DE102013205437A1

DE102013205437A1 - Verfahren zum beschichten eines metallpulvers mit chemischer gasphasenabscheidung zum herstellen von permanentmagneten

Info

Publication number: DE102013205437A1
Application number: DE102013205437A
Authority: DE
Inventors: Yucong Wang
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2012-04-04
Filing date: 2013-03-27
Publication date: 2013-10-10
Also published as: US20130266472A1; JP2013243346A; CN103366942A

Abstract

Ein Verfahren zum Herstellen eines Permanentmagneten umfasst einen Schritt, dass ein Pulver mit einem metallhaltigen Dampf in Kontakt gebracht wird, um eine Beschichtung auf dem Pulver zu bilden. Das Legierungspulver umfasst Neodym, Eisen und Bor. Der metallhaltige Dampf umfasst eine Komponente, die aus der Gruppe gewählt ist, welche aus Dysprosium, Terbium, Eisen und Legierungen daraus besteht. Aus dem beschichteten Pulver wird durch Verdichten, Sintern und eine anschließende Wärmebehandlung ein Permanentmagnet gebildet.

Description

GEBIET DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft in zumindest einem Aspekt ein Legierungsbeschichtungspulver zum Herstellen von Permanentmagneten mit verbesserten magnetischen Eigenschaften und reduzierter Verwendung von Dysprosium und/oder Terbium. Die vorliegende Erfindung betrifft insbesondere verbesserte und kostengünstigere Verfahren zum Herstellen von beschichteten Pulvern zur Fertigung von Permanentmagneten.
HINTERGRUND
Permanentmagnete werden in verschiedensten Bereichen wie z. B. der Mikroelektronik, Autos, medizinischen Vorrichtungen, der Stromerzeugung und dergleichen verwendet. Permanentmagnete werden typischerweise aus harten magnetischen Materialien gebildet, die auch in der Automobil-, Luftfahrt- und Telekommunikationsindustrie Anwendung finden. Seltenerd-Magnete wie z. B. Nd-Fe-B weisen eine höhere Energiedichte auf als andere harte Magnete. Überdies werden solche Magnete in Automobilanwendungen wie z. B. Starter, kleinen Motoren, Drehstromgeneratoren, Sensoren, Anzeigen und Elektro- und Hybridfahrzeug-Antriebssystemen verwendet.
Seltenerd-Magnete werden üblicherweise aus Pulvermetallen hergestellt, indem sie unter Druck zu einer Form gebildet und anschließend gesintert werden. Die überwältigende Mehrheit von harten Magneten wird aus Ferrit und Nd-Fe-B gebildet. Ferrit ist weniger kostspielig, weist aber nur mäßige magnetische Eigenschaften auf. Dieses Material wird hauptsächlich in Anwendungen verwendet, wo die Größe und das Gewicht keine planungstechnischen Hauptüberlegungen darstellen.
Die intrinsischen Eigenschaften, die für hochfeste Permanentmagneten erforderlich sind, umfassen eine hohe Sättigungsmagnetisierung, eine große magnetokristalline Anisotropie und eine angemessene hohe Curie-Temperatur. Diese Eigenschaften werden stark von extrinsischen Faktoren w. z. B. der Mikrostruktur beeinflusst. Die Materialeigenschaften (z. B. die magnetischen Eigenschaften), die von der Mikrostruktur beeinflusst werden, umfassen Phasen, Korngrößen, die Kornmorphologie und die Orientierung. Wenn die Korngröße unter einer bekannten kritischen Grenze liegt, welche als Einbereichsgrenze bekannt ist, ist eine Entmagnetisierung schwieriger, was zu exzellenten harten magnetischen Eigenschaften führt. Die Einbereichsgrenze steht mit spezifischen intrinsischen magnetischen Eigenschaften einschließlich der Anisotropie-Konstanten und der Sättigungsmagnetisierung in Beziehung. Für Nd-Fe-B-Magneten liegt die Einbereichsgrenze bei etwa 300 nm.
Die bevorzugte kommerzielle Technik zur Erzeugung einer feinen Mikrostruktur ist das Schmelzspinnen. Abhängig von den Verarbeitungsparametern erzeugt das Schmelzspinnen eine Mikrostruktur, die von feinen, gleichachsigen Körnern in der Größenordnung von 20–30 nm bis zu einer amorphen Struktur reicht, welche während des Erstarrens kristallisiert. Es ist jedoch entscheidend, eine möglichst feine Mikrostruktur beim weiteren Bearbeiten beizubehalten, um die magnetischen Eigenschaften zu optimieren. Anisotrope Magnete werden mit Körnern in einer bevorzugten kristallographischen Ausrichtung hergestellt. Ein hoher Grad kristallographischer Ausrichtung hat energiereiche Produkte zur Folge. Der Abbau in der Mikrostruktur und die begrenzte erreichbare kristallographische Ausrichtung begrenzen handelsübliche Energieprodukte auf etwa 50 Megagauss-Oersted (MGOe) verglichen mit dem theoretischen Maximum von 64 MGOe.
