Функционально усовершенствованный редкоземельный постоянный магнит

Функционально усовершенствованный редкоземельный постоянный магнит

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Область техники

Данное изобретение относится к редкоземельным постоянным магнитам с высокими рабочими характеристиками, обладающим усовершенствованным функционированием благодаря тому, что только поверхностный слой имеет высокое электрическое сопротивление, в результате чего ограничено генерирование вихревого тока в магнитной цепи.

Уровень техники

Благодаря своим прекрасным магнитным свойствам постоянные магниты на основе Nd-Fe-B находят все расширяющееся применения в различных областях. Для удовлетворения возникшей в последнее время обеспокоенности в связи с проблемами окружающей среды диапазон полезного применения магнитов расширился до охвата крупногабаритного оборудования, такого как промышленное оборудование, электрические автомобили (электромобили) и ветровые генераторы электроэнергии. Все это требует дальнейших усовершенствований магнитов на основе Nd-Fe-B в отношении рабочих характеристиках и электрического сопротивления.

Вихревой ток представляет собой один из факторов, которые снижают эффективность электродвигателей. И хотя вихревой ток генерируется главным образом в магнитном сердечнике, вихревой ток в самом магните становится все более заметным по мере того, как электродвигатель становится большим по размеру. В особенности, в случае электродвигателя с внутренним постоянным магнитом (IPM, от англ. «interior permanent magnet»), имеющего ротор, в котором прорезаны пазы в виде многослойной конструкции из пластин магнитного сердечника, уложенных в пакет с проложенными между ними изоляционными пленками, и в такие пазы со скользящей посадкой помещены постоянные магниты, эти магниты способствуют проводимости между пластинами сердечника, что делает возможным генерирование большего вихревого тока. Ранее было предложено несколько способов покрытия магнитов изолирующими полимерами. Однако остаются нерешенными некоторые проблемы, связанные с тем, что полимерные покрытия могут быть стерты и ободраны при скользящей вставке магнитов в пазы, и при этом является неприменимым метод «горячей посадки» с закреплением магнитов за счет использования теплового расширения.

Также ранее было предложено несколько способов обработки магнитов до тонких пластин, подобных упомянутым пластинам сердечника, и укладывания этих пластинчатых магнитов в пакет с проложенными между ними изоляционными пластинами. Однако эти способы не получили широкого распространения ввиду низкой производительности и повышенных издержек.

По этой причине является достаточно эффективным увеличение электрического сопротивления самих постоянных магнитов, и с этой целью был предложен ряд способов. Поскольку постоянные магниты на основе Nd-Fe-B являются металлическими материалами, они имеют низкое электрическое сопротивление, что демонстрируется удельным сопротивлением в 1,6×10^-6 Ом·м. Согласно одному известному из уровня техники подходу, в магните диспергируют некоторое количество частиц вещества с высоким электрическим сопротивлением, такого как оксид редкоземельного элемента, для того, чтобы вызвать большее рассеяние электронов, за счет которого увеличивается сопротивление магнита. С другой стороны, данный подход приводит к уменьшению объемной доли в магните первичной фазы соединения Nd₂Fe₁₄B, вносящего вклад в магнетизм. Таким образом, существует противоречивая проблема, заключающаяся в том, что чем выше сопротивление, тем более значительными становятся потери в магнитных свойствах.

В патенте Японии № 3471876 раскрыт редкоземельный магнит, обладающий улучшенным сопротивлением коррозии и содержащий по меньшей мере один редкоземельный элемент R, который получен путем осуществления фторирующей обработки в атмосфере газообразного фторида или атмосфере, содержащей газообразный фторид, с образованием соединения RF₃ или соединения RO_xF_y (где x и y имеют значения, удовлетворяющие условию 0 < x < 1,5 и 2x+y = 3) или их смеси, причем R находится в этой составной фазе в поверхностном слое магнита, и последующего осуществления термической обработки при температуре от 200 до 1200°C.

В JP-A 2003-282312 раскрыт имеющий улучшенную намагничиваемость спеченный магнит на основе R-Fe-(B,C) (где R представляет собой редкоземельный элемент, причем по меньшей мере 50% от R составляют Nd и/или Pr), который получен с помощью способа, согласно которому смешивают порошок сплава для спеченного магнита на основе R-Fe-(B,C) с порошком фторида редкоземельного элемента таким образом, что полученная порошковая смесь содержала от 3 до 20% по массе фторида редкоземельного элемента (редкоземельный элемент предпочтительно представляет собой Dy и/или Tb), затем подвергают эту порошковую смесь ориентации в магнитном поле, прессованию и спеканию, в результате чего первичная фаза состоит в основном из зерен Nd₂Fe₁₄B, а на границах зерен первичной фазы или в местах схождения границ трех зерен образуется пограничная фаза в виде отдельных частиц, причем эта пограничная фаза содержит фторид редкоземельного элемента, который содержится в количестве от 3 до 20% от общей массы спеченного магнита. В частности, предложен спеченный магнит на основе R-Fe-(B,C) (где R представляет собой редкоземельный элемент, причем по меньшей мере 50% от R составляют Nd и/или Pr), при этом такой магнит содержит первичную фазу, состоящую в основном из зерен Nd₂Fe₁₄B, и расположенную по границам зерен фазу, содержащую фторид редкоземельного элемента, причем первичная фаза содержит Dy и/или Tb и имеет область, где концентрация Dy и/или Tb является меньшей, чем средняя концентрация Dy и/или Tb во всей первичной фазе.

