DE3928389A1

DE3928389A1 - Permanentmagnet

Info

Publication number: DE3928389A1
Application number: DE3928389A
Authority: DE
Inventors: Sevi Gaifti
Original assignee: SCHRAMBERG MAGNETFAB
Current assignee: SCHRAMBERG MAGNETFAB
Priority date: 1989-08-28
Filing date: 1989-08-28
Publication date: 1991-03-14
Also published as: DE59004054D1; EP0489784B1; DE3928389C2; EP0489784A1; WO1991003823A1; JPH05500134A

Description

Die Erfindung betrifft einen Permanentmagnet mit mindestens einer intermetallischen Verbindung in tetragonaler Kristallstruktur, die mindestens eine Seltene Erde (R), mindestens ein Übergangsmetall (TM) und Bor(B) enthält.

Ein Permanentmagnet dieser Art ist durch die EP-OS 01 01 552 bekannt. Gute magnetische Eigenschaften weist ein derartiger Permanentmagnet nur dann auf, wenn der Hauptanteil des Magnetgefüges tetragonale Kristallstruktur aufweist. Dies setzt voraus, daß die Ausgangsmaterialien für das Legierungspulver keine Verunreinigungen oder Zusatzstoffe oder diese nur in verschwindend kleinem Anteil enthalten. Derartige Ausgangsstoffe wie schwere Seltene Erden und Fe oder Co als Übergangsmetall sind aber bei der hohen geforderten Reinheit sehr teuer, so daß auch der Permanentmagnet nicht kostengünstig hergestellt werden kann.

Wie die EP-OS 03 20 064 zeigt, können Seltene Erden, wie Nd, Übergangsmetalle, wie Fe, auch mit Kohlenstoff C eine tetragonale Kristallstruktur annehmen und als Permanentmagnet verwendet werden.

Es ist Aufgabe der Erfindung, einen Permanentmagneten der eingangs erwähnten Art zu schaffen, bei dem zur Herstellung billigeres Ausgangsmaterial verwendet werden kann und dennoch gute magnetische Eigenschaften erreicht werden können.

Diese Aufgabe wird nach der Erfindung gekennzeichnet durch die Zusammensetzung

(R)₂TM₁₄B₁ + (R)₂TM₁₄C₁ + (R)-reiche Grenzphase,

wobei (R)₂TM₁₄B₁und (R)₂TM₁₄C₁ in tetragonaler Kristallstruktur magnetische Phasen bilden, während die (R)-reiche Grenzphase unmagnetisch ist.

Die seltenen Erden, insbesondere die schweren Seltenen Erden, können als Oxyde verwendet werden, die wesentlich preisgünstiger sind als die als reine Metalle vorliegenden schweren Seltenen Erden. Da sich durch die Anwesenheit von Kohlenstoff, der in dem verwendeten Übergangsmetall enthalten sein kann, eine weitere tetragonale magnetische Phase bildet, wird dennoch der Hauptanteil des Magnetgefüges magnetische Eigenschaften aufweisen. Der Permanentmagnet weist sehr gute magnetische Eigenschaften auf, die einem Permanentmagneten entsprechen, welcher aus den wesentlich kostenungünstigeren reinen Seltenen Erden und reinen Übergangsmetallen hergestellt wird. Der Kern der vorliegenden Erfindung liegt also darin, daß die wesentlich preisgünstigeren Oxyde der schweren Seltenen Erden und die Verunreinigungen der Übergangsmetalle in sinnvoller Weise zur Bildung einer weiteren magnetischen tetragonalen Phase im Magnetgefüge ausgenützt werden. Gerade ein Anteil von schweren Seltenen Erden ist für das Erreichen einer guten Temperaturstabilität von Wichtigkeit. Dies kann jetzt mit Hilfe eines preisgünstigeren Ausgangsmaterials erreicht werden.

Um eine möglichst optimale Ausnützung des Magnetgefüges für magnetische Phasen in tetragonaler Form zu bekommen, sieht eine Ausgestaltung vor, daß B und C gemäß der Beziehung

Q = Σ B_w + C_1-w

enthalten sind, wobei w=0,9 bis 0,99 ist.