Gesinterte Nd-Fe-B-Permanentmagnete besitzen sehr gute magnetische Eigenschaften bei niedrigen Temperaturen. Nach der Magnetisierung befinden sich Permanentmagnete in einem thermodynamischen Ungleichgewichtszustand. Jegliche Änderungen der äußeren Bedingungen, insbesondere der Temperatur, haben einen Übergang in einen anderen, stabileren Zustand zur Folge. Diese Übergange werden typischerweise von Änderungen der magnetischen Eigenschaften begleitet. Infolge der niedrigen Curie-Temperatur der Nd₂Fe₁₄B-Phase nehmen die magnetische Remanenz und die Eigenkoerzitivkraft mit erhöhter Temperatur schnell ab. Es gibt zwei übliche Ansätze zur Verbesserung der thermischen Stabilität von Nd-Fe-B-Permanentmagneten und zur Erhöhung der magnetischen Eigenschaften, um kompakte, leichtgewichtige und leistungsstarke Motoren für Hybrid- und Elektrofahrzeuge zu erhalten. Ein Ansatz besteht darin, die Curie-Temperatur durch den Zusatz von Co zu erhöhen, das in der Nd₂Fe₁₄B-Phase vollständig löslich ist. Allerdings nimmt die Koerzitivkraft der Nd-Fe-B-Magneten mit Co ab, möglicherweise wegen der Keimbildungsstellen für Umkehrbereichen. Der zweite Ansatz besteht in dem Zusatz von Seltenerd-Elementen. Es ist bekannt, dass der Austausch von Dysprosium gegen Neodym oder Eisen in Nd-Fe-B-Permanentmagneten Erhöhungen des anisotropen Feldes und der Eigenkoerzitivkraft und eine Herabsetzung der Sättigungsmagnetisierung zur Folge hat (C. S. Herget, Metal, Poed. Rep. V. 42, S. 438 (1987); W. Rodewald, J. Less-Common Met., VIII, S. 77 (1985); und D. Plusa, J. J. Wystocki, Less-Common Met. V. 133, S. 231 (1987). Man nimmt an, dass sobald ein Keim eines umgekehrten Bereiches an der Oberfläche des Korns erscheint, unmittelbar eine magnetische Umkehr des gesamten Korns stattfindet. Ein magnetischer Umkehrbereich kommt nur von der Korngrenze. Falls es möglich ist, Dysprosium (Dy) gleichmäßig um die Korngrenze herum zu verteilen, sollte die Koerzitivkraft erhöht sein und die Remanenz sollte sich kaum andern. Es ist daher eine allgemeine Praxis, die schweren Seltenerd-Metalle wie z. B. Dysprosium (Dy) oder Terbium (Tb) vor dem Schmelzen und Legieren in die gemischten Metalle hinzuzufügen. Allerdings sind Dy und Tb sehr selten und kostspielig. Schwere SE enthalten nur etwa 2–7% Dy. Der Preis für Dy ist in letzter Zeit stark gestiegen. Tb, das benötigt wird, wenn noch höhere magnetische Eigenschaften erforderlich sind, ist sogar noch kostspieliger als Dy.
Die ideale Mikrostruktur für gesinterte Magnete auf Nd-Fe-B-Basis sind Fe₁₄Nd₂B-Körner, die durch die nicht-ferromagnetische Nd-reiche Phase (einer eutektischen Matrix aus hauptsächlich Nd plus einige Fe₄Nd_1,1B₄ und Fe-Nd-Phasen, stabilisiert durch Verunreinigungen) völlig isoliert sind. Der Zusatz von Dy und/oder Tb führt zu der Bildung von ganz anderen ternären intergranularen Phasen auf der Basis von Fe, Nd und Dy oder Tb. Diese Phasen befinden sich in dem Korngrenzengebiet und an der Oberfläche der Fe₁₄Nd₂B-Körner.
Jeder Zusatz von Elementen, um die magnetische Eigenschaft zu verbessern, sollte die folgenden Bedingungen erfüllen: 1) die intermetallische Phase sollte nicht ferromagnetisch sein, um die ferromagnetischen Körner zu trennen; 2) die intermetallische Phase muss einen niedrigeren Schmelzpunkt aufweisen als die Nd₂Fe₁₄B-Phase, um ein dichtes Material mittels Flüssigphasen-Sintern herzustellen; und 3) die Elemente sollten eine geringe Löslichkeit in Nd₂Fe₁₄B aufweisen, um gute magnetische Eigenschaften beizubehalten. Es ist bekannt, dass die Koerzitivkraft stark von der Morphologie der Grenzphasen zwischen Nd₂Fe₁₄B-Körnern beeinflusst wird.
