TW201510237A - 氮化鐵材料及包含氮化鐵材料之磁鐵 - Google Patents

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Abstract

本發明描述包括氮化鐵之磁性材料、包括氮化鐵之塊狀永久磁鐵、用於形成包括氮化鐵之磁性材料的技術、及用於形成包括氮化鐵之塊狀永久磁鐵的技術。

Description

氮化鐵材料及包含氮化鐵材料之磁鐵
本申請案主張標題為「TECHNIQUES FOR FORMING IRON NITRIDE WIRE AND CONSOLIDATING THE SAME」且2013年6月27日申請之美國臨時專利申請案第61/840,213號；標題為「TECHNIQUES FOR FORMING IRON NITRIDE MATERIAL」且2013年6月27日申請之美國臨時專利申請案第61/840,221號；標題為「TECHNIQUES FOR FORMING IRON NITRIDE MAGNETS」且2013年6月27日申請之美國臨時專利申請案第61/840,248號；及標題為「IRON NITRIDE MATERIALS AND MAGNETS INCLUDING IRON NITRIDE MATERIALS」且2014年2月4日申請之美國臨時專利申請案第61/935,516號的權益。美國臨時專利申請案第61/840,213號；第61/840,221號；第61/840,248號；及第61/935,516號之全部內容出於所有目的以引用之方式併入本文中。
本發明係關於磁性材料及用於形成磁性材料之技術。
永久磁鐵在許多機電系統中起一定作用，包括例如替代性能源系統。舉例而言，永久磁鐵用於電動馬達或發電機，該等電動馬達或發電機可用於運載工具、風力渦輪機及其他替代性能源機構中。目前使用之許多永久磁鐵包括諸如釹之稀土元素，其導致較高能量乘積 (energy product)。此等稀土元素相對供應不足，且將來可能面臨價格提高及/或供應短缺。另外，一些包括稀土元素之永久磁鐵生產昂貴。舉例而言，NdFeB及鐵氧體磁鐵之製造一般包括壓碎材料、壓縮該材料及在1000℃以上之溫度下燒結，其皆促成該等磁鐵之較高製造成本。另外，稀土開採可能導致嚴重環境惡化。
本發明描述包括氮化鐵之磁性材料、包括氮化鐵之塊狀永久磁鐵、用於形成包括氮化鐵之磁性材料的技術及用於形成包括氮化鐵之磁鐵的技術。包括Fe16N2之塊狀永久磁鐵可提供包括稀土元素之永久磁鐵的替代，因為Fe16N2之飽和磁化強度較高，磁各向異性常數較高且能量乘積較高。
在一些實例中，本發明描述用於形成包括氮化鐵之粉末之技術，其使用將含鐵原料與氮源一起研磨來進行，該氮源諸如含醯胺或含肼之液體或溶液。含醯胺液體或溶液充當氮供體，且在研磨及混合完成之後形成包括氮化鐵之粉末。在一些實例中，包括氮化鐵之粉末可包括一或多種氮化鐵相，包括例如Fe8N、Fe16N2、Fe2N6、Fe4N、Fe3N、Fe2N、FeN及FeNx(其中x在約0.05至約0.5之範圍內)。包括氮化鐵之粉末隨後可在用於形成包括氮化鐵之永久磁鐵的技術中使用。
在一些實例中，本發明描述用於形成包括至少一種Fe16N2相疇(phase domain)之磁性材料的技術。在一些實施方案中，磁性材料可由包括鐵及氮之材料形成，諸如包括氮化鐵之粉末或包括氮化鐵之塊狀材料。在該等實例中，可避免另外的氮化步驟。在其他實例中，磁性材料可由可經氮化之含鐵原料(例如粉末或塊狀物)形成，該氮化為形成磁性材料之過程的一部分。含氮化鐵之材料隨後可經熔化且經受連續澆鑄(casting)、淬火(quenching)及壓製(pressing)製程以形成包括氮化鐵之工件。在一些實例中，工件包括一個比該工件之其他維度 (dimension)長，例如長得多的維度。工件之此維度可稱為工件之「長維度」。有一個維度比其他維度長之實例工件包括纖維、線、長絲、纜線、薄膜、厚膜、箔片、條帶、板片(sheet)或其類似物。
在其他實例中，工件可不具有一個比該工件之其他維度長的維度。舉例而言，工件可包括顆粒或粉末，諸如球體、圓柱體、微粒(fleck)、薄片(flake)、規則多面體、不規則多面體及其任何組合。適合之規則多面體的實例包括四面體、六面體、八面體、十面體、十二面體及其類似物，其非限制性實例包括立方體、稜柱、角錐及其類似物。
澆鑄製程可在氣態環境中進行，諸如空氣、氮氣環境、惰性環境、部分真空、完全真空或其任何組合。澆鑄製程可處於任何壓力下，例如在約0.1GPa與約20GPa之間。在一些實例中，澆鑄及淬火製程可藉由應變場、溫度場、壓力場、磁場、電場或其任何組合來輔助。在一些實例中，工件在一或多個軸線(諸如直徑或厚度)上之尺寸(dimension)可在約0.1mm與約50mm之間，且可包括至少一種Fe8N相疇。在一些實例中，工件在一或多個軸線(諸如直徑或厚度)上之尺寸可在約0.01mm與約1mm之間，且可包括至少一種Fe8N相疇。
包括至少一種Fe8N相疇之工件可隨後經應變及後退火以形成包括至少一種Fe16N2相疇之工件。包括至少一種Fe8N相疇之工件可在經退火之同時經應變以促使該至少一種Fe8N相疇轉變為至少一種Fe16N2相疇。在一些實例中，在工件上施加之應變可足以使該工件在一或多個軸線上之尺寸減小至小於約0.1mm。在一些實例中，為輔助拉伸製程，可同時或單獨地應用滾筒及壓力以使一或多個軸線上之工件尺寸減小。在應變製程期間之溫度可在約-150℃與約300℃之間。在一些實例中，包括至少一種Fe16N2相疇之工件可基本上由一種Fe16N2相疇組成。
在一些實例中，本發明描述用於將複數個包括至少一種Fe16N2相疇之工件組合成磁性材料的技術。用於使該複數個包括至少一種Fe16N2相疇之工件接合的技術包括使用Sn、Cu、Zn或Ag中之至少一者摻合該等工件以在該等工件之界面處形成鐵合金；使用經Fe或其他鐵磁性粒子填充之樹脂以將該等工件黏結在一起；衝擊壓縮以將該等工件壓製在一起；放電以使該等工件接合；電磁壓實以使該等工件接合；及該等製程之任何組合。
在一些實例中，本發明描述用於自氮化鐵粉末形成磁性材料之技術。氮化鐵粉末可包括一或多種不同氮化鐵相(例如Fe8N、Fe16N2、Fe2N6、Fe4N、Fe3N、Fe2N、FeN及FeNx(其中x在約0.05至約0.5之範圍內))。氮化鐵粉末可單獨混合或與純鐵粉混合以形成以8：1原子比率包括鐵及氮之混合物。混合物隨後可藉助於多種方法之一形成為磁性材料。舉例而言，混合物可經熔化且經受澆鑄、淬火及壓製製程以形成複數個工件。在一些實例中，混合物亦可經受剪切場。在一些實例中，剪切場可輔助使一或多種氮化鐵相疇對準(例如使氮化鐵相疇之單位晶胞的一或多個<001>晶軸(crystal axes)對準)。該複數個工件可包括至少一種Fe8N相疇。該複數個工件隨後可經退火以形成至少一種Fe16N2相疇，經燒結及老化以使該複數個工件接合，且視情況經成形及磁化以形成磁鐵。作為另一個實例，混合物可在磁場存在下經壓製，經退火以形成至少一種Fe16N2相疇，經燒結及老化，且視情況經成形及磁化以形成磁鐵。作為另一個實例，混合物可經熔化及紡絲以形成含氮化鐵之材料。含氮化鐵之材料可經退火以形成至少一種Fe16N2相疇，經燒結及老化，且視情況經成形及磁化以形成磁鐵。
在一些實例中，FeN工件可直接燒結、黏結、或燒結及黏結在一起以形成塊狀磁鐵。燒結、黏結或兩者可與在黏結製程之前或在此期間施加具有恆定或變化頻率之外部磁場(例如脈衝磁場)組合，以使 FeN工件定向對準且將FeN工件黏結在一起。以此方式，可向FeN工件賦予整體磁各向異性。
在一些實例中，本發明描述一種含氮化鐵之磁性材料，該磁性材料另外包括至少一種鐵磁性或非磁性摻雜劑。在一些實例中，至少一種鐵磁性或非磁性摻雜劑可稱為鐵磁性或非磁性雜質。鐵磁性或非磁性摻雜劑可用於使由包括鐵及氮之混合物形成之磁性材料的磁矩、矯頑磁性或熱穩定性中之至少一者增加。鐵磁性或非磁性摻雜劑之實例包括Sc、Ti、V、Cr、Mn、Co、Ni、Cu、Zn、Zr、Nb、Mo、Ru、Rh、Pd、Ag、Cd、Pt、Au、Sm、C、Pb、W、Ga、Y、Mg、Hf、Ta及其組合。在一些實例中，一種以上(例如至少兩種)鐵磁性或非磁性摻雜劑可包括在包括鐵及氮之混合物中。在一些實例中，鐵磁性或非磁性摻雜劑可充當疇壁釘紮位點(domain wall pinning site)，其可改良由包括鐵及氮之混合物形成之磁性材料的矯頑磁性。
在一些實例中，本發明描述一種含氮化鐵之磁性材料，其另外包括至少一種相穩定劑。該至少一種相穩定劑可為經選擇以改良Fe16N2體積比率、熱穩定性、矯頑磁性及耐侵蝕性中之至少一者的元素。當存在於混合物中時，該至少一種相穩定劑可以介於0.1原子%與約15原子%之間的濃度存在於包括鐵及氮之混合物中。在其中至少兩種相穩定劑存在於混合物中的一些實例中，該至少兩種相穩定劑之總濃度可在約0.1原子%與約15原子%之間。該至少一種相穩定劑可包括例如B、Al、C、Si、P、O、Co、Cr、Mn、S及其組合。
在一個實例中，本發明描述一種方法，其包括加熱包括鐵及氮的混合物以形成熔融的含氮化鐵之材料及澆鑄、淬火及壓製該熔融的含氮化鐵之材料以形成包括至少一種Fe8N相疇之工件。
在另一個實例中，本發明描述一種方法，其包括將複數個包括至少一種Fe16N2相疇之工件彼此鄰接安置，其中該複數個工件之各別 長軸實質上彼此平行，及將Sn、Cu、Zn或Ag中之至少一者安置在該複數個包括至少一種Fe16N2相疇之工件中的至少一者之表面上。根據此實例，該方法亦可包括在壓力下加熱該複數個包括至少一種Fe16N2相疇之工件及該Sn、Cu、Zn或Ag中之至少一者以在該複數個包括至少一種Fe16N2相疇之工件的鄰接工件之間的界面處形成Fe與該Sn、Cu、Zn或Ag中之至少一者之間的合金。
在另一個實例中，本發明描述一種方法，其包括將複數個包括至少一種Fe16N2相疇之工件彼此鄰接安置，其中該複數個工件之各別長軸實質上彼此平行，及將樹脂安置在該複數個包括至少一種Fe16N2相疇之工件的周圍，其中該樹脂包括複數個鐵磁性材料粒子。根據此實例，該方法亦可包括使該樹脂固化以使用該樹脂來黏結該複數個包括至少一種Fe16N2相疇之工件。
在一個另外之實例中，本發明描述一種方法，其包括將複數個包括至少一種Fe16N2相疇之工件彼此鄰接安置，其中該複數個工件之各別長軸實質上彼此平行，及將複數個鐵磁性材料粒子安置在該複數個包括至少一種Fe16N2相疇之工件的周圍。根據此實例，該方法亦可包括使用壓縮衝擊來使該複數個包括至少一種Fe16N2相疇之工件接合。
在另一個實例中，本發明描述一種方法，其包括將複數個包括至少一種Fe16N2相疇之工件彼此鄰接安置，其中該複數個工件之各別長軸實質上彼此平行，及將複數個鐵磁性材料粒子安置在該複數個包括至少一種Fe16N2相疇之工件的周圍。根據此實例，該方法亦可包括使用電磁脈衝來使該複數個包括至少一種Fe16N2相疇之工件接合。
在一個另外之實例中，本發明描述一種方法，其包括在滾軋模式研磨裝置(milling apparatus)、攪拌模式研磨裝置或振動模式研磨裝置之儲倉中於氮源存在下研磨含鐵原料以生成包括氮化鐵之粉末。
在另一個實例中，本發明描述一種滾軋模式研磨裝置，其包含經組態以容納含鐵原料及氮源、及在該氮源存在下研磨該含鐵原料以生成包括氮化鐵之粉末的儲倉。
在另一個實例中，本發明描述一種振動模式研磨裝置，其包含經組態以容納含鐵原料及氮源、及在該氮源存在下研磨該含鐵原料以生成包括氮化鐵之粉末的儲倉。
在另一個實例中，本發明描述一種攪拌模式研磨裝置，其包含經組態以容納含鐵原料及氮源、及在該氮源存在下研磨該含鐵原料以生成包括氮化鐵之粉末的儲倉。
在一個另外之實例中，本發明描述一種方法，其包括將含氮化鐵之材料與實質上純之鐵混合以形成包括約8：1之鐵原子與氮原子比率的混合物，及自該混合物形成包含至少一種Fe16N2相疇之磁性材料。
在另一個實例中，本發明描述一種方法，其包含向含氮化鐵之材料中添加至少一種鐵磁性或非磁性摻雜劑，及自包括該至少一種鐵磁性或非磁性摻雜劑的該含氮化鐵之材料形成包括至少一種Fe16N2相疇之磁鐵。
在另一個實例中，本發明描述一種方法，其包含向氮化鐵材料中添加至少一種用於體心四方(bct)相疇之相穩定劑，及自包括該至少一種用於bct相疇之相穩定劑的含氮化鐵之材料形成包括至少一種Fe16N2相疇之磁鐵。
在以下附圖及描述中闡述一或多個實例之細節。其他特徵、目標及優點將自該等描述及附圖以及申請專利範圍而顯而易見。
10‧‧‧第一研磨裝置/儲倉
12‧‧‧儲倉
14‧‧‧箭頭
16‧‧‧研磨球體
18‧‧‧含鐵原料
20‧‧‧氮源
22‧‧‧催化劑
30‧‧‧攪拌模式研磨裝置
32‧‧‧儲倉
34‧‧‧機械軸
36‧‧‧攪拌槳
38‧‧‧混合物
40‧‧‧振動模式研磨裝置
42‧‧‧儲倉
44‧‧‧箭頭
46‧‧‧研磨球體
48‧‧‧含鐵原料
50‧‧‧氮源
52‧‧‧催化劑
54‧‧‧箭頭
70‧‧‧裝置
72‧‧‧第一滾筒
74‧‧‧含氮化鐵之工件/鐵工件
76‧‧‧第二滾筒
78‧‧‧拉直部分
80‧‧‧清潔部分
82‧‧‧第一滾筒組
84‧‧‧應變及後退火部分
86‧‧‧第二滾筒組
92‧‧‧第一層
94‧‧‧第二層
102‧‧‧包括多晶氮化鐵之區域
104‧‧‧包括單一Fe16N2相疇之區域/單一Fe16N2相疇
106‧‧‧加熱旋管
108‧‧‧箭頭
110‧‧‧裝置
112‧‧‧坩堝
114‧‧‧真空爐
116‧‧‧加熱旋管
118‧‧‧尿素
122‧‧‧含鐵材料
132‧‧‧錫
134‧‧‧第一工件
136‧‧‧第二工件
140‧‧‧磁性結構/固體磁性結構
142‧‧‧工件
144‧‧‧鐵磁性粒子
146‧‧‧樹脂/其他黏著劑
172‧‧‧包括至少一種Fe16N2相疇之工件
174‧‧‧鐵磁性粒子
180‧‧‧裝置
182‧‧‧包括Fe16N2相疇之工件
184‧‧‧鐵磁性粒子
186‧‧‧導電線圈
242a‧‧‧板片
242b‧‧‧板片
242c‧‧‧板片
244a‧‧‧板片
244b‧‧‧板片
246‧‧‧磁鐵材料
當與附圖結合閱讀時，進一步理解發明內容以及以下實施方式。出於說明本發明之目的，在附圖實例中顯示所揭示之具體技術、 組合物及裝置(device)；然而本發明不限於該等技術、組合物及裝置。另外，附圖不一定按比例繪製。在附圖中：圖1為展示可用於將含鐵原料與氮源一起研磨之第一研磨裝置的概念圖。
圖2為展示用於自甲酸形成醯胺(acid amide)、使鐵氮化及在使該鐵氮化之後自殘餘烴類再生醯胺之實例反應次序的概念性流程圖。
圖3為展示用於使含鐵原料氮化之另一種實例研磨裝置的概念圖。
圖4為展示用於使含鐵原料氮化之另一種實例研磨裝置的概念圖。
圖5為用於形成包括至少一種包括Fe16N2之相疇(例如α"-Fe16N2)的工件的實例技術之流程圖。
圖6為展示可用於使含氮化鐵之工件發生應變及後退火之實例裝置的概念圖。
圖7為顯示處於應變狀態中且在鐵原子之間的間隙空間中植入有氮原子之八(8)個鐵單位晶胞的概念圖。
圖8為展示可用於使複數個平行的含氮化鐵之工件發生應變及退火之實例技術的概念圖。「圖8A」為圖8之一部分的放大圖示。
圖9為可用於使用尿素擴散過程來使含鐵原料氮化之實例裝置的概念圖。
圖10A-10C為展示用於使至少兩個包括至少一種Fe16N2相疇之工件接合之實例技術的概念圖。
圖11為展示用於使至少兩個包括至少一種Fe16N2相疇之工件接合之另一種實例技術的概念圖。
圖12為展示用於使至少兩個包括至少一種Fe16N2相疇之工件接合之另一種技術的概念圖。
圖13為展示複數個包括至少一種Fe16N2相疇之工件的概念圖，其中在該複數個包括至少一種Fe16N2相疇之工件的周圍安置有鐵磁性粒子。
圖14為可用於使至少兩個包括至少一種Fe16N2相疇之工件接合之另一種裝置的概念圖。
圖15為展示用於形成包括氮化鐵之磁鐵的實例技術的流程圖。
圖16-18為展示用於自包括約8：1之鐵與氮化物比率的混合物形成包括氮化鐵相疇之磁鐵的實例技術的流程圖。
圖19A及19B為展示用於形成包括Fe16N2相疇及鐵磁性或非磁性摻雜劑中之至少一者及/或至少一種相穩定劑之磁性材料的另一種實例技術的概念圖。
圖20展示一種樣品之實例XRD光譜，該樣品藉由首先研磨鐵前驅物材料以形成含鐵原料，隨後在甲醯胺溶液中研磨該含鐵原料來製備。
圖21展示一種樣品之實例XRD光譜，該樣品藉由在乙醯胺溶液中研磨含鐵原料來製備。
圖22為一種包括Fe16N2之實例磁性材料的磁化強度對比所施加磁場的圖，該磁性材料藉由連續澆鑄、淬火及壓製技術來製備。
圖23為一種包括至少一種Fe16N2相疇之實例線的X射線繞射光譜，該線藉由連續澆鑄、淬火及壓製技術製備。
圖24為一種包括Fe16N2之實例磁性材料的磁化強度對比所施加磁場的圖，該磁性材料藉由連續澆鑄、淬火及壓製技術，繼而藉由應變及後退火來製備。
圖25為展示包括Fe16N2之樣品磁性材料的歐傑電子能譜(auger electron spectrum；AES)測試結果的圖，該樣品磁性材料藉由連續澆鑄、淬火及壓製技術，繼而藉由應變及後退火來製備。
圖26A及26B為顯示根據本文所描述之技術來形成的氮化鐵箔片及氮化鐵塊狀材料之實例的影像。
圖27為一種包括Fe16N2之實例線形磁性材料之磁化強度對比所施加磁場的圖，顯示外部磁場相對於樣品之不同定向的不同磁滯環。
圖28為展示在實例線形FeN磁鐵之矯頑磁性與其相對於外部磁場之定向之間關係的圖。
圖29為展示一種實例Fe16N2結晶學結構之概念圖。
圖30為展示Mn摻雜之塊狀Fe能態密度之實例計算結果的曲線。
圖31為展示Mn摻雜之塊狀Fe16N2能態密度之實例計算結果的曲線。
圖32為所製備的具有濃度為5原子%、8原子%、10原子%及15原子%之Mn摻雜劑之Fe-Mn-N塊狀樣品的磁滯環曲線。
圖33為使用歐傑電子能譜法(AES)採集的樣品1之粉末在於尿素氮源存在下球磨研磨之後的元素濃度曲線。
圖34為顯示來自樣品1之粉末在退火後之x射線繞射光譜的曲線。
圖35為所製備的在硝酸銨存在下使用球磨研磨形成之氮化鐵的磁滯環曲線。
圖36為顯示固結前後樣品之x射線繞射光譜的曲線。
