DE102012000421A1

DE102012000421A1 - Verfahren zum Herstellen von gesinterten Nd-Fe-B-Magneten mit Dy oder Tb

Info

Publication number: DE102012000421A1
Application number: DE102012000421A
Authority: DE
Inventors: Yucong Wang
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2011-01-14
Filing date: 2012-01-12
Publication date: 2012-07-19
Anticipated expiration: 2032-01-13
Also published as: US20120182102A1; DE102012000421B4; CN102592818A; JP5600090B2; US8480815B2; JP2012151442A

Abstract

Es wird ein Verfahren zum Herstellen eines Permanentmagneten beschrieben. Bei einer Ausführungsform umfasst das Verfahren, dass ein erstes Legierungspulver mit einer gewünschten Zusammensetzung bereitgestellt wird, wobei das erste Legierungspulver Neodym, Eisen und Bor enthält; dass das erste Legierungspulver mit Dysprosium, einer Dysprosiumlegierung, Terbium oder einer Terbiumlegierung beschichtet wird, sodass das erste Legierungspulver eine Oberflächenkonzentration von Dysprosium, Terbium oder beidem aufweist, die größer ist eine Volumenkonzentration von Dysprosium, Terbium oder beidem; und dass der Permanentmagnet unter Verwendung eines Pulvermetallurgieprozesses aus dem beschichteten Legierungspulver gebildet wird, wobei der Permanentmagnet eine ungleichmäßige Verteilung von Dysprosium, Terbium oder beidem in diesem aufweist. Permanentmagnete werden ebenso beschrieben.

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Permanentmagnete finden in einer Vielzahl von Einrichtungen Anwendung, die Elektromotoren für die Hybrid- und Elektrofahrzeuge umfassen. Gesinterte Nd-Fe-B-Permanentmagnete weisen bei niedrigen Temperaturen sehr gute magnetische Eigenschaften auf. Nach der Magnetisierung befinden sich die Permanentmagnete in einem thermodynamischen Nichtgleichgewichtszustand. Beliebige Änderungen in den äußeren Bedingungen, insbesondere der Temperatur, führen zu einem Übergang in einen anderen, stabileren Zustand. Diese Übergänge werden typischerweise von Änderungen in den magnetischen Eigenschaften begleitet. Aufgrund der niedrigen Curie-Temperatur der Nd₂Fe₁₄B-Phase nehmen die magnetische Remanenz und die intrinsische Koerzitivkraft mit zunehmender Temperatur schnell ab.
Es ist wichtig, die thermische Stabilität dieses Materials zu verbessern und die magnetischen Eigenschaften weiter zu erhöhen, um kompakte, leichtgewichtige und leistungsfähige Motoren für Hybrid- und Elektrofahrzeuge zu erhalten. Es gibt zwei übliche Ansätze zum Verbessern der thermischen Stabilität und der magnetischen Eigenschaften. Einer ist, die Curie-Temperatur durch Hinzufügen Co zu erhöhen, das in der Nd₂Fe₁₄B-Phase vollständig lösbar ist. Die Koerzitivkraft der Nd-Fe-B-Magnete mit Co nimmt jedoch ab, möglicherweise wegen der Kristallationskeime für umgekehrte Domänen. Der zweite Ansatz ist, schwere Elemente der seltenen Erden (RE) hinzuzufügen. Es ist bekannt, dass der Austausch von Neodym oder Eisen durch Dysprosium in Nd-Fe-B-Magneten zu Zunahmen des anisotropen Feldes und der intrinsischen Koerzitivkraft und zu einer Abnahme der Sättigungsmagnetisierung führt (C. S. Herget, Metal, Poed. Rep. V. 42, S. 438(1987); W. Rodewald, J. Less-Common Met., V111, S. 77(1985); und D. Plusa, J. J. Wystocki, Less-Common Met. V. 133, S. 231(1987)). Es ist eine übliche Praxis, die schweren RE-Metalle, wie beispielsweise Dysprosium (Dy) oder Terbium (Tb) in die vermischten Metalle hinzuzufügen, bevor diese geschmolzen und legiert werden.
Dy und Tb sind jedoch sehr seltene und teure RE-Elemente. Schwere REs enthalten nur ungefähr 2–7% Dy. Der Preis von Dy hat in letzter Zeit stark zugenommen (von ungefähr 50 $/kg für DyO in 2005 auf ungefähr 140 $/kg in 2010). Tb ist erforderlich, wenn höhere magnetische Eigenschaften als diejenigen gefordert werden, die Dy liefern kann, und es ist viel teurer als Dy (ungefähr 400 $/kg für TbO).
Typische Magnete für Motoren in Hybridfahrzeugen enthalten ungefähr 6–10 Gew.-% Dy, um die erforderlichen magnetischen Eigenschaften zu erfüllen. Herkömmliche Verfahren zum Herstellen von Magneten mit Dy oder Tb führen dazu, dass das Dy oder das Tb innerhalb des Magneten gleichmäßig verteilt sind.