Es besteht demgemäß Bedarf an verbesserten Verfahren zum Herstellen von Permanentmagneten wie z. B. Nd-Fe-B-Permanentmagneten.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung löst ein oder mehrere Probleme des Standes der Technik, indem sie in zumindest einer Ausführungsform ein Verfahren zum Herstellen eines Permanentmagneten vorsieht. Das Verfahren umfasst einen Schritt einer chemischen Gasphasenabscheidung (CVD, vom engl. chemical vapor deposition), um ein Pulver mit einem metallhaltigen Dampf in Kontakt zu bringen, um eine Beschichtung auf einem Pulver zu bilden. Das Legierungspulver umfasst Neodym, Eisen und Bor. Der metallhaltige Dampf umfasst eine Komponente, die aus der Gruppe gewählt ist, welche aus Dysprosium, Terbium, Eisen und Legierungen daraus besteht. Aus dem beschichteten Pulver wird durch Verdichten, Sintern und eine anschließende Wärmebehandlung ein Permanentmagnet gebildet.
In einer anderen Ausführungsform ist ein Verfahren zum Herstellen eines Permanentmagneten vorgesehen. Das Verfahren umfasst einen CVD-Schritt, um eine Pulver mit einem metallhaltigen Dampf in Kontakt zu bringen, um eine Beschichtung auf dem Pulver zu bilden, wobei das Pulver Neodym, Eisen und Bor umfasst. Der metallhaltige Dampf umfasst eine Komponente, die aus der Gruppe gewählt ist, welche aus Dysprosium, Terbium, Eisen und Legierungen daraus besteht. Das Pulver und/oder der metallhaltige Dampf wird/werden mit Licht bestrahlt, um das Beschichten des Pulvers zu induzieren. Aus dem beschichteten Pulver wird ein Permanentmagnet gebildet.
CVD-Prozesse haben eine Anzahl von wichtigen Vorteilen gegenüber physikalischen Gasphasenabscheidungs(PVD)-Prozessen. CVD-Prozesse sind typischerweise schneller, weisen keine Sichtlinienabscheidung auf, lassen dickere Beschichtungen zu und sind wirtschaftlicher. Die CVD-Ausrüstung ist relativ einfach, erfordert kein Ultrahochvakuum und kann im Allgemeinen an viele Prozessvarianten angepasst werden. Ihre Anwendung ist jedoch auf Substrate beschränkt, die bei hohen Temperaturen ohne die Einbringung eines Plasmas (600°C oder höher) thermisch stabil sind.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Exemplarische Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden aus der detaillierten Beschreibung und den beiliegenden Zeichnungen ersichtlich, in denen:
1 ein Flussdiagramm ist, welches ein Verfahren zum Herstellen eines Permanentmagneten veranschaulicht;
2 eine schematische Veranschaulichung eines chemischen Gasphasenabscheidesystems ist, welches Mikrowellenenergie verwendet;
3 eine schematische Veranschaulichung eines chemischen Gasphasenabscheidesystems ist, welches Licht (Photolaser-CVD) verwendet, um eine Beschichtungsbildung zu induzieren; und
4 eine schematische Veranschaulichung des Betriebes eines thermischen Laser-CVD-Systems ist.
BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Nunmehr wird im Detail Bezug auf zur Zeit bevorzugte Zusammensetzungen, Ausführungsformen und Verfahren der vorliegenden Erfindung genommen, welche die besten Arten, die Erfindung praktisch umzusetzen, darstellen, die den Erfindern derzeit bekannt sind. Die Fig. sind nicht unbedingt maßstabgetreu. Es ist jedoch einzusehen, dass die offenbarten Ausführungsformen lediglich beispielhaft für die Erfindung sind, die in verschiedenen und alternativen Formen ausgeführt sein kann. Daher sind hierin offenbarte Einzelheiten nicht als einschränkend, sondern rein als eine repräsentative Basis für jeden Aspekt der Erfindung und/oder als eine repräsentative Basis, um einem Fachmann zu vermitteln, wie er die vorliegende Erfindung auf verschiedene Weise einsetzen kann, zu betrachten.