Bei der Verwendung des Ausgangsmaterials bilden sich zusätzlich auch unmagnetische Phasen der Zusammensetzung (R)₁Fe₄B₄ und (R)₁Fe₄Ca₄ sowie Oxyde der als Metalle verwendeten leichten Seltenen Erden (LSE₂O₃), die ebenfalls unmagnetisch sind. Der Anteil der Seltenen Erden (R) in dem Permanentmagnet wird bevorzugt so gewählt, daß (R) die Summe aus R₁ und R₂ ist, wobei R₁ mindestens eine leichte Seltene Erde (LSE) und R₂ mindestens eine schwere Seltene Erde (SSE) und/oder ein Oxyd mindestens einer schweren Seltenen Erde (SSE₂O₃) sind. Dabei sind die Anteile der leichten und schweren Seltenen Erden nach der Beziehung

(R) = (R₁)_1-x + (R₂)_x,

wobei x<0,8 ist.

Beim Sintern wird das Oxyd der schweren Seltenen Erde zu Metall, während der freiwerdende Sauerstoff (O₂) sich mit der leichten Seltenen Erde (LSE) zu der nichtmagnetischen LSE₂O₃-Phase verbindet, wobei im Permanentmagneten ein O₂-Anteil von etwa 0,06 bis 1,3 Gew.-% verbleibt.

Der Anteil des Übergangsmetalls TM wird nach der folgenden Beziehung gewählt:

TM = (Fe_yCo_1-y)_0,98,

wobei y=0 bis 0,98 ist.

Eisen und Cobalt werden als Übergangsmetalle verwendet, so daß sich z. B. auch magnetische tetragonale Phasen der folgenden Zusammensetzung bilden können, wenn als leichte Seltene Erden Neodym Nd verwendet wird.

Nd₂(FeCo)₁₄B₁ oder Nd₂(FeCo)₁₄C₁.

Der Permanentmagnet kann nach einer weiteren Ausgestaltung auch Zusatzstoffe Z_0,02 enthalten, die mindestens ein Element aus der Gruppe Al, Ti, V, W, Mn, Ni, Si, Cu, Zr, Nb, Ta, Hf, Sn und Pb aufweisen. Als vorteilhaft und sich in der Grenzphase anreichernd haben sich die Elemente Al, Nb, MO, W, Ta erwiesen.

Ein Legierungspulver zur Herstellung eines Permanentmagneten mit den beiden tetragonalen magnetischen Phasen ist dadurch gekennzeichnet, daß es aus mindestens einer Seltenen Erde mit Zusatzstoffen und/oder Oxyden, mindestens einem Übergangsmetall mit Verunreinigungen sowie B und eventuell zusätzlich C besteht, wobei der Anteil an B etwa 0,9 bis 1,2 Gew-%, der Anteil an C etwa 0,05 bis 0,15 Gew.-% und der Anteil an O₂ etwa bis zu 1,5 Gew.-% betragen. Die Oxyde der schweren Seltenen Erden und die Kohlenstoffinhalte der Übergangsmetalle ermöglichen die Bildung der beiden tetragonalen Phasen mit billigen Ausgangsmaterialien. Im Bedarfsfalle kann zusätzlicher Kohlenstoff und Sauerstoff zugegeben werden, um die angegebenen Anteile zu erhalten.

Die Zusammensetzung der Seltenen Erden ist dadurch gekennzeichnet, daß sie einen ersten Anteil (R₁) einer leichten Seltenen Erde LSE mit etwa 28 bis 34 Gew.-% und einen zweiten Anteil (R₂) mindestens eines Oxyds einer schweren Seltenen Erde (SSE₂O₃) mit etwa 0,1 bis 5 Gew.-% aufweist, die zur Herstellung des Legierungspulvers verwendet wird.

Außerdem wird kohlenstoffhaltiger Stahl (Fe) und/oder kohlenstoffhaltiges Cobalt (Co) als Ausgangsmaterial verwendet.

