CN102667978A - 稀土磁铁材料及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了制造稀土磁铁材料的方法，所述稀土磁铁材料使得Dy等可有效地扩散到其内部。该方法包括制备磁铁粉末和氟化钕粉末的粉末混合物的制备步骤，所述磁铁粉末包含含有钕的一种以上稀土元素、硼且其余为铁；加热所述粉末混合物的成形体并使得磁铁粉末粒子周围的氧与氟化物粉末发生反应从而获得其中氟氧化钕完全分布的块状稀土磁铁材料的加热步骤。氟化物粉末捕捉包在粉末混合物中的氧并且将所述氧固定为稳定的NdOF。当Dy扩散到该稀土磁铁材料中时，Dy平稳地进入到其内部而没有在晶界处被氧化。因此，可以有效地增加全体稀土磁铁材料的矫顽力而不浪费稀有的Dy。

Description

稀土磁铁材料及其制造方法
技术领域
本发明涉及稀土磁铁材料及其制造方法，从所述稀土磁铁材料可以获得具有良好磁性能和耐腐蚀性的各种稀土永久磁铁。
背景技术
由Nd-Fe-B磁铁代表的稀土磁铁(特别是永久磁铁)显示非常高的磁性能。因为使用稀土磁铁可以实现电磁装置和电动机的小型化、输出功率增强、密度增加、环境负担减少等，所以正在广泛领域中研究稀土磁铁的应用。然而，为了实现实际应用，需要的是，稀土磁铁的良好磁性能即使在严苛环境下也长时间稳定显示。因此，积极进行研究与开发以增强稀土磁铁的耐腐蚀性(耐退磁性)、矫顽力等并同时保持或增加高残留磁通密度。例如，在下列文献中公开了涉及这些研究的描述。
引用列表
专利文献
[专利文献1]日本特开平6-244011号公报
[专利文献2]国际公开公报WO2006/043348
非专利文献
[非专利文献1]日本应用磁气学会第147次研究会资料；中村元；第13-18页(2006)
发明内容
技术问题
以上专利文献1指出，可以通过对烧结的Nd-Fe-B稀土磁铁施加氟化处理和400℃至500℃的热处理以在其表面层上形成包含NdF3和/或NdOF的约5至10μm的化合物层而改善烧结稀土磁铁的耐腐蚀性。然而，耐腐蚀性的改善限于其中形成有NdF3和/或NdOF的烧结稀土磁铁的表面部。
专利文献2和非专利文献1提出了一种方法，所述方法用于施加热处理并同时保持烧结稀土磁铁的表面上存在的氟化镝(DyF3)以进行镝(Dy)的晶界扩散，这对于提高烧结稀土磁铁的矫顽力是有效的。然而，本发明人的研究和调查显示，因为Dy从烧结稀土磁铁的外表面附近扩散，所以矫顽力在从表面到内部的方向上降低且破坏了最外表面的结构，并且因为过量的Dy是固溶的，所以矫顽力的提高小，因此这些方法并不有效。
鉴于这些情况而作出了本发明。即，本发明的目的是提供稀土磁铁材料及其制造方法，与常规稀土磁铁相比，所述稀土磁铁材料的矫顽力至少通过Dy等的扩散可以更有效地提高。
解决问题的手段
本发明人认真地进行了研究并进行了反复试验以解决所述问题。结果，本发明人发现，当可以提高稀土磁铁矫顽力的扩散元素扩散到其内部中时，在稀土磁铁内以氧化物等形式存在的氧(O)与扩散元素发生反应并且妨碍扩散元素扩散到内部中。同时，本发明人还发现，通过将稀土磁铁内存在的O与钕(Nd)和氟(F)结合而形成的氟氧化钕比其它稀土元素(下文称为“R”)的氧化物稳定得多。而且，本发明人新近发现，当在内部中形成氟氧化钕时，扩散元素充分扩散到稀土磁铁的内部中。本发明人已经关于这些发现进行了进一步研究并且完成了下列本发明。
<制造稀土磁铁材料的方法>
(1)即，本发明的制造稀土磁铁材料的方法包括：制备下列成分的粉末混合物的制备步骤：磁铁粉末，所述磁铁粉末是磁铁合金的粉末，所述磁铁合金包含作为一种以上稀土元素的第一稀土元素(下文称为“R1”)、硼(B)且其余为铁(Fe)和不可避免的杂质，并且具有或不具有改性元素；和作为氟化物的粉末的氟化物粉末，所述磁铁粉末和氟化物粉末中的至少一种含有钕(Nd)；和加热所述粉末混合物的成形体从而获得块状稀土磁铁材料的加热步骤，其中作为在所述磁铁粉末的粒子附近的氧或氧化物与所述氟化物的反应产物的氟氧化钕分布在不仅包括表面部而且包括内部的全体部分中。
(2)根据本发明的制造方法，可以获得稀土磁铁材料，所述稀土磁铁材料的矫顽力可以通过将稀有的并且在提高矫顽力方面有效的扩散元素如镝(Dy)和铽(Tb)扩散到其内部中而不浪费扩散元素来有效提高。而且，可以通过使用该稀土磁铁材料而有效地获得具有非常高矫顽力的各种稀土磁铁。
获得这种良好稀土磁铁材料的原因和机理不是完全清楚，但是目前认为如下。