參照與附圖及實例結合之以下實施方式可更容易地理解本發明，該等附圖及實例形成本發明之一部分。應理解，本發明不限於本文中所描述及/或顯示之具體裝置(device)、方法、應用、條件或參數，且本文所用之術語出於描述特定實例之目的而並不意欲限制申請專利範圍。當表示範圍值時，另一個實例包括自一個特定值及/或至另一個特定值。類似地，當藉由使用前綴「約」將值表示為近似值 時，應理解特定值形成另一個實例。所有範圍為包括性及可組合的。此外，提及在一個範圍中所陳述之值包括在該範圍內之每一個值。
應瞭解，為清楚起見而在本文中各別實例之上下文中所描述的本發明之某些特徵亦可為在單個實例中組合提供。相反，為簡潔起見而在單個實例之上下文中所描述的本發明之各種特徵亦可單獨或在任何次組合中提供。
本發明描述包括氮化鐵之磁性材料、包括氮化鐵之塊狀永久磁鐵、用於形成包括氮化鐵之磁性材料的技術、及用於形成包括氮化鐵之塊狀永久磁鐵的技術。包括Fe16N2氮化鐵相之塊狀永久磁鐵可提供包括稀土元素之永久磁鐵的替代，因為Fe16N2之飽和磁化強度較高，磁各向異性常數較高，且因此能量乘積較高。在一些實例中，較高之飽和磁化強度及磁各向異性常數導致可高於稀土磁鐵之磁能乘積。根據本文所描述之技術而製得的塊狀Fe16N2永久磁鐵可具有所需磁特性，包括在Fe16N2永久磁鐵為各向異性時高達約130MGOe之能量乘積。在其中Fe16N2磁鐵為各向同性之實例中，能量乘積可高達約33.5MGOe。永久磁性之能量乘積與剩餘矯頑磁性及剩餘磁化強度之乘積成比例。用於比較，Nd2Fe14B永久磁鐵之能量乘積可高達約60MGOe。能量乘積較高可導致永久磁鐵在用於馬達、發電機或其類似物中時效率增加。另外，包括Fe16N2相之永久磁鐵可不包括稀土元素，其可降低磁鐵之材料成本且可減小生產磁鐵之環境影響。
在不受任何操作理論限制的情況下，咸信Fe16N2為介穩態相，其與其他穩定Fe-N相競爭。因此，形成包括Fe16N2之塊狀磁性材料及塊狀永久磁鐵可為困難的。本文所描述之各種技術可促使形成包括Fe16N2氮化鐵相之磁性材料。在一些實例中，該等技術與用於形成包括Fe16N2氮化鐵相之磁性材料的其他技術相比，可降低形成包括Fe16N2氮化鐵相之磁性材料的成本，增加Fe16N2氮化鐵相在磁性材料 中之體積分率，提供Fe16N2氮化鐵相在磁性材料內之較大穩定性，促使包括Fe16N2氮化鐵相之磁性材料的大批量生產及/或改良包括Fe16N2氮化鐵相之磁性材料的磁特性。
本文所描述之塊狀永久FeN磁鐵可具有各向異性磁特性。該等各向異性磁特性之特徵在於在相對於所施加電場或磁場之不同定向處具有不同能量乘積、矯頑磁性及磁化強度矩。相應地，所揭示之塊狀FeN磁鐵可在多種應用(例如電動馬達)中之任一者中用於賦予該等應用較低能量損失及較高能效。
在一些實例中，本發明描述用於形成包括氮化鐵之粉末之技術，其使用將含鐵原料與氮源一起研磨來進行，該氮源諸如含醯胺或含肼之液體或溶液。含醯胺或含肼之液體或溶液充當氮供體，且在研磨及混合完成之後，形成包括氮化鐵之粉末。在一些實例中，包括氮化鐵之粉末可包括一或多種氮化鐵相，包括例如Fe8N、Fe16N2、Fe2N6、Fe4N、Fe3N、Fe2N、FeN及FeNx(其中x在約0.05至約0.5之範圍內)。包括氮化鐵之粉末可隨後在一種技術中用於形成包括Fe16N2氮化鐵之塊狀永久磁鐵。
在一些實例中，本發明描述用於形成包括至少一種Fe16N2相疇之磁性材料的技術。在一些實施方案中，磁性材料可由包括鐵及氮之材料形成，諸如包括氮化鐵之粉末或包括氮化鐵之塊狀材料。在該等實例中，可避免另一個氮化步驟。在其他實例中，磁性材料可由可經氮化之含鐵原料(例如粉末或塊狀物)形成，該氮化為形成磁性材料之過程的一部分。含氮化鐵之材料隨後可經熔化且經受連續澆鑄、淬火及壓製製程以形成包括氮化鐵之工件。在一些實例中，工件在至少一個軸線上之尺寸(dimension)可在約0.1mm與約50mm之間，且可包括至少一種Fe8N相疇。在一些實例中，諸如當工件包括線或條帶時，該線或條帶之直徑或厚度可分別在約0.1mm與約50mm之間。
在一些實例中，工件包括一個比該工件之其他維度(dimension)長，例如長得多的維度。有一個維度比其他維度長之實例工件包括纖維、線、長絲、纜線、薄膜、厚膜、箔片、條帶、板片或其類似物。在其他實例中，工件可不具有一個比該工件之其他維度長的維度。舉例而言，工件可包括顆粒或粉末，諸如球體、圓柱體、微粒、薄片、規則多面體、不規則多面體及其任何組合。適合之規則多面體的實例包括四面體、六面體、八面體、十面體、十二面體及其類似物，其非限制性實例包括立方體、稜柱、角錐及其類似物。
在一些實例中，澆鑄製程可在空氣、氮氣環境、惰性環境、部分真空、完全真空或其任何組合中進行。在一些實例中，澆鑄期間之壓力可在約0.1GPa與約20GPa之間。在一些實施方案中，澆鑄及淬火製程可藉由以下各者來輔助，可施加應變場、剪切場、溫度場、壓力場、磁場、電場或其任何組合來輔助澆鑄製程。
在一些實例中，淬火製程包括將工件加熱至650℃以上之溫度持續介於約0.5小時與約20小時之間。在一些實例中，工件之溫度可突然下降至該工件合金之麻田散體(martensite)溫度(Ms)以下。舉例而言，對Fe16N2而言，麻田散體溫度(Ms)為約250℃。用於淬火之介質可包括液體，諸如水、鹽水(鹽濃度在約1%與約30%之間)、諸如油之非水性流體、或液氮。在其他實例中，淬火介質可包括氣體，諸如流動速率介於每分鐘約1標準立方公分(1sccm)與約1000sccm之間的氮氣。在其他實例中，淬火介質可包括固體，諸如鹽、砂或其類似物。在一些實施方案中，可施加電場或磁場來輔助淬火製程。
包括至少一種Fe8N相疇之工件可隨後經應變及後退火以形成包括至少一種Fe16N2相疇之工件。包括至少一種Fe8N相疇之工件可在經退火之同時經應變以促使該至少一種Fe8N相疇轉變為至少一種Fe16N2相疇。在一些實例中，在工件上施加之應變可足以使該工件在一或多 個軸線上之尺寸減小至小於約0.1mm。在一些實例中，諸如當工件包括線或條帶時，施加在該線或條帶上之應變可足以使該線或條帶之直徑或厚度分別減小至小於約0.1mm。在一些實例中，為促使工件在一或多個維度(dimension)上之尺寸(dimension)減小，可使用滾筒來在該工件上施加壓力。在一些實例中，工件之溫度在應變製程期間可在約-150℃與約300℃之間。在一些實例中，包括至少一種Fe16N2相疇之工件可基本上由一種Fe16N2相疇組成，其可進一步沿該工件之長方向定向(例如氮化鐵相疇之單位晶胞的一或多個<001>晶軸可沿該工件之長方向定向)。
在一些實例中，本發明描述用於將複數個包括至少一種Fe16N2相疇之工件組合成塊狀磁性材料的技術。在一些實例中，該複數個包括至少一種Fe16N2相疇之工件可各自包括一或多個實質上平行地垂直於對應工件之長軸的<001>晶體軸(crystalline axes)。該複數個包括至少一種Fe16N2相疇之工件的長軸可實質上平行於彼此安置，以使得該等工件中之<001>晶體軸可為實質上平行的。此可提供較高磁各向異性，其可導致較高能量乘積。用於使該複數個包括至少一種Fe16N2相疇之工件接合的技術包括使用Sn、Cu、Zn或Ag中之至少一者摻合該等工件以在該等工件之界面處形成鐵合金；使用經Fe或其他鐵磁性粒子填充之樹脂以將該等工件黏結在一起；衝擊壓縮以將該等工件壓製在一起；放電以使該等工件接合；及/或電磁壓實以使該等工件接合。
在一些實例中，本發明描述一種用於自氮化鐵粉末形成磁性材料之技術。氮化鐵粉末可包括一或多種不同氮化鐵相(例如Fe8N、Fe16N2、Fe2N6、Fe4N、Fe3N、Fe2N、FeN及FeNx(其中x在約0.05與0.5之間))。氮化鐵粉末可單獨混合或與純鐵粉混合以形成以8：1原子比率包括鐵及氮之混合物。混合物隨後可藉助於多種方法之一形成為 磁性材料。舉例而言，混合物可經熔化且經受澆鑄、淬火及壓製製程以形成複數個工件。該複數個工件可包括至少一種Fe8N相疇。該複數個工件隨後可經退火以形成至少一種Fe16N2相疇，經燒結及老化以使該複數個工件接合，且視情況經成形及磁化以形成磁鐵。作為另一個實例，混合物可在磁場存在下經壓製，經退火以形成至少一種Fe16N2相疇，經燒結及老化，且視情況經成形及磁化以形成磁鐵。作為另一個實例，混合物可經熔化及紡絲以形成含氮化鐵之材料。含氮化鐵之材料可經退火以形成至少一種Fe16N2相疇，經燒結及老化，且視情況經成形及磁化以形成磁鐵。
在一些實例中，本發明描述一種含氮化鐵之磁性材料，該磁性材料另外包括至少一種鐵磁性或非磁性摻雜劑。在一些實例中，至少一種鐵磁性或非磁性摻雜劑可稱為鐵磁性或非磁性雜質。鐵磁性或非磁性摻雜劑可用於使由包括鐵及氮之混合物形成之磁性材料的磁矩、矯頑磁性或熱穩定性中之至少一者增加。鐵磁性或非磁性摻雜劑之實例包括Sc、Ti、V、Cr、Mn、Co、Ni、Cu、Zn、Zr、Nb、Mo、Ru、Rh、Pd、Ag、Cd、Pt、Au、Sm、C、Pb、W、Ga、Y、Mg、Hf、Ta及其組合。舉例而言，與不包括Mn摻雜劑原子之氮化鐵材料相比，在包括至少一種Fe16N2相疇之氮化鐵材料中以介於約5原子%與約15原子%之間的水準包括Mn摻雜劑原子可改良該等Fe16N2相疇之熱穩定性及該材料之矯頑磁性。在一些實例中，包括鐵及氮之混合物可包括一種以上(例如至少兩種)鐵磁性或非磁性摻雜劑。在一些實例中，鐵磁性或非磁性摻雜劑可充當疇壁釘紮位點，其可改良由包括鐵及氮之混合物形成之磁性材料的矯頑磁性。
在一些實例中，本發明描述一種含氮化鐵之磁性材料，其另外包括至少一種相穩定劑。該至少一種相穩定劑可為經選擇以改良Fe16N2體積比率、熱穩定性、矯頑磁性及耐侵蝕性中之至少一者的元 素。當存在於混合物中時，該至少一種相穩定劑可以介於0.1原子%與約15原子%之間的濃度存在於包括鐵及氮之混合物中。在其中至少兩種相穩定劑存在於混合物中的一些實例中，該至少兩種相穩定劑之總濃度可在約0.1原子%與約15原子%之間。該至少一種相穩定劑可包括例如B、Al、C、Si、P、O、Co、Cr、Mn、S及其組合。舉例而言，與不包括Mn摻雜劑原子之氮化鐵材料相比，在包括至少一種Fe16N2相疇之氮化鐵材料中以介於約5原子%與約15原子%之間的水準包括Mn摻雜劑原子可改良該等Fe16N2相疇之熱穩定性及該材料之矯頑磁性。
圖1為展示可用於將含鐵原料與氮源一起研磨之第一研磨裝置的概念圖。第一研磨裝置10可以滾軋模式操作，其中如由箭頭14所指示，第一研磨裝置10之儲倉12繞橫軸旋轉。隨著儲倉12旋轉，研磨球體16在儲倉12內移動且隨時間壓碎含鐵原料18。除含鐵原料18及研磨球體16之外，儲倉12包封氮源20。
在圖1中所展示之實例中，研磨球體16可包括足夠硬之材料，該材料在以足夠力量接觸含鐵原料18時將磨損含鐵原料18且使含鐵原料18之粒子平均具有較小大小。在一些實例中，研磨球體16可由鋼、不鏽鋼或其類似物形成。在一些實例中，形成研磨球體16之材料可能不與含鐵原料18及/或氮源20發生化學反應。在一些實例中，研磨球體16之平均直徑可在約5毫米(mm)與約20mm之間。
含鐵原料18可包括任何含鐵材料，包括原子鐵、氧化鐵、氯化鐵或其類似物。在一些實例中，含鐵原料18可包括實質上純之鐵(例如具有小於約10原子%摻雜劑或雜質之鐵)。在一些實例中，摻雜劑或雜質可包括氧或氧化鐵。含鐵原料18可以任何適合之形式提供，包括例如粉末或相對較小之粒子。在一些實例中，含鐵原料18中之粒子平均大小可小於約100微米(μm)。
氮源20可包括硝酸銨(NH4NO3)或含醯胺之材料，諸如液體醯胺 或含有醯胺之溶液、或肼或含有肼之溶液。醯胺包括C-N-H鍵，且肼包括N-N鍵。硝酸銨、醯胺及肼可充當用於形成包括氮化鐵之粉末的氮供體。實例醯胺包括胺甲醯胺((NH2)2CO；亦稱為尿素)、甲醯胺(式1)、苯甲醯胺(式2)及乙醯胺(式3)，但可使用任何醯胺。
在一些實例中，醯胺可藉由用胺基替換羧酸之羥基而自羧酸衍生。此類型之醯胺(amide)可稱為醯胺(acid amide)。
在一些實例中，儲倉12亦可封入催化劑22。催化劑22可包括例如鈷(Co)粒子及/或鎳(Ni)粒子。催化劑22催化含鐵原料18之氮化。用於使用共聚催化劑來使鐵氮化的一種可能之概念化反應路徑顯示在以下反應1-3中。當使用Ni作為催化劑22時可遵循類似反應路徑。
因此，藉由混合足夠醯胺與催化劑22，可將含鐵原料18轉化為含氮化鐵之材料。
圖2為展示用於自甲酸形成醯胺、使鐵氮化及在使該鐵氮化之後自殘餘烴類再生醯胺之實例反應次序的概念性流程圖。藉由利用顯示在圖2中之反應次序，催化劑22及氮源20之部分(例如除醯胺中之氮以外)可再循環且減少來自該過程之廢棄物。如圖2中所示，羧酸可與氨在約100℃之溫度下反應以形成醯胺且放出水。醯胺隨後可與催化劑22(例如Co及/或Ni)反應以放出氫氣且使該催化劑與氮鍵結。此化合物隨後可與鐵反應以形成有機氮化鐵且釋放催化劑。最後，有機氮化鐵可與LiAlH4反應以再生羧酸且形成氮化鐵。
現返回圖1，研磨裝置10之儲倉12可以足以使儲倉12中之組分(例如研磨球體16、含鐵原料18、氮源20及催化劑22)混合且使研磨球體16研磨含鐵原料18的速率旋轉。在一些實例中，儲倉12可以每分鐘約500轉(500rpm)至約2000轉、諸如介於約600rpm與約650rpm之間、約600rpm或約650rpm的旋轉速度旋轉。此外，在一些實例中，為促使含鐵原料18之研磨，研磨球體16之總質量與含鐵原料18之總質量的質量比可為約20：1。研磨可進行預定時間，該預定時間經選擇以允許使含鐵原料18氮化及將含鐵原料18(及經氮化之含鐵材料)研磨為預定 粒度分佈。在一些實例中，研磨可進行介於約1小時與約100小時之間、諸如介於約1小時與約20小時之間或約20小時的時間。在一些實例中，研磨裝置10在各10小時之研磨之後可停止約10分鐘，以允許研磨裝置10、含鐵原料18、氮源20及催化劑22冷卻。
在其他實例中，研磨製程可使用不同類型之研磨裝置來進行。圖3為展示用於使含鐵原料氮化之另一種實例研磨裝置的概念圖。圖3中所展示之研磨裝置可稱為攪拌模式研磨裝置30。攪拌模式研磨裝置包括儲倉32及機械軸34。在機械軸34上安裝有複數個攪拌槳36，該等攪拌槳隨著機械軸34旋轉而攪拌儲倉32之內容物。在儲倉32中容納有研磨球體、含鐵原料；氮源(諸如含醯胺或含肼之液體或溶液)；及催化劑的混合物38。研磨球體、含鐵原料、氮源及催化劑可與參考圖1所描述之研磨球體16、含鐵原料18、氮源20及催化劑22相同或實質上類似。
攪拌模式研磨裝置30可用於以與圖1中所展示之研磨裝置10類似的方式使含鐵原料18氮化。舉例而言，機械軸34可以介於約500rpm與約2000rpm之間、諸如介於約600rpm與約650rpm之間、約600rpm或約650rpm的速率旋轉。此外，在一些實例中，為促使含鐵原料之研磨，研磨球體與含鐵原料之質量比可為約20：1。研磨可進行預定時間，該預訂時間經選擇以允許使含鐵原料氮化及將含鐵原料(及經氮化之含鐵材料)研磨為預定粒度分佈。在一些實例中，研磨可進行介於約1小時與約100小時之間、諸如介於約1小時與約20小時之間或約20小時的時間。在一些實例中，研磨裝置30在各10小時之研磨之後可停止約10分鐘，以允許研磨裝置30、含鐵原料18、氮源20及催化劑22冷卻。
圖4為展示用於使含鐵原料氮化之另一種實例研磨裝置的概念圖。圖4中所展示之研磨裝置可稱為振動模式研磨裝置40。如圖4中所 示，振動模式研磨裝置可利用儲倉42繞橫軸之旋轉(由箭頭44指示)及儲倉42之垂直振動運動(由箭頭54指示)兩者來使用研磨球體46研磨含鐵原料48。如圖4中所示，儲倉42容納研磨球體46、含鐵原料48、氮源50及催化劑52之混合物。研磨球體46、含鐵原料48、氮源50及催化劑52可與參考圖1所描述之研磨球體16、含鐵原料18、氮源20及催化劑22相同或實質上類似。
振動模式研磨裝置40可用於以與圖1中所展示之研磨裝置10類似的方式使含鐵原料18氮化。舉例而言，該振動模式研磨裝置40之機械軸可以介於約500rpm與約2000rpm之間、諸如介於約600rpm與約650rpm之間、約600rpm或約650rpm的速率旋轉。此外，在一些實例中，為促使含鐵原料之研磨，研磨球體與含鐵原料之質量比可為約20：1。研磨可進行預定時間，該預訂時間經選擇以允許使含鐵原料氮化及將含鐵原料(及經氮化之含鐵材料)研磨為預定粒度分佈。在一些實例中，研磨可進行介於約1小時與約100小時之間、諸如介於約1小時與約20小時之間或約20小時的時間。在一些實例中，研磨裝置40在各10小時之研磨之後可停止約10分鐘，以允許研磨裝置40、含鐵原料18、氮源20及催化劑22冷卻。
不論用於形成氮化鐵粉末之研磨類型如何，該氮化鐵粉末可包括以下各者中之至少一者：FeN、Fe2N(例如ξ-Fe2N)、Fe3N(例如ε-Fe3N)、Fe4N(例如γ'-Fe4N)、Fe2N6、Fe8N、Fe16N2及FeNx(其中x在約0.05與約0.5之間)。另外，氮化鐵粉末可包括其他材料，諸如純鐵、鈷、鎳、摻雜劑或其類似物。在一些實例中，鈷、鎳摻雜劑或其類似物在研磨製程之後可使用一或多種適合之技術至少部分地移除。在一些實例中，氮化鐵粉末可在後續製程中用於形成包括氮化鐵相(諸如Fe16N2)之磁性材料(諸如永久磁鐵)。在諸如硝酸銨或含醯胺或肼之液體或溶液的氮源存在下研磨含鐵原料對形成含氮化鐵之材料而言可為 有成本效益之技術。此外，在諸如硝酸銨或含醯胺或肼之液體或溶液的氮源存在下研磨含鐵原料可促使含氮化鐵之材料的大批量生產且可減少鐵之氧化。
在一些實例中，在於氮源存在下研磨含鐵原料之前，可使用研磨技術及/或熔紡(melting spinning)技術將鐵前驅物轉化為含鐵原料。在一些實例中，鐵前驅物可包括以下各者中之至少一者：Fe、FeCl3、Fe2O3或Fe3O4。在一些實施方案中，氮化鐵前驅物可包括平均直徑例如大於約0.1mm(100μm)之粒子。