Unter der Annahme, dass das Gewicht von Permanentmagnetteilen ungefähr 1–1,5 kg pro Elektromotor beträgt, und einer Ausbeute der maschinell bearbeiteten Permanentmagnetteile (PM-Teile) von typischerweise ungefähr 55–60% währen 3 kg der PM pro Motor erforderlich oder 4–6 kg pro Fahrzeug (einige Hybridfahrzeuge können einen Induktionsmotor und einen PM-Motor verwenden). Darüberhinaus wird Dy auch weithin durch andere Industriezweige verwendet. Die einzige RE-Miene in den Vereinigten Staaten weist keine signifikanten Mengen von Dy auf. Daher würde sich eine Verringerung der Dy- oder Tb-Verwendung in Permanentmagneten sehr signifikant auf die Kosten auswirken.
Nd-Fe-B-Permanentmagnete können unter Verwendung eines Pulvermetallurgieprozesses erzeugt werden, der das Schmelzen und das Bandgießen, die Wasserstoff-Dekrepitation (Hydrid und Dehydrid), das Pulverisieren (mit Stickstoff), das Aussieben und das Mischen von Legierungspulvern für die gewünschte chemische Zusammensetzung umfasst. Ein typischer Pulvermetallurgieprozess folgt: Wiegen und Pressen (Einpacken unter Vakuum), isostatisches Pressen, Sintern und Härten (z. B. für ungefähr 30 Std. bei ungefähr 1100°C unter Vakuum) und maschinelles Bearbeiten zu Magnetteilen. Schließlich werden die Magnete durch Phosphatieren, stromloses Metallisieren mit Ni, Beschichten mit Epoxidharz usw. oberflächenbehandelt.
Die ideale Mikrostruktur für gesinterte Nd-Fe-B-basierte Magnete sind Fe₁₄Nd₂B-Körner, die durch die nicht-ferromagnetische Nd-reiche Phase perfekt isoliert werden (eine eutektische Matrix mit hauptsächlich Nd plus etwas Fe₄Nd_1,1B₄- und Fe-Nd-Phase, stabilisiert durch Verunreinigungen). Das Hinzufügen von Dy oder Tb führt zu der Bildung ziemlich unterschiedlicher ternärer intergranularer Phasen basierend auf Fe, Nd und Dy oder Tb. Diese Phasen sind in dem Korngrenzenbereich und an der Oberfläche der Fe₁₄Nd₂B-Körner angeordnet. Das Hinzufügen von Elementen zum Verbessern der magnetischen Eigenschaften sollte wünschenswerter Weise die folgenden Bedingungen erfüllen: 1) die intermetallische Phase sollte nicht ferromagnetisch sein, um die ferromagnetischen Körner zu separieren; 2) die intermetallische Phase sollte einen niedrigeren Schmelzpunkt als die Fe₁₄Nd₂B-Phase aufweisen, um ein dichtes Material mittels Sintern der flüssigen Phase zu erzeugen; und 3) die Elemente sollten eine geringe Lösbarkeit in Nd₂Fe₁₄B aufweisen, um gute magnetische Eigenschaften beizubehalten.
Die Mikrostrukturen von gesinterten Nd-Fe-B-Magneten wurden intensiv untersucht, um die magnetischen Eigenschaften zu verbessern. Im Allgemeinen sind die gesinterten Magnete hauptsächlich aus der hartmagnetischen Nd₂Fe₁₄B-Phase und einer nicht magnetischen Nd-reichen Phase zusammengesetzt. Es ist bekannt, dass die Koerzitivkraft durch die Morphologie der Grenzphasen zwischen den Nd₂Fe₁₄B-Körnern stark beeinflusst wird. Die magnetischen Eigenschaften der gesinterten Nd-Fe-B-Magnete werden verschlechtert, wenn die Magnetgröße verringert wird, da die maschinell bearbeitete Oberfläche eine Keimbildung von magnetisch umgekehrten Domänen bewirkt. Machida et al. haben gefunden (Machida, K.., Suzuki, S., Ishigaki, N., et al., Improved magnetic properties of small-sized magnets and their application for DC brush-less micro-motors. Coll. Abstr. Magn. Soc. Jpn. 142(2005), 25–30), dass die verschlechterte Koerzitivkraft von gesinterten Nd-Fe-B-Magneten mit geringer Größe durch eine Oberflächenbehandlung des gebildeten Magneten mit Dy- und Tb-Metalldampfsorption verbessert werden kann, sodass eine gleichmäßig verteilte Beschichtung von Dy oder Tb an der Außenseite des gebildeten Magneten und kein Dy oder Tb in dessen Innerem vorhanden ist.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Ein Aspekt der Erfindung ist ein Verfahren zum Herstellen eines Permanentmagneten. Bei einer Ausführungsform umfasst das Verfahren, dass ein erstes Legierungspulver mit einer gewünschten Zusammensetzung bereitgestellt wird, wobei das erste Legierungspulver Neodym, Eisen und Bor enthält; dass das erste Legierungspulver mit Dysprosium, einer Dysprosiumlegierung, Terbium oder einer Terbiumlegierung beschichtet wird, sodass das erste Legierungspulver eine Oberflächenkonzentration von Dysprosium, Terbium oder beidem aufweist, die größer ist eine Volumenkonzentration von Dysprosium, Terbium oder beidem; und dass der Permanentmagnet unter Verwendung eines Pulvermetallurgieprozesses aus dem beschichteten Legierungspulver gebildet wird, wobei der Permanentmagnet eine ungleichmäßige Verteilung von Dysprosium, Terbium oder beidem in diesem aufweist.
