DE102012217756A1

DE102012217756A1 - Endformnahe Herstellung von Seltenerd-Permanentmagneten

Info

Publication number: DE102012217756A1
Application number: DE102012217756A
Authority: DE
Inventors: Edward P. Becker; Yucong Wang
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2011-09-29
Filing date: 2012-09-28
Publication date: 2013-04-04
Anticipated expiration: 2032-09-29
Also published as: US9272332B2; US20150251248A1; CN103035400A; DE102012217756B4; CN103035400B

Abstract

Verfahren zum endformnahen Bilden eines Seltenerd-Permanentmagneten und eines Permanentmagneten. Das Verfahren umfasst, dass ein Pulver aus einem magnetischen Material in ein Werkzeug eingebracht wird, das Werkzeug geschlossen wird, und das Pulver in dem Werkzeug stoßverdichtet wird und das verdichtete Magnetpulver gesintert wird, um das Seltenerd-Permanentmagnetteil zu bilden. In einer Form ist das magnetische Material, welches einer Verdichtung unterzogen wird, eine Mischung, die aus zwei oder mehreren verschiedenen Vorläufern eines Pulvers aus einem magnetischen Material besteht. Es können der Mischung zusätzliche Materialien zugesetzt werden. Ein solches zusätzliches Material kann ein Gleitmittel sein, um die Wahrscheinlichkeit einer Bruchbildung zu reduzieren, während ein anderes eine Beschichtung sein kann, um einen Oxidationsschutz der Mischung vorzusehen. Es können auch eine Evakuierung oder inerte Umgebungen entweder vor oder in Verbindung mit dem Sinter- oder einem ähnlichen Hochtemperaturabschnitt des Prozesses verwendet werden.

Description

Diese Anmeldung beansprucht die Priorität der vorläufigen US-Anmeldung 61/540 737, eingereicht am 29. September 2011.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein das Bilden von Permanentmagneten zur Verwendung in Elektromotoren und im Spezielleren die Einbeziehung von Seltenerd(SE)-Materialien, um die magnetischen Eigenschaften der gebildeten Magnete zu verbessern, wie auch die Verwendung von Hochgeschwindigkeitskomprimierungstechniken als eine Möglichkeit, Magnete in Formen zu formen, die nach der Ausbildung wenig oder keine mechanische Bearbeitung erfordern.
Permanentmagnete sind in einer Vielfalt von Vorrichtungen, einschließlich elektrischer Fahrmotoren für Hybrid- und Elektrofahrzeuge, Windmühlen, Klimaanlagen und anderen mechanisierten Einrichtungen verwendet worden. Eine Art von Permanentmagnet – gesinterte Nd-Fe-B-Permanentmagnete – enthält SE-Metalle wie z. B. Dysprosium (Dy) oder Terbium (Tb), um die magnetischen Eigenschaften (wie z. B. die Eigenkoerzitivkraft) der Magnete bei hohen Temperaturen zu verbessern.
Bekannte SE-Magnetherstellungsverfahren beginnen mit der anfänglichen Vorbereitung, welche das Überprüfen und Wiegen der Ausgangsmaterialien (Eisen, Eisen-Neodym-Legierung und Bor sowie Eisen-Dysprosium-Legierungen und dergleichen) für die gewünschten Materialzusammensetzungen umfasst. Die Materialien werden dann vakuuminduktionsgeschmolzen und bandgegossen, um dünne Stücke (weniger als ein mm) von mehreren Zentimetern Größe zu bilden. Darauf folgt eine Wasserstoff-Dekrepitation, bei der die dünnen Stücke bei etwa 25°C bis etwa 300°C etwa 5 bis etwa 20 Stunden lang Wasserstoff absorbieren, bei etwa 200°C bis etwa 400°C etwa 3 bis etwa 25 Stunden lang entwässert und dann einem/r Hammermahlen und Zerkleinern und/oder mechanischer Pulverisierung oder Stickstoffmahlen (falls erforderlich) unterzogen werden, um feines Pulver zu bilden, das zur weiteren Pulvermetallurgieverarbeitung geeignet ist. Dieses Pulver wird typischerweise zur Größenklassifizierung gesiebt und dann mit anderen Legierungspulvern zusammen mit Bindemitteln für die endgültige gewünschte Zusammensetzung des magnetischen Materials gemischt, um mithilfe eines geeigneten Pressarbeitsschrittes in einem Werkzeug (oft bei Raumtemperatur) Presskörper (typischerweise in der Form eines Würfels) herzustellen. In einer Form wird das Pulver vor seiner Ausbildung in einen würfelförmigen Block oder eine andere Form gewogen. Das Formteil wird dann in ein Vakuum gebracht und einem isostatischen Pressen unterzogen, wonach es (z. B. bei etwa 900°C bis etwa 1100°C für etwa 1 bis etwa 30 h im Vakuum) gesintert und ausgelagert wird (z. B. bei etwa 300°C bis etwa 700°C etwa 5 bis etwa 20 h lang im Vakuum), falls erforderlich. Typischerweise erfahren eine Anzahl von Blöcken von insgesamt etwa 300 kg bis etwa 500 kg als eine Charge gleichzeitig eine Sinterung. Die magnetischen Stücke werden dann auf der Basis der gewünschten Endform für die Magnete aus dem größeren Block geschnitten und maschinell zu der Endform verarbeitet. Die Magnetstücke werden dann oberflächenbehandelt, falls gewünscht.
