<Desc/Clms Page number 1>
Permanentmagnetischer Werkstoff
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf permanentmagnetische Werkstoffe, die aus extrem kleinen Eisen-oder Eisen-Kobalt-Teilchen bestehen.
Als Hauptbestandteil magnetischer Werkstoffe ist wegen seiner Billigkeit und des reichlichen Vorkommens Eisen erwünscht. Die bisherigen Bemühungen, dieses Element in Form feinkörnigen Pulvers stärker für hochwertige Magnete heranzuziehen, haben jedoch hinsichtlich der Koerzitivkraft und der (BH) ax-Werte zu enttäuschenden Ergebnissen geführt.
Es wurde nun gefunden, dass die erwähnten Mängel überraschend behoben werden können, wenn bei einem aus extrem kleinen Eisen-oder Eisen-Kobalt-Teilchen bestehendenpermanentmagnetischen Werkstoff erfindungsgemäss eine Vielzahl dieser Teilchen eine langgestreckte Gestalt und eine so kleine Querabmessung hat, dass sich in Querrichtung nur ein einziger magnetischer Bezirk ausbilden kann, wogegen in Längsrichtung der Teilchen die Ausbildung von zwei oder mehr magnetischen Bezirken möglich ist, wobei bei mindestens 50% dieser Teilchen das Verhältnis von Längs- zu Querabmessung wenigstens 2 : 1 beträgt.
Aus theoretischen Überlegungen ist bereits gefolgert worden, dass das Fehlen von Bezirksgrenzen oder Trennwänden (Bloch'schen Wänden) zwischen benachbarten magnetischen Bezirken zu einer Erhöhung der Koerzitivkraft des magnetischen Werkstoffes führt, zumal bei einem mehrere Bezirke umfassenden Werkstoffteilchen schon die Einwirkung von schwachen magnetischen Feldern eine derartige Verschiebung der Bezirksgrenzen bewirkt, dass die bezüglich des einwirkendenFeldes günstig orientierten magnetischen Bezirke auf Kosten der benachbarten, ungünstig orientierten Bezirke anwachsen.
Um die Magnetisierung eines nur einen einzigen magnetischen Bezirk umfassenden Werkstoffteilchens zu erhöhen, ist hingegen ein viel stärkeres Feld erforderlich, weil in diesem Falle die Magnetisierungsrichtung des betreffenden Bezirkes nach dem einwirkenden Feld ausgerichtet werden muss. Demgemäss ist auch die Koerzitivkraft eines Werkstoffes aus Teilchen mit Einzelbezirken höher, weil bei einem Werkstoff, der aus zahlreichen, zur Ausbildung einer Bezirksgrenzenregion zu kleinen Teilchen besteht, die erläuterten Effekte der Verschiebung der Bezirksgrenzen bzw. Trennwände nicht auftreten können und die Koerzitivkraft daher proportional der Kristallanisotropie des betreffenden Werkstoffes ist.
Eisen stellt nun zwar aus den schon erwähnten Gründen und wegen der leichten Möglichkeit der Herstellung von feinkörnigem Eisenpulver einen bevorzugten permanentmagnetischen Werkstoff dar, doch sind bei Eisen anderseits die auf der Kristallanisotropie beruhenden Kräfte, welche die magnetischen Spins der Atome in vorbestimmten Richtungen zu halten suchen, ungünstigerweise schwach, weshalb die von einer Eisenmasse aus feinkörnigen runden Pulverteilchen dargebotene, der Kristallanisotropie proportionale Koerzitivkraft ebenfalls schwach ist und eine solche zusammengeballte Pulvermasse daher einen relativ schlechten magnetischen Werkstoff darstellt.
Es ist nun schon lange bekannt, dass bei Eisenteilchen aus diesem Grunde eine Anisotropie der Gestalt statt der Kristallanisotropie ausgenützt werden müsste. Demgemäss sind schon viele Bemühungen mit dem Ziel unternommen worden, langgestreckte Eisenteilchen mit EinzeJbezirken herzustellen. Es ist berechnet worden, dass solche langgestreckte Eisenteilchen mit Einzelbezirken eine viel höhere Koerzitivkraft haben müssten, weil sich die Magnetisierungsrichtung nach der Hauptachse der Teilchen ausrichten würde und dann eine Drehung des gesamte magnetischen Momentes der Teilchen erforderl ch wäre, was eine
<Desc/Clms Page number 2>
erhebliche Energiemenge erfordern würde.