當研磨鐵前驅物時，可利用上述研磨技術中之任一者，包括滾軋模式研磨、攪拌模式研磨及振動模式研磨。在一些實例中，可在鈣(Ca)、鋁(Al)或鈉(Na)中之至少一者存在下研磨鐵前驅物。Ca、Al及/或Na中之至少一者可與存在於鐵前驅物中之氧(分子氧或氧離子)(若存在)反應。經氧化的Ca、Al及/或Na中之至少一者隨後可自混合物中移除。舉例而言，經氧化的Ca、Al及/或Na中之至少一者可使用沈積技術及蒸發技術或酸洗(acid cleaning)技術中之至少一者來移除。在一些實例中，氧還原過程可藉由在研磨裝置內流動氫氣來進行。氫氣可與存在於含鐵原料中之任何氧反應，且該氧氣可自該含鐵原料中移除。在一些實例中，此可形成實質上純之鐵(例如具有小於約10原子%摻雜劑之鐵)。另外地或可替代地，含鐵原料可使用酸洗技術來清潔。舉例而言，濃度介於約5%與約50%之間的稀HCl可用於自含鐵原料中洗滌氧。在具有Ca、Al及/或Na中之至少一者的混合物中研磨鐵前驅體(或酸洗)可減少鐵之氧化，且可對許多不同鐵前驅體有效，包括例如Fe、FeCl3、Fe2O3或Fe3O4、或其組合。鐵前驅體之研磨在製備用於形成含氮化鐵之材料的含鐵原料時可提供靈活性及成本優勢。
在其他實例中，含鐵原料可由熔紡形成。在熔紡中，鐵前驅物可例如藉由在爐中加熱該鐵前驅物來熔化以形成熔融鐵前驅物。熔融 鐵前驅物隨後可流經冷滾筒表面以使該熔融鐵前驅物淬火及形成脆性材料條帶。在一些實例中，冷滾筒表面可藉由冷卻劑(諸如水)在低於室溫之溫度下冷卻。舉例而言，冷滾筒表面可在介於約10℃與約25℃之間的溫度下冷卻。脆性材料條帶可隨後經歷熱處理步驟以使該脆性鐵材料預退火。在一些實例中，熱處理可在介於約200℃與約600℃之間的溫度下在大氣壓下進行介於約0.1小時與約10小時之間。在一些實例中，熱處理可在氮氣或氬氣氛圍中進行。在於惰性氣體下熱處理脆性材料條帶之後，該脆性材料條帶可經碎裂以形成含鐵粉末。此粉末可在用於形成含氮化鐵之粉末的技術中用作含鐵原料18或48。
在一些實例中，本發明描述用於自含氮化鐵之材料形成包括Fe16N2相疇之磁性材料的技術。在一些實例中，藉由上述技術形成的含氮化鐵之粉末可用於形成包括Fe16N2相疇之磁鐵。在其他實例中，如下文將描述，含鐵原料可使用其他技術來氮化。
不論含氮化鐵之材料的來源如何，該含氮化鐵之材料可經熔化及連續澆鑄、壓製及淬火以形成含有氮化鐵之工件。在一些實例中，工件在一或多個軸線上之尺寸可在約0.001mm與約50mm之間。舉例而言，在其中工件包括條帶之一些實例中，該等條帶之厚度可在約0.001mm與約5mm之間。作為另一個實例，在其中工件包括線之一些實例中，該等線之直徑可在約0.1mm與約50mm之間。工件隨後可經應變及後退火以形成至少一種包括Fe16N2之相疇(例如α"-Fe16N2)。在一些實例中，包括至少一種包括Fe16N2之相疇(例如α"-Fe16N2)的此等工件隨後可與包括至少一種包括Fe16N2之相疇(例如α"-Fe16N2)的其他工件接合以形成磁鐵。
圖5為用於形成包括至少一種包括Fe16N2之相疇(例如α"-Fe16N2)的工件的實例技術之流程圖。圖5中所展示之技術包括熔化包括鐵及氮之混合物以形成含熔融氮化鐵之混合物(62)。包括鐵及氮之混合物可 包括，例如包括大致8：1之鐵與氮原子比率。舉例而言，該混合物可包括介於約8原子%與約15原子%之間的氮，以及平衡鐵、其他元素及摻雜劑。作為另一個實例，該混合物可包括介於約10原子%與約13原子%之間的氮或約11.1原子%之氮。
在一些實例中，除鐵及/或氮之外，包括鐵及氮之混合物可包括至少一種類型之氮化鐵，諸如FeN、Fe2N(例如ξ-Fe2N)、Fe3N(例如ε-Fe3N)、Fe4N(例如γ'-Fe4N及/或γ-Fe4N)、Fe2N6、Fe8N、Fe16N2或FeNx(其中x在約0.05與約0.5之間)。在一些實例中，包括鐵及氮之混合物的純度(例如鐵及氮共同含量)可為至少92原子%。
在一些實例中，包括鐵及氮之混合物可包括至少一種摻雜劑(諸如鐵磁性或非磁性摻雜劑)及/或相穩定劑。在一些實例中，至少一種鐵磁性或非磁性摻雜劑可稱為鐵磁性或非磁性雜質，且/或相穩定劑可稱為相穩定化雜質。鐵磁性或非磁性摻雜劑可用於使由包括鐵及氮之混合物形成之磁性材料的磁矩、矯頑磁性或熱穩定性中之至少一者增加。鐵磁性或非磁性摻雜劑之實例包括Sc、Ti、V、Cr、Mn、Co、Ni、Cu、Zn、Zr、Nb、Mo、Ru、Rh、Pd、Ag、Cd、Pt、Au、Sm、C、Pb、W、Ga、Y、Mg、Hf及Ta。舉例而言，與不包括Mn摻雜劑原子之氮化鐵材料相比，在包括至少一種Fe16N2相疇之氮化鐵材料中以介於約5原子%與約15原子%之間的水準包括Mn摻雜劑原子可改良該等Fe16N2相疇之熱穩定性及該材料之矯頑磁性。在一些實例中，一種以上(例如至少兩種)鐵磁性或非磁性摻雜劑可包括在包括鐵及氮之混合物中。在一些實例中，鐵磁性或非磁性摻雜劑可充當疇壁釘紮位點，其可改良由包括鐵及氮之混合物形成之磁性材料的矯頑磁性。表1包括鐵磁性或非磁性摻雜劑在包括鐵及氮之混合物內的實例濃度。
可替代地或另外，包括鐵及氮之混合物可包括至少一種相穩定劑。該至少一種相穩定劑可為經選擇以改良Fe16N2體積比率、熱穩定性、矯頑磁性及耐侵蝕性中之至少一者的元素。當存在於混合物中時，該至少一種相穩定劑可以介於0.1原子%與約15原子%之間的濃度存在於包括鐵及氮之混合物中。在其中至少兩種相穩定劑存在於混合物中的一些實例中，該至少兩種相穩定劑之總濃度可在約0.1原子%與約15原子%之間。該至少一種相穩定劑可包括例如B、Al、C、Si、P、O、Co、Cr、Mn及/或S。舉例而言，與不包括Mn摻雜劑原子之氮化鐵材料相比，在包括至少一種Fe16N2相疇之氮化鐵材料中以介於約5原子%與約15原子%之間的水準包括Mn摻雜劑原子可改良該等Fe16N2相疇之熱穩定性及該材料之矯頑磁性。
在一些實例中，熔化包括鐵及氮之混合物以形成含熔融氮化鐵之混合物(62)可包括在約1500℃以上之溫度下加熱包括鐵及氮、及視情況選用之至少一種非磁性或鐵磁性摻雜劑及/或至少一種相穩定劑的混合物。在一些實例中，包括鐵及氮之混合物可在使用射頻(RF)感應線圈之爐中加熱。在其中使用塊狀含氮化鐵之材料的實例中，爐可在大於約1600℃之溫度下加熱。在其中使用含氮化鐵之粉末的實例中，爐可在大於約2000℃之溫度下加熱。
在其他實例中，包括鐵及氮之混合物可在爐中使用低頻或中頻感應線圈來加熱。在其中使用低頻或中頻率感應線圈來加熱爐之一些實例中，不論是否使用塊狀含氮化鐵之材料或含氮化鐵之粉末作為包括鐵及氮之混合物，爐可在大於約1600℃之溫度下加熱。在一些實例中，包括鐵及氮之混合物可在環境氛圍下加熱。
一旦包括鐵及氮之混合物熔融，可使該混合物經受澆鑄、淬火及壓製製程以形成含氮化鐵之工件(64)。在一些實例中，相較於分批製程(batch process)，澆鑄、淬火及壓製製程可為連續的。熔融的包括鐵及氮之混合物可在模具中沈積，該模具可使該包括鐵及氮之混合物成形為預定形狀，諸如至少一種長度大於其寬度或直徑之線、條帶或其他製品。在澆鑄製程期間，視澆鑄速度而定，模具之溫度可維持在介於約650℃與約1200℃之間的溫度下。在一些實例中，在澆鑄製程期間，模具之溫度可維持在介於約800℃與約1200℃之間的溫度下。澆鑄製程可在空氣、氮氣環境、惰性環境、部分真空、完全真空或其任何組合中進行。澆鑄製程可處於任何壓力下，例如在約0.1GPa與約20GPa之間。在一些實例中，澆鑄製程可藉由應變場、溫度場、壓力場、磁場、電場或其任何組合來輔助。
在澆鑄完成之後或在澆鑄製程即將完成的同時，可使包括鐵及氮之混合物淬火以固定含氮化鐵之材料的結晶結構及相組成。在一些 實例中，在淬火製程期間，可將工件加熱至650℃之溫度持續介於約0.5小時與約20小時之間。在一些實例中，工件之溫度可突然下降至該工件合金之麻田散體溫度(Ms)以下。舉例而言，對Fe16N2而言，麻田散體溫度(Ms)為約250℃。用於淬火之介質可包括液體，諸如水、鹽水(鹽濃度在約1%與約30%之間)、諸如油之非水性液體或溶液、或液氮。在其他實例中，淬火介質可包括氣體，諸如流動速率介於約1sccm與約1000sccm之間的氮氣。在其他實例中，淬火介質可包括固體，諸如鹽、砂或其類似物。在一些實例中，包括鐵及氮之工件在淬火製程期間可以每秒大於50℃之速率冷卻。在一些實例中，澆鑄製程可藉由磁場及/或電場來輔助。
在淬火完成之後，含氮化鐵之材料可經壓製以得到預定大小的含氮化鐵之材料。在壓製製程期間，視含氮化鐵之材料的所需最終尺寸(例如厚度或直徑)而定，該含氮化鐵之材料的溫度可維持在約250℃以下，且該含氮化鐵之材料可暴露在介於約5噸與50噸之間的壓力中。當壓製製程完成時，含氮化鐵之材料可呈在一或多個軸線上之尺寸介於約0.001mm與約50mm之間(例如對線而言直徑介於約0.1mm與約50mm之間，或對條帶而言，厚度介於約0.001mm與約5mm之間)的工件形狀。含氮化鐵之工件可包括至少一種Fe8N氮化鐵相疇。
圖5中所展示之技術進一步包括使含氮化鐵之工件發生應變及後退火(66)。應變及後退火製程可將至少一些Fe8N氮化鐵相疇轉化為Fe16N2相疇。圖6為展示可用於使含氮化鐵之工件發生應變及後退火之實例裝置的概念圖(66)。圖6中所展示之裝置70包括含氮化鐵之工件74自其展開之第一滾筒72及含氮化鐵之工件74在後退火製程完成之後回卷至其上的第二滾筒76。儘管參考含氮化鐵之工件74來描述圖6中所展示之實例，但在其他實例中，裝置70及技術可與界定為不同形狀(諸如上述工件形狀中之任一者)的含氮化鐵之材料一起使用。
舉例而言，工件包括一個比該工件之其他維度(dimension)長，例如長得多的維度。有一個維度比其他維度長之實例工件包括纖維、線、長絲、纜線、薄膜、厚膜、箔片、條帶、板片或其類似物。在其他實例中，工件可不具有一個比該工件之其他維度長的維度。舉例而言，工件可包括顆粒或粉末，諸如球體、圓柱體、微粒、薄片、規則多面體、不規則多面體及其任何組合。適合之規則多面體的實例包括四面體、六面體、八面體、十面體、十二面體及其類似物，其非限制性實例包括立方體、稜柱、角錐及其類似物。
一般而言，在其經退火之同時可處於足夠應力下的任何二維或三維形狀可併入本文所描述之技術中。舉例而言，用足夠大之壓製產生膨脹應力可將線變為圓柱體。在一些實例中，工件可界定為具有非環形橫截面。具有一或多種類型之形狀、橫截面或兩者的多個工件亦可在本文所描述之技術中組合使用。在一些實例中，工件橫截面可為弧形、卵形、三角形、正方形、矩形、五邊形、六邊形、較高邊數多邊形、以及其規則多邊形及不規則多邊形變型。相應地，只要工件可處於適合應力下，該工件可經誘導以形成至少一種Fe16N2相疇。
隨著含氮化鐵之工件74自第一滾筒72展開，含氮化鐵之工件74行進通過視情況選用之拉直部分78，該拉直部分可包括複數個滾筒，該等滾筒接觸含氮化鐵之工件74以實質上拉直(例如拉直或接近拉直)含氮化鐵之工件74。在視情況選用之拉直部分78之後，含氮化鐵之工件74可穿過視情況選用之清潔部分80，其中含氮化鐵之工件74可使用例如去垢及水或另一種移除表面摻雜劑但不實質上與該含氮化鐵之工件74反應的溶劑來清潔。
在離開視情況選用之清潔部分80後，含氮化鐵之工件74穿過第一滾筒組82之間且到達應變及後退火部分84。在應變及後退火部分84中，在加熱的同時，例如藉由拉伸及/或壓製來使含氮化鐵之工件74 經受機械應變。在一些實例中，含氮化鐵之工件74可沿實質上平行(例如平行或接近平行)於含氮化鐵之工件74中至少一個鐵晶體之<001>軸線的方向發生應變。在一些實例中，含氮化鐵之工件74由具有體心立方(bcc)晶體結構之氮化鐵形成。在一些實例中，含氮化鐵之工件74可由複數個bcc氮化鐵晶體形成。在一些此等實例中，該複數個鐵晶體經定向以使得個別單位晶胞及/或晶體之至少一些、例如大部分或實質上所有<001>軸線實質上平行於其中向含氮化鐵之工件74施加應變的方向。舉例而言，當鐵以含氮化鐵之工件74形式形成時，至少一些<001>軸線可實質上平行於含氮化鐵之工件74的主軸。
在未應變之鐵bcc晶格中，晶體單位晶胞之<100>、<010>及<001>軸線的長度可實質上相等。然而，當在實質上平行於晶軸之一(例如<001>晶軸)的方向上向晶體單位晶胞施加力(例如拉力)時，單位晶胞可變形且鐵晶體結構可稱為體心四方(bct)。舉例而言，圖7為顯示處於應變狀態中且在鐵原子之間的間隙空間中植入有氮原子之八(8)個鐵單位晶胞的概念圖。圖7中之實例包括第一層92中之四個鐵單位晶胞及第二層94中之四個鐵單位晶胞。第二層94覆疊第一層92，且第二層94中之單位晶胞實質上與第一層92中之單位晶胞對準(例如該等單位晶胞之<001>晶軸在該等層之間實質上對準)。如圖7中所示，鐵單位晶胞經變形以使得該單位晶胞沿<001>軸線之長度大致為3.14埃(Å)，同時該單位晶胞沿<010>及<100>軸線之長度大致為2.86Å。鐵單位晶胞在處於應變狀態中時可稱為bct單位晶胞。當鐵單位晶胞處於應變狀態中時，<001>軸線可稱為單位晶胞之c軸。
可使用多種應變誘導裝置來在含氮化鐵之工件74上施加應變。舉例而言，如圖6中所示，含氮化鐵之工件74可由第一滾筒組82及第二滾筒組86接收(例如圍繞捲繞)，且滾筒組82、86可以相反方向旋轉以在該含氮化鐵之工件74上施加拉力。在其他實例中，含氮化鐵之工 件74的相對末端可抓握在例如夾鉗之機械夾具中，且該等機械夾具可遠離彼此移動以在該含氮化鐵之工件74上施加拉力。
應變誘導裝置可使含氮化鐵之工件74發生應變達到一定伸長率。舉例而言，含氮化鐵之工件74上的應變可在約0.3%與約12%之間。在其他實例中，含氮化鐵之工件74上的應變可小於約0.3%或大於約12%。在一些實例中，在含氮化鐵之工件74上施加一定應變可在個別鐵單位晶胞上導致實質上類似之應變，以使得該單位晶胞沿<001>軸線伸長介於約0.3%與約12%之間。
在含氮化鐵之工件74經應變的同時，含氮化鐵之工件74可經加熱以使含氮化鐵之工件74退火。含氮化鐵之工件74可藉由將含氮化鐵之工件74加熱至介於約100℃與約250℃之間、諸如介於約120℃與約200℃之間的溫度來退火。在使含氮化鐵之工件74發生應變的同時使含氮化鐵之工件74退火可促使至少一些氮化鐵相疇轉化為Fe16N2相疇。
退火製程可繼續預定時間，該預定時間足以允許氮原子擴散至適當間隙空間中。在一些實例中，退火製程持續介於約20小時與約100小時之間，諸如介於約40小時與約60小時之間。在一些實例中，退火製程可在諸如Ar之惰性氛圍下發生以減少或實質上防止鐵之氧化。在一些實施方案中，在含氮化鐵之工件74經退火之同時，溫度保持實質上恆定。
圖8為展示可用於使複數個平行的含氮化鐵之工件74發生應變及退火之實例技術的概念圖。儘管參考含氮化鐵之工件74來描述圖8中所展示之實例，但在其他實例中，圖8之技術可與界定為不同形狀(諸如上述工件形狀中之任一者)的含氮化鐵之材料一起使用。在圖8中所展示之實例技術中。複數個含氮化鐵之工件74平行安置，且含氮化鐵之工件74中的每一者均包括包括多晶氮化鐵102之區域及基本上由單 一Fe16N2相疇104組成之區域。
如圖8中所示，加熱旋管106鄰接於該複數個含氮化鐵之工件74安置且相對於該複數個含氮化鐵之工件74沿由箭頭108指示之方向移動，該方向可實質上平行於對應含氮化鐵之工件74的主軸。可使用滾筒來使該複數個含氮化鐵之工件74中的每一者發生應變，該等滾筒如圖8之插圖中所示且類似於圖6中所展示之第一滾筒組82及及第二滾筒組86。隨著加熱旋管106相對於工件74移動(例如歸因於線圈106及/或工件74之運動)，工件74在應變下經退火且工件74之至少一些相構成自不同氮化鐵相(例如Fe8N、FeN、Fe2N(例如ξ-Fe2N)、Fe3N(例如ε-Fe3N)、Fe4N(例如γ'-Fe4N)、Fe2N6、Fe8N、Fe16N2及FeNx(其中x在約0.05與約0.5之間))變為Fe16N2。在一些實例中，存在於多晶氮化鐵區域102中之實質上所有氮化鐵轉變為Fe16N2。在一些情況下，鐵工件74中之每一者在經退火之後基本上由單一Fe16N2相疇104組成。
在一些實例中，不論用於使含氮化鐵之工件74發生應變及退火之裝置如何，在含氮化鐵之工件74上所施加的應變足以使含氮化鐵之工件74在至少一個軸線上的尺寸減小。如上文所述，在一些實例中，在經澆鑄、淬火及壓製之後，含氮化鐵之工件74可在至少一個軸線上界定為尺寸介於約1mm與約5mm之間。在應變及退火(66)之後，在一些實例中，含氮化鐵之工件74可在至少一個軸線上界定為尺寸小於約0.1mm。在一些實例中，當含氮化鐵之工件74在至少一個軸線上界定為尺寸小於約0.1mm時，含氮化鐵之工件74可基本上由單一疇結構、諸如單一Fe16N2相疇組成。此可促成較高各向異性，其可導致比具有較低各向異性之氮化鐵磁鐵高的能量乘積。舉例而言，基本上由單一Fe16N2相疇組成的含氮化鐵之工件的矯頑磁性可高達4000Oe，且能量乘積可高達30MGOe。
在一些實例中，在形成包括至少一種Fe16N2相疇之工件之後，該 工件可藉由將該工件暴露於磁場中來磁化，該磁場在相對於該包括至少一種Fe16N2相疇之工件的預定方向上具有預定足夠大之磁矩。另外地或可替代地，如下文將描述，在一些實例中，含氮化鐵之工件74可與其他含氮化鐵之工件74組裝以形成較大磁鐵。
在參考圖5所描述之實例技術中，含氮化鐵之材料用作進料。在其他實例中，可使用含鐵材料(相較於含氮化鐵之材料)且可使該材料氮化，該氮化為形成包括Fe16N2之工件之過程的一部分。在一些實例中，相關於圖1-4之上述技術可用於使含鐵原料氮化。含氮化鐵之粉末隨後可用作圖5中所展示之技術的進料。
在其他實例中，可使用不同技術來使含鐵材料氮化。圖9為可用於使用尿素擴散過程來使含鐵原料氮化之實例裝置的概念圖。不論該含鐵材料包括單晶鐵、多晶鐵亦或其類似物，該尿素擴散過程均可用於使含鐵原料氮化。此外，具有不同形狀(諸如線、條帶、板片、粉末或塊狀)之鐵材料亦可使用尿素擴散過程來用氮注入。舉例而言，對一些線材料而言，線之直徑可在例如若干微米與若干毫米之間。作為另一個實例，對一些板片或條帶材料而言，板片或條帶厚度可為例如若干奈米至若干毫米。作為另一個實例，對一些塊狀材料而言，材料質量可在例如約1毫克與若干千克之間。
如所示，裝置110包括真空爐114內之坩堝112。含鐵材料122與尿素118一起位於在坩堝112內。如圖9中所示，在尿素擴散過程期間，將包括Ar及氫氣之運載氣體饋入至坩堝112中。在其他實例中，可使用不同運載氣體或甚至可不使用運載氣體。在一些實例中，在尿素擴散過程期間真空爐114內之氣體流速可在大致5sccm至大致50sccm之間，諸如20sccm至大致50sccm或5sccm至大致20sccm。
