DE10002346A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Beschichtung eines Trägerkörpers mit einem hartmagnetischen SE-FE-B-Material mittels Plasmaspritzens - Google Patents

Abstract

Mit dem Verfahren und der entsprechenden Vorrichtung (2) ist ein Trägerkörper (3) mit einer hartmagnetischen SE-FE-B-Schicht (4) (SE = Seltene Erde, FE = ferromagnetisches Element; insbesondere NdFeB) mittels eines Plasmaspritzprozesses mit verhältnismäßig großer Dicke zu beschichten. Es sind mehrere Beschichtungsphasen mit dazwischenliegenden Beschichtungspausen vorgesehen. Dabei soll der Trägerkörper (3) zumindest gegen Ende des Beschichtungsvorganges auf ein eine Rekristallisierung des magnetischen Materials gewährleistendes Temperaturniveau gehoben werden. Von einem Plasmastrahl (16) können nacheinander und wiederholt verschiedene Bereiche des Trägerkörpers erfaßt werden. Ein Plasmaspritzgerät (5) der Vorrichtung (2) kann hierfür schwenkbar ausgebildet sein.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Beschichtung eines Trägerkörpers mit einer Schicht aus hartmagnetischem Material des Stoffsystems SE-FE-B, wobei die SE-Komponente mindestens ein Seltenes Erdmetall und die FE-Komponente zu­ mindest ein ferromagnetisches Element enthalten. Bei dem Ver­ fahren umfasst der Beschichtungsvorgang einen Plasmaspritz­ prozeß, bei dem ein aufgeschmolzenes Pulver aus einem Vorma­ terial des auszubildenden hartmagnetischen Materials auf den Trägerkörper aufgespritzt wird. Während des Beschichtungsvor­ ganges werden dabei für jeden zu beschichtenden Bereich des Trägerkörpers mehrere Beschichtungsphasen unter Aufheizung der jeweils zu beschichtenden Oberfläche der Schicht und je­ weils eine dazwischenliegende, beschichtungsfreie Phase vor­ gesehen. Die Erfindung betrifft ferner eine entsprechende Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens. Ein solches Verfahren und die dazu gehörige Vorrichtung gehen aus der DE 195 31 861 A1 hervor.

Seit einigen Jahren sind Magnetwerkstoffe auf Basis von Stoffsystemen bekannt, die ein Seltenes Erdmetall (SE) und ein ferromagnetisches Übergangsmetall (FE) enthalten und sich durch eine hohe Koerzitivfeldstärke H_c und eine hohe Energie­ dichte (B.H)_max auszeichnen. Ein Hauptvertreter aus der Gruppe der entsprechenden ternären Stoffsysteme ist das Nd-Fe-B- System mit seiner hartmagnetischen Nd₂Fe₁₄B-Phase, welche tetragonale Kristallstruktur besitzt.

Größere Körper aus diesem hartmagnetischen Material werden bislang auf pulvermetallurgischem Wege, durch eine Rascher­ starrungstechnologie oder durch Heißpressen sowie Heißumfor­ men hergestellt. Jedoch sind bei diesen Verfahren die minimal erreichbaren Abmessungen wie z. B. die Dicke eines Magnetes oder dessen Wandstärke auf einige Millimeter beschränkt. Kör­ per mit geringeren Abmessungen für Anwendungen in miniaturi­ sierten Systemen und Komponenten können dann nur durch sehr aufwendige Nachbearbeitungsprozesse ausgebildet werden.

Darüber hinaus wurde zur Herstellung dünner hartmagnetischer CoSm-Schichten die Verwendung eines Vakuumplasmaspritzprozes­ ses gemäß der Veröffentlichung "Journal of Applied Physics", Vol. 49, No. 3, März 1978, Seiten 2052 bis 2054 vorgesehen. Ein entsprechendes Verfahren zur Abscheidung von Nd-Fe-B- Schichten geht aus der Veröffentlichung "Journal of Magnetism and Magnetic Materials", Vol. 104-107, 1992, Seiten 363 bis 364 hervor. Mit diesem Beschichtungsverfahren unter Anwendung eines Plasmaspritzprozesses können sowohl komplizierte Monta­ ge- als auch aufwendige Nachbearbeitungsschritte eingespart bzw. vereinfacht werden. Des weiteren können mittels des ge­ nannten Verfahrens äußerst komplizierte Geometrien von Trä­ gerkörpern mit verhältnismäßig geringen Schichtdicken be­ schichtet werden.

Mit einem weiteren, aus der Veröffentlichung "Journal of Ma­ terials Science", Vol. 27, 1992, Seiten 3777 bis 3781 zu ent­ nehmenden Beschichtungsverfahren zur Herstellung eines 3 mm dicken Nd-Fe-B-Films mittels eines Plasmaspritz-(bzw. - spray)-Prozesses kann z. B. ein isotropes Nd-Fe-B-Magnet­ material auf einem auf 600°C aufgeheizten Trägerkörper aus Kupfer (Cu) erhalten werden, wobei nach dem Abscheideprozeß eine Wärmebehandlung während 0,5 Stunden bei 750°C vorgesehen ist. Mit dieser Wärmebehandlung lassen sich die Koerzitiv­ feldstärke, die Remanenz und das Energieprodukt erheblich steigern. In der genannten Veröffentlichung wird außerdem eine Koerzitivfeldstärke H_c für anisotropes, auf einen bei 600°C gehaltenen Trägerkörper aus Cu aufgespritztes Material von 12 kA/cm genannt.

