CN108231392A

CN108231392A - 制备稀土永磁体的方法

Info

Publication number: CN108231392A
Application number: CN201711163201.3A
Authority: CN
Inventors: 李在领; 金东奂; 孔君胜
Original assignee: STAR GROUP IND Co Ltd; Hyundai Motor Co; Kia Motors Corp
Current assignee: STAR GROUP IND Co Ltd; Hyundai Motor Co; Kia Corp
Priority date: 2016-12-12
Filing date: 2017-11-21
Publication date: 2018-06-29
Also published as: US10490326B2; US20180166192A1

Abstract

本发明公开了一种制备稀土永磁体的方法，其包括：制备NdFeB烧结磁体，用包含R氢化物或R氟化物以及R_aM_b或M的晶界扩散材料涂布NdFeB烧结磁体的表面以形成晶界扩散涂层，以及通过热处理将晶界扩散材料扩散到NdFeB烧结磁铁的晶界中，其中M是具有比扩散过程中热处理温度高的熔点的金属，R是稀土元素，并且a和b各自表示满足以下方程式(1)和(2)的原子百分比：0.1<a<99.9‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑(1)a+b＝100‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑(2)。

Description

制备稀土永磁体的方法

技术领域

本发明涉及一种制备稀土永磁体的方法，其包括：施加包含稀土元素的合金粉末并对其进行热处理以使稀土元素扩散到烧结磁体的晶界中。更特别地，本发明涉及一种制备稀土永磁体的方法，所述方法包括使用包含钴(Co)的合金粉末将稀土元素扩散到Nd-Fe-B烧结磁体的晶界中，从而改进矫顽力并减轻热退磁特性。

背景技术

一般而言，稀土永磁体是包括R-Fe-B烧结磁体(其中R表示包括钕(Nd)、镝(Dy)、或铽(Tb)、或它们的组合的稀土元素)的具有强磁力的磁体，其赋予发动机高的动力和缩小的尺寸，因此其应用范围逐渐拓宽。

特别地，可预期的是近期对混合动力车辆或电动车辆的需求增加将促使对稀土永磁体的需求增加，所述稀土永磁体与常规的铁氧体磁体相比能够发挥改进3至5倍的磁力。

同时，磁体的磁特性能够表示为剩余磁通量密度和矫顽力。剩余磁通量密度由稀土永磁体主相的比例、密度和磁取向决定，而矫顽力是指磁体承受外部磁场或热量的能力。矫顽力主要与磁体的微结构有关，并且是由晶界相的细晶粒尺寸或均匀分布所决定。

因此，已提出各种改进永磁体矫顽力的替代方法。其中，双合金化是通过混合两种合金粉末，然后进行磁场形成和烧结来制备磁体的方法。

更具体地，上述方法通过将包含钕(Nd)或镨(Pr)作为稀土元素的R-Fe-B粉末(其中R表示稀土元素)与包含镝(Dy)或铽(Tb)以及铝(Al)、钛(Ti)、钼(Mo)等的合金粉末混合来制备永磁体，从而实现高矫顽力。然而，在烧结过程中，合金粉末中的镝(Dy)和铽(Tb)元素扩散到晶界中，从而不利地导致期望的效果变差。

因此，近来通常使用的晶界扩散包括在烧结磁体的表面上形成包括包含镝(Dy)或铽(Tb)的稀土元素的涂层，然后诱导晶界扩散到烧结磁体中，从而改进包括矫顽力的磁特性。

根据涂层形成的方式，晶界扩散大致分为两种方法。一种方法包括首先使用镝(Dy)或铽(Tb)在烧结磁体的表面上通过溅射或沉积形成涂层，然后诱导晶界扩散，该方法具有的缺点在于制造设备和工艺需要巨大的制造成本，以及因生产率和效率低下而难以批量生产。