在尿素擴散過程期間，加熱旋管116可使用任何適合之技術來加熱含鐵材料122及尿素118，該等技術諸如渦流、感應電流、射頻及其 類似技術。坩堝112可經組態以承受在尿素擴散過程期間使用之溫度。在一些實例中，坩堝112可承受至多大致1600℃之溫度。
尿素118可與含鐵材料122一起加熱以生成氮，該氮可擴散至含鐵材料122中以形成含氮化鐵之材料。在一些實例中，可在坩堝112內將尿素118及含鐵材料122加熱至大致650℃或650℃以上，繼而冷卻以使鐵及氮混合物淬火以形成氮化鐵材料。在一些實例中，可在坩堝112內將尿素118及含鐵材料122加熱至大致650℃或650℃以上持續介於大致5分鐘與大致1小時之間。在一些實例中，可將尿素118及含鐵材料122加熱至介於大致1000℃至大致1500℃之間持續若干分鐘至大致一小時。加熱時間可視不同溫度下之氮熱係數而定。舉例而言，若含鐵材料122之厚度為約1微米，則擴散過程在約1200℃下可在約5分鐘內結束，在1100℃下可在約12分鐘內結束，等等。
為在淬火製程期間冷卻經加熱之材料，可使冷水在坩堝112外部循環以快速冷卻內容物。在一些實例中，溫度可在約20秒內自650℃降低至室溫。
藉由尿素擴散過程形成的含氮化鐵之材料隨後可用作圖5中所展示之技術中的進料以用於形成包括至少一種Fe16N2相疇之工件。因此，含氮化鐵之材料或含鐵材料之一可用於形成包括至少一種Fe16N2相疇之工件。然而，當使用含氮化鐵之材料作為起始物質時，可不進行進一步氮化，其與包括使含鐵原料氮化之技術相比可降低製造包括至少一種Fe16N2相疇之工件的成本。
在一些實例中，包括至少一種Fe16N2相疇之工件可隨後經接合以形成大小比個別工件大之磁性材料。在一些實例中，如上文所述，包括至少一種Fe16N2相疇之工件可在至少一個軸線上界定為尺寸小於0.1mm。多個包括至少一種Fe16N2相疇之工件可經接合以形成在至少一個軸線上之大小大於0.1mm的磁性材料。圖10A-10C為展示用於使至 少兩個包括至少一種Fe16N2相疇之工件接合之實例技術的概念圖。如圖10A中所示，錫(Sn)132可安置在至少一個包括至少一種Fe16N2相疇之工件、諸如第一工件134及第二工件136的表面上。如在圖10A與圖10B之間所示，微晶及原子遷移可造成Sn聚結。隨後可將第一工件134及第二工件136壓製在一起且加熱以形成鐵-錫(Fe-Sn)合金。Fe-Sn合金可在介於約150℃與約400℃之間的溫度下經退火以使第一工件134與第二工件136接合。在一些實例中，退火溫度可為足夠低的以使得第一工件134及第二工件136之磁特性(例如至少一種Fe16N2之磁化強度及Fe16N2相疇在工件134及136內之比例)可為實質上不變的。在一些實例中，代替使用Sn 132來使該至少兩個包括至少一種Fe16N2相疇之工件接合，可使用Cu、Zn或Ag。
在一些實例中，各別工件134及136之<001>晶軸可實質上對準。在其中各別工件134及136之<001>晶軸實質上平行於各別工件134及136之長軸的實例中，使工件134及136之長軸實質上對準可使工件134及136之<001>晶軸實質上對準。使各別工件134及136之<001>晶軸對準可為由工件134及136形成之磁鐵提供單軸磁各向異性。
圖11為展示用於使至少兩個包括至少一種Fe16N2相疇之工件接合之另一種實例技術的概念圖。如圖11中所示，複數個包括至少一種Fe16N2相疇之工件142彼此鄰接安置，其長軸實質上對準。如上文所述，在一些實例中，將工件142之長軸實質上對準可使工件142之<001>晶軸實質上對準，其可為由工件142形成之磁鐵提供單軸磁各向異性。
在圖11之實例中，鐵磁性粒子144安置在樹脂或其他黏著劑146內。樹脂或其他黏著劑146之實例包括天然或合成樹脂，包括離子交換樹脂，諸如可以商品名稱AmberliteTM自The Dow Chemical Company,Midland,Michigan獲得之彼等離子交換樹脂；環氧樹脂， 諸如雙順丁烯二醯亞胺-三嗪(BT)-環氧樹脂；聚丙烯腈；聚酯；聚矽氧；預聚物；聚乙烯醇縮丁醛；尿素-甲醛或其類似物。因為樹脂或其他黏著劑146實質上完全包封該複數個包括至少一種Fe16N2相疇之工件142，且鐵磁性粒子144可實質上安置在樹脂或其他黏著劑146之整個體積中，所以至少一些鐵磁性粒子144安置在該複數個包括至少一種Fe16N2相疇之工件142的鄰接工件之間。在一些實例中，樹脂或其他黏著劑146可經固化以使該複數個包括至少一種Fe16N2相疇之工件142與彼此黏結。
鐵磁性粒子144可藉助於交換彈簧耦接(exchange spring coupling)而磁耦接至該複數個包括至少一種Fe16N2相疇之工件142內的Fe16N2硬磁性材料上。交換彈簧耦接可有效地使軟磁性鐵磁性粒子144硬化，且為塊狀材料提供類似於基本上由Fe16N2組成之塊狀材料之彼等磁特性的磁特性。為在磁性材料之整個體積中達成交換彈簧耦接，Fe16N2磁疇可例如以奈米或微米尺度分佈在整個磁性結構140中。
在一些實例中，包括Fe16N2磁疇及鐵磁性粒子144之磁疇及樹脂或其他黏著劑146的磁性材料可包括體積分率小於全部磁性結構140之約40體積%的Fe16N2磁疇。舉例而言，硬磁性Fe16N2相可構成磁性結構140總體積之約5體積%與約40體積%之間，或磁性結構140總體積之約5體積%與約20體積%之間，或磁性結構140總體積之約10體積%與約20體積%之間，或磁性結構140總體積之約10體積%與約15體積%之間，或磁性結構140總體積之約10體積%，其中該體積之其餘部分為鐵磁性粒子144及樹脂或其他黏著劑146。鐵磁性粒子144可包括例如Fe、FeCo、Fe8N或其組合。
在一些實例中，磁性結構140可在在介於約50℃與約200℃之間的溫度下退火約0.5小時與約20小時之間以形成固體磁性結構140。
圖12為展示用於使至少兩個包括至少一種Fe16N2相疇之工件接合 之另一種技術的概念圖。圖12展示可用於產生壓縮衝擊之壓縮衝擊裝置，其使該至少兩個包括至少一種Fe16N2相疇之工件接合。圖13為展示複數個包括至少一種Fe16N2相疇之工件172的概念圖，其中在該複數個包括至少一種Fe16N2相疇之工件172的周圍安置有鐵磁性粒子174。如圖13中所示，複數個包括至少一種Fe16N2相疇之工件172彼此鄰接安置，其長軸實質上對準。如上文所述，在一些實例中，將工件172之長軸實質上對準可使工件172之<001>晶軸實質上對準，其可為由工件172形成之磁鐵提供單軸磁各向異性。至少一些鐵磁性粒子174安置在該複數個包括至少一種Fe16N2相疇之工件172的鄰接工件之間。
在一些實例中，衝擊壓縮可包括將工件172置放在平行板之間。工件172可藉由使液氮流動通過耦接至平行板中之一者或兩者背側上的管道來冷卻至例如低於0℃之溫度。可使用氣槍來以較高速度(諸如約850m/s)用氣體爆裂衝擊平行板之一。在一些實例中，氣槍之直徑可具在約40mm與約80mm之間。
在衝擊壓縮之後，鐵磁性粒子174可藉助於交換彈簧耦接而磁耦接至該複數個包括至少一種Fe16N2相疇之工件172內的Fe16N2硬磁性材料上。交換彈簧耦接可有效地使軟磁性鐵磁性粒子174硬化，且為塊狀材料提供類似於基本上由Fe16N2組成之塊狀材料之彼等磁特性的磁特性。為在磁性材料之整個體積中達成交換彈簧耦接，Fe16N2磁疇可例如以奈米或微米尺度分佈在由該包括至少一種Fe16N2相疇之複數個工件172與鐵磁性粒子174形成的整個磁性結構中。
在一些實例中，包括Fe16N2磁疇及鐵磁性粒子174之磁疇的磁性材料可包括體積分率小於全部磁性結構之約40體積%的Fe16N2磁疇。舉例而言，舉例而言，硬磁性Fe16N2相可構成磁性結構總體積之約5體積%與約40體積%之間，或磁性結構總體積之約5體積%與約20體積 %之間，或磁性結構總體積之約10體積%與約20體積%之間，或磁性結構總體積之約10體積%與約15體積%之間，或磁性結構總體積之約10體積%，其中該體積之其餘部分為鐵磁性粒子174。鐵磁性粒子174可包括例如Fe、FeCo、Fe8N或其組合。
圖14為可用於使至少兩個包括至少一種Fe16N2相疇之工件接合之另一種裝置的概念圖。圖14之裝置180包括導電線圈186，通過該導電線圈可施加電流，該電流產生電磁場。電流可以脈衝形式產生以產生電磁力，該電磁力可幫助至少兩個包括Fe16N2相疇之工件182固結。在一些實例中，鐵磁性粒子184可安置在該至少兩個包括Fe16N2相疇之工件182的周圍。在一些實例中，該至少兩個包括Fe16N2相疇之工件182可安置在處於導電線圈186內徑內的導電套管或容器中。導電線圈186可受高電流脈衝以在導電線圈186之內徑中產生磁場，該磁場隨後在導電套管或容器中誘導電流。所誘導之電流與由導電線圈186產生(generate)之磁場相互作用以產生(produce)使導電套管或容器崩塌的向內作用之磁力。崩塌中之電磁容器或套管將力傳輸至該至少兩個包括Fe16N2相疇之工件182上且使該至少兩個包括Fe16N2相疇之工件182接合。在使該至少兩個包括Fe16N2相疇之工件182與鐵磁性粒子184固結之後，該等鐵磁性粒子184可藉助於交換彈簧耦接而磁耦接至該複數個包括至少一種Fe16N2相疇之工件182內的Fe16N2硬磁性材料上。在一些實例中，此技術可用於產生具有圓柱形對稱性、較高縱橫比或網狀形狀中之至少一者(對應於該工件所需最終形狀之形狀)的工件。
在一些實例中，包括Fe16N2磁疇及鐵磁性粒子184之磁疇的磁性材料可包括體積分率小於全部磁性結構之約40體積%的Fe16N2磁疇。舉例而言，舉例而言，硬磁性Fe16N2相可構成磁性結構總體積之約5體積%與約40體積%之間，或磁性結構總體積之約5體積%與約20體積 %之間，或磁性結構總體積之約10體積%與約20體積%之間，或磁性結構總體積之約10體積%與約15體積%之間，或磁性結構總體積之約10體積%，其中該體積之其餘部分為鐵磁性粒子184。鐵磁性粒子184可包括例如Fe、FeCo、Fe8N或其組合。
在任何上文之實例中，可使用用於輔助複數個包括至少一種Fe16N2相疇之工件固結的其他技術，諸如壓力、電脈衝、電花、施加外部磁場、射頻信號、雷射加熱、紅外加熱或其類似技術。用於使複數個包括至少一種Fe16N2相疇之工件接合的此等實例技術中之每一者均可包括相對低溫，以使得溫度使用可使Fe16N2相疇保持實質上未經修飾(例如藉由將Fe16N2相疇轉化為其他類型之氮化鐵)。
在一些實例中，本發明描述用於自包括氮化鐵之粉末形成包括Fe16N2相疇之磁鐵的技術。藉由使用含氮化鐵之原料以形成包括Fe16N2相疇之永久磁鐵，可避免鐵之進一步氮化，其例如與包括使純鐵氮化之技術相比，可降低形成包括Fe16N2相疇之永久磁鐵的成本。
圖15為展示用於形成包括氮化鐵(例如Fe16N2相疇)之磁鐵的實例技術的流程圖。如圖15中所示，該技術包括形成包括大致8：1鐵與氮原子比率之混合物(192)。舉例而言，該混合物可包括介於約8原子%與約15原子%之間的氮，以及平衡鐵、其他元素及摻雜劑。作為另一個實例，該混合物可包括介於約10原子%與約13原子%之間的氮或約11.1原子%之氮。
在一些實例中，上述藉由在氮源(例如含醯胺或含肼之液體或溶液)中研磨鐵而形成的含氮化鐵之粉末可用於包括大致8：1鐵與氮原子比率之混合物中。含氮化鐵之粉末可包括以下各者中之至少一者：FeN、Fe2N、Fe3N、Fe4N、Fe8N、Fe2N6、Fe8N、Fe16N2或FeNx(其中x在約0.05與約0.5之間)。另外，氮化鐵粉末可包括其他材料，諸如純鐵、鈷、鎳、摻雜劑或其類似物。
在一些實例中，含氮化鐵之粉末可與純鐵混合以確立所需鐵與氮原子比率。不同類型含氮化鐵之粉末與純鐵的具體比例可受含氮化鐵之粉末中的氮化鐵之類型及比例影響。如上文所述，含氮化鐵之粉末可包括以下各者中之至少一者：FeN、Fe2N(例如ξ-Fe2N)、Fe3N(例如ε-Fe3N)、Fe4N(例如γ'-Fe4N)、Fe2N6、Fe8N、Fe16N2及FeNx(其中x在約0.05與約0.5之間)。
包括大致8：1鐵與氮比率之所得混合物隨後可形成為包括氮化鐵相疇之磁鐵(194)。包括大致8：1鐵與氮比率之混合物可例如經熔化，形成為具有預定形狀之製品，及經退火以在該製品內形成Fe16N2相疇(例如α"-Fe16N2相疇)。圖16-18為展示三種用於形成包括氮化鐵相疇(94)之磁鐵的實例技術的流程圖。
如圖16中所示，第一實例技術包括形成熔融氮化鐵混合物(202)。在一些實例中，包括鐵及氮之混合物的純度(例如鐵及氮共同含量)可為至少92原子%。
在一些實例中，包括鐵及氮之混合物可包括至少一種摻雜劑(諸如鐵磁性或非磁性摻雜劑)及/或相穩定劑。在一些實例中，至少一種鐵磁性或非磁性摻雜劑可稱為鐵磁性或非磁性雜質，且/或相穩定劑可稱為相穩定化雜質。鐵磁性或非磁性摻雜劑可用於使由包括鐵及氮之混合物形成之磁性材料的磁矩、矯頑磁性或熱穩定性中之至少一者增加。鐵磁性或非磁性摻雜劑之實例包括Sc、Ti、V、Cr、Mn、Co、Ni、Cu、Zn、Zr、Nb、Mo、Ru、Rh、Pd、Ag、Cd、Pt、Au、Sm、C、Pb、W、Ga、Y、Mg、Hf及Ta。舉例而言，與不包括Mn摻雜劑原子之氮化鐵材料相比，在包括至少一種Fe16N2相疇之氮化鐵材料中以介於約5原子%與約15原子%之間的水準包括Mn摻雜劑原子可改良該等Fe16N2相疇之熱穩定性及該材料之矯頑磁性。在一些實例中，一種以上(例如至少兩種)鐵磁性或非磁性摻雜劑可包括在包括鐵及氮之 混合物中。在一些實例中，鐵磁性或非磁性摻雜劑可充當疇壁釘紮位點，其可改良由包括鐵及氮之混合物形成之磁性材料的矯頑磁性。
可替代地或另外，包括鐵及氮之混合物可包括至少一種相穩定劑。該至少一種相穩定劑可為經選擇以改良Fe16N2體積比率、熱穩定性、矯頑磁性及耐侵蝕性中之至少一者的元素。當存在於混合物中時，該至少一種相穩定劑可以介於0.1原子%與約15原子%之間的濃度存在於包括鐵及氮之混合物中。在其中至少兩種相穩定劑存在於混合物中的一些實例中，該至少兩種相穩定劑之總濃度可在約0.1原子%與約15原子%之間。該至少一種相穩定劑可包括例如B、Al、C、Si、P、O、Co、Cr、Mn及/或S。舉例而言，與不包括Mn摻雜劑原子之氮化鐵材料相比，在包括至少一種Fe16N2相疇之氮化鐵材料中以介於約5原子%與約15原子%之間的水準包括Mn摻雜劑原子可改良該等Fe16N2相疇之熱穩定性及該材料之矯頑磁性。
在一些實例中，形成熔融氮化鐵混合物(202)可包括在約1500℃以上之溫度下加熱包括鐵及氮、及視情況選用之至少一種非磁性或鐵磁性摻雜劑及/或至少一種相穩定劑的混合物。在一些實例中，包括鐵及氮之混合物可在使用射頻(RF)感應線圈之爐中加熱。在其中使用塊狀含氮化鐵之材料的實例中，爐可在大於約1600℃之溫度下加熱。在其中使用含氮化鐵之粉末的實例中，爐可在大於約2000℃之溫度下加熱。
在其他實例中，包括鐵及氮之混合物可在爐中使用低頻或中頻感應線圈來加熱。在其中使用低頻或中頻率感應線圈來加熱爐之一些實例中，不論是否使用塊狀含氮化鐵之材料或含氮化鐵之粉末作為包括鐵及氮之混合物，爐可在大於約1600℃之溫度下加熱。在一些實例中，包括鐵及氮之混合物可在環境氛圍下加熱。
一旦包括鐵及氮之混合物熔融，可使該混合物經受澆鑄、淬火 及壓製製程以形成含氮化鐵之工件(204)。可將熔融的包括鐵及氮之混合物置放於模具中，該模具可使該包括鐵及氮之混合物成形為預定形狀，諸如至少一種長度大於其寬度或直徑之工件或其他製品。在澆鑄製程期間，視澆鑄速度而定，模具之溫度可維持在介於約650℃與約1200℃之間的溫度下。在一些實例中，在澆鑄製程期間，模具之溫度可維持在介於約800℃與約1200℃之間的溫度下。在一些實例中，澆鑄製程可在空氣、氮氣環境、惰性環境、部分真空、完全真空或其任何組合中進行。在一些實例中，澆鑄期間之壓力可在約0.1GPa與約20GPa之間。在一些實施方案中，澆鑄及淬火製程可由應變場、溫度場、壓力場、磁場及/或電場、或其任何組合來輔助。
在澆鑄完成之後或在澆鑄製程即將完成的同時，可使包括鐵及氮之混合物淬火以固定含氮化鐵之材料的結晶結構及相組成。在一些實例中，淬火製程包括將工件加熱至650℃以上之溫度持續介於約0.5小時與約20小時之間。在一些實例中，工件之溫度可突然下降至該工件合金之麻田散體溫度(Ms)以下。舉例而言，對Fe16N2而言，麻田散體溫度(Ms)為約250℃。在一些實例中，包括鐵及氮之混合物在淬火製程期間可以每秒大於50℃之速率冷卻。用於淬火之介質可包括液體，諸如水、鹽水(鹽濃度在約1%與約30%之間)、諸如油之非水性液體或溶液、或液氮。在其他實例中，淬火介質可包括氣體，諸如流動速率介於約1sccm與約1000sccm之間的氮氣。在其他實例中，淬火介質可包括固體，諸如鹽、砂或其類似物。在一些實施方案中，可施加電場或磁場來輔助淬火製程。
在淬火完成之後，含氮化鐵之材料可經壓製以得到預定大小的含氮化鐵之材料。在壓製製程期間，視含氮化鐵之材料的所需最終尺寸而定，該含氮化鐵之材料的溫度可維持在約250℃以下，且該含氮化鐵之材料可暴露在介於約5噸與50噸之間的壓力中。在一些實例 中，為促使工件在至少一個軸線上之尺寸減小，可使用滾筒來在含氮化鐵之材料上施加壓力。在一些實例中，在壓製製程期間，含氮化鐵之材料的溫度可在約-150℃與約300℃之間。如上文所述，當壓製製程完成時，含氮化鐵之材料可呈在至少一個軸線上之尺寸介於約0.01mm與約50mm之間的工件形狀。含氮化鐵之工件可包括至少一種Fe8N氮化鐵相疇。
圖16中所展示之技術進一步包括使含氮化鐵之工件退火(206)。退火製程可將至少一些Fe8N氮化鐵相疇轉化為Fe16N2相疇。在一些實例中，退火製程可與相關於圖5所描述之應變及退火步驟(66)類似或實質上相同(例如相同或接近相同)。應變誘導裝置可使含氮化鐵之工件發生應變達到一定伸長率。舉例而言，含氮化鐵之工件上的應變可在約0.3%與約12%之間。在其他實例中，含氮化鐵之工件上的應變可小於約0.3%或大於約12%。在一些實例中，在含氮化鐵之工件上施加一定應變可在個別鐵單位晶胞上導致實質上類似之應變，以使得該單位晶胞沿<001>軸線伸長介於約0.3%與約12%之間。
