磁性材料、其應(yīng)用及其制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種磁性材料、該磁性材料的應(yīng)用以及用于制造該磁性材料的方法。
【背景技術(shù)】
[0002]由于最近電動機(jī)尤其是在汽車工程中以及也在僅擁有非常有限的結(jié)構(gòu)空間的其他領(lǐng)域中的增加的使用，因而對高效磁性材料的需求近年來大大增長。對此特別適合的磁性材料的特征在于高剩磁、為磁性材料的退磁強(qiáng)度的量度的大矯頑磁場和大能積。但是不僅磁性材料的最終的物理特性、化學(xué)特性和特別是磁性特性而且其制造花費(fèi)是重要的。原則上在磁性材料中在燒結(jié)磁鐵與快速淬火的磁鐵、以及其中特別是交換耦合磁鐵之間進(jìn)行區(qū)分。燒結(jié)磁鐵在此是這樣的簡要地說通過相應(yīng)原材料的熔融和隨后的燒結(jié)來制造的磁鐵。通過粉末冶金的燒結(jié)過程，由來自磁性材料的個性化的晶體或晶粒形成微結(jié)構(gòu)，這些微結(jié)構(gòu)大多通過富含稀土金屬的晶界相分離并因此被磁性退耦。如果作為磁性材料的原材料使用諸如釹(Nd)的稀土金屬、諸如鐵(Fe)的過渡金屬以及此外硼(B)，那么通過熔融和燒結(jié)這些元素以相應(yīng)的比例形成Nd2Fe14B晶體，這些晶體通過大多順磁性的、富含稀土金屬、也就是富含Nd的晶界分開。這種晶界相導(dǎo)致晶粒、晶體或微晶退耦并因此造成大的矯頑磁場，也就是高的矯頑磁場強(qiáng)度。這種燒結(jié)磁鐵的缺點(diǎn)是其制造費(fèi)時(shí)、相對昂貴，還由于通過晶界相內(nèi)稀土金屬的積聚所需的其高濃度。此外缺點(diǎn)是，由通過晶界相分離的晶體、微晶或晶粒構(gòu)成的由制造方法決定的微結(jié)構(gòu)將剩磁限定在最大大約1.3特斯拉內(nèi)。交換耦合磁性材料被理解為如下磁性材料，這些磁性材料除了如燒結(jié)磁鐵中存在的硬磁相或硬磁性相外還擁有軟磁相或軟磁性相并且例如可以通過所謂的“melt spinning (熔態(tài)旋分)”方法或HDDR 方法(“Hydrogenat1n Disproport1nat1n Desorpt1n Recombinat1n (氫化歧化解吸重組)”)來制造。這些交換耦合磁性材料的優(yōu)點(diǎn)是，其高飽和度和晶粒的良好耦合，這表現(xiàn)在高能積和相對高的剩磁。但由于除了也在燒結(jié)磁鐵中存在的硬磁相外還存在軟磁相，以及由于缺少晶界相，硬磁相和軟磁相只很差地退耦，這表現(xiàn)出相對于傳統(tǒng)的燒結(jié)磁鐵明顯降低的矯頑磁場強(qiáng)度、也就是退磁強(qiáng)度。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]根據(jù)本發(fā)明的磁性材料是一種交換耦合磁性材料并且特征在于優(yōu)異的磁特性并且因此高的剩磁、大的能積和特別是特征也在于相對于傳統(tǒng)的交換耦合磁鐵高的矯頑磁場強(qiáng)度。高的矯頑磁場強(qiáng)度、也就是高的退磁強(qiáng)度在此甚至在例如在電動機(jī)中出現(xiàn)的高應(yīng)用溫度下被獲得，這使根據(jù)本發(fā)明的磁性材料特別適合于具有高功率密度的結(jié)構(gòu)空間減少的應(yīng)用。
[0004]根據(jù)本發(fā)明，磁性材料包括至少一個硬磁相、至少一個軟磁相和晶界相，其中至少一個硬磁相包含至少一種過渡金屬、至少一種稀土金屬和硼。此外，該磁性材料包含銅，該銅基本上僅布置在晶界相內(nèi)。如果硬磁相的晶?；蚓w或微晶通過元素或元素的混合物的正好一種所定義的化合物形成，那么在本發(fā)明的意義上存在一個硬磁相。如果晶粒、晶體或微晶內(nèi)的化合物或元素的數(shù)量份額發(fā)生變化，或者也可以晶粒、晶體或微晶包括不同的化合物或元素，那么存在多個硬磁相。相同內(nèi)容適用于軟磁相。在本發(fā)明的意義上的晶界相被理解為如下相，該相通過在軟磁相和硬磁相的晶粒、晶體或微晶的晶界處元素和/或化合物和/或元素和化合物的混合物的積聚而形成。這種晶界相根據(jù)本發(fā)明包含銅，但除此之外也可以包含其他元素和/或化合物，諸如釩(V)、鶴(W)、銷(Al)和其他元素。