此外，另一种方法包括首先用氧化物或氟化物形式的镝(Dy)和铽(Tb)涂布烧结磁体的表面，然后诱导晶界扩散，该方法有利地通过相对简单的工艺实现，同时具有优异的生产率，但由于难以将包含镝(Dy)和铽(Tb)的元素扩散到烧结磁体中(因为这些元素通过置换反应而扩散)，因此不利的是改进矫顽力受限。特别地，氟化物和氧化物抑制纯稀土元素的晶界扩散并残留在制得的永磁体中，因此不利地限制了矫顽力的改进。

公开于该发明背景部分的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已为本领域技术人员所公知的现有技术。

发明内容

本发明的各个方面旨在提供一种通过沿着烧结磁体的晶界有效地扩散重稀土元素来制备稀土永磁体的方法，所述稀土永磁体能够发挥改进的矫顽力和热特性。

本发明的各个方面旨在提供一种制备稀土永磁体的方法，该方法能够均匀地扩散重稀土元素并同时改进重稀土元素的晶界扩散速率。

本发明的各个方面旨在提供一种制备稀土永磁体的方法，该方法能够通过改进耐腐蚀性而省略晶界扩散后去除氧化物膜的过程。

根据本发明的各个方面，上述和其它目的能够通过提供一种制备稀土永磁体的方法来实现，所述方法包括：制备NdFeB烧结磁体，用包含R氢化物或R氟化物以及R_aM_b或M的晶界扩散材料涂布NdFeB烧结磁体的表面以形成晶界扩散涂层，以及通过热处理将晶界扩散材料扩散到NdFeB烧结磁铁的晶界中，其中M是具有比扩散过程中热处理温度高的熔点的金属，R是稀土元素，并且a和b各自表示满足以下方程式(1)和(2)的原子百分比：

0.1<a<99.9--------------(1)

a+b＝100----------------(2)

优选地，M是熔点为1000℃或更高的金属。

更优选地，R是选自镝(Dy)、铽(Tb)、钕(Nd)、镨(Pr)和钬(Ho)中的任何一种，并且M是钴(Co)。

在制备中，NdFeB烧结磁体可以包含：以总重量计的30至35重量％的包含镝(Dy)、铽(Tb)、钕(Nd)和镨(Pr)的稀土元素，以总重量计的0至10重量％的包含钴(Co)、铝(Al)、铜(Cu)、镓(Ga)、锆(Zr)和铌(Nb)的过渡金属，10重量％的硼(B)，以及余量的铁(Fe)。

在涂布中，晶界扩散材料可以包含1至7重量％的钴(Co)。

在涂布中，R氢化物可以是TbH₂、TbH₃、DyH₂和DyH₃中的任何一种，并且R氟化物可以是TbF₂、TbH₃、DyF₂和DyF₃中的任何一种。

在涂布中，涂层可以通过以下方式形成：用晶界扩散材料通过喷涂、悬浮粘附或滚镀处理来涂布NdFeB烧结磁体的表面。

晶界扩散材料可以包含在10至70重量％范围内的量的R，并且该量高于存在于NdFeB烧结磁体中的稀土元素的量。

涂布可以包括：熔融R氢化物或R氟化物以及R_aM_b或M以制备钴熔融合金，冷却钴熔融合金以制备钴合金锭，研磨钴合金锭以制备粉末状晶界扩散材料，以及用晶界扩散材料涂布NdFeB烧结磁体的表面以形成晶界扩散涂层。

扩散可以通过在惰性气氛下加热到700至1000℃的温度来进行。

本发明的方法和装置具有其它的特征和优点，这些特征和优点从并入本文中的附图和随后的具体实施方式中将是显而易见的，或者将在并入本文中的附图和随后的具体实施方式中进行更详细的陈述，这些附图和具体实施方式共同用于解释本发明的某些原理。

附图说明

图1示出根据本发明示例性实施方案的制备稀土永磁体的方法的流程图；

图2示出根据本发明示例性实施方案的制备稀土永磁体的方法的示意图；

图3示出扩散到根据本发明示例性实施方案制得的稀土永磁体的晶界中的图像。

应当了解，附图并不必须是按比例绘制的，其示出了某种程度上简化表示的说明本发明基本原理的各个特征。在此所公开的本发明的特定的设计特征，包括例如具体的尺寸、方向、位置和形状，将部分地由特定目的的应用和使用环境所确定。