Normalerweise beträgt die Dichte des Presskörpers bei dem Pulvermetallprozess etwa 50 bis 55 Prozent der theoretischen Dichte, was eine beträchtliche Schrumpfung während des Sinterns zur Folge hat. Wenn der Presskörper in Würfelblockform vorliegt, ist die Schrumpfung gleichmäßig. Wenn der Presskörper jedoch keine symmetrische Form aufweist, wird er sich in einer Weise verziehen und verwinden, die typischerweise schwer zu beherrschen ist. Um dies zu vermeiden, werden die benötigten Magnete üblicherweise mechanisch aus einem Blockmaterial gearbeitet; dieser Prozess hat einen relativ großen Materialverlust zur Folge, wobei die Ausbeute typischerweise etwa 55 bis 65 Prozent (d. h. einen Verlust von etwa 35 bis 45 Prozent des Materials) beträgt. Es ergeben sich auch andere Schwierigkeiten in Verbindung mit der herkömmlichen, auf Pulvermetallurgie basierenden Technik. Zum Beispiel sind die Oberflächen des ursprünglichen großen Blocks auch einer gewissen Oxidation ausgesetzt, welche einen zusätzlichen Verlust von Material zur Folge haben kann.
Der hohe Materialverlust während der Herstellung hat die Kosten der fertigen SE-Magnete stark erhöht. Diese Kosten haben sich durch einen dramatischen Anstieg des Preises der Roh-SE-Metalle in den letzten Jahren verschärft. Als solche gibt es erhebliche Probleme in Verbindung mit der richtigen Produktion von kostengünstigen Magneten, die SE-Materialien enthalten.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Ein Aspekt der Erfindung ist ein Verfahren zur endformnahen Herstellung von SE-Permanentmagneten. In einer Ausführungsform umfasst das Verfahren, dass ein Pulver aus einem magnetischen Material in ein Werkzeug eingebracht wird, das Pulver in dem Werkzeug stoßverdichtet wird und das verdichtete Magnetpulver gesintert wird, um das SE-Permanentmagnetteil zu bilden. In einer Form umfasst das Pulver (das eine Mischung aus zwei oder mehreren separaten Pulvervorläufern sein kann) zumindest eines von Dy oder Tb als eine Möglichkeit, das Leistungsvermögen des Magneten bei einer hohen Temperatur zu erhöhen.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung umfasst ein Verfahren zum Stoßverdichten eines SE-Permanentmagneten. Das Verfahren umfasst, dass ein Nd-Fe-B-Pulver und ein Pulver, das zumindest eines von Dy und Tb enthält, in ein Werkzeug eingebracht werden, die Pulver mit dem Werkzeug stoßverdichtet werden und das verdichtete Pulver dann gesintert wird.
Ein noch weiterer Aspekt der Erfindung umfasst ein Verfahren zum Bilden eines SE-Permanentmagneten, indem ein Nd-Fe-B-Pulver und ein Pulver, das zumindest eines von Dy und Tb enthält, in ein Werkzeug eingebracht werden, die Pulver durch einen Hochgeschwindigkeitsaufprall des Werkzeuges mit dem Pulver verdichtet werden, sodass zumindest ein gewisses lokales Oberflächenschmelzen der in dem Pulver vorhandenen Partikel stattfindet, und das verdichtete Pulver dann gesintert wird. Der Hochgeschwindigkeitsaufprall ist in der Lage, Hochdruckwellen in einer sehr kurzen Zeit in einer Weise ähnlich jener der zuvor erwähnten Stoßbelastung zu erzeugen; diese neigt wiederum dazu, das örtlich begrenzte Schmelzen zu produzieren.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Die nachfolgende detaillierte Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung ist am besten beim Lesen in Verbindung mit den nachfolgenden Zeichnungen verständlich, in denen gleiche Strukturen mit gleichen Bezugsziffern bezeichnet sind und in denen:
1A ein Flussdiagramm der Hauptschritte beim Bilden von SE-Permanentmagneten gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung ist;
1B eine Veranschaulichung eines Verdichtungswerkzeuges ist, das in dem Stoßbelastungs- oder einem ähnlichen Hochgeschwindigkeitsaufprallschritt von 1A verwendet wird;
2 einen Vergleich zwischen einer vereinfachten Motorausgestaltung auf Permanentmagnetbasis und einer vereinfachten Motorausgestaltung auf Induktionsbasis wie auch eine repräsentative Anordnung in der Ersteren der Magneten zeigt, die mithilfe des Werkzeuges von 1B verdichtet werden; und
3 ein Fahrzeug zeigt, das ein Hybridantriebssystem beinhaltet, welches den Elektromotor auf Permanentmagnetbasis umfasst, der gemäß der vorliegenden Erfindung hergestellte Magnete verwendet.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Prozess zur Herstellung von SE-Permanentmagneten in solch einer Weise, dass ein/e Restspannung, Verzug und Oberflächenoxidation reduziert werden. Der Prozess reduziert oder eliminiert stark die Notwendigkeit für nachfolgende mechanische Bearbeitungsschritte und verringert auch den Materialverlust während der Herstellung, während er weiterhin in der Lage ist, hohe Oberflächenkonzentrationen von Dy oder Tb in den Pulvern zu liefern, während er die Gesamt(d. h. Volumen)-Konzentration niedrig hält. Wenn solche Magnete beispielsweise zur Verwendung in einem elektrischen Fahrmotor ausgestaltet sind, der verwendet wird, um zumindest einen Teil der Antriebskraft an ein Auto oder einen Lastwagen bereitzustellen, kann die Oberflächenkonzentration in der Größenordnung von 5 bis 50 Gewichtsprozent liegen, während die Volumenkonzentration zwischen etwa 1 Gewichtsprozent und etwa 8 Gewichtsprozent beträgt. Auf diese Weise stellt die Volumenkonzentration eine erhebliche Reduktion gegenüber herkömmlichen Dy- oder Tb-beladenen Nd-Fe-B-Permanentmagneten dar, welche typischerweise zwischen etwa 6 und 10 Gewichtsprozent Dy oder Tb verwenden.