Однако эти предложения являются все еще недостаточными для улучшения поверхностного электрического сопротивления.

В JP-A 2005-11973 раскрыт магнит на основе редкоземельного элемента-железа-бора, который получен путем выдерживания магнита в вакуумной камере, осаждения элемента M или сплава, содержащего элемент M (M обозначает один или более редкоземельных элементов, выбранных из Pr, Dy, Tb и Ho), который был до этого испарен или распылен физическими средствами, на всю поверхность или на часть поверхности магнита в вакуумной камере и осуществления диффузионного насыщения в оболочке таким образом, что элемент M диффундирует и проникает с поверхности во внутреннюю часть магнита, по меньшей мере, на глубину, соответствующую радиусу кристаллических зерен, выходящих на самую внешнюю поверхность магнита, с образованием расположенного по границам зерен слоя, который обогащен по элементу M. Концентрация элемента M в расположенном по границам зерен слое является более высокой в том месте, которое расположено ближе к поверхности магнита. В результате, магнит имеет расположенный по границам зерен слой, который обогащен элементом M за счет диффузии этого элемента M от поверхности магнита. Коэрцитивная сила H_cj и содержание элемента M во всем магните имеют следующую зависимость:

H_cj ≥ 1 + 0,2×M

где H_cj представляет собой коэрцитивную силу в единицах MA/м, а M представляет собой содержание (в мас.%) элемента M во всем магните и удовлетворяет условию 0,05 ≤ M ≤ 10. Этот способ, однако, является чрезвычайно непроизводительным и непрактичным.

Раскрытие изобретения

Цель настоящего изобретения заключается в создании редкоземельных постоянных магнитов, обладающих усовершенствованным функционированием и удовлетворяющих обоим требованиям по высокому электрическому сопротивлению и прекрасным магнитным свойствам.

В отношении спеченных магнитов на основе R-Fe-B (где R представляет собой один или более элементов, выбранных из редкоземельных элементов, включая Sc и Y), в типичном случае - спеченных магнитов на основе Nd-Fe-B, авторы изобретения установили, что, когда тело магнита нагревают до температуры, которая не превышает температуры спекания, и при этом пространство, окружающее поверхность тела магнита, заполнено оболочкой из порошка на основе фторида R, как R, так и фтор, которые присутствовали в этом порошке, эффективно поглощаются в тело магнита, в результате чего имеющие высокое электрическое сопротивление частицы оксифторида с высокой плотностью распределены только в поверхностном слое этого тела магнита, тем самым увеличивая электрическое сопротивление только поверхностного слоя. В результате этого ограничивается генерирование вихревого тока и в то же время сохраняются прекрасные магнитные свойства.

Соответственно, в настоящем изобретении предложен функционально усовершенствованный редкоземельный постоянный магнит, имеющий сниженные потери на вихревые токи, в виде спеченного тела магнита, которое получено путем поглощения E и атомов фтора в спеченное тело магнита на основе R-Fe-B с его поверхности и которое имеет состав сплава формулы (1) или (2):

R_aE_bT_cA_dF_eO_fM_g (1)

(R·E)_a+bT_cA_dF_eO_fM_g (2)