在这些附图中，在贯穿附图的多幅图形中，附图标记指代本发明的相同或等同的部分。

具体实施方式

现在将具体参考本发明的各个实施方案，在附图和以下的描述中示出了这些实施方案的实施例。虽然本发明与示例性实施方案相结合进行描述，但是应当了解，本说明书并非旨在将本发明限制为那些示例性实施方案。相反，本发明旨在不但覆盖这些示例性实施方案，而且覆盖可以被包括在由所附权利要求所限定的本发明的精神和范围之内的各种替换、修改、等同形式以及其它实施方案。

本发明能够在稀土永磁体的制备中，通过使稀土元素与熔点为1000℃或更高的金属一起扩散而促进稀土元素的扩散，其中能够改进所制得的稀土永磁体的包括矫顽力的磁特性，能够减小热退磁速率，并且能够通过省略去除氧化物膜的附加过程而简化整个工艺。

图1示出根据本发明示例性实施方案的制备稀土永磁体的方法的流程图，而图2示出根据本发明示例性实施方案的制备稀土永磁体的方法的示意图。

如在图1和图2中所示，根据本发明示例性实施方案的制备稀土永磁体的方法包括：制备NdFeB烧结磁体10，涂布以在NdFeB烧结磁体10的表面上形成晶界扩散涂层，以及扩散晶界扩散材料200。

在制备步骤中，为了使制得的NdFeB烧结磁体10包括以总重量计的约30重量％至约35重量％(例如约30重量％、约31重量％、约32重量％、约33重量、％约34重量％或约35重量％)的包含镝(Dy)、铽(Tb)、钕(Nd)和镨(Pr)的稀土元素，以总重量计的0重量％至约10重量％(例如约0重量％、1重量％、2重量％、3重量％、4重量％、5重量％、6重量％、7重量％、8重量％、9重量％或10重量％)的包含钴(Co)、铝(Al)、铜(Cu)、镓(Ga)、锆(Zr)和铌(Nb)的过渡金属，10重量％的硼(B)以及余量的铁(Fe)，将这些元素以预定的重量比混合，通过使用高频炉将材料加热到约1300℃至约1550℃(例如约1300℃、约1350℃、约1400℃、约1450℃或约1550℃)的温度而使这些元素熔融，然后通过带铸法(strip casting)制成NdFeB合金。

通过氢化和脱氢将制得的NdFeB合金进行粗粉碎，并使用喷磨机细磨，从而制备NdFeB粉末。在这种情况中，NdFeB粉末优选具有约3μm至5μm(例如约3μm、约4μm或约5μm)的直径。

在如这样提供NdFeB粉末之后，使用具有彼此垂直的磁场方向和形成方向的磁场形成机对NdFeB粉末进行烧结和热处理，从而制备NdFeB烧结磁体10。

根据本发明示例性实施方案的制备优选在充有氮气(N)或氩气(Ar)气体的惰性气氛下进行。对于本条件的理由是，通过使含有碳(C)或氧(O)的杂质最少化，能够使NdFeB烧结磁体10的磁特性的退化最小化。

在如这样完成NdFeB烧结磁体10之后，在涂布步骤中，使NdFeB烧结磁体10的表面涂布有晶界扩散材料200以形成晶界扩散涂层。

根据本发明示例性实施方案的晶界扩散材料200包含由R氢化物或R氟化物表示的稀土元素以及由M或R_aM_b表示的钴(Co)或钴合金。

在这种情况中，R是选自镝(Dy)、铽(Tb)、钕(Nd)、镨(Pr)和钬(Ho)中的任何一种的稀土元素，M是熔点为约1000℃或更高的金属，并且a和b各自表示满足以下方程式(1)和(2)的原子百分比：