Damit bei der Herstellung des Permanentmagneten ausreichend Sauerstoff für die Bildung nichtmagnetischen Phasen und zum teilweisen Abbau von Kohlenstoff, der in Form von CO und/oder CO₂ entweicht, zur Verfügung steht, wird ein Verfahren angewendet, das dadurch gekennzeichnet ist, daß die Ausgangsmaterialien geschmolzen, homogenisiert und zu Legierungspulver gemahlen werden, daß beim Mahlen zusätzlicher Sauerstoff (O₂) bis zu einer Endkonzentration von etwa 1,5 Gew.-% zugeführt wird und daß das Legierungspulver im Magnetfeld ausgerichtet, verpreßt und wie übliche SE-Magnete zu einem Permanentmagnet mit einem Energieprodukt von 20 MOe bis 40 MOe gesintert wird.

Die Vorlegierung aus den leichten Seltenen Erden LSE, den Oxyden der schweren Seltenen Erden SSE₂O₃, den kohlenstoffhaltigen Übergangsmetallen Fe und/oder Co wird mit den Zusatzstoffen, dem Bor oder Ferrobor und dem eventuell zugegebenen Kohlenstoff geschmolzen, homogenisiert und zu Legierungspulver gemahlen. Während des Mahlens kann zusätzlicher Sauerstoff O₂ bis zu einer Endkonzentration von etwa bis zu 1,5 Gew.-% zugegeben werden. Der Kohlenstoffanteil im Legierungspulver wird bis zu etwa 0,2 Gew.-% gebracht und das Pulver dann an Luft weiterverarbeitet. In einer Matrizenpresse wird das Legierungspulver in einem Gleichfeld von etwa 14 kOe ausgerichtet und bei einem Preßdruck von etwa 1 kbar zu Grünlingen verpreßt. Die Grünlinge hatten danach noch einen Sauerstoffanteil von bis zu 1,24 Gew.-%.

In einem Vakuumofen werden die Grünlinge auf etwa 1,030°C erwärmt und etwa 3 Stunden lang auf dieser Temperatur gehalten. Ein Teil des Kohlenstoffes der Legierung verbindet sich mit dem Sauerstoff-Überschuß und entweicht in Form von CO und/oder CO₂, welches mit Vakuumpumpen abgesaugt und entfernt wird. Die nachfolgende Sinterung bringt den Permanentmagneten auf eine Enddichte von etwa 7,3 bis 7,6 g/cm³. Ein Teil des Kohlenstoffes entweicht und erreicht eine Verminderung des Sauerstoffgehaltes und/oder des Anteiles an Metalloxyden der Seltenen Erden, während der verbleibende Anteil an Kohlenstoff eine magnetische Phase bildet, die zu den hervorragenden Eigenschaften dieses Magnetes beiträgt.

Der Permanentmagnet hat eine ausgezeichnete mechanische und thermische Stabilität und durch die Sauerstoffanreicherung während des Herstellverfahrens ist die Verarbeitung der Legierung wesentlich erleichtert und vereinfacht. Die Hauptphasen des Permanentmagneten sind tetragonal und magnetisch, während nur ein geringer Teil an nichtmagnetischen Phasen im Magnetgefüge entsteht, obwohl keine reinen, teuren Ausgangsmaterialien zur Herstellung der Legierung und des Permanentmagneten verwendet wurden.

Bei der Herstellung des Magneten ist es erforderlich, daß die Legierung homogenisiert wird. Nach der Homogenisierung wird eine Schnellkühlung vorgenommen, vorzugsweise mit einer Kühlgeschwindigkeit von etwa 1000°C/min. Nur so kann sichergestellt werden, daß sich auch die tetragonale magnetische Phase mit C, z. B. Nd₂(FeCo)₁₄C₁, bildet.

