DE1956740A1 - Magnetwerkstoff,daraus hergestellter Magnet und Verfahren zu dessen Herstellung - Google Patents

Description

Anmelder in: Stuttgart, den 10. Koveiaber 1969

Raytheon Company P 2043 B/kg Lexington, Mass., V.St.A.

Magnetwerkstoff, daraus hergestellter Magnet und Verfahren zu dessen Herstellung

In der Technik besteht ein laufender Bedarf an verbesserten Dauermagnetwerkstoffen, die eine höhere Feldstärke liefern, eine bessere Permanenz aufweisen, leichter und wonigar koatnpiolig aind. Mit der Verkleinerung eloktriacher und elektronischer Bauteile ist dieser Bedarf sprunghaft angestiegen und es ist heute mehr denn je erforderlich, äußerst kräftige Dauermagnete mit geringem Platzbedarf und Gewicht zu erzeugen. Der Bedarf besteht auf

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• solch, verschiedenen. Anwendungsgebieten wie der elektronischen Ausrüstung für die Luft- und Raumfahrt, bei der beispielsweise- für Wanderfeldröhren und dergl* leioUungcfähi^ere, weniger Platz bounnpruohonde und leichtere Dauermugnete benötigt v/erden, und bei Handulüerzeugnicnen, z.B· bei Spezialmotoren, Kreiseln, Schaltern, Hörhilfen und anderen extrem kleinen elektrischen Apparaten, wie z.B. elektrischen Uhren und dergleichen. Zum Beispiel k gibt es heute immer noch keinen zufriedenstellenden Dauermagneten für kleine Damenuhren, der zu einem kommerziell konkurrenzfähigen Preis erhältlich ist.

Von heutigen Dauermagnetwerkstoffen werden vielerlei Eigenschaften gefordert, die z.B. die Koerzitivkraft, die Remanenz, die thermische Stabilität, die Curie-Temperatur, die Materialfestigkeit und dergl. betreffen. Unter der Annahme, daß für die anderen Eigenschaften die erwünschten Werte erreicht werden, ist eine besonders wertvolle Kombination eine hohe Remanenz bei gleichzeitiger großer Koerzitivkraft, so daß das Produkt dieser beiden Größen, das auch als Energieinhalt bekannt ist, so ψ groß wie nur möglich ist. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen solchen Magnetwerkstoff zu schaffen.

Die Erfindung besteht darin, daß der Magnetwerkstoff aus Samarium und Kobalt mit einem Samariumanteil zwischen etwa 34 und 4-2 Gew.%, bezogen auf das Gesamtgewicht von Samarium und Kobalt, besteht. ^J

Die magnetischen Eigenschaften eines Werkstoffes nach der Erfindung im Vergleich zu bekannten Magnetwerkstoffen zeigt das beigefügte Diagramm, das die Beziehung zwischen

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Remanent und Koerzitivkraft für öinen Magnetwerkstoff nach; der vorliegendem Erfindung und für verschiedene bekannte Werkstoffe wiedergibt. Das Diagramm enthält eint'KurvQ 11, die die Eigenschaften von Platin-Kobalt, einem sehr ^egeiraten Magnetwerkstoff, darstellt» eine für Ferritnagnetwerkstoffe charakteristische Kurve 12 und eine -für die Klasse der Alnico-Magnetwerkstoffe typische Kurve 13; diese drei Magnetwerkstoffe sind 'bekannt· Die Jtürve 14· veranschaulicht die gleichen Eigenschaften für einen gegenwärtig bevorzugten Magnetwerkstoff nach dieser Erfindung. In der Kurve 15 sind die gleichen Eigenschaften für die Verbindung SmQo,-Ai SX dl

ohne Anwesenheit von SslXOh dargestellt

Der.Platiii-Kotialt-Werkstoff ist z.Zt· der Gütemaßstab fürt Dauermagnetwerkstoffe. Er besitzt eine sehr große Koerzitivkraft von annähernd 4000 Oersted, eine Remanenfc von. ungefähr 6000 Gauss und einen Energieinhalt von annähernd 9 χ 10 Gauss «Oersted. Wo, der Bedarf an ' großer Leistungsfähigkeit der Sauermagnetwerkstoffe die Kosten rechtfertigen, wie z.B. bei Ausrüstungen für Luft- und Baumfahrt, ist Platin-Kobalt tatsächlich z.Zt· der bevorzugte Werkstoff und er bildet den Leistungsmaßstab, an dem neue, vielversprechende Werkstoffe gemessen werden sollten.