根据本发明的制造稀土磁铁材料的方法，在加热氟化物粉末和磁铁粉末的粉末混合物的加热步骤中，氟化物粉末与磁铁粉末粒子附近存在的氧化物等发生反应而产生氟氧化钕。该氟氧化钕比其它已经存在的或新形成的氧化物稳定得多。因此，容易将磁铁粉末粒子表面附近中已经存在的氧化物还原并且改变成氟氧化钕，并且新形成的氧化物容易变成氟氧化钕。因此，作为吸氧剂的氟化物粉末捕捉制备步骤、成形步骤或加热步骤中混入的O并且使得难以在磁铁粉末粒子的晶界附近中产生氟氧化钕以外的氧化物。换言之，以氟氧化钕形式固定磁铁粉末粒子的晶界附近中的O。此外，因为氟化物粉末近似均匀地分散在粉末混合物中，所以根据本发明可以获得其中以上作用在包括内部的全体部分中进行的稀土磁铁材料。
如果可以提高矫顽力的扩散元素在其中氟氧化钕由此分布在不仅包括表面部而且包括内部的全部部分中的块状稀土磁铁材料中扩散，则由于稳定的氟氧化钕的存在，扩散元素易于沿着磁铁合金粒子的晶界平稳地进入到内部而不被扩散途中存在的O氧化。结果，不仅位于稀土磁铁材料的表面附近而且位于稀土磁铁材料内部中的磁铁合金粒子易于被扩散元素包住，并且可以进一步整体提高稀土磁铁材料的矫顽力。另外，因为显著抑制了扩散元素被磁铁合金粒子的晶界等中存在的O浪费地捕捉，所以可以显著提高扩散效率，所述扩散效率是矫顽力的增加对扩散元素的扩散量的比率。
(3)而且，如上所述，氟氧化钕非常稳定，并且保持可靠地捕捉O的状态。因此，磁铁合金粒子的新反应如氧化和羟基化至少难以在氟氧化钕的存在周围进行、并且可以提高稀土磁铁材料的耐腐蚀性。此外，在根据本发明的稀土磁铁材料中，因为氟氧化钕分布在全部稀土磁铁材料中，所以由全部稀土磁铁材料显示耐腐蚀性并且可以获得耐退磁性优于常规稀土磁铁的稀土磁铁。
(4)而且，也已经阐明了，当本发明是烧结包含含Nd作为R1主要成分的磁铁粉末(NdFeB粉末)和氟化钕粉末的粉末混合物的成形体时，与使用其它粉末混合物情况相比，可以获得具有更高密度的稀土磁铁材料。原因、机理不是完全清楚，但是目前认为如下。
即，NdFeB粉末的烧结随着位于晶界相中的富Nd相的熔化而进行。在这种情况下，通常，在烧结的同时，在磁铁合金粒子(或晶粒)表面上的吸附的氧或氧化物被晶界相中存在的Nd还原。因此，虽然Nd的最初功能是促进烧结，但是因氧化物的产生而使Nd被消耗，并且将该量从要用于促进烧结的Nd中减去，因此可降低NdFeB粉末的烧结能力。
在本文中，当氟化钕粉末存在于NdFeB粉末中时，则如上所述以氟氧化钕形式捕捉NdFeB粉末中的O原子，并且由氟化钕粉末供应产生氟氧化钕所必要的Nd。因此，抑制了有效促进烧结的Nd因氧化物的产生而被浪费地消耗。据认为，当对其中将氟化钕粉末混合在NdFeB粉末中的粉末混合物的成形体进行烧结时，与对不含氟化钕粉末的成形体或其中混合Nd以外的稀土元素的氟化物粉末的成形体进行烧结的情况相比时，晶界相中的Nd易于更有效地作用于促进烧结且烧结能力提高，结果，获得了具有高密度的烧结稀土磁铁。
<稀土磁铁材料>
本发明不仅可以被理解为上述制造方法而且可以被理解为通过所述制造方法获得的稀土磁铁材料。
(1)更具体而言，本发明还可以被理解为一种稀土磁铁材料，其包含块状磁铁体，其中如下磁铁合金粒子相互结合或紧密接触，所述磁铁合金粒子包含作为一种以上稀土元素的R1、B且其余为Fe和不可避免的杂质，并且具有或不具有改性元素；和分散粒子，其包含作为Nd、O和F的化合物的氟氧化钕，并且分散在所述磁铁体的不仅包括表面部而且包括内部的全体部分中。
(2)当不同于作为稀土磁铁材料的主要成分的R1的扩散元素如Dy和Tb扩散到稀土磁铁材料中时，可以在磁铁合金粒子的外周的至少一部分中形成其中浓缩扩散元素的扩散元素富集部。因为扩散元素富集部也形成在稀土磁铁材料的内部，所以可以整体提高稀土磁铁材料的矫顽力。
本文中提到的“扩散元素富集部”可以是在构成磁铁粉末的磁铁合金粒子的外周中形成的那些或在构成磁铁合金粒子的晶粒的外周处形成的那些。据认为，由晶界扩散等而造成的矫顽力提高是由晶粒界面中形成的反向磁畴的修复引起的。然而，因为构成磁铁粉末的粒子的“界面”也是构成所述粒子的晶粒的“界面”，所以难以将这两种界面相互区分。因此，除非另有说明，否则本文中使用的“晶界”或“界面”包括构成磁铁粉末的粒子的“晶界”或“界面”和构成磁铁合金粒子的晶粒的“晶界”或“界面”。
(3)而且，当上述磁铁合金粒子是含有Nd作为R1主要成分的NdFeB粒子时，可以获得具有比常规稀土磁铁更高密度的烧结稀土磁铁。
<其它>