Der Prozess umfasst eine endformnahe Herstellung von SE-Magneten mit minimaler mechanischer Bearbeitung, aber in solch einer Weise, dass eine Verformung oder Verwindung reduziert oder eliminiert wird. Es kann eine geringe Menge eines Gleitmittels erforderlich sein, um Magnetpresskörper als eine Möglichkeit herzustellen, ein Brechen dieser Presskörper beim Verdichten zu verhindern. In solchen Fällen wird das Gleitmittel in Abhängigkeit von den übrigen Verarbeitungsparametern bevorzugt mit einem anorganischen (z. B. Bornitrid, Molybdändisulfid oder Wolframdisulfid) oder organischen (z. B. Zinkstearat oder Paraffinwachs) Träger verwendet. In jeder Ausgestaltung ist das Gleitmittel hilfreich, um eine Mischungsverdichtung ohne Bruchbildung zu erleichtern.
Wie oben erwähnt, ist die Verwendung der Hochgeschwindigkeitsverdichtung dabei hilfreich, die Presskörperdichte deutlich zu verbessern. Zum Beispiel könnte, im Vergleich zu vorhergehenden Presskörperdichtewerten von etwa 50 bis 55 Prozent der theoretischen Dichte (oder etwas mehr als 60 Prozent nach isostatischem Pressen), die vorliegende Erfindung zu Presskörpern mit 65 oder viel höheren Prozenten der theoretischen Dichte führen. Dies wiederum führt zu einer Enddichte nach dem Sintern von etwa 95 bis 99 Prozent oder mehr. Infolgedessen könnten die mit dem Prozess erzeugten Magnete auf Grund dieser höheren Dichte bessere magnetische und mechanische Eigenschaften – insbesondere Ermüdungsfestigkeit – aufweisen. Die Prozesszeit kann kürzer als der herkömmliche Prozess sein, während die Kosten niedriger sind. Des Weiteren ist der Prozess nicht auf Kleinserienanwendungen beschränkt und ist in der Lage, die ursprünglichen Pulvereigenschaften in dem Formteil zu erhalten. Es können Legierungen mit besonderen Zusammensetzungen wie z. B. nicht stöchiometrischen Zusammensetzungen und Ungleichgewichtsstrukturen erzeugt werden.
Wie oben erwähnt, erfolgt in einer Form das Mahlen und Vermengen der Pulver mit einer kleinen Menge eines Gleitmittels, um die Verdichtung der Pulver ohne Bruchbildung zu unterstützen. Die Pulver werden in ein Werkzeug gefüllt, das die Magnet-Endform aufweist. Der isostatische Pressschritt wird durch das Verdichten mit einem geschlossenen Gesenk über Stoßbelastung oder einen anderen Hochgeschwindigkeitsaufprallprozess ersetzt. Das Verdichten mit geschlossenem Gesenk und Stoßverdichten kann bei etwa Raumtemperatur (z. B. etwa 20°C bis 25°C) durchgeführt werden, wenngleich das Verdichtete infolge des adiabatischen Effekts in der Kammer eine hohe Temperatur erreichen kann. Diese hohe Temperatur kann das Pulvermaterial erweichen und dazu bringen, dass es sich leichter plastisch verformt, selbst für spröde Materialien wie z. B. Keramiken, um das Verdichten möglich zu machen.
Der verdichtete Presskörper wird in dem Vakuumofen bei etwa 900°C bis etwa 1200°C für etwa 1 bis etwa 10 Stunden gesintert, wonach das fertiggestellte Teil einer anschließenden einstufigen oder zweistufigen Auslagerungs-Wärmebehandlung bei einer niedrigeren Temperatur unterzogen wird.
Es kann, falls erwünscht, nach dem Sintern ein Gesenkdrückschritt (warm oder heiß) angefügt werden, um einen Verzug aus Restspannung zu reduzieren/eliminieren. Während das Gesenkdrücken üblicherweise bei Raumtemperatur erfolgt, haben die gegenständlichen Erfinder festgestellt, dass magnetische Materialien wie z. B. die hierin erläuterten bei Raumtemperatur zum Gesenkdrücken zu spröde sein können; sie haben festgestellt, dass das Gesenkdrücken als solches bei erhöhten Temperaturen (z. B. zwischen etwa 600°C und etwa 750°C) bevorzugt sein kann. Dies sollte im Vakuum oder in einer inerten Atmosphäre (z. B. N₂ oder Ar) erfolgen, um eine Oxidation zu verhindern. In Fällen, in denen ein Schneiden oder eine mechanische Bearbeitung nach dem Sintern nicht erwünscht ist, kann, falls erwünscht, alternativ ein schwaches Polieren (wie z. B. mit Quarzsand) durchgeführt werden.
