CZ285111B6

CZ285111B6 - Trvalý magnet a způsob jeho výroby

Info

Publication number: CZ285111B6
Application number: CS902131A
Authority: CZ
Inventors: Oskar Dr. Pacher; Siegfried Dr. Heiss
Original assignee: Vacuumschmelze Gmbh
Priority date: 1989-04-28
Filing date: 1990-04-27
Publication date: 1999-05-12
Also published as: AT395063B; DE9004900U1; ATA102089A; FR2646497B3; CS9002131A2; FR2646497A3

Abstract

Spékaný trvale magnetický materiál SE-Fe-B a způsob jeho výroby. Pro zlepšení magnetických parametrů se navrhuje, aby v hranicích zrn popřípadě na nich a/nebo v oblasti hranic zrn magnetické fáze, s výhodou SE.sub.2.n.Fe.sub.14.n.B, kde SE je nejméně jeden prvek ze skupiny vzácných zemin, například neodym a/nebo praseodym a/nebo dysprosium a/nebo holmium, byl uložen popřípadě vpraven jako legovací přísada nejméně jeden další prvek ze skupiny těžkých vzácných zemin, například dysprosium a/nebo terbium a/nebo nejméně jedna sloučenina nejméně jednoho prvku ze skupiny vzácných zemin.ŕ

Description

Spékaný permanentní magnet a způsob jeho výroby

Oblast techniky

Vynález se týká spékaného permanentního magnetu z materiálu SE₂Fe_]4B, kde SE jsou vzácné zeminy. Vynález se také týká způsobu výroby spékaného permanentního magnetu, při kterém se složky základního materiálu připraví postupem používaným v tavných technologiích, načež se rozmělní a v magnetickém poli se lisují a potom se spékají.

Dosavadní stav techniky

Z EP-A-0 126 802 jsou známy permanentní magnety obsahující kromě jiných složek vzácné zeminy, bor a popřípadě také kobalt. Tyto prvky jsou v důsledku použitých výrobních postupů rozloženy homogenně v magnetické fázi materiálu. Při výrobě permanentního magnetu se postupuje tak, že se výchozí slitina vyrobená tavným metalurgickým postupem rozemele, načež se takto vytvořený prášek lisuje v magnetickém poli a potom následuje slinovací proces a tepelné zpracování.

Z EP-A-0 101 552 jsou známy permanentní magnety, obsahující vzácné zeminy, bor a popřípadě další přísady. U těchto magnetů musí být hlavní fází intermetalická sloučenina konstantního složení, u které se předpokládá homogenní rozložení všech prvků v materiálu. Toto provedení však má nevýhodu spočívající ve vyšších nákladech na přípravu této výchozí slitiny tavnými metalurgickými postupy, protože slitina musí mít vysokou čistotu, aby znečištění nedosahovalo kritických hodnot. Kromě toho mají tyto magnety značné rozptyly magnetických hodnot a možnosti opakovaného dosažení požadovaných hodnot není dobrá.

Z EP-A-0 244 968 je znám způsob tepelného zpracování slinutých kovových permanentních magnetů z materiálu SE₂T[₄B, kde SE jsou vzácné zeminy, T je přechodný kov, zejména železo nebo kobalt, při kterém se permanentní magnet opatřuje při tepelném zpracování pomocí iontové nanášecí techniky povlakem z povlakového materiálu, zejména z hliníku nebo nitridu titanu. Toto řešení se týká jen opatřování magnetu povrchovou ochrannou vrstvou, ale neřeší strukturu materiálu permanentních magnetů, která by zlepšovala kvalitu vlastního permanentního magnetu.

Úkolem vynálezu je odstranit nedostatky známých permanentních magnetů tohoto druhu a také známých způsobů jejich výroby a vytvořit permanentní magnet na bázi vzácných zemin, který by měl kromě jiných výhod dobrou tepelnou stabilitu. U tohoto magnetu by se mělo dosáhnout lepším výrobním postupem zmenšení rozptylu magnetických parametrů.