где R представляет собой по меньшей мере один элемент, выбранный из редкоземельных элементов, включая Sc и Y, а E представляет собой по меньшей мере один элемент, выбранный из щелочноземельных элементов-металлов и редкоземельных элементов, причем R и E могут содержать одинаковый элемент или одинаковые элементы, и при этом спеченное тело магнита имеет состав сплава формулы (1), когда R и E не содержат одинакового(ых) элемента(ов), и имеет состав сплава формулы (2), когда R и E содержат одинаковый(ые) элемент(ы), T представляет собой один или оба из железа и кобальта, A представляет собой один или оба из бора и углерода, F представляет собой фтор, O представляет собой кислород, и M представляет собой по меньшей мере один элемент, выбранный из группы, состоящей из Al, Cu, Zn, In, Si, P, S, Ti, V, Cr, Mn, Ni, Ga, Ge, Zr, Nb, Mo, Pd, Ag, Cd, Sn, Sb, Hf, Ta и W, нижние символы a-g, указывающие выраженные в атомных процентах содержания соответствующих элементов в сплаве, имеют значения в диапазоне: 10 ≤ a ≤ 15 и 0,005 ≤ b ≤ 2 в случае формулы (1) или 10,005 ≤ a+b ≤ 17 в случае формулы (2), 3 ≤ d ≤ 15, 0,01 ≤ e ≤ 4, 0,04 ≤ f ≤ 4, 0,01 ≤ g ≤ 11, остальное составляет c, и при этом тело магнита имеет центр и поверхность. Входящий в состав элемент F распределен таким образом, что его концентрация в среднем повышается от центра к поверхности тела магнита. Внутри спеченного тела магнита границы зерен окружают зерна первичной фазы (R,E)₂T₁₄A тетрагональной системы. Концентрация E/(R+E), содержащихся на границах зерен, является в среднем более высокой, чем концентрация E/(R+E), содержащихся в зернах первичной фазы. На границах зерен присутствует оксифторид (R,E) в межзеренной области, которая простирается от поверхности тела магнита на глубину в по меньшей мере 20 мкм. Частицы оксифторида, имеющие диаметр эквивалентной окружности в по меньшей мере 1 мкм, распределены в этой межзеренной области с численностью по меньшей мере 2000 частиц/мм². Занимаемая присутствующим оксифторидом доля площади составляет по меньшей мере 1%. Тело магнита имеет поверхностный слой, имеющий более высокое электрическое сопротивление, чем внутренняя часть тела магнита. Вследствие этого магнит имеет сниженные потери на вихревые токи.

В предпочтительных вариантах воплощения R содержит по меньшей мере 10 ат.% Nd и/или Pr; T содержит по меньшей мере 60 ат.% железа и A содержит по меньшей мере 80 ат.% бора.

Таким образом, предложены функционально усовершенствованные редкоземельные постоянные магниты, в которых ограничено генерирование вихревого тока в магнитной цепи.

Краткое описание чертежей

Фиг.1a, 1b и 1c представляют собой микрофотографии, на которых приведены изображения распределения состава соответственно по Nd, O и F в теле магнита M1, изготовленного в Примере 1.

Фиг.2 представляет собой график, на котором удельное сопротивление тела магнита M1 согласно Примеру 1 отложено в виде функции глубины от поверхности магнита.

Фиг.3d, 3e, и 3f представляют собой микрофотографии, на которых приведены изображения распределения состава соответственно по Nd, O и F в теле магнита M4, изготовленного в Примере 4.

Фиг.4 представляет собой график, на котором удельное сопротивление тела магнита M4 согласно Примеру 4 отложено в виде функции глубины от поверхности магнита.

ОПИСАНИЕ ПРЕДПОЧТИТЕЛЬНЫХ ВАРИАНТОВ ВОПЛОЩЕНИЯ

Редкоземельный постоянный магнит согласно изобретению находится в виде спеченного тела магнита, полученного путем поглощения E и атомов фтора в спеченное тело магнита на основе R-Fe-B. Полученное в результате тело магнита имеет состав сплава формулы (1) или (2).

R_aE_bT_cA_dF_eO_fM_g (1)

(R∙E)_a+bT_cA_dF_eO_fM_g (2)

В этих формулах R представляет собой по меньшей мере один элемент, выбранный из редкоземельных элементов, включая Sc и Y, а E представляет собой по меньшей мере один элемент, выбранный из щелочноземельных элементов-металлов и редкоземельных элементов. R и E могут «перекрываться» друг с другом и могут содержать одинаковый элемент или одинаковые элементы. Когда R и E не содержат одинакового(ых) по отношению друг к другу элемента или элементов, то спеченное тело магнита имеет состав сплава формулы (1). Когда R и E содержат одинаковый(ые) по отношению друг к другу элемент или элементы, то спеченное тело магнита имеет состав сплава формулы (2). T представляет собой один или оба из железа (Fe) и кобальта (Co), A представляет собой один или оба из бора и углерода, F представляет собой фтор, O представляет собой кислород, и M представляет собой по меньшей мере один элемент, выбранный из группы, состоящей из Al, Cu, Zn, In, Si, P, S, Ti, V, Cr, Mn, Ni, Ga, Ge, Zr, Nb, Mo, Pd, Ag, Cd, Sn, Sb, Hf, Ta и W. Нижние символы a-g, указывающие выраженные в атомных процентах содержания соответствующих элементов в сплаве, имеют значения в диапазоне: 10 ≤ a ≤ 15 и 0,005 ≤ b ≤ 2 в случае формулы (1) или 10,005 ≤ a+b ≤ 17 в случае формулы (2), 3 ≤ d ≤ 15, 0,01 ≤ e ≤ 4, 0,04 ≤ f ≤ 4, 0,01 ≤ g ≤ 11, остальное составляет c.