在含氮化鐵之工件經應變的同時，該含氮化鐵之工件可經加熱以使該含氮化鐵之工件退火。含氮化鐵之工件可藉由將該含氮化鐵之工件加熱至介於約100℃與約250℃之間、諸如介於約120℃與約200℃之間的溫度來退火。在使含氮化鐵之工件發生應變的同時使該含氮化鐵之工件退火可促使至少一些氮化鐵相疇轉化為Fe16N2相疇。
退火製程可繼續預定時間，該預定時間足以允許氮原子擴散至適當間隙空間中。在一些實例中，退火製程持續介於約20小時與約100小時之間，諸如介於約40小時與約60小時之間。在一些實例中，退火製程可在諸如Ar之惰性氛圍下發生以減少或實質上防止鐵之氧化。在一些實施方案中，在含氮化鐵之工件經退火之同時，溫度保持實質上恆定。
一旦退火製程已完成，複數個包括至少一種Fe16N2相疇之工件可燒結在一起以形成磁性材料及老化(208)。該複數個包括至少一種Fe16N2相疇之工件可壓製在一起及經燒結。在燒結製程期間，各別工件之<001>晶軸可實質上對準。在其中各別工件之<001>晶軸實質上平行於該等各別工件之長軸的實例中，使工件之該等長軸實質上對準可使該等工件之該等<001>晶軸實質上對準。使各別工件之<001>晶軸對準可為由該等工件形成之磁性材料提供單軸磁各向異性。
燒結壓力、溫度及持續時間可經選擇以在維持該複數個包括至少一種Fe16N2相疇之工件的晶體結構(例如包括Fe16N2相疇)的同時，使該等工件以機械方式接合。因此，在一些實例中，燒結可在相對低溫下進行。舉例而言，燒結溫度可在約250℃以下，諸如在約120℃與約250℃之間，在約150℃與約250℃之間，在約120℃與約200℃之間，在約150℃與約200℃之間，或為約150℃。燒結壓力可在例如約0.2GPa與約10GPa之間。燒結時間可為至少約5小時，諸如至少約20小時，或在約5小時與約100小時之間，或在約20小時約100小時之間，或為約40小時。燒結時間、溫度及壓力可受複數個包括至少一種Fe16N2相疇之工件中的材料影響。燒結可在環境氛圍、氮氣氛圍、真空或另一種惰性氛圍中進行。
經燒結的包括Fe16N2相疇之材料可隨後經老化。在一些實例中，使經燒結之材料老化在介於約100℃與約500℃之間的溫度下進行介於約0.5小時與約50小時之間。老化步驟可使經燒結之材料穩定且達成穩定相疇結構。
在經燒結的包括Fe16N2相疇之材料已老化之後，該經燒結之材料可經成形及磁化。在一些實例中，例如視所需最終形狀而定，經燒結之材料可成形為最終形狀之永久磁鐵，經燒結之材料可藉由例如將該經燒結之材料切割成最終形狀來成形。經燒結之材料或最終形狀之磁 性材料可使用磁化器來磁化。用於使磁性材料磁化之磁場可在約10kOe與約100kOe之間。在一些實例中，可使用持續時間相對較短之脈衝來使經燒結之材料或最終形狀之磁性材料磁化。
圖17為展示用於自包括約8：1鐵與氮比率之混合物形成包括氮化鐵相疇之磁鐵的另一個實例技術的流程圖。類似參考圖16所描述之技術，圖17中所展示之技術包括形成熔融氮化鐵混合物(212)。形成熔融氮化鐵混合物(212)可類似於參考圖16所描述之形成熔融氮化鐵混合物(202)。舉例而言，在一些實施方案中，混合物可包括至少一種鐵磁性或非磁性摻雜劑及/或至少一種相穩定劑。不同於參考圖16所描述之技術，圖17中所展示之技術包括在磁場存在下壓製熔融氮化鐵混合物(214)。
在磁場存在下壓製熔融氮化鐵混合物(214)可在澆鑄及退火期間輔助Fe16N2相之形成。在一些實例中，可在壓製熔融氮化鐵混合物的同時向該熔融氮化鐵混合物施加9特斯拉(T)磁場。在一些實例中，在磁場存在下壓製熔融氮化鐵混合物(214)可與使該氮化鐵混合物退火(216)組合。舉例而言，氮化鐵混合物可暴露於約9T磁場中的同時，在約150℃之溫度下退火持續約20小時。在一些實例中，磁場可在氮化鐵混合物之平面中施加以減少渦流及退磁因素。
在一些實例中，在所施加之磁場存在下壓製氮化鐵混合物(214)及/或使之退火(216)可促使對該氮化鐵混合物之相構成及結晶定向的控制。舉例而言，歸因於氮化鐵量自α'相至α"相之增加，Fe16N2含量可增加。此可導致氮化鐵混合物之飽和磁化強度(Ms)及/或矯頑磁性增加。
在於磁場存在下壓製熔融氮化鐵混合物(214)之後，圖17中所展示之技術包括退火(216)、燒結及老化(218)、及成形及磁化(220)。此等步驟中之每一者可與參考圖16所描述之相應步驟(206)-(210)類似或 實質上相同。
圖18為展示用於自包括約8：1鐵與氮比率之混合物形成包括氮化鐵相疇之磁鐵的另一個實例技術的流程圖。類似參考圖16所描述之技術，圖18中所展示之技術包括形成熔融氮化鐵混合物(222)。形成熔融氮化鐵混合物(222)可類似於參考圖16所描述之形成熔融氮化鐵混合物(202)。舉例而言，在一些實施方案中，混合物可包括至少一種鐵磁性或非磁性摻雜劑及/或至少一種相穩定劑。
不同於參考圖16所描述之技術，圖18中所展示之技術包括熔紡熔融氮化鐵混合物(224)。在熔紡中，熔融氮化鐵混合物可流動經過冷滾筒表面以使該熔融氮化鐵混合物淬火且形成脆性材料條帶。在一些實例中，冷滾筒表面可藉由冷卻劑(諸如水)在低於室溫之溫度下冷卻。舉例而言，冷滾筒表面可在介於約10℃與約25℃之間的溫度下冷卻。脆性材料條帶可隨後經歷熱處理步驟以使該脆性鐵材料預退火。在一些實例中，熱處理可在介於約200℃與約600℃之間的溫度下在大氣壓下進行介於約0.1小時與約10小時之間。在一些實例中，熱處理可在氮氣或氬氣氛圍中進行。在於惰性氣體下熱處理脆性材料條帶之後，該脆性材料條帶可經碎裂以形成含鐵粉末。在熔紡熔融氮化鐵混合物(224)之後，圖18中所展示之技術包括退火(226)、燒結及老化(228)、及成形及磁化(230)。此等步驟中之每一者可與參考圖16所描述之相應步驟(206)-(210)類似或實質上相同。
在一些實例中，本發明描述用於將鐵磁性或非磁性摻雜劑中之至少一者併入氮化鐵中及/或將至少一種相穩定劑併入氮化鐵中的技術。在一些實例中，鐵磁性或非磁性摻雜劑中之至少一者可用於增加由包括鐵及氮之混合物形成之磁性材料的磁矩、矯頑磁性或熱穩定性中之至少一者。鐵磁性或非磁性摻雜劑之實例包括Sc、Ti、V、Cr、Mn、Co、Ni、Cu、Zn、Zr、Nb、Mo、Ru、Rh、Pd、Ag、Cd、Pt、 Au、Sm、C、Pb、W、Ga、Y、Mg、Hf及Ta。舉例而言，與不包括Mn摻雜劑原子之氮化鐵材料相比，在包括至少一種Fe16N2相疇之氮化鐵材料中以介於約5原子%與約15原子%之間的水準包括Mn摻雜劑原子可改良該等Fe16N2相疇之熱穩定性及該材料之矯頑磁性。在一些實例中，一種以上(例如至少兩種)鐵磁性或非磁性摻雜劑可包括在包括鐵及氮之混合物中。在一些實例中，鐵磁性或非磁性摻雜劑可充當疇壁釘紮位點，其可改良由包括鐵及氮之混合物形成之磁性材料的矯頑磁性。表1(上文)包括鐵磁性或非磁性摻雜劑在包括鐵及氮之混合物內的實例濃度。
可替代地或另外，包括鐵及氮之混合物可包括至少一種相穩定劑。該至少一種相穩定劑可經選擇以使bct相穩定，其中Fe16N2為一種類型之bct相。該至少一種相穩定劑可為經選擇以改良Fe16N2體積比率、熱穩定性、矯頑磁性及耐侵蝕性中之至少一者的元素。當存在於混合物中時，該至少一種相穩定劑可以介於0.1原子%與約15原子%之間的濃度存在於包括鐵及氮之混合物中。在其中至少兩種相穩定劑存在於混合物中的一些實例中，該至少兩種相穩定劑之總濃度可在約0.1原子%與約10原子%之間。該至少一種相穩定劑可包括例如B、Al、C、Si、P、O、Co、Cr、Mn及/或S。舉例而言，與不包括Mn摻雜劑原子之氮化鐵材料相比，在包括至少一種Fe16N2相疇之氮化鐵材料中以介於約5原子%與約15原子%之間的水準包括Mn摻雜劑原子可改良該等Fe16N2相疇之熱穩定性及該材料之矯頑磁性。
在一些實例中，如上文所述，鐵磁性或非磁性摻雜劑中之至少一者及/或至少一種相穩定劑可併入包括氮化鐵粉末之混合物中。混合物隨後可經加工以形成包括至少一種Fe16N2相疇之磁性材料。在其他實例中，亦如上文所述，鐵磁性或非磁性摻雜劑中之至少一者及/或至少一種相穩定劑可併入包括含鐵原料之混合物中。包括鐵磁性或 非磁性摻雜劑中之至少一者及/或至少一種相穩定劑及含鐵原料的混合物隨後可經氮化，例如藉由在氮源(諸如含醯胺或含肼之液體或溶液)存在下研磨該混合物或使用尿素擴散。
在其他實例中，鐵磁性或非磁性摻雜劑中之至少一者及/或至少一種相穩定劑可使用不同技術併入磁性材料中。圖19A及19B為展示用於形成包括Fe16N2相疇及鐵磁性或非磁性摻雜劑中之至少一者及/或至少一種相穩定劑之磁性材料的另一種實例技術的概念圖。
如圖19A及19B中所示，鐵磁性或非磁性摻雜劑中之至少一者及/或至少一種相穩定劑可以材料板片242a、242b、242c(共同為「板片242」)引入，且可引入在包括至少一種Fe16N2相疇之板片244a、244b(共同為板片「244」)之間包括至少一種Fe16N2相疇之板片244可藉由本文所描述之任一技術來形成。
包括鐵磁性或非磁性摻雜劑中之至少一者及/或至少一種相穩定劑的板片242的大小(例如厚度)可在若干奈米至幾百奈米之範圍內。在一些實例中，包括鐵磁性或非磁性摻雜劑中之至少一者及/或至少一種相穩定劑的板片242可由包括至少一種Fe16N2相疇之板片244單獨形成。在其他實例中，包括鐵磁性或非磁性摻雜劑中之至少一者及/或至少一種相穩定劑的板片242可例如使用沈積方法(諸如CVD、PVD、濺鍍或其類似方法)來在包括至少一種Fe16N2相疇之板片244中之至少一者的表面上形成。
包括至少一種Fe16N2相疇之板片244可經配置以使得包括至少一種Fe16N2相疇之各別板片244的<001>軸線實質上對準。在其中包括至少一種Fe16N2相疇之各別板片244的<001>軸線實質上平行於包括至少一種Fe16N2相疇之板片244所對應每一者之長軸的實例中，使包括至少一種Fe16N2相疇之板片244實質上對準可包括將包括至少一種Fe16N2相疇之板片244之一覆疊在另一個包括至少一種Fe16N2相疇之板片244 上。使包括至少一種Fe16N2相疇之各別板片244的<001>軸線對準可為磁鐵材料246(圖19B)提供單軸磁各向異性。
包括至少Fe16N2相疇之板片244及包括鐵磁性或非磁性摻雜劑中之至少一者及/或至少一種相穩定劑的板片242可使用多種方法之一來黏結。舉例而言，板片242及244可使用用於使包括至少一種Fe16N2相疇之工件接合的上述技術之一來黏結，該等技術諸如摻合、壓縮衝擊、樹脂或黏著劑黏結、或電磁脈衝黏結。在其他實例中，板片242及244可經燒結。
燒結壓力、溫度及持續時間可經選擇以在維持該複數個包括至少一種Fe16N2相疇之工件的晶體結構(例如包括Fe16N2相疇)的同時，使板片242及244以機械方式接合。因此，在一些實例中，燒結可在相對低溫下進行。舉例而言，燒結溫度可在約250℃以下，諸如在約120℃與約250℃之間，在約150℃與約250℃之間，在約120℃與約200℃之間，在約150℃與約200℃之間，或為約150℃。燒結壓力可在例如約0.2吉帕斯卡(GPa)與約10GPa之間。燒結時間可為至少約5小時，諸如至少約20小時，或在約5小時與約100小時之間，或在約20小時約100小時之間，或為約40小時。燒結時間、溫度及壓力可受板片242及244中之材料影響。燒結可在環境氛圍、氮氣氛圍、真空或另一種惰性氛圍中進行。
本發明已描述用於形成包括氮化鐵之材料、粉末、磁性材料及磁鐵的各種技術。在一些實例中，本文所描述之各種技術可在本文所描述之組合中及在對一般熟習此項技術者而言將顯而易見之其他組合中一起使用。
條項1：一種方法，其包含在氮源存在下，於滾軋模式研磨裝置、攪拌模式研磨裝置或振動模式研磨裝置之儲倉中研磨含鐵原料以生成包括氮化鐵之粉末。
條項2：如條項1之方法，其中該氮源包含含醯胺或含肼之材料中之至少一者。
條項3：如條項2之方法，其中該含醯胺或含肼之材料中之至少一者包含以下各者中之至少一者：液體醯胺、含有醯胺之溶液、肼或含有肼之溶液。
條項4；如條項2之方法，其中該含醯胺或含肼之材料中之至少一者包含以下各者中之至少一者：甲醯胺、苯甲醯胺或乙醯胺。
條項5：如條項1至4中任一項之方法，其中該含鐵原料包含實質上純之鐵。
條項6：如條項1至5中任一項之方法，其進一步包含向該含鐵原料中添加催化劑。
條項7：如條項6之方法，其中該催化劑包含鎳或鈷中之至少一者。
條項8：如條項1至7中任一項之方法，其中該含鐵原料包含平均直徑小於約100μm之粉末。
條項9：如條項1至8中任一項之方法，其中該氮化鐵包含以下各者中之至少一者：FeN、Fe2N、Fe3N、Fe4N、Fe2N6、Fe8N、Fe16N2及FeNx，其中x在約0.05與約0.5之間。
條項10：如條項1至9中任一項之方法，其進一步包含研磨鐵前驅物以形成該含鐵原料。
條項11：如條項10之方法，其中該鐵前驅物包含以下各者中之至少一者：Fe、FeCl3、Fe2O3或Fe3O4。
條項12：如條項10或11之方法，其中研磨該鐵前驅物以形成該含鐵原料包含在Ca、Al及Na中之至少一者存在下，在足以在該Ca、Al或Na中之至少一者與對存在於該鐵前驅物中之氧之間引起氧化反應的條件下研磨該鐵前驅物。
條項13：如條項1至9中任一項之方法，其進一步包含熔紡鐵前 驅物以形成該含鐵原料。
條項14：如條項13之方法，其中熔紡該鐵前驅物包含：形成熔融鐵前驅物；冷滾軋該熔融鐵前驅物以形成脆性材料條帶；熱處理該脆性材料條帶；及使該脆性材料條帶碎裂以形成該含鐵原料。
條項15：一種方法，其包含：加熱包括鐵及氮之混合物以形成熔融的含氮化鐵之材料；及連續澆鑄、淬火及壓製該熔融的含氮化鐵之材料以形成包括至少一種Fe8N相疇之工件。
條項16：如條項15之方法，其中該包括鐵及氮之混合物藉由如條項1至14中任一項之方法來形成。
條項17：如條項15或16之方法，其中該包括至少一種Fe8N相疇之工件在至少一個軸線上的尺寸小於約50毫米。
條項18：如條項15至17中任一項之方法，其中該熔融的含氮化鐵之材料包括約8：1之鐵原子與氮原子比率。
條項19：如條項15至18中任一項之方法，其中該熔融的含氮化鐵之材料包括至少一種鐵磁性或非磁性摻雜劑。
條項20：如條項19之方法，其中該至少一種鐵磁性或非磁性摻雜劑包含以下各者中之至少一者：Sc、Ti、V、Cr、Mn、Co、Ni、Cu、Zn、Zr、Nb、Mo、Ru、Rh、Pd、Ag、Cd、Pt、Au、Sm、C、Pb、W、Ga、Y、Mg、Hf或Ta。
條項21：如條項19或20之方法，其中該熔融的含氮化鐵之材料包含小於約10原子%之該至少一種鐵磁性或非磁性摻雜劑。
條項22：如條項15至21中任一項之方法，其中該熔融的含氮化鐵之材料進一步包含至少一種相穩定劑。
條項23：如條項22之方法，其中該至少一種相穩定劑包含以下各者中之至少一者：B、Al、C、Si、P、O、Co、Cr、Mn或S。
條項24：如條項22或23之方法，其中該熔融的含氮化鐵之材料 包含介於約0.1原子%與約15原子%之間的該至少一種相穩定劑。
條項25：如條項15至24中任一項之方法，其中加熱該包括鐵及氮之混合物以形成該熔融的含氮化鐵之材料包含在大於約1500℃之溫度下加熱該混合物。
條項26：如條項15至25中任一項之方法，其中連續地澆鑄、淬火及壓製該熔融的含氮化鐵之材料包含在介於約650℃與約1200℃之間的溫度下澆鑄該熔融的含氮化鐵之材料。
條項27：如條項15至26中任一項之方法，其中連續地澆鑄、淬火及壓製該熔融的含氮化鐵之材料包含使該含氮化鐵之材料淬火至約650℃以上之溫度。
條項28：如條項15至27中任一項之方法，其中連續地澆鑄、淬火及壓製該熔融的含氮化鐵之材料包含在約250℃以下之溫度及介於約5噸與約50噸之間的壓力下壓製該含氮化鐵之材料。
條項29：如條項15至28中任一項之方法，其進一步包含使該包括至少一種Fe8N相疇之工件發生應變及後退火以形成包括至少一種Fe16N2相疇之工件。
條項30：如條項29之方法，其中使該包括至少一種Fe8N相疇之工件發生應變及後退火減小該工件之尺寸。
條項31：如條項30之方法，其中該包括至少一種Fe16N2相疇之工件在至少一個軸線上的尺寸在應變及後退火之後小於約0.1mm。
條項32：如條項29至31中任一項之方法，其中在應變及後退火之後，該工件由單一Fe16N2相疇組成。
條項33：如條項29至32中任一項之方法，其中使該包括至少一種Fe8N相疇之工件發生應變包含在該工件上施加介於約0.3%與約12%之間的拉張應變。
條項34：如條項33之方法，其中該拉張應變在實質上平行於該 包括至少一種Fe8N相疇之工件中的至少一個<001>晶軸的方向上施加。
條項35：如條項29至34中任一項之方法，其中使該包括至少一種Fe8N相疇之工件後退火包含將該包括至少一種Fe8N相疇之工件加熱至介於約100℃與約250℃之間的溫度。
條項36：如條項15至35中任一項之方法，其進一步包含藉由將含鐵材料暴露於尿素擴散過程中來形成該包括鐵及氮之混合物。
條項37：如條項29至36中任一項之方法，其中該包括至少一種Fe16N2相疇之工件的特徵在於為磁各向異性的。
條項38：如條項37之方法，其中該包括至少一種Fe16N2相疇之工件的能量乘積、矯頑磁性及飽和磁化強度在不同定向處不同。
條項39：如條項15至38中任一項之方法，其中該包括至少一種Fe8N相疇之工件包含以下各者中之至少一者：纖維、線、長絲、纜線、薄膜、厚膜、箔片、條帶及板片。
條項40：一種滾軋模式研磨裝置，其包含經組態以容納含鐵原料及氮源、及在該氮源存在下研磨該含鐵原料以生成包括氮化鐵之粉末的儲倉。
條項41：一種振動模式研磨裝置，其包含經組態以容納含鐵原料及氮源、及在該氮源存在下研磨該含鐵原料以生成包括氮化鐵之粉末的儲倉。
條項42：一種攪拌模式研磨裝置，其包含經組態以容納含鐵原料及氮源、及在該氮源存在下研磨該含鐵原料以生成包括氮化鐵之粉末的儲倉。
條項43：一種裝置，其經組態以進行如條項1至39之方法中的任一者。
條項44：一種工件，其根據如條項15至39中任一項之方法來製 得。
條項45：一種塊狀磁性材料，其包含藉由如條項29至35、37或38中之任一項形成的工件。
