CN107408434A - 应用磁场合成和处理氮化铁磁性材料 - Google Patents

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Abstract

公开的技术涉及应用磁场合成和处理氮化铁磁性材料。一些方法涉及在应用磁场存在的情况下浇铸包含铁的材料以形成包含至少一个含有单轴磁各向异性的基于铁的相域的工件，其中应用磁场具有至少约0.01特斯拉(T)的强度。还公开了通过这种方法制造的工件、用于制造这种工件的装置和通过这种方法制造的块状材料。

Description

应用磁场合成和处理氮化铁磁性材料
相关申请的引证
本申请要求于2015年1月26日提交并且题目为“应用磁场合成和处理氮化铁磁性材料(APPLIED MAGNETIC FIELD SYNTHESIS AND PROCESSING OF IRON NITRIDE MAGNETICMATERIALS)”的美国临时专利申请号62/107,700的权益，通过引用将其全部内容结合于本文中。
技术领域
本公开涉及形成氮化铁磁性材料的技术。
背景技术
永磁体在许多机电***包括例如替代能源***中起作用。例如，将永磁体用在传感器、致动器、电动机或发电机中，其可以用于车辆、风力涡轮机和其他可替代的能源机构中。目前使用的许多永磁体包含稀土元素，如钕，这产生高能积(high energy product)。这些稀土元素的供应相对短缺，并且在未来可能面临更高的价格和/或供应短缺。另外，一些包含稀土元素的永磁体制造起来是昂贵的。例如，制造NdFeB和铁氧体磁体一般包括粉碎材料、压缩材料、以及在高于1000℃的温度下烧结，所有这些都促成了磁体的高制造成本。另外，稀土采矿可能导致严重的环境恶化。
发明内容
本公开描述了用于形成包含至少一个含有单轴磁各向异性的基于铁的相域(iron-based phase domain)的磁性材料的技术。例如，包含单轴磁各向异性的基于铁的相域可以包括具有体心四方晶体结构的铁、α″-Fe16N2、α″-Fe16C2、Fe或其他基于Fe的磁性材料。本文所描述的技术可以包括以下中的至少一种：在应用磁场中浇铸铁和氮的混合物或固结(联合，consolidation)多个工件，多个工件中的至少一些包含至少一个含有单轴磁各向异性的基于铁的相域，同时将多个工件暴露于应用磁场。
在浇铸技术期间，氮化铁晶体可以成核并由熔化的包含铁和氮的混合物生长。通过在浇铸过程期间应用磁场，可以影响氮化铁晶体的成核和生长使得可以非常有利于具有预定取向的晶体的生长。例如，具有基本平行(例如平行或几乎平行(如在平行的约5度内))于应用磁场的方向的(002)或(004)晶体平面的氮化铁晶体可以比具有不同取向(例如具有基本平行(例如平行或几乎平行(如在平行的约5度内)于应用磁场的方向)的(110)、(112)、(202)或(200)晶体平面)的氮化铁晶体更有利。因此，应用场可以增加多个氮化铁晶体中的一些或所有氮化铁晶体可以具有类似的结晶取向的似然性。具有晶体取向基本类似的多重氮化铁晶体的材料可以增加材料的磁各向异性。
在固结期间，可以将磁场应用于固结为基本对齐(例如对齐或几乎对齐(如在精确对齐的约5度内))包含至少一个含有单轴磁各向异性的基于铁的相域如α″-Fe16N2的多个工件的易磁化轴的材料。易磁化轴是这样的基于铁的相域晶胞的方向：沿着其磁矩的对齐是能量有利的并且是亚稳的(energetically favorable and metastable)。在一些实施例中，包含单轴磁各向异性单位晶胞的基于铁的相域的易磁化轴是<001>或c轴。在一些实施例中，多个工件可以包括粉末、微粒、带状物、板、丝线或其他几何形状。通过在压实过程期间应用磁场，可以与应用磁场的方向基本平行(例如平行或几乎平行(如在平行的约5度内))对齐包含至少一个含有单轴磁各向异性的基于铁的相域的多个工件的易磁化轴。这可以帮助限定固结的磁性材料的磁化方向，以及也可以增加固结的磁性材料的磁各向异性。
在一些实施例中，本公开描述了包括以下各项的方法：在应用磁场存在的情况下浇铸包含铁的材料以形成包含至少一个含有单轴磁各向异性的基于铁的相域的工件，其中应用磁场具有至少约0.01特斯拉(T)的强度。
在一些实施例中，本公开描述了包括以下的方法：在应用磁场存在的情况下压实多个工件以形成包含多个含有单轴磁各向异性的基于铁的相域的块状材料，其中每个工件包含至少一个含有单轴磁各向异性的基于铁的相域，其中应用磁场具有至少约0.01特斯拉(T)的强度，其中应用磁场限定块状材料的磁化方向。
在一些实施例中，本公开描述了配置为执行本文所描述的任一种技术的装置。
在一些实施例中，本公开描述了通过本文所描述的任一种技术形成的工件。
在一些实施例中，本公开描述了通过本文所描述的任一种技术形成的块状材料。
在一些实施例中，本公开描述了包括以下的方法：在应用磁场存在的情况下浇铸包含镍、铁和钴中的至少一种的材料以形成包含至少一个含有单轴磁各向异性的基于镍、铁或钴的相域的工件，其中应用磁场具有至少约0.01特斯拉(T)的强度。
在一些实施例中，本公开描述了包含至少一种各向异性形状的基于铁的颗粒的工件，其中至少一种各向异性形状的基于铁的颗粒包括约1.1和约50之间的长宽比，并且其中将长宽比定义为各向异性颗粒的最长尺寸的长度与最短尺寸的长度的比值。最长尺寸和最短尺寸可以是基本正交的。
在一些实施例中，本公开描述了包含至少一种各向异性形状的基于铁的颗粒的块状永磁体，其中至少一种各向异性形状的基于铁的颗粒包括约1.1和约50之间的长宽比，并且其中将长宽比定义为各向异性颗粒的最长尺寸的长度与最短尺寸的长度的比值。最长尺寸和最短尺寸可以是基本正交的。
在附图及以下说明书中阐明了一个或多个实施例的细节。从说明书和附图以及从权利要求书，将清晰可见其他特征、目的和优势。
附图说明
图1是示出了用于在应用磁场存在的情况下浇铸包含铁和氮的材料的示例性技术的流程图。
图2是示出了利用RF熔炉、坩锅和可选的淬火介质来对包含铁和氮的混合物执行浇铸技术的示例性***的示意图。
图3是示出了包括可以用于在外磁场存在的情况下浇铸包含铁和氮的材料的坩锅加热台的示例性***的示意图。
图4是示出了图3所示的坩锅加热台的一个示例性的进一步细节的示意图。
图5是示出了用于在外磁场存在的情况下带式浇铸示例性氮化铁工件的另一个示例性***的示意图。
图6是示出了α″-Fe16N2单位晶胞的示意图。
图7是示出了具有各向异性形状的示例性α″-Fe16N2晶体或颗粒的示意图。
图8是示出了在其他材料基质中包含多个α″-Fe16N2晶体或颗粒的示例性工件的示意图。
图9是示出了图8示出的示例性工件的示例性磁滞曲线的框图。
图10是示出了用于固结包含至少一个α″-Fe16N2相域的多个工件以形成块状磁性材料的示例性技术的流程图。
图11是示出了用于由包含铁和氮的原材料形成包含α″-Fe16N2相域的块状磁性材料的示例性技术的流程图。
图12示出了来自在应用和不应用外磁场的情况下浇铸的氮化铁材料的示例性x射线衍射光谱。
具体实施方式
可以通过参考以下详细说明连同形成本公开的一部分的附图和实施例，更加容易地理解本公开。应理解，本公开并不限于本文所描述和/或示出的具体的设备、方法、应用、条件或参数，并且本文中使用的术语是为了描述特定的实施例，并不旨在限制权利要求。当表示数值范围时，另一实施例包括从一个特定值和/或至其他特定值。类似地，当通过使用先行词“约”将数值表示为近似值时，应当理解特定值形成另一实施例。可以包含并组合所有范围。进一步地，在范围中所述的参考值包含在该范围之内的每一个值。
应理解，为清晰起见，在单独的实施例的上下文中描述了本发明的某些特征，也可以在单个实施方式中以组合方式将其提供。相反地，可以单独地或以任何的子组合方式提供本公开的多个特征，为了简洁起见，将这些特征描述于单个实施例的上下文中。
本公开描述了包含至少一个含有单轴磁各向异性的基于铁的相域的磁性材料、包含至少一个含有单轴磁各向异性的基于铁的相域的块状永磁体、用于形成包含至少一个含有单轴磁各向异性的基于铁的相域的磁性材料的技术和用于形成包含至少一个含有单轴磁各向异性的基于铁的相域的块状永磁体的技术。包含至少一个含有单轴磁各向异性的基于铁的相域的块状永磁体可以提供包含稀土元素的永磁体的替换物，因为包含单轴磁各向异性的基于铁的相域可以具有高饱和磁化度、高磁各向异性常数和因此高能积。包含单轴磁各向异性的示例性基于铁的化合物是α″-Fe16N2。其他示例性基于铁的化合物可以包括具有体心四方晶体结构的那些，如应变的铁或包含铁和N、C、B、O、P、Y、Mn、Co、Cr、Si、Al、Zn等中的至少一种的一些化合物。
α″-Fe16N2具有高饱和磁化度、高磁各向异性常数和因此高能积。在一些实施例中高饱和磁化度和磁各向异性常数产生可能比稀土磁体更高的磁能积。当α″-Fe16N2永磁体是各向异性时，根据本文所描述的技术形成的块状α″-Fe16N2永磁体可以具有期望的磁性质，包括高达约130MGOe的能积。在其中α″-Fe16N2磁体为各向同性的实施例中，能积可以高达约33.5MGOe。永磁体的能积与剩余矫顽力(剩磁矫顽力，remanent coercivity)和剩磁(残磁，剩余磁化强度，remanent magnetization)之积成正比。作为比较，Nd2Fe14B永磁体的能积可以高达约60MGOe。在用于传感器、致动器、电动机、发电机等中时，更高的能积可以使得永磁体的效率增加。另外地，包含Fe16N2相的永磁体可以不包含稀土元素，这可以降低磁体的材料成本并且可以降低生产磁体对环境的影响。
在不受任何操作原理的限制的情况下，认为α″-Fe16N2是亚稳相，它与氮化铁的其他稳定相竞争。因此，形成包含α″-Fe16N2相域的块状磁性材料和块状永磁体会是困难的。本文所描述的各种技术可以促进包含Fe16N2氮化铁相域的磁性材料的形成。在一些实施例中，与用于形成包含Fe16N2氮化铁相域的磁性材料的其他技术相比，该技术可以降低形成包含α″-Fe16N2氮化铁相域的磁性材料的成本，增加α″-Fe16N2氮化铁相域在磁性材料中的体积分数，提供α″-Fe16N2氮化铁相域在磁性材料内的较高稳定性，有助于包含Fe16N2氮化铁相域的磁性材料的大量生产和/或改善包含Fe16N2氮化铁相域的磁性材料的磁性。
在此描述的包含至少一个含有单轴磁各向异性的基于铁的相域如α″-Fe16N2的块状永磁体可以具有各向异性磁性。这样的各向异性磁性特征为在与施加的电场或磁场不同的相对取向中具有不同的能积、矫顽力和磁矩。因此，公开的块状氮化铁磁体可以用于各种应用(例如电动机)中的任一种，赋予这样的应用低能量损失和高能量效率。
本公开描述了用于形成包含至少一个含有单轴磁各向异性的基于铁的相域如至少一个α″-Fe16N2相域的磁性材料的技术。本文所描述的技术可以包括在应用磁场中浇铸铁和氮的混合物或固结多个工件中的至少一种，多个工件中的至少一些包含至少一个含有单轴磁各向异性的基于铁的相域如至少一个α″-Fe16N2相域，同时将多个工件暴露于应用磁场。
在浇铸技术期间，氮化铁晶体可以成核并由熔化的包含铁和氮的混合物生长。通过在浇铸过程期间应用磁场，可以影响氮化铁晶体的成核和生长使得具有预定取向的晶体的生长可以是能量有利的。例如，具有基本平行(例如平行或几乎平行(如在平行约5度内)于应用磁场的方向的(002)或(004)晶体平面的氮化铁晶体可以比具有不同于应用磁场的方向的取向(例如具有基本平行(例如平行或几乎平行(如在平行约5度内)的(110)、(112)、(202)或(200)晶体平面)的氮化铁晶体更有利。因此，应用磁场可以增加多个氮化铁晶体中的一些或所有氮化铁晶体可以具有类似的结晶取向的似然性。具有基本类似晶体取向的多重氮化铁晶体的材料可以增加材料的磁各向异性。