Außer in den Beispielen, oder wo anderweitig ausdrücklich angegeben, sind alle numerischen Größen in dieser Beschreibung, die Mengen bzw. Beträge von Reaktions- und/oder Gebrauchsmaterial oder -bedingungen angeben, so zu verstehen, dass sie durch das Wort „etwa” zur Beschreibung des Schutzumfanges im weitesten Sinne der Erfindung modifiziert sind. Die Praxis innerhalb der angegebenen numerischen Grenzen wird allgemein bevorzugt. Außerdem, wenn nicht ausdrücklich das Gegenteil angegeben wird: impliziert Prozent, „Teile von” und Verhältniswerte pro Gewicht; die Beschreibung einer Gruppe oder Klasse von Materialien als geeignet oder bevorzugt für einen gegebenen Zweck in Verbindung mit der Erfindung, dass Mischungen aus zwei oder mehreren der Mitglieder der Gruppe oder Klasse gleichermaßen geeignet oder bevorzugt sind; die Beschreibung von Bestandteilen in chemischer Hinsicht bezieht sich auf die Bestandteile zum Zeitpunkt der Zugabe zu einer beliebigen Kombination, die in der Beschreibung angegeben ist, und schließt chemische Wechselwirkungen zwischen den Bestandteilen einer Mischung, sobald sie gemischt ist, nicht unbedingt aus; die erste Definition eines Akronyms oder einer anderen Abkürzung trifft auf alle nachfolgenden Verwendungen derselben Abkürzung hierin zu und trifft sinngemäß auf die normalen grammatikalischen Varianten der anfänglich definierten Abkürzung zu; und, wenn nicht ausdrücklich das Gegenteil angegeben wird, wird die Messung einer Eigenschaft durch dieselbe Technik bestimmt, wie zuvor oder später für dieselbe Eigenschaft angeführt.
Es sollte auch einzusehen sein, dass die Erfindung nicht auf die spezifischen Ausführungsformen und Verfahren beschränkt ist, die unten stehend beschrieben sind, da spezifische Komponenten und/oder Bedingungen selbstverständlich variieren können. Des Weiteren wird die hierin verwendete Terminologie nur zum Zweck der Beschreibung bestimmter Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung verwendet, und soll in keiner Weise einschränkend sein.
Es ist auch anzumerken, dass, wie in der Beschreibung und den beigefügten Ansprüchen verwendet, die Einzahlform „ein/e” und „der/die/das” die Mehrzahlformen umfassen, es sei denn, der Kontext bringt deutlich das Gegenteil zum Ausdruck. Zum Beispiel soll die Bezugnahme auf eine Komponente in der Einzahl eine Vielzahl von Komponenten umfassen.
Mit Bezugnahme auf 1 ist ein Flussdiagramm vorgesehen, welches ein Verfahren zum Herstellen eines Permanentmagneten veranschaulicht. Das Verfahren umfasst einen chemischen Gasphasenabscheidungsschritt, in dem ein Legierungspulver 10 mit einem metallhaltigen Dampf 12 in Kontakt gebracht wird, um ein beschichtetes Pulver 14 zu bilden, in dem eine Beschichtung 16 auf den Partikeln des Legierungspulvers abgeschieden ist. In verschiedenen Verfeinerungen kann der CVD-Schritt thermisch aktiviert, photoaktiviert/unterstützt, mikrowellenaktiviert oder durch Kombinationen aus diesen aktiviert werden. In dem CVD-Prozess wird die Beschichtung 16 über den Dampftransport und die chemische Reaktion aus der Gasphase auf dem erhitzten Legierungspulver gebildet. In einer Verfeinerung wird das Substrat auf eine Temperatur zwischen etwa 300 und etwa 1100°C erhitzt. Die Abscheidungsspezies sind typischerweise Ionen, Atome und/oder Moleküle oder eine Kombination daraus. Das Legierungspulver umfasst Neodym, Eisen und Bor. In einer speziell zweckdienlichen Verfeinerung wird der metallhaltige Dampf mit einem (durch Mikrowellen- oder Hochfrequenzstrahlung gebildetes) Plasma in Kontakt gebracht, um die Beschichtung des Pulvers zu induzieren. In einer Verfeinerung weist die Beschichtung eine Dicke zwischen etwa 10 nm und etwa 100 Mikrometer auf. In einer anderen Verfeinerung weist die Beschichtung eine Dicke zwischen etwa 100 nm und etwa 10 Mikrometer auf. In einer noch anderen Verfeinerung weist die Beschichtung eine Dicke zwischen etwa 30 nm und etwa 3 Mikrometer auf. Der metallhaltige Dampf umfasst eine Komponente, die aus der Gruppe gewählt ist, welche aus Dysprosium, Terbium, Eisen und Legierungen daraus besteht. Nach dem Verdichten in einer Form, dem Sintern und einer Wärmebehandlung wird aus dem beschichteten Pulver wird ein Permanentmagnet 18 gebildet. In einer Verfeinerung wird das beschichtete Pulver geformt, indem die Pulverkombination in einer Form 19 angeordnet wird. Die Pulverkombination wird üblicherweise während des oder nach dem Formen/s gepresst. Der Permanentmagnet umfasst typischerweise zwischen etwa 0,01 und etwa 8 Gewichtsprozent des Gesamtgewichts des Permanentmagneten Dysprosium und/oder Terbium. Die Oberflächenkonzentration an Dysprosium und/oder Terbium kann allerdings zwischen etwa 2 und etwa 50 Gewichtsprozent des Gesamtgewichts der Beschichtungsschicht betragen.
