具有选择性表面改性的钕-铁-硼磁体及其制造方法技术

一种大块高性能永磁体，包括具有外表面的钕‑铁‑硼芯和位于所述外表面的至少一部分上的矫顽力增强元素，所述钕‑铁‑硼芯的内部部分中不具有矫顽力增强元素。本文还描述了一种制造高矫顽力大块永磁体的方法，该方法包括：(i)在钕‑铁‑硼芯基板的外表面的至少一部分上沉积矫顽力增强元素，以形成涂层永磁体；(ii)使涂覆的永磁体经受脉冲热处理，该处理将所述外表面加热到比所述钕‑铁‑硼芯基板的内部部分明显更高的温度，其中所述明显更高的温度比所述内部部分高至少200℃，并且大小足以引起所述矫顽力增强元素在所述外表面下方但在所述内部部分之外扩散。

Nd-Fe-B Magnets with Selective Surface Modification and Their Manufacturing Method

A large high performance permanent magnet includes a neodymium-iron-boron core with an outer surface and a coercivity enhancement element located on at least one part of the outer surface. The inner part of the neodymium-iron-boron core does not have a coercivity enhancement element. A method for manufacturing high coercivity bulk permanent magnets is also described. The method includes: (i) depositing coercivity-enhancing elements on at least part of the outer surface of Nd-Fe-B core substrates to form coated permanent magnets; (i i) subjecting the coated permanent magnets to pulsed heat treatment, which heats the outer surface to a much greater extent than the inner part of the Nd-Fe-B core substrates. Higher temperatures, notably higher temperatures, are at least 200 degrees Celsius higher than the inner part, and are large enough to cause the coercive enhancement elements to diffuse below the outer surface but outside the inner part.

