分段式永磁体的制作方法

本公开涉及分段式磁体，例如，Nd-Fe-B磁体。

背景技术：

电动车辆中通常可以使用永磁马达。由于烧结Nd-Fe-B磁体的高电导率和槽/齿谐波，所以会在磁体内产生涡流损耗。这会增大磁体温度并可能劣化永磁体的性能，这会导致马达效率相应的减小。为试图解决这些问题并使磁体在提高的温度下工作，可以在马达中使用高矫顽力的磁体。这些磁体通常包括诸如Tb和Dy的昂贵的重稀土(HRE)元素。减少涡流损耗可以改善马达效率，并且材料成本可以被降低。

技术实现要素：

在至少一个实施例中，提供了一种分段式磁体。磁体可以包括：第一层，包括永磁材料；第二层，包括永磁材料；绝缘层，使第一层和第二层分开，并且包括稀土元素和陶瓷混合物，所述陶瓷混合物至少包括第一陶瓷材料和第二陶瓷材料。

陶瓷混合物可以具有比第一陶瓷材料和第二陶瓷材料中的每个的熔点低的熔点。在一个实施例中，第一陶瓷材料或第二陶瓷材料包括具有化学式为AH₂的化合物，其中，A为碱土金属，H为卤素。在另一实施例中，第一陶瓷材料或第二陶瓷材料包括具有化学式为MH₃的化合物，其中，M是具有+3价氧化态的金属，H为卤素。在另一实施例中，第一陶瓷材料或第二陶瓷材料包括具有化学式为BH的化合物，其中，B为碱金属，H为卤素。

陶瓷混合物可以具有小于或等于1000℃的熔点。稀土元素可以是稀土合金或稀土化合物的一部分。稀土合金可以包括NdCu、NdAl、DyCu、NdGa、PrAl、PrCu和PrAg中的一种或更多种。在一个实施例中，稀土元素可以包括达到绝缘层的20wt％。在第一层和第二层中的永磁材料可以是Nd-Fe-B磁体，在绝缘层中的稀土元素可以是Nd。

在至少一个实施例中，提供了一种形成分段式磁体的方法。所述方法可以包括：将绝缘层施用到第一烧结永磁层；堆叠与绝缘层接触并与第一烧结永磁层分隔的第二烧结永磁层，以形成磁体堆叠；加热磁体堆叠。绝缘层可以包括稀土元素以及至少包括第一陶瓷材料和第二陶瓷材料的陶瓷混合物。

在一个实施例中，第一陶瓷材料和第二陶瓷材料可以从由下列化合物组成的组中选择：具有化学式为AH₂的化合物，其中，A为碱土金属，H为卤素；具有化学式为MH₃的化合物，其中，M是具有+3价氧化态的金属，H为卤素；具有化学式为BH的化合物，其中，B为碱金属，H为卤素。

陶瓷混合物可以具有比第一陶瓷材料和第二陶瓷材料中的每个的熔点低的熔点。加热步骤可以包括在退火温度在陶瓷混合物的熔点的100℃内下对磁体堆叠进行退火。所述方法可以包括在加热步骤期间对磁体堆叠施加压力。所述方法可以包括在施用步骤前从块状的烧结磁体分割第一烧结永磁层和第二烧结永磁层。在一个实施例中，稀土元素包括达到绝缘层的30wt％。

在至少一个实施例中，提供了一种分段式磁体。分段式磁体可以包括：第一层，包括永磁材料；第二层，包括永磁材料；绝缘层，使第一层和第二层分开，并且包括稀土元素和陶瓷混合物，所述陶瓷混合物包括在共晶系统中的至少两种陶瓷材料。陶瓷混合物可以具有在共晶系统的共晶点温度的100℃内的熔点。共晶系统可以是二元系统、三元系统或四元系统。

在一个实施例中，所述至少两种陶瓷材料中的至少一种从由下列化合物组成的组中选择：具有化学式为AH₂的化合物，其中，A为碱土金属，H为卤素；具有化学式为MH₃的化合物，其中，M是具有+3价氧化态的金属，H为卤素；具有化学式为BH的化合物，其中，B为碱金属，H为卤素。