在一些实施例中，除具有单轴磁各向异性，浇铸技术可以形成限定各向异性形状的至少一种氮化铁晶体或颗粒。至少一种各向异性形状的氮化铁晶体或颗粒可以限定约1.1和约50之间如约1.4和约50之间、或2.2和约50之间、或约5和约50之间的长宽比。如本文所使用的，将长宽比定义为各向异性颗粒的最长尺寸的长度与最短尺寸的长度的比值，其中在与最长尺寸基本正交(例如正交或几乎正交(如在正交约5度内))的方向上测量最短尺寸。在一些实施例中，至少一种各向异性形状的氮化铁晶体或颗粒的最长尺寸可以基本平行(例如平行或几乎平行(如在平行约5度内))于应用磁场的方向和因此的单轴磁各向异性的方向。类似地，至少一种各向异性形状的氮化铁晶体或颗粒的最长尺寸可以基本平行(例如平行或几乎平行(如在平行约5度内))于各向异性形状的氮化铁晶体或颗粒的磁晶体各向异性的易磁化轴。例如，对于体心四方的(bct)Fe16N2和Fe、(002)纹理可以基本上平行(例如平行或几乎平行(如在平行约5度内))于晶体或颗粒的最长尺寸。以这种方式，各向异性形状的氮化铁晶体或颗粒具有的各向异性形状可以有助于材料的磁各向异性。在其他实施例中，对于bc)Fe16N2，(002)纹理可以基本上平行(例如平行或几乎平行(如在平行约5度内))于晶体或颗粒的最短尺寸。
在固结期间，可以将磁场应用于待固结为基本对齐(例如对齐或几乎对齐(如在对齐的约5度内))包含至少一个含有单轴磁各向异性的基于铁的相域如至少一个α″-Fe16N2相域的多个工件的易磁化轴的材料。易磁化轴是沿其磁矩的对齐是能量有利的并且是亚稳的晶胞的方向。在一些实施例中，包含单轴磁各向异性晶胞的基于铁的相域的晶胞的易磁化轴是<001>或c轴。在一些实施例中，多个工件可以包括粉末、微粒、带状物、板、丝或其他几何形状。通过在压实过程期间应用磁场，可以与应用磁场的方向基本平行(例如平行或几乎平行(如在平行的约5度内))对齐包含含有单轴磁各向异性的α″-Fe16N2相域的至少一个基于铁的相域的多个工件的易磁化轴。这可以帮助限定固结的磁性材料的磁化方向，以及可以增加固结的磁性材料的磁各向异性。
在一些实施例中，可以作为用于形成包含至少一个含有单轴磁各向异性α″-Fe16N2相域的基于铁的相域的块状磁性材料的更大技术的一部分同时使用浇铸和固结技术。在一些实施例中，更大技术可以包括其他步骤，包括例如使浇铸的磁性材料淬火，使淬火的磁性材料退火等。在一些实施例中，可以在这些其他步骤的至少一些期间应用外磁场以促进形成至少一个包含单轴磁各向异性α″-Fe16N2相域的基于铁的相域。例如，可以在退火步骤期间应用磁场以促进在材料中形成至少一个包含单轴磁各向异性α″-Fe16N2相域的基于铁的相域。虽然以下说明书将主要描述氮化铁材料，包括α″-Fe16N2，但是本领域技术人员将认识到本说明书可以适用于包含单轴磁各向异性(如应变的铁或包含N、C、B、O、P、Y、Mn、Co、Cr、Si、Al、Zn等中的至少一种的铁化合物)和体心四方晶体结构的其他基于铁的材料。
图1是示出了用于在应用磁场存在的情况下浇铸包含铁和氮的材料的示例性技术的流程图。图1的技术包括形成熔化的包含铁和氮的混合物(12)。可以使用多种技术中的任一种形成熔化的混合物。例如，可以首先形成包含铁和氮的固体材料，随后熔化该包含铁和氮的固体材料以形成熔化的包含铁和氮的混合物。作为另一个实施例，可以将熔化的铁与氮源混合以形成熔化的包含铁和氮的混合物。
用于形成包含铁和氮的固体材料的示例性技术包括使含铁工件氮化。含铁工件可以包括例如粉末、微粒、带状物、板、丝或其他几何形状。在一些实施例中，使含铁工件氮化可以包括将含铁工件加热至一定温度持续足以允许氮充分扩散到含铁工件的全部体积中至预定浓度的时间。在这种方式中，加热时间和温度是相关的，并且还可能受到含铁工件的组成和/或几何形状的影响。例如，可以将铁丝或铁板28加热至约125℃至约600℃之间的温度持续约2小时至约9小时。
除加热含铁工件之外，使含铁工件氮化包括将含铁工件暴露于原子氮物质，其扩散到含铁工件中。在一些实施例中，可以作为双原子氮(N2)提供原子氮物质，然后其分离(裂解)为单个的氮原子。在其他实施例中，原子氮可以由另一种原子氮前体如氨(NH3)提供。在其他实施例中，原子氮可以由脲(CO(NH2)2)提供。可以单独以气相(例如，基本纯净的氨或双原子氮气)或作为与载气的混合物供给氮。在一些实施例中，载气为氩(Ar)。
在一些实施例中，使含铁工件氮化可以包括脲扩散处理，其中将脲用作氮源(例如而不是双原子氮或氨)。脲(还称为碳酰胺)是具有化学式CO(NH2)2的有机化合物。为了将含铁工件氮化，可以例如在包封该含铁工件的熔炉内加热脲以产生可以扩散到含铁工件中的分解的氮原子。如下文将进一步描述的，可以通过扩散过程的温度以及含铁工件与用于该过程的脲的比值(例如，重量比)将所产生的氮化的铁材料的构成控制到某种程度。在2012年8月17日提交的国际专利申请号PCT/US12/51382中可以找到关于这些氮化过程(包括脲扩散)的进一步细节，通过引用将其全部内容结合于本文中。
作为形成包含铁和氮的固体材料的另一个实施例，可以使用等离子体如RF等离子体或DC等离子体由氮源如气态氮源产生氮原子。可以将含铁工件放置在等离子体环境如等离子体室中，并可以将通过等离子处理产生的氮原子注入含铁工件中和扩散到含铁工件中。
作为形成包含铁和氮的固体材料的另一个实例，可以使用离子注入将氮原子注入含铁工件中。例如，含铁工件可以是箔片。箔片可以限定在几百纳米到几毫米级别的厚度。在一些实施例中，箔片可以限定在约500纳米(nm)和约1毫米(mm)之间的厚度。如下面将要描述的，箔片的厚度可能影响用于箔片的离子注入和退火的参数。可以在基本垂直(例如垂直或几乎垂直(如在垂直的约5度内))于附接箔片的基板的表面的方向上测量箔片的厚度。
被注入到含铁工件中的N+离子的平均深度可取决于加速N+离子的能量。一般而言，N+离子的平均注入深度可以随注入能量增加而增加。
可以至少部分地基于含铁工件的厚度来选择用来注入N+离子的注入能量。还可以选择注入能量以注入N+离子，只要不对含铁工件(包括含铁工件中的铁晶体的晶格)造成过于显著的损坏即可。例如，虽然更高的注入能量可以允许以更大的平均深度注入N+离子，但是更高的注入能量可能增加对铁工件的损伤，包括由于N+离子的冲击造成的对铁晶体的晶格的损伤以及对一些铁原子的烧蚀。因此，在一些实施例中，注入能量可以被限制在低于约180keV。在一些实施例中，注入的入射角可以是约零度(例如基本垂直(例如平行或几乎垂直(如距垂直约5度内)于铁工件的表面)。在其他实施例中，可以调整注入的入射角度以降低晶格损伤。例如，注入的入射角度可以与垂线成约3°至约7°。
作为一个实施例，当含铁工件限定约500nm的厚度时，可以使用约100keV的注入能量以将N+离子注入至含铁工件中。还可以使用约100keV的注入能量将N+离子注入到其他厚度的含铁工件中。在其他实施例中，可以将不同的注入能量用于限定约500nm厚度的含铁工件，并且相同的或不同的注入能量可以用于限定不同于500nm的厚度的工件。
另外，可以选择N+离子的流畅度以在含铁工件中注入所需量的N+离子。在一些实施例中，可以选择N+离子的流畅度以在含铁工件中注入约化学计量数的N+离子。Fe16N2中铁与氮的化学计量比为8:1。因此，可以确定含铁工件中的铁原子的近似数量，并且可以将等于铁原子的约1/8(12.5％)数量的N+离子注入到含铁工件中，如约8at.％和约15at.％之间。例如，具有约1cm×1cm×500nm的量度的含铁工件可以包括约4.23x 1018个铁原子。因此，为了实现在含铁工件中铁原子与N+离子的化学计量比，可以在样品中注入约5.28x 1017个N+离子。
还可以控制在离子注入过程中含铁工件的温度。在一些实施例中，含铁工件的温度可以处于约室温至约500℃之间。在2014年2月6日提交的国际专利申请号PCT/US14/15104中可以找到关于含铁工件中N+离子的离子注入的进一步细节，通过引用将其全部内容结合于本文中。
用于形成包含铁和氮的固体材料的另一个示例性技术包括在氮源存在的情况下研磨含铁材料如粉末。用于研磨含铁材料的研磨装置可以包括轧制模式、搅拌模式或振动模式的研磨装置。研磨装置可以包括包封含铁材料、氮源和研磨介质的仓室。
研磨介质可以包括例如研磨球体。研磨介质可以包含足够硬的材料，当以充分的力接触含铁材料时，会摩擦含铁材料并引起含铁材料的颗粒具有平均更小的尺寸。在一些实施例中，研磨介质可以由钢、不锈钢等形成。在一些实施例中，由其形成研磨介质的材料可能不能与含铁原材料和/或氮源发生化学反应。
含铁材料可以包括任何含铁材料，包括原子铁、氧化铁、氯化铁等。在一些实施例中，含铁材料可以包含基本纯的铁(例如，具有小于约10原子百分数(at.％)的掺杂剂或杂质的铁)。在一些实施例中，掺杂剂或杂质可以包含氧或氧化铁。
氮源可以包括硝酸铵(NH4NO3)或含酰胺材料，如液态的酰胺或包含酰胺的溶液，或者肼或包含肼的溶液。酰胺包含C-N-H键以及肼包含N-N键。硝酸铵、酰胺和肼可以用作用于形成含氮化铁的粉末的氮供体。尽管可以使用任何酰胺，但是示例性酰胺包括碳酰二胺((NH2)2CO；还称为脲)、甲酰胺、苯甲酰胺和乙酰胺。在一些实施例中，通过用胺基取代羧酸的羟基，酰胺可以衍生自羧酸。可以将该类型的酰胺称为酸胺(酸酰胺，acid amides)。
在一些实施例中，研磨装置的仓室还可以包封催化剂。催化剂可以包括例如钴(Co)颗粒和/或镍(Ni)颗粒。催化剂催化含铁材料的氮化。在以下反应1–3中示出了使用Co催化剂用于使铁氮化的一种可能的概念化反应途径。当使用Ni作为催化剂时，可以遵循类似的反应途径。
因此，通过将足够的酰胺和催化剂22混合，可以将含铁原材料18转化为含氮化铁材料。在2014年6月24日提交的国际申请号PCT/US14/43902中可以找到关于在氮源存在的情况下研磨含铁材料以形成包含铁和氮的固体材料的进一步的细节，通过引用将其全部内容结合于本文中。
不管形成包含铁和氮的固体材料的技术，包含铁和氮的固体材料可以包含约8:1的铁与氮原子比。例如，该混合物可以包含约8原子百分数(at.％)至约15at.％的氮，以及余量的铁、其他元素和掺杂剂。作为另一实施例，该混合物可以包含约10at.％至约13at.％的氮或约11.1at.％的氮。
在一些实施例中，除了铁和/或氮之外，包含铁和氮的混合物可以包含至少一种类型的氮化铁，如例如FeN、Fe2N(例如ξ-Fe2N)、Fe3N(例如ε-Fe3N)、Fe4N(例如γ′-Fe4N和/或γ′-Fe4N)、Fe2N6、Fe8N、Fe16N2或FeNx(其中x为约0.05至约0.5)。在一些实施例中，包含铁和氮的混合物可以具有至少92原子百分数(at.％)的纯度(例如铁和氮的总含量)。
在一些实施例中，包含铁和氮的混合物可以包含至少一种掺杂剂，如铁磁性或无磁性掺杂剂和/或相稳定剂。在一些实施例中，至少一种铁磁性或无磁性掺杂剂可以被称为铁磁性或无磁性杂质和/或相稳定剂可以被称为相稳定杂质。铁磁性或无磁性掺杂剂可以用于增加由包含铁和氮的混合物形成的磁性材料的磁矩、磁性矫顽力或热稳定性中的至少一种。铁磁性或无磁性掺杂剂的实例包括Sc、Ti、V、Cr、Mn、Co、Ni、Cu、Zn、Zr、Nb、Mo、Ru、Rh、Pd、Ag、Cd、Pt、Au、Sm、C、Pb、W、Ga、Y、Mg、Hf和Ta。例如，与不包含Mn掺杂原子的氮化铁材料相比，在包含至少一个Fe16N2相域的氮化铁材料中以约5at.％至约15at.％的水平包含Mn掺杂原子可以改善Fe16N2相域的热稳定性以及材料的磁性矫顽力。在一些实施例中，在含铁和氮的混合物中可以包含多于一种(例如至少两种)铁磁性或无磁性掺杂剂。在一些实施例中，铁磁性或无磁性掺杂剂可以充当畴壁钉扎位点(domain wall pinning sites)，这可以改善由包含铁和氮的混合物形成的磁性材料的矫顽力。表1包括在包含铁和氮的混合物内的铁磁性或无磁性掺杂剂的示例性浓度。