在本文中使用的稀土元素(R)包括钪(Sc)、钇(Y)和镧系元素。镧系元素包括镧(La)、铈(Ce)、镨(Pr)、钕(Nd)、钐(Sm)、铕(Eu)、钆(Gd)、铽(Tb)、镝(Dy)、钬(Ho)、铒(Er)、铥(Tm)、镱(Yb)、镥(Lu)等。特别地，优选Pr、Nd、Sm、Gd、Tb、Dy等作为R。
本文中使用的第一稀土元素(R1)、第二稀土元素(R2)或第三稀土元素(R3)是任意选自上述R的稀土元素并且可以是一种稀土元素或者包括两种或多种稀土元素的稀土元素群。例如，R1的主要成分优选是Nd，但是R1可以含有Dy、Tb等，其与Nd一起有效地提高矫顽力。
R1、R2和R3各自可以是相同或不同的稀土元素。然而，通常是如下情况，作为扩散元素的R3不同于作为磁铁粉末(磁铁合金粒子)的主要成分的R1。
(2)本文中使用的改性元素是提高稀土磁铁材料的耐热性的钴(Co)和镧(La)以及有效改善磁性能如矫顽力的镓(Ga)、铌(Nb)、铝(Al)、硅(Si)、钛(Ti)、钒(V)、铬(Cr)、锰(Mn)、镍(Ni)、铜(Cu)、锗(Ge)、锆(Zr)、钼(Mo)、铟(In)、锡(Sn)、铪(Hf)、钽(Ta)、钨(W)和铅(Pb)的至少一种元素。这些改性元素可以任意组合。改性元素的含量一般非常少并且例如，优选的是，所述含量是约0.01至10质量％。
不可避免的杂质是初始包含在磁铁粉末和氟化物粉末中或在各步骤中混入并且出于成本或技术的原因而难以将其除去的杂质。这种不可避免的杂质的实例包括氧(O)、氮(N)、碳(C)、氢(H)、钙(Ca)、钠(Na)、钾(K)和氩(Ar)。应注意，除了氟化物粉末之外，关于改性元素和不可避免的杂质的以上描述也适当地适用于作为扩散元素的供应源的原料。
(3)本发明中使用的“稀土磁铁材料”包括稀土磁铁原料和稀土磁铁构件并且在其形态方面不受限制。具体地，稀土磁铁材料可以是在成形或加工以前的松散材料，或者具有最终产品形状或接近于其的形状的稀土磁铁。此外，稀土磁铁材料不限于烧结的磁铁材料。而且，稀土磁铁材料不必具有块的形状并且例如可以具有薄膜形状。
(4)除非另有说明，否则本文中使用的范围“x至y”包括下限值x和上限值y。而且，范围如“a至b”可以通过任意组合本文中叙述的各种下限值和上限值而形成。此外，本文中叙述的范围中包含的任何给定数值都可以用作用于限定数值范围的上限值或下限值。
附图说明
图1A是显示Dy如何在不含氟化物粉末的常规NdFeB磁铁中扩散的示意图。
图1B是显示Dy如何在含有氟化物粉末的本发明NdFeB磁铁中扩散的示意图。
图2是显示扩散到稀土磁铁中的Dy的浓度和其矫顽力之间的关系的图。
图3A是显示扩散的Dy或Tb的量对于不同种类的烧结稀土磁铁的影响，并且具体显示扩散的Dy或Tb的量和矫顽力之间的关系的分散图。
图3B是显示扩散的Dy或Tb的量对于不同种类的烧结稀土磁铁的影响，并且具体显示扩散的Dy或Tb的量和扩散效率之间的关系的分散图。
图4是以与表面的距离的升序显示在混合NdF3粉末的情况下制造的烧结稀土磁铁的各元素的EPMA图像的照片。
图5是以与表面的距离的升序显示在混合DyF3粉末的情况下制造的烧结稀土磁铁的各元素的EPMA图像的照片。
图6是以与表面的距离的升序显示在混合TbF3粉末的情况下制造的烧结稀土磁铁的各元素的EPMA图像的照片。
图7是显示在不混合氟化物粉末的情况下制造的烧结稀土磁铁的各元素的EPMA图像的照片。
图8是显示在不混合氟化物粉末的情况下制造的烧结稀土磁铁的Dy的EPMA图像的放大照片。
具体实施方式
将通过本发明的实施方式更详细地描述本发明。应注意，在包括下列实施方式的本说明书中说明的内容不仅适当地适用于根据本发明的制造方法而且适用于根据本发明的稀土磁铁材料。可以将任意选自下述构成的一个或多个构成特征添加到本发明的上述构成中。当被理解为通过方法得到的产物时，制造方法的构成可以成为稀土磁铁材料的构成。哪一个实施方式最好随着目标应用、所需性能等变化。
<制造稀土磁铁材料的方法>
(1)制备步骤
制备步骤是通过将作为磁铁合金的粉末的磁铁粉末和作为氟化物的粉末的氟化物粉末混合而制备粉末混合物的步骤，这些粉末的至少一种含有Nd。这两种粉末的混合优选通过如下进行：通过使用球磨机、V-型混合器、亨舍尔(Henschel)混合器、自动研钵、斯巴达(Spartan)造粒机(高速混合装置)等，在氧化防止气氛中将它们混合，直至全部混合物变得均匀。均匀混合使得易于获得其中扩散元素均匀分散的稀土磁铁材料。而且，在制造磁铁合金粉末以前混合氟化物粉末并且同时粉碎两种粉末以制备粉末混合物也是有效的。
(2)磁铁粉末
