R-t-b-m-a系稀土類永磁體以及其制造方法

R-t-b-m-a系稀土類永磁體以及其制造方法
【專利摘要】本發明的目的在于，在R-T-B-M-A系稀土類永磁體中，通過將氮N、氫H控制為適當值來實現低成本的同時不降低剩磁密度性能Br并提高矯頑力性能Hcj。具體為，本發明的稀土類永磁材料以R2T14B型化合物為主要構成，R為24質量％～34質量％，T為63質量％～74質量％，B為0.5質量％～1.5質量％，其余由M及A構成，微量元素A是H為10ppm以下，N為150ppm以下。另外，本發明的稀土類永磁材料在惰性氣體環境下粉碎，平均粒子直徑在2～5μm范圍。
【專利說明】R-T-B-M-A系稀土類永磁體以及其制造方法
[0001]本申請是申請日為2010年04月02日、發明名稱為“R-T-B-M-A系稀土類永磁體以及其制造方法”的申請號為201010142507.2專利申請的分案申請。
【技術領域】
[0002]本發明涉及永磁材料領域。具體而講，其為稀土類永磁材料以及其制造方法，涉及不降低磁體的剩磁密度Br而大大提高燒結體的矯頑力的高性能稀土類永磁材料以及其制
造方法。
【背景技術】
[0003]伴隨新能源產業的發展與技術的進步，高性能的R-T-B系稀土類永磁體(R為稀土類元素中的至少一種，T為過渡性金屬元素中的至少一種，B為硼)的應用領域在世界性地擴大。從現有的電子通信設備領域的硬盤驅動器的音圈馬達(VCM)、CD/DVD的拾音器、移動電話、如核磁共振成像裝置(MRI)這樣的醫療設備向更高效、節能的機電領域的風力發電機、空調和冰箱的壓縮機電機、混合動力車(HybridCar)電動機和發電機等新能源領域發展。因此，對于高性能R-T-B系永磁材料的需求量不斷擴大，尤其對即使在使用溫度高的情況下剩磁密度也高且矯頑力也高的稀土類永磁材料的要求正在提高。
[0004]R-T-B系永磁材料的磁特性的主要技術指標是剩磁密度與矯頑力。剩磁密度主要由以下因素決定，1.正向疇體積分數，2.主相(R2T14B)或磁性相的體積分數，3.磁晶粒的取向度，4.燒結磁體的實際密度與理論密度的比值等。
[0005]由下式表示剩磁密度Br。
[0006]Br=A(l— i3)(d/d0)cos Θ.J s
[0007]其中，A:正向疇體積分數，1- β:主相的體積分數，d:燒結磁體的實際密度，d ^:燒結磁體的理論密度，C ο s Θ:晶粒的取向度，J S =R2T14B單晶體飽和磁極化強度。
[0008]另外，矯頑力主要受磁晶各向異性場(Ha)、燒結磁體的微觀組織結構(例如晶粒度的尺寸、形狀等)、富釹相的數量與分布以及在反向退磁場的作用下的退磁因子的影響。
[0009]由下式表示矯頑力Hcj。
[0010]He j=cHa-NeffMs
[0011]其中，Ha:磁晶各向異性參數，Ms:飽和磁化強度，c:微觀組織結構參數，Neff:退磁因子。
[0012]現在，不含作為重稀土類元素的Dy與Tb的R-T-B系燒結永磁材料雖然剩磁密度Br較高(通常為1.4T)，但是矯頑力較低，只有960kA/m左右。因此，僅僅能夠在使用溫度低和穩定的環境中使用，極大地限制了永磁材料的應用領域。而且，為了提高R-T-B系燒結磁體的矯頑力擴大使用溫度的范圍，進行了成分調整及細化晶粒等各種改進工作。
