ПОСТОЯННЫЙ МАГНИТ И СПОСОБ ЕГО ИЗГОТОВЛЕНИЯ
PERMANENT MAGNET AND METHOD OF ITS PRODUCTION

Область техники
[0001] Настоящее изобретение относится к постоянному магниту и способу изготовления постоянного магнита и, более конкретно, относится к постоянному магниту, имеющему высокие магнитные свойства, в котором Dy и/или Tb диффундируют в зернограничную фазу спеченного магнита на основе Nd-Fe-B, и к способу изготовления такого постоянного магнита.
Предпосылки создания изобретения
[0002] Спеченный магнит на основе Nd-Fe-B (так называемый неодимовый магнит) состоит из сочетания железа и элементов Nd и B, которые являются недорогими, распространенными и стабильно получаемыми природными ресурсами, и поэтому может изготавливаться при низкой стоимости и, кроме того, имеет высокие магнитные свойства (его максимальное энергетическое произведение примерно в 10 раз больше, чем у ферритного магнита). Соответственно, спеченные магниты Nd-Fe-B используются в различного рода изделиях, таких как электронные приборы, и недавно стали применяться в двигателях и электрогенераторах для гибридных автомобилей.
[0003] С другой стороны, поскольку температура Кюри вышеуказанного спеченного магнита составляет всего лишь примерно 300°С, то имеется проблема, заключающаяся в том, что спеченный магнит на основе Nd-Fe-B иногда нагревается выше заданной температуры в зависимости от условий эксплуатации используемого изделия, и поэтому он будет размагничиваться под действием тепла при нагревании выше заданной температуры. При использовании вышеописанного спеченного магнита в желаемом изделии имеются случаи, когда спеченный магнит должен изготавливаться с заданной формой. Тогда возникает другая проблема, заключающаяся в том, что такое изготовление порождает дефекты (трещины и т.п.) и напряжения в зернах спеченного магнита, приводящие к заметному ухудшению магнитных свойств.
[0004] Поэтому при получении спеченного магнита Nd-Fe-B считается необходимым добавлять Dy и Tb, которые значительно улучшают магнитную анизотропию зерен главной фазы, потому что у них магнитная анизотропия 4f-электрона выше, чем у Nd, и потому что они имеют отрицательный коэффициент Стивенса подобно Nd. Однако поскольку Dy и Tb приобретают ферримагнитную структуру, имеющую ориентацию спинов, отрицательную по отношению к их ориентации у Nd в кристаллической решетке главной фазы, напряженность магнитного поля и, соответственно, максимальное энергетическое произведение, демонстрирующее магнитные свойства, сильно снижаются.
[0005] Для того чтобы решить данный вид проблемы, было предложено: формировать пленку Dy и Tb до заданной толщины (необходимо формовать пленку толщиной свыше 3 мкм в зависимости от объема магнита) по всей поверхности спеченного магнита Nd-Fe-B, затем осуществлять термообработку при заданной температуре, тем самым вызывая гомогенное диффундирование Dy и Tb, которые отложились (сформовали тонкую пленку) на поверхности, в зернограничную фазу магнита (смотри непатентный документ 1).
3
[0006] Постоянный магнит, изготовленный вышеописанным способом, имеет преимущество в том, что, поскольку Dy и Tb, продиффундировавшие в зернограничную фазу, улучшают магнитную анизотропию зерна на каждой из поверхностей зерна, то усиливается механизм возникновения коэрцитивной силы по типу зародышеобразования, в результате чего коэрцитивная сила резко увеличивается, а максимальное энергетическое произведение почти не будет теряться (в непатентном документе 1 указано, что может быть получен магнит, имеющий такие характеристики, как, например, остаточная магнитная индукция 14,5 кГс (1,45 Тл), максимальное энергетическое произведение 50 МГсЭ (400 кДж/м) и коэрцитивная сила 23 кЭ (3 МА/м)).
[0007] При этом в качестве примера способа изготовления спеченного магнита на основе Nd-Fe-B известен процесс порошковой металлургии. В данном способе сначала из Nd, Fe и B составляют шихту в заданном составом соотношении, расплавляют и отливают с получением в результате исходного материала-сплава, который сразу грубо измельчают на стадии водородного измельчения, а затем тонко измельчают, например, на стадии тонкого измельчения в струйной мельнице, с получением в результате исходного молотого порошка сплава. Затем полученный исходный молотый порошок сплава ориентируют в магнитном поле (выравнивание в магнитном поле) и подвергают компрессионному формованию (прессуют) в состоянии, в котором прикладывают магнитное поле, с получением в результате формованного тела. Данное формованное тело затем спекают при заданных условиях с получением в результате спеченного магнита.
[0008] В качестве способа компрессионного формования в магнитном поле обычно используют установку компрессионного формования одноосного типа прессования. Эта установка компрессионного формования устроена так, что исходным молотым порошком сплава заполняют полость, образованную в сквозном отверстии в пресс-форме, и прикладывают усилие сжатия (прессования) в направлениях как сверху, так и снизу парой верхнего и нижнего пуансонов с формованием в результате исходного молотого порошка сплава. Во время компрессионного формования парой пуансонов из-за трения в исходном молотом порошке сплава, которым заполнена полость, и из-за трения между исходным молотым порошком сплава и поверхностями стенок пресс-формы, которая устанавливается в свое положение в пуансоне, не может быть получена высокая ориентация, приводя к той проблеме, что магнитные свойства не могут быть улучшены.
[0009] В качестве решения известно введение в полученный исходный молотый порошок сплава смазки, такой как стеарат цинка. Таким образом, при обеспечении текучести исходного молотого порошка сплава во время компрессионного формования в магнитном поле ориентация улучшается, а также облегчается высвобождение из пресс-формы формованного тела (смотри непатентный документ 2).
2
14
Непатентный документ 1: Улучшение коэрцитивности у тонких спеченных постоянных магнитов NdFeB (Пак Кида (Pak Kida), Университет Тохоку, докторская диссертация, 23 марта 2000 г.).