Die Pulver werden durch eine Stoßwellenfront verdichtet, die sich durch die eingeschlossenen Pulver hindurch bewegt. Die Stoßwellen produzieren einen Hochgeschwindigkeitsaufprall (etwa 10 bis etwa 1000 m/s) bei hohem Druck und in einer sehr kurzen Zeit. Der Druck könnte je nach verwendeter Verdichtungseinrichtung etwa 150 bis etwa 500 MPa betragen. Die Stoßbelastung wird mithilfe einer Bewegung eines Verdichtungselements (z. B. eines Kolbens, wie später in größerem Detail erläutert wird) in Ansprechen auf einen Stoß bewerkstelligt, der durch zusammengedrückte Federvorrichtungen, elektrohydraulische Vorrichtungen, elektromagnetische Vorrichtungen, piezoelektrische Vorrichtungen, Explosionsvorrichtungen und Elektropistolenvorrichtungen verursacht wird. Das Verdichten findet bevorzugt in einem Bruchteil einer Sekunde und im Spezielleren in weniger als zehn Mikrosekunden statt. Unter diesen Hochbeanspruchungsbedingungen neigen Materialien dazu, sich mit einer großen Menge lokal erzeugter Wärme plastisch zu verformen. Die Wärme kann selbst das Pulvermaterial auf Grund des adiabatischen Effekts lokal schmelzen, da nicht genug Zeit zur Wärmeableitung durch Wärmeübertragung vorhanden ist. Wie oben stehend erwähnt, können selbst Pulvervorläufer aus Keramikmaterialien durch die Hochgeschwindigkeitsverformung plastisch verformt werden, die durch die Stoßbelastung erzeugt wird.
Zuerst Bezug nehmend auf 1A ist ein Prozessablauf zur Erzeugung von SE-Permanentmagneten gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung gezeigt. Der Prozess 1 umfasst das Vermengen 10 von verschiedenen Bestandteilpulvern 10A, 10B bis 10N, welche der Anzahl der Materialien entsprechen, die erforderlich ist, um den Magneten zu bilden. Wenn der Magnet, der erzeugt wird, z. B. auf einer Nd-Fe-B-Ausgestaltung basiert, bei der zumindest etwas von dem Nd durch Dy oder Tb ersetzt werden soll, können die Bestandteilpulver 10A bis 10N das zuvor erwähnte Pulver auf Eisenbasis, welches Dy oder Tb enthält, wie auch ein Pulver auf Nd-Fe-B-Basis umfassen. In einer Form (wie z. B. für die Auto- oder Lastwagenanwendungen, die einen Fahrmotor umfassen, wie oben erläutert) werden die fertigen SE-Permanentmagneten etwa 8 oder 9 Prozent Dy, bezogen auf das Gewicht, aufweisen, wenngleich Fachleute einsehen werden, dass andere Anwendungen (wie z. B. Windturbinen, bei denen es sein kann, dass die Volumen-Dy- oder Tb-Konzentration in der Größenordnung von 3 bis 4 Gewichtsprozent betragen soll) ähnliche Volumenkonzentrationsreduktionen realisieren können, wie es auch Anwendungen werden, in denen diese und andere SE-Konzentrationen größer sein müssen. In jedem Fall ist die Verwendung von Permanentmagneten in jeglichen derartigen Motoren, die von verbesserten magnetischen Eigenschaften (wie z. B. der Koerzitivkraft) nutzen ziehen könnten, als innerhalb des Schutzumfanges der vorliegenden Erfindung liegend zu betrachten.
Ebenso werden Fachleute einsehen, dass auch zusätzliche Bestandteile – wie z. B. die oben angeführten Bindemittel und Gleitmittel – in die durch das Vermengen 10 erzeugte Mischung einbezogen werden können, wenngleich solche Bindemittel und Gleitmittel minimal gehalten werden sollten, um eine Verunreinigung oder Verringerungen der magnetischen Eigenschaften zu vermeiden. Ebenso werden Fachleute einsehen, dass vor, nach oder in Verbindung mit dem oben erläuterten Vermengen 10 andere Schritte verwendet werden können; diese Schritte können das/die Schmelzen, Bandgießen, Wasserstoff-Dekrepitation, Pulverisieren, Mahlen und Sieben, wie oben erläutert, umfassen. In einer Form kann das Vermengen 10 die Verwendung eines Legierungspulvers auf Eisenbasis aus Dy oder Tb (z. B. zwischen etwa 15 Prozent und etwa 50 Gewichtsprozent Dy oder Tb) umfassen, das mit einem Pulver auf Nd-Fe-B-Basis gemischt wird.
Auf das Vermengen 10 kann ein Mahl- und Aktivierungsschritt 20 folgen, gefolgt von einem Verdichten mit geschlossenem Gesenk über Stoßbelastung 30, um einen verdichteten Presskörper zu erzeugen. Davon ausgehend wird eine Sinterung 40 verwendet, um eine metallurgische Bindung durch Erhitzen und Festkörperdiffusion zu begünstigen. Das Sintern 40 als solches – bei dem die Temperatur etwas unter jener liegt, die notwendig ist, um das Material zu schmelzen – ist so zu verstehen, dass es sich von anderen Hochtemperatur-Arbeitsschritten unterscheidet, welche ein Schmelzen beinhalten. Während des Sinterns kann es vorteilhaft sein, ein Vakuum (z. B. etwa 10^–3 Pa für eine Zeitspanne von 2 bis 8 Stunden, bei einem spezifischeren Bereich von 3 bis 6 Stunden) aufrechtzuerhalten, um 99 Prozent (oder mehr) der theoretischen Dichte zu erreichen. Wie Fachleute einsehen werden, können längere Sinter40-Zeiten die Sinterdichter weiter verbessern. Nach dem Sintern 40 können zusätzlich auch sekundäre Arbeitsschritte einschließlich einer mechanischen Bearbeitung 50 wie auch andere Schritte (nicht gezeigt) einschließlich Nachpressen, Gesenkdrücken, Klassifizieren, Abgraten, Oberflächendruckhämmern, Fügen, Putzen oder dergleichen verwendet werden. Darüber hinaus können oxidationsverhindernde Schritte wie z. B. durch die Zugabe einer Oxid- oder ähnlichen Beschichtung in bestimmen Fällen, z. B., wenn ein Warmschmieden als einer der mechanischen Bearbeitungs(50)-Schritte nach dem Sintern 40 verwendet wird, zum Einsatz kommen.