[0013]作為現有技術的主要的改進方法，采用各向異性場更高的重稀土類元素Dy或Tb來部分取代Nd，提高矯頑力與使用溫度。例如，采用5質量％的Dy來部分取代Nd的方法。這樣，雖然矯頑力可以提高到1680 (kA/m)，但是剩磁密度Br卻降低到1.28 (T)0[0014]而且，作為重稀土類的Dy及Tb因為是稀有資源所以價格高，該方法不適合于大量生產。尤其在作為新能源領域之一的IMW永磁直驅的風力發電機中，I臺使用的永磁體的平均質量為1000kg以上，在成本方面形成了很大的制約因素。另外，還有通過添加多量Ga、Nb、Mo等稀有金屬元素來降低晶粒度和優化晶界，從而提高矯頑力的方法，但是這種方法也致使成本提聞。
[0015]在上述現有的稀土類磁體成分分配比中，沒能提高到使用溫度條件苛刻的(使用環境的溫度高)用途，例如電動汽車電動機及混合動力汽車電動機、發電機所必需的矯頑力性能。在電動汽車或混合動力汽車的磁體溫度方面，如果是電動汽車，則需要耐住150°C，如果是混合動力汽車，則需要耐住200°C，如果從磁體矯頑力方面說，則需要1680 (KA/m)以上的材料，另外需要剩磁密度在1.28 (T)以上。
[0016]如果將重稀土類元素Dy或Tb作為添加物而加入，則雖然可以提高矯頑力性能Hcj，但是卻降低剩磁密度Br，這將造成降低電動機及發電機效率的后果。
[0017]另外，為了不降低剩磁密度，有必要添加Ga、Nb、Mo等稀有金屬元素，但是由于將高價的金屬元素作為添加物來多量使用，因此成本增加，要想應用于需求量大的電動汽車電動機及混合動力汽車電動機、發電機，從經濟面考慮實現起來比較困難。

【發明內容】

[0018]本發明的目的在于解決這些缺點，在大幅削減成為高成本的主要原因的高價的稀有金屬材料的同時，通過提高影響電動機、發電機效率的剩磁密度Br與矯頑力性能HcjJlJ用低成本的豐富的材料而提供高性能的稀土類磁體。
[0019]另外，根據本發明，也何以降低高價的重稀土類元素Dy或Tb的使用量，可以降低成本。本發明的產品可以使用于伺服馬達、直線電動機、電梯馬達等多方面。
[0020]下面說明應用于電動汽車電動機及混合動力汽車電動機、發電機時的具體效果。
[0021]電動汽車電動機或混合動力汽車電動機的電動機輸出特性如圖1所示，從基本旋轉速度以上開始，需要伴隨速度上升而轉矩降低的穩定輸出特性。這些電動機主要采用將所述稀土類磁體在周向上等間隔埋入電動機的轉子芯的內磁型永磁同步電動機(InteriorPermanent Magnet type Synchronous Mot or,以下簡稱 IPMSM)(參照圖 2)。
[0022]如圖3所示，在橫軸為以磁體磁通軸(d軸)為基準時的電流相位角Θ，縱軸為轉矩T時，該IPMSM的轉矩特性為磁體轉矩:Tm與磁阻轉矩:Tr的合成轉矩。
[0023]下面表示各轉矩式。
[0024]T = Tm + Tr
[0025]Tm = τ m.cos θ ( τ m:磁體轉矩Tm的最大值)
[0026]Tr = τ r.sin (2 θ ) ( τ r:磁體轉矩 T r 乃最大值)
[0027]該電動機的特征為，通過用電樞磁通來降低所述磁體具有的磁能即發生磁通來實現了電動機的穩定輸出范圍。
[0028] 從圖2的IPMSM構造可知，所述稀土類磁體被配置在磁體磁通軸(d軸)上，以R-T-B為主成分的稀土類磁體的磁導率μr= 1.05，是大致與空氣相同的磁導率。因此，從電樞觀察時的d軸電感與垂直于該d軸的軸(q軸)的q軸電感相比成以下關系。
[0029]L d < Lq[0030]在電動機的輸出控制中，為了降低磁通，將伴隨速度上升而增加的電動機端子之間的電壓控制為一定值，優選該d軸電感大。也就是說以配設在轉子芯內部的磁體的厚度Lm小為好。