Wo ein Bedarf für einen hochwertigen, zu einem kommerziel:! annehmbaren Preis erhältlichen Magnetwerkstoff besteht, werden im wesentlichen Ferritmagnetwerkstoffe verwendet· Obwohl sie hinsichtlich ihrer Leistungsfähigkeit wesentlich weniger befriedigend sind als Platin-Kobalt,

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Ferritmagnetwerkstoffe haben einen Energieinhalt bis zu 5»5 x 10 Gauss.Oersted, werden sie trotzdem realistisch als Hochleistungs-Werkstoffe angesehen, die zu Preisen erhältlich sind, die nur einen kleinen Bruchteil der Kosten von Platin-Kobalt betragen. Wo eine hohe Permeabilität bei geringer Stabilität ausreicht, bildet ein Material wie ζ·Β· Alnico-9 (Kurve 13) einen sehr zufriedenstellenden Magnetwerkstoff·

Die Entwicklung neuer und besserer Magnetwerkstoffe, die zu kommerziell annehmbaren Preisen produziert werden können, kann für Dauermagnetwerkstoffe bei Verbrauchsgütern neue Anwendungsmöglichkeiten erscgließen, wie z.B· bei verbesserten Hörapparaten, bei neuen und «kleineren elektronischen Armbanduhren, bei Miniaturmotoren und dergleichen· Außerdem können verbesserte Hochleistungs-Dauermagnetwerkstoffe in der neuzeitlichen Technologie eine zusätzliche Verbesserung elektronischer Geräte ermöglichen· Ks ist zu erwarten, daß erfinderische Verbesserungen auf dem Energiesektor möglich werden, wenn ein besserer Magnetwerkstoff für solche Zwecke zur Verfügung steht.

Gewisse Kobalt und ein Seltenerdmetall enthaltende Stoffe haben magnetische Eigenschaften und erreichen eine Remanenz von 5000 Gauss und mehr sowie Koerzitivkräfte von 5000 Oersted und mehr und damit einen großen Energie^nhalt. Im einzelnen wurde festgestellt, daß Jeder der folgenden, Kobalt und ein Seltenerdmetäll enthaltenden Stoffe einen hohen Energieinhalt besitzt«

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Yttrium-Kobalt, Lanthan-Kobalt, Ger-Kobalt, Praseodym-Kobalt, Neodym-Kobalt, Samarium-Kobalt, Gadoliniuia-Kpbalt, Terbium-Kobalt, Dysprosium-Kobalt, Holmium-Kobalt, Europium-Kobalt und Erbium-Kobalt. Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf die Tatsache, daß mit Hilfe eines metallurgischen Sinterungsprozesses gewonnene Stoffe aus Kobalt und Samarium, die aus etwa 34 bis 42 Gewe% Samarium und im übrigen im wesentlichen aus Kobalt bestehen, Energieinhalte, die diejenigen der bisherigen Magnetwerkstoffe übertreffen, und eine hohe Ourie-Temperatur oder hohe Temperaturbeständigkeit besitzen. Es handelt sich um ausgezeichnete Dauermagnetwerkstoffe, die im Verhältnis zu ihrer Größe und zu ihrem Gewicht extrem leistungsstark sind und sogar die Eigenschaften der· Platin-Kobalt-Werkstoffe übertreffen« Sie sind genügend billig, um ihre Anwendung in konkurrenzfähigen Handelsprodukten zu ermöglichen,und ausreichend leistungsstark, um zu verbesserten Ergebnissen in höchste Anforderungen stellenden Anwendungsgebieten zu führen, wie demjenigen der neuzeitlichen Elektronik-Technologie, in der das Verhältnis von Leistung zu Größe oder von Leistung zu Gewicht entscheidend ist.