Magnete, welche mithilfe des vorliegenden Prozesses hergestellt werden, verwenden üblicherweise beträchtlich weniger Dy oder Tb als jene, welche herkömmliche Verfahren nach dem Stand der Technik verwenden, während ähnliche magnetische Eigenschaften erhalten werden. In dem vorliegenden Prozess werden die mit Dy oder Tb beschichteten Nb-Fe-B-Pulver verwendet, um einen Magnet herzustellen, der eine viel stärkere Verteilung von Dy oder Tb in den Korngrenzen aufweist, was mithilfe eines Rasterelektronenmikroskops mit einer Mikrosonde zu sehen sein und gemessen werden kann. Herkömmliche Verfahren verwenden Nb-Fe-B-Pulver mit Dy oder Tb als Legierungselemente, wobei Dy oder Tb typischerweise mikroskopisch gleichmäßig verteilt sind. Die vorliegende Erfindung verwendet eine ungleichmäßige Verteilung dieser Elemente, was ermöglicht, dass der vorliegende Prozess viel weniger Dy oder Tb für die ähnlichen magnetischen Eigenschaften verwendet. Die Menge an Dy und/oder Tb kann z. B. um etwa 20% oder mehr verglichen mit herkömmlichen Prozessen oder etwa 30% oder mehr oder etwa 40% oder mehr oder etwa 50% oder mehr oder etwa 60% oder mehr oder etwa 70% oder mehr oder etwa 80% oder mehr oder etwa 90% oder mehr reduziert werden.
Wie oben stehend dargelegt, gestattet es der Beschichtungsprozess der vorliegende Ausführungsform die durchschnittliche Dy- oder Tb-Konzentration zu reduzieren und ändert die Verteilung des Dy oder Tb in dem Magneten. Die durchschnittliche Dy- oder Tb-Konzentration kann in einem Bereich von etwa 0,3 bis etwa 5 Gew.-% oder etwa 0,3 bis etwa 4 Gew.-% oder etwa 0,3 bis etwa 3 Gew.-% verglichen mit etwa 6–9 Gew.-% für traditionelle Magnete mit ähnlichen stark magnetischen Eigenschaften liegen. Der Beschichtungsprozess erzeugt Pulverpartikel mit einer Dy- oder Tb-Oberflächenkonzentration von bis zu etwa 5 bis etwa 80 Gew.-% oder mehr und einer geringen Dy- oder Tb-Volumenkonzentration. In diesem Kontext bezieht sich eine Oberflächenkonzentration auf die Gewichtsprozent von Dy und/oder Tb in der das Legierungspulver beschichtenden Schicht. Der Beschichtungsprozess wird in die vorliegende Zubereitung für den Pulvermetallurgieprozess als ein zusätzlicher Schritt eingeführt.
In einer Variante der vorliegenden Ausführungsform wird das Legierungspulver wie folgt gebildet. Eine Legierung, welche Neodym, Eisen und Bor enthält, wird geschmolzen und schleudergegegossen, um Streifen zu bilden. Die Legierungsstreifen werden dann mit Wasserstoff dekrepitiert, indem die Legierung hydriert wird. Dieser Schritt wird typischerweise in einem Wasserstoffofen bei einem Druck von ungefähr 1 bis 5 atm durchgeführt, bis die Legierung dekrepitiert [deprecated] ist. Daraufhin wird die Legierung typischerweise in einem Vakuum bei einer erhöhten Temperatur (z. B. 300 bis 600°C) für 1 bis 10 Stunden dehydriert. Das Ergebnis der Hydrierung und Dehydrierung besteht darin, dass die Legierung zu einem groben Pulver, typischerweise mit einer durchschnittlichen Partikelgröße zwischen 1 mm und 4 mm dekrepitiert ist. Das grobe Pulver wird dann (mittels Stickstoffstrahlvermahlen) pulverisiert, um ein Ausgangspulver mit einer Partikelgröße zwischen 1 und 4 Mikrometer herzustellen. In einer Verfeinerung kann das Legierungspulver optional gesiebt und dann mit einem zweiten Legierungspulver gemischt werden, um die chemische Zusammensetzung anzupassen. Dann wird das Legierungspulver mithilfe eines physikalischen Gasphasenabscheidungsprozesses mit einer Dy und/oder Tb enthaltenden Schicht beschichtet. Das resultierende beschichtete Pulver kann optional erneut gesiebt werden.