В частности, R выбирают среди Sc, Y, La, Ce, Pr, Nd, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Yb и Lu. Желательно, R в качестве основного компонента содержит Nd, Pr и Dy, причем содержание Nd и/или Pr предпочтительно составляет по меньшей мере 10 ат.%, более предпочтительно - по меньшей мере 50 ат.% от R.

E представляет собой по меньшей мере один элемент, выбранный из щелочноземельных элементов-металлов и редкоземельных элементов, например, Mg, Ca, Sr, Ba, La, Ce, Pr, Nd, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Yb и Lu, предпочтительно - Mg, Ca, Pr, Nd, Tb и Dy, более предпочтительно - Ca, Pr, Nd и Dy.

Количество (a) компонента R составляет от 10 до 15 ат.%, как указано выше, а предпочтительно - от 12 до 15 ат.%. Количество (b) компонента E составляет от 0,005 до 2 ат.%, предпочтительно - от 0,01 до 2 ат.%, а более предпочтительно - от 0,02 до 1,5 ат.%.

Количество (c) компонента T, который представляет собой Fe и/или Co, предпочтительно составляет по меньшей мере 60 ат.%, а более предпочтительно - по меньшей мере 70 ат.%. Несмотря на то, что кобальт может быть исключен (т.е. содержание 0 ат.%), кобальт может входить в состав в количестве по меньшей мере 1 ат.%, предпочтительно - по меньшей мере 3 ат.%, более предпочтительно - по меньшей мере 5 ат.%, для улучшения температурной стабильности остаточной намагниченности или для других целей.

Предпочтительно, компонент A, который представляет собой бор и/или углерод, содержит по меньшей мере 80 ат.%, более предпочтительно - по меньшей мере 85 ат.% бора. Количество (d) компонента A составляет от 3 до 15 ат.%, как указано выше, предпочтительно - от 4 до 12 ат.%, а более предпочтительно - от 5 до 8 ат.%.

Количество (e) фтора составляет от 0,01 до 4 ат.%, как указано выше, предпочтительно - от 0,02 до 3,5 ат.%, а более предпочтительно - от 0,05 до 3,5 ат.%. При слишком низком содержании фтора не наблюдается улучшение коэрцитивной силы. Слишком высокое содержание фтора изменяет расположенную по границам зерен фазу, что приводит к пониженной коэрцитивной силе.

Количество (f) кислорода составляет от 0,04 до 4 ат.%, как указано выше, предпочтительно - от 0,04 до 3,5 ат.%, а более предпочтительно - от 0,04 до 3 ат.%.

Количество (g) других элементов-металлов M составляет от 0,01 до 11 ат.%, как указано выше, предпочтительно - от 0,01 до 8 ат.%, а более предпочтительно - от 0,02 до 5 ат.%. Другой элемент-металл M может присутствовать в количестве по меньшей мере 0,05 ат.%, а в частности - по меньшей мере 0,1 ат.%.

Как было отмечено, спеченное тело магнита имеет центр и поверхность. Согласно настоящему изобретению, входящий в состав элемент F распределен в спеченном теле магнита таким образом, что его концентрация в среднем увеличивается от центра тела магнита к поверхности тела магнита. В частности, концентрация F является наивысшей на поверхности тела магнита и постепенно понижается по направлению к центру тела магнита. Фтор может даже отсутствовать в центре тела магнита, поскольку в настоящем изобретении требуется лишь, чтобы оксифторид R и E, в типичном случае - (R_1-xE_x)OF (где x представляет собой некоторое число от 0 до 1), присутствовал на границах зерен в межзеренной области, которая простирается от поверхности тела магнита на глубину по меньшей мере 20 мкм. При том, что внутри спеченного тела магнита границы зерен окружают зерна первичной фазы (R,E)₂T₁₄A тетрагональной системы, концентрация E/(R+E) содержащихся на границах зерен является в среднем более высокой, чем концентрация E/(R+E), содержащихся в зернах первичной фазы.

В постоянном магните согласно изобретению оксифторид (R,E) присутствует на границах зерен в межзеренной области, которая простирается от поверхности тела магнита на глубину по меньшей мере 20 мкм. В предпочтительном варианте воплощения частицы оксифторида, имеющие диаметр эквивалентной окружности в по меньшей мере 1 мкм, распределены в межзеренной области с численностью по меньшей мере 2000 частиц/мм², более предпочтительно - по меньшей мере 3000 частиц/мм², наиболее предпочтительно - от 4000 до 20000 частиц/мм². Занимаемая присутствующим оксифторидом доля площади составляет по меньшей мере 1%, более предпочтительно - по меньшей мере 2%, наиболее предпочтительно - от 2,5 до 10%. Количество частиц и занимаемую частицами долю площади определяют путем получения изображения распределения состава с помощью электронно-зондового микроанализа (EPMA), обработки полученного изображения и подсчета частиц оксифторида, имеющих диаметр эквивалентной окружности по меньшей мере 1 мкм.