磁铁粉末是磁铁合金的粉末，所述磁铁合金包含作为一种以上的稀土元素的R1、B且其余为Fe和不可避免的杂质，以及如果必要的一种以上的改性元素。磁铁合金代表性地为可以构成作为主相的R12Fe14B的R1-Fe-B合金。然而，优选的是，磁铁合金具有如下组成，所述组成使得可形成有效改善稀土磁铁材料的矫顽力和烧结能力的富R1相，而不是基于R12Fe14B的理论组成。因此，优选的是，相对于100原子％的总磁铁合金，R1-Fe-B磁铁合金包含10至30原子％的R1，1至20原子％的B且其余为Fe。任何元素的过度少量或大量都影响作为主相的R12Fe14B1相(2-14-1相)的体积比，这导致磁性能的劣化和烧结能力的降低。可以在以上范围内任意选择和设定R1或B的下限值或上限值。然而，特别是在获得烧结稀土磁铁的情况下，当R1是12至16原子％并且B是5至12原子％时，容易获得具有良好磁性能的高度致密的稀土磁铁。而且，虽然Fe基本上是其余物的主要成分，但是如果必须陈述它，则优选的是，Fe是72至83原子％。然而，作为R1和B以外的其余物的Fe含量可以随有效改善稀土磁铁的各种性质的元素(改性元素)和不可避免的杂质的比例而变化。应注意，可以使用碳(C)代替B，并且在这种情况下，优选将B和C的总量调节到5至12原子％。
特别是在获得含有Nd作为R1主要成分的烧结稀土磁铁中，优选的是，磁铁粉末或稀土磁铁材料由相对于100质量％的总磁铁粉末或稀土磁铁材料，含有27至35质量％Nd和0.8至1.5质量％B的NdFeB粒子构成。
磁铁粉末不限于其制造方法和形态。磁铁粉末可以是通过对期望组成的铸造磁铁合金施加机械粉碎或氢粉碎而获得的物质。而且，磁铁粉末可以是通过用薄片铸造等将磁铁合金快速凝固而获得的具有薄板状的铸片；通过氢处理如HDDR(氢化-分解-脱氢-再结合方法)制造的产物；超急冷却的带状粒子；或通过溅射等形成的膜。而且，磁铁粉末的每个粒子(磁铁合金的每个粒子)不必由明确的晶粒构成，即，可以是无定形的。
虽然也不限制磁铁粉末的粒径，但是优选地，平均粒径(在累积质量为50％时的粒径或中值直径)是约1至20μm或约3至10μm。过小或过大的平均粒径是不优选的，因为过小的平均粒径增加成本，而过大的平均粒径时尽管扩散元素向内部中的扩散性良好但会导致稀土磁铁材料的密度和磁性能的降低。
磁铁粉末不必以上述组成或形态包含一种粉末，可以是在合金组成或形态如粒子形状和粒径方面不同的多种粉末的混合物。
(3)氟化物粉末
与磁铁粉末的粒子附近存在的O发生反应以生成氟氧化钕的任何氟化物都可以用作氟化物粉末。因此，不限制氟化物的种类并且可以使用包含各种氟化物的粉末。尽管氟氧化钕由其中x、y是实数的NdOxFy表示，但是在NdOxFy中优选特别稳定的NdOF。氟氧化钕中的Nd不一定包含在氟化物中。即，Nd包含在氟化物粉末和磁铁粉末的至少一种中就行。当然，Nd可以包含在磁铁粉末和氟化物粉末两者中。
构成根据本发明的氟化物粉末的氟化物包括，例如，LiF、MgF2、CaF2、ScF3、VF2、VF3、CrF2、CrF3、MnF2、MnF3、FeF2、FeF3、CoF2、CoF3、NiF2、ZnF2、AlF3、GaF3、SrF2、YF3、ZrF3、NbF5、AgF、InF3、SnF2、SnF4、BaF2、LaF2、LaF3、CeF2、CeF3、PrF2、PrF3、NdF2、NdF3、SmF2、SmF3、EuF2、EuF3、GdF3、TbF3、TbF4、DyF2、DyF3、HoF2、HoF3、ErF2、ErF3、TmF2、TmF3、YbF3、YbF2、LuF2、LuF3、PbF2、BiF3、LaF2、LaF3、CeF2、CeF3、GdF3等的至少一种。氟化物可以是通过将这些氟化物的至少一种与氧结合而形成的氟氧化物。氟化物粉末可以是单种氟化物的粉末或两种以上氟化物的粉末混合物。
然而，通常，与氟化物中的F结合的金属元素将残留在稀土磁铁材料中。这种金属元素优选是对作为最终产品获得的稀土磁铁的磁性能的有害影响尽可能少的元素，或者更优选是可以改善磁性能的元素。因此，本发明的氟化物粉末优选是包含F和第二稀土元素(R2)的化合物的稀土氟化物粉末，所述第二稀土元素(R2)是一种以上稀土元素如La、Ce、Pr、Nd、Dy和Tb。特别优选的是，R2是Dy或Tb，因为可以同时改善稀土磁铁材料的矫顽力。
