制造稀土磁體的方法與流程

本發明涉及制造稀土磁體的方法。

發明背景

由稀土元素制成的稀土磁體被稱作永磁體并用于混合動力車輛、電動車等的驅動馬達以及包含在硬盤和mris中的馬達。

作為指示這些稀土磁體的磁體性能的指標，例如，可以使用剩磁(剩余磁通密度)和矯頑力。隨馬達尺寸降低和電流密度提高，發熱量提高，因此在所用稀土磁體中對高耐熱性的要求進一步提高。因此，這一技術領域中的重要研究課題之一是在高溫下使用時如何保持磁體的矯頑力。將作為一個實例描述nd-fe-b磁體，其是在車輛驅動馬達中廣泛使用的稀土磁體。在這種nd-fe-b磁體中，已嘗試提高其矯頑力，例如通過使用具有大量nd的合金組合物改進晶粒，或通過添加具有高矯頑力性能的重稀土元素，如dy或tb。

稀土磁體的實例包括常用的燒結磁體，其中構成其結構的晶粒的晶粒度為大約3至5微米；和納米晶磁體，其中晶粒被細化到大約50納米至300納米的納米晶粒度。

在這類稀土磁體的磁性質中，為了改進矯頑力，國際公開wo2012/036294公開了一種方法，其中例如使nd-cu合金或nd-al合金作為含有過渡金屬元素和稀土元素(或輕稀土元素)的改性合金擴散滲透到晶界相中以將晶界相改性。

由于含有過渡金屬元素和輕稀土元素的改性合金不含重稀土元素如dy，該改性合金具有低熔點，甚至在大約700℃也熔融，并可以使其擴散滲透到晶界相中。因此，在具有大約300納米或更小的晶粒度的納米晶磁體的情況下，可以說上述加工方法是優選的，因為可以通過在抑制晶粒粗化的同時將晶界相改性而改進矯頑力性能。

制造稀土磁體的方法使用這樣的一種方法進行，其包括：對燒結坯進行熱的塑性形變以制造稀土磁體前體，賦予其磁各向異性；和使改性合金從稀土磁體前體的表面擴散滲透到內部。

為了使改性合金擴散滲透，例如，可以采用在熔融改性合金中浸漬稀土磁體前體的浸漬法，或在稀土磁體前體上沉積改性合金的蒸氣的氣相法。

例如，日本專利申請公開no.2011-129648(jp2011-129648a)公開了一種使用浸漬法的技術，其包括：將磁體浸漬在包括用于改進矯頑力的元素的漿料中以使所述元素沉積在所述磁體的表面上；和施加熱以使所述元素熔融并擴散滲透到所述磁體中。

另一方面，日本專利no.4924547公開了一種使用氣相法的技術，其包括：將用于改進矯頑力的元素和磁體置于真空室中；和施加熱以汽化所述元素；和使所述汽化的元素擴散滲透到所述磁體中。

技術實現要素：

但是，在浸漬法和氣相法中，非常難以使預定量(設計量)的改性合金以高精確度擴散滲透到稀土磁體前體中，并且擴散滲透量有可能在自然進程中決定。

本發明提供一種制造稀土磁體的方法，其中使所需量的改性合金以高精確度擴散滲透到稀土磁體前體中從而可制造具有所需矯頑力性能的稀土磁體。

根據本發明，提供一種制造稀土磁體的方法，所述方法包括：第一步驟，使用通過燒結磁粉而得的燒結坯制造稀土磁體前體，所述磁粉為稀土磁體材料；和第二步驟，使改性合金擴散滲透到所述稀土磁體前體中以制造稀土磁體。在第二步驟中，通過將片材料粘合到所述稀土磁體前體的表面上并對所述片材料進行熱處理而使所述改性合金擴散滲透到所述稀土磁體前體中，在所述片材料中所述改性合金的合金粉末分散在熱塑性樹脂中。

所述片材料含有預定量(設計量)的改性合金，并通過對所述片材料進行熱處理，使預定量的改性合金熔融并使其擴散滲透到所述稀土磁體前體中。因此，可容易地以高精確度控制改性合金的擴散滲透量。此外，通過制備大的片材料并將制成的片材料以預定尺寸切割，可以以高精確度控制所述片材料中的改性合金粉末的量，并可以以高精確度控制擴散滲透量。