Редкоземельный постоянный магнит согласно изобретению может быть изготовлен путем подачи порошка, содержащего E и F, на поверхность спеченного тела магнита на основе R-Fe-B, и термической обработки окруженного этой порошковой оболочкой тела магнита. Спеченное тело магнита на основе R-Fe-B, в свою очередь, может быть изготовлено с помощью обычного способа, включающего в себя дробление «материнского» (основного) сплава (от англ. «mother alloy»), измельчение, прессование и спекание.

Материнский сплав, используемый в настоящем изобретении, содержит R, T, A и M. R представляет собой по меньшей мере один элемент, выбранный из редкоземельных элементов (РЗЭ), включая Sc и Y. В типичном случае R выбирают среди Sc, Y, La, Ce, Pr, Nd, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Yb и Lu. Желательно, R в качестве основных компонентов содержит Nd, Pr и Dy. Эти редкоземельные элементы, включая Sc и Y, предпочтительно присутствуют в количестве от 10 до 15 ат.%, более предпочтительно - от 12 до 15 ат.% от всего сплава. Более желательно, когда R содержит один или оба из Nd и Pr в количестве по меньшей мере 10 ат.%, в частности - по меньшей мере 50 ат.% от всего компонента R. T представляет собой один или оба из Fe и Co, и при этом Fe предпочтительно содержится в количестве по меньшей мере 50 ат.%, а более предпочтительно - по меньшей мере 65 ат.% от всего сплава. A представляет собой один или оба из бора и углерода, и при этом бор предпочтительно содержится в количестве от 2 до 15 ат.%, а более предпочтительно - от 3 до 8 ат.% от всего сплава. M представляет собой по меньшей мере один элемент, выбранный из группы, состоящей из Al, Cu, Zn, In, Si, P, S, Ti, V, Cr, Mn, Ni, Ga, Ge, Zr, Nb, Mo, Pd, Ag, Cd, Sn, Sb, Hf, Ta и W. M может содержаться в количестве от 0,01 до 11 ат.%, а предпочтительно - от 0,1 до 5 ат.% от всего сплава. Остальное составляют случайные примеси, такие как N и O.

Материнский сплав готовят путем плавления исходных металлов или сплавов в вакууме или в атмосфере инертного газа, в типичном случае - в атмосфере аргона, и разливки расплава в плоскую литейную форму или кокиль с вертикальным разъемом типа «книга», или же литья полосы. Возможный альтернативный вариант представляет собой так называемый «двухсплавный процесс», подразумевающий то, что по отдельности готовят сплав, близкий к составу соединения R₂Fe₁₄B, образующего первичную фазу рассматриваемого сплава, и богатый компонентом R сплав, служащий при температуре спекания в качестве способствующей спеканию жидкофазной добавки, дробят, а затем навешивают и смешивают эти два сплава. Следует отметить, что сплав, близкий к составу первичной фазы, подвергают, если это необходимо, гомогенизирующей обработке с целью повышения количества фазы соединения R₂Fe₁₄B, так как имеется вероятность наличия некоторого количества остаточного α-Fe, которое зависит от скорости охлаждения во время разливки и состава сплава. Эта гомогенизирующая обработка представляет собой термическую обработку при температуре от 700 до 1200°C в течение по меньшей мере одного часа в вакууме или в атмосфере Ar. К богатому компонентом R сплаву, служащему в качестве способствующей спеканию жидкофазной добавки, применяют технологию так называемого быстрого охлаждения (закалки) расплава или технологию литья полосы (полосового литья), а также технологию литья, описанную выше.

Материнский сплав обычно дробят до размера от 0,05 до 3 мм, предпочтительно - от 0,05 до 1,5 мм. На этапе дробления используют «мельницу Брауна» (от англ. «Brown mill») или превращение в порошок с использованием гидрирования, причем превращение в порошок с использованием гидрирования является предпочтительным для тех сплавов, которые получены с помощью полосового литья. Крупный порошок затем подвергают тонкому измельчению до размера в общем случае от 0,2 до 30 мкм, предпочтительно - от 0,5 до 20 мкм, например, с помощью струйной (вихревой) мельницы с использованием находящегося под давлением азота. На этом этапе может регулироваться содержание кислорода в спеченном теле путем примешивания небольшого количества кислорода к находящемуся под давлением азоту. Содержание кислорода в конечном спеченном теле, которое определяется кислородом, введенным во время приготовления слитка, плюс кислородом, захваченным во время превращения из тонкого порошка в спеченное тело, предпочтительно составляет от 0,04 до 4 ат.%, более предпочтительно - от 0,04 до 3,5 ат.%.

