[发明专利]各向异性稀土烧结磁体及制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及用于电动机等中的各向异性稀土烧结磁体，以及制备其的方法。

背景技术

自从1982年发现(JP-A S59-46008)以来，包含四方Nd₂Fe₁₄B化合物作为主相的NbFeB磁体(简称为Nd磁体)已经用于许多应用中。现在，它们在电子/电气、运输和工业设备的制造中是有用的材料。尽管具有包括相对低的居里温度(～310℃)和不良的耐腐蚀性在内的一些缺点，然而Nd磁体具有包括如下的优势：室温下高的饱和磁化强度、相对廉价的成分、相对高的机械强度。Nd磁体优于现有技术的2-17SmCo磁体并且具有日益增加的应用领域。其中，认为最有希望的是它们作为车载部件的应用，包括电动汽车(EV)和混合电动汽车(HEV)的电动机以及发电机(JP-A 2000-245085)。

车载部件典型用于超过100℃的环境中。对于EV和HEV电动机，需要具有超过150℃且有时约200℃的温度下的耐热性。然而，由于相对低的居里温度(～310℃)，Nd₂Fe₁₄B化合物在高温下发生显著的矫顽力下降(典型的Hc温度系数为约-0.6％/℃)。在超过100℃的温度范围内难以使用低Hc的磁体。本文中使用的术语“矫顽力”是指M-H曲线的矫顽力Hcj，通常简称为Hc。

针对该问题最期望的解决方案是改善矫顽力的温度系数。然而，实质性的改进是困难的，因为这种方案基于磁晶各向异性常数和居里点，它们是磁性Nd₂Fe₁₄B化合物的固有物理性质。其次最佳的改进是用重稀土元素Dy或Tb替代部分Nd以便改善各向异性场(有时称为Ha)从而提高室温下的矫顽力Hc。室温下的高矫顽力确保即使当暴露于高温而发生Hc的下降时，在该温度下仍维持适于预期应用的Hc水平。不仅用Dy/Tb替代Nd位点，而且用Al、Cu、Ga、Zr等替代Fe位点对于Hc改善也是有效的。然而这种取代导致的Hc增强效果是有限的。实现与取代量成比例的Hc增强效果的元素限于重稀土元素Dy和Tb。

如上所述，重稀土元素Dy和Tb的取代对于Hc增强是非常有效的。然而，由于Nd和Dy/Tb在相反方向产生磁矩，因此饱和磁化强度(有时称为Ms)的降低与取代量成比例。由于Ms降低的发生是以Hc增强为交换，因此最大能量乘积(有时称为(BH)_max)的降低与Ms平方(即Ms²)成比例。也就是说，在牺牲Ms时获得耐热性。另外，Dy和Tb具有低的卡拉克(Clarke)值，这表明它们的资源量仅仅是Nd的一部分，并且比Nd更稀少。当然，Dy和Tb矿物的价格是Nd价格的几倍至十倍。这些矿物的存在极端偏向于一个国家。从价格和资源两方面来看，Dy和Tb的使用从今往后会成为Nd磁体制造的瓶颈。

希望增强Nd磁体的Hc而不取代或添加以Dy和Tb，使得Nd磁体可用于超过100℃的高温环境。能实现该目标的开发工作是重要的。从组成和工艺两方面进行了深入研究，包括：取代不同于上面所列出的Al、Cu和Ga的元素，烧结结构的晶粒细化等等，并且目前仍在继续进行研究。迄今，在磁体组成中去除Dy/Tb仍不可行，但是已通过若干提议来尝试节省Dy/Tb，其中一些正在接近实用水平(WO 2006/64848)。

对于Dy/Tb节省，已知若干不同的提议，但是它们的共同之处是在烧结磁体的制备和机加工之后，使Dy/Tb从表面沿晶界扩散和渗透到本体中。所得烧结磁体具有Dy或Tb仅以高浓度位于主相晶界处或附近的结构，并且Dy或Tb的浓度从表面朝向磁体内部逐渐降低。这样的非平衡结构对于Hc增强是有效的，因为Nd磁体的矫顽力机制是成核生长方式从而Hc由近晶界结构形貌以及主相R₂Fe₁₄B组成控制(R是至少一种稀土元素主要包括Nd，下文简称为2-14-1)。尽管对于成核生长机制的任何定量讨论仍然是不可能的，但事实上可通过用Dy或Tb仅对近晶界结构进行磁强化来增强Hc。另外，由于这些元素仅位于晶界附近，与整个合金的取代相比，饱和磁化强度Ms的降低非常小。晶界局域化过程减少了用于获得相同Hc的Dy或Tb量，达到或低于现有技术中用于在熔融期间取代整个合金所用Dy或Tb量的一半。