此外，在所述片材料中，改性合金分散在熱塑性樹脂中。因此，在熱處理過程中熱塑性樹脂熔融以及熔融的改性合金擴散滲透到所述稀土磁體前體中的情況中不存在干擾。另一方面，在常溫氣氛中，所述片材料的形狀可被保持。此外，由于改性合金分散在熱塑性樹脂中，防止了改性合金的氧化。

在此，作為所用的改性合金，由于其低熔點或低共熔溫度，可以使用含有過渡金屬元素和輕稀土元素的改性合金。含有過渡金屬元素和輕稀土元素并具有在450℃至700℃的上述溫度范圍內的熔點或共熔溫度的改性合金的實例包括含有輕稀土元素如nd或pr和過渡金屬元素如cu、mn、in、zn、al、ag、ga或fe的合金。不僅可以使用含有輕稀土元素和過渡金屬元素的合金，還可以使用含有重稀土元素如dy或tb和過渡金屬元素的合金。

另一方面，所述熱塑性樹脂的實例包括聚乙烯和聚丙烯。

例如，制備所述片材料的方法可具有一個實施方案，其中所述片材料通過制備稀土元素和過渡金屬元素的合金粉末分散在熱塑性樹脂中的塊體、拉制所述塊體以制備具有預定厚度的拉制體并從所述拉制體上切割出所述片材料而制備，所述片材料具有與所述改性合金所滲透的稀土磁體前體的表面積對應的面積。

在這種制備片材料的方法中，可以通過拉制所述塊體設定所述片材料的厚度，所述塊體是所述片材料的前體，以使所述片材料包括預定量的所述改性合金，切割所述片材料以具有與所述改性合金所滲透的稀土磁體前體的表面積對應的面積。

在此，充當根據本發明的制造方法的制造目標的稀土磁體可以是構成其結構的主相(晶體)的晶粒度為大約300納米或更小的納米晶磁體，可以是具有大于300納米的晶粒度的納米晶磁體，或可以是具有1微米或更大的晶粒度的燒結磁體。

下面更詳細描述制造稀土磁體的方法。制備具有包括主相和晶界相的結構的磁粉。例如，通過液淬制備淬火條帶(quenchedribbon)，其是細晶粒，然后例如粉碎所述淬火條帶，由此制備用于稀土磁體的磁粉。

將這種磁粉填充到例如模具中并在用沖壓制成塊體的同時燒結。因此獲得各向同性燒結坯。例如，這種燒結坯具有這樣的冶金相結構：其包括納米晶結構的re-fe-b主相(re：nd或pr的至少一種，更尤其是選自nd、pr、nd-pr的一種元素或兩種或更多種元素)和存在于主相周圍的re-x合金的晶界相(x：金屬元素)。

接著，可以對所述各向同性燒結坯進行熱的塑性形變以賦予其磁各向異性。熱的塑性形變的實例包括頂鍛和擠壓鍛造(正擠壓鍛造和反擠壓鍛造)。使用上述熱的塑性形變方法中的一種方法或兩種或更多種方法的組合向所述燒結坯中引入加工應變。接著，例如，以60％至80％的加工率進行塑性形變。因此制成具有高取向和優異磁化性能的稀土磁體前體。

將包括所述改性合金的片材料粘合到所述稀土磁體前體的表面上，并對其進行熱處理。由于這種熱處理，作為所述片材料的基質樹脂的熱塑性樹脂熔融，且所述樹脂中的改性合金熔融，并導致熔融的改性合金擴散滲透通過所述稀土磁體前體的晶界相。因此制成稀土磁體。

從上述配置可以看出，在根據本發明的制造稀土磁體的方法中，將改性合金分散在熱塑性樹脂中的片材料粘合到所述稀土磁體前體的表面上并對其進行熱處理以使所述改性合金熔融并擴散滲透到所述稀土磁體前體中。因此，可以使所需量的改性合金以高精確度擴散滲透到稀土磁體前體中，從而可制造具有所需矯頑力性能的稀土磁體。

