用于制备块状亚稳态富铁材料的快速固结方法技术

填隙改性型稀土元素化合物，包括可由四方晶体结构ThMn

Rapid consolidation method for preparing bulk metastable ferrous rich material

Interstitial modification of rare earth compounds, including ThMn, can be made by tetragonal crystal structure

【技术实现步骤摘要】
用于制备块状亚稳态富铁材料的快速固结方法本专利技术由美国政府支持，根据由能源部授予的协议编号DE-AR0000195完成的。美国政府享有本专利技术的一定权利。
本说明书涉及通过快速固结含有稀土元素填隙改性型化合物的颗粒制备有用的致密块状形状，富铁成分具有由ThMn12四方晶体结构提供的永磁体的特性。
技术介绍
存在对在各种尺寸的电动机中的有永磁性材料以及其它电动制品的需求。含有稀土元素的富铁永磁体可能是有用的且相对便宜，特别是当稀土元素组分包括铈(稀土属元素中含量最丰富的一种)时。然而，仍需要开发将稀土元素和铁的化合物能够制作成具有所需的永磁体特性的颗粒物的工艺，通过此工艺所述颗粒可以被固结来形成保持所需的永磁体的特性的有用的致密块状磁体。
技术实现思路
本专利技术提供一种用于将小颗粒(常常称为粉末)的含有稀土元素的富铁成分的亚稳态永磁体化合物快速固结为适于磁体应用的致密块状部件而不会对化合物的功能特性进行热降解的工艺。一定体积的颗粒被压实在适合的模具中，并且脉冲直流电(DC)通过压实后的颗粒对它们进行加热并将它们烧结为致密形状。通过使用这种放电等离子体烧结(SPS)技术并仔细选择加工参数、亚稳态永磁体化合物组分中的粉末或类似小颗粒能够在它们的热力学稳定性极限之上的温度下被固结为块状形状，以在磁体的期望成品形状中实现近乎完全致密。与诸如热压或常规烧结的其它致密化技术相比，SPS使能够在降低的温度下用较少的时间完成亚稳态化合物颗粒的致密化，从而避免分解或降解，并保留了材料的最初期望的功能属性。根据本专利技术的实施例，放电等离子体烧结法应用于填隙改性的稀土-铁化合物的粉末颗粒，其在整个组分(Ce1-xRx)1+wFe12-yMyNz中具有一种ThMn12型四方晶体结构(下文中有时称为1-12晶体结构)。如本说明书中更详细地说明的那样，由N指定的元素是化合物的晶体结构中的填隙改性元素。进一步将该组合物说明如下。x的值适合于在0至1的范围内，优选地在0.6至1的范围内。一般而言，优选在组分中包含一些铈，但是铈不是必须的。w的值适合于在-0.1至0.3的范围内，优选地在0.05至0.15的范围内。R是(除了铈以外的)从La、Pr、Nd、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb和Lu中选择的一个或多个稀土元素。R还可以包括钇(Y)。元素M是Mo、Ti、V、Cr、B、Al、Si、P、S、Sc、Co、Ni、Zn、Ga、Ge、Zr、Nb、Hf、Ta或W中的一个或多个。M元素选自R和Fe的组合并与其一起使用，以形成一种具有1-12四方晶体结构的化合物如上面组合物的式中所指示的，使用M元素来代替铁含量的一部分。y的值适合于在1至4的范围内(包括分数中间值)，优选地在1至2的范围内。元素N是由R、Fe和M元素形成的晶体结构中的可选填隙元素，并且当用在组分中时，优选为氮，但是可以为氢、碳和氮中的任一个或多个。z的值适合于在0至3的范围内，优选地在0.5至1.5的范围内。采用可选的填隙元素以便补充所需的1-12晶体结构。可以在碳最初形成时将其加入R-Fe-M化合物中。可以将碳以碳化合物的形式添加到R、Fe和M元素的熔体中，使得碳化合物在熔体中分解，以形成R-Fe-M化合物且碳原子填隙地分布在1-12晶体结构中。通过氮气的气态相填隙改性将氮加入之前形成的R-Fe-M化合物中，这也被称为氮化作用。通过气态相填隙改性(如，氢化作用)将氢加入R-Fe-M化合物中，该方式类似于之前所述的氮的引入。在本专利技术的优选实施例中，(Ce1-xRx)1+wFe12-yMy化合物最初通过将R元素、Fe和M元素组合在熔融体积中而形成。如果需要，可以添加碳或包含碳的前体于熔融体积中，以立即形成(Ce1-xRx)1+wFe12-yMyNz组分。然后以合适的方式固化充分混合的熔体来形成1-12结晶固相，其被粉碎成粉末或合适的小颗粒。例如，通常优选已粉碎颗粒具有不大于约45微米的最大直径，为压实和SPS烧结作准备。1-12化合物的一些颗粒物可通过熔融体积的常规凝固形成一种锭块，并且所述锭块随后破碎并研细成粉末状化合物。对其它化合物组分而言，可能有必要将熔融体积进行熔融纺丝或通过其他合适的快速凝固工艺来获得薄片或具有所需的1-12结晶相的(Ce1-xRx)1+wFe12-yMy化合物的其它小颗粒。实际上，所得的结晶化合物将被粉碎成粉末，优选地粉末大小小于45微米，并且进行氮化作用、氢化、或者像气相填隙改性的来形成具有相同的1-12结晶结构的(Ce1-xRx)1+wFe12-yMyNz并且基本上没有增加最初的(Ce1-xRx)1+wFe12-yMy颗粒的大小。形成的(Ce1-xRx)1+wFe12-yMyNz可以是亚稳态的，就此而言，粉末颗粒不能被随便加热和部分液化，用于固结成永久磁体材料的块状形状，例如一种用于电机的定子。在这样的热处理下，所述化合物被分解，并且1-12结晶相被转化，使得该材料失去其磁体永磁体特性。根据本专利技术的惯例，对该化合物进行了详细的热力学分析和相关的结晶结构分析来确定合适的最大温度、加热时间和用于颗粒压实的压实压力和供脉冲DC电流通过颗粒的短期通道以快速地将它们烧结成块状形状而不对它们的必要的1-12结晶结构进行改性。通过样本样品的尝试和错误处理可以确定用于具体组分的合适的SPS参数，但是优于地使用更详细的热力学分析惯例，与晶体结构分析结合，如在本说明书中将进一步描述的那样。根据本专利技术的SPS惯例，1-12相永久磁体化合物的颗粒被置于合适的模具中，形成需要的块状磁体形状，在无氧的环境下以合适的压力压实，通过直接穿过压实的粉末颗粒团的脉冲直流(DC)的通道进行加热，形成具有密度为百分之九十或者更多的所述(Ce1-xRx)1+wFe12-yMy或(Ce1-xRx)1+wFe12-yMyNz化合物密度。DC电流的通道被用于将压实的颗粒加热预定的时间并加热至预定的温度，以实现块状形状的固结而基本不改变形成的(Ce1-xRx)1+wFe12-yMy或(Ce1-xRx)1+wFe12-yMyNz化合物的最初的颗粒的结晶特性和磁特性。如所述，亚稳态1-12化合物颗粒的直接加热固结称为放电等离子体烧结(在本文中有时是SPS)，因为DC电流的初始通道被认为有可能最初在颗粒的初始压实体中的小空隙内产生火花和等离子体。但是，不管结合机理是什么，作用于压实颗粒、无氧环境和、通过颗粒的DC电流的受控流上的压力，在几分钟之内(停留时间)被用于将它们快速烧结成为一种基本上无空隙结构的预定形状，用于所选择的1-12相化合物的磁特性。化合物的形成颗粒的进一步的说明性实例，该化合物的热力学和结晶结构分析，和颗粒的固结在本说明书中的以下呈现。该说明性实例并不仅仅限于本专利技术的范围。附图说明图1是有圆柱形的空腔的模具示意性正视图，其中改性带ThMn12型结晶结构的填隙改性型稀土铁磁体粉末在模具的圆形圆柱形空腔中被压实，该模具位于沿直径相对的上凸模和下凸模之间。模腔被封装，以提供粉末并将其保持在无氧的环境中。提供了用于检测磁体粉末温度和将脉冲直流电流直接通过压实粉末的装置，用于将粉末快速将成一种紧密的结晶块状磁体。图2是示出化合物(Ce0.2Nd0.8)1.1Fe10.5Mo1.本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种通过固结化合物(Ce