Ein anderer Aspekt der Erfindung ist ein Permanentmagnet. Bei einer Ausführungsform umfasst der Permanentmagnet einen auf Neodym, Eisen und Bor basierenden Magnet mit einer Volumenkonzentration von Dysprosium oder Terbium oder beidem in einem Bereich von ungefähr 0,3 bis ungefähr 5 Gew.-% und einer ungleichmäßigen Verteilung von Dysprosium, Terbium oder beidem in diesem.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist eine schematische Darstellung einer mechanischen Mühle.
2 ist eine schematische Darstellung einer Partikelkanone, die auf Funkenerosion basiert.
3 ist eine schematische Darstellung einer Partikelkanone, die auf Hochdruck-Sputtering basiert.
4 ist eine schematische Darstellung einer Wirbel-Beschichtungseinrichtung.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Magnete, die unter Verwendung des vorliegenden Prozesses hergestellt werden, verwenden viel weniger Dy oder Tb als diejenigen, die unter Verwendung der herkömmlichen Verfahren hergestellt werden, während ähnliche magnetische Eigenschaften erhalten werden. Gemäß dem vorliegenden Prozess werden die mit Dy oder Tb beschichteten Nd-Fe-B-Pulver verwendet, um den Magnet herzustellen, was zu einer ungleichmäßigen Verteilung von Dy oder Tb in dem Magnet führt, was unter Verwendung eines Rasterelektronenmikroskops mit einer Mikrosonde gesehen und gemessen werden kann. Dies ermöglicht, dass der vorliegende Prozess viel weniger Dy oder Tb für ähnliche magnetische Eigenschaften verwendet. Beispielsweise kann die Menge von Dy und/oder Tb um ungefähr 20% oder mehr im Vergleich zu herkömmlichen Prozessen verringert werden, oder um 30% oder mehr, oder um 40% oder mehr, oder um 50% oder mehr, oder um 60% oder mehr, oder um 70% oder mehr, oder um 80% oder mehr, oder um 90% oder mehr. Wir nehmen an, dass Dy und/oder Tb durch die ungleichmäßige Verteilung an der Grenzfläche der Pulverpartikel verteilt oder konzentriert werden, wobei sich wenig oder nichts von diesen im Inneren der Partikel befindet.
Der Prozess umfasst, dass die Nd-Fe-B-basierte Pulver, die zum Herstellen der gesinterten Nd-Fe-B-Permanentmagneten verwendet werden, mit Dy- oder Tb-Metall oder einer Dy- oder Tb-Legierung beschichtet werden. Das Nd-Fe-B-basierte Pulver kann unter Verwendung einer Vielzahl von Beschichtungsverfahren beschichtet werden. Geeignete Prozesse umfassen die folgenden, ohne auf diese beschränkt zu sein. Ein Prozess umfasst das mechanische Mahlen mit einem Dy- oder Tb-Metall oder einer Dy- oder Tb-Legierung. Beispielsweise wird Dy oder Tb, das in einem eisenbasierten Legierungspulver oder in eisenbasierten Legierungspulvern enthalten ist (die beispielsweise ungefähr 15–80 Gew.-% Dy oder Tb enthalten), gemahlen oder mechanisch mit einem Nd-Fe-B-basierten Pulver legiert, um neue Pulver mit Oberflächen zu erzeugen, die mit Dy oder Tb angereichert sind. Ein anderer Prozess umfasst, dass die Nd-Fe-B-basierten Pulver mittels physikalischen Aufdampfens (PVD) mit einem Dy- oder Tb-Metalldampf beschichtet werden. Ein drittes Verfahren umfasst, dass die Nd-Fe-B-basierten Pulver mit einem sehr feinen Metallpulver aus Dy- oder Tb-Metall oder aus einer Fe-Dy- oder Fe-Tb-Legierung, welches mit einem Lösungsmittel vermischt wird, beschichtet werden.