附图说明

图1是烧结磁体的截面的示意性示例；

图2是烧结Nd-Fe-B磁体的退磁曲线；

图3是根据实施例的形成分段式磁体的方法的示意图；以及

图4是包括CaF₂和AlF₃的混合物的共晶反应的二元相图的示例。

具体实施方式

按照要求，在这里公开了本发明的详细实施例；然而，将理解的是，所公开的实施例仅是可以以各种可替换形式实施的本发明的举例说明。附图不一定按比例绘出；一些特征可以被夸大或最小化以示出具体组件的细节。因此，在这里所公开的特定结构性和功能性细节不被解释为限制性的，而是仅作为教导本领域技术人员以多种形式采用本发明的代表性基础。

一种减少涡流损耗的方法是：将磁体切割或分开成更小和更薄的片，然后使用树脂或环氧树脂将这些分段的磁体粘合成期望的尺寸的磁体。为减少涡流损耗，分段的磁体的每片的厚度应尽可能的小。然而，这会导致磁体的表面附近的性能劣化的新问题。对于烧结Nd-Fe-B磁体，已知的是，富Nd相对于磁体的矫顽力是重要的。在图1中示出了磁体10的截面的示例。磁体10包括被晶界14分隔的诸如Nd₂Fe₁₄B晶粒的晶粒12。在磁体的表面16附近的晶粒倾向于缺乏富Nd相，因此倾向于具有低得多的矫顽力。当将磁体10切割和/或研磨为小片时，缺陷被引入到新创建的表面中。这些缺陷可以包括：诸如悬键、杂质和/或点缺陷的晶体缺陷，以及诸如增加的表面粗糙度和/或切割/研磨工艺的残留的更大或宏观尺度的缺陷。通常，对磁体因而对Nd₂Fe₁₄B晶格的任何机械损坏将减小磁体的各向异性场(并因此减小矫顽力)。

结果，通常在烧结Nd-Fe-B磁体的磁滞曲线的第二象限中存在扭折。即使对具有重稀土(HRE)元素的优质磁体而言，也仍可以看到扭折。图2中示出了高矫顽力的烧结Nd-Fe-B磁体的退磁曲线的示例。扭折18的大小会根据磁体的表面粗糙度和比表面积而变化。对于分段的磁体，由于较小的厚度，有更多的晶粒暴露于表面。这些晶粒通常具有明显较低的矫顽力，这会在磁滞曲线的第二象限中导致大的扭折。因此，该磁体的性能会大大劣于对应的具有相同组成和工艺历史的块状磁体。

公开的分段式永磁体及其形成方法可以在仍将分段的磁体结合成块状尺寸的磁体的同时，克服表面柔软度以及烧结和分段的Nd-Fe-B磁体的损坏。所公开的磁体及方法可以增加烧结Nd-Fe-B磁体的矫顽力，并且还将热处理和结合工艺合并到一个步骤中。

参照图3，示出了形成分段式磁体20的示意性方法。可以将烧结的块状磁体切割或分割成更小的烧结的磁性层22，类似于上述的分段式磁体。然而，绝缘层24可以使磁性层22分开，而不是利用环氧树脂接合磁性层22。如在下面附加的详细描述的，绝缘层24可以“治愈”磁性层22在分割期间造成的损坏的表面26。因此，与传统的接合的分段式磁体(例如，利用环氧树脂)相比，磁性层22的表面26可以具有改善的各向异性场，因此提高矫顽力。

磁性层22可以由任何适合的硬磁或永磁材料形成。在一个实施例中，磁性材料可以包括诸如钕或钐的稀土(RE)元素。例如，磁性材料可以是钕-铁-硼(Nd-Fe-B)磁体或钐-钴(Sm-Co)磁体。特定的磁性材料组分可以包括Nd₂Fe₁₄B或SmCo₅，然而，将理解的是，也可以使用这些组分或其它永磁体组分的变型。其它材料和/或元素也可以被包括在磁性材料中以改善磁体的性能(例如，诸如矫顽力的磁性性能)，例如，诸如Y、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb和Lu的重稀土元素。