In einer anderen Variante der vorliegenden Ausführungsform wird das beschichtete Pulver zu einem Permanentmagneten gebildet. In einer Verfeinerung werden Magnete mithilfe eines Pulvermetallurgieprozesses gebildet. Solche Prozesse beinhalten typischerweise das Einwiegen und Pressen unter einem Magnetfeld zur Pulverausrichtung (Vakuumfolieren), ein isostatisches Pressen, das Sintern in einer Form und das Auslagern (z. B. etwa 30 h bei etwa 800°C bis etwa 1100°C mit verschiedenen Temperaturstufen im Vakuum) und die mechanische Bearbeitung zu den fertigen Magnetstücken. Schließlich werden die Magnete üblicherweise einer Oberflächenbehandlung (z. B. Phosphatieren, stromloses Vernickeln, Epoxidbeschichten etc.) unterzogen.
Mit Bezugnahme auf 2 ist eine schematische Veranschaulichung eines chemischen Gasphasenabscheidesystems vorgesehen, das Mikrowellenenergie verwendet. Das CVD-Abscheidesystem 20 umfasst eine Kammer 22, die eine Gasreaktionszone 24 umfasst, welche metallhaltige Reaktandengase von einem Gasversorgungssystem 26 aufnimmt. Die metallhaltigen Reaktandengase werden einer von einem Mikrowellensystem 30 stammenden Mikrowellenstrahlung ausgesetzt. Das Mikrowellensystem 30 umfasst ein Magnetron 32, einen Zirkulator 34 und eine Stromversorgung 36. Das Mikrowellensystem 30 umfasst auch eine Mikrowelleneinspeisung 38 und einen Kurzschlussschieber 40. Die Mikrowellenstrahlung induziert die Bildung eines reaktiven Plasmas 42. Das CVD-Abscheidesystem 20 umfasst auch Magnete 44, 46, 48, 50, die das reaktive Plasma 42 intensivieren. Von dem reaktiven Plasma 42 wird ein aktiviertes metallhaltiges Gas 52 gebildet. Die Einbringung eines Plasmas reduziert die erforderliche Abscheidetemperatur und verbessert seine Abscheidegeschwindigkeit (von 800–1100°C auf 300 bis 700°C). Die vielen chemischen Reaktionen können in diesem CVD-Prozess verwendet werden. Eine CVD-Reaktion wird durch die folgenden Faktoren gesteuert: thermodynamische, Massentransport- und kinetische Überlegungen, die Chemie der Reaktion und die Verarbeitungsparameter Temperatur, Druck und chemische Aktivität. Es wird eine theoretische Analyse (oder Computermodellierung) dieser Faktoren verwendet, um den Reaktionsmechanismus (z. B. den Weg der Reaktion, wenn sie die Abscheidung bildet), die resultierende Zusammensetzung der Abscheidung (z. B. ihre Stöchiometrie) und die Struktur der Abscheidung (d. h. die geometrische Anordnung ihrer Atome) vorherzusagen. Diese Analyse kann Richtlinien für die Auswahl der geeigneten CVD-Parameter bereitstellen. Es sind zahlreiche Computer-Fluiddynamik-Codes verfügbar, um Reaktoren zu planen, welche die möglichen Ausbeuten aus einer gegebenen Reaktion maximieren, die oft kinetisch gesteuert ist. In diesem CVD-Prozess können verschiedene Plasmamechanismen zum Einsatz kommen. Als ein Beispiel wird die Mikrowellen-Glimmentladung bei einer Standardfrequenz von 2,45 GHz verwendet, wie in 2 veranschaulicht. Plasma-CVD-Systeme können auch eine Hochfrequenz (HF) mit Betriebsfrequenzen von 450 KHz bis 113,56 MHz verwenden. Andere Plasmaerzeugungstechniken können eine Elektronenzyklotron-Resonanz (ECR) und eine passende Kombination aus einem elektrischen Feld und einem Magnetfeld umfassen. Eine Zyklotron-Resonanz wird erreicht, wenn die Frequenz des alternierenden elektrischen Feldes mit der Eigenfrequenz der Elektronen übereinstimmt, welche die Kraftlinien des magnetischen Feldes umkreisen.
Weiterhin Bezug nehmend auf 2 gelangt das aktivierte metallhaltige Gas 52 mit dem Legierungspulver 54 in Kontakt und induziert dabei das Beschichten des Pulvers. Das Legierungspulver 54 ist eine lockere Struktur, sodass die Pulveroberflächen gleichmäßig beschichtet werden können. In einer Verfeinerung umfasst das Legierungspulver 54 Neodym, Eisen und Bor und das aktivierte metallhaltige Gas 52 (wie auch die metallhaltigen Reaktandengase von dem Gasversorgungssystem 26) umfasst eine Komponente, die aus der Gruppe gewählt ist, welche aus Dysprosium, Terbium, Eisen und Legierungen daraus besteht. Das CVD-Abscheidesystem 20 umfasst auch Heizeinrichtungen 60 zum Erhitzen des aktivierten metallhaltigen Gases 52 und einen Wasserkühlmantel 62 zum Kühlen des Legierungspulvers 54 und der reagierenden Gase. Die Verarbeitungstemperaturen liegen typischerweise im Bereich von 300 bis 700°C und der Druck beträgt zwischen 0,5 und 10 mTorr. In einer Verfeinerung beträgt der Druck zwischen 1 und 3 mTorr. Das CVD-Abscheidesystem 20 umfasst auch ein Vakuumsystem 64, um das System bei einem reduzierten Druck zu halten und um verbrauchte Reaktandengase abzulassen.
