DE69300828T2

DE69300828T2 - Verfahren zum Abgleichen der Remanenzinduktion eines Sintermagneten und damit hergestelltes Produkt.

Info

Publication number: DE69300828T2
Application number: DE69300828T
Authority: DE
Inventors: Jean-Marc Lang; Robert Tissot
Original assignee: Ugimag SA
Current assignee: Ugimag SA
Priority date: 1992-01-23
Filing date: 1993-01-20
Publication date: 1996-05-23
Anticipated expiration: 2013-01-21
Also published as: FI930246A7; US5288454A; EP0553040B1; EP0553040A1; CA2087230A1; FI930246A0; FR2686730A1; FR2686730B1; JPH05308030A; DE69300828D1; FI930246L

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Einstellung der Remanenz von Sintermagneten durch Variation des Zeitpunkts des Anlegens des Orientierungsfeldes beim Kaltpressen.
Es ist bekannt, daß die Herstellung von Sintermagneten vom Typ SmCo, vom Typ FeNdB oder von Ferritmagneten durch Pulvermetallurgie schematisch darin besteht, die Pulver auf eine geeignete Korngröße zu zerkleinern, sie unter einem orientierungsfeld (anisotrope Magnete) einem Kaltpreßschritt zu unterziehen und die so erhaltenen "grünen" Preßlinge zu sintern, thermisch zu behandeln, zu bearbeiten und zu magnetisieren.
Bei einer gewissen Zahl von Anwendungen werden Magnete gebraucht, deren Remanenz einerseits unterhalb üblicher Werte liegt und bis zu 50 % der üblichen Werte betragen kann und andererseits hinsichtlich des Moduls und der Richtung von einer Produktionscharge zur anderen und sogar von einem Magneten zum anderen sehr genau einstellbar und reproduzierbar ist.
Diese Richtungen sind in der Hauptsache entweder die Normalrichtung auf die Oberfläche des Magneten oder, wenn der Magnet Kreissymmetrie aufweist, seine Achsenrichtung. Es ist entsprechend angestrebt, daß die zur Oberfläche des Magneten parallele (oder radiale) tangentiale Komponente der Induktion weniger als 1 % und vorzugsweise 0,1 % der Komponente in Normalrichtung (oder ihrer axialen Komponente) beträgt.
Zur Erreichung dieser Ziele wurden nach dem Stand der Technik verschiedene Verfahren angewandt, die sämtlich unter verschiedenen Schwierigkeiten leiden, beispielsweise bei der Herstellung ringförmiger Magnete, deren Feld vollkommen definiert und axial orientiert sein muß, wie sie beispielsweise zur Herstellung von Wanderwellenröhren herangezogen werden, die im Französischen als "tubes a ondes progressives" (TOP) und im angelsächsischen Sprachbereich als "travelling waves tubes" (TWT) bezeichnet werden.
Eine erste Möglichkeit besteht darin, die Ausrichtung der Teilchen im Material durch Verringerung der Stärke des Orientierungsfeldes in der Stufe des Verpressens vor dem Sintern zu beeinflussen, wie in JP-A-63 22 77 01 beschrieben ist. Die Erfahrung zeigt, daß dieses Verfahren sehr schwierig zu beherrschen ist und zu einer zu großen Streuung der remanenten Induktion unter den Magneten ein und derselben Produktionscharge führt. Die Gradienten der Orientierung dieses Feldes hängen nämlich stark von der Feldstärke selbst und den Bedingungen der Hohlraumfüllung ab.
Ein zweites Verfahren besteht darin, die Zusammensetzung des Materials zu modifizieren, aus dem die Magneten aufgebaut sind, dessen Magnetisierung verringert werden soll. Dieses Verfahren stellt eine Anwendung von Versuchen dar, wie sie von M.G. Benz, R.P. Laforce und D.L. Martin (AIP conference proceedings No. 18, 1973) durchgeführt wurden. So wird beispielsweise bei einem Material vom Typ SmCo&sub5; das Samarium teilweise durch ein schweres Seltenerdmetall, wie Gadolinium, ersetzt; je nach dem Ausmaß dieses Austausches werden nuancierte Produkte erhalten, deren spezifische Sättigungsmagnetisierung geringer ist. Mit diesen Materialien hergestellte