0.1<a<99.9--------------(1)

a+b＝100----------------(2)

更具体地，在本发明的示例性实施方案中，R氢化物是选自TbH₂、TbH₃、DyH₂和DyH₃中的任何一种，R氟化物是选自TbF₂、TbH₃、DyF₂和DyF₃中的任何一种，并且M是钴(Co)。

在本发明的示例性实施方案中使用的钴(Co)是高熔点金属之一，具有1498℃的较高熔点。在随后的扩散步骤中，当进行加热以用于稀土元素的晶界扩散时，钴(Co)与R氢化物或R氟化物一起熔融，从而形成熔融的钴复合物，即具有较低熔点的液态晶界扩散材料。

因此，通过使包含稀土元素的晶界扩散材料200的分散性改进和其晶界扩散速率提高来促进扩散，能够有利地促使制得的稀土永磁体的磁特性改进，更不必说稀土永磁体的均一品质。

在这种情况中，当使用具有低于700℃的相对低熔点的包括锌(Zn)或铝(Al)的低熔点金属作为M时，具有的优点在于由于镝(Dy)和铽(Tb)的熔点较低而使镝(Dy)和铽(Tb)能够快速扩散到烧结磁体的晶界中，但是对制得的磁体的居里温度没有影响并因此无法改进热退磁特性。

另一方面，在本发明的示例性实施方案中使用的具有高熔点的金属钴(Co)因比钕(Nd)具有更弱的氧化力和更高的居里温度而能够在高温下改进磁特性。钴(Co)被存在于NdFeB烧结磁体10的晶界及其相邻的晶粒中的钕(Nd)所置换，从而有利地降低制得的磁体的热退磁速率并改进耐腐蚀性。

根据本发明示例性实施方案的晶界扩散材料200包含由R表示的稀土元素，R的量在约10重量％至约70重量％(例如约10重量％、约20重量％、约30重量％、约40重量％、约50重量％、约60重量％或约70重量％)的范围内，并且该量高于存在于NdFeB烧结磁体10中的稀土元素的量。

将稀土元素的含量限定在上述范围内的原因在于，当晶界扩散材料200中的稀土元素的量小于10重量％时，因扩散到晶界100中的稀土元素的量少而无法令人满意地改进磁特性，而当其量超过70重量％时，因浪费昂贵的稀土元素并由此增加生产成本从而导致制得的稀土永磁体价格上涨。

另外，当存在于晶界扩散材料200中的稀土元素的量低于存在于NdFeB烧结磁体中的稀土元素的量时，因扩散到NdFeB烧结磁体的晶界中的效果下降而无法令人满意地改进磁特性。因此，优选地通过以比NdFeB烧结磁体中的稀土元素的量更高的预定量将稀土元素引入晶界扩散材料中来改进扩散效率。

同时，钴(Co)优选以约1重量％至约7重量％(例如约1重量％、约2重量％、约3重量％、约4重量％、约5重量％、约6重量％或约7重量％)存在。对于该量的原因在于，当钴(Co)的含量小于1重量％时，几乎无法获得钴(Co)在改进矫顽力上的效果，并且无法获得期望的磁体耐热性。当钴(Co)含量超过7重量％时，由于与R氢化物或R氟化物熔融以形成熔融钴复合物的钴(Co)的比例低，所以稀土永磁体的包括矫顽力的磁特性略有变差。

根据本发明示例性实施方案的涂布步骤包括：将R氢化物或R氟化物与R_aM_b或M熔融以制备熔融钴合金，将熔融钴合金装入模具中并使合金冷却以制备钴合金锭，使用球磨机研磨所制备的钴合金锭以制备粉末状晶界扩散材料200，以及用粉末状晶界扩散材料200涂布NdFeB烧结磁体10的表面以形成晶界扩散涂层。