【技术特征摘要】
2015.08.25 US 14/8348611.一种通过固结化合物(Ce1-xRx)1+wFe12-yMy的颗粒形成块状磁体形状的方法，在所述化合物中，x的值在[0，1]的范围内，R为选自由以下各项组成的组中的元素：La、Pr、Nd、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb、Lu以及Y；w在[-0.1，0.3]的范围内，元素M为Mo、Ti、V、Cr、B、Al、Si、P、S、Sc、Co、Ni、Zn、Ga、Ge、Zr、Nb、Hf、Ta和W中的一个或多个，并且y的值在[1，4]的范围内，并且所述化合物的颗粒具有ThMn12四方晶体结构和永磁体特性，所述方法包括：确定加热温度、加热时间段以及压实压力，在所述加热温度、所述加热时间段以及所述压实压力下，大量的所述化合物的颗粒能够在压力下被固结成块状磁体形状，其具有不低于最初的颗粒的密度的90％的密度，而没有所述化合物的分解或者其四方晶体结构或永磁体特性的损耗；以及将大量的所述颗粒限制在模具中用于形成所述块状磁体形状并且施加用于固结所述颗粒的预定压实压力，同时使脉冲直流电通过体积受限的颗粒以将所述颗粒加热至所预定的加热温度，并且持续所预定的加热时间，以产生经固结的块状磁体形状，同时保持所述化合物的最初的颗粒的永磁体特性。2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述(Ce1-xRx)1+wFe12-yMy化合物的x的值在[0.6，1]的范围内，w的值在[0.05，0.15]的范围内，并且y的值在[1，2]的范围内。3.根据权利要求1所述的方法，其中，所述(Ce1-xRx)1+wFe12-yMy化合物的颗粒具有的最大尺寸不大于四十五微米。4.根据权利要求1所述的方法，其中，所述化合物由通式(Ce1-xRx)1+wFe12-yMyNz表示，在所述化合物中，元素N为碳、氢和氮中的一个或多个，并且z的值在[0.1，3]的范围内。5.根据权利要求1所述的方法，其中，所述化合物由通式(Ce1-xRx)1+wFe1...

【专利技术属性】
技术研发人员：C·周，F·E·平克顿，
申请(专利权)人：通用汽车环球科技运作有限责任公司，
类型：发明
国别省市：美国,US