Darüber hinaus ist der eingangs genannten DE-A-Schrift ein einen Plasmaspritzprozeß umfassender Beschichtungsvorgang zu entnehmen, bei dem auf einen Grundkörper wie beispielsweise einen Rotorkörper einer elektrischen Maschine ein aufge­ schmolzenes Pulver aus einem Vormaterial eines auszubildenden hartmagnetischen Werkstoffes aufgespritzt wird. Jeder zu be­ schichtende Bereich des Grundkörpers soll mehreren Beschich­ tungsphasen ausgesetzt werden, zwischen denen sich das je­ weils aufgebrachte Material und das darunterliegende Material abkühlen können. Die Abkühlungsrate ist dabei offensichtlich so hoch, dass nach dem Beschichtungsvorgang das Material a­ morph ist. Der Grundkörper muss deshalb auf hohe Temperaturen von beispielsweise 800 bis 900°C aufgeheizt werden, um so das Material zu rekristallisieren.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, das bekannte Ver­ fahren und die Vorrichtung zu dessen Durchführung weiter zu verbessern, so dass Schichten mit hoher Koerzitivfeldstärke und mit verhältnismäßig großer Schichtdicke zu erhalten sind. Dabei sollen aufwendige Rekristallisierungsglühungen zu ver­ meiden sein.

Diese Aufgabe wird bezüglich des Verfahrens erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass der Trägerkörper wenigstens in einer seiner zu beschichtenden Oberfläche zugewandten Zone zumin­ dest gegen Ende des Beschichtungsprozesses auf ein eine Rekristallisierung einer hartmagnetischen Phase des hartmag­ netischen Materials gewährleistendes Temperaturniveau gehoben wird. Neben der hartmagnetischen Phase können gegebenenfalls noch weitere Phasen in dem hartmagnetischen Material vorhan­ den sein.

Den erfindungsgemäßen Maßnahmen liegt die Erkenntnis zugrun­ de, dass während des Beschichtungsprozesses mit schwankendem Temperaturniveau ein sehr gleichmäßiger Schichtaufbau mit ei­ ner geringen Porosität und guter Hafteigenschaft auf dem Trä­ gerkörper zu erhalten ist, der gerade bei größeren Schichtdi­ cken vergleichsweise höhere hartmagnetische Eigenschaften zeigt, wenn der Schichtaufbau auf ein für eine Rekristalli­ sierung hinreichend hohes Temperaturniveau durch entsprechen­ des Aufheizen des Trägerkörpers während des Beschichtungsvor­ ganges gehoben wird. Dieses Temperaturniveau soll spätestens gegen oder am Ende des Beschichtungsvorganges erreicht sein, kann jedoch auch wesentlich eher erreicht werden. Gleichzei­ tig werden dabei Schichteigenspannungen verhältnismäßig ge­ ring gehalten. Hierbei wird berücksichtigt, dass sich mit ei­ nem kontinuierlichen Beschichtungsprozeß keine dickeren Schichten mit den geforderten gleichbleibend guten magneti­ schen Eigenschaften erhalten lassen, da dort Probleme bezüg­ lich lokaler Überhitzungen am Trägerkörper bestehen. Durch die zwischengeschalteten beschichtungsfreien Phasen (Be­ schichtungspausen) werden nämlich größere Überhitzungen des gerade beschichteten Bereichs des Trägerkörpers vermieden, indem über diesen eine hinreichend gute Wärmeabfuhr bzw. - verteilung zu gewährleisten ist. Lokale Überhitzungseffekte durch den Plasmaspritzstrahl fallen somit nicht mehr zu stark ins Gewicht. Andererseits wird durch das Anheben der Träger­ körpertemperatur einer Amorphisierung des Materials entgegen­ gewirkt, die unerwünschte thermische Nachbehandlungen bei ho­ hen Trägerkörpertemperaturen erfordern würde. Es lässt sich so neben einer guten magnetischen Härtung der Schichten auch der für die Verfahrensdurchführung erforderliche Energieauf­ wand entsprechend begrenzen. Außerdem wird auch eine Ausbil­ dung von Rissen in den Schichten oder ihr Abplatzen von dem Trägerkörper vermieden. Des weiteren ist die Möglichkeit ge­ schaffen, durch die besondere Prozeßführung bzw. die entspre­ chende Kontrolle der Trägerkörpertemperatur gezielt auch ani­ sotrope Schichten mit guten magnetischen Eigenschaften und größerer Dicke herzustellen.

Vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Beschich­ tungsverfahrens sowie der zugehörenden Beschichtungsvorrich­ tung gehen aus den jeweils abhängigen Ansprüchen hervor.

Insbesondere bei einer Beschichtung von größeren Gesamtflä­ chen eines Trägerkörpers werden von einem Plasmaspritzstrahl vorteilhaft nacheinander und wiederholt verschiedene Bereiche des Trägerkörpers erfaßt. Dabei wird bevorzugt der Plasma­ spritzstrahl so geführt, dass während einer sich an eine Be­ schichtungsphase anschließenden beschichtungsfreien Phase be­ züglich eines Bereichs eine Beschichtung eines anderen Be­ reichs des Trägerkörpers vorgenommen wird. Hierzu sieht man zweckmäßigerweise ein Bewegen des Plasmaspritzstrahls und/oder des Trägerkörpers vor.

Der erfindungsgemäße Beschichtungsvorgang kann auch in mehre­ re Beschichtungsabschnitte unterteilt werden, die von mindes­ tens einem Abkühlungsabschnitt unterbrochen werden. Hierbei hat sich als besonders vorteilhaft erwiesen, wenn eine Tempe­ raturführung an dem Trägerkörper derart vorgenommen wird, dass zumindest der erste Beschichtungsabschnitt von Raumtem­ peratur bis zu einer ersten Maximaltemperatur, der Abküh­ lungsabschnitt von der ersten Maximaltemperatur bis zu einer Zwischentemperatur und der zweite Beschichtungsabschnitt von dieser Zwischentemperatur bis zu einer zweiten Maximaltempe­ ratur vorgesehen werden. Die erste und die zweite Maximaltem­ peratur können dabei auf demselben Temperaturniveau liegen. Die sich unmittelbar aneinander anschließenden Abschnitte führen zu einem Temperaturausgleich über die gesamte Fläche und deshalb auch zu einem besonders gleichmäßigen Schichtauf­ bau. Ein solcher Schichtaufbaus ist insbesondere dann zu ge­ währleisten, wenn die erste Maximaltemperatur und/oder die zweite Maximaltemperatur aus einem Temperaturbereich zwischen 400°C und 900°C, insbesondere zwischen 500°C und 800°C ge­ wählt werden/wird.