Unter Verwendung dieser Verfahren kann die Beschichtungsdicke beispielsweise ungefähr einen Mikrometer bis ungefähr 100 Mikrometer, ungefähr 2 bis ungefähr 100 Mikrometer oder ungefähr 5 bis ungefähr 90 Mikrometer oder ungefähr 5 bis ungefähr 80 Mikrometer oder ungefähr 5 bis ungefähr 50 Mikrometer oder ungefähr 5 bis ungefähr 60 Mikrometer oder ungefähr 10 bis ungefähr 50 Mikrometer betragen.
Der Pulverbeschichtungsprozess ermöglicht, dass die mittlere Dy- oder Tb-Konzentration verringert wird, und er verändert die Verteilung des Dy oder Tb in dem Magnet. Die mittlere Dy- oder Tb-Konzentration des Magneten kann in einen Bereich von ungefähr 0,3 bis ungefähr 6 Gew.-% oder von ungefähr 0,3 bis ungefähr 5 Gew.-% oder von ungefähr 0,3 bis ungefähr 4 Gew.-% oder von ungefähr 0,3 bis ungefähr 3 Gew.-% liegen, im Vergleich zu ungefähr 6–9 Gew.-% für herkömmliche Magnete, die ähnlich hohe magnetische Eigenschaften aufweisen. Der Beschichtungsprozess erzeugt Pulverpartikel mit einer Dy- oder Tb-Oberflächenkonzentration, die ungefähr 5 bis ungefähr 80 Gew.-% oder mehr beträgt, und einer geringen Dy- oder Tb-Volumenkonzentration (d. h. im Inneren der Partikel). Dy und/oder Tb könnten absichtlich hinzugefügt oder teilweise in die Pulverpartikel von der Partikeloberfläche aus diffundiert werden, wenn dies gewünscht ist. Die Volumenkonzentration von Dy und/oder Tb im Inneren der Partikel ist jedoch geringer als die Oberflächenkonzentration von Dy und/oder Tb. Der Beschichtungsprozess wird als ein Extraschritt in die laufende Vorbereitung für den Pulvermetallurgieprozess eingefügt.
Es kann Dy oder Tb oder beides verwendet werden, wie es gewünscht ist. Wenn Tb umfasst ist, wird nicht so viel Dy benötigt. Die Kombination von Dy und Tb könnte beispielsweise geringer als ungefähr 6 Gew.-% sein. Tb kann bei dem Verbessern der magnetischen Eigenschaften viel effektiver als Dy sein. Dies sollte jedoch gegen die signifikant höheren Kosten von Tb abgeglichen werden. Ein Verhältnis von Dy:Tb von bis zu ungefähr 1:5 kann verwendet werden, wenn dies gewünscht ist, aber ein Verhältnis von bis zu ungefähr 1:3 würde aufgrund von Kostenüberlegungen geeigneter sein.
Das Dy- oder Tb-Konzentrationsverteilungsmerkmal kann durch verschiedene Wärmebehandlungen der Magnete, insbesondere durch Ausheilungszeitpläne, beeinflusst werden. Eine längere Zeit oder eine höhere Temperatur kann die Verteilung breiter und weniger konzentriert an der Partikeloberfläche machen.
Der Magnetherstellungsprozess umfasst: 1) Schmelzen und Bandgießen, 2) Dekrepitation mit Wasserstoff (Hydrid und Dehydrid), 3) Pulverisieren (mit Stickstoff), 4) Mischen des Legierungspulvers, um die chemische Zusammensetzung einzustellen, und optionales Aussieben, 5) Beschichten des Pulvers mit einem Pulver, das mit Dy und/oder Tb angereichter ist, und 6) optionales Aussieben. Diesem folgt ein typischer Pulvermetallurgieprozess, wie etwa: Wiegen und Pressen (Einpacken unter Vakuum), isostatisches Pressen, Sintern und Härten (z. B. für ungefähr 30 Std. bei ungefähr 1100°C unter Vakuum) und maschinelles Bearbeiten zu Magnetteilen. Schließlich werden die Magnete oberflächenbehandelt (z. B. Phosphatiert, stromlos Ni-Plattiert, mit Epoxidharz beschichtet, usw.).
Die drei vorstehend beschriebenen Beschichtungsverfahren werden detaillierter diskutiert.
Mechanisches Legieren ist eine Pulververarbeitungstechnik im festen Zustand, die ein wiederholtes Schweißen, Aufbrechen und erneutes Schweißen von Pulverpartikeln in einer Hochenergie-Kugelmühle umfasst. Es kann verwendet werden, um eine Vielzahl von Gleichgewichts- und Nichtgleichgewichts-Legierungsphasen zu synthetisieren, und beginnt mit gemischten elementaren oder vorlegierten Pulvern. Die Nichtgleichgewichtsphasen, die synthetisiert werden, umfassen übersättigte Festkörperlösungen, metastabile kristalline und quasikristalline Phasen, Nanostrukturen und amorphe Legierungen.