氟化物粉末的粒径不受限制，但是当直径较小时，分散性更好。因此，优选的是，作为初级粒子的氟化物粉末具有约0.01至20μm或0.1至10μm的平均粒径(在累积质量的50％处的粒径或中值直径)。然而，市售的粉末有时是聚集的。在这种情况下，优选的是，作为次级粒子的氟化物粉末具有约1至100μm或1至10μm的平均粒径(在累积质量的50％处的粒径或中值直径)。过小或过大的平均直径是不优选的，因为过小的平均直径增加成本，而过大的平均直径导致在粉末混合物中分散性不良并且因此导致扩散元素的扩散性不良。应注意，可以以浆体形式使用氟化物粉末。
而且，氟化物粉末可以是通过化学合成制造或制备的纳米粒子，并且优选地，平均粒径是1至200nm或1至50nm。例如，以糊膏形式使用包含纳米粒子的氟化物粉末。
氟化物粉末对总粉末混合物的过小或过大比例是不优选的，因为过小的比例导致氟化物粉末对O的不充分捕捉，而过大的比例导致稀土磁铁材料的磁性能降低。因此，在制备步骤中，优选的是，根据要进行加热步骤的粉末混合物(或成形体)中包住的O原子的可能量来调节氟化物粉末的混入量。即，优选的是，以能够以稳定的氟氧化钕形式捕获包住的O所必需的量来添加氟化物。例如，当通过使用NdF3粉末将磁铁合金粒子的表面或内部上形成的Nd2O3转变成NdOF时，因为Nd2O3+NdF3→3NdOF，所以可以以和Nd2O3粉末近似相同的摩尔比例混合NdF3粉末。考虑到通常混入的O的可能量，优选的是，待混入在磁铁粉末中的氟化物粉末相对于100原子％的总粉末混合物的比例是0.1至10原子％或0.1至5原子％，换言之，0.05至5质量％。
(4)加热步骤
加热步骤是导致磁铁粉末粒子附近的O与氟化物发生反应并且生成氟氧化钕，从而获得块状稀土磁铁材料的步骤，其中氟氧化钕分布在不仅包括表面部而且包括内部的全体部分中。
可以将加热形式、加热温度等任意地控制在其中以上氟氧化钕在几乎均匀混合的粉末中生成并且捕捉晶界等中的O的范围内。例如，可以不必规定加热温度，因为它还取决于磁铁粉末或氟化物粉末等的组成。然而，在使用稀土氟化物粉末的情况中，加热温度优选是300℃至1,200℃或800℃至1,100℃。过低的温度使得难以形成氟氧化钕，然而在加热效率或磁性能方面，过高的温度是不有利的。
当制造烧结稀土磁铁时，加热步骤可以是用于获得粉末混合物的成形体的烧结体的烧结步骤，并且优选地，烧结温度是700℃至1,150℃或900℃至1,100℃。过低的烧结温度降低烧结效率，而过高的烧结温度导致缺陷如熔融并且在加热效率或磁性能方面是不有利的。
(5)扩散步骤
扩散步骤是在以上加热步骤(或烧结步骤)之后将扩散元素扩散到稀土磁铁材料中的步骤。优选地，扩散元素是第三稀土元素(R3)，其是一种以上稀土元素。具体地，改善稀土磁铁材料的矫顽力的Dy、Tb等是优选的。
应注意，扩散包括沿磁铁粉末粒子或晶粒的晶界扩散的晶界扩散，和通过固溶等扩散到其内部中的内部扩散(体积扩散)。考虑到有效改善磁性能如矫顽力并同时减少稀有扩散元素的用量，晶界扩散是优选的。在根据本发明的扩散步骤中，非常有效地进行晶界扩散。即，通过[(扩散元素的扩散后的矫顽力)-(扩散元素的扩散前的矫顽力)]/(扩散元素的扩散量)而计算的扩散效率非常高。
具体地，在根据本发明的稀土磁铁材料的情况下，扩散效率高达20至60(kOe/质量％)或1,590至4,770(kAm-1/质量％)。
用于进行扩散步骤的方法不受限制。例如，可以通过如下方法进行扩散步骤：其中使用扩散原料如金属Dy作为靶进行溅射等的汽相沉积法、其中将稀土磁铁材料和位于稀土磁铁材料附近的扩散原料在炉中加热而将稀土磁铁材料直接暴露于扩散元素的蒸汽中的蒸汽法、其中如专利文献2所公开的将氟化物粉末涂布在稀土磁铁材料的表面上并且进行加热的涂布法、以及涂布氟化物浆体并进行加热的方法等。
<机理>
(1)生成氟氧化钕的机理
基于上述，将使用NdFeB粉末(磁铁粉末)和(R2)F3粉末(氟化物粉末)的粉末混合物制造稀土磁铁材料的情况作为实例，描述形成氟氧化钕(NdOF)的机理。
由NdFeB粉末构成的稀土磁铁材料的晶界中可存在富Nd相和由混入的O形成的氧化物(Nd2O3，NdOx)。当在晶界附近存在(R2)F3粉末的粒子时，由下列反应生成NdOF并且使R2游离。
(R2)F3+Nd2O3+Nd→3NdOF+R2(反应式1)
当(R2)F3粉末是NdF3粉末(即，R2＝Nd)时，发生下列反应以生成NdOF而不使R2＝Nd游离，即，不从晶界中的富Nd相消耗Nd。
NdF3+Nd2O3→3NdOF(反应式2)
现在考虑将磁铁粉末烧结的情况，通常在烧结的同时，在晶界中吸附的氧和氧化物被晶界相中的Nd还原。因此，晶界相中的Nd可被以与存在的O的量相对应的量消耗，从而可减少有助于烧结能力的Nd量。