條項46：一種方法，其包含：將複數個包括至少一種Fe16N2相疇之工件彼此鄰接安置，其中該複數個工件之各別長軸實質上彼此平行；將Sn、Cu、Zn或Ag中之至少一者安置在該複數個包括至少一種Fe16N2相疇之工件中之至少一者的表面上；及在壓力下加熱該複數個包括至少一種Fe16N2相疇之工件及該Sn、Cu、Zn或Ag中之至少一者以在該複數個包括至少一種Fe16N2相疇之工件的鄰接工件之間的界面處形成Fe與該Sn、Cu、Zn或Ag中之至少一者之間的合金。
條項47：一種方法，其包含：將複數個包括至少一種Fe16N2相疇之工件彼此鄰接安置，其中該複數個工件之各別長軸實質上彼此平行；將樹脂安置在該複數個包括至少一種Fe16N2相疇之工件的周圍，其中該樹脂包括複數個鐵磁性材料粒子；及使該樹脂固化以使用該樹脂來黏結該複數個包括至少一種Fe16N2相疇之工件。
條項48：一種方法，其包含：將複數個包括至少一種Fe16N2相疇之工件彼此鄰接安置，其中該複數個工件之各別長軸實質上彼此平行；將複數個鐵磁性材料粒子安置在該複數個包括至少一種Fe16N2相疇之工件的周圍；及使用壓縮衝擊來使該複數個包括至少一種Fe16N2相疇之工件接合。
條項49：一種方法，其包含：將複數個包括至少一種Fe16N2相疇之工件彼此鄰接安置，其中該複數個工件之各別長軸實質上彼此平行；將複數個鐵磁性材料粒子安置在該複數個包括至少一種Fe16N2相疇之工件的周圍；及使用電磁脈衝來使該複數個包括至少一種Fe16N2相疇之工件接合。
條項50：如條項46至49中任一項之方法，其中該複數個工件中 之一個工件包含以下各者中之至少一者：纖維、線、長絲、纜線、薄膜、厚膜、箔片、條帶及板片。
條項51：一種塊狀磁性材料，其根據如條項46至50中任一項之方法來製得。
條項52：一種裝置，其經組態以進行條項46至50之方法中的任一者。
條項53：一種方法，其包含：將含氮化鐵之材料與實質上純之鐵混合以形成包括約8：1之鐵原子與氮原子比率的混合物；及自該混合物形成包含至少一種Fe16N2相疇之塊狀磁性材料。
條項54：如條項53之方法，其中該含氮化鐵之材料包含含氮化鐵之粉末。
條項55：如條項53或54之方法，其中該含氮化鐵之材料包括ε-Fe3N、γ'-Fe4N及ξ-Fe2N相中之一或多者。
條項56：如條項53至55中任一項之方法，其中形成該包括至少一種Fe16N2相疇之塊狀磁性材料包含：熔化該混合物以產生熔融混合物；連續地澆鑄、淬火及壓製該熔融混合物以形成包括至少一種Fe8N相疇之工件；及使該包括至少一種Fe8N相疇之工件發生應變及後退火以形成該包含該至少一種Fe16N2相疇之塊狀磁性材料。
條項57：如條項53至55中任一項之方法，其中形成該包括至少一種Fe16N2相疇之塊狀磁性材料包含：熔化該混合物以產生熔融混合物；在所施加之磁場存在下使該混合物退火；及使該包括至少一種Fe8N相疇之工件發生應變及後退火以形成該包含該至少一種Fe16N2相疇之塊狀磁性材料。
條項58：如條項53至55中任一項之方法，其中形成該包括至少一種Fe16N2相疇之塊狀磁性材料包含：熔紡該混合物；及使該包括至少一種Fe8N相疇之工件發生應變及後退火以形成該包含該至少一種 Fe16N2相疇之磁性材料。
條項59：如條項56至58中任一項之方法，其進一步包含燒結複數個包含至少一種Fe16N2相疇之塊狀磁性材料。
條項60：一種方法，其包含：向含氮化鐵之材料中添加至少一種鐵磁性或非磁性摻雜劑；及自包括該至少一種鐵磁性或非磁性摻雜劑的該含氮化鐵之材料形成包括至少一種Fe16N2相疇之塊狀磁性材料。
條項61：如條項60之方法，其中該至少一種鐵磁性或非磁性摻雜劑包括以下各者中之至少一者：Sc、Ti、V、Cr、Mn、Co、Ni、Cu、Zn、Zr、Nb、Mo、Ru、Rh、Pd、Ag、Cd、Pt、Au、Sm、C、Pb、W、Ga、Y、Mg、Hf或Ta。
條項62：如條項60或61之方法，其中向該含氮化鐵之材料中添加該至少一種鐵磁性或非磁性摻雜劑包含將該至少一種鐵磁性或非磁性摻雜劑與含氮化鐵之粉末混合。
條項63：如條項60或61之方法，其中向該含氮化鐵之材料中添加該至少一種鐵磁性或非磁性摻雜劑包含將該至少一種鐵磁性或非磁性摻雜劑與熔融的含氮化鐵之材料混合。
條項64：如條項60或61之方法，其中向該含氮化鐵之材料中添加該至少一種鐵磁性或非磁性摻雜劑包含：將複數個包括該含氮化鐵之材料的板片彼此鄰接安置，其中將該至少一種鐵磁性或非磁性摻雜劑安置在該複數個包括該含氮化鐵之材料之板片的各別板片之間；及使該複數個該含氮化鐵之材料的板片接合。
條項65：一種方法，其包含：向氮化鐵材料中添加至少一種用於bct相疇之相穩定劑；及自包括該至少一種用於bct相疇之相穩定劑的該含氮化鐵之材料形成包括至少一種Fe16N2相疇之塊狀磁性材料。
條項66：如條項65之方法，其中該至少一種相穩定劑包括以下 各者中之至少一者：B、Al、C、Si、P、O、Co、Cr、Mn或S。
條項67：如條項65或66之方法，其中該至少一種相穩定劑以介於約0.1原子%與約15原子%之間的濃度存在。
條項68：如條項65至67中任一項之方法，其中向該含氮化鐵之材料中添加該至少一種用於bct相疇之相穩定劑包含將該至少一種用於bct相疇之相穩定劑與含氮化鐵之粉末混合。
條項69：如條項65至67中任一項之方法，其中向該含氮化鐵之材料中添加該至少一種用於bct相疇之相穩定劑包含將該至少一種用於bct相疇之相穩定劑與熔融的含氮化鐵之材料混合。
條項70：如條項65至67中任一項之方法，其中向該含氮化鐵之材料中添加該至少一種用於bct相疇之相穩定劑包含：將複數個包括該含氮化鐵之材料的板片彼此鄰接安置，其中將該至少一種用於bct相疇之相穩定劑安置在該複數個包括該含氮化鐵之材料之板片的各別板片之間；及使該複數個該含氮化鐵之材料的板片接合。
條項71：如條項53至70中任一項之方法，其中該包含至少一種Fe16N2相疇之塊狀磁性材料的特徵在於為磁各向異性的。
條項72：如條項71之方法，其中該包含至少一種Fe16N2相疇之磁性材料的能量乘積、矯頑磁性及飽和磁化強度在不同定向處不同。
條項73：一種裝置，其經組態以進行如條項53至72之方法中的任一者。
條項74：一種包含至少一種Fe16N2相疇之磁性材料，其根據如條項53至72中任一項之方法來製得。
條項75：一種塊狀永久磁鐵，其根據如條項53至72中任一項之方法來製得。
條項76：一種工件，其包含纖維、線、長絲、纜線、薄膜、厚膜、箔片、條帶或板片中之至少一者，其中該工件之特徵在於具有長 方向，且其中該工件包含至少一種沿該工件之該長方向定向的氮化鐵相疇。在一些實例中，該工件可使用本文所描述之技術中的任一者來形成。另外，在一些實例中，包括鐵或氮化鐵粉末的前驅物材料中之任一者可用於形成該工件。
條項77：如條項76之工件，其中該至少一種氮化鐵相疇包含以下相中之一或多者：FeN、Fe2N、Fe3N、Fe4N、Fe2N6、Fe8N、Fe16N2及FeNx，且其中x在約0.05至約0.5之範圍內。
條項78：如條項76或77之工件，其中該工件包含一或多種摻雜劑、一或多種相穩定劑或兩者。
條項79：如條項78之工件，其中該一或多種摻雜劑、該一或多種相穩定劑或兩者以按該至少一種氮化鐵相疇之原子%計，介於0.1原子%至15原子%之範圍存在。
條項80：如條項76至79中任一項之工件，其中該工件之特徵在於為塊狀永久磁鐵。
條項81：一種包含氮化鐵之塊狀永久磁鐵，其中該塊狀永久磁鐵之特徵在於其主軸自該塊狀永久磁鐵之第一端延伸至該塊狀永久磁鐵之第二端，其中該塊狀永久磁鐵包含至少一種體心四方(bct)氮化鐵晶體，且其中該至少一種bct氮化鐵晶體之<001>軸線實質上平行於該塊狀永久磁鐵之該主軸。在一些實例中，該塊狀永久磁鐵可使用本文所描述之技術中的任一者來形成。另外，在一些實例中，包括鐵或氮化鐵粉末的前驅物材料中之任一者可用於形成該塊狀永久磁鐵。
實例 實例1
圖20展示一種樣品之實例XRD光譜，該樣品藉由首先研磨鐵前驅物材料以形成含鐵原料，隨後在甲醯胺溶液中研磨該含鐵原料來製備。在鐵前驅物材料之研磨期間，用包括90%氮氣及10%氫氣之氣體 填充球磨研磨裝置。使用直徑介於約5mm與約20mm之間的研磨球來研磨，且球與粉末質量比為約20：1。在含鐵原料之研磨期間，用甲醯胺溶液填充球磨研磨裝置。使用直徑介於約5mm與約20mm之間的研磨球來研磨，且球與粉末質量比為約20：1。如圖20中所顯示之上部XRD光譜中所示，在研磨鐵前驅物材料之後，形成包括Fe(200)及Fe(211)晶體相之含鐵原料。使用可自Siemens USA,Washington,D.C.購得之D5005 x射線繞射儀來採集XRD光譜。如圖20中所展示之下部XRD光譜中所示，在於甲醯胺溶液中研磨含鐵原料之後，形成含有氮化鐵之粉末。含有氮化鐵之粉末包括Fe(200)、Fe3N(110)、Fe(110)、Fe4N(200)、Fe3N(112)、Fe(200)及Fe(211)晶體相。
實例2
圖21展示一種樣品之實例XRD光譜，該樣品藉由在乙醯胺溶液中研磨含鐵原料來製備。在鐵前驅物材料之研磨期間，用包括90%氮氣及10%氫氣之氣體填充球磨研磨裝置。使用直徑介於約5mm與約20mm之間的研磨球來研磨，且球與粉末質量比為約20：1。在含鐵原料之研磨期間，用乙醯胺溶液填充球磨研磨裝置。使用直徑介於約5mm與約20mm之間的研磨球來研磨，且球與粉末質量比為約20：1。使用可自Siemens USA,Washington,D.C.購得之D5005 x射線繞射儀來採集XRD光譜。如圖21中所展示之XRD光譜中所示，在於乙醯胺溶液中研磨含鐵原料之後，形成含有氮化鐵之粉末。含有氮化鐵之粉末包括Fe16N2(002)、Fe16N2(112)、Fe(100)、Fe16N2(004)晶體相。
實例3
圖22為一種包括Fe16N2之實例磁性材料的磁化強度對比所施加磁場的圖，該磁性材料藉由連續澆鑄、淬火及壓製技術來製備。首先，藉由在醯胺存在下研磨鐵粉來形成包括約9：1之鐵與氮原子比率的鐵-氮混合物。如使用掃描電子顯微術所量測的，其中之平均鐵粒度為約 50nm±5nm。研磨在約45℃之溫度下用鎳催化劑在混合物中進行約50小時。鎳與鐵之重量比為約1：5。使用歐傑電子能譜法(AES)來量測鐵與氮原子比率。
隨後將氮化鐵粉末置放在玻璃套管中且使用火焰來加熱。火焰使用天然氣與氧氣之混合物作為燃料，且在約2300℃之溫度下加熱以熔化氮化鐵粉末。隨後傾斜玻璃套管，且將熔融氮化鐵冷卻至室溫以澆鑄氮化鐵。磁化強度曲線使用可以商品名稱MPMS®-5S自Quantum Design Inc.,San Diego,California獲得之超導磁化率計(超導量子干涉裝置(Superconducting Quantum Interference Device；SQUID))來量測。如圖22中所示，樣品之飽和磁化強度(Ms)值為約233emu/g。
實例4
圖23為一種包括至少一種Fe16N2相疇之實例線的X射線繞射光譜，該線藉由連續澆鑄、淬火及壓製技術製備。該樣品包括Fe16N2(002)、Fe3O4(222)、Fe4N(111)、Fe16N2(202)、Fe(110)、Fe8N(004)、Fe(200)及Fe(211)相疇。表2展示不同相疇之體積比率。
實例5
將藉由實例3中所描述之連續澆鑄、淬火及壓製技術製備的FeN塊狀樣品切割成直徑為約0.8mm且長度為約10mm之線。用約350N之力將線沿該線之軸線發生應變，且在應變的同時在介於約120℃與約160℃之間的溫度下後退火，以在該線內形成至少一種Fe16N2相疇。圖24為使用可以商品名稱MPMS®-5S自Quantum Design Inc.,San Diego,California獲得之超導磁化率計(超導量子干涉裝置(SQUID))來 量測的該線之磁化強度對比所施加磁場的圖。如圖24中所示，樣品之矯頑磁性為約249Oe且飽和磁化強度為約192emu/g。
圖25為展示樣品之歐傑電子能譜(AES)測試結果的圖。樣品之組成為約78原子%Fe、約5.2原子%N、約6.1原子%O及約10.7原子%C。
圖26A及26B為顯示使用實例3及5中所描述之連續澆鑄、淬火及壓製技術來形成的氮化鐵箔片及氮化鐵塊狀材料之實例的影像。
實例6
圖27為包括Fe16N2之線形磁性材料之實例的磁化強度對比所施加磁場的圖，顯示外部磁場相對於該線形樣品之長軸不同定向的不同磁滯環。使用應變線技術用冷坩堝系統來製備樣品。自市售可得之較高純度(99.99%)塊狀鐵製備α"-Fe16N2塊狀永久磁鐵。使用尿素作為冷坩堝系統中之氮提供者。首先，在冷坩堝系統中在預定百分比之尿素存在下熔化塊狀鐵。尿素以化學方式分解以生成氮原子，該等氮原子可擴散至經熔化之鐵中。取出所製備之FeN混合物，且加熱至約660℃持續約4小時，隨後在室溫下使用水淬火。壓扁經淬火之樣品且切割成具有方柱形之線，其長度為約10mm且方形側面長度為0.3-0.4mm。最後，在長度方向使線發生應變，以誘導沿該長度方向之晶格伸長，且在約150℃下使該線退火持續約40小時。
以相關於外部磁場0°至90°範圍內之不同定向將線形樣品置放在振動樣品磁力計內部。結果顯示樣品相對於外部磁場之不同定向的不同磁滯環。結果亦以實驗方式展示FeN磁鐵樣品具有各向異性磁特性。
圖28為展示在根據圖27所描述使用冷坩堝技術製備的線形FeN磁鐵之矯頑磁性與其相對於外部磁場之定向之間關係的圖。在線形樣品之長軸與外部磁場之間的角度在0°、45°、60°及90°之間變化。當線形樣品之長軸實質上垂直於磁場時，樣品之矯頑磁性突然增加，表明 該樣品之各向異性磁特性。
實例7
表3展示在由不同方法形成的含Fe16N2之氮化鐵永久磁鐵的磁特性理論值與實驗值之間的比較。「冷坩堝」磁鐵藉由與2012年8月17日申請且標題為「IRON NITRIDE PERMANENT MAGNET AND TECHNIQUE FOR FORMING IRON NITRIDE PERMANENT MAGNET」之國際專利申請案第PCT/US2012/051382號中所描述及相關於實例6而描述之彼等技術類似的技術來形成。
「氮離子植入」磁鐵藉由與2013年2月7申請且標題為「IRON NITRIDE PERMANENT MAGNET AND TECHNIQUE FOR FORMING IRON NITRIDE PERMANENT MAGNET」之美國臨時專利申請案第61/762,147號中所描述之彼等技術類似的技術來形成。詳言之，將厚度約500nm之純(110)鐵箔片定位在鏡面拋光(111)Si基板上。預先清潔(111)Si基板之表面及鐵箔片。藉由使用融合模式之晶圓黏結機(SB6，Karl Suss Wafer Bonder)在約450℃下持續約30分鐘來將箔片直接與基板黏結。氮離子植入使用加速至100keV之原子N+離子來進行，且在室溫下以介於2×1016/cm2至5×1017/cm2範圍內之通量垂直植入此等箔片中。在此之後，對植入箔片施加兩步後退火製程。第一步為在約500℃下在N2及Ar之混合氛圍中預退火約0.5小時。隨後，後續後退火繼續在約150℃下在真空中持續約40小時。
「連續澆鑄」磁鐵藉由與上文相關於實例3而描述之技術類似的技術來形成。
實例8
在此實例中，研究在Fe16N2氮化鐵塊狀樣品中使用錳(Mn)作為摻雜劑原子。使用密度泛函理論(DFT)計算來測定Mn原子在Fe16N2氮化鐵晶體晶格內之可能位置及Fe16N2結晶晶格中Mn原子與Fe原子之間的磁耦合。亦以實驗方式觀測摻雜有Mn原子之Fe16N2氮化鐵的熱穩定性及磁特性。所有DFT計算使用可購自www.quantum-espresso.org之Quantum Espresso軟體套件來進行。關於Quantum Espresso之資訊可見於P.Gianozzi等人J.Phys.：Condens.Matter,21,395502(2009)http：//dx.doi.org/10.1088/0953-8984/21/39/395502中。
在DFT計算中，Mn替換Fe原子之一插入α"-Fe16N2相之四方單位晶胞中。如自週期表所見，Mn類似於Fe，且預測其顯示與主體Fe16N2結構之親和性且可能有助於材料之磁特性。Mn可插入Fe之三種不同結晶學位置中的一或多者處。圖29為展示一種實例Fe16N2結晶學結構之概念圖。如所示，Fe原子在距N原子之三種不同距離處存在，Fe 8h、Fe 4e及Fe 4d。Fe 8h鐵原子與N原子最接近，Fe 4d鐵原子與N原子最遠，而Fe 4e鐵原子距N原子中等距離。使用DFT計算來研究在此等結晶學位置中之每一者處Mn插入之作用。詳言之，使用三種DFT計算來估計Mn原子插入三種結晶學位置中之每一者處的系統之對應總能量。亦使用DFT計算來估計用Mn原子摻雜塊狀鐵之結果。隨後比較此等計算之該等以評估N原子在測定Mn摻雜劑原子之位置及磁化 強度中的作用及評估摻雜系統之熱力學穩定性。
在塊狀Fe中，Mn摻雜劑或雜質反鐵磁地耦合至Fe原子上。圖30為展示Mn摻雜之塊狀Fe能態密度之實例計算結果的曲線。計算使用Quantum Espresso來進行。如圖30中所示，Mn摻雜劑在塊狀鐵中有較大可能在Fe1(Fe 8h)位點處發現。另外，圖30顯示Fe之能態密度與Mn之能態密度始終相反。在Fe之正能態密度處，Mn能態密度為負，指示Mn原子在塊狀Fe樣品中反鐵磁地耦合至Fe原子上。
圖31為展示Mn摻雜之塊狀Fe16N2能態密度之實例計算結果的曲線。計算使用Quantum Espresso來進行。如圖31中所示，因為Mn之能態密度的正負號與Fe之能態密度始終相同，所以Mn摻雜劑非反鐵磁地耦合至Fe16N2塊狀樣品中之其他Fe原子上。因為在圖31中，Mn之能態密度在相同能量處一般最接近Fe1(Fe 8h)之能態密度，所以圖31指示Mn摻雜劑在Fe16N2中有較大可能在Fe1(Fe 8h)位點處發現。此表明N原子對位點間磁耦合之作用很重要。