Podstata vynálezu

Tento úkol je vyřešen spékaným permanentním magnetem podle vynálezu, jehož podstata spočívá vtom, že materiál spékaného magnetu obsahuje zrna magnetické fáze materiálu SE₂Fe_[4B jako základní materiál, kde SE je nejméně jeden prvek ze skupiny obsahující neodym, dysprosium, praseodyn a holmium, vzájemně spojená na hranicích zrn navrstveními a mezivrstvami, jejichž celkový hmotnostní podíl je 0,2 až 2,5 % základního materiálu a které obsahují legovací přísadu vybranou ze skupiny těžkých vzácných zemin, obsahující gadolinium, holmium, dysprosium a terbium a nejméně jednu sloučeninu nejméně jednoho prvku vybraného ze skupiny těžkých vzácných zemin, přičemž tloušťky těchto navrstvení a mezivrstev jsou od 0,005 pm do 10 pm.

- 1 CZ 285111 B6

Ve výhodném provedení vynálezu mají usazené a vyloučené vrstvičky na hranicích zrn, popřípadě v oblastech hranic zrn tloušťku od 0,05 μ do 1,0 μ. Permanentní magnet je vytvořen ze základního materiálu, obsahujícího v atomových množstvích 15% (± 5%) vzácných zemin, 77 % (± 10 %) železa Fe a 8 % (± 5 %) boru B.

Podle jiného výhodného vytvoření permanentního magnetu je železo v atomovém množství do 30 % substituováno kobaltem, obsah legovací přísady činí od 0,8 do 2,0 % hmot., zejména od 1,0 do 1,5 % hmot, základního materiálu.

Výhodou permanentního magnetu podle vynálezu je specifické obohacení materiálu nacházejícího se na hranicích zrn, popřípadě v oblasti hranice zrn, a zlepšení koncentračního gradientu na hranicích zrn magnetické fáze materiálu. Tím se příznivě ovlivní závislost koercitivní síly na teplotě a tato síla má při pokojové teplotě a zejména také při vyšších teplotách příznivé hodnoty při vysoké remanenci. V důsledku těchto vlastností je použitelnost magnetického materiálu podle vynálezu rozšířena na pracovní teploty nad 180 °C, přičemž hodnota Curieovy teploty je vyšší než 500 °C.

Dosažené obohacení materiálu v oblastech hranic zrn je možno přičíst částečnému rozpouštění a opětnému vylučování, při kterém také překvapivě dochází ke zmenšování průměrné velikosti zrn magnetické fáze.

Podstata vynálezu u způsobu výroby permanentního magnetu spočívá vtom, že rozmělněný základní materiál se smíchá s práškovou legovací přísadou, tato směs se lisuje v orientovaném magnetickém poli a potom se podrobí spékacímu postupu.

Ve výhodném provedení způsobu podle vynálezu se legovací přísady rozemelou na částice s rozměry menšími než 5 pm a základní materiál, vyrobený tavným metalurgickým postupem, se rozmělní v první fázi mlecího procesu na částice s velikostí menší než 200 pm.

Práškové legovací přísady a rozmělněný základní materiál se v dalším výhodném provedení vynálezu po první fázi rozmělňování promíchávají a společně melou a promíchávají a druhá fáze mletí se ukončí po zmenšení velikostí částic základního materiálu pod 30 pm. Spékání se provádí ve vakuu při teplotách mezi 800 °C a 1300 °C, při kterých se magnetická fáze materiálu udržuje v tuhém stavu a další fáze základního materiálu se alespoň částečně nataví. Je výhodné, jestliže se spékání provádí ve vakuu při teplotě do 1000 °C.

V dalším výhodném provedení způsobu podle vynálezu se základní materiál spéká společně s legovacími přísadami až do stádia, ve kterém se zrna základního materiálu nerovnoměrně obohacují v hraničních oblastech zrn mikrodifuzí v magnetické fázi legovacími přísadami, přičemž obohacování klesá od jejich povrchu k jejich středu v koncentračním gradientu do hloubky nejvýše 5 pm. Výchozí materiál obsahující základní materiál a legovací přísady se výhodně spéká až do výskytu rozkladu a úplně difúze sloučenin, přidávaných jako nejméně jedna legovací přísada pro vytváření vrstvičky na hranicích zrn, nejvýše po dobu 20 minut. Slinutý materiál se nakonec po spékání tepelně zpracovává při teplotě od 350 °C do 1200 °C.

