磁性能，特别是传统的M型磁体未实现的5MGOe的最大磁能积(BH)max，必须把平均晶粒尺寸控制在小于2μm。平均晶粒尺寸控制在小于1.2～1.7μm的范围内更好。
实施例
按1∶8.5的摩尔比混合SrCO3和Fe2O3而制备原料粉末。此外，向原料粉末添加1.5wt％的碳。在氮气氛中1350℃下煅烧该混合物1小时。向煅烧后的粉末添加0.6wt％的CaO、0.3wt％的SiO2和0.2wt％的C，随后通过球磨进行粉碎，制成平均颗粒尺寸为0.05μm的细微粉末。
然后把粉碎后的粉末在磁场中成形为生坯成型体。在200℃对成型体干燥2小时，随后在氮气氛中1175℃下烧结1小时。
如此制成的W型磁体的磁性能如下：4πIs＝5.0kG，Br＝4.8kG，iHc＝2.5kOe，(BH)max＝5.3MGOe。图11展示了根据上述工艺制造的W型磁体的磁化曲线。
根据本发明，可以容易地及廉价地制造尚未实现的W型磁体。本发明还可以在保持与M型磁体相同的性能价格比的同时，提供W型磁体，所述W型磁体具有大于5.0MGOe的最大磁能积(BH)max，这高于传统的M型磁体所发现的磁性能。
尽管结合优选实施例和实例说明了本发明，但应了解并不限于具体的实例，在不脱离由权利要求书所确定的本发明的范围和精髓的条件下，本领域的技术人员可以做出许多改进和变化。

Claims (2)

1.一种铁氧体磁体所用粉末，按1∶8.2～1∶8.7的摩尔比范围混合的SrCO3和Fe2O3，再与0.3～5.0％重量比的碳混合，随后在1150-1400℃的煅烧工艺之后粉碎。
2.一种铁氧体磁体所用粉末的制造工艺，其特征在于包括以下步骤：
按给定的1∶8.2～1∶8.7的摩尔比范围制备由SrCO3和Fe2O3组成的原料粉末；
向原料粉末添加0.3～5.0％重量比的碳；
在1150-1400℃煅烧该混合物；
把煅烧体粉碎成细微颗粒。
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