Stäbe erfordern eine nur geringe Entmagnetisierung zur genauen Einstellung ihres axialen Feldes. Dieses Verfahren weist verschiedene Nachteile auf:
- Die gemischten nuanciert eingestellten Produkte sind schwierig herzustellen;
- das Verfahren ist aus industrieller Sicht nicht leicht durchführbar, da es so viele Produktionslinien erfordert, wie bestimmte, in ihrer Remanenz eingestellte Produkte hergestellt werden sollen, und darüber hinaus schwierige Recyclingprobleme aufwirft;
- je nach dem Gehalt an schwerem Seltenerdmetall ist die thermische Änderung der Magnetisierung nicht gleich, was dazu führt, daß eine Wanderwellenröhre (TOP), deren magnetisches Profil bei Umgebungstemperatur geeignet ist, bei der Betriebstemperatur aus dem Gleichgewicht gerät.
Ein drittes Verfahren besteht in der teilweisen Entmagnetisierung des Materials durch Einwirkung eines geeigneten umgekehrten Magnetfeldes, die so durchgeführt wird, daß die Magnetisierung auf das zur endgültigen Magnetisierung gewünschte Restniveau zurückgeführt wird. Dieses Verfahren weist drei Hauptnachteile auf:
- es erfordert hohe umgekehrte Magnetfelder;
- wegen der Form der geschlossenen J(H)-Kurve im zweiten Quadranten führen kleine Änderungen des Feldes zu großen Änderungen der Magnetisierung, weshalb eine Einstellung schwierig ist, insbesondere bei weiterer Entfernung vom "Ellenbogen" der Kurve, also für starke Entmagnetisierungen;
- selbst kleine Inhomogenitäten der Koerzitivkraft in einem Stab können beispielsweise zu einem untermagnetisierten Zustand führen, der durch eine Verteilung der Magnetisierung gekennzeichnet ist, die keine Rotationssymmetrie aufweist. In diesem Fall ist die Magnetisierung im Zentrum des Stabes nicht genau in Achsenrichtung ausgerichtet; sie weist entsprechend eine radiale Komponente auf. Wenn der Wert dieser radialen Komponente größer als etwa 1 % des Wertes der axialen Komponente beträgt, zeigt eine Wanderwellenröhre keine korrekte Funktion;
- die Streuung der magnetischen Eigenschaften innerhalb ein und derselben Produktionscharge ist in manchen Fällen zu groß und erfordert eine einheitliche Einstellung der Stäbe unter Anwendung kostspieliger Einrichtungen.
Es ist ferner darauf hinzuweisen, daß beim herkömmlichen Verfahren das Orientierungsfeld angelegt wird, sobald die das zu verpressende Pulver enthaltende Formvertiefung geschlossen wird, und zwar, bevor das Pulver nennenswert verdichtet wird.
Das erfindungsgemäße Verfahren erlaubt die Vermeidung oder Verringerung der Nachteile der bekannten Verfahren und besteht darin, daß das magnetische Material, das eine Formvertiefung einnimmt, bis zu einem als Vorpreßgrad TP bezeichneten Preßgrad von mehr als 15 % und vorzugsweise 20 % kalt verpreßt wird, bevor das Orientierungsfeld angelegt wird, und das Kaltpressen unter dem Orientierungsfeld fortgesetzt wird, bis der maximale gewünschte Preßgrad erreicht ist.
Unter dem Vorpreßgrad wird der Wert TP (%) gemäß der Formel
TP = Vo - VTP / Vo - VF x 100 %, verstanden, in der
Vo das Schüttvolumen des zu verpressenden magnetischen Materials,
VTP das apparente Volumen des magnetischen Materials im Zeitpunkt des Anlegens des Orientierungsfeldes und
VF das apparente Endvolumen des mit dem für die Presse geforderten Arbeitsdruck verpreßten Materials
bedeuten.
Dieses Endvolumen wird durch Preßversuche zuvor ermittelt.
Der angewandte Vorpreßgrad liegt insbesondere im Bereich von 30 bis 80 %.
Das die Formvertiefung vor dem Verpressen einnehmende magnetische Material besteht aus Pulvern des herzustellenden ferromagnetischen Materials. Dieses Pulver enthält vorzugsweise einen hohen Anteil einkristalliner Körner, was in vielen Fällen durch Zerkleinern auf die zur Verdichtung und für die magnetischen Eigenschaften optimale Korngröße erzeugt wird.