Die bisher zur Herstellung von Eisenteilchen mit Einzelbezirken angewendeten Verfahren haben aber nur zu im wesentlichen kugelförmigen Teilchen geführt, die nur eine geringe Anisotropie der Teilchengestalt zeigten. Es konnten daher bisher die schon erwähnten theoretischen Überlegungen nicht experimentell überprüft werden.
Gemäss der Lehre der vorliegenden Erfindung wird nun die im wesentlichen kugelige Gestalt der Eisenteilchen absichtlich vermieden und an Stelle davon eine deutlich langgestreckte Gestalt angewendet, bei welcher die Längsabmessung tatsächlich weit grösser als die Dimension der Bezirksgrenzregion für das Material sein kann, während nur die Abmessung senkrecht zur Längsachse der Teilchen etwa gleich wie oder kleiner als die Dimension der Bezirksgrenzregion für dieses Material Ist. Man erkennt, dass in diesem Falle der aus feinen Teilchen bestehende magnetische Werkstoff nicht darauf beschränkt ist, dass alle Teilchenabmessungen kleiner als die Dimension der Bezirksgrenzregiosen sind, dass vielmehr die Teilchen vorzugsweise Längserstreckungen aufweisen, die wesentlich grösser als diese Dimension sind.
Die in der beschriebenen Weise langgestreckten Teilchen ergeben eine wesentlich höhere Koerzitivkraft, als dies den relativ niedrigen Kräften der Kristallanisotropie von Eisen entspricht ; diese ausserordentlich verbesserten magnetischen Eigenschaften sind hauptsächlich der Anisotropie der Teilchengestalt zuzuschreiben. Auf diesem Wege können gemäss der Erfindung die Vorteile der Anwendung von Eisen als magnetscher Werkstoff unter Überwindung der bisher durch die niedrigen Kräfte der Kristallanisotropie gesetzten Grenzen ausgenutzt werden, um Permanentmagnete mit verbesserten magnetischen Eigenschaften zu schaffen.
Während die bisher bekannten Eisenteilchen von der Grösse eines einzigen Bezirkes im wesentlichen Kugelgestalt hatten und hinsichtlich ihrer magnetischen Wirkung vor allem auf den Kräften der Kristall- anisotropie beruhten, wobei die maximale Koerzitivkraft in der Grössenordnung von nur 1000 Oer < tedt lag, werden mit langgestreckten Eisenteilchen gemäss der Erfindung wesentlich höhere Koerzitivkräfte von etwa 2100 Oerstedt erreicht. Dieser Zuwachs der Koerzitivkraft der Teilchen Ist für sich schon von grosser Bedeutung, doch ist zumindest in gleicher Weise bedeutsam, dass die Teilchen im fertigen magnetischen Werkstoff gut ausgerichtet sind.
Bisher konnte eine wesentliche Ausrichtung nicht erreicht werden, weil die bekannten, praktisch runden Eisenteilchen nicht veranlasst werden konnten, sich in solcher Weise einzustellen, dass die magnetischen Eigenschaften in einer beliebigen Richtung in einem wesentlichen Ausmass verbessert wurden. In einem Werkstoff mit magnetisch ausgerichteten langgestreckten Eisenteilchen ist hingegen der Verlauf der Eutmagnetisterungskurve in vorteilhafter Weise so geändert, dass ein wesentlich grösserer (BH) jj -Wert erhalten wird, als dies bei nicht ausgerichteten, im wesentlichen runden Eisenteilchen der Fall Ist.
Während die bisher üblichen runden Eisenteilchen einen (BH) -Wert von nur 1100000 Gauss-Oerstedtergaben, lassen sich mit ausgerichteten länglichen Eisenteilchen gemäss der Erfindung sehr hohe (BH) g-Werte von etwa 2500000 bis zur theoretischen oberen Grenze von 40000000 Gauss-Oerstedt erzielen.
Zur Herstellung eines geeigneten permanentmagnetischen Werkstoffes gemäss der Erfindung werden zuerst feine Teilchen aus Eisen erzeugt, die ein durchschnittliches Achsenverhältnis von wenigstens 1, 5 : 1 haben, wobei mindestens die Hälfte der Teilchen ein Abmessungsverhältnis von wenigstens 2 : 1 hat ; die Abmessungen in Richtungen quer zur Längsachse sind dabei entweder gleich oder kleiner als die Dimen- sion der Bezirksgrenzregion in Eisen (etwa 840 Â). Diese Teilchen werden sodann mit einem Material überzogen, welches beim Zusammenpacken eine Kernbildung verhindert, worauf die Masse verdichtet wird, um physikalisch starke und mechanisch feste Magnetteile herzustellen.
