DE1281058B - Verfahren zur Herstellung von anisotropen gesinterten metallischen Dauermagneten mitGrob- oder Einkristallstruktur - Google Patents

Description

• Verfahren zur Herstellung von anisotropen gesinterten metallischen Dauermagneten mit Grob- oder Einkristallstruktur Es ist bekannt, Dauermagnete aus Legierungen herzustellen, die neben Eisen im wesentlichen 15 bis 42% Kobalt, 11 bis 20% Nickel, 5 bis 11% Aluminium, 0 bis 6% Kupfer und 0 bis 8% Titan enthalten. Daneben können auch Vanadium, Niob, Schwefel und Verunreinigungen gemeinsam, einzeln oder in Kombinationen in den Legierungen vorhanden sein.
• Bei diesen Dauermagneten lassen sich grob vier große Gruppen unterscheiden: 1. Magnete, deren magnetische Eigenschaften in allen Raumrichtungen die gleichen sind (isotrope Magnete). Hier werden bei gesinterten und gegossenen Magneten maximale Energiedichten von etwa (BH)... = 2 - 100 G - 0e erreicht; 2. Magnete, bei denen durch eine geeignete Wärmebehandlung im Magnetfeld eine Raumrichtung magnetisch ausgezeichnet ist (magnetisch anisotrope Werkstoffe). Mit ihnen erzielt man maximale Energiedichten im Bereich von 5 - 106 G - Qe, gemessen in der ausgezeichneten Richtung (Vorzugsrichtung).
• 3. Magnete, die zunächst eine kristallographische Vorzugsrichtung erhalten, so daß der überwiegende Teil der Kristallite mit je einer ihrer 100-Richtungen parallel liegt (Stengelkristallisation) und bei denen dann eine Wärmebehandlung im Magnetfeld angeschlossen wird, wobei die magnetische und die kristallographpische Vorzugsrichtung übereinstimmen. Bei gegossenen Magneten dieser Art konnten maximale Energiewerte von bis zu (BH)"" = 9 - 106 G - 0e erreicht werden. Auf dem Sinterwege hergestellte Magnete dieser Art werden kommerziell noch nicht in größerem Umfang angeboten.
• 4. Magnete, die aus einem Einkristall bestehen und bei denen die magnetische Vorzugsrichtung einer 100-Richtung des Kristalls parallel liegt. Derartige Magnete sind kommerziell noch nicht in größeren Mengen verfügbar. Sie konnten bisher nur durch Ziehen aus der Schmelze unter Laborbedingungen oder durch das recht aufwendige Zonenschmelzverfahren aus bereits fertig erschmolzenen Stangen hergestellt werden. Außerdem wurde die Herstellung solcher Einkristalle mit Hilfe des Stranggußverfahrens erwogen.
• Obgleich gesinterte Magnete mit kristallographischer Vorzugsorientierung noch nicht in größeren Mengen kommerziell hergestellt werden, sind doch bereits Vorschläge gemacht worden zur Herstellung solcher Werkstoffe: a) In das Gemisch der die Legierung zusammensetzenden Metallpulver werden auf andere Weise erzeugte Einkristallkörner einer gleichen oder ähnlichen Legierung eingebracht; diese Mischung wird vor dem Verpressen in die endgültige Form einem Magnetfeld ausgesetzt, das die Alnico-Einkristallteilchen mit einer ihrer 100-Richtungen parallel zum Magnetfeld ausrichten soll. Diese ausgerichteten Kristallite haben dann die Aufgabe, während der Sinterung des Preßlings als Kristallkeime zu dienen und durch ihre Ausrichtung eine Vorzugskristallisation in dem Polykristall zu erzeugen. Dieses Verfahren erfordert das Anlegen eines starken homogenen Magnetfeldes an die Preßform kurz vor dem Pressen des Metallpulvergemisches. Ein starkes Magnetfeld ist erforderlich, um die Drehung der als Impflinge dienenden Einkristallkörner gegenüber den Reibungskräften der umgebenden Pulverteilchen zu erzielen; die Homogenität des Feldes ist notwendig, um translatorische Kräfte auf die Impflinge und das Pulvergemisch und damit Dichte-Ungleichmäßigkeiten zu vermeiden.