Es wird bevorzugt ein Magnetfeld 25 zur Unterstützung der Bildung des Materials verwendet, welches dem Mahl- und Aktivierungsschritt 20 unterzogen wurde. Dies geschieht vor (oder in Verbindung mit) der Stoßbelastung 30, um das Ausrichten des Pulvers unter einem Magnetfeld (bevorzugt zwischen etwa 1,5 bis etwa 2 Tesla) zu unterstützen. Das Magnetfeld wird bewirken, dass sich die einzelnen magnetischen Partikel der Mischung ausrichten, sodass der fertige Magnet eine bevorzugte Magnetisierungsrichtung aufweisen wird.
In einer Form kann die Verwendung eines Gleitmittels (nicht gezeigt) dabei hilfreich sein, Bruchbildungsprobleme zu vermeiden, die infolge des in der Stoßbelastung 30 inhärenten hohen Druckes entstehen können. Es kann z. B. eines der Legierungspulver 10A bis 10N ein Gleitmittel, bevorzugt in einer Menge von bis zu etwa 2 Gewichtsprozent, enthalten, das dem Pulver 10A bis 10N vor der Einbringung in das Werkzeug beigemischt werden kann. Das Gleitmittel abhängig von den übrigen Verarbeitungsparametern bevorzugt mit einem anorganischen (z. B. Bornitrid, Molybdändisulfid oder Wolframdisulfid) oder einem organischen (z. B. Zinkstearat oder Paraffinwachs) Träger verwendet.
Wie oben erwähnt, ist es vorzuziehen, kleine Magnetteile anstelle von großen Materialblöcken herzustellen, von denen dann kleinere Stücke entnommen werden. In einer Form sind die kleinen Magnetteile ungefähr 2 Zentimeter lang und etwa 5 Millimeter dick und werden in endformnaher Form (die in einer Form allgemein linear, in einer anderen hingegen etwas gekrümmt sein kann) erzeugt. Da Oxidation bei diesen Teilen ein Problem darstellt, ist es vorteilhaft, zumindest einige der Schritte in einer luftleeren Umgebung wie z. B. der als Vakuum 70 gezeigten auszuführen, wobei allerdings das Erhitzen und die gleichzeitige Diffusion, welche mit dem Evakuierungsprozess einhergeht, dazu neigt, einen Verlust von SE-Materialien von der Oberfläche zu verursachen. Aus diesem Grund kann eine Schutzschicht oder -beschichtung 60 verwendet werden, um solch eine Dy- oder Tb-Verarmung während des Sinterns 40 zu verhindern. In einer Form ist die Schutzbeschichtung 60 eine Keramikbeschichtung, die ausgestaltet ist, um hohe thermische Isolier- und Oxidationsbeständigkeits-Eigenschaften aufzuweisen. Es kann z. B. eine Aufschlämmung verwendet werden, die aus einer Mischung von Keramik- und Mineralpartikeln besteht, welche in einer Lösung auf organischer Basis (z. B. Ethanol oder Aceton) aus Natriumsilikat suspendiert sind. In einer Form kann die Mischung (bezogen auf das Gewicht) etwa 55 bis 65 Prozent Siliziumoxid, etwa 25 bis 35 Prozent Magnesiumoxid, etwa 2 bis 8 Prozent Kaolin und etwa 2 bis 8 Prozent Montmorillonit umfassen. Etwa 20 bis 40 Prozent der Lösung, bezogen auf das Gewicht, umfassen gelöstes Natriumsilikat mit einem molaren Siliziumoxid/Natriumoxid-Verhältnis zwischen etwa 2,5 und 3,8. Auf diese Weise enthält die Aufschlämmung bezogen auf das Gewicht etwa 40 bis 48 Teile der Lösung. Diese Aufschlämmung kann verwendet werden, um die Magnete zu beschichten, wonach beide bei einer langsamen Rate (z. B. zwischen etwa 1°C pro Minute und 5°C pro Minute) vor dem Sintern 40 erhitzt werden; auf diese Weise werden eine vollständige Entwässerung des Natriumsilikats wie auch Reaktionen zwischen den Keramikpartikeln und dem Natriumsilikat begünstigt. Dieses langsame Erhitzen könnte unter Vakuum in Verbindung mit dem Sintern 40 als eine Möglichkeit erfolgen, Energie zu sparen.
Es ist darauf zu achten, sicherzustellen, dass jegliche aufgebrachte Beschichtung 60 frei von dem Vorhandensein jeglicher Restflüssigkeit oder Aufschlämmung ist, bevor sie dem Ofen ausgesetzt wird, der gemeinsam mit dem Vakuum 70 verwendet wird, um eine Wärmebehandlung bereitzustellen, um Verflüchtigungsprobleme während des anschließenden Sinterns 40 zu vermeiden. Als solches würde ein Ansatz (wie z. B. jener, der in dem vorhergehenden Absatz erläutert wurde), der verwendet wird, um vor dem Sintern 40 eine Schutzbeschichtung 60 auf den Magneten anzuordnen, um den Verlust von Oberflächenelementen wie z. B. Dy und anderen SE zu verhindern, ein organisches (anstelle eines anorganischen) Lösungsmittel als ein Bindemittel einsetzen. In einer bevorzugten Form wird die Beschichtung 60 über einen Sprühnebel, bevorzugt bis zu einer Dicke zwischen 10 und 500 Mikrometer als eine Möglichkeit aufgebracht, die Reaktion der SE-Elemente während des Sinterns 40 zu reduzieren oder zu eliminieren, wie auch die Freisetzung der SE-Elemente in das Vakuum 70 zu reduzieren oder zu eliminieren.