Vorzugsweise werden die langgestreckten Teilchen durch eine besondere Elektroabscheidung von Eisen durch einen Elektrolyten, beispielsweise einen Eisenchlorid-Elektrolyten, in eine flüssige Quecksil- berkathode erhalten. Die elektrische Abscheidung von Eisen in Quecksilber ist zwar schon etwa ein Jahrhundert bekannt, doch haben diese Verfahren, ebenso wie andere Verfahren, wie die Reduktion von Eisensalzen, zu Im wesentlichen kugeligen Eisenteilchen mit ungünstigen Eigenschaften geführt.
Durch Anwendung einer besonders ruhigen Grenzfläche zwischen dem Elektrolyten und der flüssigen Quecksilberkathode sowie durch Anwendung bestimmter anderer geregelter Niederschlagsbedingungen kann aber gemäss einem anderweitigen Vorschlag erreicht werden, dass die gewünschten langgestreckten Teilchen in grosser Überzahl anfallen, die unerwünschten kugeligen Teilchen hingegen auf in vernachlässigbaren Men- gen.
Die Erfindung soll nun ter Bezugnahme auf die Zeichnungen genauer erläutert werden. Fig. l stellt teilweise im Schnitt eine Ansicht einer Apparatur zur Elektroabscheidung von langgestreckten, feinen Eisenteilchen für erfindungsgemässe permanentmagnetische Werkstoffe dar. Fig. 2 erläutert an Hand eines Blockdiagramms das gesamte Herstellungsverfahren. Das Diagramm nach Fig. 3 stellt die prozentuellen
<Desc/Clms Page number 3>
Anteile der Teilchen verschiedener Proben in Abhängigkeit vom Achsenverhältnis der Teilchen dar. Fig. 4 veranschaulicht in Diagrammform den Prozentsatz der Teilchen, die von der mittleren Orientierung der Teilchen im gerichteten, d. h. gepressten und ausgerichteten Werkstoff, eine in Graden ausgedrückte Abweichung zeigen.
Die Fig. 5 und 6 stellen die Induktion in Abhängigkeit von der Entmagnetisierungskraft bei langgestreckten Eisenteilchen für verschiedene Packung bzw. verschiedene Magnetisierungsrichtungen dar.
In Fig. l ist eine Apparatur veranschaulicht, die sich zur Elektroabscheidung von Eisen in Quecksilber unter Bedingungen eignet, bei denen langgestreckte Eisenteilchen anfallen. Diese Apparatur besteht aus einer Zelle 1, die auf einer Tragplatte 2 montiert ist, welche ihrerseits mit Hilfe von Schraubenfedern 4 an einem Rahmen 3 aufgehängt ist. Die Zelle selbst enthält eine dem Verbrauch unterworfene Anode 5 in Form eines Eiseningots, ferner einen flüssigen Quecksilbersumpf 6, der als Kathode dient, und schliesslich zwischen Anode und Kathode, beide Elektroden berührend, einen Elektrolyten 7, der Eisenionen enthält.
Als Elektrolyt ist Eisenchlorid brauchbar, doch können auch andere Eisensalze verwendet werden, beispielsweise Eisensulfat oder. Eisennitrat. Die Anode 5 ist über ein Kabel 8 mit dem positiven Pol einer (nicht gezeichneten) Gleichstromquelle verbunden, während das Kabel 9 den Stromkreis der Kathode 6 über den leitenden Zellenboden 10, welcher von der Quecksilberkathode berührt wird, zu dieser Stromquelle schliesst. Um Eisenniederschläge an den Seitenwandungen der Zelle hintanzuhalten, können an diesen Wandungen isolierende Auskleidungen 11, z. B. aus Glas, vorgesehen werden. Der Abstand der Eisenanode vom Quecksilbersumpf kann mit Hilfe von verstellbaren isolierenden Haltern 12 eingestellt werden.