• b) In das Gemisch der die Legierung zusammensetzenden Metallpulver werden Drähte aus einem der Legierungspartner eingelegt, so daß die Drahtachsen mit der späteren Stengelachse übereinstimmen. Bei der Zusammensetzung des Pulvergemisches war dem Mengenanteil der Komponente, die in Drahtform eingebracht wurde, Rechnung zu tragen. Dieses Verfahren hat sich in der Praxis als umständlich erwiesen, da die Handhabung der etwa 1/1o mm dicken Drähte und ihre saubere Einordnung in die Preßform zeitraubend ist.
• c) Es wurde außerdem vorgeschlagen, eine Vorzugskristallisation im gesinterten Dauermagnet obengenannten Typs dadurch zu erzeugen, daß ein Konzentrationsgefälle von einem der Legierungspartner in der Pulvermischung innerhalb eines Sinterstückes erzeugt wurde. Auch die damit erfolgte Auszeichnung einer Raumrichtung im Sinterling kann zur Vorzugskristallisation in einer Raumrichtung und damit zur Stengelbildung führen. Bei diesem Verfahren ist ein mehrfaches Pressen zur Erzeugung des Konzentrationsgefälles erforderlich, wodurch ein hoher zusätzlicher Aufwand getrieben werden muß.
• d) In das Gemisch der die Legierung zusammensetzenden Metallpulver wird je Preßling ein fertiger Einkristall oder ein Stück eines fertigen Stengelkristalls in der gewünschten Orientierung, d. h. mit einer 100-Richtung oder der Stengelachse parallel zur späteren Vorzugsrichtung, eingelegt.
• e) Zur Erzeugung einer Vorzugskristallisation wurde auch bereits das Verfahren einer Rekristallisationsbehandlung genannt. Dabei wird ein bereits gesinterter Magnetkörper wieder auf eine Temperatur gebracht, die dicht unterhalb des Schmelzpunktes - liegt und dann einem Temperaturgefälle in Richtung der gewünschten Vorzugskristallisation ausgesetzt. Dieses Verfahren wurde bisher jedoch nur für einfache Magnetformen erfolgreich angewandt und schließt in jedem Fall eine zusätzliche Wärmebehandlung ein. Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von anisotropen gesinterten metallischen Dauermagneten auf der Basis Eisen, Kobalt, Nickel, Aluminium, die aus einem mit einer 100-Richtung parallel zur Gebrauchsrichtung orientierten EinkristalI oder einigen in dieser Weise orientierten Grobkristallen bestehen, und stellt eine Weiterbildung der unter d) beschriebenen Arbeitsweise dar. Gemäß der Erfindung wird jeweils ein Ein- oder StengeIkristallimpfling, der außerhalb der Preßform parallel zur 100-Richtung oder zu der den Stengelkristallen gemeinsamen 100-Richtung magnetisiert worden ist, vor dem Pressen in das in die Höhlung der Preßform eingefüllte gemischte Metallpulver so eingelegt, daß die gemeinsame 100- und Magnetisierungsrichtung des Impflings mit der späteren Gebrauchsrichtung des Magneten übereinstimmt.
• Das erfindungsgemäße Vorgehen soll durch zwei Beispiele erläutert werden: Beispiel 1 Alnico-Sinterpulver mit der Zusammensetzung von 13% Carbonylnickelpulver, 32,5% einer pulverisierten Kobalt-Aluminium-Vorlegierung, 0,2% einer Eisen-Aluminium-Vorlegierung, 3% Kupferpulver und 51,3% Carbonyleisenpulver wurde in eine Preßmatrize aus Hartmetall gefüllt, so daß 2/s des Füllvolumens ausgenutzt waren. Dann wurde jeweils ein Stengelkristall eingelegt. Die Stengelkristalle waren aus fertigen Gußmagneten gleicher Zusammensetzung durch Zerschlagen mit dem Hammer gewonnen worden. Die Gußmagnete befanden sich im magnetisch optimalen Zustand. Die Stengelkristalle hatten unregelmäßige Gestalt; ihr größter Durchmesser betrug etwa 3 mm, ihre Länge in Vorzugsrichtung, also parallel zur Stengelachse gemessen, mindestens 5 mm. Diese Stengelkristalle wurden mit ihrer Stengelachse parallel zur späteren Vorzugslage des Sinterlings eingelegt. Nach Auffüllung der Höhlung der Preßform mit dem Pulver der genannten Zusammensetzung wurden durch Pressen mit einem Druck von 2,4 t/cm2 Preßlinge hergestellt. Nach diesem Verfahren wurden zwanzig Proben erzeugt. Diese