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】具有选择性表面改性的钕-铁-硼磁体及其制造方法相关申请的交叉引用本申请要求于2016年1月25日提交的第62/286,656号美国临时申请的权益，其全部内容通过引用并入本文。关于联邦政府资助研究的声明本专利技术是在美国能源部授予的第DE-AC05-00OR22725号基本合同的政府支持下完成的。政府拥有本专利技术的某些权利。
本专利技术一般涉及具有高矫顽力的永磁体及其制造方法，更具体地说，涉及掺杂有矫顽力增强元素的高矫顽力永磁体(特别是Nd-Fe-B型)及其制造方法。
技术介绍
烧结的钕-铁-硼(即Nd-Fe-B或Nd2Fe14B)磁体由于其高磁性能而通常用于各种磁路，包括电动机、发电机、医疗仪器、硬盘驱动器和测量设备。为了提高烧结Nd2Fe14B的高温矫顽力，可以用镝(Dy)或其他矫顽力增强元素代替磁体中的Nd。发生这种增强是因为(Nd1_xDyx)2Fe14B具有比Nd2Fe14B更高的磁各向异性。然而，在用于生产Dy增强的Nd2Fe14B磁体的当前方法中存在实质性缺点。一个缺点是重稀土(HRE)元素(诸如Dy)的高成本。Dy的全球产量每年约为1700Mt(公吨)。此外，在传统技术中，Dy可包含这些磁体的多达5重量％。它通常大量添加以改善高温矫顽力，但是对磁化有显著的损害。另一个缺点是由于本领域的退火工艺导致的性能损失(例如，矫顽力的显著损失)，其中永磁体在高温下退火延长的时间段(例如，数小时)以确保Dy扩散进入整个磁体块中。
技术实现思路
在一个方面，本公开涉及一种大块永磁体，其包括具有外表面的钕-铁-硼芯以及位于外表面的至少一部分上的矫顽力增强元素，其中钕-铁-硼芯的内部部分中没有矫顽力增强元素。在一个特定实施例中，矫顽力增强元素位于钕-铁-硼芯的整个外表面上，其中钕-铁-硼芯的内部部分中不具有矫顽力增强元素。在另一特定实施例中，外表面包括至少一个边缘或拐角，并且矫顽力增强元素选择性地位于边缘或拐角上和附近，而外表面的其他部分不具有位于其上的矫顽力增强元素。在另一方面，本公开涉及一种用于制造上述高矫顽力大块永磁体的方法。更具体地，该方法包括：(i)在钕-铁-硼芯基板的外表面的至少一部分上沉积矫顽力增强元素，以形成涂覆的永磁体；(ii)使涂覆的永磁体经受脉冲热处理，该处理将外表面加热到比钕-铁-硼芯基板的内部部分明显更高的温度，其中明显更高的温度比内部部分高至少200℃，并且大小足以引起矫顽力增强元素在外表面下方但在内部之外扩散。附图说明该专利或申请文件包含至少一幅彩色附图。具有彩色附图的本专利或专利申请公开的副本将在请求和支付必要费用后由主管局提供。图1A-1B：商业Nd2Fe14B(N38级)磁体的磁滞回线，其用Dy进行表面和边缘溅射涂覆，然后在600℃和700℃下进行热处理(图1A)；以及退火温度对磁能积(BHmax)的影响(图1B)。图2：Nd2Fe14B(N38级)磁体表面的示意图，其中Dy溅射涂覆在边缘上，其他区域被遮盖。图3：在将Dy膜溅射沉积到磁体的两个边缘和整个表面上，然后在600℃和700℃下进行后退火之后的磁滞回线。图4：在将Dy膜溅射沉积到Nd2Fe14B(N38级)磁体的两个边缘和整个表面上，然后在600℃和700℃下进行后退火之后的磁能积BHmax相对于样品的曲线图。具体实施方式在一个方面，本公开涉及一种大块永磁体，其具有钕-铁-硼芯和矫顽力增强元素，钕-铁-硼芯具有外表面，矫顽力增强元素位于所述外表面的至少一部分上。如本文所用，术语“大块”对于永磁体来讲是指宏观物体，因此用于区分于微观或纳米级物体。因此，本文考虑的大块永磁体具有宏观尺寸，对于大块永磁体的至少一个尺寸，其通常具有至少1毫米(mm)的尺寸。在特定实施例中，大块永磁体对于其尺寸中的至少一个来讲可具有至少1cm的尺寸。在一些实施例中，永磁体具有平面(层)形状，通常具有多至或小于10mm的厚度，例如，多至或小于5、4、3、2或1mm的厚度。在一个实施例中，Nd-Fe-B芯可以没有边缘或拐角，例如，成平滑的盘或球体。在其他实施例中，Nd-Fe-B芯具有至少一个边缘而没有拐角，例如，成带边缘的盘。在其他实施例中，Nd-Fe-B芯具有至少一个拐角，例如，成平行六面体(诸如立方体、块或层形状)或其他多面体形状。术语“钕-铁-硼”(即，Nd-Fe-B)是指本领域已知的那些至少含有钕(Nd)、铁(Fe)和硼(B)的永磁体组合物。这些组合物中最典型的是Nd2Fe14B，但是本文考虑了其他较不熟知的变体，例如通式(Nd1-xMx)2Fe14B范围内的任何组合物，其中M通常是矫顽力增强元素(即，除Nd、Fe或B之外的)并且x小于1，更通常多至或小于0.5、0.4、0.3、0.2或0.1。在一些实施例中，矫顽力增强元素不包括在Nd-Fe-B组合物中，并且Nd-Fe-B组合物仅包含Nd、Fe和B.如本文所用，术语“芯”是指包含在外表面的边界内的体积。