Die bevorzugten Stoffe liegen hinsichtlich ihrer prozentualen Gewichtsanteile zwischen denen von SmpCOn· SmCo enthält annähernd 33 »8% Samarium und SmpGOn annähernd 42,2 Gewo%. Der bevorzugte Werkstoff nach der Erfindung enthält zwischen etwa 37»5 und 4-0,5 Gew.% Samarium und entspricht einem Stoff mit ungefähr gleichen molekularen

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Anteilen von SmCo,- und Sm^OOr₇. Während Platin-Kobalt-Werkstoffe, die z.Zt. als Gütemaßstab gelten, Energieinhalte von etwa 9 x 10 Gauss.Oersted besitzen, ist für Samarium-Kobalt mit einem Gev/ichtsanteil von 39 Gew.% Samarium ein Energieinhalt von mehr als 15 x 10 Gauss.Oersted gemessen worden. Da Werkstoffe aus Samarium und Kobalt ein v/esentlich geringeres spezifisches Gev/icht als Platin-Kobalt-V/erkstoffe besitzen, ist es offensichtlich, daß das Verhältnis der Magnetstärke zur Masse dasjenige der z.Zt. besten Vergleichswerkstoffe in allen Anwendungsbereichen weit übertrifft und insbesondere dort, wo das Gewicht einen entscheidenden Faktor darstellt. Aus den Kurven 14 und 15 des Diagramms ist ersichtlich, daß die neuen Magnete den allein aus SmCo₁- bestehenden deutlich überlegen sind·

Der Magnetwerkstoff nach der Erfindung kann mittels verschiedener Methoden und Verfahren, die einem Fachmann bekannt sind, hergestellt und zu einem Permanentmagneten verarbeitet werden. Die Verfahren zum Herstellen eines Magnetwerkstoffes und eines Dauermagneten können in vielfältiger T/eise abgewandelt werden, Jedoch hat sich das folgende Verfahren zur Erzeugung von Magneten mit extrem wertvollen Eigenschaften und Merkmalen als besonders zweckmäßig und wirksam erwiesen.

Samarium und Kobalt werden in einem gewünschten Mischungsverhältnis von z.B. 39% Samarium und 61% Kobalt in einen Behälter oder in ein Gefäß aus einem Material gefüllt,

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das nicht mit einem der "beiden Elemente reagiert· Ein solches Material ist ζ·Β· Xonerde· Das Gemisch aus Samarium und Kobalt wird bis zum Schmelzpunkt erhitzt, wofür etwa 15OO°C ausreichen, und wird einige Minuten in diesem flüssigen Zustand gehalten, um mit Sicherheit eine homogene Mischung zu erreichen· Vorzugsweise wird dieser Schritt unter kontrollierter Atmosphäre oder Edelgas wie Helium oder dergl· ausgeführt. Es hat sich als befriedigend erwiesen, diesen Schritt bei atmosphärischem Druck auszuführen·

Das geschmolzene Gemisch wird auf Raumtemperatur abgekühlt und kann je nach Wunsch gegossen oder auch nicht gegossen werden· Die erstarrte Mischung aus Samarium und Kobalt wird dann zu einem feinen Pulver vermählen. Das Material ist spröde und leicht zu mahlen· Das Vermählen kann in einer Aufschlämmung fortgesetzt werden· Das so erhaltene Samarium-Kobalt-Pulver wird unter hohem Druck zu der gewünschten Form gepreßt· Eine zufriedenstellende Verdichtung kann bei einem Druck von etwa ■ · 8 Mp/cm erreicht werden, obwohl natürlich auch höhere oder niedrigere Drücke verwendet werden können· Beim Pressen wird in einer vorbestimmten Richtung ein Magnetfeld angelegt, so daß der Stoff auf eine bevorzugte Magnetachse ausgerichtet wird. Ein Rütteln des Werkstoffes während des Pressens scheint die mechanische Gleichförmigkeit des Materials zu verbessern, jedoch werden auch zufriedenstellende Magnete ohne Vibration erhalten. Der erhaltene Preßling ist bereits ein Dauer-, magnet·

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Magnete von höchster Güte werden durch die folgende Weiterführung des Herstellungsverfahrens erhalten. Zuerst wird der wie oben "beschrieben hergestellte Magnet mittels eines umgekehrt gepolten Magnetfeldes entmagnetisiert« Falls beim Pressen ein Elektromagnet zum Aufprägen des Magnetfeldes verwendet worden ist, kann die Entmagnetisierung durch Umkehren des Elektromagneten in der Preßform erzielt werden· Anderenfalls ist ein separater Entmagnetisierungsschritt erwünscht. Nach der Entmagnetisierung werden die Teilchen des Stoffes bei einer Temperatur von 1100 G in einer neutralen Atmosphäre wie z.B· Stickstoff, Helium oder Argon gesintert« Für den Sinterungsprozeß darf das Material des 0fen3 und des Behälters, in dem der Magnetwerkstoff ■•enthalten ist, nicht aus einem Material bestehen, das mit Samarium reagiert. Während des Sinterungsprozesses ist es vorteilhaft, die Temperatur langsam zu erhöhen und zu verringern, um Temperaturstoße zu vermeiden· Nachdem der Werkstoff etwa eine Stunde auf einer Temperatur von annähernd 1100⁰O gehalten worden ist, wird er langsam auf Raumtemperatur abgekühlt·