[0031]在電動機的設計上，該磁體厚度Lm由使用的磁體的使用溫度tm (使用環境溫度)時的矯頑力性能Hcj、電樞的磁場削弱能Ata決定。由于磁場削弱能Ata由電動機的輸出規格決定，因此取決于如何在磁體使用溫度tm (使用環境溫度)下使用矯頑力性能Hcj高的磁體。也就是說，如果矯頑力性能Hcj低，為了耐住電樞的磁場削弱能Ata (為了不發生減磁)則有必要使磁體厚度Lm變厚。
[0032]但是，如上所述，如果磁體厚度Lm變厚，則上述的d軸電感變小，為了得到規定輸出特性，有必要使很多無功電流流通于電樞，這將顯著地損壞在電動機的穩定輸出域的效率特性。也就是說，通過使用矯頑力性能Hcj高的本發明的磁體，可以使磁體厚度Lm比現有的磁體厚度薄，因此可以降低所述無功電流在電樞中的流通，而且提高穩定輸出范圍的效率，得到可以實現節能的很大效果。
[0033]本發明與現有技術相比大約可以提高25%的矯頑力性能Hcj，可以使磁體的厚度薄25%。其結果，由于大約可以降低所述無功電流的25%，因此大約可以降低在電樞繞組中發生的焦耳熱損失的35%。
[0034]本發明的特征是在R-T-B-M-A系稀土類永磁材料中最合適地設定微量元素A的成分范圍。
[0035]本發明未添加所述稀有金屬，通過在粉碎工序中細化粉末的粒度的基礎上將微量元素A的成分設定在最合適的范圍來提高磁體的矯頑力。 [0036]首先，對氧“O”的影響與規定范圍的必然性進行說明。
[0037]由于磁粉被控制成粉末的粒度非常細，因此在燒結過程中磁體晶粒容易發生異常長大。因此，在粉碎工序中嚴格控制磁體中的氧“O”含量，在粉末的表面形成氧化膜而防止晶粒的異常長大。因此，重要的是僅用于形成氧化膜的氧“O”含量，有必要設定某個成分規定范圍。如果過量地放入氧，則富釹相被氧化，造成矯頑力降低。
[0038]對氫“H”的影響與規定范圍的必然性進行說明。
[0039]如果氫“H”殘留在磁體中，貝U在燒結工序脫氣時發生HDDR (Hydroge n-Disproportionation-Desorption-Recombination)反應,產生納米級別的晶粒，成為在燒結工序中晶粒異常長大的原因。為了防止該現象，在氫處理工序中進行脫氫后必須嚴格地控制真空度，使殘留氫“H”不超過規定值。
[0040]下面，對氮“N”的影響與規定范圍的必然性進行說明。
[0041]如果磁粉的粒度非常細，則粉末的活性也變強。如果將通常的氮氣作為保護環境而進行制粉，則由于在溫度上升時，氮與稀土類元素發生反應，因此對晶界相的潤濕性起不良影響，使矯頑力降低。因此，首先為了使氮“N”處于規定值以下，有必要在將惰性氣體從氮“N”變更為氬或者氦的環境下實施制粉，提高磁體的矯頑力。
[0042]下面，對碳“C”的影響與規定范圍的必然性進行說明。
[0043]如果磁粉的粒度非常細，則粉末容易集結，粉末的取向也變難。為了解決這樣的問題，雖然有必要添加大量的潤滑劑來使粉末分散，但是潤滑劑是乙酸甲脂、辛酸甲脂、硬脂酸鋅、硬脂酸鋰中的一種，所有潤滑劑都是包含碳“C”的有機物。因此有可能增加磁體中的碳“C，，含量。
[0044]如果碳“C”增加，則剩磁密度Br從某個值降低，矯頑力也急劇降低。因此有必要使碳“C”處于某個規定范圍。
[0045]本發明是一種以R2T14B型化合物為主要構成的R-T-B-M-A系稀土類永磁體，R為稀土類元素中的至少一種，T為過渡性金屬元素中的至少一種，B為硼，M為由T1、Mn、N1、Cu、Zn、Al、S1、P、S組成的群當中選擇的至少一種，A為微量元數，其特征為，
[0046]R為24質量％~34質量％，
[0047]T為63質量％~74質量％，