Das mechanische Legieren verwendet eine Hochenergiemühle, um eine plastische Verformung zu begünstigen, die für ein Kaltschweißen erforderlich ist, und um die Verarbeitungszeiten zu verringern. Es ermöglicht, dass ein Gemisch aus elementaren und Master-Legierungspulvern verwendet wird. Die Verwendung von Master-Legierungspulvern verringert die Aktivität des Elements, da bekannt ist, dass die Aktivität einer Legierung oder einer Zusammensetzung um Größenordnungen kleiner sein könnte als in einem reinen Metall. Das mechanische Legieren beseitigt die Verbindung von oberflächenaktiven Mitteln, die feine luftentzündliche Pulver erzeugen und auch das Pulver verunreinigen würden. Es beruht auf einem konstanten Wechselspiel zwischen Schweißen und Aufbrechen, um ein Pulver mit einer verfeinerten inneren Struktur zu liefern, die für sehr feine Pulver typisch ist, die normalerweise erzeugt werden, es weist aber eine Gesamtpartikelgröße auf, die relativ grob und daher stabil ist.
Der mechanische Legierungsprozess beginnt mit dem Mischen der Pulver in der gewünschten Proportion. Die Pulvermischung wird zusammen mit dem Schleifmittel (z. B. mit Stahlkugeln) in die Kugelmühle geladen. Das Pulvergemisch wird anschließend für die gewünschte Zeitdauer gemahlen. Die wichtigen Komponenten des mechanischen Legierungsprozesses sind die Rohmaterialien, die Mühle und die Prozessvariablen. Die Parameter umfassen den Typ der Mühle, den Behälter zum Mahlen, die Geschwindigkeit des Mahlens (im Allgemeinen ungefähr 50 U/min bis ungefähr 400 U/min, typischerweise ungefähr 250 U/min), die Zeit des Mahlens (im Allgemein ungefähr 0,5 bis ungefähr 12 Stunden), den Typ, die Größe und die Größenverteilung des Schleifmittels (z. B. gehärteter Stahl, Edelstahl usw.), das Gewichtsverhältnis von Kugel zu Pulver (im Allgemeinen ungefähr 1:1 bis hinauf zu ungefähr 220:1, wobei ungefähr 10:1 typisch ist), das Füllmaß der Phiole, die Atmosphäre des Mahlens (z. B. Vakuum, Stickstoff oder Argon) und die Temperatur des Mahlens (im Allgemeinen Raumtemperatur bis ungefähr 250°C).
Die Rohmaterialien, die für das mechanische Legieren verwendet werden, können Partikelgrößen in dem Bereich von 1–200 μm aufweisen. Die Partikelgröße des Pulvers ist nicht kritisch, außer dass sie kleiner als die Größe der Schleifkugeln sein sollte, da die Partikelgröße des Pulvers exponentiell mit der Zeit abnimmt und nach nur wenigen Minuten des Mahlens wenige Mikrometer erreicht. Die Rohpulver sind reine Metalle, Master-Legierungen oder vorlegierte Pulver.
Es können unterschiedliche Typen einer Hochenergie-Mühlenausrüstung verwendet werden, um die mechanisch legierten Pulver zu erzeugen. Sie unterscheiden sich bzgl. ihrer Kapazität, ihrer Effizienz des Mahlens und der zusätzlichen Anordnungen zum Kühlen, zur Aufheizung usw. Eine herkömmliche Kugelmühle 10 weist eine rotierende horizontale Trommel 15 auf, die teilweise mit kleinen Stahlkugeln 20 gefüllt ist, wie es in 1 gezeigt ist. Wenn die Trommel 15 rotiert, fallen die Kugeln 20 auf das Metallpulver, das gemahlen wird. Die Tanks oder Behälter zum Schleifen sind in Edelstahl oder aus einem Edelstahl verfügbar, der an der Innenseite beispielsweise mit Aluminium, Siliziumkarbid, Siliziumnitrid usw. beschichtet ist. Die Kugelmühle 10 weist ein rotierendes Schaufelrad 25 auf. Ein Kühlmittel strömt durch den Mantel der Trommel 15 von einem Einlass 30 zu einem Auslass 35, um die Temperatur des Pulvers während des Mahlens zu steuern.
Ein anderes Verfahren umfasst, dass die Nd-Fe-B-basierten Pulver unter Verwendung eines physikalischen Aufdampfens (PVD) mit Dy- oder Tb-Metall beschichtet werden. PVD-Verfahren unter Verwendung einer Partikelkanone basierend auf Funkenerosion und Sputtering sind in 2–3 dargestellt, obwohl andere PVD-Prozesse verwendet werden könnten, wenn dies gewünscht ist. Das ”Substrat” kann an der Unterseite angeordnet werden. Das Substrat ist grundsätzlich ein Behälter, der die Nd-Fe-B-Pulver enthält, die beschichtet werden sollen. Wenn es gewünscht ist, kann eine Mischeinrichtung (nicht gezeigt) in dem Behälter vorhanden sein, um die Pulver umzurühren, um eine gleichmäßige Beschichtung an den Pulvern sicherzustellen.