Die Federaufhängung hat den Zweck, einen Einfluss von Schwingungen oder andern mechanischen Störungen auf die ruhende Grenzfläche Elektrolyt-Kathode während der Elektroabscheidung hintanzuhalten. Früher war man bestrebt, gerade entgegengesetzte Bedingungen zu schaffen, nämlich wechselnde Bedingungen an der Grenzfläche Elektrolyt-Kathode.
Insbesondere wurde ein Mischen, Rühren, Vibrieren und andere Massnahmen zur Herbeiführung einer raschen Relativbewegung zwischen den Oberflächen von Elektrolyt und Kathode als sehr vorteilhaft angesehen, weil der Elektrolyt nahe der Kathode die Tendenz zeigte, während des Niederschlagsvorganges an Ionen zu verarmen und daher der Niederschlag wesentlich erleichtert wurde, wenn frischer Elektrolyt mit ausreichendem Ionengehalt nahe der Kathode zirkuliert, so dass die zahlreichen Ionen Elektronen aufnehmen und so rasch in Metallatome umgewandelt werden konnten. Ferner hat es sich gezeigt, dass eine Bewegung der Kathode selbst dem Kristallwachstum des niedergeschlagenen Metalls entgegenwirkte, weshalb eine solche Bewegung für die Erzielung dispergierter feiner Metallabscheidungen als günstig angesehen wurde.
Um für den erfindungsgemässen Werkstoff verwendbare langgestreckte Eisenteilchen zu erhalten, werden hingegen solche Störungen absichtlich vermie- den und es wird während der gesamten Elektroabscheidung eine ruhige Grenzfläche aufrechterhalten.
Die Abscheidung der gewünschten Teilchen wird durch besonders reine Quecksilberoberflächen erleichtert. Zu diesem Zweck können dem Elektrolyt geeignete Säuren, z. B. Salzsäure im Falle eines Elektrolyten aus Eisenchlorid, Schwefelsäure im Falle eines Elektrolyten aus Eisensulfat, und Salpetersäure im Falle eines Elektrolyten aus Eisennitrat, zugesetzt werden.
Die hydratisierten Eisenionen, welche in dem vorzugsweise aus einem im Wasser gelosten Eisensalz bestehenden Elektrolyten auftreten, wandern unter derneintluss derpotentialdifferenz zwischen der Kathode und der Anode 5 stetig zu der Grenzfläche zwischen dem Elektrolyten und der flüssigen Quecksilber-
EMI3.1
verlieren sie ihre positiven Ladungen und die anhaftenden Wassermoleküle. Geladene Eisenatome können sich nicht vereinigen und zu Metallteilchen zusammenwachsen, solange sie sich im ionisierte Zustand befinden ; sie werden hieran aber nicht mehr gehindert, wenn sie Elektronen aufgenommen haben und in der flüssigen Quecksilberkathode in einer bestimmten Konzentration enthalten sind.
Bei starker und stetiger Zuwanderung von Eisenionen zur Kathode ergibt sich eine maximale Konzentration von Eisenatomen im Quecksilber nahe der Grenzfläche von Quecksilber und Elektrolyt, wobei die Konzentration mit zunehmendem Abstand von dieser Grenzfläche rasch abnimmt und von bestimmten Faktoren abhängt, wie von der relativen Menge der zuwandernden Atome, der Löslichkeit von Eisen in Quecksilber, der Diffusionsgeschwindigkeit von Eisen in Quecksilber und der Kornbildung sowie der Bildungsgeschwindigkeit von Eisenteilchen in Zonen verschiedener Konzentrationen. Die Wahrscheinlichkeit der Kernbildung von Eisenteilchen wächst mit dem Grad der Übersättigung des Eisens im Quecksilber und ist daher amhöchsten an der Grenzfläche, wo wegen der starken Zuwanderung von Eisenatomen ein hoher Übersättigungsgrad zu erwarten ist.
Es ballen sich stets zahlreiche Eisenteilchen gleichzeitig zusammen, wobei jedes dieser
<Desc/Clms Page number 4>
Teilchen beim Wachsen in seiner unmittelbaren Nähe eine Verarmung des Quecksilbers an Eisenatomen herbeiführt und dadurch eine weitere Zusammenballung innerhalb des verarmten Volumens verhindert.