Mit Bezugnahme auf 3 ist eine schematische Veranschaulichung eines chemischen Gasphasenabscheidesystems vorgesehen, welches Licht (Photolaser-CVD) verwendet, um eine Beschichtungsbildung zu induzieren. Das Abscheidesystem 70 umfasst eine Abscheidekammer 72. Reaktandengase, die einen metallhaltigen Dampf bereitstellen, werden von einem Gasversorgungssystem 74 über eine Einlassdüse 76 in die Abscheidekammer 72 eingeleitet. Es wird eine Lichtquelle 80 verwendet, um Licht in die Abscheidekammer 72 einzuleiten, um eine Reaktion der Reaktandengase zu induzieren. Die Lichtquelle 80 ist typischerweise eine Laserlichtquelle. In einer Verfeinerung stellt die Lichtquelle 80 ultraviolettes Licht bereit, um das Beschichten des Legierungspulvers 82 zu induzieren/einzuleiten. 3 veranschaulicht auch Spiegel 75, 76 und ein Fenster 77. Ultraviolettes Licht weist eine hinreichende Photonenenergie auf, um die chemischen Bindungen in den Reaktandenmolekülen aufzubrechen. Diese Moleküle weisen ein breites Elektronenabsorptionsband auf und werden durch UV-Strahlung problemlos angeregt. Die Photonenenergien betragen zwischen 3,4 eV und 6,4 eV. Die Photo-Laser-CVD unterscheidet sich von der thermischen Laser-CVD dadurch, dass sie keine Hitze benötigt, da die Reaktion photonenaktiviert ist und die Abscheidung im Wesentlichen bei Raumtemperatur stattfindet. Allerdings ist ihre Abscheiderate verglichen mit der thermischen Laser-CVD langsam. In einer Verfeinerung tritt das eingeleitete Licht mit dem metallhaltigen Dampf und/oder dem Legierungspulver 82 in Kontakt, welches das Substrat darstellt. In einer Verfeinerung umfasst das Legierungspulver 82 Neodym, Eisen und Bor, und der metallhaltige Dampf umfasst eine Komponente, die aus der Gruppe gewählt ist, welche aus Dysprosium, Terbium, Eisen und Legierungen daraus besteht. Daher wird das Legierungspulver 82 schließlich mit einer Schicht beschichtet, die Dysprosium, Terbium, Eisen und Legierungen daraus umfasst. Optional wird eine Heizeinrichtung 84 verwendet, um das Legierungspulver 82 typischerweise auf Temperaturen von 200 bis 600°C zu erhitzen. Es wird ein Vakuumsystem 86 verwendet, um einen reduzierten Druck in der Kammer 72 aufrechtzuerhalten und um die verbrauchten Reaktandengase abzusaugen. In einer Verfeinerung betragen die Reaktionsdrücke zwischen etwa 1 Torr und 1 atm. In einer anderen Verfeinerung betragen die Reaktionsdrücke zwischen etwa 1 Torr und etwa 100 Torr. In einer noch anderen Verfeinerung betragen die Reaktionsdrücke zwischen etwa 0,001 mTorr und etwa 30 mTorr.
Mit Bezugnahme auf 4 ist eine schematische Veranschaulichung des Betriebes eines thermischen Laser-CVD-Systems vorgesehen. In dieser Variante wird das Legierungspulver durch die Wirkung eines Lichtstrahles 90 beschichtet, der mit dem Pulver in Kontakt tritt und es dabei erhitzt, um ein beschichtetes Pulver 92 zu bilden, wobei Gasnebenprodukte freigesetzt und schließlich ausgetragen werden. Die Wellenlänge des Lasers kann derart sein, dass wenig oder keine Energie von den Gasmolekülen absorbiert wird. Da das Substrat lokal erhitzt wird, ist die Abscheidung auf die erhitzte Region beschränkt. In einer Verfeinerung betragen die Substrattemperaturen zwischen etwa 25°C und etwa 300°C. In einer Verfeinerung bewegt sich der Lichtstrahl oder das Substrat so, dass ein Streifen des Legierungspulversubstrats beschichtet wird. In einer Verfeinerung betragen die Reaktionsdrücke zwischen etwa 1 Torr und 1 atm. In einer anderen Verfeinerung betragen die Reaktionsdrücke zwischen etwa 1 Torr und etwa 100 Torr. In einer noch anderen Verfeinerung betragen die Reaktionsdrücke zwischen etwa 0,001 mTorr und etwa 30 mTorr.