In einer bevorzugten Form ist die Schutzbeschichtung 60 eine temporäre Beschichtung, die nach dem Sintern 40 und der Wärmebehandlung, die in Verbindung mit dem (oder als Teil des) Vakuum(s) 70 verwendet wird, (z. B. durch Abstrahlen oder dergleichen) entfernt werden kann. Wenngleich die Verbindung, welche die Schutzschicht ausmacht, als Natriumsilikat enthaltend erwähnt ist, wird für Fachleute einzusehen sein, dass eine andere keramikähnliche Substanz, die ein inertes Verhalten bei Sintertemperaturen zeigt, verwendet werden kann; einige wenige solcher Beispiele sind Aluminiumoxid oder Dysprosiumsulfid. Des Weiteren könnten einige der Beschichtungszusammensetzungen dauerhaft als eine oxidationsbeständige Schutzbeschichtung auf den Magneten belassen werden.
Als Nächstes Bezug nehmend auf 1B liegt die für den Stoßbelastungs30-Abschnitt des Prozesses 1 verwendete Einrichtung in der Form eines Verdichtungswerkzeuges 130 zum Produzieren einer Stoßwellenverdichtung vor. Das Verdichtungswerkzeug 130 umfasst ein Gehäuse 131, das eine Kammer 132 bildet. Es ist ein feststehendes unteres Werkzeug 133 und ein bewegliches oberes Werkzeug 134 vorhanden. Das bewegliche obere Werkzeug 134 ist auf einem Verdichtungskolben 135 positioniert, der wiederum auf eine Explosion, Feder oder ein anderes Medium (nicht gezeigt) anspricht, welches verwendet wird, um eine Hochgeschwindigkeitsbewegung auf den Verdichtungskolben 135 zu übertragen. Das durch das Vermengen 10 erzeugte pulverisierte Material wird in dem unteren Werkzeug 133 angeordnet, sodass eine von dem Verdichtungskolben 135 auf das pulverisierte Material übertragene Stoßwelle einen dichten, endformnahen Presskörper bildet.
Bei der Stoßbelastungsverdichtung sind ebene Stoßwellen wegen ihrer Fähigkeit bevorzugt, gesteuerte Wellen und infolgedessen eine maximale und gleichmäßige Verdichtung durch das soeben verdichtete Teil hindurch bereitzustellen. In dem Fall einer (unter Hochspannung und Starkstrom) durch eine explosive verdampfte Aluminiumfolie oder freigegebene Feder angetriebenen Stoßbelastung wird die Belastung an der Oberseite des Verdichtungswerkzeuges 130 ausgelöst und es wird zugelassen, dass Stoßwellen über die Länge des soeben verdichteten Pulvers 10 nach unten laufen. Die Stoßwellenfront verdichtet das zwischen dem oberen und dem unteren Werkzeug 134, 133 eingeschlossene Pulver in eine feste Form. Der durch die Stoßwellenfront ausgeübte Druck ist üblicherweise viel größer als die Scherspannung des soeben verdichteten Pulvers 10. Dies bewirkt eine plastische Verformung des Pulvers 10 und die Verdichtung des Formteiles infolge des plastischen Fließens des Materials und des Zusammenbrechens von Hohlräumen. Die Reibung zwischen den Partikeln, die Verformungswärme und der Hochgeschwindigkeitsaufprall einzelner Partikel, die durch die Stoßwellenfront verursacht werden, führen zu der Bindung der Partikel an benachbarte Partikel, sodass Formteile mit einer Dichte nahe der theoretischen hergestellt werden können. Somit kann die erzeugte Enddichte des Magneten zumindest etwa 95 Prozent der theoretischen Dichte oder zumindest etwa 96 Prozent oder zumindest etwa 97 Prozent oder zumindest etwa 98 Prozent oder zumindest etwa 99 Prozent betragen, was alles der theoretischen Dichte von etwa 7,5 g/cm³ nahekommt.
Die Stoßverdichtung weist eine Reihe von Vorteilen verglichen mit herkömmlichen Pressverfahren auf. Sie ist z. B. nicht auf Kleinserienanwendungen beschränkt und die ursprünglichen Pulvereigenschaften können in dem Formteil beibehalten werden. Es können Teile mit besonderen Zusammensetzungen (einschließlich nicht stöchiometrische Zusammensetzungen) und Ungleichgewichtsstrukturen erzeugt werden. Ebenso kann (wie oben erwähnt) die begleitende adiabatische Wärmeerzeugung dabei hilfreich sein, ein lokales Schmelzen von Pulvern bereitzustellen, um dadurch mit Materialvorläufern (wie z. B. Keramiken) verwendbar zu sein, die andernfalls nicht kompatibel sein könnten.