Непатентный документ 2: JP-A-2004-6761 (смотри, например, описание раздела уровень техники).
Раскрытие изобретения
Проблемы, решаемые изобретением
[0010] В спеченном магните, полученном спеканием материала-сплава, содержащего смазку, в частицах зерен остается много углерода (зола от смазки). Поэтому в том случае, когда вышеописанный процесс диффундирования Dy и Tb, сцепленных с поверхностью спеченного магнита, в зернограничную фазу осуществляется с полученным таким образом спеченным магнитом, имеются случаи, когда Dy и Tb реагируют с остаточным углеродом (золой от смазки), приводя в результате к нарушению диффузии Dy и Tb в зернограничную фазу. Если диффузия Dy и Tb в зернограничную фазу нарушается, процесс диффузии не может быть осуществлен за короткое время, приводя в результате к плохой технологичности.
[0011] Поэтому, ввиду вышеуказанных моментов, первая задача данного изобретения состоит в том, чтобы предложить способ изготовления постоянного магнита, в котором Dy и Tb, сцепленные с поверхностью спеченного магнита, содержащего смазку, могут эффективно диффундировать в зернограничную фазу, и в котором постоянный магнит с высокими магнитными свойствами может быть получен с высокой производительностью. Кроме того, вторая задача данного изобретения состоит в том, чтобы предложить постоянный магнит, в котором Dy и Tb эффективно продиффундировали только в зернограничную фазу спеченного магнита на основе Nd-Fe-B, содержащего смазку, и который имеет высокие магнитные свойства.
Средство решения проблем
[0012] Для того чтобы решить вышеуказанные проблемы, способ изготовления постоянного магнита включает в себя: первую стадию сцепления по меньшей мере одного из Dy и Tb с по меньшей мере частью поверхности спеченного магнита, полученного спеканием исходного молотого порошка сплава на основе железа-бора-редкоземельного элемента, содержащего смазку; и вторую стадию термообработки спеченного магнита при заданной температуре с диспергированием тем самым по меньшей мере одного из Dy и Tb, сцепленных с поверхностью спеченного магнита, в зернограничную фазу спеченного магнита, при этом используемый спеченный магнит получен со средним размером зерен в пределах интервала 4 - 8 мкм.
[0013] Согласно настоящему изобретению, за счет обеспечения среднего размера зерен в интервале 4 - 8 мкм Dy и/или Tb, сцепленные с поверхностью спеченного магнита, могут эффективно диффундировать в зернограничную фазу, не подвергаясь воздействию углерода (золы от смазки), оставшегося внутри спеченного магнита, с достижением в результате высокой производительности. В том случае, если средний размер зерен меньше 4 мкм, хотя постоянный магнит с высокой коэрцитивной силой и может быть получен из-за того, что Dy и/или Tb продиффундировали в зернограничную фазу, будет уменьшаться эффект введения смазки в исходный молотый порошок сплава, состоящий в том, что во время компрессионного формования может быть обеспечена текучесть с улучшением в результате ориентации. Поэтому ориентация у спеченного магнита становится плохой и, как результат, снижаются остаточная магнитная индукция и максимальное энергетическое произведение, демонстрирующие магнитные свойства.
[0014] С другой стороны, если средний размер зерен больше 8 мкм, коэрцитивная сила снижается, потому что зерно является слишком крупным, и, кроме того, площадь поверхности границы зерен становится меньше, и соотношение концентрации остаточного углерода (золы от смазки) вблизи границы зерен становится выше, тем самым значительно снижая коэрцитивную силу. Кроме того, остаточный углерод реагирует с Dy и/или Tb, и диффузия Dy и Tb в зернограничную фазу будет затрудняться, поэтому время диффузии становится более продолжительным, а технологичность становится плохой.
[0015] Предпочтительно, способ дополнительно включает в себя: размещение спеченного магнита в рабочей камере и нагревание его; нагревание испаряющегося материала, содержащего по меньшей мере один из Dy и Tb, причем испаряющийся материал размещен в той же самой или другой рабочей камере; обеспечение сцепления испаренного испаряющегося материала с поверхностью спеченного магнита путем регулирования подаваемого количества испаренного испаряющегося материала к поверхности спеченного магнита; диффундирование по меньшей мере одного из Dy и Tb в сцепленном испаряющемся материале в зернограничную фазу спеченного магнита прежде, чем на поверхности спеченного магнита образуется тонкая пленка из испаряющегося материала; и затем осуществление первой стадии и второй стадии.
[0016] В соответствии с этой схемой испаренный испаряющийся материал подается к и сцепляется с поверхностью спеченного магнита, который был нагрет до заданной температуры. При этом, поскольку спеченный магнит нагревали до температуры, при которой может быть получена наиболее оптимальная скорость диффузии, и поскольку подаваемое количество испаряющегося материала к поверхности спеченного магнита регулировали, атомы металла Dy и/или Tb в испаряющемся материале, который сцепился с поверхностью, затем диффундировали в зернограничную фазу спеченного магнита прежде, чем образовывалась тонкая пленка (т.е. подача к поверхности спеченного магнита атомов металла, такого как Dy и/или Tb и т.п., и их диффузия в зернограничную фазу спеченного магнита осуществляются за одну технологическую стадию (вакуумно-паровой обработки)). Поэтому условия на поверхности постоянного магнита являются по существу такими же, как и до осуществления вышеуказанной обработки. Может быть предотвращено ухудшение поверхности полученного постоянного магнита (ухудшение шероховатости поверхности). Избыточная диффузия Dy и/или Tb в зернограничную фазу вблизи поверхности спеченного магнита может быть предотвращена, и специальные последующие стадии становятся излишними (не требуются), в результате чего достигается высокая производительность.