表1
可替代地或另外地，包含铁和氮的混合物可以包括至少一种相稳定剂。至少一种相稳定剂可以是选定用于改善Fe16N2体积比、热稳定性、矫顽力和抗腐蚀性中的至少一种的元素。当存在于混合物中时，至少一种相稳定剂可以以约0.1at.％和约15at.％之间的浓度存在于包含铁和氮的混合物中。在其中混合物中存在至少两种相稳定剂的一些实施例中，该至少两种相稳定剂的总浓度可以在约0.1at.％和约15at.％之间。至少一种相稳定剂可以包含例如B、Al、C、Si、P、O、Co、Cr、Mn和/或S。例如，与不包含Mn掺杂原子的氮化铁材料相比，在包含至少一个Fe16N2相域的氮化铁材料中以约5at.％和约15at.％之间的水平包含Mn掺杂原子可以改善Fe16N2相域的热稳定性以及材料的磁性矫顽力。
可替代地，可以将氮源与熔化的铁混合以形成熔化的包含铁和氮的混合物而不是形成包含铁和氮的固体材料。参考图5示出和在以下描述了关于将氮源与熔化的铁混合的进一步的细节。
在一些实施例中，图1的技术可以包括形成仅包含铁或以相对比例使得至少一些材料在浇铸时形成体心四方晶体结构的铁和N、C、B、O、P、Y、Mn、Co、Cr、Si、Al、Zn等中的至少一种的熔化的材料，而不是形成熔化的包含铁和氮的材料(12)。
图1的技术还包括在应用磁场存在的情况下浇铸包含铁和氮的材料(14)。图2-4示出了可以用于在应用磁场存在的情况下浇铸包含铁和氮的材料的示例性装置。
图2是示出了利用RF熔炉22、坩锅26和可选的淬火介质28来对包含铁和氮的混合物执行浇铸技术的示例性***20的示意图。***20包括RF熔炉22，其包封坩锅26。坩锅可以由在加热包含铁和氮的混合物期间在RF熔炉22内的温度下热稳定的材料形成。例如，坩锅26可以包含一种或多种耐火材料如石墨、耐火陶瓷等。
RF熔炉22还包括在图2中作为用于产生RF场的多个线圈呈现的RF源24并在坩锅26中至少加热包含铁和氮的混合物。在一些实施例中，RF源24可以产生在一些实施例中频率为约13.56GHz或约900MHz的RF能量。RF源24可以直接地或通过加热RF熔炉22内的结构(例如坩锅26)、其然后加热包含铁和氮的混合物从而感应地(inductively)加热包含铁和氮的混合物。可以在RF熔炉22内将包含铁和氮的混合物加热至包含铁和氮的混合物的熔化温度以上以形成熔化的包含铁和氮的混合物。
在一些实施例中，坩锅26的形状可以限定包含铁和氮的混合物的形状，如至少一种丝、带状物或其他具有大于其宽度或直径的长度的制品。在一些实施例中，在浇铸过程期间，可以将坩锅26的温度保持在约650℃和约1200℃之间的温度。在一些实施例中，在浇铸过程期间，可以将坩锅26的温度保持在约800℃和约1200℃之间的温度。可以在空气中、氮环境、惰性环境、部分真空、全真空或它们的任何组合中进行浇铸过程。浇铸过程可以是在任何压力下，例如约0.1GPa和约20GPa之间。
***20还包括磁场发生器30，其产生RF熔炉22和RF熔炉内的材料(例如熔化的包含铁和氮的混合物)暴露于其的外磁场32。在将熔化的包含铁和氮的混合物冷却至固体材料期间，可以将外磁场32应用于包含铁和氮的材料。在一些实施例中，还可以在熔化包含铁和氮的混合物的始终应用外磁场32。在一些实施例中，还可以在熔化包含铁和氮的固体材料以形成熔化的包含铁和氮的混合物的同时应用外磁场32。
外磁场32可以影响铁和氮的熔化混合物至铁和氮的固体混合物的冷却和固化期间颗粒的成核和生长。例如，虽然不希望受任何操作理论的约束，但是颗粒的吉布斯自由能(Gibbs free energy)可取决于其相对于外磁场32的取向。例如，(002)平面或(004)平面基本平行(例如平行或几乎平行(如在平行的约5度内))于外磁场32的颗粒可以具有低于(110)平面、(112)平面、(202)平面或(200)平面基本平行(例如平行或几乎平行(如在平行的约5度内))于外磁场32的颗粒的吉布斯自由能。为此，颗粒可能更容易成核和生长，其中(002)平面或(004)平面基本平行(例如平行或几乎平行(如在平行的约5度内))于外磁场32。这可以促进在浇铸过程中形成的铁或氮化铁晶体的晶轴的基本取向(例如取向或几乎取向)，这可以有助于形成时α″-Fe16N2的晶轴的基本对齐(例如对齐或几乎对齐(如在对齐的约5度内))。
另外地或可替代地，外磁场32可以促进氮扩散到铁晶格的间隙中，这可以减少或基本防止氮扩散到包含铁和氮的材料外。在不希望受任何理论操作的约束的情况下，目前认为外磁场32与铁晶体晶格相互作用，且由于铁晶体成核和生长可以使晶格扭曲。铁晶体晶格的扭曲可以允许氮更容易地扩散到铁晶格的间隙中。一旦氮已经扩散到铁晶格的间隙中，氮可能更难以扩散到铁晶格外。另外地或可替代地，在不希望受任何操作理论的约束的情况下，目前认为外磁场32可以阻挡熔化的氮化铁混合物中的对流，这可以在氮化铁晶体的生长期间减少氮原子在固-液界面上的移动。
外磁场32还可以影响铁颗粒尺寸、颗粒尺寸均匀性、颗粒边界、颗粒形状，因为外磁场32可以影响成核和生长过程中的成核密度和瑕疵密度。例如，由于应用外磁场32，除具有单轴磁各向异性之外，通过在应用磁场存在的情况下浇铸包含铁和氮的材料(14)形成的工件可以包含限定各向异性形状的至少一种氮化铁晶体或颗粒。至少一种各向异性形状的氮化铁晶体或颗粒可以限定约1.1和约50之间如约1.4和约50之间、或2.2和约50之间、或约5和约50之间的长宽比。如本文所使用的，将长宽比定义为各向异性颗粒的最长尺寸的长度与最短尺寸的长度的比值，其中在与最长尺寸基本正交(例如正交或几乎正交(如在正交的约5度内))的方向上测量最短尺寸。在一些实例中，α″-Fe16N2晶体或颗粒84的最短尺寸在约5nm和约300nm之间。
在一些实施例中，至少一种各向异性形状的氮化铁晶体或颗粒的最长尺寸可以基本平行(例如平行或几乎平行(如在平行的约5度内))于应用磁场32的方向和因此单轴磁各向异性的方向。类似地，至少一种各向异性形状的氮化铁晶体或颗粒的最长尺寸可以基本平行(例如平行或几乎平行(如在平行的约5度内))于各向异性形状的氮化铁晶体或颗粒的磁晶体各向异性的易磁化轴。例如，对于体心四方的(bct)Fe16N2和Fe、(002)纹理可以基本上平行(例如平行或几乎平行(如在平行的约5度内))于晶体或颗粒的最长尺寸。以这种方式，各向异性形状的氮化铁晶体或颗粒具有的各向异性形状可以有助于材料的磁各向异性。
在一些实施例中，应用磁场可以影响颗粒边界的性质，如硬化颗粒边界。应用磁场可以促进在浇铸过程(14)中产生位于颗粒边界处或附近的销连接位点(pinning site)如掺杂原子瑕疵，这可以增加颗粒边界的硬度(例如在颗粒边界约1nm至约100nm内的区域)。例如，应用磁场可以促进掺杂原子或瑕疵在颗粒内朝向颗粒边界移动。
在一些实施例中，外磁场32可以是由DC模式电磁铁产生的静态磁场。静态磁场在浇铸技术期间不能作为时间的函数改变。DC模式外磁场32可以具有约0.01特斯拉(T)和约50T之间的磁通量密度。在一些实施例中，外磁场32可以是至少0.2T。在一些实施例中，外磁场32可以是至少约0.2T、至少约2T、至少约2.5T、至少约6T、至少约7T、至少约8T、至少约9T、至少约10T或更高。在一些实施例中，外磁场32在约5T和约10T之间。在其他实施例中，外磁场32在约8T和约10T之间。在其他实施例中，外磁场32可以是由AC模式电磁铁产生的变化的磁场。变化的磁场在浇铸技术期间可以作为时间的函数改变。AC模式外磁场32可以具有约0.01特斯拉和约50特斯拉之间的磁通量密度。在一些实施例中，外磁场32可以是至少0.2T。在一些实施例中，外磁场32可以是至少约0.2T、至少约2T、至少约2.5T、至少约6T、至少约7T、至少约8T、至少约9T、至少约10T或更高。在一些实施例中，外磁场32在约5T和约10T之间。在其他实施例中，外磁场32在约8T和约10T之间。
在一些实施例中，外磁场32在整个RF熔炉22或至少坩锅26容纳的整个体积中可以是基本均匀的(例如均匀或几乎均匀(例如在约5％内))。在其他实施例中，外磁场32可以作为位置的函数变化。例如，外磁场32可以沿外磁场的方向变化(由图2所示的方向指出)。例如，梯度可以在约0.01特斯拉/米(约0.00001特斯拉/毫米)和约1000特斯拉/米(约1特斯拉/毫米)之间，如约0.01特斯拉/米(约0.00001特斯拉/毫米)和约50特斯拉/米(约0.05特斯拉/毫米)之间，或约1特斯拉/米(约0.001特斯拉/毫米)和约1000特斯拉/米(约1特斯拉/毫米)之间。在一些实施例中，梯度在外磁场32的通量密度上可以是单调递增或递减的。
在外磁场32存在的情况下浇铸包含铁和氮的材料期间(14)，可以允许熔化的包含铁和氮的材料冷却和固化。在一些实施例中，该冷却过程可以是相对缓慢的，例如可以通过停止加热RF熔炉22引起冷却。在其他实施例中，可以在淬火介质中使熔化的包含铁和氮的材料淬火以更快速地冷却和固化该熔化的包含铁和氮的材料。图2的***可选地包含淬火介质28。在一些实施例中，淬火介质28可以包含水(室温、冷的或冰的水)、油、盐水、氨水或酰胺。可以将熔化的包含铁和氮的材料倾倒到淬火介质中，或可以围绕坩锅26或固化的(但仍热的)包含铁和氮的材料循环淬火介质。在使用时，淬火介质28的温度可以在约-269℃和约210℃之间。
浇铸的包含铁和氮的材料可以包含至少一种类型的氮化铁。除铁和/或氮之外，至少一种类型的氮化铁如例如FeN、Fe2N(例如ξ-Fe2N)、Fe3N(例如ε-Fe3N)、Fe4N(例如γ′-Fe4N和/或γ-Fe4N)、Fe2N6、α-Fe8N、α″-Fe16N2或FeNx(其中x在约0.05和约0.5之间)。浇铸的材料然后可以经历进一步的处理以将至少一些类型的氮化铁转化为α″-Fe16N2。以下将参考图11描述进一步处理的一些实施例。
在一些实施例中，除了使用图2示出的***，可以在外磁场存在的情况下将另一类装置用于浇铸包含铁和氮的混合物。图3示出了包括可以用于在外磁场存在的情况下浇铸包含铁和氮的材料的坩锅加热台42的示例性***40的示意图。图4是示出了图3所示的坩锅加热台42的一个实例的进一步细节的示意图。
从图3可以看出，包含铁和氮的材料46被覆盖材料48包裹。覆盖材料48可以是玻璃或具有与玻璃类似的熔点的另一种无定形材料。覆盖材料48可以基本上包封(例如包封或几乎包封)包含铁和氮的材料46。因为覆盖材料48是无定形的，所以其可以紧紧地包裹材料并将应力应用于材料上。以这种方式，覆盖材料48可以促进将应变(strain)引入到包含铁和氮的材料46中，这可以引起形成具有高饱和磁化度的材料。在进入坩锅加热台42之前，包含铁和氮的材料46可以是形状如丝、带状物、膜等。
在图3和图4所示的实施例中，从附图从上到下，包含铁和氮的材料46垂直穿过坩锅加热台42。在其他实施例中，从附图从下到上，包含铁和氮的材料46可以垂直穿过坩锅热台42。
坩锅加热台42限定包含铁和氮的材料46穿过的孔56(例如其中设置包含铁和氮的材料46的一部分)。在一些实施例中，在加热包含铁和氮的材料46期间，坩锅加热台42的所有部分不与包含铁和氮的材料46接触。在一些实施方式中，这是有利的，由于其降低了不需要的元素或化学物质接触并扩散到包含铁和氮的材料46中的风险。不需要的元素或化学物质可以影响包含铁和氮的材料46的性质；因此可能期望减少或限制包含铁和氮的材料46和其他材料之间的接触。