Das magnetische Material, das die Formvertiefung vor dem Verpressen unter dem Magnetfeld ausfüllt, kann nach dem erfindungsgemäßen Verfahren in folgenden Formen vorliegen:
- in Form eines Pulvers des Materials, das direkt von der Zerkleinerung kommt und die Formvertiefung aufgrund der Schwerkraft ausfüllt;
- in Form des gleichen Pulvers, dessen Fließfähigkeit in die Formvertiefung durch magnetisches Hineinziehen unterstützt wurde, das im kurzzeitigen Anlegen des Magnetfeldes besteht;
- in Form des gleichen Pulvers, dessen Fließfähigkeit zuvor durch Granulierung in Form von Kügelchen kleinen Durchmessers mit Hilfe einer kleinen Menge Bindemittel oder in beliebiger anderer geeigneter Weise verbessert wurde, einschließlich der groben Desaggregation von im Magnetfeld voragglomerierten Blöcken.
Es wurde festgestellt, daß das Verfahren unter Erzielung vergleichbarer Ergebnisse auch so durchgeführt werden kann, daß vor dem Endverpressen unter dem Orientierungsfeld ein Vorverpressen ohne Magnetfeld vorgenommen wird und anschließend der Preßdruck aufgehoben wird, wodurch ein Raum freigegeben wird, den das Material zur Orientierung beim abschließenden Verpressen unter Magnetfeld einnimmt.
Diese Ausführungsform ist zwar hinsichtlich des Arbeitsablauf 5 komplizierter, eignet sich aber besonders zur Herstellung von Magneten großer Höhe, die mit Pressen verpreßt sind, bei denen nur ein kleines Füllvolumen freigegeben wird, sowie zur Herstellung von speziellen Magneten mit konvergenter magnetischer Orientierung.
Darüber hinaus wurde festgestellt, daß bei Magneten gegebener Zusammensetzung und innerhalb eines vorgegebenen Fertigungsprogramms eine hochsignifikante Korrelation zwischen dem angewandten Vorpreßgrad und der nach der abschließenden Magnetisierung bis zur technischen Sättigung erhaltenen Remanenz aufgestellt werden kann.
Zur Erzielung noch genauerer Werte der Induktion ist es ferner auch möglich, zunächst einen Wert der Induktion (B) zu erzeugen, der etwas höher ist als der gewünschte Wert der Induktion (BO), beispielsweise eine Induktion von 103 bis 115 % der angestrebten Induktion Bo, um so die unausweichliche Streuung dieser Werte zu berücksichtigen, und anschließend
- entweder an den bis zur technischen Sättigung magnetisierten gesinterten und thermisch behandelten Magneten ein umgekehrtes Feld (Entmagnetisierungsfeld) kontrollierter Feldstärke anzulegen
- oder eine thermische Entmagnetisierung vorzunehmen
- oder diese beiden Maßnahmen gemeinsam anzuwenden.
Es ist festzustellen, daß bei nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Magneten die Entmagnetisierung durch ein umgekehrtes Feld kleinere Feldstärken erfordert, als sie nach dem Stand der Technik angewandt werden (drittes Verfahren), und die Wiedermagnetisierung bei der thermischen Behandlung zur Stabilisierung ebenfalls leichter ist.
Die Erfindung wird im folgenden anhand der nachstehenden Beispiele unter Bezug auf die Fig. 1 und 2 näher erläutert.
Fig. 1 stellt eine Eichkurve dar, welche die Abhängigkeit der remanenten magnetischen Induktion Br vom Vorpreßgrad für nach dem nachstehenden Beispiel 1 hergestellte Magnete zeigt, bei denen der Vorpreßgrad variiert wurde.
In Fig. 2 sind Entmagnetisierungskurven eines Magneten vom Typ SmCo&sub5; schematisch dargestellt, der nach dem Stand der Technik - also ohne Vorpressen - (Kurve A) bzw. erfindungsgemäß mit Vorpressen hergestellt wurde (Kurve B).
Aus dieser Figur ist ersichtlich, daß das Entmagnetisierungsfeld H2 für den erfindungsgemäßen Fall kleiner ist und auch eine geringere Genauigkeit (ΔH2 groß) erfordert, als dies bei den entsprechenden Werten des Feldes H1 und der entsprechenden Genauigkeit (ΔH1) gemäß dem Stand der Technik erforderlich ist.