Außerdem wird vorteilhaft die mindestens eine Zwischentempe­ ratur um wenigstens 20°C, vorzugsweise um mindestens 50°C tiefer liegend als die Maximaltemperatur der vorangehenden Beschichtungsphase gewählt.

Dabei nimmt vorteilhaft der erste Beschichtungsabschnitt ei­ nen Zeitraum zwischen 2 und 15 Minuten, vorzugsweise zwischen 3 und 10 Minuten ein.

Auch können vorteilhaft im Anschluß an den ersten Beschich­ tungsabschnitt mehrere Zyklen aus jeweils einem Abkühlungsab­ schnitt und einem Beschichtungsabschnitt vorgesehen werden. Auf diese Weise sind insbesondere Schichten mit verhältnismä­ ßig großer Dicke von beispielsweise über 0,5 mm, vorzugsweise über 1 mm, zu erhalten.

Weiterhin ist als besonders vorteilhaft anzusehen, wenn ein während einer Beschichtungsphase zu beschichtender Bereich des Trägerkörpers von einem relativ dazu bewegten Plas­ maspritzstrahl mehrfach in einer entsprechenden Anzahl von Überläufen überstrichen wird. Dabei wird vorzugsweise mit je­ dem Überlauf eine Teilschicht mit einer Dicke zwischen 1 und 20 µm, insbesondere zwischen 3 und 15 µm aufgebracht. In min­ destens 50 solcher Überläufe kann dann die Schicht auf dem Trägerkörper mit der gewünschten Gesamtdicke abgeschieden werden. Bei jedem Überlauf wird so nur ein Teilbereich des während eines Überlaufs erfaßten Bereichs des Trägerkörpers erfaßt. Dies führt zu einer weiteren Vergleichmäßigung der Temperatur am Trägerkörper bzw. zu einer entsprechenden Ver­ ringerung von lokalen Überhitzungen und außerdem zu einer Verbesserung der gerade im Hinblick auf verhältnismäßig dicke Schichten wichtigen guten Haftung des abgeschiedenen Mate­ rials bei gleichzeitig geringer Porosität.

Nach dem Beschichtungsvorgang kann gegebenenfalls der Träger­ körper noch einer Wärmebehandlung unterzogen werden, wobei die Wärmebehandlung insbesondere auf mindestens einem Tempe­ raturniveau vorgenommen wird, das zwischen 550° und 800°C, vorzugsweise zwischen 600° und 750°C liegt. Mit einer derar­ tigen Wärmebehandlung sind die magnetischen Eigenschaften des abgeschiedenen zumindest weitgehend kristallinen Materials der Schicht zu verbessern.

Die sich auf die Aufgabe bezüglich der Beschichtungsvorrich­ tung beziehende Lösung sieht vor, dass Mittel zur Durchfüh­ rung des Verfahrens vorgesehen sind, die ein an sich bekann­ tes Plasmaspritzgerät, in dessen Plasmaflamme das Vormaterial einzuführen ist, Mittel zur Halterung des Trägerkörpers be­ züglich eines auf ihn gerichteten, aus dem Spritzgerät aus­ tretenden Spritzstrahls sowie Mittel zur Temperatureinstel­ lung an dem Trägerkörper umfassen. Mit solchen Maßnahmen sind die Vorteile der beanspruchten Verfahrensführung zu errei­ chen.

Vorteilhaft einfach ist der Trägerkörper mittels einer ihn aufnehmenden, auf ein vorbestimmtes Temperaturniveau zu le­ genden Halterung indirekt auf dem gewünschten Temperaturni­ veau zu halten. Das Temperaturniveau des Trägerkörpers lässt sich in einfacher Weise einstellen, wenn die Halterung kühl­ bar ist. Damit ist die heiße Umgebungstemperatur des Plas­ maspritzprozesses am Trägerkörper in dem gewünschten Maße ab­ zusenken.

Darüber hinaus können besonders vorteilhaft Mittel zur rela­ tiven Bewegung des Trägerkörpers bezüglich des Plasmaspritz­ gerätes vorgesehen sein. So kann beispielsweise das Plas­ maspritzgerät schwenkbar ausgebildet sein. Auf diese Weise lassen sich auch komplizierte Geometrien von Trägerkörpern und große Flächen mühelos beschichten.

Das Verfahren und die Vorrichtung sind besonders geeignet zur Ausbildung von Schichten, welche zumindest die Komponenten Nd, Fe und B des SE-FE-B-Materials, insbesondere zumindest großenteils die hartmagnetische Nd₂Fe₁₄B-Phase, enthalten. Entsprechende Schichten werden vorteilhaft auf einem Träger­ körper aus Cu oder einem Cu-haltigen Material, insbesondere aus einer Cu-Legierung, oder aus einem legierten oder unle­ gierten Stahl abgeschieden.

Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Zeichnung anhand von Ausführungsbeispielen noch weiter erläu­ tert. Dabei zeigen jeweils schematisch

deren Fig. 1 einen Querschnitt durch die wesentlichen Teile einer geeigneten Beschichtungsvorrichtung,

deren Fig. 2 in einem Diagramm dem Temperaturverlauf wäh­ rend eines Plasmaspritzprozesses am Anfang des erfindungsgemäßen Beschichtungsverfahrens,

deren Fig. 3 in einem Diagramm die Hysteresiskurve einer erfindungsgemäß hergestellten Schicht,

deren Fig. 4 in einem Diagramm den weiteren Temperaturver­ lauf bei dem Verfahren nach der Erfindung und

deren Fig. 5 bis 7 die sukzessive Ausbreitung der kristal­ linen Zone einer Schicht während eines erfin­ dungsgemäßen Beschichtungsvorganges.