因此，“Nd-Fe-B芯”是指包含在外表面的边界内的Nd-Fe-B体积。因此，外表面描绘了由Nd-Fe-B组成的物体的轮廓和表面特征。矫顽力增强元素是能够提高永磁体(诸如本专利技术的Nd-Fe-B磁体)的矫顽力的任何元素。该元素可以是例如过渡或镧系元素。过渡元素是指周期表第3-12族的任何元素，并且可以是第一、第二或第三行过渡金属。过渡元素的一些实例包括例如钪(Sc)、钛(Ti)、钒(V)、铬(Cr)、锰(Mn)、铁(Fe)、钴(Co)、镍(Ni)、铜(Cu)和锌(Zn)，所有这些都是第一行过渡元素。镧系元素是指原子序数为57-71的任何元素，例如，镧(La)、铈(Ce)、镨(Pr)、钕(Nd)、钷(Pm)、钐(Sm)、铕(Eu)、钆(Gd)、铽(Tb)、镝(Dy)、钬(Ho)、铒(Er)、铥(Tm)、镱(Yb)和镥(Lu)。在一些实施例中，使用单种矫顽力增强元素，而在其他实施例中，使用两种或更多种矫顽力增强元素。在一些实施例中，矫顽力增强元素选自Dy、Ce、Mn、Co或Ni，或者可以使用仅一种或多种镧系元素，例如Dy或Ce。矫顽力增强元素位于Nd-Fe-B芯的外表面的至少一部分上。术语“至少一部分”是指矫顽力增强元素可以位于外表面的一部分上或整个外表面上。然而，出于本专利技术的目的，至少存在Nd-Fe-B芯的内部部分不含矫顽力增强元素。在另一方面，本公开涉及一种用于制造上述大块永磁体的方法。在该方法中，首先将矫顽力增强元素沉积在钕-铁-硼芯基板的外表面的至少一部分上，以形成涂覆的永磁体。矫顽力增强元素可以通过任何合适的工艺沉积，例如通过溶液沉积或射频(rf)溅射。然后对涂覆的永磁体进行脉冲热处理，该处理将外表面加热到比钕-铁-硼芯基板的内部部分明显更高的温度。通过使用脉冲热处理，表面处的明显更高的温度比Nd-Fe-B芯的内部部分高至少200℃，并且大小足以引起矫顽力增强元素在外表面下但在内部部分之外的有限扩散。通常，脉冲热处理将外表面加热至至少500℃、600℃、700℃、800℃、900℃或1000℃的高温，或者任何两个前述值界定的范围内的温度。通过采用其间Nd-Fe-B芯基板经受高温的短脉冲周期，脉冲热处理实现仅表面水平扩散(即，没有矫顽力增强元素在整个Nd-Fe-B芯的块体中扩散)。以这本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种大块永磁体，包括具有外表面的钕‑铁‑硼芯和位于所述外表面的至少一部分上的矫顽力增强元素，所述钕‑铁‑硼芯的内部部分中不具有所述矫顽力增强元素。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2016.01.25 US 62/286,6561.一种大块永磁体，包括具有外表面的钕-铁-硼芯和位于所述外表面的至少一部分上的矫顽力增强元素，所述钕-铁-硼芯的内部部分中不具有所述矫顽力增强元素。2.根据权利要求1所述的大块永磁体，其中，所述矫顽力增强元素位于所述外表面的至少一个选择部分上，所述外表面的其它部分不具有位于其上的所述矫顽力增强元素。3.根据权利要求1所述的大块永磁体，其中，所述矫顽力增强元素包括镝。4.根据权利要求1所述的大块永磁体，其中，所述矫顽力增强元素位于所述钕-铁-硼芯的整个外表面上，所述钕-铁-硼芯的内部部分中没有所述矫顽力增强元素。5.根据权利要求1所述的大块永磁体，其中，所述外表面包括至少一个边缘或拐角，并且所述矫顽力增强元素选择性地位于所述边缘或拐角上和附近，所述外表面的其它部分不具有位于其上的所述矫顽力增强元素。6.根据权利要求5所述的大块永久磁体，其中，所述外表面包括至少一个边缘而没有拐角。7.根据权利要求5所述的大块永磁体，其中，所述外表面包括至少一个拐角。8.根据权利要求7所述的大块永磁体，其中，所述钕-铁-硼芯具有多面体形状。9.根据权利要求8所述的大块永磁体，其中，所述钕-铁-硼芯具有多面体形状。10.根据权利要求9所述的大块永久磁体，其中，所述钕-铁-硼芯具有长方体形状。11.一种制造高矫顽力大块永磁体的方法，所述方法包括：(i)在钕-铁-硼芯基板的外表面的至少一部分上沉积矫顽力增强元素，以形成涂覆的永磁体；以及(ii)使涂覆的永磁体经受脉冲热处理，所述脉冲热处理将所述外表面加热到比所述钕-铁-硼芯基板的内部部分明显更高的温度，其中，所述明显更高的温度比所述内部部分高至少200℃，并且所述明显更高的温度的大小足以引起所述矫顽力增强元素在所述外表面下但在所述内部部分之外扩散。12.根据权利要求1...

【专利技术属性】
技术研发人员：M·帕兰特门，D·S·帕克，H·尤卡，O·里奥斯，M·A·麦圭尔，B·C·塞尔斯，C·I·恩勒比迪姆，R·W·麦卡勒姆，S·K·麦考尔，
申请(专利权)人：UT巴特勒有限公司，爱荷华州立大学研究基金会有限公司，劳伦斯利弗莫尔国家安全有限责任公司，
类型：发明
国别省市：美国,US