Beispiel 1

Magnete mit den Endabmessungen 20x8x3 mm wurden wie folgt hergestellt:
Eine Legierung vom Typ SmCo&sub5; mit 36,3 Gew.-% Sm wurde auf eine Korngröße von 4 um (Fisher) zerkleinert und nach Füllen der Formvertiefung unter der Schwerkraft bei einem Enddruck von 3 t/cm² nach verschiedenen Vorpreßgraden verpreßt, wobei ein Feld von 800 kA/m (10 kOe) angelegt wurde; die so erhaltenen Preßlinge wurden 3 h im Vakuum bei 1110 ± 5 ºC gesintert, dann 24 h auf 875 ± 5 ºC gehalten und an schließend in einem Gas mit einer Abkühlgeschwindigkeit von 100 ºC/min abgeschreckt. Diese Arbeitsbedingungen waren durch das Material und die verwendete Korngröße vorgegeben, stellen jedoch keine speziellen Eigenschaften des angegebenen Verfahrens dar. Nach Bearbeitung und Magnetisierung bis zur technischenm Sättigung unter einem Feld von 1600 bis 2400 kA/m (20 bis 30 kOe) wurden die magnetischen Eigenschaften gemessen.
Die Korrelation zwischen dem Vorpreßgrad und der erhaltenen Induktion ist in Tabelle 1 angegeben und in Fig. 1 graphisch dargestellt.

Beispiel 2

Herstellung ringförmiger Magnete der Zusammensetzung SmCo&sub5; für Wanderwellenröhren

Diese Magnete besaßen folgende Endabmessungen:
Außendurchmesser: 17,8 mm
Innendurchmesser: 9,1 mm
Höhe: 3,75 mm.
Sie wurden nach dem gleichen Verfahren wie in Beispiel 1 hergestellt, wobei der Vorpreßgrad 68 % betrug.
Diese Magnete müssen einen Spitzenwert der axialen Induktion von
0,105 ± 5 10&supmin;³ T (1050 ± 50 G)
aufweisen.
Nach der üblichen Praxis, d.h. ohne Vorverpressen, besitzen die erhaltenen Magnete eine Remanenz von 0,88 T (8800 G).
Bei Anwendung eines Vorpreßgrades von 68 % wird ein Magnet erhalten, dessen Spitzenwert der axialen Induktion Br von 0,113 T (1130 G) beträgt, wobei die Erfahrung zeigt, daß das zur Einstellung der gewünschten Remanenz (0,6 T) erforderliche umgekehrte Feld größenordnungsmäßig 880 kA/m (11 kOe) beträgt, wobei der Einstellungsbereich mit ± 500 kA/m (± 6,2 kOe) relativ groß ist, wie aus Kurve B von Fig. 2 hervorgeht.
Im Fall eines herkömmlichen SmCo&sub5;-Magneten, der entsprechend ohne Vorpressen vor dem Anlegen des Orientierungsfeldes hergestellt wurde, ist die erforderliche Feldstärke des umgekehrten Magnetfeldes einerseits mit 2000 kA/m (etwa 25 kOe) höher, muß aber andererseits mit ± 8 kA/m (± 0,1 kOe) erheblich genauer eingestellt werden (Kurve A), da dieser Schritt oberhalb der Krümmung der Kurve J=f(H) stattfindet, wobei J die magnetische Polarisation und H die angelegte Feldstärke bedeuten.
Die erfindungsgemäß erhaltenen Magnete weisen gegenüber nach dem Stand der Technik hergestellten Magneten neben der Gleichmäßigkeit und Genauigkeit ihrer magnetischen Eigenschaften folgende Vorteile auf:
- größere Homogenität des Produkts, da das Pulver eine verringerte Beweglichkeit besitzt und unter der Einwirkung des Orientierungsfeldes weniger örtlich verschoben wird;
- besseres mechanisches Verhalten bei der thermischen Zyklusbehandlung, insbesondere gute Beständigkeit gegen Rißbildung aufgrund einer kleineren Anisotropie;
- wenn die magnetischen Eigenschaften durch Einwirkung eines umgekehrten Feldes kleiner Feldstärke erzeugt wurden, sind die erhaltenen Magnete gegenüber dem Phänomen der thermischen Wiedermagnetisierung weniger empfindlich, insbesondere Magnete vom Typ SmCo&sub5;;
- bei Magneten mit Kreissymmetrie wird eine sehr genaue Axialorientierung des Feldes erzielt, wobei die Komponente in Radialrichtung weniger als 0,1 % der axialen Komponente beträgt;
- geringere Herstellungskosten;
- alle so hergestellten Magnete weisen den gleichen Temperaturkoeffizienten auf.
Darüber hinaus führt das erfindungsgemäße Verfahren zu einer Verringerung der natürlichen Feldgradienten entsprechender Geräte.
Die Magnete sind in allen Systemen anwendbar, bei denen die magnetischen Eigenschaften hinsichtlich Größe und Richtung sehr genau und reproduzierbar sein müssen. Sie können dabei beliebige geometrische Formen aufweisen und beispielsweise die Form von Quadern, Zylindern, Ringen, etc., aufweisen. Tabelle 1 Vorpreßgrad (%) Br (T) Axialer Spitzenwert (T) (die angegebenen Werte sind jeweils Mittelwerte von 5 Proben).