附圖說明

下面參照附圖描述本發明的示例性實施方案的特征、優點以及技術和工業意義，其中類似數字是指類似元件，且其中：

圖1是顯示制備在根據本發明的制造稀土磁體的方法中使用的磁粉的方法的示意圖；

圖2是顯示根據本發明的制造稀土磁體的方法的第一步驟的示意圖；

圖3是顯示在圖2后的制造稀土磁體的方法的第一步驟的示意圖；

圖4a是顯示圖2中所示的燒結坯的微結構的圖；

圖4b是顯示圖3中所示的稀土磁體前體的微結構的圖；

圖5是顯示在圖3后的制造稀土磁體的方法的第二步驟的示意圖；

圖6a是顯示制備片材料的方法的一個實施方案的示意圖；

圖6b是顯示制備片材料的方法的該實施方案的示意圖；

圖6c是顯示制備片材料的方法的該實施方案的示意圖；

圖7是顯示制成的稀土磁體的微結構的圖；

圖8是顯示用于證實改性合金涂布重量偏差的實驗的結果的圖；且

圖9是顯示用于證實改性合金的最大涂布厚度的不平整度的實驗的結果的圖。

具體實施方式

下面參照附圖描述根據本發明的制造稀土磁體的方法的一個實施方案。

(制造稀土磁體的方法的實施方案)

首先，如圖1中所示，在將壓力降至例如50kpa或更低的ar氣氛爐(未顯示)中，使用單輥熔體紡絲法通過高頻感應加熱將合金錠熔融，將具有稀土磁體的組成的熔融金屬噴向銅輥r以制備淬火條帶b，并粉碎該淬火條帶b以制備磁粉。

如圖2中所示，將制成的磁粉mf填充到由硬質合金(cementedcarbide)模具d和在硬質合金模具d的中空部分中滑動的硬質合金沖p分隔出的模腔中。通過在用硬質合金沖p壓制(z方向)的同時使電流在壓制方向上流過來電加熱所述磁粉。由此制成燒結坯s。該燒結坯s具有這樣的冶金相組織：包括re-fe-b主相(re：nd或pr的至少一種，更尤其是選自nd、pr、nd-pr的一種元素或兩種或更多種元素)和存在于主相周圍的re-x合金的晶界相(x：金屬元素)。該主相具有大約50納米至300納米的晶粒度。

如圖4a中所示，燒結坯s具有各向同性晶體結構，其中晶界相bp填充在納米晶粒mp(主相)之間。為了賦予燒結坯s磁各向異性，如圖3中所示，使硬質合金沖p與燒結坯s在其縱向上的端面(在圖2的右圖中，水平方向是縱向)接觸，從而在用硬質合金沖p壓制(z方向)的同時對燒結坯s進行熱的塑性形變。因此制成如圖4b中所示包括具有各向異性納米晶粒mp的晶體結構的稀土磁體前體c。

通過熱的塑性形變的加工程度(壓縮率)可以為例如10％或更高。優選以大約60％至80％的壓縮率進行塑性形變。在壓縮率為大約10％或更高的情況下，這種加工可被稱作熱形變或簡稱為塑性形變。

在圖4b中所示的稀土磁體前體c的晶體結構中，納米晶粒mp具有扁平形狀，且基本平行于各向異性軸的邊界表面為弧形或彎曲的并且不由特定表面構成(下文稱作第一步驟)。

接著，如圖5中所示，將稀土磁體前體c置于高溫爐h中。將稀土元素和過渡金屬元素的合金粉末分散在熱塑性樹脂中的片材料sh粘合到稀土磁體前體c的表面上，并對其進行熱處理。

由于這種熱處理，作為片材料sh的基質樹脂的熱塑性樹脂被熔融，且該樹脂中的改性合金被熔融，并導致熔融的改性合金擴散滲透通過稀土磁體前體c的晶界相。由此制成稀土磁體(下文稱作第二步驟)。

在此，構成分散在片材料sh的熱塑性樹脂中的改性合金的稀土元素可以是輕稀土元素或重稀土元素。稀土元素優選是具有低熔點或低共熔溫度的輕稀土元素。

含有過渡金屬元素和輕稀土元素并具有在450℃至700℃的上述溫度范圍內的熔點或共熔溫度的改性合金的實例包括含有輕稀土元素如nd或pr和過渡金屬元素如cu、mn、in、zn、al、ag、ga或fe的合金。