圖32為所製備的具有濃度為5原子%、8原子%、10原子%及15原子%之Mn摻雜劑之Fe-Mn-N塊狀樣品的磁滯環曲線。該等樣品使用冷坩堝系統來製備。將Mn濃度(按Fe及Mn原子計)分別為5原子%、8原子%、10原子%及15原子%的包括Fe、Mn及尿素前驅體之四種混合物各自置放在冷坩堝中，且熔化以形成對應之FeMnN混合物。將對應FeMnN混合物在650℃下加熱約4小時，且在室溫下於冷水中淬火。隨後將經淬火之FeMnN材料切割成尺寸為約1mm×1mm×8mm之線。隨後將線在約180℃下加熱約20小時且使之應變以形成包括Mn摻雜劑(替換一些Fe原子)之Fe16N2相疇。圖32顯示飽和磁化強度(Ms)隨著Mn摻雜劑濃度增加而降低。然而，矯頑磁性(Hc)隨著Mn摻雜劑濃度增加而增加。此指示用Mn摻雜Fe16N2可增加矯頑磁性。Mn濃度介於5原子%與15原子%之間的樣品之矯頑磁性值大於不含Mn摻雜劑之樣品的矯 頑磁性值。
Mn摻雜之Fe16N2塊狀材料的熱穩定性藉由觀測其在高溫下之結晶結構來加以研究。與不含Mn摻雜劑之樣品相比，具有Mn摻雜劑之樣品顯示改良之熱穩定性。藉由x射線繞射光譜中相應峰值之相對強度的變化而觀測到，不含Mn摻雜劑之FeN塊狀樣品在約160℃之溫度下可顯示相體積比率(例如Fe16N2相體積分率)變化。相體積比率之變化可指示Fe16N2相在此溫度下之穩定性降低。然而，藉由x射線繞射光譜中相應峰值之相對強度的變化而觀測到，Mn摻雜劑濃度介於5原子%與15原子%之間的樣品在180℃下於空氣氛圍中持續約4小時展現實質上穩定之相體積比率(例如Fe16N2相體積分率)。在一些實例中，約220℃之溫度可能導致Fe16N2相完全分解。
實例9
使用可以商品名稱Retsch®行星式球磨機PM 100(Retsch®,Haan,Germany)獲得之球磨研磨系統與鋼球一起研磨1：1重量比之Fe與硝酸銨(NH4NO3)氮源。對各樣品，使用10個各自直徑為約5mm之鋼球。每次10小時研磨完成時，研磨系統停止10分鐘，以允許系統冷卻。表4概述樣品中之每一者的加工參數：
圖33為使用歐傑電子能譜法(AES)採集的樣品1之粉末在於尿素氮源存在下球磨研磨之後的元素濃度曲線。如圖33中所示，粉末包括碳、氮、氧及鐵。
圖34為顯示來自樣品1之粉末在退火後之x射線繞射光譜的曲線。如圖34中所示，粉末包括Fe16N2相氮化鐵。
圖35為所製備的在硝酸銨存在下使用球磨研磨形成之氮化鐵的磁滯環曲線。在室溫下量測磁滯環。其磁滯環經量測之氮化鐵樣品使用上列樣品1之加工參數來製備。詳言之，圖35展示樣品1在退火之後的實例磁滯環。圖35顯示樣品1之矯頑磁性(Hc)為約540Oe且飽和磁化強度為約209emu/g。
實例10
將粉末樣品置放在導電容器或電樞中。樣品包括使用上列樣品1之相同加工參數來形成的氮化鐵粉末。將導電容器置放在高磁場線圈之內徑中。用高電流(例如介於1amp與100amp之間且脈衝比率介於約0.1%與約10%之間)使磁場線圈受脈衝，以在內徑中產生磁場，該磁場隨後在電樞中誘導電流。所誘導之電流與所施加之磁場相互作用，以產生使電樞崩塌且壓實樣品的向內作用之磁力。壓實在小於一毫秒內進行。
估計藉由壓實形成之部分的密度為7.2g/cc，幾乎為理論密度之90%。
圖36為顯示固結前後樣品之x射線繞射光譜的曲線。圖36顯示在固結之後，Fe16N2相仍存在於樣品中。儘管Fe16N2峰值之強度降低，但Fe16N2相仍存在。
當本文所用之範圍用於諸如分子量之物理特性或諸如化學式之化學特性時，意欲包括用於本文中特定實例之範圍的所有組合與子組合。
已描述各種實例。熟習此項技術者將瞭解，可對本發明中所描述之實例進行大量變化及修改，且該等變化及修飾可在不背離本發明之精神的情況下進行。此等及其他實例處於以下申請專利範圍之範疇 內。
此文件中所引用或所描述之各專利、專利申請案及公開案的揭示內容藉此以全文引用之方式併入本文中。

Claims (42)

  1. 一種方法，其包含：加熱包括鐵及氮之混合物以形成熔融的含氮化鐵之材料；及澆鑄、淬火及壓製該熔融的含氮化鐵之材料以形成包括至少一種Fe8N相疇之工件。
  2. 如請求項1之方法，其中澆鑄、淬火及壓製包含連續地澆鑄、淬火及壓製該熔融的含氮化鐵之材料以形成工件，該工件具有一個比該工件之其他維度長的維度。
  3. 如請求項1之方法，其進一步包含：在滾軋模式研磨裝置、攪拌模式研磨裝置或振動模式研磨裝置之儲倉中於氮源存在下研磨含鐵原料以生成包括氮化鐵之粉末，及其中加熱該包括鐵及氮之混合物包含加熱該包括氮化鐵之粉末。
  4. 如請求項3之方法，其中該氮源包含以下各者中之至少一者：硝酸銨、含醯胺之材料或含肼之材料。
  5. 如請求項4之方法，其中該含醯胺或含肼之材料中的至少一者包含以下各者中之至少一者：液體醯胺、含有醯胺之溶液、肼或含有肼之溶液。
  6. 如請求項4之方法，其中該含醯胺或含肼之材料中的至少一者包含以下各者中之至少一者：胺甲醯胺、甲醯胺、苯甲醯胺或乙醯胺。
  7. 如請求項3之方法，其中該含鐵原料包含實質上純之鐵。
  8. 如請求項3之方法，其進一步包含向該含鐵原料中添加催化劑。
  9. 如請求項8之方法，其中該催化劑包含鎳或鈷中之至少一者。
  10. 如請求項3之方法，其中該含鐵原料包含平均直徑小於約100μm之粉末。
  11. 如請求項3之方法，其中包括氮化鐵之粉末包含以下各者中之至少一者：FeN、Fe2N、Fe3N、Fe4N、Fe2N6、Fe8N、Fe16N2及FeNx，其中x在約0.05至約0.5之範圍內。
  12. 如請求項3之方法，其進一步包含研磨鐵前驅物以形成該含鐵原料。
  13. 如請求項12之方法，其中該鐵前驅物包含以下各者中之至少一者：Fe、FeCl3、Fe2O3或Fe3O4。
  14. 如請求項12之方法，其中研磨該鐵前驅物以形成該含鐵原料包含在Ca、Al或Na中之至少一者存在下，在足以在該Ca、Al或Na中之至少一者與存在於該鐵前驅物中之氧之間引起氧化反應的條件下研磨該鐵前驅物。
  15. 如請求項3之方法，其進一步包含熔紡鐵前驅物以形成該含鐵原料。
  16. 如請求項15之方法，其中熔紡該鐵前驅物包含：形成熔融鐵前驅物；冷滾軋該熔融鐵前驅物以形成脆性材料條帶；熱處理該脆性材料條帶；及使該脆性材料條帶碎裂以形成該含鐵原料。
  17. 如請求項1至16中任一項之方法，其中該包括至少一種Fe8N相疇之工件的尺寸在至少一個軸線上小於約50毫米。
  18. 如請求項1至16中任一項之方法，其中該熔融的含氮化鐵之材料包括約8：1之鐵原子與氮原子比率。
  19. 如請求項1至16中任一項之方法，其中該熔融的含氮化鐵之材料包括至少一種鐵磁性或非磁性摻雜劑。
  20. 如請求項19之方法，其中該至少一種鐵磁性或非磁性摻雜劑包含以下各者中之至少一者：Sc、Ti、V、Cr、Mn、Co、Ni、Cu、Zn、Zr、Nb、Mo、Ru、Rh、Pd、Ag、Cd、Pt、Au、Sm、C、Pb、W、Ga、Y、Mg、Hf或Ta。
  21. 如請求項19之方法，其中該熔融的含氮化鐵之材料包含小於約10原子%之該至少一種鐵磁性或非磁性摻雜劑。
  22. 如請求項1至16中任一項之方法，其中該熔融的含氮化鐵之材料進一步包含至少一種相穩定劑。
  23. 如請求項22之方法，其中該至少一種相穩定劑包含以下各者中之至少一者：B、Al、C、Si、P、O、Co、Cr、Mn或S。
  24. 如請求項22之方法，其中該熔融的含氮化鐵之材料包含介於約0.1原子%與約15原子%之間的該至少一種相穩定劑。
  25. 如請求項1至16中任一項之方法，其中加熱該包括鐵及氮之混合物以形成該熔融的含氮化鐵之材料包含在大於約1500℃之溫度下加熱該混合物。
  26. 如請求項1至16中任一項之方法，其中連續地澆鑄、淬火及壓製該熔融的含氮化鐵之材料包含在介於約650℃至約1200℃之範圍內的溫度下澆鑄該熔融的含氮化鐵之材料。
  27. 如請求項1至16中任一項之方法，其中連續地澆鑄、淬火及壓製該熔融的含氮化鐵之材料包含使該含氮化鐵之材料淬火至約650℃以上之溫度。
  28. 如請求項1至16中任一項之方法，其中連續地澆鑄、淬火及壓製該熔融的含氮化鐵之材料包含在約250℃以下之溫度及介於約5噸至約50噸之範圍內的壓力下壓製該含氮化鐵之材料。
  29. 如請求項1至16中任一項之方法，其進一步包含使該包括至少一種Fe8N相疇之工件發生應變及後退火以形成包括至少一種Fe16N2 相疇之工件。
  30. 如請求項29之方法，其中使該包括至少一種Fe8N相疇之工件發生應變及後退火減小該工件之尺寸。
  31. 如請求項30之方法，其中該包括至少一種Fe16N2相疇之工件在至少一個軸線上的尺寸在應變及後退火之後小於約0.1mm。
  32. 如請求項29之方法，其中在應變及後退火之後，該工件基本上由單一Fe16N2相疇組成。
  33. 如請求項29之方法，其中使該包括至少一種Fe8N相疇之工件發生應變包含在該工件上施加介於約0.3%至約12%之範圍內的拉張應變。
  34. 如請求項33之方法，其中該拉張應變在實質上平行於該包括至少一種Fe8N相疇之工件中的至少一個<001>晶軸的方向上施加。
  35. 如請求項29之方法，其中使該包括至少一種Fe8N相疇之工件後退火包含將該包括至少一種Fe8N相疇之工件加熱至介於約100℃至約250℃之範圍內的溫度。
  36. 如請求項1至16中任一項之方法，其進一步包含藉由將含鐵材料暴露於尿素擴散過程中來形成該包括鐵及氮之混合物。
  37. 如請求項29之方法，其中該包括至少一種Fe16N2相疇之工件的特徵在於為磁各向異性的。
  38. 如請求項37之方法，其中該包括至少一種Fe16N2相疇之工件的能量乘積、矯頑磁性及飽和磁化強度在不同定向處不同。
  39. 如請求項1至16中任一項之方法，其中該包括至少一種Fe8N相疇之工件包含以下各者中之至少一者：纖維、線、長絲、纜線、薄膜、厚膜、箔片、條帶或板片。
  40. 一種裝置，其經組態以進行如請求項1至39之方法中的任一者。
  41. 一種工件，其根據如請求項1至39中任一項之方法來製得。
  42. 一種塊狀磁性材料，其包含藉由如請求項29至35、37或38中任一項之方法來形成的工件。
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Families Citing this family (22)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20140072047A (ko) 2011-08-17 2014-06-12 리전츠 오브 더 유니버시티 오브 미네소타 질화철 영구 자석 및 질화철 영구 자석을 형성하기 위한 기술
WO2014124135A2 (en) 2013-02-07 2014-08-14 Regents Of The University Of Minnesota Iron nitride permanent magnet and technique for forming iron nitride permanent magnet
CA2916483C (en) 2013-06-27 2017-02-28 Regents Of The University Of Minnesota Iron nitride materials and magnets including iron nitride materials
BR112016022561A2 (pt) 2014-03-28 2017-08-15 Univ Minnesota Material magnético de nitreto de ferro incluindo nanopartículas revestidas
US9994949B2 (en) 2014-06-30 2018-06-12 Regents Of The University Of Minnesota Applied magnetic field synthesis and processing of iron nitride magnetic materials
JP6337662B2 (ja) * 2014-07-09 2018-06-06 Tdk株式会社 窒化鉄系磁性粉及びそれを用いた磁石
CA2957732A1 (en) 2014-08-08 2016-02-11 Regents Of The University Of Minnesota Forming iron nitride hard magnetic materials using chemical vapor deposition or liquid phase epitaxy
US10072356B2 (en) 2014-08-08 2018-09-11 Regents Of The University Of Minnesota Magnetic material including α″-Fe16(NxZ1-x)2 or a mixture of α″-Fe16Z2 and α″-Fe16N2, where Z includes at least one of C, B, or O
WO2016022711A1 (en) 2014-08-08 2016-02-11 Regents Of The University Of Minnesota Multilayer iron nitride hard magnetic materials
US10002694B2 (en) 2014-08-08 2018-06-19 Regents Of The University Of Minnesota Inductor including alpha″-Fe16Z2 or alpha″-Fe16(NxZ1-x)2, where Z includes at least one of C, B, or O
JP6485066B2 (ja) * 2015-01-22 2019-03-20 Tdk株式会社 窒化鉄系磁石
JP6485065B2 (ja) * 2015-01-22 2019-03-20 Tdk株式会社 窒化鉄系磁性粉末及びそれを用いたボンド磁石
AU2016211751A1 (en) * 2015-01-26 2017-08-17 Regents Of The University Of Minnesota Iron nitride powder with anisotropic shape
EP3251130B1 (en) * 2015-01-26 2020-07-15 Regents of the University of Minnesota Iron nitride magnetic materials
JP6618858B2 (ja) * 2016-06-22 2019-12-11 Tdk株式会社 窒化鉄磁石
CN111386161B (zh) * 2017-09-25 2022-05-17 国立研究开发法人产业技术综合研究所 磁性材料及其制造法
CN109192433A (zh) * 2018-09-27 2019-01-11 常州古金磁性材料科技有限公司 一种具有高磁感应强度的软磁材料及其制备方法
CN109411177B (zh) * 2018-12-11 2019-12-24 江南大学 一种利用液氮高速球磨制备γ’-Fe4N软磁材料的方法
US11309107B2 (en) 2020-02-21 2022-04-19 Niron Magnetics, Inc. Anisotropic iron nitride permanent magnets
WO2022256222A1 (en) * 2021-06-01 2022-12-08 CM Materials Inc. Magnetic materials and manufacturing
CN113318772B (zh) * 2021-08-03 2021-11-09 北京三聚环保新材料股份有限公司 一种氮化熔铁催化剂及其制备方法和应用
CN114551082B (zh) * 2022-03-09 2023-04-25 江西荧光磁业有限公司 一种钕铁硼磁体的冷处理装置及其加工方法

Family Cites Families (85)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS61143557A (ja) 1984-12-18 1986-07-01 Kawasaki Steel Corp 飽和磁気モ−メントが高い磁性材料
JPS61157634A (ja) 1984-12-28 1986-07-17 Kawasaki Steel Corp 高い飽和磁化を有する高けい素鋼薄帯の製造方法
JPS62232101A (ja) 1986-04-02 1987-10-12 Hitachi Ltd 窒化鉄磁性体の製造方法
JPS63132701A (ja) 1986-11-25 1988-06-04 Kawasaki Steel Corp 塗装用鋼板とその製法
US5068147A (en) 1988-04-28 1991-11-26 Matsushita Electric Industrial Co., Ltd. Soft magnetic thin film comprising alternate layers of iron carbide with either iron, iron nitride or iron carbon-nitride
JP2843379B2 (ja) 1988-10-04 1999-01-06 日立金属株式会社 等方性耐熱ボンド磁石およびその製造方法ならびにそれを用いる磁粉、それを用いたｐｍ型モータ
JP2698407B2 (ja) 1988-12-26 1998-01-19 川崎製鉄株式会社 方向性けい素鋼板製造過程における冷間圧延方法
JP2665365B2 (ja) 1989-02-14 1997-10-22 三菱製鋼株式会社 高い磁性を有する窒化鉄の製造方法
US5032947A (en) 1989-07-12 1991-07-16 James C. M. Li Method of improving magnetic devices by applying AC or pulsed current