Claims

1. Verfahren zur Herstellung von Sintermagneten mit genauen Induktionseigenschaften durch

Herstellung von Pulvern geeigneter Korngröße, mindestens einstufiges Kaltpressen unter einem Orientierungsfeld, Sintern, thermische Behandlungen, mechanische Bearbeitung und abschließende Sättigungsmagnetisierung bis zur technischen Sättigung,

dadurch gekennzeichnet, daß

das Orientierungsfeld angelegt wird, wenn der als Vorpreßgrad TP bezeichnete Preßgrad gemäß der Formel

TP x Vo - VTP / Vo - VF x 100 %,

in der

Vo das Schüttvolumen des zu verpressenden magnetischen Materials,

VTP das Volumen des magnetischen Materials im Zeitpunkt des Anlegens des Orientierungsfeldes und

VF das dem angewandten Enddruck entsprechende Endvolumen des magnetischen Materials

bedeuten,

über 15 % beträgt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Vorpreßgrad mehr als 20 % beträgt.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Vorpreßgrad 30 bis 80 % beträgt.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß beim Vorpreßgrad TP der Preßdruck aufgehoben wird, anschließend das Orientierungsfeld angelegt wird und das Verpressen wieder aufgenommen wird, bis der Endwert erreicht ist.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß an den bis zur technischen Sättigung magnetisierten Magneten ein umgekehrtes Feld kontrollierter Feldstärke angelegt wird.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das angewandte Vorpressen nach Sättigungsmagnetisierung bis zur technischen Sättigung zu einer Induktion führt, die 103 bis 115 % der angestrebten Induktion beträgt.

7. Magnet, der nach einem der Ansprüche 1 bis 6 erhältlich ist, dadurch gekennzeichnet, daß die tangentiale oder radiale Komponente der Induktion weniger als 1 % ihrer Komponente in Normalrichtung oder ihrer axialen Komponente beträgt.

8. Magnet nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die tangentiale oder radiale Komponente der Induktion weniger als 0,1 % ihrer Komponente in Normalrichtung oder ihrer axialen Komponente beträgt.

9. Magnet nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß er quaderförmig ist.

10. Magnet nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß er zylinderförmig ist.

11. Magnet nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß er ringförmig ist.