[0017] Кроме того, за счет обеспечения диффундирования и равномерного распределения Dy и/или Tb в зернограничной фазе спеченного магнита можно получить постоянный магнит, который имеет богатую Dy или богатую Tb фазу (фазу, содержащую Dy и/или Tb в интервале 5-80%) в зернограничной фазе, и который в результате того, что Dy и/или Tb диффундировали только поблизости от поверхности зерен, имеет высокую коэрцитивную силу и высокие магнитные свойства. Кроме того, в том случае, когда имеются дефекты (трещины) в зернах вблизи поверхности спеченного магнита во время изготовления спеченного магнита, на их внутренней стороне будет образовываться богатая Dy фаза и/или богатая Tb фаза, тем самым восстанавливая намагниченность и коэрцитивную силу.
[0018] Если при вышеуказанной обработке спеченный магнит и испаряющийся материал располагают на расстоянии друг от друга, то, когда испаряющийся материал испаряется, может быть благоприятно предотвращено прилипание расплавленного испаряющегося материала непосредственно к спеченному магниту.
[0019] Предпочтительно, регулирование подаваемого количества испаряющегося материала к поверхности спеченного магнита осуществляют путем варьирования удельной площади поверхности испаряющегося материала при определенной температуре, тем самым увеличивая или снижая количество испарений. Согласно этой схеме, без необходимости в изменении конструкции устройства, такого как снабжение рабочей камеры отдельными деталями, требуемыми для увеличения или снижения подаваемого количества Dy и/или Tb к поверхности спеченного магнита, подаваемое количество к поверхности спеченного магнита может легко регулироваться.
[0020] Для того чтобы удалить грязь, газы и влагу, прилипшие к поверхности спеченного магнита, перед диффундированием Dy и/или Tb в зернограничную фазу, предпочтительно снижать давление в рабочей камере и выдерживать ее при этом давлении перед нагреванием рабочей камеры, в которой расположен спеченный магнит.
[0021] В данном случае для того, чтобы ускорить удаление адсорбированных на поверхности пятен, газа и влаги, предпочтительно после снижения давления в рабочей камере до заданного уровня нагревать рабочую камеру до заданной температуры и выдерживать эту температуру в ней.
[0022] С другой стороны, для того чтобы удалить оксидную пленку с поверхности спеченного магнита перед диффундированием Dy и/или Tb в зернограничную фазу, предпочтительно очищать поверхность спеченного магнита плазмой перед нагреванием рабочей камеры, в которой расположен спеченный магнит.
[0023] Кроме того, после того, как Dy и/или Tb продиффундирует в зернограничную фазу спеченного магнита, предпочтительно проводят термообработку для снятия напряжений в спеченном магните при температуре, более низкой, чем упомянутая температура. В соответствии с данной схемой может быть получен постоянный магнит с высокими магнитными свойствами, в котором намагниченность и коэрцитивная сила дополнительно улучшаются или восстанавливаются.
[0024] Для того чтобы решить вышеописанные проблемы, постоянный магнит согласно пункту 9 формулы изобретения получен: спеканием исходного молотого порошка сплава на основе железа-бора-редкоземельного элемента, содержащего смазку; сцеплением по меньшей мере одного из Dy и Tb с по меньшей мере частью поверхности спеченного магнита, который получен так, чтобы иметь средний размер зерен 4 - 8 мкм; и проведением термообработки при заданной температуре так, что по меньшей мере один из Dy и Tb, сцепленных с поверхностью спеченного магнита, диффундирует в зернограничную фазу спеченного магнита.
Эффекты изобретения
[0025] Как описано выше, способ изготовления постоянного магнита согласно настоящему изобретению обладает теми эффектами, что Dy и/или Tb, сцепленные с поверхностью спеченного магнита, содержащего в себе смазку, могут эффективно диффундировать в зернограничную фазу; и что может быть получен постоянный магнит, имеющий высокую производительность и высокие магнитные свойства. Кроме того, постоянный магнит согласно данному изобретению обладает тем эффектом, что он имеет высокие магнитные свойства и имеет особенно высокую коэрцитивную силу.
Наилучший вариант осуществления изобретения
[0026] Обращаясь к Фиг.1 и 2, постоянный магнит М по данному изобретению изготавливают, одновременно осуществляя ряд процессов (вакуумно-паровой обработки): испарения испаряющегося материала v, содержащего по меньшей мере один из Dy и Tb; обеспечения сцепления испаренного испаряющегося материала v с поверхностью спеченного магнита S на основе Nd-Fe-B, который был обработан резанием до заданной формы; и диффундирования атомов металла Dy и/или Tb сцепленного испаряющегося материала v в зернограничную фазу.
[0027] Спеченный магнит S на основе Nd-Fe-B в качестве исходного материала получают известным способом следующим образом. А именно, из Fe, B, Nd составляют шихту в заданном составом соотношении с получением сначала материала-сплава толщиной 0,05-0,5 мм известным способом ленточного литья. Альтернативно, материал-сплав толщиной примерно 5 мм может быть получен известным способом центробежного литья. Кроме того, в процессе составления шихты в нее может быть добавлено небольшое количество Cu, Zr, Dy, Al или Ga. Затем полученный материал-сплав сразу грубо измельчают известным способом водородного измельчения и затем тонко измельчают способом тонкого измельчения в струйной мельнице с получением в результате исходного молотого порошка сплава.
2
2
x
[0028] Во время проведения стадии формования в магнитном поле, как описано далее, в исходный молотый порошок сплава вводят смазку в заданном соотношении смешения и покрывают этой смазкой поверхность исходного молотого порошка сплава в целях улучшения ориентации при обеспечении текучести исходного молотого порошка сплава, а также в целях облегчения высвобождения формованного тела из металлической пресс-формы и для других целей. В качестве смазки используются твердые смазки или жидкие смазки, имеющие низкую вязкость, так что они не повреждают металлическую пресс-форму. В качестве твердых смазок могут быть перечислены слоистые соединения (MoS, WS, MoSe, графит, BN, CF и т.п.), мягкий металл (Zn, Pb и т.п.), жесткие материалы (алмазный порошок, порошок TiN и т.п.), органические высокомолекулярные полимеры (на основе PTEE, на основе алифатического нейлона, на основе высокомолекулярных алифатических соединений, на основе амида жирной кислоты, на основе сложного эфира жирной кислоты, на основе металлического мыла и т.п.). Особенно предпочтительно использовать стеарат цинка, этиленамид и консистентную смазку на основе фторсодержащего простого эфира.