坩锅加热平台42还包括环绕由坩锅加热平台42限定的孔56的至少一部分的感应器44。感应器44包括导电材料如铝、银或铜，通过其可以流通电流。通过感应器44的电流可以是交流电(AC)，其可以诱导包含铁和氮的材料46中的涡电流并加热包含铁和氮的材料46。
包含铁和氮的材料46由涡电流加热以形成熔化的包含铁和氮的材料46。在一些实施例中，虽然没有在图3和图4中示出，但是在熔化过程中，轴向拉拔(drawn)包含铁和氮的材料46，使得与包含铁和氮的固体材料46相比，熔化的包含铁和氮的材料46的厚度或直径是降低的。在熔化过程中，熔化的包含铁和氮46的材料基本上继续由覆盖材料48包封。
在一些实施例中，可以通过线圈50中的孔拉拔熔化的包含铁和氮的材料，这可以限定浇铸的包含铁和氮的材料52的截面尺寸与形状。
可选地，可以将浇铸的包含铁和氮的材料52暴露于冷却介质如水(室温的、冷的或冰的水)、油、氨水或酰胺以促进浇铸的包含铁和氮的材料52的冷却。在其他实施例中，可以空气冷却浇铸的包含铁和氮的材料52。
在浇铸技术的熔化和冷却部分期间，将包含铁和氮的材料48(固体、熔化的和浇铸的52)暴露于由磁体54产生的外磁场56。如以上参照图2所描述的，外磁场56可以影响熔化的包含铁和氮的材料48的冷却和固化为浇铸的包含铁和氮的材料52期间颗粒的成核和生长。另外地或可替代地，外磁场56可以促进氮扩散到铁晶格的间隙中，这可以减少或基本防止(例如防止或几乎防止)氮扩散到包含铁和氮的材料之外。外磁场56还可以影响铁颗粒尺寸和颗粒边界，因为外磁场56可以影响成核和生长过程中的成核密度和瑕疵密度。
在一些实施例中，外磁场56可以与参照图2所描述的外磁场32类似或基本相同(例如相同或几乎相同)。例如，外磁场56可以是由DC模式电磁铁产生的静态磁场，并可以具有在约0.01特斯拉和约50特斯拉之间的磁通量密度。在其他实施例中，外磁场56可以是由AC模式电磁铁产生的变化磁场，并可以具有在约0.01特斯拉和约50特斯拉之间的磁通量密度。在一些实施例中，外磁场56可以是至少0.2T。在一些实施例中，外磁场56可以是至少约0.2T、至少约2T、至少约2.5T、至少约6T、至少约7T、至少约8T、至少约9T、至少约10T或更高。在一些实施例中，外磁场56在约5T和约10T之间。在其他实施例中，外磁场56在约8T和约10T之间。在一些实施例中，外磁场56在整个坩锅加热台42中或至少在包含铁和氮的材料48的体积中可以是基本均匀的(例如均匀或几乎均匀(例如在约5％内)。在其他实施例中，外磁场56可以作为位置的函数变化。例如，外磁场56可以沿外磁场的方向变化(由图3所示的方向指出)。例如，梯度可以在约0.01特斯拉/米(约0.00001特斯拉/毫米)和约1000特斯拉/米(约1特斯拉/毫米)之间，如约0.01特斯拉/米(约0.00001特斯拉/毫米)和约50特斯拉/米(约0.05特斯拉/毫米)之间或约1特斯拉/米(约0.001特斯拉/毫米)和约1000特斯拉/米(约1特斯拉/毫米)之间。在一些实施例中，梯度在外磁场56的通量密度上可以是单调递增或递减的。
浇铸的包含铁和氮的材料52可以包含至少一种类型的氮化铁。除铁和/或氮之外，至少一种类型的氮化铁，如例如FeN、Fe2N(例如ξ-Fe2N)、Fe3N(例如ε-Fe3N)、Fe4N(例如γ′-Fe4N和/或γ-Fe4N)、Fe2N6、α-Fe8N、α″-Fe16N2或FeNx(其中x在约0.05和约0.5之间)。浇铸的材料然后可以经历进一步的处理以将至少一些类型的氮化铁转化为α″-Fe16N2。以下将参考图11描述进一步处理的一些实施例。
图5是示出了用于在外磁场存在的情况下带式浇铸示例性氮化铁工件的另一个示例性***60的示意图。带式浇铸***60可以包括含有熔化的铁坯料64的坯料室62，并且通过例如加热线圈形式的加热源66加热。在一些实施例中，坯料腔62中的熔化的铁坯料64的温度可以大于约1800开尔文(K；约1526.85℃)。坯料腔62内的铁坯料64的压力可以在约0.06MPa和约0.12MPa之间。
坯料室62还包括氮入口68，通过其将氮源引入到熔化的铁坯料64中以形成熔化的氮化铁混合物70。可以以各种形式或从各种来源通过氮入口68来提供氮。例如，可以以氨、叠氮化铵或脲的形式提供氮，它们可以通过氮入口68引入并随后在与熔化的铁混合时分解以将氮原子释放在熔化的氮化铁混合物70中。
在一些实施例中，可以提供氮源以在氮化铁混合物70中产生大约化学计量数的氮原子。Fe16N2中铁与氮的化学计量比为8:1。因此可以确定氮化铁混合物70中的铁原子近似数，并通过氮入口68向氮化铁混合物70提供等于铁原子的约1/8(12.5％)的氮原子数，如约8at.％至约15at.％之间。
熔化的氮化铁混合物70通过喷头72流出坯料室62以形成氮化铁板条74。将氮化铁板条74进料到第一挟滚轮(pinch roller)76a和第二挟滚轮76b(集合地称为“挟滚轮76”)的表面之间的间隙区，上述挟滚轮以相反方向旋转。在一些实施例中，喷头72至挟滚轮76的表面的距离可以在约1mm和约50mm之间，如约4mm。
在一些实施例中，第一挟滚轮76a和第二挟滚轮76b的旋转速度可以从约10转每分钟(rpm)至5000rpm变化，并且滚轮76的旋转速度可以大致相同。在一些实施例中，例如使用水冷却来主动地冷却挟滚轮76，其将滚轮76的表面维持在低于氮化铁板条74温度的温度，并且辅助冷却和铸造氮化铁板条74。例如，挟滚轮76的温度可以维持在约300K(约26.85℃)至约400K(约126.85℃)之间。由挟滚轮76施加到氮化铁板条74上的压力可以在约0.04MPa和约0.1MPa之间。
在挟滚轮76之间压制并冷却氮化铁板条74之后，氮化铁板条74形成纹理化的氮化铁板78a和78b。在一些实施例中，纹理化的氮化铁板78a和78b(集合地称为“纹理化的氮化铁板78”)可以形成具有约1μm和约10mm之间的如约5μm和约1cm之间的至少一个尺寸(例如厚度)的纹理化的氮化铁带(无论是单独的还是压制多个氮化铁板78之后)。纹理化的氮化铁板78中的每个可以包括例如(002)或(004)晶体织构(crystal texture)。换句话说，纹理化的氮化铁板78的每一个的主表面可以平行于纹理化的氮化铁板78的各个中的所有或基本上所有的铁晶体的(002)或(004)表面。通过在随后的加工步骤中使用其中所有或基本上所有(例如所有或几乎所有(如大于95％)的铁晶体具有基本上对齐(例如对齐或几乎对齐(如在对齐的约5度内)的晶轴的纹理化的氮化铁板78a或78b，当形成Fe8N和Fe16N2相域时形成的各向异性可以在晶体中基本上对齐。
在带式浇铸技术期间，磁体80可以产生外磁场82，至少熔化的氮化铁混合物70和氮化铁板条74暴露于该外磁场。如以上参考图2所描述的，外磁场82可以影响熔化的氮化铁混合物70至氮化铁板条74的冷却和固化期间颗粒的成核和生长。另外地或可替代地，外磁场82可以促进氮扩散到铁晶格的间隙中，这可以减少或基本防止(例如防止或几乎防止)氮扩散到包含铁和氮的材料外。外磁场82还可以影响铁颗粒尺寸和颗粒边界，因为外磁场82可以影响成核和生长过程中的成核密度和瑕疵密度。
在一些实施例中，外磁场82可以与参考图2所描述的外磁场32类似或基本相同。例如，外磁场82可以是由DC模式电磁铁产生的静态磁场，并可以具有在约0.01特斯拉和约50特斯拉之间的磁通量密度。在一些实施例中，外磁场82可以是至少0.2T。在一些实施例中，外磁场可以是至少约0.2T、至少约2T、至少约2.5T、至少约6T、至少约7T、至少约8T、至少约9T、至少约10T或更高。在一些实施例中，外磁场82在约5T和约10T之间。在其他实施例中，外磁场82在约8T和约10T之间。在其他实施例中，外磁场82可以是由AC模式电磁铁产生的变化磁场，并可以具有在约0.01特斯拉和约50特斯拉之间的磁通量密度。在一些实施例中，外磁场82可以是至少0.2T。在一些实施例中，外磁场82可以是至少约0.2T、至少约2T、至少约2.5T、至少约6T、至少约7T、至少约8T、至少约9T、至少约10T或更高。在一些实施例中，外磁场82在约5T和约10T之间。在其他实施例中，外磁场82在约8T和约10T之间。在一些实施例中，外磁场82贯穿带式浇铸***60或至少贯穿熔化的氮化铁混合物70和氮化铁板条74可以是基本均匀的(例如均匀或几乎均匀(如在约5％内))。在其他实施例中，外磁场82可以作为位置的函数变化。例如，外磁场82可以沿外磁场的方向变化(由图3所示的方向指出)。例如，梯度可以在约0.01特斯拉/米(约0.00001特斯拉/毫米)和约1000特斯拉/米(约1特斯拉/毫米)如约0.01特斯拉/米(约0.00001特斯拉/毫米)和约50特斯拉/米(约0.05特斯拉/毫米)之间或约1特斯拉/米(约0.001特斯拉/毫米)和约1000特斯拉/米(约1特斯拉/毫米)之间。在一些实施例中，梯度在外磁场82的通量密度上可以是单调递增或递减的。
氮化铁板条74可以包含至少一种类型的氮化铁。除铁和/或氮之外，至少一种类型的氮化铁，如例如FeN、Fe2N(例如ξ-Fe2N)、Fe3N(例如ε-Fe3N)、Fe4N(例如γ′-Fe4N和/或γ-Fe4N)、Fe2N6、α-Fe8N、α″-Fe16N2或FeNx(其中x在约0.05和约0.5之间)。氮化铁板条74然后可以经历进一步的处理以将至少一些类型的氮化铁转化为α″-Fe16N2。以下将参考图11描述进一步处理的一些实施例。
以上实施例描述了在浇铸技术期间包含铁和氮的混合物的材料暴露于磁场的浇铸技术。本公开还描述了在外磁场存在的情况下接合(joining)多个包含α″-Fe16N2相域的工件的压实技术。图6是示出了α″-Fe16N2晶胞的示意图。如图6中所示的，在α″-Fe16N2相中，N原子沿着(002)(铁)晶体平面对齐。氮化铁晶胞被扭曲使得单位晶胞沿着<001>轴的长度是约6.28埃同时单位晶胞沿着<010>和<100>轴的长度是约当在应变状态时，α″-Fe16N2晶胞可以称为体心四方(bct)单位晶胞。当α″-Fe16N2晶胞是在应变状态时，可以将<001>轴称为单位晶胞的c轴。c轴可以是α″-Fe16N2单位晶胞的易磁化轴。换句话说，α″-Fe16N2晶体表现出磁各向异性。
α″-Fe16N2具有高饱和磁化度和磁各向异性常数。高饱和磁化度和磁各向异性常数产生可能比稀土磁体更高的磁能积。例如，从薄膜Fe16N2永磁体收集的实验证据表明块状Fe16N2永磁体可能具有期望的磁性质，包括高达约134兆高斯*奥斯特(MGOe)的能积，这是约NdFeB(具有约60MGOe的能积)的能积的两倍。计算和实验示出α″-Fe16N2的磁晶体各向异性可以是约1.0-2.0x 107erg/cm3。α″-Fe16N2还具有约2.9玻尔磁子/铁原子μB/Fe的相对高的理论磁饱和力矩。另外，铁和氮是丰富元素，因此比较廉价且容易获得。
尽管不希望受理论的约束，但是三种类型的各向异性可以有助于α″-Fe16N2或其他基于铁的磁性材料的磁各向异性能量或磁各向异性场。这三种类型的各向异性包括磁晶体各向异性、形状各向异性和应变各向异性。如以上所描述的，磁晶体各向异性可以与bcc铁晶格至图4所示的bct氮化铁晶格的扭曲有关。形状各向异性可以与氮化铁晶体或颗粒的形状有关，或与氮化铁工件的形状有关。例如，如图7所示，α″-Fe16N2晶体或颗粒84可以限定最长的尺寸(基本上平行于图7的z轴，其中为了描述方便示出了正交x-y-z轴)。α″-Fe16N2晶体或颗粒84还可以限定最短的尺寸(例如基本上平行于图7的x轴或y轴)。可以在与α″-Fe16N2晶体或颗粒84的最长轴正交的方向上测量最短尺寸。