然而，当在磁铁粉末中存在(R2)F3粉末时，O被F捕捉并以NdOF的形式固定。特别是当(R2)F3粉末是NdF3粉末时，NdOF的产生中不消耗晶界相中的Nd。
因此，当将NdF3粉末用作氟化物粉末时，大大提高烧结能力并且即使在相对低的烧结温度下也可以获得具有充分高密度的烧结稀土磁铁。
应注意，当(R2)F3粉末不是NdF3粉末时游离的R2(例如，Dy或Tb)也固溶于作为主相的R1(Nd)2Fe14B中并且有助于提高稀土磁铁材料的矫顽力。
(2)扩散机理
将其中扩散元素Dy扩散到包含NdFeB粉末的稀土磁铁材料中的情况作为实例描述扩散机理。
首先，当对包含不含氟化物粉末的磁铁粉末的常规稀土磁铁材料进行扩散处理时，Dy例如与晶界中存在的氧化物(Nd2O3，NdOx)等发生下列反应。
2Dy+Nd2O3→Dy2O3+2Nd  (反应式3)
因此，特意引入的扩散元素(Dy)在扩散途中转变成氧化物并且在晶界三重点等处被捕捉，因此扩散元素不促进对界面处的磁畴壁位移或反向磁畴形成的抑制，并且不能有效提高稀土磁铁材料的矫顽力。即，浪费了扩散元素并且不能提高稀土磁铁材料内部的矫顽力。将该状态示意性显示在图1A中。
另一方面，在本发明中，因为稀土磁铁材料中的O预先被比Dy2O3等更稳定的NdOF捕捉，所以抑制了Dy在扩散途中的晶界三重点等处被捕捉并且其可以平稳地扩散到稀土磁铁材料中。将该状态示意性显示在图1B中。
因此，根据本发明，Dy沿着磁铁合金粒子或其晶粒的晶界相平稳扩散以围绕主相的界面，并且显著减少导致矫顽力降低的起点。因此，可以有效地获得具有大大提高的矫顽力的稀土磁铁材料。
顺便提及，当根据本发明的氟化物粉末包含扩散元素的氟化物(例如，DyF3、TbF3)时，如以上反应式1中所示，扩散元素(例如，Dy、Tb)可以在加热步骤中游离。游离的扩散元素可以在扩散步骤之前固溶到磁铁合金粒子中。因此，在随后的扩散步骤中单独引入的扩散元素难以再固溶到磁铁合金粒子中并且易于优先进行晶界扩散。即，在抑制扩散元素的用量的同时，可以有效地提高稀土磁铁材料的矫顽力。
<稀土磁铁材料的用途>
本发明的稀土磁铁材料可以是原料、作为最终产品的稀土磁铁或与其接近的稀土磁铁。稀土磁铁的用途和形态没有限制。例如，本发明的稀土磁铁材料可以用于各种电磁装置如电动机的转子和定子，磁性记录介质如磁盘，线性执行机构，线性发动机，伺服发动机，扬声器，发电机等。
实施例
将通过实施例更具体地描述本发明。
<实施例1：矫顽力和扩散元素的量之间的关系>
(1)预先检测烧结稀土磁铁(稀土磁铁材料)的矫顽力和扩散元素(R3)的扩散量之间的关系。以下列方式制造用于该实验的样品。
首先，铸造Fe-31.5％Nd-1％B-1％Co-0.2％Cu(单位：质量％)磁铁合金。对该磁铁合金进行氢粉碎并且然后通过喷射磨进一步粉碎，从而获得具有6μm平均粒径D50(中值直径)的磁铁粉末。在氮气氛中进行利用喷射磨的粉碎。
将该磁铁粉末在磁场中以具有20×15×10mm尺寸的平行六面体形状成形(成形步骤)。施加的磁场是2T。将由此获得的成形体在最高达10-3Pa的真空气氛中在1,050℃下加热4小时，从而获得烧结体(烧结步骤)。在将烧结体的表面研磨之后，对研磨表面进行Dy扩散处理(扩散步骤)。
通过在10-4Pa的真空气氛中在750℃至850℃下在容器(加热炉)中将相互距离约10mm设置的烧结体和作为单质(金属Dy)的Dy加热16至128小时来进行该扩散处理。通过控制加热温度和加热时间来调节Dy的扩散量。
而且，在该扩散处理之后，在10-2Pa的真空气氛中在480℃下对烧结体施加热并持续1小时(均化处理，时效处理)。
(2)对于获得的各种样品，通过使用脉冲强场磁强计来测量矫顽力。而且，通过电子探针微量分析仪(EPMA)并且通过高频感应耦合等离子体质谱法(ICP)来测量在各样品中Dy的扩散量。将由此获得的测量结果总结在图2中。应注意，图2中显示的虚线指示通过使用从开始就含有Dy的铸造合金制造的常规样品的结果。
(3)从图2的结果显而易见的是，矫顽力随着Dy浓度的增加而提高，并且，矫顽力通过晶界扩散而特别快速地增加。还显而易见的是，当由晶界扩散造成的矫顽力增加饱和时，扩散转换为其中Dy通过固溶等扩散到磁铁合金粒子内部中的体积扩散。而且，还显而易见的是，在这种情况下的矫顽力提高大致与使用合金化的Dy的情况中的矫顽力提高一样缓慢。
<实施例2：氟化物粉末对于矫顽力的影响>
(1)制备其中将氟化物粉末混合在磁铁粉末中的粉末混合物。对通过烧结粉末混合物的成形体而获得的烧结稀土磁铁(稀土磁铁材料)进行扩散处理，并且然后测量矫顽力。具体地，制备并且评价下列样品。