Způsobem podle vynálezu, který představuje nový druh legovací techniky na hranicích zrn, se dosahuje řady výhod spočívajících v tom, že na hranicích zrn se vytvoří zvláštní difuzní pásma, popřípadě v oblastech hranic zrn magnetické fáze dochází k obohacení přídavných materiálů, takže dochází k omezení pohyblivosti doménové stěny při současném zmenšení velikosti zrn. Tím se také zlepšují hodnoty koercitivní síly při současném dosažení vysoké remanence, popřípadě zvýšení energetického součinu BH_max-2CZ 285111 B6

Přehled obrázků na výkresech

Vynález bude blíže objasněn pomocí příkladů provedení zobrazených na výkresech, kde znázorňují obr. 1 blokové schéma znázorňující schematicky sled jednotlivých operací při provádění způsobu podle vynálezu a obr. 2 graf zobrazující průběh usazování a koncentrace.

Příklady provedení vynálezu

V následující části popisu bude nejprve objasněn průběh způsobu podle vynálezu, zobrazený schematicky na obr. 1. Při tomto postupu je výchozím materiálem základní slitina, vytvořená běžnými tavnými metalurgickými postupy, která se potom rozmělní na prášek s velikostí částic menší než 50 μ. Současně stím se rozemelou nebo jinak rozmělní na prášek vybrané legovací přísady, jejichž částice mají po rozmělnění rozměry menší než 5 μ. Oba prášky se potom ještě společně semelou, aby měly částice základního materiálu, připravené postupy tavné metalurgie, velikost menší než 10 μ, popřípadě 15 μ. Takto získaný prášek, ve kterém jsou jednotlivé částice prakticky zejména po případně provedené další homogenizaci homogenně rozptýleny, se potom slisuje do požadovaného tvaru v magnetickém poli a potom se spéká při teplotách od 900 °C do 1200°C.

Vychází-li se při provádění způsobu podle vynálezu ze základního materiálu, obsahujícího v atomovém množství 15 % vzácných zemin, 77 % železa a 8 % boru, přičemž jako vzácné zeminy se výhodně použije neodymu, získají se při zpracování postupy tavné metalurgie tři vyloučené fáze následujícího složení:

první fáze, jejíž objemové množství činí 90 až 95 % , obsahuje v atomových množstvích 1,8 % neodymu, 82,4 % železa a 5,8 % boru, přičemž tato první fáze je magnetickou fází;

druhá fáze, která má objemové množství 5 až 10%, obsahuje v atomovém množství 11,1 % neodymu, 44,4 % železa a 44,4 % boru, přičemž poměr vzácných zemin k železu 1:4 se může částečně měnit, například na (1 +ε):4;

třetí fáze, jejíž objemové množství může dosáhnout až 5 %, je fází se zvýšeným obsahem neodymu, přičemž poslední dvě fáze jsou výrazně paramagnetické.

Aby byly tyto tři fáze homogenně rozptýleny v magnetickém materiálu, rozmělňuje se základní materiál na prach nebo se mele. Tato homogenizace nebo rozmělňování má současně ten účel, aby se vzhledem k tomu, že při slinování se magnetická první fáze neroztaví, dosáhlo natavením nebo roztavením dalších fází metalické vazby spékaných výrobků. Tato další natavená fáze tvoří dále nosič pro přidávané legovací přísady a difunduje společně s nimi do mezních oblastí částic magnetické fáze, přičemž zrna základního materiálu se nerovnoměrně obohacují v hraničních oblastech zrn mikrodifuzí v magnetické fázi legovacími přísadami a obohacování klesá v koncentračním gradientu od jejich povrchu k jejich středu až do hloubky nejvýše 5 pm, popřípadě se na těchto částicích usazuje. Toto usazování je schematicky zobrazeno na obr. 2, na kterém je zobrazen průběh postupné změny koncentrace legovacích přísad 2 v mezní oblasti mezi dvěma částicemi nebo zrny 1 materiálu a koncentrační gradient v hraničních oblastech zrn. Z tohoto

-3 CZ 285111 B6 obr. 2 je možno seznat legovací přísady 2 nacházející se na rozhraní mezi dvěma sousedními zrny 1, které zamezují vzájemnému posouvání doménových stěn a tím se zvyšuje koercitivní síla magnetické fáze, přičemž křivka 4 v grafu ve spodní části obr. 2 znázorňuje průběh koncentrace legovacích přísad 2 v rovině 3.

