[发明专利]基于Fe‑Ni的不含稀土的永磁材料

说明书

关于联邦政府资助的研究和开发的声明

本发明是在来源于US能源部的ARPA-E批准号0472-1537以及国家科学基金会的批准号CMMI-1129433的资助下研发的。美国政府对本发明具有一定的权力。

背景

磁性材料对现代生活而言是必不可少的，且存在于每种高级装置和电动机中。它们促进了电至机械能的转化，传输且分配电力，且为数据储存系统提供了基础。特别是在没有磁场的情况下保持大量的磁通量的高级永磁体，通过将机械能转换为电能或反之，成为发电机、交流发电机、涡流制动器、电动机、继电器和致动器运行的基础。永磁体的强度通过最大磁能积(BH)_max量化，(BH)_max为由磁感应强度B和作用场H在(B-H)磁滞(退磁)回线的第二象限的最佳乘积计算的品质因数。基于稀土(RE)基的金属间化合物RE₂Fe₁₄B的世界上最强的“超级磁体”，可展现出与56MGOe类似的磁能积，其剩磁为约14kG且本征矫顽力为约10kOe。这些超级磁体的优越的性能源自由过渡金属亚晶格提供的高磁化强度和由RE 4f电子的自旋轨道耦合贡献的极强的磁晶各向异性场HK。但是，考虑到RE材料的缺乏和开支，需要开发用于高性能永磁体的新材料。

由于较低对称的晶体结构，具有L1₀结构的四方晶体对称化合物如FePt和FePd具有高磁化强度和显著的磁晶各向异性，这对高级永磁体的应用是必须的。但是Pt和Pd昂贵的价格将其排除在作为用于电动机和发电机的批量永磁体的组分的使用。另一方面，等电子组合物FeNi包含更便宜且易获得的组分。重要的是，以L1₀的结构形成FeNi最近已在一定条件在实验室和在选择的陨石中观察到，且已证明展现出高磁化强度(1.6T—等同于Nd₂Fe₁₄B)和高各向异性。因此，开发制备具有L1₀结构的FeNi材料的方法是非常有利的。

发明内容

本发明提供基于具有L1₀相结构的FeNi合金的高矫顽力磁性材料(化学有序的化合物)，以及制备该材料的方法。所述方法包括在避免合金材料氧化的环境中在低于FeNi合金的L1₀相所期望的化学有序化温度下提供剧烈塑性形变和退火。

本发明的一个方面是制备磁性FeNi有序化合物的方法。所述方法包括步骤：(a)制备包含Fe、Ni和任选存在的选自由Ti、V、Al、B和C组成的组中的一种或多种元素的熔体，其中在熔体中元素的比例依据式Fe_(0.5-a)Ni_(0.5-b)X_(a+b)，其中X是Ti、V、Al、B或C，且其中0≤(a+b)<0.1；(b)冷却熔体以产生FeNi合金材料的固体形式；(c)使固体形式经受在低于期望L1₀相的化学有序化温度下进行的剧烈塑性形变过程以产生形变的FeNi合金材料；以及(d)将形变的FeNi合金材料在减少氧的环境下在低于期望L1₀相的化学有序化温度下退火数小时至数月的时间段，从而形成L1₀结构以产生磁性FeNi有序化合物。

本发明的另一方面是通过上述方法制备的磁性FeNi有序化合物。在某些实施方案中，有序化合物材料包含至少50重量％的以L1₀结构的形式，或至少90重量％的以L1₀结构的形式。

本发明的另一方面是具有式Fe_(0.5-a)Ni_(0.5-b)X_(a+b)的磁性FeNi有序化合物，其中X是Ti、V、Al、B或C，其中0<(a+b)<0.1，且其中有序化合物包含L1₀结构。在某些实施方案中，有序化合物材料包含至少50重量％的以L1₀结构的形式，或至少90重量％的以L1₀结构的形式。

本发明的又一方面是包含上述FeNi有序化合物的永磁体。

本发明进一步概括为以下项目：

1.制备磁性FeNi有序化合物的方法，所述方法包括步骤：