DE10025458B4

DE10025458B4 - Magnet und Verfahren zu dessen Herstellung

Info

Publication number: DE10025458B4
Application number: DE10025458A
Authority: DE
Inventors: Peter Dr. Schrey; Wilhelm Dr. Fernengel; Lothar Dr. Zapf
Original assignee: Vacuumschmelze GmbH and Co KG
Current assignee: Vacuumschmelze GmbH and Co KG
Priority date: 2000-05-23
Filing date: 2000-05-23
Publication date: 2005-05-12
Anticipated expiration: 2020-05-24
Also published as: JP2002025812A; DE10025458A1; US20020004141A1

Abstract

Magnet,
– der hartmagnetische Körner (K) aufweist, wobei
– die hartmagnetischen Körner (K) in einer Oberflächenschicht des Magneten durch eine erste Phase (P1) voneinander getrennt sind,
– die hartmagnetischen Körner (K) im übrigen Teil des Magneten durch eine unmagnetische zweite Phase (P2) voneinander getrennt sind, wobei die erste Phase (P1) korrosionsbeständiger ist als die zweite Phase (P2),
– die erste Phase (P1) zusätzlich zu Elementen, aus denen die zweite Phase (P2) besteht, mindestens ein weiteres Element aufweist.

Description

Die Erfindung betrifft einen Magneten, der zum größten Teil aus einem Material besteht, das leicht korrodiert. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Magneten.

Ein solcher Magnet ist beispielsweise in DE 3 902 480 A1 beschrieben. Es handelt sich um einen Neodym-Bor-Eisen-Magneten, der zum Schutz gegen Korrosion mit einem Zinkphosphat-Überzug versehen wird. Der Neodym-Bor-Eisen-Magnet weist hartmagnetische Körner auf, die aus Neodym, Bor und Eisen zusammengesetzt sind. Die hartmagnetischen Körner werden zur magnetischen Isolation durch eine unmagnetische Phase voneinander getrennt. Diese Phase besteht zum großen Teil aus Neodym und korrodiert sehr leicht. Aufgrund des Überzugs ist der Magnet jedoch trotz der leicht korrodierenden unmagnetischen Phase korrosionsbeständig. Der Wirksamkeit der Beschichtung hängt entscheidend von der Geschlossenheit und der Haftung der Schicht bei ihrer Erzeugung und nach einer möglichen späteren mechanischen Beanspruchung ab.

Typische Zweiphasenmagnete sind beispielsweise in der US 5 447 578 und der DE 196 36 284 C2 beschrieben. Des Weiteren ist aus der DE 196 36 284 C2 eine SE-reiche Binderlegierung bekannt. Schließlich offenbart die US 5 876 518 randnahe RE-reiche Lagen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Magneten anzugeben, der nach mechanischer Beanspruchung im Vergleich zum Stand der Technik korrosionsbeständiger ist. Ferner soll ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Magneten angegeben werden.

Die Aufgabe wird gelöst durch einen Magneten, der hartmagnetische Körner aufweist. Die hartmagnetischen Körner, die sich in einer Oberflächenschicht des Magneten befinden, werden durch eine erste Phase voneinander getrennt. Die hartmagnetischen Körner, die sich im übrigen Teil des Magneten befinden, werden durch eine unmagnetische zweite Phase voneinander getrennt. Die erste Phase ist korrosionsbeständiger als die zweite Phase. Die erste Phase weist zusätzlich zu Elementen, aus denen die zweite Phase besteht, mindestens ein weiteres Element auf. Das weitere Element erhöht die Korrosionsbeständigkeit der ersten Phase gegenüber der zweiten Phase.

Da die erste Phase in der Oberflächenschicht des Magneten angeordnet ist und korrosionsbeständiger als die zweite Phase ist, dient die erste Phase dem Schutz vor Korrosion. Zum einen schützt die erste Phase die hartmagnetischen Körner und zum anderen schützt die erste Phase die zweite Phase, die im Innern des Magneten angeordnet ist. Die Oberflächenschicht bildet also eine Korrosionsschutzschicht.