将各种氟化物粉末混合在具有与实施例1相同的组成的磁铁粉末(Fe-31.5％Nd-1％B-1％Co-0.2％Cu)中(制备步骤)。所有制备的氟化物粉末都是稀土氟化物粉末：NdF3粉末、DyF3粉末和TbF3粉末。相对于总粉末混合物(100质量％)，每一种氟化物粉末的混合量是1.5质量％。氟化物粉末全部具有10μm的平均粒径D50(中值直径)。
将各种粉末混合物在与实施例1中相同的条件下在磁场中成形并且进行烧结(加热步骤，烧结步骤)。此外，对由此获得的烧结体施加与实施例1类似的扩散处理和均化处理。将用于各样品的扩散处理的加热温度和加热时间显示在表1中。
(2)对于由此获得的各种样品(稀土磁铁材料)，以与上述类似的方法测量矫顽力和Dy的扩散量(样品号A11至A15)。
而且，制备不混合氟化物粉末而制造的烧结稀土磁铁作为比较样品。对于比较样品之一，首先，测量扩散处理前的矫顽力(样品号A41)。对于其它比较样品中的一些，测量在上述扩散处理之后的矫顽力和Dy的扩散量(样品号A21至A26)。
另外，将DyF3粉末或TbF3粉末涂布在不混合氟化物粉末而制造的烧结稀土磁铁的一些的研磨表面上以扩散Dy或Tb，并且测量矫顽力和Dy的扩散量(样品号A31至A34和样品号A35至A37)。通过涂布进行的该扩散处理(涂布扩散)通过如下进行：通过用其中将10μm的DyF3粉末或TbF3粉末分散在乙醇中的浆体涂布烧结稀土磁铁的每一种、并且在10-4Pa的真空中对涂布的烧结稀土磁铁进行加热。相对于100质量份的每一种烧结稀土磁铁，涂布比例是0.2质量份。将加热温度和加热时间显示在表1中。
将由此获得的测量结果也显示在表1中。表1中的扩散效率通过[(Dy扩散后的矫顽力)-(Dy扩散前的矫顽力)]/(Dy的扩散量)计算。将表1的结果也显示在图3A和3B的分散图(将这两张图适当地合称为“图3”)中。在图3中，■指示在将氟化物粉末混合在磁铁粉末中的情况下制造的样品，而×指示在不混合氟化物粉末的情况下制造的样品。
(3)从表1和图3显而易见，与不混合氟化物粉末而制造的样品相比，当扩散处理条件在相同水平上时，将氟化物粉末混合在磁铁粉末中而制造的样品中Dy或Tb的扩散量增加约2至3倍。矫顽力也与所述量的增加近似成比例地增加。
另一方面，在磁铁粉末中不混合氟化物粉末而制造的样品中，尽管Dy或Tb的扩散量增加，但是矫顽力不怎么增加。在通过用蒸汽法扩散Dy而获得的样品(样品号A21至A26)中和在通过涂布DyF3粉末或TbF3粉末扩散Dy或Tb而获得的样品(样品号A31至A37)中也类似地观察到该倾向。认为这是因为，当在磁铁粉末中不混合氟化物粉末时，Dy或Tb扩散被限于烧结稀土磁铁的表面部。这些从表1和图3B中显示的扩散效率也显而易见。
<实施例3：氟化物粉末对扩散形态的影响>
(1)通过将实施例2中显示的氟化物粉末的混合量从0.9质量％改变到3质量％来制造各样品，并且观察它们的EPMA图像。将结果显示在图4至图6中。此外，将在磁铁粉末中不混合氟化物粉末而制造的样品的EPMA图像显示在图7中，并且将在距离表面为300μm的深度处的Dy的EPMA图像的放大图像显示在图8中。
(2)从这些图像显而易见的是，当在磁铁粉末中混合氟化物粉末时，作为扩散元素的Dy充分扩散到每一种烧结稀土磁铁的内部中而与氟化物粉末的种类无关。此外，从Nd、F和O的EPMA图像也显而易见的是，NdOF大致均匀地分散在包括内部的全体部分中。
相反，从图7显而易见的是，当在磁铁粉末中不混合氟化物粉末时，Dy集中分布在烧结稀土磁铁的表面附近并且不扩散到其内部中。图8表明，原因是Dy聚集在位于烧结稀土磁铁的表面附近的磁铁合金粒子的晶界(特别是三重点附近)处。从图7的EPMA图像中的F分布显而易见，F仅在烧结稀土磁铁的表面部中检测到而在其内部中未检测到。因此，在磁铁粉末中不混合氟化物粉末而制造的烧结稀土磁铁中，NdOF不存在于其内部中。
此外，在磁铁粉末中不混合氟化物粉末而制造的样品中，如由图7所示，Nd的EPMA图像和O的EPMA图像相互非常类似，并且可理解到氧化钕(例如，Nd2O3)聚集在磁铁合金粒子的晶界处(特别是在三重点附近)。相反，从图4至6的任一图中显而易见，在将氟化物粉末混合在磁铁粉末中而制造的样品中，没有观察到这种氧化钕聚集。即，从图4至6很明显，氧化钕(例如，Nd2O3)等变成氟氧化钕并且稳定分布在烧结稀土磁铁中而与氟化物粉末的种类无关。
<实施例4：氟化物粉末对烧结能力的影响>