在一些实例中，α″-Fe16N2晶体或颗粒84可以限定约1.1和约50之间如约1.4和约50之间、或2.2和约50之间、或约5和约50之间的长宽比。在一些实例中，α″-Fe16N2晶体或颗粒84的最短尺寸在约5nm和约300nm之间。
应变各向异性可以与施加于α″-Fe16N2或其他基于铁的磁性材料上的应变有关。在一些实例中，将α″-Fe16N2颗粒设置或嵌入到包含铁或其他类型的氮化铁(例如Fe4N)的颗粒的基质中。α″-Fe16N2颗粒可以具有不同于铁或其他类型的氮化铁的颗粒的热膨胀系数。由于α″-Fe16N2颗粒和铁或其他类型的氮化铁的颗粒在热加工期间的尺寸变化不同，这些差异可以将应变引入到α″-Fe16N2颗粒中。可替代地或另外地，可以使材料或工件经受机械应变(如贯穿本申请所描述的)或由于暴露于加工期间应用的磁性导致的应变以形成α″-Fe16N2颗粒，至少一些在加工之后应变可以保持在材料或工件中。退火可以导致样品的内部应力和局部微观结构的再分布来降低应力状态中的磁致弹性能。应变各向异性下的磁畴(magnetic domain)结构取决于磁致弹性能、静磁能和交换能。
图8是示出了在其他材料的基质88中包含多个α″-Fe16N2晶体或颗粒84的示例性工件86的示意图。如图8所示，α″-Fe16N2晶体或颗粒84中的每个限定各向异性的形状。进一步地，α″-Fe16N2晶体或颗粒84的各个α″-Fe16N2晶体或颗粒的易磁化轴基本平行(例如平行或基本平行)于各自的α″-Fe16N2晶体或颗粒的各自的最长尺寸。在一些实施例中，各个α″-Fe16N2晶体或颗粒的易磁化轴可以基本平行(例如平行或几乎平行(如在平行的约5度内))于其他各自的易磁化轴(并因此基本平行(例如平行或几乎平行(如在平行的约5度内))于其他各自的最长尺寸)。在一些实施例中，如以上参考图1-5所描述的，可以通过在应用磁场存在的情况下浇铸使用的材料以形成工件86将其实现。以这种方式，工件86可以具有产生磁晶体各向异性、形状各向异性和应变各向异性的结构特征，所有都有助于工件86的各向异性磁场。
图9是示出了用于工件86的示例性磁滞曲线的框图。图9所示的磁滞曲线示出了工件86具有磁各向异性，因为当平行于图8的c轴方向应用磁场时，工件86的矫顽力(x轴截距)不同于当平行于图8的a轴和b轴方向应用磁场时工件86的矫顽力(x轴截距)。
直接生产包含α″-Fe16N2相域的块状材料可能是困难的。本文所描述的替代技术包括形成包含α″-Fe16N2相域的较小的材料，然后将较小的材料接合(或固结)为包含α″-Fe16N2相域的块状磁性材料。图10是示出了用于固结包含至少一个α″-Fe16N2相域的多个工件以形成块状磁性材料的示例性技术的流程图。
在一些实施例中，代替固结多个包含至少一个α″-Fe16N2相域的工件来形成块状磁性材料，图10的技术可以包括固结多个包含至少一个含有单轴磁各向异性的基于铁的相域如应变的铁、Fe16C2或铁和B、O、P、Y、Mn、Co、Cr、Si、Al等中的至少一种的工件。
图10的技术包括使多个包含氮化铁的工件与粘合剂材料混合(92)。多个包含氮化铁的工件中的至少一些可以包含至少一个α″-Fe16N2相域。在一些实施例中，多个包含氮化铁的工件中的每个可以包含至少一个α″-Fe16N2相域。另外，多个工件可以包含其他氮化铁相域(例如FeN、Fe2N(例如ξ-Fe2N)、Fe3N(例如ε-Fe3N)、Fe4N(例如γ′-Fe4N和/或γ-Fe4N)、Fe2N6、α-Fe8N或FeNx(其中x在约0.05和约0.5之间)的域、铁相域等)。
多个工件可以包含任何形状和尺寸。在一些实施例中，工件包含一个长于各个工件的其他尺寸的尺寸。具有比其他尺寸更长尺寸的示例性工件包括纤维、丝、细丝、线缆、膜、厚膜、箔、带、板等。在其他实施例中，工件可以不具有比该工件的其他尺寸更长的尺寸。例如，工件可以包括颗粒或粉末，如球、圆柱体、小片(flecks)、薄片、规则多面体、不规则多面体、以及它们的任何组合。合适的规则多面体的实例包括四面体、六面体、八面体、十面体、十二面体等，其非限制性的实例包括立方体、棱柱、棱锥等。
粘合剂材料可以包含可以与多个工件压制在一起以形成粘在一起的块状材料的任何材料。在一些实施例中，粘合剂可以包含树脂、蜡或低熔点金属。低熔点金属可以包含例如锌(Zn)、锡(Sn)、铋(Bi)、镓(Ga)、钠(Na)或锂(Li)。示例性树脂包括天然或合成树脂，包括离子交换树脂，如在商品名称AmberliteTM下由Dow Chemical Company,Midland,Michigan可获得的那些；环氧树脂如双马来酰亚胺-三嗪(BT)-环氧树脂；聚丙烯腈；聚酯；硅酮；预聚物；聚乙烯醇缩丁醛；脲-甲醛等。
然后可以将包含多个工件和粘合剂的混合物暴露于外磁场(94)。参考包含多个工件和粘合剂的混合物，外磁场可以具有预定的取向。可以将该预定取向用于设置块状材料的磁化方向。例如，当首先混合包含多个工件和粘合剂的混合物时，多个工件的各个易磁化轴(例如α″-Fe16N2的c轴)可以基本上是随机取向(例如随机取向或几乎随机取向)的。如果用基本上随机取向的各个易磁化轴的多个工件形成块状材料，则块状材料的磁各向异性可以是相对低的，这可以降低块状磁性材料的磁性(如能积)。
通过使用外磁场基本对齐工件各自的易磁化轴中的至少一些，可以增加块状磁性材料的磁各向异性，这可以改善块状磁性材料的磁性(如能积)。外磁场还可以允许限定块状材料的磁化方向，例如通过基本对齐多个工件中的至少一些各个易磁环轴。例如，可以将粘合剂和多个工件的混合物设置在限定最终的磁性材料的近似净形状的模具中，并可以相对于模具以限定块状材料的磁化方向的选定方向取向外磁场。
在一些实施例中，外磁场可以是由DC模式电磁铁产生的静态磁场，并可以具有在约0.01特斯拉和约50特斯拉之间的磁通量密度。在一些实施例中，外磁场可以是至少0.2T。在一些实施例中，外磁场可以是至少约0.2T、至少约2T、至少约2.5T、至少约6T、至少约7T、至少约8T、至少约9T、至少约10T或更高。在一些实施例中，外磁场在约5T和约10T之间。在其他实施例中，外磁场在约8T和约10T之间。
在其他实施例中，外磁场可以是由AC模式电磁铁产生的变化磁场，并可以具有在约0.01特斯拉和约50特斯拉之间的磁通量密度。在一些实施例中，外磁场可以是至少0.2T。在一些实施例中，外磁场82可以是至少约0.2T、至少约2T、至少约2.5T、至少约6T、至少约7T、至少约8T、至少约9T、至少约10T或更高。在一些实施例中，外磁场82在约5T和约10T之间。在其他实施例中，外磁场82在约8T和约10T之间。在一些实施例中，外磁场82贯穿带式浇铸***60或至少贯穿熔化的氮化铁混合物70和氮化铁板条74的体积是基本均匀的。在其他实施例中，外磁场82可以作为位置的函数变化。例如，外磁场82可以沿外磁场的方向变化(由图5中箭头的方向指出)。例如，梯度可以在约0.01特斯拉/米(约0.00001特斯拉/毫米)和约1000特斯拉/米(约1特斯拉/毫米)之间，如约0.01特斯拉/米(约0.00001特斯拉/毫米)和约50特斯拉/米(约0.05特斯拉/毫米)之间或约1特斯拉/米(约0.001特斯拉/毫米)和约1000特斯拉/米(约1特斯拉/毫米)之间。在一些实施例中，梯度在外磁场82的通量密度上可以是单调递增或递减的。
在将包含粘合剂和多个工件的混合物暴露于外磁场(94)的同时，可以压实混合物以接合粘合剂和多个工件并形成块状磁性材料(96)。压实包含粘合剂和多个工件的混合物(96)可以包括向混合物施加压力。例如，在室温下压力可以在约1兆帕(MPa)和约100吉帕(GPa)之间。可以在相对低的温度(例如约-268.93℃(在大气压下液态氦的沸点温度)和约室温(约23℃))下压实包含粘合剂和多个工件的混合物。可替代地，可以在相对高的温度(例如在约室温(约23℃)和约210℃之间)下进行包含粘合剂和多个工件的混合物的压实。压实步骤的产物可以是包含α″-Fe16N2相域的块状磁性材料。
在一些实施例中，可以在用于形成包含α″-Fe16N2相域的块状磁性材料的相同的总技术中一起进行本文所描述的浇铸和压实过程。图11是示出了用于由包含铁和氮的原材料形成包含α″-Fe16N2相域的块状磁性材料的示例性技术的流程图。图11的技术包括形成熔化的包含铁和氮的混合物(102)。该步骤可以与参考图1所描述的步骤(12)类似或基本相同。图11的技术还包括在外磁场存在的情况下浇铸熔化的包含铁和氮的混合物(104)。该步骤可以与参考图1所描述的步骤(14)类似或基本相同。
图11的技术还可选地包括压制包含铁和氮的材料(106)。可以压制包含铁和氮的材料以实现包含铁和氮的材料的预定尺寸。在压制过程期间，可以将包含铁和氮的材料的温度保持低于约250℃，并且取决于期望的包含铁和氮的材料的最终尺寸(例如厚度或直径)，可以将包含铁和氮的材料暴露于约5吨和50吨之间的压力。在一些实施例中，当压制过程完成时，包含铁和氮的材料可以是以工件的形状，该工件在一个或多个轴中具有约0.001mm至约50mm的尺寸(例如，对于丝是约0.1mm和约50mm之间的直径，或对于带是约0.001mm和约5mm之间的厚度)。完成压制之后，包含铁和氮的材料可以包含至少一个Fe8N氮化铁相域。
在一些实施例中，技术还可选地包括使包含铁和氮的材料淬火(108)。淬火可以固定包含铁和氮的材料的晶体结构和相组成。例如，淬火可以促进在包含铁和氮的材料中形成Fe8N相域。在一些实施例中，在淬火过程期间，可以将包含铁和氮的材料加热至650℃以上的温度持续约0.5小时和约20小时之间。在一些实施例中，可以将包含铁和氮的材料的温度突然下降至低于工件合金的马氏体温度(Ms)。例如，对于Fe16N2，马氏体温度(Ms)是约250℃。用于淬火的介质可以包括液体如水、盐水(具有约1％至约30％的盐浓度)，非水液体或溶液如油或液氮。在其他实施例中，淬火介质可以包括气体，如具有约1sccm至约1000sccm的流动速率的氮气。在其他实施例中，淬火介质可以包括固体，如盐、沙等。在一些实施例中，在淬火过程期间，可以以大于50℃每秒的速率将包含铁和氮的工件冷却。在一些实施例中，可以通过磁场和/或电场辅助淬火过程。
图11的技术进一步可以包括拉拔(或应变)和退火包含铁和氮的材料(110)、(112)。应变和退火过程可以将包含铁和氮的材料中的至少一些Fe8N氮化铁相域转化为Fe16N2相域。可以使用各种应变诱导设备将应变力施加到包含铁和氮的材料上。例如，可以由第一组辊和第二组辊接受(例如卷绕在周围)包含铁和氮的材料，并可以在相反方向上旋转所述组的辊以向包含铁和氮的材料施加拉伸力。在其他实施例中，可以将包含铁和氮的材料的相对端夹在机械夹头(例如夹钳)中，并且将机械夹子远离彼此移动以在包含铁和氮的材料上施加拉力。
在一些实施例中，可以沿着基本平行(例如平行或几乎平行(如在平行的约5度))于包含铁和氮的材料中的至少一个铁晶体的<001>轴的方向使包含铁和氮的材料发生应变。应变诱导装置可以使包含铁和氮的材料应变至某种伸长率。例如，包含铁和氮的材料的上应变可以在约0.3％和约12％之间。在其他实施例中，包含铁和氮的材料上的应变可以小于约0.3％或大于约12％。在一些实施例中，在包含铁和氮的材料上施加一定的应变可以在铁(或氮化铁)的单个单位晶胞上产生基本类似的应变，使得单位晶胞沿<001>轴的伸长率在约0.3％和约12％之间。
在使包含铁和氮的材料应变的同时，可以加热包含铁和氮的材料以退火包含铁和氮的材料(112)。可以通过将包含铁和氮的材料加热至约100℃和约250℃之间如约120℃和约200℃之间的温度使包含铁和氮的材料退火。在使包含铁和氮的材料应变的同时退火包含铁和氮的材料可以促进氮化铁相域中的至少一些转化为α″-Fe16N2相域。