Da die Oberflächenschicht Teil des Magneten ist, ist die Oberflächenschicht, die als Korrosionsschutz wirkt, fest mit dem übrigen Magneten verbunden und löst sich auch bei mechanischer Beanspruchung nicht ab.

Ein solcher Magnet kann beispielsweise mit dem folgenden Verfahren erzeugt werden, das ebenfalls die Aufgabe löst: Der Magnet wird zunächst so erzeugt, daß alle seine hartmagnetischen Körner durch die zweite Phase voneinander getrennt sind. Anschließend wird auf einer Oberfläche des Magneten ein Material aufgebracht, das mindestens aus dem weiteren Element besteht. Nach dem Aufbringen des Materials wird eine Wärmebehandlung bei einer Temperatur durchgeführt, bei der die zweite Phase schmilzt und sich mindestens mit einem Teil des Materials so vermischt, daß in der Oberflächenschicht des Magneten die zweite Phase durch die erste Phase ersetzt wird. Aufgrund der Vermischung weist die erste Phase sowohl die Elemente der zweiten Phase auf als auch das weitere Element, das vom aufgebrachten Material stammt.

Die erste Phase kann zusätzliche Elemente aufweisen, wenn Teile der hartmagnetischen Körner durch die Wärmebehandlung aufgelöst werden und sich mit der flüssigen zweiten Phase vermischen.

Das Material kann so dünn aufgebracht werden, daß nach der Wärmebehandlung das Material vollständig in der ersten Phase eingebaut ist.

Das Material kann so dünn aufgebracht werden, daß es keine durchgehende Schicht bildet und die Oberfläche des Magneten nicht vollständig bedeckt.

Vorzugsweise wird das Material als Schicht abgeschieden, die so dick ist, daß nach der Wärmebehandlung ein Teil der Schicht übrigbleibt. In diesem Fall ist der Magnet nach der Wärmebehandlung mit der Schicht überzogen, die an die Oberflächenschicht angrenzt. Die Schicht bietet einen zusätzlichen Schutz gegen Korrosion. Insbesondere ein Oxidieren der hartmagnetischen Körner kann durch die Schicht verhindert werden Die Schicht aus dem Material kann beispielsweise zwischen 1 μm und 20 μm dick sein.

Die Schicht kann durch physikalische Methoden, wie z.B. durch PVD (Physical Vapor Deposition) oder Sputtern aufgebracht werden. Alternativ kann die Schicht mechanisch durch z.B. Reiben, Strahlen oder Trommeln oder galvanisch aufgebracht werden.

Vorzugsweise wird die Wärmebehandlung bei einer Temperatur durchgeführt, die unterhalb der Schmelztemperatur des Materials liegt, da bei der Reaktion des flüssigen Materials mit den hartmagnetischen Körnern unerwünschte Reaktionen mit Bildung schädlicher weichmagnetischer Phasen auftreten können.

Das erfindungsgemäße Verfahren ist besonders vorteilhaft, wenn der Magnet durch mechanisches Bearbeiten geformt wird und anschließend das Material aufgebracht wird und die Wärmebehandlung durchgeführt wird. Durch das mechanische Bearbeiten entstehen in der Regel Risse und Poren, die zu mechanischer Instabilität führen. Wird die Wärmbehandlung jedoch nach dem mechanischen Bearbeiten durchgeführt, so werden die Risse und Poren durch die erste Phase, die sich aus der flüssigen zweiten Phase und Zusätzen bildet, gefüllt, so daß der Magnet verdichtet und mechanisch stabilisiert wird.