(1)制备与实施例1的磁铁粉末类似制造的磁铁粉末，不同之处在于合金组成的改变(Fe-31.5％Nd-1％B)。还制备LaF3粉末、CeF3粉末、PrF3粉末、NdF3粉末、DyF3粉末和TbF3粉末用作氟化物粉末，其全部是稀土氟化物粉末。将全部粉末混合物设定为100质量％，通过将任一种氟化物粉末混合在磁铁粉末中来制备粉末混合物(制备步骤)。
在50MPa下在2T的磁场中将各种粉末混合物成形，从而获得成形体，所述成形体各自具有20×15×10mm尺寸的平行六面体形状。在真空气氛中在1,030℃下将所述成形体加热3小时，从而获得烧结体(样品号B1至B6)。
而且，作为比较样品，通过使用其中不混合氟化物粉末的磁铁粉末制造了类似的烧结体(样品号B7)。
(2)通过阿基米德(Archimedes)法测量获得的各种烧结体的密度。将结果显示在表2中。
混合LaF3粉末、DyF3粉末或TbF3粉末而制造的烧结体的密度比不混合氟化物粉末而制造的烧结体的密度更低。混合CeF3粉末或PrF3粉末而制造的烧结体的密度与不混合氟化物粉末而制造的烧结体的密度差别不大。
相反，混合NdF3粉末而制造的烧结体的密度高于任一种其它烧结体的密度。因此，已经变得显而易见的是，使用NdF3粉末作为氟化物粉末不仅促进如上所述的Dy等的内部扩散而且提高烧结的稀土磁铁的烧结能力并且实现密度提高。
Figure BDA0000143368850000211
[表2]
Figure BDA0000143368850000221

Claims (15)

1.制造稀土磁铁材料的方法，所述方法包括：
制备下列成分的粉末混合物的制备步骤：
磁铁粉末，所述磁铁粉末是磁铁合金的粉末，所述磁铁合金包含作为一种以上稀土元素的第一稀土元素(下文称为“R1”)、硼(B)且其余为铁(Fe)和不可避免的杂质，并且具有或不具有改性元素；和
作为氟化物的粉末的氟化物粉末，
所述磁铁粉末和氟化物粉末中的至少一种含有钕(Nd)；和
加热所述粉末混合物的成形体从而获得块状稀土磁铁材料的加热步骤，其中作为在所述磁铁粉末的粒子附近的氧或氧化物与所述氟化物的反应产物的氟氧化钕分布在不仅包括表面部而且包括内部的全体部分中。
2.根据权利要求1的制造稀土磁铁材料的方法，其中所述R1是Nd。
3.根据权利要求1的制造稀土磁铁材料的方法，其中所述氟化物粉末是稀土氟化物的粉末，所述稀土氟化物包含作为一种以上稀土元素的第二稀土元素(下文称为“R2”)和氟(F)。
4.根据权利要求3的制造稀土磁铁材料的方法，其中R2是Nd。
5.根据权利要求1的制造稀土磁铁材料的方法，还包括将如下扩散元素扩散到所述稀土磁铁材料中的扩散步骤，所述扩散元素包含作为一种以上稀土元素的第三稀土元素(下文称为“R3”)。
6.根据权利要求5的制造稀土磁铁材料的方法，其中所述扩散元素是镝(Dy)或铽(Tb)。
7.根据权利要求1的制造稀土磁铁材料的方法，其中所述制备步骤是根据在所述稀土磁铁材料中氧原子的可含有量调节待混合在所述粉末混合物中的氟化物粉末量的步骤。
8.根据权利要求1的制造稀土磁铁材料的方法，其中所述加热步骤是用于获得所述粉末混合物的成形体的烧结体的烧结步骤。
9.根据权利要求1的制造稀土磁铁材料的方法，其中所述磁铁粉末是包含NdFeB合金的NdFeB粉末，相对于所述磁铁粉末的全体100质量％(下文称为％)，所述NdFeB合金含有27至35％的Nd和0.8至1.5％的B，和
所述氟化物粉末是包含氟化钕的氟化钕粉末。
10.通过根据权利要求1的制造方法获得的稀土磁铁材料。
11.根据权利要求10的稀土磁铁材料，其包含烧结体。
12.稀土磁铁材料，包含：
块状磁铁体，其中如下磁铁合金粒子相互结合或紧密接触，所述磁铁合金粒子包含作为一种以上稀土元素的R1、B且其余为Fe和不可避免的杂质，并且具有或不具有改性元素；和
分散粒子，其包含作为Nd、O和F的化合物的氟氧化钕，并且分散在所述磁铁体的不仅包括表面部而且包括内部的全体部分中。
13.根据权利要求12的稀土磁铁材料，还包含富R3的部分，其中作为不同于R1的一种以上稀土元素的R3富集在所述磁铁合金粒子的至少一部分外周。
14.根据权利要求13的稀土磁铁材料，其中所述R3是Dy或Tb。
15.根据权利要求12的稀土磁铁材料，其中所述磁铁合金粒子是NdFeB粒子，相对于所述磁铁合金粒子的全体100％，所述NdFeB粒子含有27至35％的Nd和0.8至1.5％的B，和
所述磁铁体是所述磁铁合金粒子的烧结体。
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