绝缘层24可以由比磁性层22的电阻大的任何适合的材料来形成。在一个实施例中，绝缘层24可以包括陶瓷材料。已经过测试的材料的一个示例为氟化钙(CaF₂)。然而，已经发现CaF₂的绝缘层必须相对地厚以提供适当的电阻。但是，厚的CaF₂层导致磁体具有差的机械性能，这可能是由于CaF₂的相对高的熔点，从而Nd-Fe-B磁体的典型烧结温度和退火温度均较高。

已经发现，可以在绝缘层24中使用陶瓷材料的混合物，这可以获得比成分陶瓷低的熔点。这些混合物可以利用共晶反应。虽然陶瓷倾向于具有高的熔点，但是陶瓷之间的共晶反应可以显著地降低陶瓷混合物的熔点。即使系统的混合物的整体组分不在共晶点处或共晶点附近，在混合物的颗粒的表面处，也可以显著地降低熔点。对于陶瓷的致密化过程，形成液相可以提高致密率，因此增加绝缘层的内聚力。在液相烧结中，在液态中存在于颗粒间间隙中的空隙产生的毛细作用力的辅助下，通过连续的液态晶界薄膜，材料传输快得多。此外，在烧结期间增加液相的体积也可以改善磁体和绝缘层之间的相互作用。

在一个实施例中，绝缘层24可以包括包含碱土金属和卤素的化合物的混合物(例如，两种或更多种)。这些化合物可以具有诸如二氟化物的AH₂的化学式，其中，A为碱土金属，H为卤素。碱土金属可以包括铍(Be)、镁(Mg)、钙(Ca)、锶(Sr)、钡(Ba)和镭(Ra)。卤素可以包括氟(F)、氯(Cl)、溴(Br)、碘(I)和砹(At)。在至少一个实施例中，碱土金属可以是钙和/或镁。在至少一个实施例中，卤素可以是氟(F)或氯(Cl)。混合物可以由两个或更多个上述的任意组合来形成。例如，混合物可以包括MgF₂和CaF₂。

绝缘层24也可以包括具有诸如三氟化物的MH₃化学式的化合物，其中，M是具有+3价氧化态的金属，H为卤素。也可以包括具有MH₄化学式的化合物，其中，M金属具有+4价氧化态。M金属的示例可以包括铝、铁、锆稀土元素、或者周期表的铝列和钪列中的其它金属。这些化合物可以混有上述的AH₂化合物。

除了上述化合物之外，混合物可以包括包含碱金属和卤素的一种或更多种化合物。碱金属可以包括锂(Li)、钠(Na)、钾(K)、铷(Rb)或铯(Cs)。因此，混合物可以包括诸如LiF、NaF、KF、LiCl、NaCl、KCl的化合物或任意其它组合。这些化合物可以具有BH化学式，其中，B为碱金属，H为卤素。

上述化合物可以以任意组合混合以形成二元、三元、四元系统或更多元系统(例如，具有2、3、4或更多化合物的系统)。系统可以包括诸如MgF₂和CaF₂二元系统或LiF-NaF-KF三元系统的所有的一种类型的化合物(例如，具有所有的碱土金属-卤素或所有的碱金属-卤素化合物的二元或三元系统)。或者，系统还可以包括至少两种类型的化合物，例如，具有碱土金属-卤素和碱金属-卤素化合物的二元系统或者具有碱土金属-卤素和碱金属-卤素化合物中的两种以及其它化合物中的一种的三元系统。类似地，金属-卤素化合物可包括在上述的任意的系统中。

图4中示出了示出AlF₃和CaF₂的混合物的相图。这个系统的共晶温度为约836℃，这比任何一个单独的熔点1410℃(CaF₂)和1291℃(AlF₃)低得多。共晶组分为约37.5mol％的AlF₃。