Man kann annehmen, dass sich die Quecksilberkathode so verhält, als ob sie aus zahlreichen sehr kleinen und vereinzelten Kathoden bestünde, von denen jede Eisenatome aufnimmt, übersättigt wird und einen Eisenkern bildet. Unter bestimmten Bedingungen ergibt beispielsweise jeder Quadratzentimeter der Kathodenfläche etwa 1012 solcher Eisenteilchen in der Sekunde, wobei jedes Teilchen ungefähr 500000 Atome enthält. Während jedes Eisenteilchen sein Wachsen beendet, bewegt es sich im Quecksilber von der Grenzfläche weg, so dass die Region hinter dem betreffenden Teilchen wieder gesättigt werden und ein neues Teilchen bilden kann. Wenn die Zuwanderung der Atome verstärkt wird, würde auf diese Weise schliesslich eine zusammenhängende Folie niedergeschlagen werden.
Bei Zuwanderung der Atome in einem Ausmass, das noch unter diesem zur Elektroplattierung führenden Ausmass liegt, sind hingegen die Arbeitsbedingungen für die Ausbildung von langgestreckten Eisenteilchen günstig.
Fig. 2 zeigt im Blockschema die einzelnen Stufen eines Verfahrens zur Herstellung von erfindungsgemässen permanentmagnetischen Werkstoffen. Zunächst werden langgestreckte Eisenteilchen der bereits erläuterten kritischenGestalt durch Elektroabscheidung von Eisen in Quecksilber bei ruhender Grenzfläche zwischen Quecksilber und Elektrolyt erzeugt. Sodann werden die langgestreckten Teilchen auf magnetischem Wege aus dem Quecksilbersumpf entnommen und zu einer Masse zusammengeballt. Dies kann in einfacher Weise erreicht werden, indem man einen Permanentmagneten in ein Glasrohr steckt und dieses Rohr sodann in die Quecksilberkathode einführt, wobei sich die Eisenteilchen an dem Rohr büschelartig ansetzen, das Rohr sodann wieder zurückzieht und den Magneten entfernt, worauf der anhängende Schlamm von Eisenteilchen und Quecksilber abfällt.
Dieser Schlamm wird hernach für einige Minuten auf 2000 C erhitzt, und nach Abkühlung auf Raumtemperatur wird eine Spur von Zinn oder einem andern geeigneten Plattierungsmetall, wie Zink, Aluminium, Mangan, Nickel, Antimon oder einem andern Metall, welches sich an Eisen bindet, zugesetzt, um einen Metallüberzug an den langgestreckten Teilchen herzustellen. Die weitere Trennung von Eisen vom Quecksilber wird sodann durch Oxydation des Quecksilbers an der Luft oder in einem andern Oxydationsmittel herbeigeführt. Die Entfernung der letzten Quecksilberspuren erfolgt durch Waschen und Erhitzen im Vakuum oder in Wasserstoff bei niedriger Temperatur.
Hierauf wird ein trockenes Gemisch der langgestreckten Eisenteilchen mit einem Füll-oder Bin- demittel, wie einem organischen thermoplastischen Kunststoff oder einem nichtmagnetischen Metall, wie Blei oder Bleilegierung, hergestellt und der fertige Magnet durch Ausrichtung der langgestreckten Teilchen in einem magnetischen Gleichfeld von vorzugsweise 4000 Gauss oder mehr sowie durch Pressen oder Giessen in die gewünschte Form und Packung erzeugt. Das aus dem Schlamm entfernte Quecksilber kann gereinigt und zur weiteren Verwendung in den Kathodensumpf zurückgeführt werden. Die Reproduzierbarkeit dieses Verfahrens ist ausgezeichnet und die hiebei erforderlichen Apparaturen sind nicht umfangreich.
Es werden insbesondere durchwegs ziemlich niedrige Temperaturen angewendet, und als hauptsächliches Rohmaterial dient ein Eiseningot, der als Anode in die Apparatur für Elektroabscheidung eingesetzt wird.
Elektronenmikroskopische Aufnahmen von langgestreckten Eisenteilchen, die durch Elektroabschei-
EMI4.1
mit einer leichten Oxydation zur Beseitigung des Quecksilbers erhalten wurden, zeigten federähnliche Verzweigungen oder Dendrite, die vom Hauptkörper eines jeden Eisenteilchens nach auswärts in Richtung des Teilchenwachstums verliefen und dadurch die Teilchenabmessungen über die gewünschten Maximalabmessungen vergrösserten. Die Koerzitivkraft und die Ausrichtung der Teilchen waren in dieser Verfah- rensstufe noch relativ gering.