Тонкий порошок затем прессуют (уплотняют) в магнитном поле на установке компрессионного прессования и помещают в печь для спекания. Спекание осуществляют в вакууме или в атмосфере инертного газа, обычно - при температуре от 900 до 1250°C, предпочтительно - от 1000 до 1100°C. Спеченный таким образом магнит содержит от 60 до 99 об.%, предпочтительно - от 80 до 98 об.%, тетрагонального соединения R₂Fe₁₄B в качестве первичной фазы, а остальное составляют от 0,5 до 20 об.% богатой компонентом R фазы, от 0 до 10 об.% богатой бором (B) фазы, от 0,1 до 10 об.% оксида R и по меньшей мере один из карбидов, нитридов и гидроксидов случайных примесей или их смесь или композит.

Спеченный блок (заготовку) подвергают механической обработке с получением тела магнита заранее заданной формы, после чего проводят поглощение и проникновение компонента E и атомов фтора в тело магнита с целью придания такой характеристической физической структуры, при которой электрическое сопротивление поверхностного слоя является более высоким, чем у внутренней части.

Обращаясь к типичной обработке, на поверхность спеченного тела магнита наносят порошок, содержащий E и атомы фтора. Тело магнита, окруженное оболочкой из этого порошка, подвергают термообработке в вакууме или в атмосфере инертного газа, такого как Ar или He, при температуре не выше температуры спекания (обозначенной как T_с), предпочтительно - от 200°C до (T_с-5)°C, в частности - от 250°C до (T_с-10)°C в течение примерно от 0,5 до 100 часов, предпочтительно - примерно от 1 до 50 часов. Посредством такой термической обработки E и фтор проникают (впитываются) в магнит с поверхности, и оксид R внутри спеченного тела магнита реагирует с фтором и претерпевает химическое превращение в оксифторид.

Оксифторид R внутри магнита в типичном случае представляет собой ROF, хотя в общем случае он обозначает такие оксифториды, содержащие R, кислород и фтор, которые способны обеспечить достижение указанного в изобретении эффекта, включая RO_mF_n (где m и n представляют собой положительные числа) и модифицированные или стабилизированные формы RO_mF_n, в которых часть компонента R замещена на другой элемент - металл.

Количество фтора, поглощенного в теле магнита на данном этапе, варьируется в зависимости от состава и размера частиц используемого порошка, пропорции порошка, занимающего окружающее поверхность магнита пространство во время термической обработки, удельной площади поверхности магнита, температуры и времени термической обработки, но, вместе с тем, количество поглощенного фтора предпочтительно составляет от 0,01 до 4 ат.%. Количество поглощенного фтора еще более предпочтительно составляет от 0,02 до 3,5 ат.%, в частности - от 0,05 до 3,5 ат.% с тем, чтобы частицы оксифторида, имеющие диаметр эквивалентной окружности в по меньшей мере 1 мкм, были распределены вдоль границ зерен с численностью по меньшей мере 2000 частиц/мм², более предпочтительно - по меньшей мере 3000 частиц/мм². Для обеспечения поглощения фтор подают на поверхность тела магнита в количестве, предпочтительно составляющем от 0,03 до 30 мг/см², более предпочтительно - от 0,15 до 15 мг/см² поверхности.

Как описано выше, в области, которая простирается от поверхности тела магнита в глубину на по меньшей мере 20 мкм, частицы оксифторида, имеющие диаметр эквивалентной окружности в по меньшей мере 1 мкм, распределены по границам зерен с численностью по меньшей мере 2000 частиц/мм². Эта глубина той области, где присутствует оксифторид, от поверхности тела магнита может регулироваться за счет концентрации кислорода в теле магнита. В этом отношении рекомендуется, чтобы концентрация кислорода, содержащегося в теле магнита, составляла от 0,04 до 4 ат.%, более предпочтительно - от 0,04 до 3,5 ат.%, наиболее предпочтительно - от 0,04 до 3 ат.%. Если глубина той области, где присутствует оксифторид, от поверхности тела магнита, диаметр частиц оксифторида и численность частиц оксифторида находятся вне пределов указанных выше диапазонов, то не может быть эффективно увеличено удельное электрическое сопротивление поверхностного слоя тела магнита, что является нежелательным.

Посредством термической обработки смежные с границами зерен зоны также обогащаются компонентом E. Общее количество компонента E, поглощенного в теле магнита, предпочтительно составляет от 0,005 до 2 аомт.%, более предпочтительно - от 0,01 до 2 ат.%, еще более предпочтительно - от 0,02 до 1,5 ат.%. Для обеспечения поглощения компонент E подают на поверхность тела магнита в суммарном количестве, предпочтительно составляющем от 0,07 до 70 мг/см², более предпочтительно - от 0,35 до 35 мг/см² поверхности.