退火过程可以继续一段预定时间，该时间足以使氮原子扩散到合适的间隙中。在一些实施例中，退火过程持续达约20小时和约100小时之间，如约40小时和约60小时之间。在一些实施例中，退火过程可以在惰性气氛如Ar下发生，以降低或基本上防止铁的氧化。在一些实施方式中，在使包含铁和氮的材料退火的同时，温度基本上保持不变。包含铁和氮的材料的拉拔(110)和退火(112)可以获得包含至少一个α″-Fe16N2相域的磁性材料。
在一些实施例中，可以在包含铁和氮的材料的拉拔(110)和退火(112)期间将包含铁和氮的材料暴露于外磁场。在应用磁场存在的情况下使氮化铁材料退火可以增强氮化铁材料中的Fe16N2相形成。增加的Fe16N2相的体积分数可以改善包含氮化铁的磁性材料的磁性质。改善的磁性质可以包括例如矫顽力、磁化作用和磁性取向。在一些实施例中，应用磁场可以是至少0.2特斯拉(T)。进行磁场退火的温度可以至少部分取决于至氮化铁基础组合物的进一步的元素添加和用于初步合成氮化铁基础组合物的方式。在一些实施例中，磁场可以是至少约0.2T、至少约2T、至少约2.5T、至少约6T、至少约7T、至少约8T、至少约9T、至少约10T或更高。在一些实施例中，磁场在约5T和约10T之间。在其他实施例中，磁场在约8T和约10T之间。可以在2014年6月30日提交的美国临时申请号62/019,046中找到关于使包含铁和氮的材料退火的进一步细节，通过引用将其全部内容结合于本文中。
图11的技术还可以包括将包含至少一个α″-Fe16N2相域的多个工件与粘合剂材料压实以形成块状磁性材料(114)。该步骤可以与参考图10所描述的技术类似或基本相同。
图11的技术进一步可以(可选地)包括使块状磁性材料成型(116)。成型过程可以包括例如切片或磨削块状磁性材料的表面以形成预定的最终形状的块状磁性材料。最终，图11的技术进一步可以(可选地)包括使块状磁性材料磁化(118)。以这种方式，图11的技术描述了用于形成包含α″-Fe16N2相域的块状磁性材料的示例性技术。
第1条：一种方法，包括：在应用磁场存在的情况下浇铸包含铁的材料以形成包含至少一个含有单轴磁各向异性的基于铁的相域的工件，其中应用磁场具有至少约0.01特斯拉(T)的强度。
第2条：根据第1条的方法，其中浇铸包含铁的材料包括在应用磁场存在的情况下浇铸包含铁和氮的材料以形成包含至少一个氮化铁相域的工件。
第3条：根据第1条的方法，其中浇铸包含铁的材料包括在应用磁场存在的情况下浇铸包含铁和C、B、O、P、Y、Mn、Co、Cr、Si、Zn或Al中的至少一种的材料以形成包含至少一个具有单轴磁各向异性的相域的工件。
第4条：根据第1至3条中任一项的方法，其中在应用磁场存在的情况下浇铸包含铁的材料包括：在应用磁场存在的情况下浇铸包含铁的材料以形成包含至少一种各向异性形状的基于铁的颗粒的工件，其中至少一种各向异性形状的基于铁的颗粒包括约1.1和约50之间的长宽比，并且其中将长宽比定义为各向异性颗粒的最长尺寸的长度与最短尺寸的长度的比值，其中最长尺寸和最短尺寸是基本上正交的。
第5条：根据第4条的方法，其中至少一种各向异性形状的基于铁的颗粒限定约5nm和约300nm之间的最短尺寸。
第6条：根据第4或5条的方法，其中至少一种各向异性形状的基于铁的颗粒包含多个各向异性形状的基于铁的颗粒，并且其中多个各向异性形状的基于铁的颗粒的各个长轴彼此基本上平行取向。
第7条：根据第4至6条中任一项的方法，其中多个各向异性形状的基于铁的颗粒的各自的长轴基本上平行于应用磁场的方向取向。
第8条：根据第4至7条中任一项的方法，其中对于各个各向异性形状的基于铁的颗粒，磁晶体各向异性的各自的易磁化轴基本上平行于各自的最长轴。
第9条：根据第1至8条中任一项的方法，其中应用磁场的强度大于约0.02T。
第10条：根据第1至8条中任一项的方法，其中应用磁场的强度大于约2.5T。
第11条：根据第1至8条中任一项的方法，其中应用磁场的强度大于约9T。
第12条：根据第1至11条中任一项的方法，其中应用磁场的强度低于约50T。
第13条：根据第1至12条中任一项的方法，其中材料进一步包含至少一种掺杂剂。
第14条：根据第13条的方法，其中至少一种掺杂剂包含以下各项中的至少一种：Al、Mn、La、Cr、Co、Ti、Ni、Zn、Zr、Ca或稀土金属。
第15条：根据第13条的方法，其中至少一种掺杂剂包含以下各项中的至少一种：B、C、P、Si或O。
第16条：根据第2条的方法，其中在浇铸之前，材料中的氮的浓度在约8原子百分数(at.％)和约9at.％之间。
第17条：根据权利要求1至16中任一项的方法，其中浇铸包括：加热包含铁的混合物以形成熔化的包含铁的混合物；以及冷却熔化的包含铁的混合物以形成工件。
第18条：根据第17条的方法，其中冷却熔化的混合物包括在淬火介质中使熔化的混合物淬火。
第19条：根据第18条的方法，其中淬火介质包含水、冰水、盐水、油、氨水或酰胺中的至少一种。
第20条：根据第17至19条中任一项的方法，其中加热包含铁的混合物包括在应用磁场存在的情况下加热包含铁的混合物，并且其中冷却熔化的包含铁的混合物包括在应用磁场存在的情况下冷却熔化的包含铁的混合物。
第21条：根据第17至20条中任一项的方法，其中加热包含铁的混合物包括使用射频熔炉在坩锅中加热包含铁的混合物。
第22条：根据第17至20条中任一项的方法，其中加热包含铁的混合物包括在冷坩埚中加热包含铁的混合物，并且其中混合物基本上包封在覆盖材料内。
第23条：根据第17至20条中任一项的方法，其中冷却熔化的包含铁的混合物包括在冷的辊之间冷却熔化的混合物以形成工件。
第24条：一种方法，包括：在应用磁场存在的情况下压实多个工件以形成包含多个含有单轴磁各向异性的基于铁的相域的块状材料，每个工件包含至少一个含有单轴磁各向异性的基于铁的相域，其中应用磁场具有至少约0.01特斯拉(T)的强度，其中应用磁场限定块状材料的磁化方向。
第25条：根据第24条的方法，其中至少一个含有单轴磁各向异性的基于铁的相域包括至少一个α″-Fe16N2相域。
第26条：根据第24或25条的方法，其中至少一个含有单轴磁各向异性的基于铁的相域包括以下中的至少一种：体心四方铁相域，或具有体心四方晶体结构并包含铁和C、B、O、P、Y、Mn、Co、Cr、Si、Al或Zn中的至少一种的相域。
第27条：根据第24至26条的方法，其中至少一个含有单轴磁各向异性的基于铁的相域包含至少一种各向异性形状的基于铁的颗粒，其中至少一种各向异性形状的基于铁的颗粒包括约1.1和约50之间的长宽比，并且其中将长宽比定义为各向异性颗粒的最长尺寸的长度与最短尺寸的长度的比值，其中最长尺寸和最短尺寸是基本上正交的。
第28条：根据第27条的方法，其中至少一种各向异性形状的基于铁的颗粒限定约5nm和约300nm之间的最短尺寸。
第29条：根据第27或28条的方法，其中至少一种各向异性形状的基于铁的颗粒包含多个各向异性形状的基于铁的颗粒，并且其中多个各向异性形状的基于铁的颗粒的各个长轴彼此基本上平行取向。
权利要求30：根据第27至29条中任一项的方法，其中多个各向异性形状的基于铁的颗粒的各自的长轴基本平行于应用磁场的方向取向。
第31条：根据第27至30条中任一项的方法，其中，对于各个各向异性形状的基于铁的颗粒，磁晶体各向异性的各自的易磁化轴基本上平行于各自的最长轴。
第32条：根据第24至31条中任一项的方法，其中应用磁场的强度大于约0.02T。
第33条：根据第24至31条中任一项的方法，其中应用磁场的强度大于约2.5T。
第34条：根据第24至31中任一项的方法，其中应用磁场的强度大于约9T。
第35条：根据第24至34条中任一项的方法，其中应用磁场的强度低于约50T。
第36条：根据第24至35条中任一项的方法，其中，多个工件中的至少一个进一步包含至少一种掺杂剂。
第37条：根据第36条的方法，其中至少一种掺杂剂包含以下各项中的至少一种：Al、Mn、La、Cr、Co、Ti、Ni、Zn、Zr、Ca或稀土金属。
第38条：根据第36条的方法，其中至少一种掺杂剂包含以下各项中的至少一种：B、C、P、Si或O。
第39条：根据第24至38条中任一项的方法，其中应用磁场促进多个工件中的至少一些的易磁化轴基本对齐。
第40条：根据第24至39条中任一项的方法，其中压实多个工件包括使多个工件与树脂、蜡或低熔点金属中的至少一种混合以形成混合物，以及压制混合物以形成块状材料。
第41条：根据第40条的方法，其中压制混合物包括在约1MPa和约100GPa之间的压力下压制混合物。
第42条：根据第40或41条的方法，其中压制混合物包括在约4.2开尔文和约295开尔文之间的温度下冷压混合物。
第43条：根据第40或41条的方法，其中压制混合物包括在约295开尔文和约533开尔文之间的温度下热压混合物。
第44条：根据第40至43条中任一项的方法，其中使多个工件与树脂、蜡或低熔点金属中的至少一种混合包括使多个工件与低熔点金属混合，并且其中低熔点金属包含以下各项中的至少一种：Zn、Sn、Bi、Ga、Na或Li。
第45条：根据第24至44条中任一项的方法，其中多个工件中的一个工件包含粉末、带状物或丝线中的至少一种。
第46条：根据第24至43条中任一项的方法，进一步包括：第1至22条中任一项的方法，其中工件是多个工件中的一个。
第47条：一种配置为执行第1至46条中任一项的方法的装置。
第48条：一种由第1至23条中任一项的方法形成的工件。
第49条：一种由第24至46条中任一项的方法形成的块状材料。
第50条：根据第49条的块状材料，其中块状材料是块状永磁体。
第51条：一种方法，包括：在应用磁场存在的情况下浇铸包含镍、铁和钴中的至少一种的材料以形成包含至少一个含有单轴磁各向异性的基于镍、铁或钴的相域的工件，其中应用磁场具有至少约0.01特斯拉(T)的强度。
第52条：根据第51条的方法，其中金属包含铁。
第53条：根据第52条的方法，其中浇铸包含铁的材料包括在应用磁场存在的情况下浇铸包含铁和氮的材料以形成包含至少一个氮化铁相域的工件。
第54条：根据第51至53条中任一项的方法，其中浇铸包含镍、铁或钴中的至少一种的材料包括在应用磁场存在的情况下包含C、B、O、P、Y、Mn、Co、Cr、Si、Zn或Al中的至少一种以形成包含至少一个具有单轴磁各向异性的相域的工件。
第55条：根据第51至54条中任一项的方法，其中材料进一步包含至少一种掺杂剂，并且其中至少一种掺杂剂包含以下各项中的一种：B、C、P、Si或O。
第56条：根据第51至55条中任一项的方法，另外包括压实多个工件。
第57条：一种工件，包含：至少一种各向异性形状的基于铁的颗粒，其中至少一种各向异性形状的基于铁的颗粒包括约1.1和约50之间的长宽比，并且其中将长宽比定义为各向异性颗粒的最长尺寸的长度与最短尺寸的长度的比值，其中最长尺寸和最短尺寸是基本上正交的。
第58条：根据第57条的工件，其中至少一种各向异性形状的基于铁的颗粒限定约5nm和约300nm之间的最短尺寸。
第59条：根据第57或58条的工件，其中至少一种各向异性形状的基于铁的颗粒包含多个各向异性形状的基于铁的颗粒，并且其中多个各向异性形状的基于铁的颗粒的各自的长轴彼此基本上平行取向。
第60条：根据第57至59条中任一项的工件，进一步包含至少一种含有单轴磁各向异性的基于铁的相域，其中至少一种各向异性形状的基于铁的颗粒的最长尺寸基本上平行于单轴磁各向异性的方向。
第61条：根据第57至60条中任一项的工件，其中至少一种各向异性形状的基于铁的颗粒包含氮化铁。
第62条：根据权利要求61的工件，其中，氮化铁包含α″-Fe16N2.