2 stellt einen PVD-Prozess mit Funkenerosion dar. Es gibt eine feststehende Elektrodenhalterung 100 und eine bewegbare Elektrodenhalterung 105. Die feststehende Elektrodenhalterung 100 ist mit einer elektrischen Leistungsversorgung (nicht gezeigt) verbunden. Die bewegbare Elektrodenhalterung 105 ist mit einer elektrischen Leistungsversorgung und einem mechanischen Oszillator (nicht gezeigt) verbunden. Die feststehende Elektrodenhalterung 100 und die bewegbare Elektrodenhalterung 105 weisen Elektroden 110 auf. Ein Trägergaseinlass 115 leitet ein Trägergas ein. Ein Arbeitsgaseinlass 120 leitet ein Arbeitsgas in das Trägergas ein. Das Beschichtungsmaterial wird auf das Substrat 135 geleitet.
Ein PVD-Beschichtungsprozess mit Sputtering ist in 3 gezeigt. Es gibt zwei Magnetron-Sputterquellen 150 an der Oberseite, die auf den rotierenden Substrattisch 155 an der Unterseite ausgerichtet sind. Bei dem Sputtering werden Atome aufgrund des Stoßes mit hochenergetischen Teilchen (wie beispielsweise Stickstoffionen) in einem Plasma aus der Oberfläche eines Targetmaterials herausgeschleudert (Dy und/oder Tb oder die Legierungen). Die herausgeschleuderten Atome kondensieren an der Oberfläche des Substrats und erzeugen eine dünne Schicht.
Das dritte Beschichtungsverfahren umfasst, dass die Nd-Fe-B-basierten Pulver mit einem sehr feinen Metallpulver aus Dy- oder Tb-Metall und/oder Dy- oder Tb-Legierungen, die mit einem Lösungsmittel gemischt sind, beschichtet werden. Ein Hochgeschwindigkeitsstrahl (ungefähr 30 bis ungefähr 60 ft/sec (ungefähr 9,14 bis ungefähr 18,28 m(s)) wird hergestellt, indem eine Strömung aus Luft oder Edelgas mit einer Wirbel-Beschleunigungseinrichtung beschleunigt wird. Indem die Durchsatzrate und der Druck der Luft/Gasströmung eingestellt werden, kann ein laminares Strömungsmuster bei Reynoldszahlen hergestellt werden, bei denen normalerweise eine turbulente Strömung auftreten würde. Das Gas wird in ein ”Beschichtungsrohr” geleitet. Die Wirbel-Beschleunigungseinrichtung ist beispielsweise bei GEA Process Engineering Inc. aus Columbia, MD 21045, verfügbar.
Wie in 4 gezeigt ist, umgibt ein Reservoir des Pulvers, das beschichtet werden soll, in dem Bereich eines ”Abwärtsströmungsbetts” 200 das Beschichtungsrohr 205, und es wird durch eine Gasströmung 210 mit niedriger Geschwindigkeit leicht belüftet gehalten, die von der Unterseite in das Pulverbett eintritt. In diesem Bereich gibt eines geringe Volumenströmung. Eine Lücke 215 zwischen der Einlass-Fluidisierungsplatte 220 und der Unterseite des Beschichtungsrohrs 205 unterhalb der Benetzungs- und Kontaktierungszone 225 ermöglicht, dass das Pulver der Hochgeschwindigkeits-Gasströmung ausgesetzt wird. Die Partikel des Pulvers werden an dieser Grenzfläche erfasst und durch die Gasströmung beschleunigt.
Ein feiner Sprühstrahl 230 der Beschichtung, der das Dy- oder Tb-Metall oder die Dy- oder Tb-Legierung enthält, wird durch eine Sprühdüse 235 in die Unterseite der Hochgeschwindigkeits-Gasströmung eingeleitet. Der Beschichtungssprühstrahl 230 bewegt sich schneller als die festen Partikel, sodass ein Kontakt auftritt und die Beschichtung abgelagert wird.
Der Randschichteffekt bewirkt einen Geschwindigkeitsgradienten von der hohen Gasgeschwindigkeit in dem Zentrum des Rohrs bis Null an der Wand. Dieser Gradient bewirkt, dass das Pulver durch die Gasströmung hindurch fällt, sodass alle Partikeloberflächen dem Beschichtungssprühstrahl ausgesetzt werden. Sobald die Beschichtung aufgetragen ist, bewegt sich der beschichtete Partikel in dem Beschichtungsrohr nach oben. Die Partikelgeschwindigkeit ist stets geringer als die Gasgeschwindigkeit, daher gibt es stets eine Bewegung des Gases über die Partikeloberfläche. Diese Gasbewegung verdampft das Lösungsmittel und trocknet die Beschichtung in der Trocknungszone 240. Der Partikel ist zu der Zeit im Wesentlichen trocken, zu der er das Ende des Beschichtungsrohrs 205 erreicht.