Поверхностный слой или та область тела магнита, где оксифторид присутствует в указанном выше диапазоне, имеет удельное электрическое сопротивление, предпочтительно составляющее по меньшей мере 5,0×10^-6 Ом·м, более предпочтительно - по меньшей мере 1,0×10^-5 Ом·м. Центральная область тела магнита имеет удельное сопротивление порядка 2×10^-6 Ом·м. Предпочтительно, удельное сопротивление поверхностной области превышает удельное сопротивление центральной области в по меньшей мере 2,5 раза, в частности - по меньшей мере 5 раз. Удельное сопротивление вне пределов этого диапазона неспособно эффективно снизить вихревой ток или предотвратить выделение тепла телом магнита.

В постоянном магните согласно изобретению потери на вихревые токи в поверхностной области снижены примерно до одной второй или менее по сравнению с магнитами, известными из предшествующего уровня техники.

Материал постоянного магнита согласно изобретению, содержащий оксифторид R, обладает усовершенствованным функционированием благодаря тому, что удельное сопротивление изменяется от поверхности в направлении внутренней части, и поэтому он может быть использован в качестве редкоземельного постоянного магнита с высокими рабочими характеристиками, характерным признаком которого является ограниченное генерирование вихревых токов в магнитной цепи, в частности - в качестве магнита для IPM электродвигателей.

Примеры

Ниже в качестве иллюстрации, а не в качестве ограничения, приведены примеры реализации настоящего изобретения.

Пример 1 и Сравнительный Пример 1

Сплав в виде тонкой пластины готовили путем использования металлических Nd, Co, Al и Fe с чистотой по меньшей мере 99 мас.% и ферробора, навешивания предварительно заданных их количеств, высокочастотного их плавления в атмосфере Ar и разливки расплава на одиночный охлаждаемый валок из меди (метод литья полосы). Полученный сплав состоял из 12,8 ат.% Nd, 1,0 ат.% Co, 0,5 ат.% Al, 5,8 ат.% B, а остальное - Fe. Его обозначили как сплав A. Этот сплав A измельчили до размера менее 30 меш с помощью метода гидрирования, включающего в себя этапы гидрирования сплава и его нагревания вплоть до 500°C для частичного дегидрирования при одновременном откачивании камеры до вакуума.

Отдельно готовили другой сплав путем использования металлических Nd, Dy, Fe, Co, Al и Cu с чистотой по меньшей мере 99 мас.% и ферробора, навешивания предварительно заданных их количеств, высокочастотного их плавления в атмосфере Ar и разливки расплава в литейную форму. Этот сплав состоял из 20 ат.% Nd, 10 ат.% Dy, 24 ат.% Fe, 6 ат.% B, 1 ат.% Al, 2 ат.% Cu, а остальное - Co. Его обозначили как сплав B. Этот сплав B дробили до размера менее 30 меш в атмосфере азота на мельнице Брауна.

После этого порошки сплавов A и B навешивали в количестве 93 мас.% и 7 мас.% и смешивали в течение 30 минут в заполненном азотом V-образном смесителе. На струйной мельнице с использованием находящегося под давлением азота эту порошковую смесь тонко измельчали в порошок с рассчитанным по массе средним диаметром в 4 мкм. Этот тонкий порошок ориентировали в магнитном поле 15 кЭ в атмосфере азота и прессовали под давлением примерно 1 т/см². Прессовку затем помещали в печь для спекания с атмосферой Ar, где ее спекали при 1060°C в течение 2 часов, получая магнитный блок. Предыдущие этапы проводили в атмосфере с низким содержанием кислорода, так что полученный в результате магнитный блок имел концентрацию кислорода в 0,81 ат.%. Используя алмазный резец, этот магнитный блок подвергали механической обработке по всем поверхностям до габаритных размеров 50 мм × 50 мм × 5 мм. Полученное тело магнита после этого промывали раствором щелочи, деионизированной водой, водным раствором кислоты и снова деионизированной водой и сушили.

Далее, порошок фторида неодима, имеющий средний размер частиц в 10 мкм, смешивали с этанолом при массовой доле 50% с образованием суспензии. Тело магнита погружали в эту суспензию на 1 минуту при одновременной обработке суспензии ультразвуком, вынимали и сразу же сушили горячим воздухом. Количество нанесенного фторида неодима составляло 0,8 мг/см². После этого окруженное порошковой оболочкой тело магнита подвергали поглотительной обработке в атмосфере Ar при 800°C в течение 10 часов и затем обработке старением при 500°C в течение 1 часа и закаливали, получая тело магнита в пределах объема настоящего изобретения. Это тело магнита обозначили как M1. Для сравнительных целей схожим образом приготовили тело магнита путем осуществления термической обработки без окружающей оболочки из фторида неодима. Его обозначили как P1.