Claims

1. Permanentmagnet mit mindestens einer intermetallischen Verbindung in tetragonaler Kristallstruktur, die mindestens eine Seltene Erde (R), mindestens ein Übergangsmetall (TM) und Bor (B) enhält, gekennzeichnet durch die Zusammensetzung (R)₂TM₁₄B₁ + (R)₂TM₁₄C₁ + (R)-reiche Grenzphase,wobei (R)₂TM₁₄B₁ und (R)₂TM₁₄C₁ in tetragonaler Kristallstruktur magnetische Phasen bilden, während die (R)-reiche Grenzphase unmagnetisch ist.

2. Permanentmagnet nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß B und C gemäß der Beziehung Q = Σ B_w + C_1-wenthalten sind, wobei w=0,9 bis 0,99 ist.

3. Permanentmagnet nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß er auch nicht magnetische, tetragonale Phasen (R)₄TM₄B₄ und (R)₁TM₄C₄ enthält.

4. Permanentmagnet nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß (R) die Summe aus R₁ und R₂ ist, wobei R₁ mindestens eine leichte Seltene Erde (LSE) und R₂ mindestens eine schwere Seltene Erde (SSE) und/oder ein Oxyd mindestens einer schweren Seltenen Erde (SSE₂O₃) sind.

5. Permanentmagnet nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Anteile der leichten und schweren Seltenen Erden (LSE, SSES) nach der Beziehung R = (R₁)_1-x + (R₂)_xgewählt sind, wobei x<0,8 ist.

6. Permanentmagnet nach einem der Ansprüche 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß er eine nichtmagnetische Phase aus Oxyd mindestens einer leichten Seltenen Erde (LSE₂O₃) aufweist, wobei der Anteil an O₂ im Magnet insgesamt etwa 0,06 bis 1,3 Gew.-% beträgt.

7. Permanentmagnet nach einem der 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Anteil der Übergangsmetalle (TM) nach der Beziehung TM = (Fe_yCo_1-y)_0,98gewählt ist, wobei y=0 bis 0,98 ist.

8. Permanentmagnet nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß er einen Anteil an Zusatzstoffen Z_0,02 enthält, der mindestens eines der Elemente Al, Ti, V, W, Mn, Ni, Si, Cu, Zr, Nb, Ta, Hf, Pd, Sn und Pb aufweist.

9. Legierungspulver zum Herstellen eines gesinterten Permanentmagneten nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß es aus mindestens einer Seltenen Erde mit Zusatzstoffen und/oder Oxyden, mindestens einem Übergangsmetall mit Verunreinigungen sowie B und eventuell zusätzlich C besteht, wobei der Anteil an B etwa 0,9 bis 1,2 Gew.-%, der Anteil an C etwa 0,05 bis 0,15 Gew.-% und der Anteil an O₂ etwa bis zu 1,5 Gew.-% betragen.

10. Legierungspulver nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Zusammenstellung der Seltenen Erde (R) aus einem ersten Anteil mindestens eines Metalls einer leichten Seltenen Erde (LSE) mit etwa 28 bis 34 Gew.-% und aus einem zweiten Anteil mindestens eines Oxyds einer schweren Seltenen Erde (SSE₂O₃) mit etwa 0,1 bis 5 Gew.-% besteht.

11. Legierungspulver nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß als Übergangsmetall kohlenstoffhaltiger Stahl (Fe) und/oder kohlenstoffhaltiger Cobalt (Co) verwendet wird.

12. Verfahren zum Herstellen eines Permanentmagneten nach einem der Ansprüche 1 bis 8 aus einem Legierungspulver nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet,
daß die Ausgangsmaterialien geschmolzen, homogenisiert und zu Legierungspulver gemahlen werden,
daß beim Mahlen zusätzlicher Sauerstoff (O₂) bis zu einer Endkonzentration von etwa 1,5 Gew.-% zugeführt wird und
daß das Legierungspulver im Magnetfeld ausgerichtet, verpreßt und wie übliche SE-Magnete zu einem Permanentmagnet mit einem Energieprodukt von 20 MOe bis 40 MOe gesintert wird.

13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Legierung nach dem Homogenisieren einer Schnellkühlung mit einer Geschwindigkeit von etwa 1000°C/min unterzogen wird.