这些二元、三元、四元或更多元系统可以是共晶系统。用于绝缘材料混合物的整体组分可以处于共晶点或在共晶点附近，从而与成分组分相比，减小了混合物的熔点。例如，组分可以在共晶点的诸如5％、10％、15％、20％、25％或30％的特定的摩尔比内。这是诸如AlF₃和CaF₂的二元系统的最简单的描述。该系统的共晶点为大约37.5mol％的AlF₃和62.5mol％的CaF₂，因此，对于在共晶点的10％内的组分，该组分可以是27.5mol％至47.5mol％的AlF₃和52.5mol％至72.5mol％的CaF₂。同样可以适用于其它二元系统或者适用于三元或四元系统。在一个实施例中，对于AlF₃和CaF₂的二元系统，混合物的组分可以是摩尔比30％至60％的AlF₃和摩尔比40％至70％的CaF₂。

如上所述，即使混合物的组分不是共晶组分，在颗粒或粉末的表面处也仍可以以低于熔点的温度熔化。因此，即使相对少量的第二化合物或附加化合物也可以改善烧结。因此，组分可以包括至少5摩尔％的第二化合物或附加化合物，例如，至少10摩尔％、15摩尔％、20摩尔％或25摩尔％。第二化合物或附加化合物可以是二元系统中的任何一种化合物。例如，如果在AlF₃和CaF₂系统中存在10摩尔％的第二化合物，那么组分可以是10摩尔％的AlF₃或10摩尔％的CaF₂。同样可以适用于其它二元系统或者适用于三元或四元系统。

换言之，用于绝缘材料混合物的整体组分可以处于共晶点或在共晶点附近，从而混合物的熔点处于共晶点温度或在共晶点温度附近。例如，可以配置组分使得熔点在共晶点温度的特定温度内，诸如，在5℃、10℃、25℃、50℃、75℃或100℃内。因此，如果组分被配置为具有在AlF₃和CaF₂的混合物的共晶点温度(共晶点为836℃)的50℃内的熔点，那么组分可以具有786℃至886℃的熔点。然而，因为共晶点通常表示最小熔点(或至少局部最小值)，所以组分可以具有共晶点温度(836℃)至886℃的熔点。

根据用于绝缘层的混合物的组分，熔点可以不同。可以配置绝缘材料混合物的组分使得熔点可以小于或等于1100℃、1050℃或1000℃，例如，800℃至1100℃、850℃至1000℃、800℃至950℃、850℃至950℃、800℃至900℃、900℃至1000℃、950℃至1000℃、850℃至875℃或者800℃至850℃。混合物的熔点可以小于磁性材料的烧结温度。在一个实施例中，磁性材料的烧结温度可以是1000℃至1100℃，例如，1025℃至1075℃或约1060℃。绝缘层的熔点可以处于磁性层22的退火温度或者在磁性层22的退火温度附近。例如，熔点可以在退火温度的(例如，±)5℃、10℃、25℃、50℃、75℃或100℃内。因此，如果退火温度为900℃，熔点在25℃内，那么熔点可以是875℃至925℃。类似地，退火温度可以在熔化温度的(例如，±)10℃、25℃或50℃内。如上所述，即使混合物的组分不是共晶组分(例如，对于MgF₂和CaF₂摩尔比约1:1以及对于AlF₃和CaF₂的37.5mol％的AlF₃)，在颗粒或粉末的表面处也仍可以熔化，从而改善在烧结期间的材料传输和致密化。

通过减小绝缘层材料的熔化温度，在已组装好磁性层22和绝缘层24之后，绝缘层可以在退火热处理期间至少部分地熔化。这样的熔化可以增加磁体和绝缘层之间的粘合力，同时也增强层之间的扩散。这样的熔化允许在单一步骤中执行磁性层22的“胶合”(例如，接合)和磁性层22的退火。这样的步骤可以包括施加压力，例如，垂直于堆叠的层。如果绝缘层24的熔化温度高于退火温度，那么可以增加压力。相反，如果绝缘层24的熔化温度低于退火温度，那么可以减小压力，或者，在一些实施例中，可以消除压力。