Mit der in Fig. 1 angedeuteten, allgemein mit 2 bezeichneten Vorrichtung ist ein Substrat oder Trägerkörper 3 mit einer Schicht 4 aus einem besonderen hartmagnetischen Material in einem auf einen Restdruck p evakuierbaren Volumen V einer nicht dargestellten, an sich bekannten Beschichtungskammer zu beschichten. Die Vorrichtung 2 weist ein an sich bekanntes Spritzgerät 5 zum Plasmaspritzen auf. Dieses Gerät umfaßt ein Gehäuse 6, in dem eine Kathode 7 und eine als Anode dienende Düse 8 vorhanden sind. Es sind ferner Zuführungen für einen Pulvereintritt 9, für ein Plasmagas 10 sowie Kanäle 11 für ein Kühlmittel, beispielsweise Wasser, vorhanden.

Der Trägerkörper 3 ist an einer Halterung 12 befestigt, die vorzugsweise kühlbar ist. Sie weist deshalb z. B. Kühlkanäle 13 zur Führung eines (weiteren) Kühlmittels wie z. B. Wasser auf. Vorteilhaft befindet sich die Halterung auch in einer großflächigen thermischen Verbindung mit dem Trägerkörper, so dass dessen Temperaturniveau mittels der Halterung beeinfluß­ bar ist. Der Trägerkörper besteht aus einem den Temperatur­ verhältnissen des Plasmaspritzprozesses angepaßten, metalli­ schen oder keramischen Material. Metallische Trägermateria­ lien, vorzugsweise Cu oder ein Cu-haltiges Material wie z. B. eine Cu-Legierung oder legierte oder unlegierte Stähle wie z. B. ein CrNi-Stahl sind insbesondere aus Wärmeleitungsgrün­ den besonders geeignet.

Über einen elektrischen Generator 14 wird zwischen die Katho­ de 7 und die als Anode gestaltete Düse 8 eine Hochspannung angelegt, so dass ein Lichtbogen gezündet wird. Durch die Zu­ führung des Plasmagases 10 entsteht eine Plasmaflamme 15 an der Öffnung der Düse 8, durch die ein konischer Spritzstrahl 16 des über den Pulvereintritt 9 seitlich zugeführten Pulvers gebildet wird. Es lässt sich somit auf dem Substrat 3 eine großflächige Spritzschicht 4 bilden.

Bei dem Pulver soll es sich um ein Vormaterial bzw. Ausgangs­ material des auszubildenden hartmagnetischen Materials vom Grundtyp SE-FE-B (mit SE = Seltenes Erdmaterial, FE = ferro­ magnetisches Element) handeln. Dieses Pulver kann ein Pul­ vergemisch aus den einzelnen Komponenten des auszubildenden Materials oder ein die gewünschten magnetischen Eigenschaften noch nicht besitzendes Legierungspulver sein. Da der genannte Grundtyp SE-FE-B nur die Basis für das auszubildende Material zu bilden braucht, bedeutet das, dass die genannten drei Kom­ ponenten auch teilweise, d. h. zu weniger als 50 Atom-% durch entsprechende andere Komponenten in an sich bekannter Weise ersetzt werden können. So ist es insbesondere für Nd-Fe-B als den Hauptvertreter des Stoffsystems SE-FE-B möglich, die Nd- Komponente partiell durch mindestens ein anderes Element aus der Gruppe der Seltenen Erdmetalle, deren Ordnungszahl im Pe­ riodensystem der Elemente zwischen 57 bis 66 (jeweils ein­ schließlich) liegt, zu ersetzen. Für einen Teil des ferromag­ netischen Metalls Fe als FE-Komponente kann auch Co und/oder Ni gewählt werden. Die B-Komponente lässt sich vorteilhaft zu einem geringen Anteil (zu höchstens 3 Atom-% innerhalb der Gesamtzusammensetzung der Ausgangspulvermischung) in bekann­ ter Weise auch durch andere Elemente wie z. B. durch Si erset­ zen. Diese Substituenten können jedoch auch zu einem entspre­ chenden Ersatz der Fe-Komponente dienen. Vorteilhaft hat die auszubildende Legierung der herzustellenden Schicht die fol­ gende Zusammensetzung: SE_xFE_yB_z, wobei für die einzelnen Anteile gelten soll: 6 ≦ x ≦ 11, 83 ≦ y ≦ 87 und 4 ≦ z ≦ 6 (jeweils in Atom-%; mit x + y + z ≈ 100 unter Einschluß unvermeidbarer Verunreinigun­ gen). Diese Anteilsgrenzen gelten insbesondere für den Fall FE = Fe. Bei Substitutionen des Fe partiell durch Ni oder Co können sich auch davon abweichende Grenzen ergeben.

Außerdem ist es möglich, einen Anteil von höchstens 5 Atom-% der FE-Komponente (innerhalb der Zusammensetzung der Aus­ gangspulvermischung) durch mindestens ein zusätzliches metal­ lisches Element ZM aus der Gruppe der Übergangsmetalle, durch Al, Si oder Ga oder Ge partiell zu ersetzen, so dass dann die Legierung der auszubildenden Schicht die Zusammensetzung SE_x(FE, ZM)_yB_z hat. Als ZM-Elemente kommen insbesondere auch V, Nb, Ta, Ti, Zr, Hf, Mn, Cr, Mo und W in Frage. Die Wertebe­ reiche für die Anteile x, y und z bleiben dabei gleich.

Als Ausführungsbeispiel sei nachfolgend eine Abscheidung und Ausbildung einer Schicht aus einem Material des Stoffsystems Nd-Fe-B angenommen, das die hartmagnetische Nd₂Fe₁₄B-Phase zu­ mindest großenteils (d. h. zu mehr als 50-Vol.%) enthält.