[0029] С другой стороны, в качестве жидкой смазки могут быть перечислены природный смазочный материал (растительные масла, такие как касторовое масло, кокосовое масло, пальмовое масло и т.п.; минеральные масла; консистентная смазка на основе нефтяных масел; и т.п.) и органические низкомолекулярные материалы (на основе низкосортных алифатических соединений, на основе низкосортного амида жирной кислоты, на основе низкосортного сложного эфира жирной кислоты). Особенно предпочтительно использовать жидкую жирную кислоту, жидкий сложный эфир жирной кислоты и жидкую фторсодержащую смазку. Жидкие смазки используются с поверхностно-активным веществом или при разбавлении растворителем. Содержание остаточного углерода в смазке, который остается после спекания, снижает коэрцитивную силу магнита. Поэтому предпочтительно использовать низкомолекулярные материалы для облегчения их удаления на стадии спекания.
[0030] В случае, когда в исходный молотый порошок сплава Р вводится твердая смазка, введение может быть выполнено при соотношении смешения 0,02-0,1 мас.%. Если соотношение смешения составляет менее 0,02 мас.%, текучесть исходного молотого порошка сплава Р не будет улучшаться и, соответственно, не будет улучшаться ориентация. С другой стороны, если соотношение смешения превышает 0,1 мас.%, коэрцитивная сила снижается под влиянием содержания остаточного углерода, который остается в спеченном магните, когда этот спеченный магнит получают. Кроме того, в том случае, когда в исходный молотый порошок сплава Р вводится жидкая смазка, она может вводиться в интервале 0,05-5 мас.%. Если соотношение смешения составляет менее 0,05 мас.%, текучесть исходного молотого порошка сплава Р не будет улучшаться и, соответственно, не будет улучшаться ориентация. С другой стороны, если соотношение смешения превышает 5 мас.%, коэрцитивная сила снижается под влиянием содержания остаточного углерода, который остается в спеченном магните, когда этот спеченный магнит получают. При этом, если в качестве смазок вводятся как твердая смазка, так и жидкая смазка, эти смазки будут широко распределяться к каждому уголку исходного молотого порошка сплава Р, и благодаря более высокому смазывающему эффекту может быть получена более высокая ориентация. Затем при использовании, например, установки компрессионного формования одноосного типа прессования (не показана), имеющей известную конструкцию, исходный молотый порошок сплава, содержащий смазки, формуют до заданной формы в магнитном поле, затем помещают в известную печь для спекания и спекают при заданных условиях, в результате чего получают вышеописанный спеченный магнит.
[0031] При этом даже если в спеченном магните, полученном спеканием исходного молотого порошка сплава, содержащего смазки, соотношение смешения смазок выдерживается таким, как указано выше, зерна спеченного магнита содержат остаточный углерод (золу от смазок). Поэтому, если Dy и/или Tb реагирует с остаточным углеродом при осуществлении вакуумно-паровой обработки, диффузия Dy и/или Tb в зернограничную фазу будет нарушаться. В результате диффузионная обработка (и, в свою очередь, вакуумно-паровая обработка) не может быть осуществлена за короткое время. В данном варианте реализации условия изготовления спеченного магнита S на каждой из стадий оптимизировали, и средний диаметр зерен спеченного магнита S сделали находящимся в интервале 4 - 8 мкм. В соответствии с данной схемой, не подвергаясь влиянию остаточного углерода в спеченном магните, Dy и/или Tb, сцепленные с поверхностью спеченного магнита, могут эффективно диффундировать, с достижением в результате высокой производительности.
[0032] В данном случае, если средний диаметр зерен меньше 4 мкм, благодаря тому, что Dy и/или Tb продиффундировали в зернограничную фазу, может быть получен постоянный магнит, имеющий высокую коэрцитивную силу. Однако будет снижаться эффект от введения смазок в исходный молотый порошок сплава, состоящий в том, что во время компрессионного формования в магнитном поле обеспечивается текучесть и что улучшается ориентация. Ориентация у спеченного магнита будет, таким образом, ухудшаться, и в результате будут снижаться остаточная магнитная индукция и максимальное энергетическое произведение, демонстрирующие магнитные свойства. С другой стороны, если средний диаметр зерна больше 8 мкм, коэрцитивная сила будет снижаться, и, кроме того, площадь поверхности границы зерен становится меньше. В результате соотношение концентрации остаточного углерода вблизи границ зерен становится выше, и, таким образом, коэрцитивная сила дополнительно значительно снижается. Кроме того, остаточный углерод реагирует с Dy и/или Tb, и диффузия Dy в зернограничную фазу затрудняется, поэтому время диффузии становится больше, а производительность становится хуже.
-5
[0033] Как показано на Фиг.2, устройство 1 вакуумно-паровой обработки для проведения вышеописанной обработки имеет вакуумную камеру 12, в которой давление может быть снижено и может выдерживаться на заданном уровне (например, 1×10 Па) с помощью вакуумирующего средства 11, такого как турбомолекулярный насос, крионасос, диффузионный насос и т.п. В вакуумной камере 12 расположен короб 2, содержащий ящик 21 в виде прямоугольного параллелепипеда с открытой верхней стороной и крышку 22, которая съемно устанавливается на открытую верхнюю сторону ящика 21.
-5
-4
[0034] По всему периметру крышки 22 выполнена загнутая вниз кромка 22а. Когда крышка 22 устанавливается в свое положение на верхней стороне ящика 21, кромка 22а садится на наружную стенку ящика 21 (в данном случае вакуумное уплотнение, такое как металлическое уплотнение, не предусматривается), так чтобы ограничить рабочую камеру 20, которая изолирована от вакуумной камеры 12. Она сконструирована так, что, когда давление в вакуумной камере 12 снижается с помощью вакуумирующего средства 11 до заданного уровня (например, 1×10 Па), давление в рабочей камере 20 снижается до уровня (например, 5×10 Па), который выше по существу на половину разряда, чем давление в вакуумной камере 12.