Nachdem er auf Raumtemperatur abgekühlt worden ist, wird der Magnetwerkstoff entlang der gleichen Achse, wie sie zuvor beim Pressen verwendet wurde, magnetisiert, obwohl, falls es erwünscht ist, die Nord- und Südpole des Magneten umgekehrt werden können.

Der so gebildete Magnet besitzt eine ihm eigene Koerzitiv kraft von etwa 25000 Oersted oder mehr und einen Energieinhalt, der größer ist als 16 χ 10 Gauss.Oersted· Im

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Diagramm gibt die Kurve 14 die Koerzitivkraft und die Remanenz dieses Magneten im Vergleich zu den herkömmlichen Magnetwerkstoffen wieder, die von den Kuryen 11, 12 und 13 dargestellt werden«

Bei der mikroskopischen Untersuchung zeigt es sich, daß der Magnetwerkstoff aus zwei Phasen oder zwei ausgeprägten Kristallformen besteht. Es wird angenommen, daß die eine Kristallform im wesentlichen aus SmCo,- und die andere Kristallform im wesentlichen aus SmpCOn besteht.

Zwischen den Partikel oder Kristallen bestehen praktisch keine Lücken,, Daher werden nun die verbesserten Eigenschaften auf die Tatsache zurückgeführt, daß der Magnetwerkstoff aus miteinander vermischten und im wesentlichen lückenlos aneinandergrenzenden Teilchen besteht, von denen das eine Teilchen eine kristalline Verbindung ROo₁- mit hohem Energieinhalt und das andere ein ferromagnetisch.es kristallisches Produkt mit wesentlich geringerem Energieinhalt ist, die Teilchen in fein verteilten, diskreten Kristallphasen gemischt sind und einen verwandten chemischen oder molekularen Aufbau haben·

Das hier beschriebene Verfahren wurde zur Herstellung einer Anzahl von Magneten aus Werkstoffen verwendet, · die einen Gewichts anteil zwischen 34 und 42?ό an Samarium enthielten« Die größten Energieinhalte zwischen 15 x 10 und 20 χ 10 Gauss.Oersted sind mit Werkstoffen erzielt worden, die zwischen 37»5 uncL 40,5 Gew.% Samarium enthielten^ jedoch wurden verbesserte Eigenschaften im ganzen Bereich der möglichen Gewichtsanteile von bis SmCo₁- festgestellt«

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Claims (1)

1. Patentansprüche

   1, Hagnetwerkstoff, dadurch, gekennzeichnet, daß er aus Samarium und Kobalt mit einem Samariuiaanteil zwischen etwa 34- und 4-2 Gew./S, "bezogen auf das Gesamtgewicht von Samarium und Kobalt, besteht.

   2e Magnetwerkstoff nach Anspruch 1, dadurch gekenn-Il zeichnet, daß Samarium und Kobalt in Mengen vorliegen, deren Verhältnis zwischen demjenigen von SmGOc und demjenigen von Sm₂Co₇ liegt.

   3. Magnetwerkstoff nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Samariuiaanteil zwischen etwa 37»5 und 4-0,5 Gev;.^ des Gesamtgewichtes von Samarium und Kobalt liegt und vorzugsweise die Mengen an Samarium und Kobalt gleichen molekularen Anteilen von SmCo^ und Sm^Go,-, entsprechen.

   4·. Magnet aus einem Werkstoff nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der P Magnetwerkstoff in Anwesenheit eines entlang einer

   vorbestimmten Achse ausgerichteten Magnetfeldes zu einer einheitlichen Struktur geformt und entlang der erwähnten Achse magnetisiert ist.

   5· Verfahren zum Herstellen eines Magneten aus einem Werkstoff nach einem der Ansprüche 1 bis 3» dadurch gekennzeichnet, daß Teilchen dieses Werkstoffes in einem entlang einer vorbestimmten Achse ausgerichteten Magnetfeld zu einer einheitlichen Struktur geformt werden, diese einheitliche Struktur gesintert und in Richtung der vorbestimmten Achse magnetisiert wird.

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