目前，晶界扩散涂层能够通过喷涂、悬浮粘附和滚镀处理中的任何方法来形成。

喷涂是使用喷射器将粉末状晶界扩散材料200与溶剂一起喷射到NdFeB烧结磁体10的表面上的方法。悬浮粘附是包括以下步骤的方法：将粉末状晶界扩散材料200悬浮在包含醇的溶剂中，将NdFeB烧结磁体10浸入悬浮液中，然后在升高磁体的同时将附着在NdFeB烧结磁体10的表面上的悬浮液干燥。

另外，滚镀处理是一种用晶界扩散材料200涂布NdFeB烧结磁体10的表面的方法，该方法包括：将包含液体石蜡的粘合材料施加到NdFeB烧结磁体10的表面以形成粘合剂层，将粉末状晶界扩散材料200与直径为约1mm的金属冲击介质或陶瓷冲击介质混合，将NdFeB烧结磁体10引入到混合物中并在振动下搅拌以通过冲击介质将晶界扩散材料200附着到粘合剂层。

根据本发明的示例性实施方案，涂布在NdFeB烧结磁体10的表面上的晶界扩散涂层的厚度优选为约5μm至约150μm(例如约5μm、约10μm、约15μm、约20μm、约25μm、约30μm、约40μm、约50μm、约60μm、约70μm、约80μm、约90μm、约100μm、约110μm、约120μm、约130μm、约140μm或约150μm)。对于该尺寸的理由在于，当晶界扩散涂层的厚度超过150μm时，包含昂贵的稀土元素的晶界扩散材料200的晶界扩散变得困难，而当厚度小于5μm时，对于矫顽力的改进而言晶界扩散的效果不充分。

如上所述完成晶界扩散涂层的形成之后，在扩散步骤中通过加热到700℃至1000℃的温度而熔融的液态晶界扩散材料200扩散到NdFeB烧结磁体10的晶界100中，以形成晶界扩散材料扩散到其中的晶界300，从而制得稀土永磁体。

在下文中，将参考附图详细描述本发明的示例性实施方案。

表1

项目	Nd	Pr	Dy	Tb	Co	B	Al	Cu	C	O	Fe
												重量％	27	1	1	1	2	1	0.5	0.25	0.01	0.12	余量

表1示出根据本发明示例性实施方案制得的NdFeB烧结磁体的组成。

具有表1中组成的NdFeB烧结磁体10的表面涂布有具有各种组分的晶界扩散材料200，并在800℃下热处理4小时以引起晶界扩散。磁特性和热退磁速率得以确定，并示于表2和表3中。表2是示出通过使用根据本发明各种实施例的晶界扩散材料来提供的稀土永磁体在晶界扩散前后的磁特性和热退磁速率的表；表3是示出通过使用各种比较例来提供并且包含低熔点金属的稀土永磁体在晶界扩散前后的磁特性和热退磁速率的表。

表2

表3

从表1、表2和表3可以看出，当使用包括包含锌或铝的低熔点金属的晶界扩散材料时，矫顽力、磁通量密度等得到改进，但具有相似的热退磁速率的稀土永磁体的热特性无法得到改进。

另一方面，当晶界扩散材料200的组成满足本发明示例性实施方案中限定的条件时，包括矫顽力的磁特性优异，并且因热退磁速率下降而使制得的稀土永磁体的热特性得到改进。

在这种情况中，根据本发明示例性实施方案的晶界扩散材料200具有约1重量％至约7重量％(例如约1重量％、约2重量％、约3重量％、约4重量％、约5重量％、约6重量％或约7重量％)的钴含量。这种情况是因为当钴含量小于1重量％时，热特性和矫顽力的改进不足，但是当钴含量超过7重量％时，热特性和矫顽力变差。图3示出扩散到根据本发明示例性实施方案制得的稀土永磁体的晶界中的图像。

从图3中可以看出，根据本发明的示例性实施方案，晶界扩散材料200沿着NdFeB烧结磁体10的晶界均匀地扩散，由此有利地将均匀的品质赋予给制得的稀土永磁体。

根据本发明的示例性实施方案，通过使稀土元素与具有优异耐腐蚀性和高熔点的钴(Co)一起扩散，有利的是：制得的稀土永磁体的热退磁速率降低，其中热特性能够得以改进；以及稀土元素的扩散效率降低，从而使得稀土永磁体的矫顽力能够得以改进。