Die erfindungsgemäße Beschichtung eines Trägerkörpers 3 mit­ tels eines Plasmaspritzprozesses in einem evakuierbaren Volu­ men V bietet gegenüber anderen Beschichtungsverfahren erheb­ liche Vorteile. Zum einen ist eine sehr gute Verarbeitbarkeit von speziell hergestellten Pulvern aus dem Vormaterial des auszubildenden hartmagnetischen Materials des Stoffsystems SE-FE-B. Dies hat einen sehr gleichmäßigen Schichtaufbau mit einer geringen Porosität insbesondere aufgrund der hohen ki­ netischen Energie der einzelnen Spritzpartikel im Spritz­ strahl 16 zur Folge. Die geringe Porosität trägt auch dazu bei, dass sich gute hartmagnetische Eigenschaften innerhalb der Schicht 4 einstellen können. Zum anderen lassen sich ge­ wünschte Schichtdicken von insbesondere über 0,5 mm, vorzugs­ weise von mindestens 1 mm, beispielsweise zwischen 0,2 und 2 mm durch Variation der Spritzzeit gezielt ausbilden. Des­ weiteren werden durch den Prozeß Verunreinigungen wie bei­ spielsweise von Stickstoff und Sauerstoff auf ein Minimum re­ duziert. Auf diese Weise sind sowohl hohe Remanenzwerte als auch hohe Koerzitivfeldstärken des Schichtendproduktes zu ge­ währleisten. Durch die hohen Partikelgeschwindigkeiten, die bei einem Vakuumplasmaspritzen erzielt werden können und im allgemeinen zwischen 400 bis 600 m/s liegen, ergibt sich zu­ dem eine hohe Haftzugfestigkeit zwischen dem Werkstoff des Trägerkörpers 3 und dem Material der Schicht 4.

Desweiteren können mit dem erfindungsgemäßen Verfahren und der zugehörenden Vorrichtung unterschiedliche Trägerkörperge­ ometrien beschichtet werden. Dadurch entfallen aufwendige, kostenintensive Nachbearbeitungsschritte. Eine bevorzugte Ausführungsform der Beschichtungsvorrichtung 2 sieht hierzu vor, dass der Trägerkörper 3 relativ zu dem Plasmaspritzgerät 5 zu bewegen ist. Beispielsweise ist das Plasmaspritzgerät sowohl in horizontaler als auch in vertikaler Richtung schwenkbar ausgeführt. Somit lassen sich Trägerkörper mit komplizierten Geometrien und/oder großer Fläche mühelos mit Schichten aus dem hartmagnetischen Material versehen. Außer­ dem ist damit zu erreiche, dass ein während einer Beschich­ tungsphase zu beschichtender Bereich des Trägerkörpers von dem so relativ dazu bewegten Plasmaspritzstrahl ein oder vor­ zugsweise mehrfach (in sogenannten Überläufen) überstrichen wird. Mit jedem dieser Überläufe wird lamellenartig eine Teilschicht mit einer Dicke aufgebracht, die im allgemeinen jeweils zwischen 3 und 20 µm, vorzugsweise zwischen 5 und 15 µm liegt.

Erfindungsgemäß soll während des Plasmaspritzprozesses ein bestimmter Temperaturverlauf an dem Trägerkörper 3 eingehal­ ten werden, wobei die Prozeßführung vorteilhaft so gewählt wird, dass der Trägerkörper 3 in horizontaler Richtung bei gleichzeitiger Schwenkung des Plasmaspritzgerätes 5 geführt wird und damit eine großflächige Beschichtung ermöglicht wird. Hierbei wird der Trägerkörper durch die in der Be­ schichtungskammer herrschende Umgebungstemperatur des Plas­ maspritzprozesses und insbesondere durch den auftreffenden Plasmaspritzstrahl 16 aufgeheizt. Die konkrete Temperatur am Trägerkörper lässt sich dabei indirekt durch die Kühlung der mit dem Trägerkörper thermisch verbundenen Halterung 12 ein­ stellen. Während des Prozesses werden mehrere Beschichtungs­ phasen unter Aufheizung des Trägerkörpers 3 und jeweils eine zwischenliegende Phase ohne Beschichtung des Trägerkörpers, sogenannte Beschichtungspausen, vorgesehen. Während eines ersten Beschichtungsabschnittes mit mehreren solcher Be­ schichtungsphasen und zwischengeschalteten beschichtungsfrei­ en Phasen bzw. Beschichtungspausen erwärmt sich der Träger­ körper 3 trotz einer eventuell anfänglichen Kühlung zumindest in einer oberflächennahen Zone von Raumtemperatur bis zu ei­ ner ersten Maximaltemperatur, wobei diese Maximaltemperatur vorteilhaft zwischen 400°C und 900°C, insbesondere zwischen 500°C und 800°C liegt. Beispielsweise wird eine Maximaltempe­ ratur von etwa 760°C vorgesehen. Unter einer oberflächennahen Zone des Trägerkörpers wird dabei ein an die zu beschichtende Oberfläche (3a, vgl. Fig. 6) angrenzender Teilbereich des Trägerkörpers mit einer vorbestimmten, in den Trägerkörper hineinragenden Mindesttiefe verstanden. Diese Mindesttiefe liegt im allgemeinen im Millimeterbereich, beispielsweise bei 1 mm. Der erste Beschichtungsabschnitt dauert im allgemeinen zwischen 2 und 15 Minuten, beispielsweise zwischen 3 und 10 Minuten. Nachdem der Trägerkörper während einiger Minuten auf diese maximale Temperatur aufgeheizt wurde, wobei der Plas­ maspritzstrahl 16 den zu beschichtenden Bereich des Träger­ körpers durch entsprechendes Schwenken des Plasmaspritzgerä­ tes 5 überstreicht, kann sich ein besonderer Abkühlungsab­ schnitt ohne Beschichtung anschließen. Während dieser be­ schichtungsfreien Pause, während der der Plasmaspritzstrahl vorteilhaft einen anderen Bereich des Trägerkörpers erfassen kann, kühlt sich der Trägerkörper wegen der Kühlung seiner Halterung 12 und wegen der fehlenden Beaufschlagung mit dem Plasmaspritzstrahl 16 in Abhängigkeit von der Pausendauer auf eine um mindestens 20°C, vorzugsweise mindestens 50°C tiefer als die genannte Maximaltemperatur liegende Zwischentempera­ tur ab. Beispielsweise kann die Zwischentemperatur in einem Temperaturbereich zwischen 100°C und 500°C wie etwa bei 170°C liegen. An diesen Abkühlungsabschnitt kann sich dann ein meh­ rere Minuten langer nächste Beschichtungsabschnitt anschlie­ ßen, während dessen der Trägerkörper 3 bis zu einer zweiten Maximaltemperatur, die beispielsweise der ersten Maximaltem­ peratur entspricht, wieder aufgeheizt wird. Vorteilhaft schließt sich diesem Zyklus aus Abkühlungsabschnitt und Be­ schichtungs-/Aufheizabschnitt noch mindestens ein weiterer entsprechender Zyklus an. Am Ende des gesamten Beschichtungs­ vorganges, der innerhalb des ersten Beschichtungsabschnittes und des mindestens einen Zyklus im allgemeinen wenigstens 50 Überläufe des Plasmaspritzstrahls umfaßt, liegt dann ein la­ mellenartiger, zumindest weitgehend kristalliner Aufbau der Schicht 4 vor, deren magnetische Eigenschaften jedoch noch nicht optimal sein können.