Die hartmagnetischen Körner können zum Beispiel mindestens aus SE, Eisen und Bor bestehen, wobei SE für eine oder mehrere seltenen Erden steht. Es hat sich gezeigt, daß die erste Phase besonders korrosionsbeständig ist, wenn sie eine Zusammensetzung aufweist, die im wesentlichen aus der Formel SE₆T_14-xM_x besteht, wobei T für ein oder mehrere Übergangsmetalle aber zumindest für Eisen steht, M das weitere Element ist und x ≥ 1 ist. Das weitere Element wird so gewählt, daß die erste Phase eine Zusammensetzung gemäß der obengenannten Formel aufweist. Als weiteres Element eignen sich zum Beispiel Al, Si, Cu, Ga, Sn, Bi.

Das Eisen in der ersten Phase stammt hauptsächlich aus den hartmagnetischen Körnern. Dazu wird die Wärmebehandlung bei einer Temperatur durchgeführt, bei der Teile der hartmagnetischen Körner derart herausgelöst werden, daß die erste Phase Eisen enthält, das von den hartmagnetischen Körnern stammt.

Die Wärmebehandlung wird beispielsweise zwischen 450°C und 650°C durchgeführt.

Die erste Phase besteht beispielsweise zwischen 25 at% und 35 at% aus SE und zwischen 5 at% und 20 at% aus M. Es hat sich gezeigt, daß bei einer solchen Zusammensetzung die Korrosionsbeständigkeit der ersten Phase besonders hoch ist.

Die Oberflächenschicht ist beispielsweise zwischen 10 μm und 100 μm dick.

Die hartmagnetischen Körner weisen vorzugsweise einen Durchmesser auf, der zwischen 5 und 50 μm beträgt. Die hartmagnetischen Körner nehmen vorzugsweise mehr als 90% des Volumens des Magneten ein.

Im folgenden wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Figur näher erläutert.
Ein Magnet aus Nd-Fe-B wird auf dem üblichen pulvermetallurgischen Weg durch Mahlung einer erschmolzenen Legierung bis zu einer Teilchengröße von ca. 3 μm, Pressen in einem orientierenden Magnetfeld und anschließendes Sintern im Temperaturbereich von 900°C bis 1100°C für 1 bis 4h hergestellt. Nach einer Oberflächenbehandlung durch Schleifen, Trommeln und Beizen wird eine Schicht S aus Aluminium von ca. 20 μm durch ein PVD-Verfahren auf die Oberfläche des Magneten aufgebracht.
Eine anschließende Wärmebehandlung im Temperaturbereich zwischen 480°C und 530°C für 3h führt zu einer Reaktion einer zwischen hartmagnetischen Körnern K angeordneten Nd-reichen zweiten Phase P2 mit Aluminium aus der Schicht S und zur Bildung einer ersten Phase P1 mit der Zusammensetzung Nd₆Fe_14-xAl_x (mit x zwischen 1 und 7). Der Fe-Anteil in der ersten Phase P1 stammt dabei von den teilweise angelösten hartmagnetischen Körnern K. Diese Nd-ärmere erste Phase P1 ersetzt die Nd-reiche zweite Phase P2 in einem Saum, der einige Kornlagen an der Oberfläche des Magneten umfaßte. Dabei werden auch existierende Risse von der mechanischen Bearbeitung und klaffende Korngrenzen von der Beizbehandlung durch die bei der Wärmebehandlung entstandene erste Phase P1 geschlossen.
Da die erste Phase P1 im gesamten Oberflächensaum entsteht und die korrosionsanfällige Nd-reiche zweite Phase P2 ersetzt, wird die Korrosionsbeständigkeit des so behandelten Magneten in einem HAST-Test (Highly Accelerated Stress Test, Wasserdampf von 130°C/2,7 bar) um mehr als einen Faktor 10 gegenüber einem Magneten ohne die Behandlung verbessert.