Оба тела магнитов M1 и P1 были измерены на магнитные свойства (остаточную намагниченность B_r, коэрцитивную силу H_cj), и результаты этих измерений приведены в Таблице 1. Составы магнитов приведены в Таблице 2. Магнит M1 по изобретению продемонстрировал по существу одинаковые магнитные свойства по сравнению с телом магнита P1, претерпевшим термическую обработку без окружающей оболочки из фторида неодима.

После этого тела магнитов M1 и P1 намагничивали, герметизировали (запаивали) теплоизолирующим материалом и устанавливали в катушке соленоида. В то время как катушку возбуждали на частоте 1000 кГц для генерирования переменного магнитного поля в 12 кА/м, отслеживали температуру тела магнита для определения изменения температуры со временем, исходя из которого вычисляли потери на вихревые токи. Полученные результаты представлены в Таблице 1. Потери на вихревые токи предложенного в изобретении тела магнита M1 составляют менее одной второй от потерь сравнительного тела магнита P1.

Поверхностный слой тела магнита M1 анализировали с помощью электронно-зондового микроанализа (EPMA), и полученные с его помощью изображения распределения состава по Nd, O и F представлены на Фиг.1a, 1b и 1c. В поверхностном слое было распределено некоторое число частиц NdOF. В данной области те частицы NdOF, которые имели диаметр эквивалентной окружности в по меньшей мере 1 мкм, имели численность 4500 частиц/мм², а доля занимаемой ими площади составляла 3,8%.

Тела магнитов M1 и P1 механически обрабатывали в пруток с размерами 1 мм × 1 мм × 10 мм. При этом пять поверхностей магнита были подвергнуты механической обработке, а соответственно одна поверхность магнита осталась после механической обработки неповрежденной. Не подвергнутую механической обработке поверхность (1×10 мм) прутка M1 подвергли влажному полированию наждачной (абразивной) бумагой №180 и зеркальному полированию наждачными бумагами с №1000 по №4000, и в ходе этой процедуры на данной поверхности измеряли удельное сопротивление. Фиг.2 представляет собой график, показывающий зависимость удельного сопротивления от толщины поверхностного слоя, подвергаемого абразивному истиранию при полировании. На глубине от поверхности тела магнита в по меньшей мере 200 мкм удельное сопротивление становится столь же низким, как и у магнитов согласно предшествующему уровню техники. Это демонстрирует, что тело магнита M1 имеет более высокое удельное сопротивление в местах, расположенных более близко к поверхностному слою, что приводит к сниженным потерям на вихревые токи. Могут быть получены данные, подтверждающие, что при диспергировании оксифторида только в поверхностном слое постоянный магнит обладает сниженными потерями на вихревые токи.

Пример 2 и Сравнительный Пример 2

Сплав в виде тонкой пластины готовили путем использования металлических Nd, Co, Al и Fe с чистотой по меньшей мере 99 мас.% и ферробора, навешивания предварительно заданных их количеств, высокочастотного их плавления в атмосфере Ar и разливки расплава на одиночный охлаждаемый валок из меди (метод литья полосы). Полученный сплав состоял из 12,8 ат.% Nd, 1,0 ат.% Co, 0,5 ат.% Al, 5,8 ат.% B, а остальное - Fe. Его обозначили как сплав A. Этот сплав A измельчили до размера менее 30 меш с помощью метода гидрирования, включающего в себя этапы гидрирования сплава и его нагревания вплоть до 500°C для частичного дегидрирования при одновременном откачивании камеры до вакуума.

Отдельно готовили другой сплав путем использования металлических Nd, Dy, Fe, Co, Al и Cu с чистотой по меньшей мере 99 мас.% и ферробора, навешивания предварительно заданных их количеств, высокочастотного их плавления в атмосфере Ar и разливки расплава в литейную форму. Этот сплав состоял из 20 ат.% Nd, 10 ат.% Dy, 24 ат.% Fe, 6 ат.% B, 1 ат.% Al, 2 ат.% Cu, а остальное - Co. Его обозначили как сплав B. Этот сплав B дробили до размера менее 30 меш в атмосфере азота на мельнице Брауна.

После этого порошки сплавов A и B навешивали в количестве 93 мас.% и 7 мас.% и смешивали в течение 30 минут в заполненном азотом V-образном смесителе. На струйной мельнице с использованием находящегося под давлением азота порошковую смесь тонко измельчали в порошок с рассчитанным по массе средним диаметром в 4 мкм. Этот тонкий порошок ориентировали в магнитном поле 15 кЭ в атмосфере азота и прессовали под давлением примерно 1 тон/см². Прессовку затем помещали в печь для спекания с атмосферой Ar, где ее спекали при 1060°C в течение 2 часов, получая магнитный блок. Предыдущие этапы проводили в атмос