Bei einer Explosionsstoßverdichtung kann eine Schicht aus einem Opfermetall zwischen dem Pulver 10 und dem Sprengstoff angeordnet werden. In einer Form kann diese Schicht aus einer Platte hergestellt werden, die aus Stahl oder einem anderen Metall hergestellt ist. In einer anderen Form kann sie je nach Teilegeometrie ein Teil des Werkzeuges 130 sein. Es kann sein, dass für den Federfreigabemechanismus ein Teil des Werkzeuges 130 zwischen dem Pulver 10 und der Feder (nicht gezeigt) erforderlich ist.
Typischerweise verwendet der Stoßbelastungsprozess nur einen Hub und ein Werkzeug und erzeugt einen oder mehrere Teile. Es können jedoch mehrere Hübe verwendet werden, falls erforderlich. Dies trifft insbesondere für die Verwendung einer Federfreigabe-Stoßbelastungsmaschine zu.
Wie oben in Verbindung mit 1A angeführt kann das Teil, sobald es die Stoßbelastung 30 durchlaufen hat, einem Sintern 40 unterworfen werden, um seine Dichte und Festigkeit zu verbessern. Wie oben erwähnt, wird das Teil typischerweise bei einer langsamen Rate von etwa 1°C/min bis 5°C/min auf eine Temperatur innerhalb eines Bereiches zwischen etwa 900°C und etwa 1200°C für etwa 1 bis etwa 10 Stunden erhitzt. Im Spezielleren kann die Aufheizrate zwischen etwa 2°C/min und 5°C/min betragen. In Verbindung mit dem Sintern kann ein Auslagern erfolgen. Eine durchschnittliche Sintertemperatur als solche beträgt etwa 1050°C bei einer typischen Sinter- und Auslagerungszeit von etwa 5 bis 30 Stunden. Das typische Sintervakuum liegt in dem Bereich von etwa 10^–3 bis etwa 10^–5 Pascal. Diese längeren Sinterzeiten können die Sinterdichte deutlich verbessern, während die langsamen Aufheizraten eine vollständige Entwässerung des Aufschlämmungsmaterials begünstigen. Wie bei anderen Formen der Pulvermetallurgieverarbeitung kann ein Kühlplan verwendet werden, bei dem die gesinterte und verdichtete Komponente im Verlauf mehrerer Stunden abgekühlt wird.
Das Verdichtungswerkzeug 130 kann aus einem Warmarbeitsstahl (z. B. D2-Stahl), rostfreiem Stahl, einer Wolframlegierung, einer Superlegierung auf Ni-Basis oder einem anderen Material mit einer hohen Festigkeit bei hohen Temperaturen hergestellt sein.
Als Nächstes Bezug nehmend auf die 2 und 3 sind ein Abschnitt eines Permanentmagnet-Elektromotors 200 und ein Fahrzeug 300, das solch einen Motor 200 verwendet, gezeigt, während zu Vergleichszwecken zusätzlich ein Induktionsmotor 400 gezeigt ist. In der vorliegenden Form ist das Fahrzeug 300 als hybridgetriebenes Fahrzeug (auch als ein Hybridfahrzeug (HEV, von hybrid electric vehicle) oder ein Elektrofahrzeug mit verlängerter Reichweite (EREV, von extended range electric vehicle) bekannt, welches Teil einer größeren Klasse von Fahrzeugen ist, die als Elektrofahrzeuge (EV, von electric vehicle) bezeichnet werden) ausgestaltet, wobei der Motor 200 mit einer Brennstoffzelle (nicht gezeigt) oder einem Batteriesatz 210 zusammenwirkt, um Antriebsleistung an die Räder des Fahrzeuges 300 zu liefern. Es kann auch eine traditionelle Brennkraftmaschine (ICE, von internal combustion engine) 202 verwendet werden; solch eine Maschine kann direkt mit einem Antriebsstrang gekoppelt sein, um Leistung an die Räder zu liefern, oder kann mit dem Motor 200 gekoppelt sein, um Wellenleistung in elektrische Leistung umzuwandeln. Unter spezieller Bezugnahme auf 2 zeigt eine aufgeschnittene Ansicht entlang der axialen Dimension des Motors 200 einen Stator 201, der aus einem magnetisch kompatiblen [engl.: compatable] Material (z. B. Eisen) hergestellt ist, und einen Rotor 202. Der Stator 201 definiert eine Vielzahl von radial verlaufenden Zähnen 203, die eine Abstützung für viele Ankerwicklungen 204 bereitstellen. In einer fiktiven Ausführungsform ist die Anzahl von Zähnen 203 dabei hilfreich, eine Struktur zu definieren, die abhängig von der Anzahl der Ankerwicklungen 204 eine Mehrphasenausgestaltung ergibt. Es wird für Fachleute einzusehen sein, dass die Strom führenden Drähte, welche die Wicklungen 204 ausmachen, traditionelle U-Phasen-, V-Phasen- und W-Phasen-Ausgestaltungen definieren, welche um die Zähne 203 herum gewickelt sein können. Um den Umfang des Rotors 202 herum sind zahlreiche SE-Permanentmagnete 206 angeordnet, sodass sie in magnetischer Verbindung mit dem durch die Wicklungen auf dem Stator 201 erzeugten Feld stehen. Um der Klarheit willen sind Vergleiche zwischen der Permanentmagnet-Ausgestaltung 200 und der Induktionsausgestaltung 400 gezeigt.