在至少一个实施例中，绝缘层24可以包括一个或更多个稀土元素(REE)、稀土合金(REA)或稀土化合物(REC)。稀土元素可以包括包含轻稀土元素和重稀土元素的铈(Ce)、镝(Dy)、铒(Er)、铕(Eu)、钆(Gd)、钬(Ho)、镧(La)、镥(Lu)、钕(Nd)、镨(Pr)、钷(Pm)、钐(Sm)、钪(Sc)、铽(Tb)、铥(Tm)、镱(Yb)和钇(Y)。稀土合金可以包括包含至少一种稀土元素的任意合金，且可以包括非REE。类似地，稀土化合物可以包括包含至少一种稀土元素的任意化合物，且可以包括非REE。潜在的稀土合金的示例可以包括NdCu、NdAl、DyCu、NdGa、PrAl、PrCu和/或PrAg。稀土合金可以包括一种或更多种REE以及铜、铝、镓和银中的一种或更多种。REE、REA和/或REC可以混有上面公开的与绝缘层24有关的其它材料。例如，绝缘层24可以包括MgF₂、CaF₂和NdCu，或者AlF₃、CaF₂和NdAl。

REE、REA或REC在与绝缘材料混合时可以用作一种胶合剂或粘合剂。包括稀土元素的绝缘层24的整体熔点也可以在上面公开的范围内。当发生绝缘层的熔化或部分熔化时，绝缘层24中的稀土元素可以扩散到磁性层22中。如前所述，分割的磁性层的表面会具有来自分割工艺的显著的损坏。来自绝缘层24的稀土元素(诸如，Nd)的扩散可以通过增加磁体的表面处的Nd的浓度来“治愈”磁性层22。富Nd相对于Nd-Fe-B磁体的矫顽力十分重要；因此，增加表面处的Nd可以增加磁性层22的表面处的矫顽力。具有低熔点的稀土合金可以允许稀土元素到磁性层22的表面的的增强的扩散。

尽管添加稀土元素/合金/化合物可以改善磁性性能和磁性层与绝缘层之间的结合，但是它们通常具有十分低的电阻，并且在绝缘层中包括它们会与绝缘层的目的相反。然而，已经发现金属材料和介电材料的混合物的电导率可以由逾渗理论来支配。因此，绝缘层的电导率可以通过控制混合物中的金属或合金粉末的量来调整。当金属组分的体积比小于阈值时，混合物的电导率可以接近零。当金属组分的体积比在阈值以上时，近似地，介电组分和金属组分的混合物的电导率可被表示为：

σ～(p-p_c)^μ

其中μ为临界指数，所述临界指数描述电导率与变化的金属材料和绝缘材料的体积比的行为，p可以看作金属组分的体积比，p_c为指示金属相的长程连接的形成的阈值。因此，稀土元素/合金/化合物可以混有达到特定量的绝缘粉末以改善分段的磁性层的机械性能和/或磁性性能而不将电导率增大到不可接受的水平。如果金属粉末的比例低于阈值，那么绝缘层仍将是介电的。如果电导率的某一水平是可接受的，那么稀土元素的分数可以增大直到达到所述水平。例如，已经发现在20wt％的重量比的情况下，绝缘层的电阻率仍可多达1.5×10⁵Ω·cm。在一个实施例中，REE、REA和/或REC可以包括绝缘层24的1wt％至30wt％，或者其中的任何子范围。例如，REE、REA或REC可以包括5wt％至30wt％、5wt％至25wt％、10wt％至25wt％、15wt％至25wt％或约20wt％(例如，±5wt％)。

再次参照图3，在截面图中示出了分段式烧结磁体20。磁体20可以具有多层磁性层22以及一层或更多层绝缘层(IL)24。绝缘层24可以设置在磁性层22之间以增大磁体20的电阻并减少涡流损耗。绝缘层24可以与两层分隔开的并相对的磁性层22直接接触。磁性层22和/或绝缘层24可以具有均匀或基本上均匀的厚度(例如，在平均厚度的5％内)。可以有多层绝缘层24，例如，一层绝缘层24位于每对相邻的磁性层22之间。在一个实施例中，如果有“x”层磁性层22，那么可以有“x-1”层绝缘层24。在图3中示出的示例中，有三层磁性层22和两层绝缘层24，然而，可以有任意适合的每种层的数量。磁体可以包括至少两层磁性层22，使得它们被绝缘层24分开。但是，可以有3、4、5、10或更多的磁性层22，其可以包括设置在每对磁性层22之间的相应的2、3、4、9或更多的绝缘层24。