[0005]令人意外地發(fā)現(xiàn)了，在擁有至少一個所定義的硬磁相和至少一個軟磁相的根據(jù)本發(fā)明的交換耦合磁性材料中，通過銅的存在引起矯頑磁場強(qiáng)度的明顯提高。本發(fā)明重要的是，銅在硬磁相和軟磁相的各個晶粒的邊緣處構(gòu)成晶界相或存在于這種晶界相內(nèi)。銅因此基本上、也就是除了技術(shù)上不可避免的份額之外存在于硬磁相與軟磁相的晶界處的晶界相內(nèi)。在不結(jié)合理論的情況下假設(shè)，銅擁有良好地潤濕磁性晶粒的能力，因此積聚在晶界相處并由此對磁性晶粒產(chǎn)生強(qiáng)退耦影響，由此相對于傳統(tǒng)的交換耦合磁性材料，明顯提高由于存在軟磁性相而降低的矯頑磁場。積聚在晶界處的銅因此至少絕大部分地抵消根據(jù)本發(fā)明的交換耦合磁性材料的軟磁相的降低矯頑磁場的效應(yīng)。此外，由于高份額的軟磁相，根據(jù)本發(fā)明的磁性材料的剩磁非常高。因此根據(jù)本發(fā)明的磁性材料的特征在于高能積以及因此特征在于優(yōu)異的剩磁并且還有非常大的矯頑磁場，由此開辟多種多樣的應(yīng)用可能性。由于根據(jù)本發(fā)明的交換耦合磁性材料的成分和微結(jié)構(gòu)，該磁性材料比傳統(tǒng)的富含稀土金屬的燒結(jié)磁鐵明顯成本更低，這也促進(jìn)其在低價(jià)產(chǎn)品中的應(yīng)用并因此造成高的市場接受度。通過交換耦合磁性材料的此外與由硬磁相和軟磁相構(gòu)成的磁性微結(jié)構(gòu)相聯(lián)系的制造方式，根據(jù)本發(fā)明的磁性材料此外可以在無需大的技術(shù)以及物流花費(fèi)的情況下低成本地并以非常好的質(zhì)量進(jìn)行制造。
[0006]從屬權(quán)利要求示出本發(fā)明的優(yōu)選的改進(jìn)方案。
[0007]根據(jù)本發(fā)明的一種有利的實(shí)施方式，分別相對于磁性材料的總質(zhì)量，根據(jù)本發(fā)明的交換耦合磁性材料中的過渡金屬的份額為70-90質(zhì)量％，特別是75-88質(zhì)量％和/或稀土金屬的份額為5-30質(zhì)量％，特別是7-20質(zhì)量％和/或硼(B)的份額為0.5-1.5質(zhì)量％，特別是1-1.4質(zhì)量％，和/或銅的份額為0.1-5質(zhì)量％并且特別是0.5-3質(zhì)量％。如果過渡金屬的份額處于至少70質(zhì)量％并且優(yōu)選地至少75質(zhì)量％和/或稀土金屬的份額處于至少5質(zhì)量％或優(yōu)選地至少7質(zhì)量％和/或硼的份額處于至少0.5質(zhì)量％并且優(yōu)選地至少I質(zhì)量％，和/或銅的份額處于至少0.1質(zhì)量％并且優(yōu)選地至少0.5質(zhì)量％，那么獲得一種高效的磁性材料，該磁性材料具有非常低的稀土金屬含量并且盡管如此具有突出的磁特性和特別是高剩磁以及高矯頑磁場強(qiáng)度，并且因此在其原材料成本方面以及因此也鑒于其制造成本是優(yōu)選的。特別是至少70質(zhì)量％和優(yōu)選地至少75質(zhì)量％的過渡金屬含量在此有助于提高根據(jù)本發(fā)明的磁性材料的頑磁。但從多于88質(zhì)量％和特別是多于90質(zhì)量％的過渡金屬含量起，存在至少一個軟磁性相的這樣高的份額，使得矯頑磁場變得非常小。此外出現(xiàn)不希望的相，諸如在鐵既作為過渡金屬又作為軟磁相的情況下，過量的α -Fe，這此外對磁性材料的磁特性產(chǎn)生負(fù)面影響。