[0035] Объем рабочей камеры 20 устанавливается с учетом средней длины свободного пробега испаряющегося материала v так, что атомы и т.п. металла Dy, Tb в атмосфере паров могут подаваться к спеченному магниту S напрямую или с множества направлений при повторяющихся соударениях. Поверхности ящика 21 и крышки 22 заданы имеющими такие толщины, чтобы термически не деформироваться при нагревании нагревательным средством, описанным далее, и выполнены из материала, который не реагирует с испаряющимся материалом v.
2
3
2
3
2
3
[0036] Другими словами, когда испаряющийся материал v представляет собой Dy, Tb, в случае использования AlO, который часто используется в обычном вакуумном устройстве, имеется вероятность того, что Dy, Tb в атмосфере паров прореагирует с AlO и образует продукты реакции на его поверхности, с проникновением в результате атомов Al в атмосферу паров Dy и/или Tb. Соответственно, короб 2 выполняется, например, из Mo, W, V, Ta или их сплавов (включая Мо-ый сплав с добавкой редкоземельных элементов, Мо-ый сплав с добавкой Ti и т.п.), CaO, YO или оксиды редкоземельных элементов, или конструируется путем формирования внутренней облицовки на поверхности другого изоляционного материала. В рабочей камере 20 на заданной высоте от нижней (донной) поверхности размещается в виде решетки несущая сетка 21а, например, из множества Мо-ых проволок (например, диаметром 0,1-10 мм). На этой несущей сетке 21а может быть помещено бок о бок множество спеченных магнитов S. С другой стороны, испаряющийся материал v подходящим образом размещается на нижней поверхности, боковых поверхностях или верхней поверхности рабочей камеры 20.
[0037] В качестве испаряющегося материала v используется Dy и/или Tb, который значительно улучшает магнитную анизотропию зерен главной фазы. Кроме того, могут использоваться фториды, содержащие по меньшей мере один из Dy и Tb. Кроме того, может использоваться такой испаряющийся материал, в котором содержится по меньшей мере один из Dy и Tb. В данном случае составляют шихту испаряющегося материала v в заданном соотношении смешения и при использовании, например, электрической дуговой печи получают сплав объемной формы и размещают его внутри рабочей камеры 20.
[0038] Кроме того, испаряющийся материал v может содержать по меньшей мере один материал из группы, состоящей из Al, Ag, B, Ba, Be, C, Ca, Ce, Co, Cr, Cs, Cu, Dy, Er, Eu, Fe, Ga, Gd, Ge, Hf, Ho, In, K, La, Li, Lu, Mg, Mn, Mo, Na, Nb, Nd, Ni, P, Pd, Pr, Ru, S, Sb, Si, Sm, Sn, Sr, Ta, Tb, Ti, Tm, V, W, Y, Yb, Zn и Zr.
[0039] Вакуумная камера 12 снабжена нагревательным средством 3. Нагревательное средство 3 выполнено из материала, который не реагирует с испаряющимся материалом v, так же как и короб 2, и расположено так, чтобы охватывать периферию короба 2. Нагревательное средство 3 содержит выполненный из Мо теплоизоляционный материал, который снабжен на его внутренней поверхности отражающей поверхностью, и электронагреватель, который расположен на внутренней стороне теплоизоляционного материала и который имеет выполненную из Мо нить. При нагревании короба 2 нагревательным средством 3 при пониженном давлении рабочая камера 20 косвенно нагревается через короб 2, поэтому внутреннее пространство рабочей камеры 20 может быть нагрето по существу равномерно.
-4
[0040] Теперь будет приведено описание изготовления постоянного магнита М с использованием вышеописанного устройства 1 вакуумно-паровой обработки. Прежде всего, спеченные магниты S, полученные в соответствии с вышеописанным способом, помещают на несущую сетку 21а ящика 21, а Dy в качестве испаряющегося материала v помещают на нижнюю поверхность ящика 21 (в соответствии с этим спеченные магниты S и испаряющийся материал v расположены на расстоянии друг от друга в рабочей камере 20). Установив крышку 22 на верхнюю открытую сторону ящика 21, короб 2 устанавливают в заданное положение окруженным нагревательным средством 3 в вакуумной камере 12 (смотри Фиг.2). Затем с помощью вакуумирующего средства 11 вакуумную камеру 12 вакуумируют до достижения заданного давления (например, 1×10 Па) (рабочая камера 20 вакуумируется до давления по существу наполовину разряда выше, чем вышеуказанное), и рабочую камеру 20 нагревают путем включения нагревательного средства 3, когда вакуумная камера 12 достигла заданного давления.
[0041] Когда температура в рабочей камере 20 достигла заданного уровня при пониженном давлении, Dy, помещенный на нижнюю поверхность рабочей камеры 20, нагревается до по существу такой же температуры, что и рабочая камера 20, и начинается испарение, и, соответственно, внутри рабочей камеры 20 образуется атмосфера паров. Поскольку спеченные магниты S и Dy расположены на расстоянии друг от друга, когда начинается испарение Dy, расплавленный Dy не будет прилипать непосредственно к спеченному магниту S, чья поверхностная богатая Nd фаза расплавляется. Затем Dy в атмосфере паров подается с множества направлений либо напрямую, либо при повторяющихся соударениях и сцепляется с поверхностью спеченного магнита S, который нагрет до по существу такой же температуры, как и испаряющийся материал v. Сцепленный Dy диффундирует в зернограничную фазу спеченного магнита S, с получением в результате постоянного магнита М.