在至少一个实施例中，绝缘层24可以是相对薄的。例如，绝缘层24可以具有1μm至1000μm的厚度，或其中的任何子范围。在一个实施例中，绝缘层24可以具有5μm至500μm、5μm至300μm、5μm至200μm、5μm至150μm、5μm至100μm、5μm至50μm、5μm至25μm、10μm至500μm、10μm至250μm、10μm至150μm、25μm至250μm、25μm至150μm、50μm至150μm、50μm至100μm或25μm至100μm的厚度。然而，在这些范围之外的厚度也是可能的。在一个实施例中，该厚度可以足够厚以提供电阻材料的连续层而与磁性层22的表面粗糙度无关。

为形成磁体20，可将之前已被烧结的块状磁体切割、分割、或以其它方式分为薄片或层。根据层的粗糙度，在分割之后可以有抛光或研磨步骤。块状磁体可以是稀土磁体，诸如，Nd-Fe-B或Sm-Co磁体。在形成磁性层22之后，可以在磁性层22上施用、沉积或设置绝缘层24。绝缘层24可以包括材料的混合物，所述材料可以包含上述的绝缘材料和“胶合”材料。例如，绝缘材料可以包括AH₂和/或MH₃材料，诸如，Ca/MgF₂和/或AlF₃。如上所述，这些混合物与它们的单个成分相比可以具有减小的熔点。

可以以粉末、悬浮物、喷雾、液体、片、生坯或者其它适合的形式来施用绝缘层24。例如，如果以粉末来施用所述层，那么可以将磁性层22放置在模具中，并且可以在磁性层的顶部上或在磁性层上方沉积绝缘粉末。在将另一磁性层22放置在绝缘粉末层的顶部上或在绝缘粉末层的上方之前，可以平整、紧压或者以其它方式均一所述粉末。可以重复这些步骤直到期望数量的绝缘层24分隔开期望数量的磁性层22。

一旦已经形成磁性层22和绝缘层24的堆叠，那么可以执行合并工艺。这样的步骤可以包括加热磁体堆叠，可选地，施加压力(例如，如所示，垂直于堆叠层)。可以在与传统退火工艺相同温度和/或时间下执行这样的工艺，因此这样的工艺可以替代退火工艺。在公开的磁体堆叠中，热处理也可以引起烧结的磁性层22和未烧结的绝缘层24彼此粘合。由于在绝缘材料的熔点处或在绝缘材料的熔点附近发生的热处理，所以粘合可以通过扩散来发生。在至少一个实施例中，在没有诸如聚合物或环氧树脂的任何粘合剂或树脂的情况下发生粘合。在一个实施例中，绝缘层可以仅由无机材料(例如，陶瓷)和金属构成。

在磁体的分割表面上或附近的REE、REA或REC可以“治愈”由于分割工艺而在磁性层22的表面中产生的损坏。诸如Nd的稀土元素可以从绝缘材料扩散到磁性层22的表面，从而在表面处增加富Nd相的量并增大层的矫顽力。也可以施加压力以改善绝缘层和磁性层之间的结合。如果绝缘材料具有高于热处理温度的熔点，那么可以施加较高的压力。如果绝缘材料具有处于热处理温度的熔点或者低于热处理温度的熔点，那么可以施加较低的压力(或者不施加压力)。

公开的磁体可用于使用硬磁/永磁的任何磁性应用。所述磁体对于产生涡流的地方可以是有益的。在一个实施例中，所述磁体可以用于电动马达或发电机(诸如在混合或电动车辆中使用的电动马达或发电机)。公开的磁体及其形成方法可以减小磁体的温度，从而对于磁体需要低矫顽力。因此，需要较少的HRE材料，这降低了电动马达的成本。也节省了能源，这可以增加MPG(英里/加仑)或者电动车辆的电动里程。

虽然在上面描述了示例性实施例，但是这些实施例不意图描述本发明的所有可能形式。相反，在说明书中所使用的词语是描述性词语而非限制性词语，并且理解的是，在不违背本发明的精神和范围的情况下，可以做出各种改变。此外，可以结合各种实施实施例的特征以形成本发明的另外的实施例。