An dem Ende des Rohrs treten die Partikel aus dem Hochgeschwindigkeitsstrahl aus, und sie fallen zurück in den Trägerbereich (nicht gezeigt).
Das ”Lösungsmittel” oder der Träger kann aus Alkoholen, chlorinierten Lösungsmitteln oder aus einem nahezu beliebigen anderen Lösungsmittel bestehen, das industriell verwendet wird. Die tatsächliche Beschichtungszeit ist extrem kurz, sodass nur eine dünne Lage der Beschichtung mit jedem Beschichtungsvorgang aufgetragen wird. Die Nd-Fe-B-Pulver werden wiederholt beschichtet, um eine gewünschte Beschichtungsdicke zu erreichen. Die endgültige Beschichtungsdicke beträgt im Allgemeinen einige Mikrometer oder weniger, z. B. weniger als ungefähr 10 Mikrometer oder ungefähr 1 bis ungefähr 10 Mikrometer oder ungefähr 2 bis ungefähr 5 Mikrometer, was von den Prozessparametern abhängt. Die typische Transportgeschwindigkeit beträgt ungefähr 20 bis ungefähr 40 Meter/Sek. Zu einer beliebigen gegebenen Zeit ist der größte Teil des Pulvers in dem System trocken, da der tatsächliche Benetzungs- und Trocknungsprozess sehr kurz ist, was dafür sorgt, dass der Prozess relativ leicht zu steuern ist. Der schnelle Beschichtungs- und Trocknungszyklus bedeutet auch, dass das Pulver nur für eine sehr kurze Zeit mit dem Lösungsmittel benetzt wird. Das Lösungsmittel hat wenig Gelegenheit, in das Innere der Partikel einzudringen. Dies bedeutet, dass Lösungsmittel-/Pulverreaktionen im Allgemeinen kein Problem ist, und es ist oft möglich, Lösungsmittel zu verwenden, die normalerweise als unverträglich mit dem Pulver angesehen werden.
Es wird angemerkt, dass Ausdrucke wie ”vorzugsweise”, ”üblicherweise” und ”typischerweise” hierin nicht verwendet werden, um den Umfang der beanspruchten Erfindung einzuschränken oder um zu implizieren, dass bestimmte Merkmale kritisch, wesentlich oder sogar wichtig für die Struktur oder die Funktion der beanspruchten Erfindung sind. Stattdessen sollen diese Ausdrücke lediglich alternative oder zusätzliche Merkmale hervorheben, die bei einer speziellen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung verwendet werden können oder auch nicht.
Zu Zwecken der Beschreibung und der Definition der vorliegenden Erfindung wird angemerkt, dass der Ausdruck ”Einrichtung” hierin verwendet wird, um eine Kombination von Komponenten oder Einzelkomponenten darzustellen, unabhängig davon, ob die Komponenten mit anderen Komponenten kombiniert werden. Beispielsweise kann eine ”Einrichtung” gemäß der vorliegenden Erfindung eine elektrochemische Umwandlungsbaugruppe oder Brennstoffzelle, ein Fahrzeug, das eine elektrochemische Umwandlungsbaugruppe gemäß der vorliegenden Erfindung beinhaltet, usw. umfassen.
Zu Zwecken der Beschreibung und Definition der vorliegenden Erfindung wird angemerkt, dass der Ausdruck ”im Wesentlichen” hierin verwendet wird, um den inhärenten Grad an Ungenauigkeit darzustellen, der einem beliebigen quantitativen Vergleich, Wert, Messwert oder anderen Darstellungen zugeschrieben werden kann. Der Ausdruck ”im Wesentlichen” wird hierin auch verwendet, um den Grad darzustellen, um den eine quantitative Darstellung von der angegebenen Referenz abweichen kann, ohne dass dies zu einer Änderung in der Basisfunktionalität des betrachteten Gegenstands führt.