另外，有利的是，能够省略在制得的稀土永磁体的晶界扩散之后去除氧化物膜的附加过程，从而能够改进生产效率并降低生产成本。

此外，通过提供稀土元素在烧结磁体中的均匀晶界扩散，制得的稀土永磁体的品质能够有利地保持均匀。

为了方便解释和精确限定所附权利要求，术语“上部”、“下部”、“上”、“下”、“向上”、“向下”、“内部的”、“外部的”、“在里面”、“在外面”、“向内”、“向外”、“内部”、“外部”、“前面”、“后面”、“背部”、“向前”和“向后”是用于参考图中显示的这些特征的位置来描述示例性实施方案的特征。

已呈现的前述对本发明的具体示例性实施方案的描述是为了例证和说明的目的。这些描述并非旨在穷尽本发明，或者将本发明限定为所公开的精确形式，并且很显然，根据上述教导，可以进行很多修改和变型。对示例性实施方案进行选择和描述是为了解释本发明的某些原理及其实际应用，从而使得本领域的其他技术人员能够实现并利用本发明的各种示例性实施方案以及它们的各种替换和修改。本发明的范围意在由所附的权利要求书及其等同形式所限定。

Claims

1.一种制备稀土永磁体的方法，其包括：

制备NdFeB烧结磁体；

用包含R氢化物或R氟化物以及R_aM_b或M的晶界扩散材料涂布NdFeB烧结磁体的表面，以形成晶界扩散涂层；以及

通过热处理将晶界扩散材料扩散到NdFeB烧结磁铁的晶界中，

其中M是具有比扩散过程中热处理温度高的熔点的金属，R是稀土元素，并且a和b各自表示满足以下方程式(1)和(2)的原子百分比：

0.1<a<99.9--------------(1)

a+b＝100----------------(2)。

2.根据权利要求1所述的制备稀土永磁体的方法，其中M是熔点为1000℃或更高的金属。

3.根据权利要求2所述的制备稀土永磁体的方法，其中R是选自镝、铽、钕、镨和钬中的任何一种，以及

M是钴。

4.根据权利要求3所述的制备稀土永磁体的方法，其中在制备中，NdFeB烧结磁体包含：以总重量计的30至35重量％的包含镝、铽、钕和镨的稀土元素，以总重量计的0至10重量％的包含钴、铝、铜、镓、锆和铌的过渡金属，10重量％的硼，以及余量的铁。

5.根据权利要求3所述的制备稀土永磁体的方法，其中在涂布中，晶界扩散材料包含1至7重量％的钴。

6.根据权利要求5所述的制备稀土永磁体的方法，其中在涂布中，R氢化物是TbH₂、TbH₃、DyH₂和DyH₃中的任何一种，并且R氟化物是TbF₂、TbH₃、DyF₂和DyF₃中的任何一种。

7.根据权利要求1所述的制备稀土永磁体的方法，其中在涂布中，涂层通过以下方式形成：用晶界扩散材料通过喷涂、悬浮粘附或滚镀处理来涂布NdFeB烧结磁体的表面。

8.根据权利要求4所述的制备稀土永磁体的方法，其中晶界扩散材料包含在10至70重量％范围内的量的R，并且该量高于存在于NdFeB烧结磁体中的稀土元素的量。

9.根据权利要求3所述的制备稀土永磁体的方法，其中涂布包括：

熔融R氢化物或R氟化物以及R_aM_b或M以制备钴熔融合金；

冷却钴熔融合金以制备钴合金锭；

研磨钴合金锭以制备粉末状晶界扩散材料；以及

用晶界扩散材料涂布NdFeB烧结磁体的表面以形成晶界扩散涂层。

10.根据权利要求2所述的制备稀土永磁体的方法，其中扩散通过在惰性气氛下加热到700至1000℃的温度来进行。