zwanzig Proben wurden bei einer Temperatur von 1320° C und unter einem Vakuum von 3 - 10-4 Torr 7 Stunden lang gesintert. Diese gesinterten Proben wurden anschließend der normalen thermomagnetischen Behandlung und den üblichen Anlaßglühungen unterworfen. Dabei war das Magnetfeld bei der Wärmebehandlung parallel zur StengeIachse der eingelegten Impflinge gerichtet. In dieser Richtung wurden die Proben magnetisch gemessen und anschließend zur Sichtkontrolle der Orientierung der Kristallite zerschlagen. Von den zwanzig Proben zeigten elf einen maximalen Energiewert (BH)""" = 5,5 . 10-s G - 0e. Bei diesen elf Magneten zeigte die Kontrolle des Bruches nach dem Zerschlagen, daß sie aus einem oder bis zu vier Kristalliten bestanden, die alle mit einer ihrer 100-Richtungen mit der gewünschten Vorzugsrichtung und der Meßrichtung praktisch übereinstimmten. Die Kontrollen der übrigen neun Proben ergaben bei acht von ihnen ebenfalls Grobkristallisation, jedoch mit deutlich abweichender Orientierung. Ein Magnet zeigte ein feinkristallines Gefüge neben dem Impfling. Beispiel 2 Es wurden wiederum zwanzig Proben hergestellt, wobei genau wie beim Beispiel 1 vorgegangen wurde, mit der einzigen folgenden Abweichung: Die aus dem Magneten mit Stengelkristallisation gewonnenen Impflinge wurden parallel zu ihrer Stengelachse einem Magnetfeld von 1800 0e ausgesetzt, bevor sie in die Preßform eingelegt wurden. Alle übrigen Schritte wurden genau wie im Beispiel 1 ausgeführt. Die Messung ergab bei achtzehn der zwanzig Proben einen (BH)max-Wert von 5,5 - 10s G - 0e. Die Sichtkontrolle nach dem Zerschlagen zeigte bei zwölf der achtzehn Magnete Einkristallstruktur, bei den restlichen sechs lagen bis zu vier große Kristalle in der gewünschten Orientierung vor, die beiden magnetisch schwachen Kristalle waren beide gerissen parallel zur Vorzugsrichtung und zeigten unregelmäßiges Grobkristallwachstum.
• Die durch die Magnetisierung der Impflinge hervorgerufene günstige Ausbeute an richtig orientierten Ein- oder Grobkristall-Dauermagneten, wie sie beim Vergleich der Ergebnisse der Beispiele 1 und 2 zum Ausdruck kommt, war überraschend und im Gegensatz zur Erwartung. Ein Nachmessen der Feldstärke vor der Spitze der Impflinge ergab nämlich nur Feldstärken zwischen 3 und 25 0e. Bei den bisherigen Versuchen glaubte man jedoch immer starke Magnetfelder einsetzen zu müssen, um bei den verhältnismäßig schwachen kubischen Anisotropien der Pulverbestandteile Richteffekte erzielen zu können.
• Es ist noch nicht klar ersichtlich, wie die beobachtete günstige Wirkung der Magnetisierung der Impflinge theoretisch zu deuten ist. Vielleicht tritt in den schwachen, jedoch stark inhomogenen Feldern vor den Enden der Impflinge eine leichte Entmischung des Metallpulvergernisches ein. Die Bestandteile dieses Gemisches sind unterschiedlich stark magnetisierbar, das Kupferpulver ist sogar völlig unmagnetisch.

Claims (1)

1. Patentanspruch: Verfahren zur Herstellung von anisotropen gesinterten metallischen Dauermagneten auf der Basis Eisen, Kobalt, Nickel, Aluminium, die aus einem mit einer 100-Richtung parallel zur Gebrauchsrichtung orientierten Einkristall oder einigen in dieser Weise orientierten Grobkristallen bestehen, dadurch gekennzeichnet, daß jeweils ein Ein- oder Stengelkristallimpfling, der außerhalb der Preßform parallel zur 100-Richtung oder zu der den Stengelkristallen gemeinsamen 100-Richtung magnetisiert worden ist, vor dem Pressen in das in die Höhlung der Preßform eingefüllte Gemisch der Metallpulver so eingelegt wird, daß die gemeinsame 100- und Magnetisierungsrichtung des Impflings mit der späteren Gebrauchsrichtung des Magneten übereinstimmt. In Betracht gezogene Druckschriften: Deutsche Patentschriften Nr. 811976, 877 318; schweizerische Patentschriften Nr. 284 918, 329 630; Zeitschrift für angewandte Physik, 1963, H. 3, S. 265 bis 268.