V následující tabulce 1 jsou uvedeny pro výhodné slitiny hodnoty BH_max pro teploty 25 °C a 160 °C. Z této tabulky je zřejmé, že slitinové materiály nacházející se na hranicích zrn mají v celém rozsahu uvedených hodnot lepší energetický součin BH_max nehledě k tomu, že mají také lepší odolnost proti zvýšeným teplotám a také jsou vyrobitelné jednodušším výrobním postupem.

Tabulka 1

Složení

S mezikrystalickou legovací vrstvou

Bez mezikrystalické legovací vrstvy

	Přísady	BH_maxkJ/m³ 25 °C	BH_maxkJ/m³170 °C	BH_maxkJ/m³25 °C	BH_maxkJ/m³ 170 °C
77Fe-8B-15Nd				290	60
	Al	285	85
	A2	290	85
	A3	285	105
	B1	280	130
	B2	285	80
71Fe-12Co-8B-15Nd				270	150
	Al	270	160
	A2	275	160
	B1	280	150
71Fe-6Co-8B-15Nd				270	80
	Al	270	90
	A2	260	170
	B1	265	155
	A3	280	175
	A4	270	165
65Fe-12Co-8B-15Nd				260	95
	Al	270	110
	A2	260	175
	A3	280	185
	B1	255	160
	A4	270	165
57Fe-20Co-8B-15Nd				210	100
	Al	260	115
	A2	255	155
	B1	220	155
	A3	270	165
	A4	270	170

V tabulce 2 jsou uvedeny legovací přísady podle vynálezu, přidávané k základním materiálům uvedeným v tabulce 1.

-4 CZ 285111 B6

Tabulka 2

Složení legovacích přísad

Přísada (podle označení z tabulky 1)

Složení přísad v % hmotnostních (vztaženo na hmotnost práškového základního materiálu)

Al

A2

A3

A4

B1

B2 % Dy₂O₃ % Dy₂O₃ + 1 %A1₂O₃

0,5 % Dy₂O₃ + 0,5 % A1B_X

0,5 % Dy₂O₃ + 0,5 % TiN ’x

0,5 % Dy₂O ₃ + 0,5 % TaN + 0,5 Dy % CoB + 0,5 % TaN

Příklad

Slitina obsahující v hmotnostních množstvích 33 % neodymu Nd, 53 % železa Fe, 13 % kobaltu Co a 1 % boru B se předběžně rozmělní na zrna s velikostí menší než 100 μ a dále se potom mele s jemně rozemletým Dy₂O₃, majícím částice menší než 5 μ. Společným mletím dochází k dokonalému promíchání obou prášků. Homogenní směs jemného prášku se potom v magnetickém poli zmagnetizuje, jeho částice se srovnají a směsný materiál se slisuje, načež se tento polotovar spéká při teplotě mezi 1000 °C a 1100°C a potom se tepelně zpracovává při teplotě 600 °C až 900 °C.

Remanence magnetů při pokojové teplotě činí 1,2 T a redukuje se na asi 1,1 T při 160 °C. Koercitivní síla se redukuje z 1400 kA/m při pokojové teplotě na 650 kA/m při teplotě 160 °C. Maximální energetický součin kolísá mezi 280 kJ/m^{2 3} a 240 kJ/m³ v teplotním rozsahu mezi 20 °Ca 160 °C.

Nehomogenním rozložením dysprosia v tvrdém magnetickém jádru (Nd, Dy)₂Fe₁₄B, zejména v důsledku koncentračního gradientu dysprosia podél průřezu zrna se stoupajícím obsahem Dy směrem k hranicím zrn se i u permanentních magnetů typu vzácné zeminy-železo-bor s obsahem kobaltu umožní při zvýšené Curieově teplotě v důsledku zvýšené koercitivní síly použití těchto magnetů nad 160 °C.