Nachdem die Erfindung im Detail und unter Bezugnahme auf spezielle Ausführungsformen von dieser beschrieben ist, ist es offensichtlich, dass Modifikationen und Abwandlungen möglich sind, ohne von dem Umfang der Erfindung abzuweichen, der durch die beigefügten Ansprüche definiert ist. Obgleich einige Aspekte der vorliegenden Erfindung hierin als bevorzugt oder besonders vorteilhaft identifiziert werden, wird insbesondere in Erwägung gezogen, dass die vorliegende Erfindung nicht notwendigerweise auf diese bevorzugten Aspekte der Erfindung beschränkt ist.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Nicht-Patentliteratur

C. S. Herget, Metal, Poed. Rep. V. 42, S. 438(1987) [0002]
W. Rodewald, J. Less-Common Met., V111, S. 77(1985) [0002]
D. Plusa, J. J. Wystocki, Less-Common Met. V. 133, S. 231(1987) [0002]
Machida, K.., Suzuki, S., Ishigaki, N., et al., Improved magnetic properties of small-sized magnets and their application for DC brush-less micro-motors. Coll. Abstr. Magn. Soc. Jpn. 142(2005), 25–30 [0008]

Claims

Verfahren zum Herstellen eines Permanentmagneten, das umfasst, dass: ein erstes Legierungspulver bereitgestellt wird, das eine gewünschte Zusammensetzung aufweist, wobei das erste Legierungspulver Neodym, Eisen und Bor enthält; das erste Legierungspulver mit Dysprosium, einer Dysprosiumlegierung, Terbium oder einer Terbiumlegierung derart beschichtet wird, dass das erste Legierungspulver eine Oberflächenkonzentration von Dysprosium, Terbium oder beidem größer als eine Volumenkonzentration von Dysprosium, Terbium oder beidem aufweist; und der Permanentmagnet unter Verwendung eines Pulvermetallurgieprozesses aus dem beschichteten Legierungspulver gebildet wird, wobei der Permanentmagnet eine ungleichmäßige Verteilung von Dysprosium, Terbium oder beidem in diesem aufweist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Bereitstellen des ersten Legierungspulvers umfasst, dass: eine Legierung, die Neodym, Eisen und Bor enthält, geschmolzen und bandgegossen wird, um Bänder herzustellen; die Bänder mit Wasserstoff dekrepitiert werden; die dekrepitierten Bänder pulverisiert werden, um ein Startpulver herzustellen; das Startpulver mit einem zweiten Legierungspulver gemischt wird, um das erste Legierungspulver zu bilden.
Verfahren nach Anspruch 1, das ferner umfasst, dass das erste Legierungspulver ausgesiebt wird, bevor das erste Legierungspulver beschichtet wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Bilden des Magneten aus dem beschichteten Legierungspulver unter Verwendung eines Pulvermetallurgieprozesses umfasst, dass: das beschichtete Legierungspulver gepresst wird; das gepresste beschichtete Legierungspulver isostatisch gepresst wird; und das isostatisch gepresste Pulver gesintert und gehärtet wird, um den Permanentmagnet zu bilden.
Verfahren nach Anspruch 4, das ferner umfasst, dass der Permanentmagnet maschinell bearbeitet wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Oberflächenkonzentration des beschichteten Legierungspulvers in einen Bereich von ungefähr 5 bis ungefähr 80 Gew.-% Dysprosium, Terbium oder von beidem liegt.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die mittlere Konzentration eines Magneten in einem Bereich von ungefähr 0,3 bis ungefähr 6,0 Gew.-% Dysprosium, Terbium oder von beidem liegt.
Verfahren zum Herstellen eines Permanentmagneten, das umfasst, dass: eine Legierung, die Neodym, Eisen und Bor enthält, geschmolzen und bandgegossen wird, um Bänder herzustellen; die Bänder mit Wasserstoff dekrepitiert werden; die dekrepitierten Bänder pulverisiert werden, um ein Startpulver herzustellen; das Startpulver mit einem zweiten Legierungspulver gemischt wird, um ein erstes Legierungspulver zu bilden, das eine gewünschte Zusammensetzung aufweist, wobei das erste Legierungspulver Neodym, Eisen und Bor enthält; das erste Legierungspulver mit Dysprosium, einer Dysprosiumlegierung, Terbium oder einer Terbiumlegierung derart beschichtet wird, dass das erste Legierungspulver eine Oberflächenkonzentration von Dysprosium, Terbium oder beidem größer als eine Volumenkonzentration von Dysprosium, Terbium oder beidem aufweist; der Permanentmagnet unter Verwendung eines Pulvermetallurgieprozesses aus dem beschichteten Legierungspulver gebildet wird, wobei der Permanentmagnet eine ungleichmäßige Verteilung von Dysprosium, Terbium oder beidem in diesem aufweist.
Verfahren nach Anspruch 8, wobei das Bilden des Magneten aus dem beschichteten Legierungspulver unter Verwendung eines Pulvermetallurgieprozesses umfasst, dass: das beschichtete Legierungspulver gepresst wird; das gepresste beschichtete Legierungspulver isostatisch gepresst wird; das isostatisch gepresste Pulver gesintert und gehärtet wird, um den Permanentmagnet zu bilden; und der Permanentmagnet maschinell bearbeitet wird.
Verfahren nach Anspruch 8, wobei das Beschichten des ersten Legierungspulvers mit Dysprosium, der Dysprosiumlegierung, Terbium oder der Terbiumlegierung umfasst, dass das erste Legierungspulver mit Dysprosium, der Dysprosiumlegierung, Terbium oder der Terbiumlegierung mechanisch gemahlen wird.