[0048]B為0.5質量％~1.5質量％，
[0049]其余由M及A構成，
[0050]A由以下構成，
[0051]H的含量為IOppm以下，
[0052]N的含量為150ppm以下，
[0053]并且，被粉碎的永磁材料的平均粒子直徑在2~5 μ m范圍，以及在氬或者氦氣環境下粉碎所述磁體材料。 【專利附圖】

【附圖說明】
[0054]圖1是電動汽車電動機或混合動力汽車電動機的電動機輸出特性。
[0055]圖2 是內磁型永磁同步電動機(Interior Permanent Magnet type Synchro nousMotor)的構造示意圖。
[0056]圖3是上述IPMSM的轉矩特性。
[0057]圖4是N含量與剩磁密度的相關圖。
[0058]圖5是N含量與矯頑力的相關圖。
[0059]圖6是粉碎粒子直徑與剩磁密度的相關圖。
[0060]圖7是粉碎粒子直徑與矯頑力的相關圖。
[0061]圖8是O含量與剩磁密度的相關圖。
[0062]圖9是O含量與矯頑力的相關圖。
[0063]圖10是C含量與剩磁密度的相關圖。
[0064]圖11是C含量與矯頑力的相關圖。
[0065]圖12是H含量與剩磁密度的相關圖。
[0066]圖13是H含量與矯頑力的相關圖。
【具體實施方式】
[0067]下面，根據實施例對本發明的實施方式進行說明。
[0068]并且,在下面的實施例中的質量標記由質量％進行表示,表示各元素在物質中的質量比。另外，平均粒子直徑作為中位直徑的D50 (50%粒子直徑)來進行表示，各數值是通過激光衍射式粒度分布測定裝置來測定的值。
[0069]實施例1
[0070]合金的制作[0071]在氬氣環境中熔化金屬或合金原材料進行精煉。該合金是在燒結體R-T-B-M-A的構成體中，
[0072]R 為
[0073]Nd:22.5 質量 ％，
[0074]Dy:3.5 質量 ％，
[0075]Pr:5.0 質量 ％ 構成，
[0076]T 為
[0077]Fe:66.6 質量％，
[0078]Co:1.0 質量 ％ 構成，
[0079]B 為
[0080]B:1.0 質量 ％，
[0081]M 為 [0082]Al:0.3 質量％，
[0083]Cu:0.1質量％構成的合金。通過速凝薄帶(S C )工藝，使用水冷銅輥來使合金熔融金屬冷卻凝固，得到合金薄片。
[0084]粉碎
[0085]在通過氫化處理而粗粉碎所述合金后，使氫爐處于真空狀態進行脫氫處理。之后，使用高壓氬氣在氣流粉碎機內將所述粗粉碎的合金研磨成平均粒子直徑為5.0 μ m左右的粉末。為了防止晶粒異常長大，在粉碎過程中，在氣流粉碎機粉碎用惰性氣體中加入一定量的氧。之后，在惰性氣體中保存粉末。
[0086]潤滑劑的添加
[0087]為了提高粉末的取向性，在粉末混合機內添加一定量的潤滑劑。潤滑劑的混入過程在氬氣保護環境下進行。
[0088]成型
[0089]使用通過所述方法制作的微細粉末在惰性氣體環境下進行磁場成型。之后，在400°C以上的溫度環境下將通過所述方法成型的成型體保溫一定時間，之后，通過燒結工序進行燒結而得到燒結體R-T-B-M-A。
[0090]時效處理
[0091]在進行完燒結處理后，對磁體進行時效處理。之后，通過機械加工制作了直徑10mm、高度IOmm尺寸的實施例1的試樣。
[0092]實施例2
[0093]同時也制作了實施例2的試樣。實施例2與實施例1的不同點在于，在粉碎、潤滑劑的添加及成型工序中作為保護環境使用了氦氣。
[0094]對比例I~3