Claims

PATENTOVÉ NÁROKY

1. Spékaný permanentní magnet z materiálu SE₂Ti₄B, kde SE jsou vzácné zeminy aT je přechodný kov, vyznačující se tím, že materiál spékaného magnetu obsahuje jako základní materiál zrna magnetické fáze materiálu SE₂Fe₁₄B, kde SE je nejméně jeden prvek ze skupiny obsahující neodym, dysprosium, praseodyn aholmium, vzájemně spojená na hranicích zrn navrstveními a mezivrstvami, jejichž celkový hmotnostní podíl je 0,2 až 2,5% základního materiálu a které obsahují legovací přísadu vybranou ze skupiny těžkých vzácných zemin, obsahující gadolinium, holmium, dysprosium aterbium a nejméně jednu sloučeninu nejméně jednoho prvku vybraného ze skupiny těžkých vzácných zemin, přičemž tloušťky těchto navrstvení a mezivrstev jsou od 0,005 pm do 10 pm.
2. Spékaný permanentní magnet podle nároku 1, vyznačující se tím, že usazené a vyloučené mezivrstvy, uložené v oblastech hranic zrn, mají tloušťku od 0,05 pm do 1,0 pm.

-5 CZ 285111 B6
3. Spékaný permanentní magnet podle nároků la2, vyznačující se tím, že základní materiál obsahuje v atomových množstvích 15% (±5%) vzácných zemin SE, 77% (±10 %) železa Fe a 8 % (±5 %) boru B.
4. Spékaný permanentní magnet podle nároků 1 až 3, vyznačující se tím, že železo je v atomovém množství do 30 % substituováno kobaltem.
5. Spékaný permanentní magnet podle nároků laž4, vyznačující se tím, že hmotnostní množství legovacích přísad je od 0,8 do 2,0 % základního materiálu.
6. Způsob výroby spékaného permanentního magnetu podle nároků 1 až 5 z materiálu obsahujícího vzácné zeminy, železo a bor, při kterém se složky základního materiálu připraví postupem používaným v tavných metalurgických technologiích, načež se rozmělní a v magnetickém poli se lisují a potom se spékají, vyznačující se tím, že rozmělněný základní materiál se smíchá s práškovou legovací přísadou, tato směs se lisuje v orientovaném magnetickém poli a potom se podrobí spékacímu postupu.
7. Způsob podle nároku 6, vyznačující se tím, že legovací přísady se rozemelou na částice s rozměry menšími než 5 pm.
8. Způsob podle nároků 6 a 7, vyznačující se tím, že základní materiál, vyrobený tavným metalurgickým postupem, se rozmělní v první fázi mlecího procesu na částice s velikostí menší než 200 pm.
9. Způsob podle nároků 6 až 8, vyznačující se tím, že práškové legovací přísady a rozmělněný základní materiál se po první fázi rozmělňování promíchávají a společně melou a promíchávají a druhá fáze mletí se ukončí po zmenšení velikostí částic základního materiálu pod 30 pm.
10. Způsob podle nároků 6 až 9, vyznačující se tím, že spékání se provádí ve vakuu při teplotách mezi 800 °C a 1300 °C, při kterých se magnetická fáze materiálu udržuje v tuhém stavu a další fáze základního materiálu se alespoň částečně nataví.
11. Způsob podle nároku 10, vyznačující se tím, že spékání se provádí ve vakuu při teplotě do 1000 °C.
12. Způsob podle nároků 6 až 11, vyznačující se tím, že základní materiál se spéká společně s legovacími přísadami až do stádia, ve kterém se zrna základního materiálu nerovnoměrně obohacují v hraničních oblastech zrn mikrodifuzí v magnetické fázi legovacími přísadami, přičemž obohacování klesá od jejich povrchu k jejich středu v koncentračním gradientu do hloubky nejvýše 5 pm.
13. Způsob podle nároků 6 až 12, vyznačující se tím, že výchozí materiál obsahující základní materiál a legovací přísady se spéká až do výskytu rozkladu a úplné difúze sloučenin, přidávaných jako nejméně jedna legovací přísada pro vytváření vrstvičky na hranicích zrn, nejvýše po dobu 20 minut.
14. Způsob podle nároků 6 až 13, vyznačující se tím, že slinutý materiál se po spékání tepelně zpracovává při teplotě od 350 °C do 1200 °C.