[0042] Как показано на Фиг.3, когда испаряющийся материал v в атмосфере паров подается к поверхности спеченного магнита S так, что образуется слой Dy (тонкая пленка) L1, поверхность постоянного магнита М будет заметно ухудшаться (шероховатость поверхности становится ухудшенной) в результате перекристаллизации Dy, который сцепился с и отложился на поверхности спеченного магнита S. Кроме того, Dy, сцепленный с и отложившийся на поверхности спеченного магнита S, который нагрет до по существу такой же температуры в процессе обработки, становится расплавленным, и поэтому Dy будет избыточно диффундировать в зерна в области R1 вблизи поверхности спеченного магнита S. В результате магнитные свойства не могут быть эффективно улучшены или восстановлены.
[0043] То есть, как только на поверхности спеченного магнита S образуется тонкая пленка Dy, средний состав на поверхности спеченного магнита S, прилегающей к этой тонкой пленке, становится обогащенным Dy. Как только средний состав становится обогащенным Dy, температура жидкой фазы снижается, и поверхность спеченного магнита S становится расплавленной (т.е. главная фаза расплавляется, и количество жидкой фазы увеличивается). В результате область вблизи поверхности спеченного магнита S расплавляется и разрушается, и, таким образом, неровности увеличиваются. Кроме того, Dy избыточно проникает в зерна вместе с большим количеством жидкой фазы, и, таким образом, дополнительно снижаются максимальное энергетическое произведение и остаточная магнитная индукция, демонстрирующие магнитные свойства.
-2
-1
[0044] Согласно данному варианту реализации Dy в объемной форме (по существу сферической форме), имеющий небольшую площадь поверхности на единицу объема (удельную площадь поверхности), размещали на нижней поверхности рабочей камеры 20 в соотношении 1-10% от массы спеченного магнита с тем, чтобы снизить количество испарений при постоянной температуре. Кроме того, когда испаряющийся материал v представляет собой Dy, температуру в рабочей камере 20 устанавливали в интервале 800-1050°С, предпочтительно, 900-1000°С, путем регулирования нагревательного средства 3 (например, когда температура в рабочей камере составляет 900-1000°С, давление насыщенного пара Dy будет составлять примерно 1×10-1×10 Па).
[0045] Если температура в рабочей камере 20 (и, соответственно, температура нагревания спеченного магнита S) ниже 800°С, скорость диффузии атомов Dy, сцепленных с поверхностью спеченного магнита S, в зернограничную фазу замедляется. Таким образом, невозможно вынудить атомы Dy диффундировать и равномерно проникать в зернограничную фазу спеченного магнита прежде, чем на поверхности спеченного магнита S образуется тонкая пленка. С другой стороны, при температуре выше 1050°С давление паров увеличивается, и, таким образом, атомы Dy в атмосфере паров избыточно подаются к поверхности спеченного магнита S. Кроме того, имеется вероятность того, что атомы Dy будут диффундировать в зерна. Если атомы Dy будут диффундировать в зерна, намагниченность в зернах значительно снижается, и поэтому дополнительно снижаются максимальное энергетическое произведение и остаточная магнитная индукция.
-4
3
-4
3
-3
3
-2
2
[0046] Для того чтобы Dy диффундировал в зернограничную фазу прежде, чем на поверхности спеченного магнита S образуется тонкая пленка Dy, отношение общей площади поверхности спеченного магнита S, расположенного на несущей сетке 21а в рабочей камере 20, к общей площади поверхности испаряющегося материала v в объемной форме, расположенного на нижней поверхности рабочей камеры 20, устанавливают в интервале 1×10-2×10. При ином отношении, чем этот интервал 1×10-2×10, имеются случаи, когда на поверхности спеченного магнита S образуется тонкая пленка, и, таким образом, постоянный магнит с высокими магнитными свойствами не может быть получен. В данном случае вышеуказанное отношение предпочтительно находится в интервале 1×10-1×10, а более предпочтительным является вышеуказанное отношение 1×10-1×10.
[0047] В соответствии с вышеуказанной схемой при снижении давления пара, а также при снижении количества испарений Dy подаваемое количество атомов Dy к спеченному магниту S ограничивается. Кроме того, при нагревании спеченного магнита S в заданном температурном интервале, когда средний диаметр зерен спеченного магнита S находится в заданном интервале, скорость диффузии будет увеличиваться без влияния остаточного углерода внутри спеченного магнита. Как результат совместных эффектов вышеуказанного, атомы Dy, сцепленные с поверхностью спеченного магнита S, могут эффективно диффундировать в зернограничную фазу спеченного магнита S для равномерного распределения прежде сцепления с поверхностью спеченного магнита S и образования слоя (тонкой пленки) Dy (смотри Фиг.1). В результате может быть предотвращено ухудшение поверхности постоянного магнита М, и Dy может быть ограничен от избыточного диффундирования в зернограничную фазу вблизи поверхности спеченного магнита. Таким образом, при наличии богатой Dy фазы (фазы, содержащей Dy в интервале 5-80%) в зернограничной фазе и при диффундировании Dy только поблизости от поверхности зерен намагниченность и коэрцитивная сила эффективно улучшаются. Кроме того, может быть получен постоянный магнит М, который не требует чистовой обработки и который является превосходным по производительности.
[0048] Как показано на Фиг.4, когда спеченный магнит S обрабатывают до желаемой конфигурации с помощью электроэрозионного станка и т.п. после изготовления вышеуказанного спеченного магнита S, имеются случаи, когда появляются трещины в зернах, которые являются главной фазой на поверхности спеченного магнита, приводящие к заметному ухудшению магнитных свойств (смотри Фиг.4A). Однако при осуществлении вышеописанной вакуумно-паровой обработки на внутренней стороне трещин зерен вблизи поверхности образуется богатая Dy фаза (смотри Фиг.4B), поэтому намагниченность и коэрцитивная сила восстанавливаются.