Die verschiedenen oben dargelegten Ausführungsformen verwenden einen metallhaltigen Dampf als einen Beschichtungsvorläufer. In einer Verfeinerung umfasst der metallhaltige Dampf eine Komponente, die aus der Gruppe gewählt ist, welche aus DyCl₃, TbCl₃, DyF₃, Dy₂S₃, TbF₃, Tb₂S₃, DyBr₃, TbBr₃, DyI₃, TbI₃, Dy(2,2,6,6-Tetramethyl-3,5-Heptandion)₃, Tb(2,2,6,6-Tetramethyl-3,5-Heptandion)₃, pi-Aren-Dy-Komplexen und pi-Aren-Tb-Komplexen besteht. Dysprosium kann beispielsweise mit vielen chemischen Reaktionen wie z. B. einer Wasserstoffreduktion von Chlorid- oder Fluorid-Verbindungen wie auch den folgenden chemischen Reaktionen abgeschieden werden:
2DyCl₃ + 3H₂ → 2Dy + 6HCl
2DyCl₃ → 2Dy + 3Cl₂
DyCl₂ → Dy + Cl₂
2DyF₃ + 3H₂ → 2Dy + 6HF
Dy₂S₃ → 2Dy + 3S₂
Dy₂(CO₃)₃ + 6HCl(aq) → 2 DyCl₃(aq) + 3CO₂(g) + 3H₂O(l). Es ist ohne weiteres einzusehen, dass ähnliche Reaktionen auf Dysprosiumsulfat, Dy₂(SO₄)₃, angewendet werden können.
Während Ausführungsformen der Erfindung veranschaulicht und beschrieben wurden, ist nicht vorgesehen, dass diese Ausführungsformen alle möglichen Formen der Erfindung veranschaulichen und beschreiben.
Vielmehr ist der in der Beschreibung verwendete Wortlaut ein beschreibender Wortlaut und keine Einschränkung, und es ist einzusehen, dass verschiedene Änderungen vorgenommen werden können, ohne von dem Geist und dem Schutzumfang der Erfindung abzuweichen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Nicht-Patentliteratur

C. S. Herget, Metal, Poed. Rep. V. 42, S. 438 (1987) [0006]
W. Rodewald, J. Less-Common Met., VIII, S. 77 (1985) [0006]
D. Plusa, J. J. Wystocki, Less-Common Met. V. 133, S. 231 (1987) [0006]

Claims

Verfahren zum Herstellen eines Magneten, wobei das Verfahren umfasst, dass: ein Pulver mit einem metallhaltigen Dampf in Kontakt gebracht wird, um ein beschichtetes Pulver zu bilden, wobei das Pulver Neodym, Eisen und Bor umfasst, wobei der metallhaltige Dampf eine Komponente umfasst, die aus der Gruppe gewählt ist, welche aus Dysprosium, Terbium, Eisen und Legierungen daraus besteht; und ein Permanentmagnet aus dem beschichteten Pulver gebildet wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Permanentmagnet zwischen etwa 0,01 und etwa 8 Gewichtsprozent Dysprosium und/oder Terbium umfasst.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der metallhaltige Dampf erhitzt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der metallhaltige Dampf mit einem Plasma in Kontakt gebracht wird, um ein Beschichten des Pulvers zu induzieren.
Verfahren nach Anspruch 4, wobei das Plasma mittels Mikrowellen- oder Hochfrequenzstrahlung erzeugt wird, um ein Beschichten des Pulvers zu induzieren.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der metallhaltige Dampf mit Licht in Kontakt gebracht wird, um ein Beschichten des Pulvers zu induzieren.
Verfahren nach Anspruch 6, wobei der metallhaltige Dampf mit ultraviolettem Licht in Kontakt gebracht wird, um ein Beschichten des Pulvers zu induzieren.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der metallhaltige Dampf eine Komponente umfasst, die aus der Gruppe gewählt ist, welche aus DyCl₃, TbCl₃, DyBr₃, TbBr₃, Dy₂I₃, TbI₃, Dy₂F₃, DyS₃, TbF₃, Tb₂S₃, Dy(2‚2‚6,6-Tetramethyl-3,5-Heptandion)₃, Tb(2,2,6,6-Tetramethyl-3,5-Heptandion)₃, pi-Aren-Dy-Komplexen und pi-Aren-Tb-Komplexen besteht.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Permanentmagnet durch Sintern gebildet wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Pulver vor dem Beschichten mit Wasserstoff dekrepitiert wird.