第63条：根据第57至60条中任一项的工件，其中至少一种各向异性形状的基于铁的颗粒包含铁和以下各项中的至少一种：C、B、O、P、Y、Mn、Co、Cr、Si、Zn或Al。
第64条：根据第57至63条中任一项的工件，进一步包含至少一种掺杂剂。
第65条：根据第64条的工件，其中至少一种各向异性形状的基于铁的颗粒包含掺杂剂。
第66条：根据第64或65条的工件，其中至少一种掺杂剂包含以下各项中的至少一种：Al、Mn、La、Cr、Co、Ti、Ni、Zn、Zr、Ca或稀土金属。
第67条：根据第64或65条的工件，其中至少一种掺杂剂包含以下各项中的至少一种：B、C、P、Si或O。
第68条：根据第57至67条中任一项的工件，其中对于各个各向异性形状的基于铁的颗粒，磁晶体各向异性的各自的易磁化轴基本上平行于各自的最长轴。
第69条：一种块状永磁体，包含：至少一种各向异性形状的基于铁的颗粒，其中至少一种各向异性形状的基于铁的颗粒包括约1.1和约50之间的长宽比，并且其中将长宽比定义为由各向异性颗粒的最长尺寸的长度与最短尺寸的长度的比值，其中最长尺寸和最短尺寸是基本上正交的。
第70条：根据第69条的块状永磁体，其中至少一种各向异性形状的基于铁的颗粒限定约5nm和约300nm之间的最短尺寸。
第71条：根据第69或70条的块状永磁体，其中至少一种各向异性形状的基于铁的颗粒包含多个各向异性形状的基于铁的颗粒，并且其中多个各向异性形状的基于铁的颗粒的各自的长轴彼此基本上平行取向。
第72条：根据第69至71条中任一项的块状永磁体，进一步包含至少一个含有单轴磁各向异性的基于铁的相域，其中至少一种各向异性形状的基于铁的颗粒的最长尺寸基本上平行于单轴磁各向异性的方向。
第73条：根据第69至72条中任一项的块状永磁体，其中至少一种各向异性形状的基于铁的颗粒包含氮化铁。
第74条：根据第73条的块状永磁体，其中氮化铁包含α″-Fe16N2。
第75条：根据第69至72条中任一项的块状永磁体，其中至少一种各向异性形状的基于铁的颗粒包含铁和一下各项中的至少一种：C、B、O、P、Y、Mn、Co、Cr、Si、Zn或Al。
第76条：根据第69至75条中任一项的块状永磁体，进一步包含至少一种掺杂剂。
第77条：根据第76条的块状永磁体，其中至少一种各向异性形状的基于铁的颗粒包含掺杂剂。
第78条：根据第76或77条的块状永磁体，其中至少一种掺杂剂包含以下各项中的至少一种：Al、Mn、La、Cr、Co、Ti、Ni、Zn、Zr、Ca或稀土金属。
第79条：根据第76或77条的块状永磁体，其中至少一种掺杂剂包含以下各项中的至少一种：B、C、P、Si或O。
第80条：根据第69至79条中任一项的块状永磁体，其中对于各个各向异性形状的基于铁的颗粒，磁晶体各向异性的各自的易磁化轴基本上平行于各自的最长轴。
实施例
图12示出了在应用和不应用外磁场的情况下浇铸的氮化铁材料的实例x射线衍射光谱。较暗的线示出了当在磁场存在的情况下浇铸时的相组成。较浅的线示出了当在不应用磁场的情况下浇铸时的相组成。样品中的氮浓度平均在约5at.％和约8at.％之间。在应用或不应用9T磁场的情况下在650℃下加热样品约4小时。在冰水中浇铸样品。评估的冷却速率为约200℃/秒。表2示出了磁浇铸之后图12所示的峰的变化。
表2
已经描述了各种实施例。这些及其他实施例在以下权利要求的范围内。

Claims (80)

1.一种工件，包含：
至少一种各向异性形状的基于铁的颗粒，其中所述至少一种各向异性形状的基于铁的颗粒包括约1.1和约50之间的长宽比，并且其中将所述长宽比定义为各向异性颗粒的最长尺寸的长度与最短尺寸的长度的比值，其中所述最长尺寸和最短尺寸是基本上正交的。
2.根据权利要求1所述的工件，其中所述至少一种各向异性形状的基于铁的颗粒限定约5nm和约300nm之间的最短尺寸。
3.根据权利要求1或2所述的工件，其中所述至少一种各向异性形状的基于铁的颗粒包含多个各向异性形状的基于铁的颗粒，并且其中所述多个各向异性形状的基于铁的颗粒的各自的长轴彼此基本上平行取向。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的工件，进一步包含至少一个含有单轴磁各向异性的基于铁的相域，其中所述至少一种各向异性形状的基于铁的颗粒的所述最长尺寸基本上平行于所述单轴磁各向异性的方向。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的工件，其中所述至少一种各向异性形状的基于铁的颗粒包含氮化铁。
6.根据权利要求5所述的工件，其中，所述氮化铁包含α″-Fe16N2。
7.根据权利要求1至4中任一项所述的工件，其中所述至少一种各向异性形状的基于铁的颗粒包含铁和以下各项中的至少一种：C、B、O、P、Y、Mn、Co、Cr、Si、Zn或Al。
8.根据权利要求1至7中任一项所述的工件，进一步包含至少一种掺杂剂。
9.根据权利要求8所述的工件，其中所述至少一种各向异性形状的基于铁的颗粒包含所述掺杂剂。
10.根据权利要求8或9所述的工件，其中至少一种所述掺杂剂包含以下各项中的至少一种：Al、Mn、La、Cr、Co、Ti、Ni、Zn、Zr、Ca或稀土金属。
11.根据权利要求8或9所述的工件，其中至少一种所述掺杂剂包含以下各项中的至少一种：B、C、P、Si或O。
12.根据权利要求1至11中任一项所述的工件，其中对于各个各向异性形状的基于铁的颗粒，磁晶体各向异性的各自的易磁化轴基本上平行于各自的最长轴。
13.一种包含多个工件的块状永磁体，其中所述多个工件中的至少一个工件包含权利要求1至12中任一项所述的工件。
14.根据权利要求13所述的块状永磁体，其中所述多个工件中的每个包含氮化铁。
15.一种包含权利要求13或14所述的块状永磁体的制品。
16.根据权利要求15所述的制品，其中所述制品包括电动机、发电机、传感器、致动器、机动车组件或风力涡轮机组件。
17.一种方法，包括：
在应用磁场存在的情况下浇铸包含铁的材料以形成包含至少一个含有单轴磁各向异性的基于铁的相域的工件，其中所述应用磁场具有至少约0.01特斯拉(T)的强度。
18.根据权利要求17所述的方法，其中浇铸所述包含铁的材料包括在应用磁场存在的情况下浇铸包含铁和氮的材料以形成包含至少一个氮化铁相域的工件。
19.根据权利要求17所述的方法，其中浇铸所述包含铁的材料包括在应用磁场存在的情况下浇铸包含铁和C、B、O、P、Y、Mn、Co、Cr、Si、Zn或Al中的至少一种的材料以形成包含至少一个具有单轴磁各向异性的相域的工件。
20.根据权利要求17至19所述的方法，其中在所述应用磁场存在的情况下浇铸所述包含铁的材料包括：
在所述应用磁场存在的情况下浇铸所述包含铁的材料以形成包含至少一种各向异性形状的基于铁的颗粒的工件，其中所述至少一种各向异性形状的基于铁的颗粒包括约1.1和约50之间的长宽比，并且其中将所述长宽比定义为所述各向异性颗粒的最长尺寸的长度与最短尺寸的长度的比值，其中所述最长尺寸和最短尺寸是基本上正交的。
21.根据权利要求20所述的方法，其中所述至少一种各向异性形状的基于铁的颗粒限定约5nm和约300nm之间的最短尺寸。
22.根据权利要求20或21所述的方法，其中所述至少一种各向异性形状的基于铁的颗粒包含多个各向异性形状的基于铁的颗粒，并且其中所述多个各向异性形状的基于铁的颗粒的各自的长轴彼此基本上平行取向。
23.根据权利要求20至22中任一项所述的方法，其中所述多个各向异性形状的基于铁的颗粒的各自的长轴以基本上平行于所述应用磁场的方向取向，并且其中，对于各个各向异性形状的基于铁的颗粒，磁晶体各向异性的各自的易磁化轴基本上平行于所述各自的最长轴。
24.根据权利要求17至23中任一项所述的方法，其中所述应用磁场的强度大于约0.02T。
25.根据权利要求17至23中任一项所述的方法，其中所述应用磁场的强度大于约2.5T。
26.根据权利要求17至23中任一项所述的方法，其中所述应用磁场的强度大于约9T。
27.根据权利要求17至26中任一项所述的方法，其中所述应用磁场具有约0.01特斯拉/米和约1000特斯拉/米之间的梯度。
28.根据权利要求17至27中任一项所述的方法，其中所述材料进一步包含至少一种掺杂剂。
29.根据权利要求28所述的方法，其中所述至少一种掺杂剂包含以下各项中的至少一种：Al、Mn、La、Cr、Co、Ti、Ni、Zn、Zr、Ca或稀土金属。
30.根据权利要求28所述的方法，其中所述至少一种掺杂剂包含以下各项中的至少一种：B、C、P、Si或O。
31.根据权利要求18所述的方法，其中在浇铸之前，所述材料中的氮的浓度在约8原子百分数(at.％)和约9at.％之间。
32.根据权利要求17至31中任一项所述的方法，其中浇铸包括：
加热包含铁的混合物以形成熔化的包含铁的混合物；以及
冷却所述熔化的包含铁的混合物以形成所述工件。
33.根据权利要求32所述的方法，其中冷却所述熔化的混合物包括在水、冰水、盐水、油、氨水或酰胺的至少一种中使所述熔化的混合物淬火。
34.根据权利要求32所述的方法，其中冷却所述熔化的包含铁的混合物包括在冷的辊之间冷却所述熔化的混合物以形成所述工件。
35.根据权利要求32至34中任一项所述的方法，其中加热所述包含铁的混合物包括在所述应用磁场存在的情况下加热所述包含铁的混合物，并且其中冷却所述熔化的包含铁的混合物包括在所述应用磁场存在的情况下冷却所述熔化的包含铁的混合物。
36.根据权利要求32至34中任一项所述的方法，其中加热所述包含铁的混合物包括使用射频熔炉在坩锅中加热所述包含铁的混合物。
37.根据权利要求32至34中任一项所述的方法，其中加热所述包含铁的混合物包括在冷坩埚中加热所述包含铁的混合物，并且其中所述混合物基本上包封在覆盖材料内。
38.根据权利要求17至37中任一项所述的方法，进一步包括压实多个所述工件以形成块状材料。
39.根据权利要求38所述的方法，其中压实所述多个工件以形成所述块状材料包括在应用磁场存在的情况下压实所述多个工件以形成包含多个含有单轴磁各向异性的基于铁的相域的块状材料，其中所述应用磁场具有至少约0.01特斯拉(T)的强度。
40.一种方法，包括：
在应用磁场存在的情况下压实多个工件以形成包含多个含有单轴磁各向异性的基于铁的相域的块状材料，每个工件包含至少一个含有单轴磁各向异性的基于铁的相域，其中所述应用磁场具有至少约0.01特斯拉(T)的强度，并且其中所述应用磁场限定所述块状材料的磁化方向。
41.根据权利要求40所述的方法，其中所述至少一个含有单轴磁各向异性的基于铁的相域包括至少一个α″-Fe16N2相域。
42.根据权利要求40或41所述的方法，其中所述至少一个含有单轴磁各向异性的基于铁的相域包括以下中的至少一种：体心四方铁相域，或具有体心四方晶体结构并包含铁和C、B、O、P、Y、Mn、Co、Cr、Si、Zn或Al中的至少一种的相域。
43.根据权利要求40至42中任一项所述的方法，其中所述至少一个含有单轴磁各向异性的基于铁的相域包含至少一种各向异性形状的基于铁的颗粒，其中所述至少一种各向异性形状的基于铁的颗粒包括约1.1和约50之间的长宽比，并且其中将长宽比定义为各向异性颗粒的最长尺寸的长度与最短尺寸的长度的比值，其中所述最长尺寸和最短尺寸是基本上正交的。
44.根据权利要求43所述的方法，其中所述至少一种各向异性形状的基于铁的颗粒限定约5nm和约300nm之间的最短尺寸。
45.根据权利要求43或44所述的方法，其中所述至少一种各向异性形状的基于铁的颗粒包含多个各向异性形状的基于铁的颗粒，并且其中所述多个各向异性形状的基于铁的颗粒的各自的长轴彼此基本上平行取向。
46.根据权利要求43至45中任一项所述的方法，其中所述多个各向异性形状的基于铁的颗粒的各自的长轴基本上平行于所述应用磁场的方向取向，并且其中，对于各个各向异性形状的基于铁的颗粒，磁晶体各向异性的各自的易磁化轴基本上平行于各自的最长轴。
47.根据权利要求40至46中任一项所述的方法，其中所述应用磁场的强度大于约0.02T。
48.根据权利要求40至46中任一项所述的方法，其中所述应用磁场的强度大于约2.5T。
49.根据权利要求40至46中任一项所述的方法，其中所述应用磁场的强度大于约9T。
50.根据权利要求40至49中任一项所述的方法，其中所述应用磁场具有约0.01特斯拉/米和约1000特斯拉/米之间的梯度。
51.根据权利要求40至51中任一项所述的方法，其中，所述多个工件中的至少一个进一步包含至少一种掺杂剂。