JPH03100124A (ja) 1989-09-13 1991-04-25 Nippon Steel Corp 表面品質の優れたＣｒ―Ｎｉ系ステンレス鋼薄板の製造方法
DE4025277A1 (de) 1990-08-09 1992-02-13 Siemens Ag Verfahren zur herstellung eines anisotropen magnetmaterials auf basis des stoffsystems sm-fe-n
JPH04217305A (ja) 1990-12-19 1992-08-07 Nkk Corp 窒化鉄系高密度焼結体の製造方法
JP2700043B2 (ja) 1991-04-16 1998-01-19 沖電気工業株式会社 磁気記録媒体
US5330554A (en) 1991-08-30 1994-07-19 Aisin Seiki Kabushiki Kaisha Method for producing iron-nitride powders
JP2790395B2 (ja) 1992-03-25 1998-08-27 川崎製鉄株式会社 アパーチャーグリル用鋼板の製造方法
JP3021957B2 (ja) 1992-05-14 2000-03-15 川崎製鉄株式会社 高い飽和磁化を有するＦｅ１６Ｎ２鉄窒化物の製造方法
JPH05326239A (ja) 1992-05-18 1993-12-10 Mitsubishi Materials Corp 高い飽和磁束密度を有するＦｅ−Ｎ系またはＦｅ−Ｓｉ−Ｎ系軟磁性粉末の製造方法
JPH0696947A (ja) 1992-09-11 1994-04-08 Hitachi Ltd 薄帯状窒化鉄材料
JPH06267722A (ja) 1993-03-10 1994-09-22 Nippon Steel Corp 磁性材料及びその製造方法
JPH06311390A (ja) 1993-04-26 1994-11-04 Mitsubishi Electric Corp 映像信号処理装置
ATE165477T1 (de) 1993-07-06 1998-05-15 Sumitomo Spec Metals R-fe-b dauermagnetmaterialien und ihre herstellungsverfahren
US6139765A (en) 1993-11-11 2000-10-31 Seiko Epson Corporation Magnetic powder, permanent magnet produced therefrom and process for producing them
CN1156516A (zh) 1994-07-18 1997-08-06 高桥研 磁性薄膜及其制造方法
US6217672B1 (en) 1997-09-24 2001-04-17 Yide Zhang Magnetic annealing of magnetic alloys in a dynamic magnetic field
JP3932326B2 (ja) 1998-05-22 2007-06-20 Ｄｏｗａエレクトロニクス株式会社 窒化鉄磁性材料の製法
EP0994493B1 (en) 1998-10-14 2003-09-10 Hitachi Metals, Ltd. R-T-B sintered permanent magnet
JP2000176513A (ja) 1998-12-17 2000-06-27 Nippon Steel Corp 調質圧延用ロール、調質圧延方法および調質圧延金属板
US6457629B1 (en) 1999-10-04 2002-10-01 Solidica, Inc. Object consolidation employing friction joining
JP3861276B2 (ja) * 1999-11-04 2006-12-20 セイコーエプソン株式会社 冷却ロール、磁石材料の製造方法、薄帯状磁石材料、磁石粉末およびボンド磁石
JP2001176715A (ja) 1999-12-21 2001-06-29 Toyota Central Res & Dev Lab Inc 高飽和磁化Ｆｅ−Ｎ系磁性体
WO2001093286A1 (fr) 2000-05-31 2001-12-06 Migaku Takahashi Couche mince magnetique, son procede de production, son procede d'evaluation et tete magnetique dans laquelle elle est utilisee, dispositif d'enregistrement magnetique et dispositif magnetique
JP4000552B2 (ja) 2000-12-27 2007-10-31 スズキ株式会社 窒化鉄薄膜の製造方法
JP2002334695A (ja) 2001-03-09 2002-11-22 Canon Inc 二次電池および二次電池の製造方法
JP3558996B2 (ja) 2001-03-30 2004-08-25 株式会社東芝 磁気抵抗効果素子、磁気ヘッド、磁気再生装置及び磁気記憶装置
US6778358B1 (en) 2002-05-01 2004-08-17 Western Digital (Fremont), Inc. Magnetically soft, high saturation magnetization laminates of iron-cobalt-nitrogen and iron-nickel
GB0220063D0 (en) 2002-08-29 2002-10-09 Isis Innovation Magnetic particle and process for preparation
WO2004067813A1 (ja) 2003-01-29 2004-08-12 Tdk Corporation 磁性ガーネット単結晶膜形成用基板、光学素子およびその製造方法
GB2414852B (en) 2003-02-19 2007-05-02 Hitachi Maxell Magnetic recording medium
JP2004319923A (ja) 2003-04-21 2004-11-11 Hitachi Maxell Ltd 窒化鉄系磁性粉末
JP4599574B2 (ja) * 2003-11-27 2010-12-15 Ｄｏｗａエレクトロニクス株式会社 窒化鉄系磁性粉末
EP1548760A3 (en) 2003-11-27 2007-12-26 DOWA Electronics Materials Co., Ltd. Iron nitride magnetic powder and method of producing the powder
JP4534059B2 (ja) 2004-03-17 2010-09-01 Ｄｏｗａエレクトロニクス株式会社 窒化鉄系磁性粉末およびその製造法
EP1675133B1 (en) 2004-12-27 2013-03-27 Shin-Etsu Chemical Co., Ltd. Nd-Fe-B rare earth permanent magnet material
JP2007070669A (ja) 2005-09-06 2007-03-22 Osaka Univ 窒化硼素炭素および窒化硼素の成膜方法並びに前記方法で得られた膜、基板、デバイス
JP2007273038A (ja) 2006-03-31 2007-10-18 Fujifilm Corp 磁気記録媒体
JP2008071425A (ja) * 2006-09-14 2008-03-27 Hitachi Maxell Ltd 磁気記録媒体
JP2008117855A (ja) 2006-11-01 2008-05-22 Toyota Motor Corp ナノコンポジット磁石の製造方法
US7736753B2 (en) 2007-01-05 2010-06-15 International Business Machines Corporation Formation of nanostructures comprising compositionally modulated ferromagnetic layers by pulsed ECD
CN101071667B (zh) * 2007-04-12 2010-11-24 北京中科三环高技术股份有限公司 含钆的钕铁硼稀土永磁材料及其制造方法
US8535634B2 (en) 2007-05-04 2013-09-17 Advanced Materials Corporation Iron nitride powders for use in magnetic, electromagnetic, and microelectronic devices
JP2008311518A (ja) 2007-06-15 2008-12-25 Hitachi Maxell Ltd 窒化鉄系磁性粉末の製造方法、窒化鉄系磁性粉末、及び磁気記録媒体
JP5058889B2 (ja) 2007-07-03 2012-10-24 日立マクセル株式会社 磁気記録媒体
JP2009088287A (ja) 2007-09-28 2009-04-23 Fujifilm Corp 窒化鉄粉末、窒化鉄粉末の製造方法、および磁気記録媒体
US9242295B2 (en) 2007-12-21 2016-01-26 The Univeristy Of Texas At Arlington Bulk nanocomposite magnets and methods of making bulk nanocomposite magnets
JP4791513B2 (ja) 2008-08-05 2011-10-12 日立マクセル株式会社 窒化鉄系磁性粉末、及びそれを用いた磁気記録媒体
US8591987B2 (en) 2009-05-18 2013-11-26 Northrop Grumman Systems Corporation Multiferroic nanoscale thin film materials, method of its facile syntheses and magnetoelectric coupling at room temperature
JP2009259402A (ja) 2009-08-11 2009-11-05 Hitachi Maxell Ltd 磁気記録媒体および磁気テープカートリッジ
JP5344171B2 (ja) 2009-09-29 2013-11-20 ミネベア株式会社 異方性希土類−鉄系樹脂磁石
JP5130270B2 (ja) 2009-09-30 2013-01-30 株式会社日立製作所 磁性材料及びそれを用いたモータ
JP5769223B2 (ja) 2009-10-22 2015-08-26 戸田工業株式会社 強磁性粒子粉末及びその製造法、異方性磁石及びボンド磁石
WO2011142565A2 (ko) 2010-05-10 2011-11-17 한국기계연구원 광대역 전자기파 흡수체 및 그 제조방법
US9115425B2 (en) 2010-10-18 2015-08-25 Electronics And Telecommunications Research Institute Thin film depositing apparatus
JP5831866B2 (ja) 2011-01-21 2015-12-09 戸田工業株式会社 強磁性粒子粉末及びその製造方法、並びに異方性磁石、ボンド磁石及び圧粉磁石
WO2012131872A1 (ja) 2011-03-28 2012-10-04 日立金属株式会社 複合軟磁性粉末及びその製造方法、並びにそれを用いた圧粉磁心
WO2012159096A2 (en) 2011-05-18 2012-11-22 The Regents Of The University Of California Nanostructured high-strength permanent magnets
JP2012246174A (ja) 2011-05-27 2012-12-13 Sumitomo Electric Ind Ltd 窒化鉄材の製造方法及び窒化鉄材
KR20140072047A (ko) 2011-08-17 2014-06-12 리전츠 오브 더 유니버시티 오브 미네소타 질화철 영구 자석 및 질화철 영구 자석을 형성하기 위한 기술
US9160079B2 (en) 2011-09-14 2015-10-13 William N. Carr Compact multi-band antenna
CN103814417A (zh) 2011-09-22 2014-05-21 户田工业株式会社 强磁性氮化铁颗粒粉末的制造方法、各向异性磁铁、粘结磁铁和压粉磁铁
JP5924657B2 (ja) * 2011-09-22 2016-05-25 戸田工業株式会社 強磁性窒化鉄粒子粉末の製造方法、異方性磁石、ボンド磁石及び圧粉磁石
JP6155440B2 (ja) 2011-09-22 2017-07-05 戸田工業株式会社 強磁性窒化鉄粒子粉末の製造方法、異方性磁石、ボンド磁石及び圧粉磁石の製造方法
JP2013102122A (ja) 2011-10-17 2013-05-23 Sumitomo Electric Ind Ltd 磁性部材及び磁性部材の製造方法
JP5708454B2 (ja) 2011-11-17 2015-04-30 日立化成株式会社 アルコール系溶液および焼結磁石
CN104271496A (zh) * 2011-12-15 2015-01-07 卡斯西部储备大学 不含稀土的能够转变的氮化物磁体及其制造方法
WO2014124135A2 (en) 2013-02-07 2014-08-14 Regents Of The University Of Minnesota Iron nitride permanent magnet and technique for forming iron nitride permanent magnet
CA2916483C (en) 2013-06-27 2017-02-28 Regents Of The University Of Minnesota Iron nitride materials and magnets including iron nitride materials
BR112016022561A2 (pt) 2014-03-28 2017-08-15 Univ Minnesota Material magnético de nitreto de ferro incluindo nanopartículas revestidas
US9994949B2 (en) 2014-06-30 2018-06-12 Regents Of The University Of Minnesota Applied magnetic field synthesis and processing of iron nitride magnetic materials
US10072356B2 (en) 2014-08-08 2018-09-11 Regents Of The University Of Minnesota Magnetic material including α″-Fe16(NxZ1-x)2 or a mixture of α″-Fe16Z2 and α″-Fe16N2, where Z includes at least one of C, B, or O
CA2957732A1 (en) 2014-08-08 2016-02-11 Regents Of The University Of Minnesota Forming iron nitride hard magnetic materials using chemical vapor deposition or liquid phase epitaxy
WO2016022711A1 (en) 2014-08-08 2016-02-11 Regents Of The University Of Minnesota Multilayer iron nitride hard magnetic materials
US10002694B2 (en) 2014-08-08 2018-06-19 Regents Of The University Of Minnesota Inductor including alpha″-Fe16Z2 or alpha″-Fe16(NxZ1-x)2, where Z includes at least one of C, B, or O
AU2016211751A1 (en) 2015-01-26 2017-08-17 Regents Of The University Of Minnesota Iron nitride powder with anisotropic shape
JP2018510497A (ja) 2015-01-26 2018-04-12 リージェンツ オブ ザ ユニバーシティ オブ ミネソタ 窒化鉄磁石の歪みの保持
EP3251130B1 (en) 2015-01-26 2020-07-15 Regents of the University of Minnesota Iron nitride magnetic materials

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