Der so beschichtete Trägerkörper 3 kann deshalb anschließend in an sich bekannter Weise einer Wärmebehandlung beziehungs­ weise Temperung auf mindestens einem vorbestimmten Tempera­ turniveau unterzogen werden, um die gewünschten magnetischen Eigenschaften zu optimieren. Die mindestens eine Tempertempe­ ratur liegt dabei im allgemeinen zwischen 550° und 800°C, vorzugsweise zwischen 600° und 750°C. Dabei wird für die Wär­ mebehandlungsdauer normalerweise ein Zeitraum von mindestens einer halben Stunde vorgesehen.

Durch eine gezielte Einstellung der Temperatur am Trägerkör­ per 3 lässt sich erreichen, dass sich während der Kristalli­ sation des Materials senkrecht zur Schichtebene eine magneti­ sche Vorzugsrichtung wegen der kristallinen c-Achsenorien­ tierung ausbildet. Darüber hinaus kann der Trägerkörper gege­ benenfalls nach dem Beschichtungsvorgang noch einer Magneti­ sierungsbehandlung unterzogen werden, um so in das hartmagne­ tische Material eine Vorzugsrichtung der Magnetisierung ein­ zuprägen.

Aus der nachfolgenden Tabelle ist der Einfluß von nachträgli­ chen Wärmebehandlungen mehrerer Proben bei verschiedenen Tem­ peraturen auf die Koerzitivfeldstärke H_c zu entnehmen. Die Proben besaßen dabei jeweils erfindungsgemäß abgeschiedene Schichten aus Nd-Fe-B mit einer der hartmagnetischen Phase entsprechenden Stöchiometrie. Die Trägerkörper bestanden aus Cu oder aus einem Chrom-Nickel(CrNi)-Stahl. Außerdem wurde die Dicke der abgeschiedenen Schichten variiert. Die vorge­ nommenen Wärmebehandlungen erfolgten dabei jeweils eine Stun­ de im Hochvakuum. Die Zwischentemperatur am Ende des einzigen Abkühlungsabschnittes zwischen zwei Aufheizabschnitten lag bei etwa 170°C.

Folgende Bezeichnungen wurden für die Tabelle gewählt:
T_m = Maximaltemperatur(en) während des Plasmaspritzprozes­ ses,
H_c = Koezitivfeldstärke,
T_t = Tempertemperatur der nachträglichen Wärmebehandlung,
a. q. = Plasmaspritzprozeß ohne nachträgliche Wärmebehandlung,
D = Dicke der abgeschiedenen Schicht.

Wie aus der vorstehenden Tabelle zu entnehmen ist, sind Schichtdicken D von mindestens 0,5 mm besonders vorteilhaft. Außerdem ist festzustellen, dass die zweite Cu-Probe, für de­ ren Maximaltemperaturen 760°C gewählt wurde, die höchsten Koerzitivfeldstärkewerte H_c aufweist, wenn sie bei etwa 700°C getempert wird.

Aus dem Diagramm der Fig. 2 geht der konkrete Aufheiz- und Abkühlzyklus dieser zweiten Cu-Probe während des Beschich­ tungsprozesses hervor. Dabei sind in Abszissenrichtung die Zeit t (in min) und in Ordinatenrichtung die Temperatur T am Trägerkörper (in °C) aufgetragen. Wie dem Diagramm zu entneh­ men ist, schloß sich einem ersten Beschichtungsabschnitt I unmittelbar ein Abkühlungsabschnitt II auf eine Zwischentem­ peratur von 170° an. Diesem Abkühlungsabschnitt folgte unmit­ telbar ein neuer Beschichtungsabschnitt III. Der Beschich­ tungsprozeß war nach 9 Minuten bei einer Schichtdicke von 0,5 mm beendet. Während des ersten Beschichtungsabschnittes I war der Plasmaspritzstrahl 36 mal über den zu beschichtenden Be­ reich des Trägerkörpers hinweggestrichen (= 36 Überläufe), während des zweiten Beschichtungsabschnittes II 50 mal. Die verstärkten Punkte auf der dargestellten Kurve geben Tempera­ turmeßpunkte wieder.

Fig. 3 zeigt in einem Diagramm die Hysteresiskurve des ent­ sprechend hergestellten Materials (der Probe Nr. 9) nach der optimierten Wärmebehandlung im Anschluß an den Plas­ maspritzprozeß. In dem Diagramm sind in Abszissenrichtung die Magnetfeldstärke H (in kOe) und in Abszissenrichtung die mag­ netische Polarisation J (in T) aufgetragen. Aus dem Diagramm ist ein Wert der Koerzitivfeldstärke H_c von 15,8 kA/cm (= 19,9 kOe) ablesbar.