52.根据权利要求51所述的方法，其中所述至少一种掺杂剂包含以下各项中的至少一种：Al、Mn、La、Cr、Co、Ti、Ni、Zn、Zr、Ca或稀土金属。
53.根据权利要求51所述的方法，其中所述至少一种掺杂剂包含以下各项中的至少一种：B、C、P、Si或O。
54.根据权利要求40至53中任一项所述的方法，其中所述应用磁场促进所述多个工件中的至少一些的易磁化轴的基本对齐。
55.根据权利要求40至54中任一项所述的方法，其中压实所述多个工件包括使所述多个工件与树脂、蜡或低熔点金属中的至少一种混合以形成混合物，以及压制所述混合物以形成所述块状材料。
56.根据权利要求55所述的方法，其中压制所述混合物包括在约1MPa和约100GPa之间的压力下压制所述混合物。
57.根据权利要求55或56所述的方法，其中压制所述混合物包括在约4.2开尔文和约295开尔文之间的温度下冷压所述混合物。
58.根据权利要求55或56所述的方法，其中压制所述混合物包括在约295开尔文和约533开尔文之间的温度下热压所述混合物。
59.根据权利要求55至58中任一项所述的方法，其中使所述多个工件与所述树脂、所述蜡或所述低熔点金属中的至少一种混合包括使所述多个工件与所述低熔点金属混合，并且其中所述低熔点金属包含以下各项中的至少一种：Zn、Sn、Bi、Ga、Na或Li。
60.根据权利要求40至59中任一项所述的方法，其中所述多个工件中的一个工件包含粉末、带状物或丝线中的至少一种。
61.根据权利要求40至60中任一项所述的方法，进一步包括：
权利要求17至39中任一项所述的方法，其中由权利要求17至39中任一项所述的方法形成的所述工件是所述多个工件中的一个。
62.一种配置为执行权利要求17至61中任一项所述的方法的装置。
63.一种由权利要求17至39中任一项所述的方法形成的工件。
64.一种由权利要求40至61中任一项所述的方法形成的块状材料。
65.根据权利要求64所述的块状材料，其中所述块状材料是块状永磁体。
66.根据权利要求65所述的块状永磁体，其中所述多个工件中的每个包含氮化铁。
67.一种包含权利要求65或66中的块状永磁体的制品。
68.根据权利要求67所述的制品，其中所述制品包括电动机、发电机、传感器、致动器、机动车组件或风力涡轮机组件。
69.一种方法，包括：
在应用磁场存在的情况下浇铸包含镍、铁和钴中的至少一种的材料以形成包含至少一个含有单轴磁各向异性的基于镍、铁或钴的相域的工件，其中所述应用磁场具有至少约0.01特斯拉(T)的强度。
70.根据权利要求69所述的方法，其中金属包含铁。
71.根据权利要求70所述的方法，其中浇铸所述包含铁的材料包括在应用磁场存在的情况下浇铸包含铁和氮的材料以形成包含至少一个氮化铁相域的工件。
72.根据权利要求69至71中任一项所述的方法，其中浇铸所述包含镍、铁或钴中的至少一种的材料包括在应用磁场存在的情况下包含C、B、O、P、Y、Mn、Co、Cr、Si、Zn或Al中的至少一种以形成包含至少一个具有单轴磁各向异性的相域的工件。
73.根据权利要求69至72中任一项所述的方法，其中所述材料进一步包含至少一种掺杂剂，并且其中所述至少一种掺杂剂包含以下各项中的一种：B、C、P、Si或O。
74.根据权利要求69至73中任一项所述的方法，另外包括压实多个所述工件。
75.根据权利要求69至74中任一项所述的方法，其中所述应用磁场具有约0.01特斯拉/米和约1000特斯拉/米之间的梯度。
76.一种由权利要求69至75中任一项所述的方法形成的工件。
77.一种包含多个权利要求76所述的工件的块状材料。
78.根据权利要求77所述的块状材料，其中所述块状材料是块状永磁体。
79.一种包含权利要求78中的块状永磁体的制品。
80.根据权利要求79所述的制品，其中所述制品包括电动机、发电机、传感器、致动器、机动车组件或风力涡轮机组件。
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Families Citing this family (16)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20140072047A (ko) 2011-08-17 2014-06-12 리전츠 오브 더 유니버시티 오브 미네소타 질화철 영구 자석 및 질화철 영구 자석을 형성하기 위한 기술
CN105074836B (zh) 2013-02-07 2018-01-05 明尼苏达大学董事会 氮化铁永磁体和形成氮化铁永磁体的技术
JP2016536777A (ja) 2013-06-27 2016-11-24 リージェンツ オブ ザ ユニバーシティ オブ ミネソタ 窒化鉄材料及び窒化鉄材料を含む磁石
BR112016022561A2 (pt) 2014-03-28 2017-08-15 Univ Minnesota Material magnético de nitreto de ferro incluindo nanopartículas revestidas
US9994949B2 (en) 2014-06-30 2018-06-12 Regents Of The University Of Minnesota Applied magnetic field synthesis and processing of iron nitride magnetic materials
US10002694B2 (en) 2014-08-08 2018-06-19 Regents Of The University Of Minnesota Inductor including alpha″-Fe16Z2 or alpha″-Fe16(NxZ1-x)2, where Z includes at least one of C, B, or O
WO2016022685A1 (en) 2014-08-08 2016-02-11 Regents Of The University Of Minnesota Forming iron nitride hard magnetic materials using chemical vapor deposition or liquid phase epitaxy
US10072356B2 (en) 2014-08-08 2018-09-11 Regents Of The University Of Minnesota Magnetic material including α″-Fe16(NxZ1-x)2 or a mixture of α″-Fe16Z2 and α″-Fe16N2, where Z includes at least one of C, B, or O
US10573439B2 (en) 2014-08-08 2020-02-25 Regents Of The University Of Minnesota Multilayer iron nitride hard magnetic materials
AU2015380371A1 (en) 2015-01-26 2017-08-17 Regents Of The University Of Minnesota Applied magnetic field synthesis and processing of iron nitride magnetic materials
CN107396631A (zh) * 2015-01-26 2017-11-24 明尼苏达大学董事会 具有各向异性形状的铁氮化物粉末
US11875934B2 (en) * 2018-05-28 2024-01-16 Regents Of The University Of Minnesota Iron-rich permanent magnet
CN110904417B (zh) * 2019-11-18 2021-11-02 天津大学 一种应力调控磁化强度的柔性外延Fe4N薄膜及制备方法
CN115699227A (zh) * 2020-02-21 2023-02-03 尼龙磁学公司 各向异性氮化铁永磁体
CN112038082A (zh) * 2020-08-28 2020-12-04 常州古金磁性材料科技有限公司 使用高压氮化的方法制备铁氮磁性材料的方法
JP2022056923A (ja) * 2020-09-30 2022-04-11 株式会社日立製作所 軟磁性材料、軟磁性材料の製造方法および電動機

Family Cites Families (16)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
FR2784248B1 (fr) * 1998-10-02 2000-12-22 Valeo Equip Electr Moteur Alternateur pour vehicule avec rattrapage de jeu sur les aimants interpolaires
JP4370877B2 (ja) * 2003-10-29 2009-11-25 日立金属株式会社 永久磁石粉末の配向方法および永久磁石の製造方法
JP4879128B2 (ja) * 2007-09-21 2012-02-22 Ｔｄｋ株式会社 磁石の製造方法
JP2009259402A (ja) * 2009-08-11 2009-11-05 Hitachi Maxell Ltd 磁気記録媒体および磁気テープカートリッジ
JP5344171B2 (ja) 2009-09-29 2013-11-20 ミネベア株式会社 異方性希土類−鉄系樹脂磁石
JP6017416B2 (ja) * 2010-05-10 2016-11-02 コリア インスティチュ−ト オブ マシナリ− アンド マテリアルズ 広帯域電磁気波吸収体及びその製造方法
JP5822188B2 (ja) * 2010-09-24 2015-11-24 戸田工業株式会社 強磁性粒子粉末及びその製造法、異方性磁石及びボンド磁石
JP2012190892A (ja) * 2011-03-09 2012-10-04 Sumitomo Electric Ind Ltd 磁性体及びその製造方法
US20140132376A1 (en) 2011-05-18 2014-05-15 The Regents Of The University Of California Nanostructured high-strength permanent magnets
JP5769069B2 (ja) * 2011-06-03 2015-08-26 住友電気工業株式会社 窒化鉄材及びその製造方法
KR20140072047A (ko) * 2011-08-17 2014-06-12 리전츠 오브 더 유니버시티 오브 미네소타 질화철 영구 자석 및 질화철 영구 자석을 형성하기 위한 기술
US9607760B2 (en) * 2012-12-07 2017-03-28 Samsung Electronics Co., Ltd. Apparatus for rapidly solidifying liquid in magnetic field and anisotropic rare earth permanent magnet
CN105074836B (zh) 2013-02-07 2018-01-05 明尼苏达大学董事会 氮化铁永磁体和形成氮化铁永磁体的技术
JP2015008230A (ja) * 2013-06-25 2015-01-15 住友電気工業株式会社 希土類磁石用材料、積層磁石、ボンド磁石、圧縮磁石、焼結磁石、希土類磁石用材料の製造方法、ボンド磁石の製造方法、及び圧縮磁石の製造方法
JP2016536777A (ja) 2013-06-27 2016-11-24 リージェンツ オブ ザ ユニバーシティ オブ ミネソタ 窒化鉄材料及び窒化鉄材料を含む磁石
AU2015380371A1 (en) 2015-01-26 2017-08-17 Regents Of The University Of Minnesota Applied magnetic field synthesis and processing of iron nitride magnetic materials

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