更具體地，nd-cu合金(共熔點：520℃)、pr-cu合金(共熔點：480℃)、nd-pr-cu合金、nd-al合金(共熔點：640℃)、pr-al合金(共熔點：650℃)、nd-pr-al合金、nd-co合金(共熔點：566℃)、pr-co合金(共熔點：540℃)，以及nd-pr-co合金優選用作具有450℃至700℃的低共熔點的改性合金。其中，優選使用具有580℃或更低的低共熔點的合金之一，例如nd-cu合金(共熔點：520℃)、pr-cu合金(共熔點：480℃)、nd-co合金(共熔點：566℃)和pr-co合金(共熔點：540℃)。

此外，在該稀土元素是重稀土元素的情況下，改性合金的實例包括含有重稀土元素如dy或tb和過渡金屬元素如cu、mn、in、zn、al、ag、ga或fe的合金。

另一方面，作為片材料sh的基質樹脂的熱塑性樹脂的實例包括聚酰胺、聚酯、聚苯硫醚、聚烯烴、聚醚醚酮、聚乙烯、聚丙烯、甲基丙烯酸系樹脂和聚酰亞胺樹脂。

片材料sh含有預定量(設計量)的改性合金。通過對片材料sh進行熱處理，使預定量的改性合金熔融并使其擴散滲透到稀土磁體前體c中。因此，可容易地以高精確度控制改性合金的擴散滲透量。因此，可以制造具有所需矯頑力性能的稀土磁體。

此外，在片材料sh中，改性合金分散在熱塑性樹脂中。因此，在熱處理過程中熱塑性樹脂熔融以及熔融的改性合金擴散滲透到稀土磁體前體c中的情況中不存在干擾。另一方面，在常溫氣氛中，片材料sh的形狀可以被保持。此外，由于改性合金分散在熱塑性樹脂中，防止了改性合金氧化。

此外，參照圖6a至6c描述制備所述片材料的方法的一個實施方案。

首先，如圖6a中所示，制備塊體bl，其中稀土元素和過渡金屬元素的合金粉末分散在熱塑性樹脂中。

接著，如圖6b中所示，拉制塊體bl以制備具有預定厚度的拉制體ex。

通過如上所述拉制塊體bl以制備拉制體ex，可以減小改性合金中的取決于塊體bl位置的變化。

接著，如圖6c中所示，從拉制體ex上切割片材料sh，片材料sh具有與所述改性合金所滲透的稀土磁體前體c的表面積對應的面積。

例如，在稀土磁體前體c的重量為159.6克且要擴散滲透的改性合金(nd-cu)的設計量為10質量％(15.96克)的情況下，進行拉制體ex的制備和從拉制體ex上切割片材料sh(片材料sh的制備)以使片材料sh含有15.96克改性合金。

制成的稀土磁體rm具有圖7中所示的晶體結構并具有高矯頑力。因此，圖4b中所示的稀土磁體前體c的晶體結構改變，如圖7中所示，晶粒mp的邊界面清晰，晶粒mp互相磁隔離，制得具有改進的矯頑力的稀土磁體rm。在圖5中所示的通過改性合金進行結構改性的中間步驟中，沒有形成基本平行于各向異性軸的邊界面(不是由特定表面構成)。但是，在被改性合金改性充分進行的步驟中，形成基本平行于各向異性軸的邊界面(特定表面)，并且制得稀土磁體rm，其中在從垂直于各向異性軸的方向觀看時晶粒mp的形狀為矩形或基本矩形。

(用于證實改性合金涂布重量的偏差的實驗、用于證實改性合金的最大涂布厚度的不平整度的實驗和它們的結果)

發明人進行用于了證實改性合金涂布重量的偏差的實驗和用于證實改性合金的最大涂布厚度的不平整度的實驗。

(實施例)

將預定量的稀土磁體原材料互相混合，并在ar氣氛中熔融該混合物。將這種熔融合金經孔噴射向鍍cr的cu旋轉輥，然后快速冷卻以制備磁粉。將制成的條帶置于成形模具中并在空氣氣氛中模制以獲得壓坯。將這種壓坯置于具有不同容積的inconel模具中并通過在空氣氣氛中熱壓成型來成型，以制備燒結坯。將所得燒結坯置于鍛模中以對其進行熱的塑性形變。因此制成稀土磁體前體。