[0049] В неодимовый магнит согласно уровню техники вводят кобальт (Со), потому что требуются меры для предотвращения коррозии магнита. Однако, согласно настоящему изобретению, поскольку на внутренней стороне трещин зерен вблизи поверхности спеченного магнита и в зернограничной фазе существует богатая Dy фаза, имеющая намного более высокие коррозионную стойкость и стойкость к атмосферной коррозии по сравнению с Nd, можно получить постоянный магнит, имеющий чрезвычайно высокие коррозионную стойкость и атмосферную коррозионную стойкость, без использования Со. Кроме того, поскольку во время диффундирования Dy, сцепленного с поверхностью спеченного магнита, в зернограничной фазе спеченного магнита S отсутствует содержащее Со интерметаллическое соединение, то атомы металла Dy, Tb диффундируют еще более эффективно.
[0050] Наконец, после проведения вышеописанной обработки в течение заданного периода времени (например, 1-72 часа) работу нагревательного средства 3 прекращают, в рабочую камеру 20 вводят газ Ar при давлении 10 кПа с помощью средства введения газа (не показано), испарение испаряющегося материала v прекращается, и температура в рабочей камере 20 сразу снижается, например, до 500°С. Без перерыва нагревательное средство 3 сразу включают снова и в рабочей камере устанавливают температуру в интервале 450-650°С и проводят термообработку для снятия напряжений в постоянных магнитах с дополнительным улучшением или восстановлением коэрцитивной силы. Наконец, рабочую камеру 20 быстро охлаждают по существу до комнатной температуры и вынимают короб 2 из вакуумной камеры 12.
[0051] В этом варианте реализации настоящего изобретения был описан пример, в котором в качестве испаряющегося материала v использовали Dy. Однако в том температурном интервале нагревания (интервал 900-1000°С) спеченного магнита S, который может увеличить скорость диффузии, может использоваться Tb, который имеет низкое давление пара. Или же может использоваться сплав Dy и Tb. Было предусмотрено так, что использовали испаряющийся материал v в объемной форме и с небольшой удельной площадью поверхности для того, чтобы снизить количество испарений при определенной температуре. Однако, не ограничиваясь этим, может быть предусмотрено так, что внутри ящика 21 размещают лоток, имеющий углубленную форму в поперечном сечении, для содержания в лотке испаряющегося материала v в гранулированной форме или объемной форме, тем самым снижая удельную площадь поверхности. Кроме того, после помещения испаряющегося материала v в лоток может быть установлена крышка (не показана), имеющая множество отверстий.
[0052] В этом варианте реализации настоящего изобретения был описан пример, в котором спеченный магнит S и испаряющийся материал v располагали в рабочей камере 20. Однако для того, чтобы обеспечить возможность нагрева спеченного магнита S и испаряющегося материала v при различных температурах, внутри вакуумной камеры 12 может быть предусмотрена испарительная камера (другая рабочая камера, не показана), кроме рабочей камеры 20, и может быть предусмотрено другое нагревательное средство для нагревания испарительной камеры. После испарения испаряющегося материала v внутри испарительной камеры может быть устроено так, что испаряющийся материал v в атмосфере паров подается к спеченному магниту внутри рабочей камеры 20 через соединяющий проход, который соединяет рабочую камеру 20 и испарительную камеру вместе.
-4
-1
[0053] В данном случае, если испаряющимся материалом v является Dy, испарительная камера может нагреваться в интервале 700-1050°С (при температуре 700-1050°С давление насыщенного пара Dy будет составлять примерно 1×10-1×10 Па). При температуре ниже 700°С нельзя достигнуть давления пара, при котором Dy может подаваться к поверхности спеченного магнита S так, чтобы Dy равномерно распределялся в зернограничной фазе. С другой стороны, в том случае, когда испаряющимся материалом v является Tb, испарительная камера может нагреваться в интервале 900-1150°С. При температуре ниже 900°С нельзя достигнуть давления пара, при котором атомы Tb могут подаваться к поверхности спеченного магнита S. С другой стороны, при температуре выше 1150°С Tb будет диффундировать в зерна, тем самым снижая максимальное энергетическое произведение и остаточную магнитную индукцию.
[0054] Кроме того, в данном варианте реализации был описан случай, в котором вакуумно-паровую обработку осуществляют для того, чтобы достигнуть высокой производительности. Данное изобретение также применимо к случаю, в котором постоянный магнит получают, вынуждая Dy и/или Tb сцепляться с поверхностью спеченного магнита (первая стадия) при использовании известного устройства вакуумного напыления или устройства распыления и затем проводя диффузионную обработку, вынуждая Dy и/или Tb, сцепленные с поверхностью спеченного магнита, диффундировать в зернограничную фазу спеченного магнита при использовании печи для термообработки (вторая стадия). Таким образом может быть получен постоянный магнит с высокими магнитными свойствами.
-5
-4
[0055] Для того чтобы удалить грязь, газ или влагу, адсорбированные на поверхности спеченного магнита S, прежде чем Dy и/или Tb продиффундируют в зернограничную фазу, может быть предусмотрено так, что давление в вакуумной камере 12 снижается до заданного уровня (например, 1×10 Па) с помощью вакуумирующего средства 11, а давление в рабочей камере 20 снижается до уровня (например, 5×10 Па) по существу наполовину разряда большего, чем давление в рабочей камере 20, с поддержанием затем этих давлений в течение заданного периода времени. В это время путем включения нагревательного средства 3 внутреннее пространство рабочей камеры 20 может быть нагрето, например, до температуры 100°С с поддержанием ее в течение заданного периода времени.
[0056] С другой стороны, может быть выполнена следующая компоновка, т.е. внутри вакуумной камеры 12 предусмотрено плазмогенерирующее устройство (не показано) известной конструкции для генерирования плазмы Ar или Не, и перед обработкой внутри вакуумной камеры 12 может быть проведена предварительная обработка очисткой поверхности спеченного магнита S плазмой. В том случае, когда спеченный магнит S и испаряющийся материал v размещаются в одной и той же рабочей камере 20, в вакуумной камере 12 может быть расположен известный конвейерный робот, и после того, как очистка завершена, внутри вакуумной камеры 12 может быть установлена крышка 22.