Gemäß den den Fig. 2 und 3 zugrundegelegten Ausführungs­ beispielen wurde davon ausgegangen, dass die einzelnen Be­ schichtungs- und Abkühlungsabschnitte etwa gleichlange Zeit­ intervalle in der Größenordnung zwischen 1,5 und 5 Minuten einnehmen. Das erfindungsgemäße Verfahren ist jedoch nicht auf eine derartige Verfahrensführung beschränkt. Man kann z. B. auch einen sehr allmählichen Temperaturanstieg während des ersten Beschichtungsabschnittes über einen vergleichswei­ se längeren Zeitraum von beispielsweise zwischen 5 und 12 Mi­ nuten vorsehen, dem sich dann im allgemeinen mehrere Zyklen aus Abkühl- und Beschichtungsabschnitten von wesentlich kür­ zerer Dauer anschließen. Die einzelnen Phasen eines solchen Zyklus können dabei zwischen 0,3 Minuten und 3 Minuten dau­ ern. Ein entsprechendes Ausführungsbeispiel des erfindungsge­ mäßen Verfahrens geht aus dem als Fig. 4 wiedergegebenen Diagramm in einer Fig. 2 entsprechenden Darstellung hervor. Das Diagramm zeigt den Verlauf der Trägerkörpertemperatur T in Abhängigkeit von der Zeit t nach einer Optimierung der Trägerkörperführung. Auch hier schloß sich nach dem erstmali­ gen Erreichen der ersten Maximaltemperatur von etwa 500°C nach etwa 10 Minuten wiederum eine mehrfach wiederholte Folge (Zyklus) eines Abkühlungsabschnittes und eines Beschichtungs­ abschnittes an, wobei die Temperaturabsenkung während des Ab­ kühlungsabschnittes bei etwa 20°C lag. Jeder der hier 5 Zyk­ len dauerte insgesamt etwa 1 Minute. Die etwa 1 mm dicke Schicht auf einem CrNi-Stahl-Trägerkörper zeigte nach einer Temperung im Hochvakuum bei 720°C während 1 Stunde eine maxi­ male Koerzitivfeldstärke H_c von 13,5 kA/cm.

Wie vorstehend dargelegt, erfolgt bei dem erfindungsgemäßen Verfahren die Abscheidung des hartmagnetischen Materials aus dem Stoffsystem SE-FE-B mittels eines besonderen Plasma­ spritzprozesses in mehreren Beschichtungsphasen. Ein entspre­ chender Aufbau einer Schicht aus diesem Material auf einem insbesondere gekühlten Trägerkörper 3 ist in den Schnittan­ sichten der Fig. 5 bis 7 angedeutet. Eine gewünschte Dicke d der Schicht 4 von über 0,5 mm, vorzugsweise von mindestens 1 mm, beispielsweise von mehreren Millimetern (vgl. Fig. 7) wird durch eine hohe Anzahl von nachfolgend als Überläufe oder Scans des Plasmastrahls bezeichneten Beschichtungsphasen erreicht. Dabei wird zweckmäßig pro Überlauf in Abhängigkeit von den gewählten Prozessparametern wie z. B. der Förderge­ schwindigkeit des Pulvers ein Schichtzuwachs Δd (vgl. Fig. 5) im Mikrometer-Bereich, insbesondere zwischen 1 und 20 µm, vorzugsweise zwischen 3 und 15 µm, beispielsweise von etwa 5 µm eingestellt. Durch die hohe Abkühlungsgeschwindigkeit beim Auftreffen der geschmolzenen Partikel scheiden sich zu­ nächst Unterschichten bzw. Teilschichten während der Aufheiz­ phase (vgl. Fig. 4) überwiegend amorph ab. In Fig. 5 sind drei solcher amorpher, jeweils mit einem Überlauf erzeugter Teilschichten mit l_a bezeichnet. Durch die anhand von Fig. 4 verdeutlichte weitere Temperaturführung des Trägerkörpers 3 zumindest in seiner oberflächennahen Zone bis zu einer kon­ stanten Temperatur von beispielsweise etwa 500°C bei oder we­ nig oberhalb (maximal 100°C) der Rekristallisationstemperatur der hartmagnetischen Phase des Stoffsystems, die zwischen et­ wa 500 und 550°C liegt, wird dann die gesamte Schicht sukzes­ sive auskristallisiert. Dieser Auskristallisationsvorgang ist anhand der Fig. 5 bis 7 ersichtlich. Die zunächst amorphen Teilschichten l_a (vgl. Fig. 5) werden von der Oberfläche 3a des Substrats bzw. Trägerkörpers 3 aus wegen der mit fort­ schreitendem Beschichtungsvorgang einhergehenden Erwärmung des Trägerkörpers auskristallisiert. Diese auskristallisier­ ten Teilschichten sind mit l_k bezeichnet und bilden eine der Oberfläche 3a zugewandte Schichtzone z (vgl. Fig. 6). Diese auskristallisierte Zone z wächst also mit fortschreitendem Beschichtungsvorgang von der Oberfläche 3a ausgehend an und erstreckt sich am Ende des Beschichtungsvorganges praktisch durch die gesamte Schicht 4 der Dicke d (vgl. Fig. 7). Durch diese in die Prozessführung integrierte Wärmebehandlung kann vorteilhaft die sonst erforderliche nachträgliche Wärmebe­ handlung zur Rekristallisierung zumindest großenteils entfal­ len.

Claims (27)

1. Verfahren zur Beschichtung eines Trägerkörpers mit einer Schicht aus hartmagnetischem Material des Stoffsystems SE-FE- B, wobei die SE-Komponente zumindest ein Seltenes Erdmetall und die FE-Komponente zumindest ein ferromagnetisches Element enthalten, bei welchem Verfahren der Beschichtungsvorgang einen Plasmaspritzprozeß umfasst, bei dem ein aufgeschmolze­ nes Pulver aus einem Vormaterial des auszubildenden hartmag­ netischen Materials auf den Trägerkörper aufgespritzt wird, wobei während des Beschichtungsvorganges für jeden zu be­ schichtenden Bereich des Trägerkörpers (3) mehrere Beschich­ tungsphasen unter Aufheizung der jeweils zu beschichtenden Oberfläche und jeweils eine dazwischenliegende beschichtungs­ freie Phase vorgesehen werden, dadurch gekenn­ zeichnet, dass der Trägerkörper (3) wenigstens in einer seiner zu beschichtenden Oberfläche (3a) zugewandten Zone zumindest gegen Ende des Beschichtungsvorganges auf ein eine Rekristallisierung einer hartmagnetischen Phase des hartmagnetischen Materials gewährleistendes Temperaturniveau gehoben wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, dass der Trägerkörper (3) zumindest in seiner oberflächennahen Zone auf ein Temperaturniveau angeho­ ben wird, das höchstens 100°C über der Rekristallisa­ tionstemperatur der hartmagnetischen Phase liegt.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch ge­ kennzeichnet, dass von einem Plasmaspritzstrahl (16) nacheinander und wiederholt verschiedene Bereiche des Trägerkörpers (3) erfaßt werden.