Nach Durchführung der Wärme- und Metallbehandlungen dieser Teilchen zeigten elektronenmikroskopische Aufnahmen, dass die federähnlichen, dendritischen Anhängsel weitgehend beseitigt waren, wobei die Teilchen in einer mehr stabähnlichen, langgestreckten Form verblieben, die sich als wesentlich zur Erzielung der gewünschten, auf der Teilchengestalt beruhenden Anisotropieeffekte erwiesen haben ; die Querschnittsdurchmesser der Teilchen wurden dabei nicht wesentlich geändert. Die Koerzitivkraft und die Ausrichtung der Teilchen waren nunmehr stark verbessert.
Eine elektronenmikroskopische Aufnahme eines Schnittes durch einen gepressten Magneten, aus dessen Material der Hauptteil des Quecksilbers beseitigt worden war und bei dem die langgestreckten Teilchen einem magnetischen Feld ausgesetzt wurden, zeigte eine hochgradige Ausrichtung der Teilchen.
Dass die langgestreckte Teilchengestalt von der ruhenden Grenzfläche Elektrolyt-Kathode abhängt, wurde durch Mikrofotografien von Teilchen erwiesen, die unter sonst gleichen Bedingungen bei während der Elektroabscheidung bewegter Grenzfläche gewonnen worden waren. Diese Bewegung der Grenzfläche
<Desc/Clms Page number 5>
EMI5.1
<Desc/Clms Page number 6>
des Hauptmaterials (21600 Gauss für Eisen) sein und die Koerzitivkraft dem Wert Null zustreben. Der (BH)max-Wert dürfte bei einer dazwischenliegenden Dichte von etwa 1/2 bis 2/3 auftreten, d. h., wenn etwa die Hälfte oder zwei Drittel der theoretisch möglichen Anzahl von langgestreckten Teilchen gleichmässig je Volumseinheit des magnetischen Werkstoffes verteilt ist.
Der Gewinn an remanenter Induktion auf Kosten einer verminderten Koerzitivkraft, die bei stärkerer Packung auftritt, geht aus Fig. 5 hervor, in der die Induktion in Kilogauss in Abhängigkeit von der Entma-
EMI6.1
aufgetragenwurden ; man erkennt, dass die höhere remanente Induktion der stark verdichteten Probe mit einer Koerzitivkraft verknüpft ist, die geringer ist als jene der weniger verdichteten Probe. Die Grade der magnetischen Ausrichtung können aus der Annäherung an die Rechteckälmlichkeit der Entmagnetisierungskurven entnommen werden ; man erkennt, dass diese Ausrichtung im Falle der stärker verdichteten, durch die Kurve 22 charakterisierten Probe besser ist.
Die Ausrichtungseffekte werden auch durch die Kurven 24 und 25 inFig. 6 erwiesen, wo die Induktion in Kilogauss in Abhängigkeit von derEntmagnetisierungskraft inOerstedt für gleiche Magnetproben dargestellt ist, bei denen die Richtung der Magnetisierung im Falle der Kurve 24 parallel zur Ausrichtungsachse der Teilchen und Im Falle der Kurve 25 senkrecht dazu verlief. Sowohl die remanente Induktion als auch die Koerzitivkraft ist höher bei Werkstoffen, die in Richtung der Teilchenausrichtung magnetisiert sind ; auch der (BH) ay-Wert ist in diesem Falle viel grösser. Der ungewöhnliche Grad der Ausrichtung, der mit langgestreckten Teilchen gemäss der Erfindung erzielbar ist, trägt wesentlich zu den sehr hohen (BH) rnax. Werten dieser Werkstoffe bei.
Es wurde schon früher darauf verwiesen, dass die auf der Teilchengestalt beruhenden Anisotropieeffekte bei langgestreckten Eisenteilchen vorherrschen, wogegen die Effekte der Kristallanisotropie (welche die magnetischen Eigenschaften des Materials prinzipiell, also auch bei im wesentlichen kugeligen Teilchen beschränken) demgegenüber untergeordnet sind. Bei Eisenteilchen mit erheblichen Verlängerungen, etwa einem Achsenverhältnis, das grösser ist als das mittlere Verhältnis von 1, 3 : 1, das in Proben auftritt, welche im wesentlichen kugelige Teilchen enthalten, tritt ein sehr erwünschtes starkes äusseres Magnetfeld bei jedem Teilchen auf.