Überdies unterstreicht ein Vergleich eines Permanentmagnetmotors 200 und eines Induktionsmotors 400, wo in dem Ersteren gemäß der vorliegenden Erfindung hergestellte Permanentmagnete 206 verwendet werden können. Der Induktionsmotor 400 verwendet einen Rotor 402 mit Rotorwicklungen 407, die mit vergleichbaren Wicklungen 404 in dem Stator 401 zusammenwirken, sodass Änderungen des Stromes in den Wicklungen 404 eine Drehbewegung in dem Rotor 402 und der Welle 405 auslösen. Es wird für Fachleute einzusehen sein, dass der in 3 gezeigte Motor geeignet ausgestaltet sein kann, um als ein Permanentmagnetmotor zu fungieren. In einer alternativen Ausgestaltung (nicht gezeigt) der in 2 gezeigten Vorrichtung können die Permanentmagnete 206, anstatt in dem Rotor 202 gebildet zu sein, in dem Stator 201 gebildet sein; es wird für Fachleute einzusehen sein, dass jede Variante zur Verwendung mit den gemäß der vorliegenden Erfindung hergestellten Magnete 206 geeignet ist.
Es wird darauf hingewiesen, dass Ausdrücke wie „bevorzugt”, „üblicherweise” und „typischerweise” hierin nicht verwendet werden, um den Schutzumfang der beanspruchten Erfindung einzuschränken oder zu implizieren, dass gewisse Merkmale kritisch, wesentlich oder sogar wichtig für die Struktur oder Funktion der beanspruchten Erfindung sind. Vielmehr sollen diese Ausdrücke lediglich alternative oder zusätzliche Merkmale hervorheben, die in einer speziellen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung verwendet werden können oder nicht.
Es wird darauf hingewiesen, dass, um die vorliegende Erfindung zu beschreiben und zu definieren, der Ausdruck „im Wesentlichen” hierin verwendet wird, um den natürlichen Grad von Unsicherheit darzustellen, der einem/r beliebigen quantitativen Vergleich, Wert, Messung oder anderen Darstellung zugeordnet werden kann. Der Ausdruck „im Wesentlichen” wird hierin auch verwendet, um den Grad darzustellen, um den eine quantitative Darstellung von einer angegebenen Referenz abweichen kann, ohne dass dies zu einer Änderung in der grundlegenden Funktion des betrachteten Gegenstandes führt.
Nach der Beschreibung der Erfindung im Detail und durch Bezugnahme auf spezielle Ausführungsformen derselben wird einzusehen sein, dass Abwandlungen und Varianten möglich sind, ohne von dem Schutzumfang der Erfindung abzuweichen, der in den beiliegenden Ansprüchen definiert ist. Im Spezielleren, wenngleich einige Aspekte der vorliegenden Erfindung hierin als bevorzugt oder besonders vorteilhaft bezeichnet sind, wird in Erwägung gezogen, dass die vorliegende Erfindung nicht unbedingt auf diese bevorzugten Aspekte der Erfindung beschränkt ist.

Claims

Verfahren zum endformnahen Bilden eines Seltenerd-Permanentmagneten, wobei das Verfahren umfasst, dass: eine Vielzahl von Pulvern aus einem magnetischen Material in ein Werkzeug eingebracht wird; die Vielzahl von Pulvern gemischt wird, um ein vermengtes Pulver zu bilden; das vermengte Pulver in dem Werkzeug stoffverdichtet wird, um ein verdichtetes Pulver herzustellen; und das verdichtete Pulver gesintert wird.
Verfahren nach Anspruch 1, ferner umfassend, dass die Oxidation des verdichteten Pulvers reduziert wird, indem diesem vor dem Sintern eine Schutzschicht hinzugefügt wird.
Verfahren nach Anspruch 2 ferner umfassend, dass das verdichtete Pulver einer von einer Vakuumatmosphäre oder einer oxidativ inertisierten Atmosphäre ausgesetzt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei eine Dichte des verdichteten Pulvers zumindest etwa 90 Prozent einer theoretischen Dichte beträgt.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Sintern des verdichteten Pulvers aus einem magnetischen Material das Erhitzen bei einer Rate von etwa 1°C/min bis etwa 5°C/min auf eine Temperatur innerhalb eines Bereiches von etwa 900°C bis etwa 1200°C für etwa 1 bis etwa 10 h umfasst.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das zumindest eine der Vielzahl von Pulvern zumindest eines von Dysprosium und Terbium umfasst, sodass vor dem Stoßverdichten das zumindest eine von Dysprosium und Terbium in dem magnetischen Seltenerd-Materialpulver in einer Menge zwischen etwa 1 Gewichtsprozent und etwa 9 Gewichtsprozent vorhanden ist.
Verfahren zum Stoßverdichten eines Seltenerd-Permanentmagneten, wobei das Verfahren umfasst, dass: eine Mischung aus einem Neodym-Eisen-Bor-Pulver und einem Pulver, welches zumindest eines von Dysprosium und Terbium enthält, in ein Werkzeug eingebracht wird; ein Magnetfeld verwendet wird, um bevorzugt zumindest eines von dem Neodym-Eisen-Bor-Pulver und dem Pulver, welches zumindest eines von Dysprosium und Terbium enthält, auszurichten; die Pulver stoßverdichtet werden; und das verdichtete Pulver gesintert wird.
Verfahren nach Anspruch 7, wobei die Mischung ferner ein Gleitmittel in einer Menge von bis zu 2 Gewichtsprozent umfasst.
Verfahren nach Anspruch 8, wobei das Gleitmittel eines auf anorganischer Basis ist, welches zumindest eines von Bornitrid, Molybdändisulfid und Wolframdisulfid umfasst.
Verfahren nach Anspruch 8, wobei das Gleitmittel eines auf organischer Basis ist, welches zumindest eines von Zinkstearat und einem Paraffinwachs umfasst.