4. Verfahren nach Anspruch 3, gekennzeichnet durch ein Bewegen des Plasmaspritzstrahls (16) und/oder des Trägerkörpers (3).

5. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, dass ein zu be­ schichtender Bereich des Trägerkörpers (3) von einem relativ dazu bewegten Plasmaspritzstrahl (16) mehrfach in einer ent­ sprechenden Anzahl von Überläufen als den Beschichtungsphasen überstrichen wird.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekenn­ zeichnet, dass mit jedem Überlauf eine Teilschicht mit einer Dicke (Δd) zwischen 1 und 20 µm, vorzugsweise zwi­ schen 3 und 15 µm aufgebracht wird.

7. Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, dadurch ge­ kennzeichnet, dass die Schicht (4) auf den Trä­ gerkörper (3) mit einer Gesamtdicke (d) in mindestens 50 Überläufen lamellenartig aufgebracht wird.

8. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, dass der Be­ schichtungsvorgang in mehrere Beschichtungsabschnitte (I; III) unterteilt wird, die von mindestens einem Abkühlungsab­ schnitt (II) unterbrochen werden.

9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekenn­ zeichnet, dass zumindest der erste Beschichtungsab­ schnitt (I) von Raumtemperatur bis zu einer ersten Maximal­ temperatur, der Abkühlungsabschnitt (II) von der ersten Maxi­ maltemperatur bis zu einer Zwischentemperatur und der zweite Beschichtungsabschnitt (III) von der Zwischentemperatur bis zu einer zweiten Maximaltemperatur vorgesehen werden.

10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch ge­ kennzeichnet, dass die erste Maximaltemperatur und/oder die zweite Maximaltemperatur in einem Temperaturbe­ reich zwischen 400°C und 900°C, insbesondere zwischen 500°C und 800°C liegen/liegt.

11. Verfahren nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Zwi­ schentemperatur um wenigstens 20°C, vorzugsweise um wenigs­ tens 50°C tiefer liegend gewählt wird als die Maximaltempera­ tur der vorangehenden Beschichtungsphase.

12. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 11, da­ durch gekennzeichnet, dass der erste Beschichtungsabschnitt (I) einen Zeitraum zwischen 2 und 15 Minuten, vorzugsweise zwischen 3 und 10 Minuten einnimmt.

13. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 12, da­ durch gekennzeichnet, dass im Anschluß an den ersten Beschichtungsabschnitt (I) mehrere Zyklen aus jeweils einem Abkühlungsabschnitt (II) und einem Beschich­ tungsabschnitt (III) vorgesehen werden.

14. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch ge­ kennzeichnet, dass der erste Beschichtungsab­ schnitt (I) eine Zeitdauer zwischen 5 und 12 Minuten einnimmt und der Abkühlungsabschnitt (II) und Beschichtungsabschnitt (III) jedes Zyklus jeweils eine Zeitdauer zwischen 0,3 und 3 Minuten einnehmen.

15. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, dass der Träger­ körper (3) nach dem Beschichtungsvorgang einer Wärmebehand­ lung unterzogen wird.

16. Verfahren nach Anspruch 15, dadurch ge­ kennzeichnet, dass die Wärmebehandlung auf min­ destens einem Temperaturniveau vorgenommen wird, das zwischen 550° und 800°C, vorzugsweise zwischen 600° und 750°C liegt.

17. Verfahren nach Anspruch 15 oder 16, dadurch gekennzeichnet, dass eine Wärmebehandlung von mindestens einer halben Stunde Dauer vorgesehen wird.

18. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, dass der Träger­ körper (3) nach dem Beschichtungsvorgang einer Magnetisie­ rungsbehandlung unterzogen wird.

19. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, dass ein Träger­ körper (3) aus Cu oder einem Cu-haltigen Material, insbeson­ dere einer Cu-Legierung, oder aus einem legierten oder unle­ gierten Stahl vorgesehen wird.

20. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, dass eine Schicht (4) ausgebildet wird, die zumindest die Komponenten Nd, Fe und B des SE-FE-B-Materials enthält.

21. Verfahren nach Anspruch 20, dadurch ge­ kennzeichnet, dass eine Schicht (4) ausgebildet wird, die zumindest großenteils die hartmagnetische Nd₂Fe₁₄B- Phase enthält.

22. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, dass eine Schicht (4) mit einer Dicke von über 0,5 mm, vorzugsweise von mindes­ tens 1 mm abgeschieden wird.

23. Vorrichtung mit Mitteln zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorangehenden Ansprüche, welche Mittel ein Plasmaspritzgerät (5), in dessen Plasmaflamme (15) das Vorma­ terial einzuführen ist, Mittel zur Halterung (12) des Träger­ körpers (3) bezüglich eines auf ihn gerichteten, aus dem Spritzgerät (5) austretenden Spritzstrahls (16) sowie Mittel zur Temperatureinstellung an dem Trägerkörper (3) umfassen.

24. Vorrichtung nach Anspruch 23, dadurch ge­ kennzeichnet, dass der Trägerkörper (3) mittels einer ihn aufnehmenden, auf einem vorbestimmten Temperaturni­ veau zu haltenden Halterung (12) indirekt auf das jeweilige Temperaturniveau zu legen ist.

25. Vorrichtung nach Anspruch 24, dadurch ge­ kennzeichnet, dass die Halterung (12) kühlbar ist.

26. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 23 bis 25, ge­ kennzeichnet durch Mittel zur relativen Bewegung des Trägerkörpers (3) bezüglich des Plasmaspritzgerätes (5).

27. Vorrichtung nach Anspruch 26, dadurch ge­ kennzeichnet, dass das Plasmaspritzgerät (5) zu schwenken ist.