[发明专利]减少镝或铽用量的制造ND‑FE‑B烧结磁体的方法

说明书

本申请要求获得申请日为2011年9月30日的美国临时专利申请61/5412900和申请日为2012年3月30日的美国临时专利申请61/617956的权益。

背景技术

本发明一般涉及电动机和它们的制造，更具体地涉及用于形成永磁体的方法，其使用稀土(RE)添加剂来改进电动机的功率密度。

永磁体被用于各种设备，包括用于混合动力车辆和电动车辆的牵引电动机，以及风力涡轮机、空调机组及其他设备，其中小体积和大功率密度的结合是有益的。烧结的钕铁硼(Nb-Fe-B)永磁体在低温下具有很好的磁性。然而，由于这种磁体中Nd₂Fe₁₄B相的低居里温度，剩磁(magnetic remanence)和本征矫顽性随着温度的上升而迅速地减小。存在两种普遍的改进高温下的热稳定性和磁性的方法。一种是通过添加钴(Co)来提升居里温度，钴可完全溶在Nd₂Fe₁₄B相中。然而，具有Co的Nd-Fe-B磁体的矫顽磁性可能由于逆磁畴的成核位点而下降。第二方法是添加重RE元素，例如镝(Dy)或铽(Tb)。已知的是，在Nd-Fe-B磁体中用于Nd或Fe的置换导致各向异性场和本征矫顽性的增加以及饱和磁化强度的减小。例如参见“C.S.Herget，Metal，Poed.Rep.V.42，P.438(1987)；W.Rodewald，J.LessCommon Met.，VIII，P77(1985)；D.Plusa，J.J，Wystocki，Less-Common Met.V.133，P.231(1987)”。惯例是在熔化和成合金之前添加重RE金属例如为Dy或Tb到混合金属中。

然而，Dy和Tb是非常稀有和昂贵的原料。重RE仅包含大约2-7％的Dy，并且世界上的RE矿中仅有一小部分包含重RE。近来，Dy的价格已经急剧的上升。如果需要的磁性高于Dy可提供的磁性，Tb是必需的，其比Dy更加昂贵。此外，这些金属会很难以它们相对纯净的形式进行工作，例如纯Dy过于柔软而难以形成粉末，并且同时容易被氧化。虽然Dy的氢化物可用于使原料(因此使形成粉末成为可能)脆化，但是这样的原料会不利地影响扩散特性和该原料在较低温度时的工作性能，这进而会不利于随后的烧结或相关原料的固结尝试。例如，氢化Dy的快速扩散意味着与烧结关联的常规高温(例如，大约1000℃或更高)不能被用于原料固结，因为在这个温度上，Dy的扩散程度-和伴随的对更多原料的需要以提供足够的覆盖度-将会变得很大。

用于混合动力轿车和卡车中的牵引电动机的典型磁体包含大约6到10wt％之间的Dy以符合磁性的需要，同时其他的应用(例如上述的风力涡轮机和空调，以及其他的车辆结构(例如摩托车，其工作温度环境可不像它们的轿车和卡车对应项那样高)会具有较低的Dy需求。假定永磁体件的重量为大约1-1.5kg/每个电动机，并且该机加工件的成品率典型地为大约55-65％，那么每个电动机将需要2-3公斤的永磁体。此外，因为其他的工业与永磁体之间在有限的Dy资源方面存在竞争(从而使与这种原料关联的已经过高的成本更加增剧)，降低Dy在永磁体中的用量会具有非常显著的成本影响，对于Tb来说同样如此。

可以利用粉末冶金工艺生产Nd-Fe-B永磁体，其包括制备具有期望化学组成的粉末。典型的粉末冶金工艺包括称重、在磁场下压制、烧结、老化(例如，在真空中，在大约500℃到1100℃持续大约5到30小时)及机械加工，以生产磁体片。还可使用附加的表面处理，其包括磷酸盐处理(phosphating)、化学镀镍(electroless nicklel plating)、环氧树脂涂层等。

对于烧结的Nd-Fe-B磁体，理想的微观结构为Fe₁₄Nd₂B晶粒，其完全地由非铁磁性的富Nd相和Fe-Nd相隔离，富Nd相由主要的Nd加上一些Fe₄Nd_1.1B₄的共晶基体构成，Fe-Nd相由杂质稳定。Dy或Tb的加入导致基于Fe、Nd和Dy或Tb的相当不同的三重晶粒间相形成，这些相位于晶粒边界区域中和Fe₁₄Nd₂B晶粒的表面处。