Jedes Teilchen zeigt an seinen Enden entgegengesetzte magnetische Pole, obgleich die Teilchenlängen vorzugsweise viel grösser als die Abmessungen von Bezirksgrenzenregionen bei Eisen sind und erwartet werden könnte, dass sich Abschnitte mit unterschiedlichen magnetschen Orientierungen längs der Teilchen ergeben. Diese einfache magnetische Polarisation, welche bewirkt, dass sich jedes Teilchen so verhält, als ob es ein kleiner Stabmagnet wäre, dürfte die Ursache dafür sein, dass an den langgestreckten Teilchen starke äussere Felder entstehen,
In diesem Zusammenhang sind auch die Grenzen im Querschnittsdurchmesser der langgestreckten Eisenteilchen wichtig.
Bei Teilchen mit einem Querschnittsdurchmesser, der etwa gleich oder etwas geringer als die Abmessung der Bezirksgrenzregion bei Eisen ist (840 ), würden jede Umkehr der magnetschen Orientierungen, etwa zwischen verschiedenen Abschnitten eines beliebigen langgestreckten Teilchens, magnetische Orientierungen in den dazwischenliegenden Abschnitten der Teilchen erfordern, die sehr unstabil sind. Das natürliche Bestreben der meisten magnetischen Werkstoffe, sich im Sinne ausgeglichener magnetischer Kräfte zu orientieren, führt dann eine einzige Orientierung von magnetischen Kräften in jedem Teilchen herbei.
Dieser Effekt tritt sogar bei langgestreckten Eisenteilchen ein, deren maximaler Durchmesser gleich oder etwas grösser als die Abmessung der Bezirksgrenzregion bei Eisen ist, so dass eine wesentliche Verlängerung solcher Teilchen ebenfalls die günstigen Folgen der Anisotropie der Teilchengestalt vermittelt. Der maximale Grenzdurchmesser beträgt etwa 1000 Ä, und Teilchen, die noch dicker sind, verbleiben nicht mehr verlässlich in Form eines einzigen magnetischen Bezirkes.
Es ist nicht wesentlich, dass die langgestreckten Eisenteilchen über ihre gesamte Länge gleichmässigen Querschnittsdurchmesser haben, vorausgesetzt, dass der maximale Durchmesser nicht grösser als der schon erwähnte Wert von 1000 A ist ; die Teilchen können daher auch beispielsweise die Gestalt von Ellip- soiden haben. Bei Querabmessungen unter 100 A enthalten die durchschnittlichen Teilchen so wenig Eisenatome, dass thermisch induzierte Schwankungen der magnetischen Momente innerhalb kurzer Zeitperioden willkürliche Umkehrungen der Teilchenmagnetisierungen herbeiführen können, was statistisch nachweisbar ist.
Das führt zu schlechten magnetischen Eigenschaften, weil dann die Teilchen die aufgedrückte magnetische Ausrichtung nicht beibehalten und der Werkstoff 3ine niedrige Koerzitivkraft zeigt.
In diesem Sinne wurde als untere Grenze für die mittlere Querabmessung ein Wert von ungefähr 100 Â er- mittelt.
Von den nichtmagnetischen Fün- oder Bindemitteln, die zur Herstellung des fertigen permanenta-
<Desc/Clms Page number 7>
genetischen Werkstoffes verwendet werden können, haben sich organische thermoplastische Stoffe als besonders brauchbar erwiesen. Beispielsweise können hiefür Zellulosematerialien, wie Acet : y1zeUulase und
EMI7.1
men durch Oxyde und durch die Metallüberzüge der Teilchen eingenommen werden kann.
Die Metall- überzüge der Teilchen können, bezogen auf das Eisen der Teilchen, 2 - 10 Gew... p/o. ausmachen. Je nach den magnetischen Eigenschaften, die von dem magnetischen Werkstoff verlangt werden, kann das Füll-
EMI7.2
ehmen.einer Form gepreSt wird, während die langgestreckten Teilchen durch ein äusseres Feld ausgerichtet werden. Sodann wird das überschüssige Lösungmittel durch Erhitzung, gegebenenfalls im Vakuum, ausgetrieben, so dass der zurückbleibende magnetische Werkstoff eine starre Struktur annimmt.