這一點(diǎn)也適用于多于20質(zhì)量％和特別是多于30質(zhì)量％的稀土金屬含量、多于1.4質(zhì)量％和特別是多于1.5質(zhì)量％的硼含量，并且也適用于多于3質(zhì)量％和多于5質(zhì)量％的銅份額。如果稀土金屬含量處于至少5質(zhì)量％和優(yōu)選地至少7質(zhì)量％，那么產(chǎn)生的晶粒非常好地退耦，這有助于提高矯頑磁場。稀土金屬的份額越高，并且特別是從多于20質(zhì)量％和特別是多于30%質(zhì)量％的含量起，越有可能形成不希望的雜質(zhì)相，諸如SE2TM1JP η相，這些雜質(zhì)相對磁性材料的磁特性產(chǎn)生負(fù)面影響。SE在這種情況下代表稀土金屬并且TM代表過渡金屬。
[0008]根據(jù)本發(fā)明的另一種有利的實(shí)施方式，過渡金屬從如下組中選取，該組包括:鐵(Fe)、鈷(Co)、錳(Mn)和它們的混合物以及優(yōu)選地是Fe。這里所提到的過渡金屬與稀土金屬和硼形成特別穩(wěn)定的格柵結(jié)構(gòu)并增強(qiáng)地有助于清楚鮮明地形成所希望的有利的磁特性，即特別是有助于根據(jù)本發(fā)明的磁性材料的飽和以及磁各向異性。此外，在相對低的原材料成本的情況下，其在市場上的可用性高，這明顯降低根據(jù)本發(fā)明的磁性材料的制造成本。Fe在所說明的金屬中的優(yōu)選應(yīng)用可歸因于其在健康方面以及生態(tài)方面毫無問題并且此外也可歸因于其與Co和Mn相比再次明顯降低的原材料成本。此外根據(jù)本發(fā)明，稀土金屬優(yōu)選地從如下組中選取，該組包括:釹(Nd)、鐠(Pr)、鏑(Dy)、鋱(Tb)、鑭(La)、鈰(Ce)和它們的混合物以及優(yōu)選地是Ce和/或La。所列舉的稀土金屬Nd、Pr、Dy、Tb、La和Ce已被證明為與本發(fā)明重要的其他組分、也就是至少一種過渡金屬、硼和銅特別好地兼容，而且在其側(cè)促進(jìn)具有高各向異性的持續(xù)穩(wěn)定的晶格結(jié)構(gòu)的形成，由此改善根據(jù)本發(fā)明的磁性材料的磁特性。盡管其原材料成本部分地較高，但根據(jù)本發(fā)明的磁性材料的制造成本在總和上由于其相對于傳統(tǒng)的磁性材料降低的在根據(jù)本發(fā)明的磁性成分中的含量而較低。由于特別高的可用性和相對低的原材料成本，特別是元素La和Ce的應(yīng)用對于根據(jù)本發(fā)明的磁性材料是特別有利的。
[0009]根據(jù)另一種有利的實(shí)施方式，根據(jù)本發(fā)明的磁性材料優(yōu)選地包含至少一種另外的元素或一種或多種元素的至少一種化合物，所述元素從如下組中選取，該組包括:釩(V)、鎢(W)、銷(Al)、鉬(Mo)、鎵(Ga)、鈦(Ti)、鋅(Zn)、銀(Nb)和鋯(Zr)。這些元素或它們的化合物可以對磁特性和其中特別是矯頑磁場強(qiáng)度、但是還有根據(jù)本發(fā)明的磁性材料的物理和化學(xué)特性并且因此其耐抗性、也就是其化學(xué)或電化學(xué)耐抗性、諸如其耐腐蝕性產(chǎn)生正面影響。
[0010]此外，優(yōu)選地，相對于磁性材料的總質(zhì)量，從包括釩(V)、鎢(W)、鋁(Al)、鉬(Mo)、鎵(Ga)、鈦(Ti)、鋅(Zn)、鈮(Nb)和鋯(Zr)的組中選取的至少一種另外的元素或一種或多種元素的至少一種化合物的份額為0.1-5質(zhì)量％并且特別是0.5-3質(zhì)量％。在這里說明的極限值并且特別是在優(yōu)選極限值之內(nèi)，至少一種另外的元素或這些元素中的一種或多種元素的至少一種化合物可以特別好地有助于提高根據(jù)本發(fā)明的磁性材料的矯頑磁場強(qiáng)度，而不對晶格結(jié)構(gòu)施加不利影響。
[0011]根據(jù)一種特別優(yōu)選的實(shí)施方式，根據(jù)本發(fā)明的磁性材料的特征在于，至少一個硬磁相由Nd2Fe14B、C