接著描述制備包括改性合金的片材料的方法。作為改性合金，使用具有70nd-30cu的組成的合金。在惰性氣體中將聚丙烯加熱到高于或等于170℃熔點的溫度以將其熔融。將70nd-30cu粉末添加到熔融聚丙烯中以使體積比為50:50并在保持溫度的同時攪拌該混合物。因此制成漿料。在澆鑄到具有5.0毫米厚度和100.0毫米寬度的模具中的同時冷卻該漿料。因此制成塊體。

將塊體加熱到在聚丙烯熔點至聚丙烯軟化點的范圍內的溫度并拉制以通過水平和垂直對其同等施加張力而達到所需厚度。因此制成拉制體。在這種拉制過程中，拉制塊體以制備拉制體從而使nd-cu合金擴散到稀土磁體前體中的擴散滲透量(即擴散滲透的nd-cu合金相對于稀土磁體前體的重量的量)為0.25％，并且使得拉制體中的nd-cu合金的厚度為0.025毫米，即該拉制體(片材料)的厚度為0.05毫米。

將這種拉制體切割成具有30mm×70mm的面積的片材料，這是稀土磁體前體的面積。將制成的片材料粘合到稀土磁體前體的表面上，并對其進行熱處理以使改性合金熔融并使其擴散滲透到稀土磁體前體中。因此制成具有尺寸30mm×70mm×10mm(厚度)和重量159.6克的稀土磁體。

(對比例)

在惰性氣體中將70nd-30cu的粉末添加到丙烯酸樹脂中以使體積比為50:50，并攪拌該混合物。因此制成漿料。將使用與實施例中相同的方法制成的稀土磁體前體浸漬在制成的漿料中以使該漿料附著在稀土磁體前體的表面上，并對其進行熱處理。因此制成具有尺寸30mm×70mm×10mm(厚度)和重量159.6克的稀土磁體。

(實驗結果1)

圖8顯示各實施例和對比例中改性合金涂布重量的偏差3σ的結果。

基于“試樣數n＝30”的結果，通過測量涂布之前和之后的重量計算涂布量的偏差。

由圖8證實，在實施例中，涂布量的偏差降至對比例中的一半或更低。

在對比例中，通過將稀土磁體前體浸漬在漿料中，然后拉出該稀土磁體前體，進行涂布。因此，漿料的涂布量例如取決于拉出稀土磁體前體的速度或稀土磁體前體的表面狀態(例如表面清潔度)。因此，非常難以控制涂布量，認為涂布量的偏差提高。

另一方面，在實施例中，只需控制拉制體的切割尺寸。因此，認為涂布量的變異降低。

(實驗結果2)

圖9顯示各實施例和對比例中改性合金的最大涂布厚度的不平整度的結果。

最大涂布厚度的不平整度定義為在涂布后測得的漿料厚度的最大值和最小值之間的差異。

由圖9證實，在實施例中，與對比例相比，可以顯著降低最大涂布厚度的不平整度。

最大因素是使用其中分散有改性合金的片材料。在使用片材料的情況下，可以使厚度均勻。另一方面，在如對比例中使用浸漬法的情況下，例如，大量漿料附著在稀土磁體前體的端部，因此附著在稀土磁體前體的中心的漿料量減少。由此無法控制涂布厚度的不均勻性，并且認為由于上述原因而發生涂布厚度的不均勻性。

此外，在實施方案中，由于改性合金分散在熱塑性樹脂中，可以防止改性合金氧化。此外，由于可以預先制備片材料，隨時使改性合金擴散滲透到稀土磁體前體中，不必制備漿料。此外，由于使用將片材料粘合到稀土磁體前體上的方法，可以使預定量的改性合金擴散滲透到具有任意形狀的任義稀土磁體前體中或擴散到稀土磁體前體的預定位置中。

上文已參照附圖描述了本發明的實施方案。但是，具體配置不限于這些實施方案，在不背離本發明范圍的范圍內作出的設計變化等包括在本發明內。