Die langgestreck- ten Teilchen können anderseits auch mit einem heissen, geschmolzenen thermoplastischen Material vermischt werden, wobei dann die Mischung in noch heissem Zustand in Gegenwart eines die Eisenteilchen ausrichtenden Magnetfeldes gepresst und hernach abgekühlt wird. Als weitere Alternative kann trockenes thermoplastisches Kunststoffpulver mit den langgestreckten Teilchen gemischt und diesesGemisch sodann erwärmt und in Gegenwart eines ausrichtenden Feldes gepresst werden ; nach Kühlung wird ein verfestigter Magnetkörper erhalten.
Die Ausrichtung der langgestreckten feinen Eisenteilchen wird vorzugsweise in einem äusseren magne- tischen Gleichfeld von etwa 4000 Gauss oder mehr herbeigeführt. Schwächere Felder ergeben nicht den optimalen Grad der Teilchenausrichtung, wogegen stärkere Felder eine genauere Ausrichtung bewirken.
Felder bis zu 28000 Gauss haben sich in allen Fällen als befriedigend erwiesen.
Bei der Bindung der langgestreckten Teilchen zu einer festen Masse unter Verwendung von nichtmagnetischem Material können die Verdichtungsdrücke je nach den gewünschten Verdichtungen bzw.
Packungen innerhalb weiter Grenzen ausgewählt werden. Die Verdichtung soll keine Vereinigung der Eisenatome der verschiedenen Teilchen herbeiführen, weil dies eine Zerstörung der charakteristischen Eigenschaft zur Folge hätte, dass die Teilchen nur einem einzigen magnetischen Bezirk entsprechen. Es wurde in diesem Zusammenhang sowohl ohne Druck als auch mit Drücken bis ilber 7000 kg/cm'gearbei- tet. Ohne Druck wird gearbeitet, wenn die langgestreckten Teilchen bloss in einer Legierung gegossen und zum Erstarren gebracht werden, etwa in einer Bleilegierung mit einem niedrigen Schmelzpunkt.
Es hat sich gezeigt, dass die besonderen Vorteile von Werkstoffen, welche bestimmte Anteile von langgestreckten Eisnnteilchen enthalten, auch erzielt werden, wenn Atome von andern Metallen als Eisen zusammen mit dem Eisen In solchen Anteilen niedergeschlagen werden, dass die erhaltenen Teilchen noch die hohe Sättigungsmagnetisierung von Eisen beibehalten. Die Vermischung von Atomen der meisten andern Stoffe mit Eisenatomen in langgestreckten Teilchen ist jedoch Im allgemeinen nicht vorteilhaft, weil diese andern Stoffe eine Verminderung des Energieproduktes des solche langgestreckte Teilchen ent- haltenden Werkstoffes herbeiführen.
Eine Ausnahme ergibt sich im Falle von Kobalt ; wenn Kobaltatome
EMI7.3
werden, sind sowohl die Sättigungsinduktion als auch die Koerzitivkraft und der (BH) jax-Wert den entsprechenden Werten von gleichen langgestreckten, aus Eisen allein bestehenden Teilchen überlegen. Hiefür geeignete Herstellungsverfahren sind identisch mit den bereits zur Herstellung von Werkstoffen mit langgestrecktenEisenteilchen beschriebenen, nur dass in den Elektrolyten bei der Elektroabscheidung auch Kobaltionen eingeführt werden. Diese Kobaltionen können durch Kobaltsalze geliefert werden und es hat sich als ausreichend erwiesen, dem Eisenchlorid-Elektrolyten zur Herstellung der gewünschten Teilchen Kobaltchlorid zuzusetzen. In ähnlicher Weise können als Salze auch Kobaltm1fat und Kobaltnitrat Verwendung finden.
Das Auftreten und Verhalten von langgestreckten Teilchen, die Kobaltatome enthalten, sind ansonsten nicht wesentlich verschieden von den Erscheinungen, die sich bei langgestreckten Teilchen ergeben, die ausschliesslich Eisenatome enthalten ; die langgestreckten Teilchen aus Kobalt und Eisen
EMI7.4
wendung von Eisen-Kobalt-Teilcher haben lediglich zu im wesentlichen kugeligen Teilchen geführt, die nicht ausgerichtet werden konnten und deshalb nur schwache Magnete ergaben. Die In charakteristischer Weise langgestreckten Teilchen, von denen jedes sowohl Eisen-als auch Kobaltatome enthält, zei-
EMI7.5