[0095]另外，為了驗證實施例1及2的效果，也制作了對比例1、對比例2及對比例3的合金。
[0096]對比例的合金制作方法
[0097]在氮氣環境中熔化金屬或合金原材料進行精煉。該合金是在燒結體R-T-B-M-A的構成體中，[0098]R 為
[0099]Nd:21 質量％，
[0100]Dy:5.0 質量
[0101]Pr:5.0 質量％構成，
[0102]T 為
[0103]Fe:66.6 質量
[0104]Co:1.0 質量％構成，
[0105]B 為
[0106]B:1.0 質量 ％，
[0107]M 為
[0108]Al:0.3 質量
[0109]Cu:0.1質量％構成的合金。通過速凝薄帶工藝使用水冷銅棍來使合金熔融金屬冷卻凝固，得到合金薄片。
[0110]粉碎
[0111]在通過氫化處理而粗粉碎所述合金后，使氫爐處于真空狀態進行脫氫處理。之后，使用高壓氮氣在氣流粉碎機內將所述粗粉碎的合金研磨成平均粒子直徑為5.0 μ m左右的粉末。為了防止晶粒異常長大，在粉碎過程中，在氣流粉碎機粉碎用氮氣中加入一定量的氧。之后，在氮氣中保存粉末。
[0112]潤滑劑的添加
[0113]為了提高粉末的取向性，在粉末混合機內添加一定量的潤滑劑。潤滑劑的混入過程在氮氣保護環境下進行。
[0114]成型
[0115]使用通過所述方法制作的微細粉末在氮氣環境下進行磁場成型。之后，首先在400°C以上的溫度環境下將通過所述方法成型的成型體保溫一定時間，之后，通過燒結工序進行燒結而得到燒結體R-T-B-M-A。
[0116]時效處理
[0117]在進行完燒結處理后，對磁體進行時效處理。之后，通過機械加工制作了直徑10mm、高度IOmm尺寸的對比例1、對比例2及對比例3的磁體。
[0118]對比例I至3是明確氮N的量對矯頑力的性能降低產生影響的例子，對比例I是“A”的氮N=160ppm,對比例2是氮N=160ppm,對比例3是氮N=400ppm。
[0119]實施例1、2與對比例I~3的分析結果
[0120]將磁特性的測定結果及成份分析的結果對比表示于下述的表1及圖4、圖5 (圖表)。
[0121]圖4是將橫軸作為氮N含量，縱軸作為剩磁密度而表示兩者關系。圖5是將橫軸作為氮N含量，縱軸作為矯頑力而表示兩者關系。從這些圖可以確認，為了達到作為高性能的永磁所要求的矯頑力為1680kA/m以上，需要使氮N為150ppm以下，此時，剩磁密度為1.28T以上。
[0122]表1
[0123]
【權利要求】
1.一種以R2T14B型化合物為主要構成的R-T-B-M-A系稀土類永磁體，R為稀土類元素中的至少一種，T為過渡性金屬元素中的至少一種，B為硼，M為由T1、Mn、N1、Cu、Zn、Al、S1、P、S組成的群當中選擇的至少一種，A為微量元數，其特征為， R為24質量％~34質量％， T為63質量％~74質量％， B為0.5質量％~1.5質量％， 其余由M及A構成， 所述A的組成如下， H的含量為IOppm以下， N的含量為150ppm以下， 所述稀土類永磁材料粉末的平均粒子直徑在2~5 μ m范圍。
2.根據權利要求1所述的稀土類永磁體的制造方法，其特征為，在氬氣或者氦氣環境下實施所述稀土類 永磁材料的粉碎工序。
【文檔編號】H01F1/057GK104021908SQ201410115008
【公開日】2014年9月3日 申請日期:2010年4月2日 優先權日:2010年4月2日
【發明者】林喜峰, 丁開鴻, 呂思晶, 王國海, 于京春, 李忠華, 王永杰, 宮本恭祐 申請人:煙臺首鋼磁性材料股份有限公司, 株式會社安川電機