[发明专利]不含稀土的能够转变的氮化物磁体及其制造方法

说明书

本申请要求于2011年12月15日递交的美国临时申请61/570955的权益，为了所有目的，通过引用将其全部并入在此，如同在本文中完全阐述一样。

技术领域

本发明总体上涉及一种适用于永磁体应用诸如风力涡轮发电机、电动汽车马达等的铁氮化物磁粉末的组合物以及生产该粉末的方法。

背景技术

稀土磁体是由稀土元素的合金制成的强永磁体。稀土磁体具有优于铁氧体磁体或铝镍钴磁体的显著性能。有两种类型的稀土磁体：钕磁体和钐钴磁体。到2020年，稀土永磁体的世界市场总量预计为$172亿，中国有望控制这个市场的74％(以吨计)。这个市场的稀土磁体份额有望继续增长并且预计将约占这一总量的30％。因此，强永磁体的市场和需求是巨大的，而其供应是有限的。

Fe₁₆N₂已被认为是稀土金属磁体的潜在替代品。图1a示出α”-Fe16N2及其它类永磁体材料的性能(由剩磁表示，Br)随密度的变化。具有高性能和低密度的材料是所期望的，因为这些是实现可扩展性(scalability)和成本的系统级目标的关键因素。α”-Fe16N2优于其它永磁体材料的所预计的成本优势示于图1b中。

本领域当前状态的限制是，仅通过在氮过饱和的环境中溅射或蒸发来实现100％转变成表现出突出的磁特性的单相α”-Fe₁₆N₂。然而，当使用传统扩散技术来处理大量粉末或薄膜时，平衡热力学将可利用的氮限制为<10.3at％N。因而，在已报道的文献中，即使使用纳米尺度的起始粉末，也从未实现这些粉末的完全转变。

发明内容

根据本发明的一些方面，提供一种用于生产适合用作永磁材料的有序马氏体铁氮化物粉末的方法。该方法包括：制造具有所期望的组合物和均匀度的铁合金粉末，通过在流化床反应器中使所述铁合金粉末与氮源接触来对所述铁合金粉末进行氮化处理以生产铁氮化物粉末，将所述铁氮化物粉末转变成无序马氏体相，将所述无序马氏体相退火成有序马氏体相，以及从所述铁氮化物粉末中分离出所述有序马氏体相以产生有序马氏体铁氮化物粉末。

在本发明的另一个方面中，提供一种含有由奥氏体相转变而成有序马氏体铁氮化物的永磁体组合物，其中，所述永磁体组合物不包括任何显著量的稀土元素。

在本发明的又一个方面中，提供一种含有有序马氏体铁氮化物粉末的磁体。

附图说明

图1a是挑选的硬永磁材料的剩磁感应对密度的图，所述挑选的硬永磁材料包括根据本发明各方面的α”Fe16N2。

图1b是根据本发明各方面的硬永磁材料的剩磁感应对估计的材料成本的图。

因而，为了可以更好地理解本文中本发明的详细描述，并且为了可以更好地理解本发明对现有技术的贡献，已经相当广泛地概述了本发明的某些实施方式。当然，还有将在下面进行描述的本发明另外的实施方式，并且这些将形成所附权利要求书的主题。

在这方面，在详细解释本发明的至少一个实施方式之前，应当理解，本发明没有将其应用限制于在下面描述中阐述的或在附图中示出的构造的细节和组件的设置。除了所描述的那些方面，本发明能够以多种方式实践和实施。另外，将理解的是，本文中采用的措辞和术语以及摘要是用于描述的目的而不应视为限制。

同样地，本领域技术人员将理解，本发明所基于的概念可以容易地被用作设计用于实施本发明若干目的的其它结构、方法和系统的基础。因此，重要的是，权利要求书应视为包括这些等同构造，只要它们不背离本发明的精神和范围。

具体实施方式

本发明涉及一种取消了永磁体材料中稀土元素的方法和组合物。具体地，大量粉末被转变成α”-Fe16N₂，一种有序马氏体。这通过一种新颖的方法而实现，该方法使能够：与在元素Fe中可能溶解的氮相比，在奥氏体铁基合金中溶解更多的氮，通过高能球磨机将富氮的奥氏体转变成马氏体(α’)，以及最终通过回火将马氏体转变成有序α”-Fe16N2。在奥氏体铁基合金中，溶解可以具有16:2的金属:氮的比例。

微合金化被用来扩大Fe-N相图中的单相奥氏体(γ-Fe)区域。这使得氮浓度必然能够产生具有最佳化学计量组合物的中间体马氏体。随后的低温老化热处理将完成向α”-Fe16N2的转变。