[0057] Кроме того, в этом варианте реализации настоящего изобретения был описан пример, в котором короб 2 образовывали, устанавливая крышку 22 на верхнюю сторону ящика 21. Однако если рабочая камера 20 изолирована от вакуумной камеры 12 и давление в ней может быть снижено наряду со снижением давления в вакуумной камере 12, нет необходимости ограничиваться вышеуказанным примером. Например, после помещения спеченного магнита S в ящик 21 его верхнее отверстие может быть покрыто выполненной из Мо фольгой. С другой стороны, может быть сконструировано так, что рабочая камера 20 может быть герметично закрыта в вакуумной камере 12 с тем, чтобы поддерживаться при заданном давлении независимо от вакуумной камеры 12.
[0058] Что касается спеченного магнита S, чем меньше величина содержания кислорода, тем больше становится скорость диффузии Dy и/или Tb в зернограничную фазу. Поэтому содержание кислорода в самом спеченном магните S может быть ниже 3000 миллионных долей (м.д.), предпочтительно - ниже 2000 м.д., а наиболее предпочтительно - ниже 1000 м.д.
Пример 1
[0059] В качестве спеченного магнита на основе Nd-Fe-B использовали магнит, состав которого представлял собой 20Nd-5Pr-2Dy-1B-1Co-0,2Al-0,05Cu-0,1Nb-0,1Mo-ост.Fe и который был получен в форме прямоугольного параллелепипеда 5×40×40 мм. В данном случае из Fe, Ng, Pr, Dy, B, Co, Al, Cu, Nb и Мо составляли шихту в вышеуказанном соотношении состава, с получением сплава толщиной 30 мм известным способом центробежного литья. Сплав сразу грубо измельчали на стадии известного водородного измельчения, а затем тонко измельчали на стадии тонкого измельчения в струйной мельнице с получением в результате исходного молотого порошка сплава.
[0060] Затем этот исходный молотый порошок сплава перемешивали при введении в соотношении смешения 0,05 мас.% смеси смазки из соединения на основе жирной кислоты и смазки из соли металла и жирной кислоты; заполняли полость пресс-формы известного одноосного типа прессования установки компрессионного формования; и формовали до заданной формы в магнитном поле (стадия формования). Полученное таким образом формованное тело размещали в известной печи для спекания и спекали при заданных условиях (стадия спекания). В данном случае при оптимизации стадии формования и стадии спекания получали спеченный магнит S со средним размером зерен в интервале 2 - 10 мкм, так что содержание кислорода составляло 500 м.д. При этом средний размер зерен спеченного магнита получали, протравив поверхность спеченного магнита, перпендикулярную направлению магнитного выравнивания, сегментным методом путем проведения 10 случайных линий на микрофотографии состава.
-4
-3
[0061] Затем при использовании вышеописанного устройства 1 вакуумно-паровой обработки получали постоянный магнит М путем вышеописанной вакуумно-паровой обработки. В данном случае 100 кусков спеченных магнитов S размещали на несущей сетке 21а внутри выполненного из Мо короба 2, на равном расстоянии друг от друга. Кроме того, в качестве испаряющегося материала использовали Dy объемной формы чистотой 99,9% и размещали его общее количество 10 г на нижней поверхности рабочей камеры 20. Затем путем включения вакуумирующего средства в вакуумной камере сразу снижали давление до 1×10 Па (давление внутри рабочей камеры составляло 5×10 Па), а также устанавливали температуру нагревания в рабочей камере 20 с помощью нагревательного средства 3 на 950°С. После того как температура в рабочей камере 20 достигла 950°С, осуществляли вышеуказанную обработку в данном состоянии в течение 1-72 часов. Затем проводили термообработку для снятия напряжений в постоянном магните. В данном случае температуру термообработки устанавливали на 400°С, а время термообработки устанавливали на 90 минут, и получили наиболее оптимальное время вакуумно-паровой обработки, которое позволяет получить самые высокие магнитные свойства (т.е. наиболее оптимальное время диффузии Dy).
[0062] На Фиг.5 представлена таблица, показывающая средние значения магнитных свойств, когда постоянный магнит был получен при вышеуказанных условиях. В соответствии с этим, когда средний размер зерен составляет менее 3 мкм или более 9 мкм, наиболее оптимальное время вакуумно-паровой обработки составляло более 8 часов, приводя к плохой технологичности. Можно также видеть, что, когда средний размер зерен составлял более 9 мкм, коэрцитивная сила не могла быть эффективно улучшена. С другой стороны, когда средний размер зерен спеченного магнита составлял 4-8 мкм, наиболее оптимальное время вакуумно-паровой обработки составляло 4-6 часов. Можно также видеть, что был получен постоянный магнит с высокими магнитными свойствами, у которого максимальное энергетическое произведение составляло более 51 МГсЭ, остаточная магнитная индукция составляла более 14,5 кГс, а коэрцитивная сила составляла примерно 30 кЭ.
Краткое описание чертежей
[0063]
Фиг.1 представляет собой схематический пояснительный вид в поперечном сечении постоянного магнита, изготовленного согласно данному изобретению;
Фиг.2 представляет собой схематический вид устройства вакуумно-паровой обработки для осуществления обработки по данному изобретению;
Фиг.3 представляет собой схематический пояснительный вид в поперечном сечении постоянного магнита, изготовленного в соответствии с уровнем техники;
Фиг.4A представляет собой пояснительную схему, показывающую вызванное обработкой резанием ухудшение поверхности спеченного магнита, а Фиг.4B - пояснительную схему, показывающую состояние поверхности постоянного магнита, изготовленного согласно данному изобретению; и
Фиг.5 представляет собой таблицу, показывающую средние значения магнитных свойств постоянного магнита, изготовленного в соответствии с Примером 1а, и наиболее оптимальное время вакуумно-паровой обработки.
Описание ссылочных номеров и обозначений
[0064]
1 - устройство вакуумно-паровой обработки
12 - вакуумная камера
20 - рабочая камера
2 - короб
21 - ящик
22 - крышка
3 - нагревательное средство
S - спеченный магнит
М - постоянный магнит
v - испаряющийся материал