Claims

Magnet, – der hartmagnetische Körner (K) aufweist, wobei – die hartmagnetischen Körner (K) in einer Oberflächenschicht des Magneten durch eine erste Phase (P1) voneinander getrennt sind, – die hartmagnetischen Körner (K) im übrigen Teil des Magneten durch eine unmagnetische zweite Phase (P2) voneinander getrennt sind, wobei die erste Phase (P1) korrosionsbeständiger ist als die zweite Phase (P2), – die erste Phase (P1) zusätzlich zu Elementen, aus denen die zweite Phase (P2) besteht, mindestens ein weiteres Element aufweist.
Magnet nach Anspruch 1, – bei dem die erste Phase (P1) eine Zusammensetzung aufweist, die im wesentlichen aus der Formel SE₆T_14-xM_x besteht, wobei SE für eine oder mehrere seltenen Erden steht, T für ein oder mehrere Übergangsmetalle aber zumindest für Eisen steht, M das weitere Element ist und x ≥ 1 ist, – bei dem die hartmagnetischen Körner (K) mindestens aus SE, Eisen und Bor bestehen.
Magnet nach Anspruch 2, – bei dem SE für Nd, Pr und/oder Dy steht, – bei dem M für Al, Si, Cu, Ga, Sn, und/oder Bi steht.
Magnet nach Anspruch 2 oder 3, – bei dem die zweite Phase (P2) zu mehr als 70at% aus SE besteht, – bei dem die erste Phase (P1) zwischen 25at% und 35at% aus SE und zwischen 5at% und 20at% aus M besteht.
Magnet nach einem der Ansprüche 1 bis 4, – bei dem die Oberflächenschicht zwischen 10 μm und 100 μm dick ist.
Magnet nach einem der Ansprüche 1 bis 5, – bei dem der Magnet mit einer Schicht (S) überzogen ist, die an die Oberflächenschicht angrenzt und mindestens aus dem mindestens einen weiteren Element besteht.
Verfahren zur Erzeugung eines Magneten nach den Ansprüchen 1 bis 6, – bei dem der Magnet zunächst so erzeugt wird, daß er hartmagnetische Körner (K) aufweist, die durch eine zweite unmagnetische Phase (P2), die aus bestimmten Elementen besteht, voneinander getrennt sind, – bei dem anschließend ein Material aufgebracht wird, das mindestens aus einem weiteren Element besteht, das von den Elementen, aus denen die zweite Phase (P2) besteht, verschieden ist, – bei dem nach dem Aufbringen des Materials eine Wärmebehandlung bei einer Temperatur durchgeführt wird, bei der die zweite Phase (P2) schmilzt und sich mit mindestens einem Teil des Materials so vermischt, daß in einer Oberflächenschicht des Magneten die zweite Phase (P2) durch eine erste Phase (P1) ersetzt wird, die zusätzlich zu den Elementen, aus denen die zweite Phase besteht, mindestens das weitere Element aufweist und korrosionsbeständiger ist als die zweite Phase (P2).
Verfahren nach Anspruch 7, – bei dem der Magnet durch mechanisches Bearbeiten geformt wird und anschließend das Material aufgebracht wird.
Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, – bei dem das Material in einer solchen Dicke aufgebracht wird, daß es eine Schicht (S) bildet.
Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 9, – bei dem die hartmagnetischen Körner (K) zumindest aus Eisen, Bor und einer seltenen Erde erzeugt werden, – bei dem die zweite Phase (P2) so erzeugt wird, daß sie zu über 70at% aus der seltenen Erde besteht, – bei dem das weitere Element Al, Si, Cu, Ga, Sn und/oder Bi ist, – bei dem die Wärmebehandlung bei einer Temperatur durchgeführt wird, bei der Teile der hartmagnetischen Körner (K) derart herausgelöst werden, daß die erste Phase (P1) Eisen enthält, das von den hartmagnetischen Körnern (K) stammt.
Verfahren nach Anspruch 10, – bei dem die Wärmebehandlung zwischen 450°C und 600°C durchgeführt wird.