DE102013224108A1

DE102013224108A1 - Dauermagnet mit erhöhter Koerzitivfeldstärke

Info

Publication number: DE102013224108A1
Application number: DE102013224108.9A
Authority: DE
Inventors: Manfred Rührig; Gottfried Suppan
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2013-11-26
Filing date: 2013-11-26
Publication date: 2015-06-11
Also published as: WO2015078619A1

Abstract

Es ist Aufgabe der Erfindung einen Dauermagneten (1) derart bereitzustellen, dass dieser kostengünstig mit einer großen Koerzitivfeldstärke erzeugt werden kann. Es erfolgt ein Beschichten eines beispielsweisen Nd2Fe14B-Dauermagneten (1) mittels Kupfer oder Aluminium und danach mittels Dy und ein entsprechendes Diffundieren entlang Korngrenzen in das Dauermagnetsubstrat (3).

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Dauermagneten und die entsprechend erzeugten Dauermagnete.
Die Koerzitivfeldstärke eines Dauermagneten ist für viele Anwendungen, bei denen es auf eine Gegenfeldstabilität ankommt, die entscheidende Materialgröße. Dies betrifft insbesondere die Gegenfeldstabilität bei erhöhten Temperaturen. Für NdFeB sind verschiedene Verfahren bekannt, die Koerzitivfeldstärke zu erhöhen. Dabei wird ein Teil des Nd in der hartmagnetischen Nd₂Fe₁₄B-Phase durch Dy oder Tb ersetzt. Der Ersatz durch diese sogenannten schweren Seltenerdmetalle, die mit HRE abgekürzt werden führt zu einer erhöhten Kristallanisotropie.. Nachteilig sind eine schlechte Verfügbarkeit, der hohe Preis der HRE-Materialien, sowie eine Reduktion der Sättigungsmagnetisierung bzw. der Remanenz infolge dieser Substitution.
Herkömmlicherweise erfolgt eine Eindiffusion von zusätzlichem Material über Korngrenzen durch eine Beschichtung als Diffusionsquelle bei NdFeB-Magneten. Dieses Verfahren heißt im Englischen „grain boundary diffusion process“, dass mit GBDP abgekürzt wird. Dabei wird als Beschichtungsmaterial ein Material verwendet, dass im Magneten eine Legierung bildet, die eine höhere intrinsische Kristallanisotropie aufweist, als das Grundmaterial. Üblicherweise werden dazu schwere Seltenerdmetalle, wie z.B. Dy oder Tb, verwendet. Ebenso zeigen Legierungen von Dy mit Al und Ni positive Effekte. Der Vorteil des GBDP ist, dass die Substitution auf dem Bereich der Korngrenzen beschränkt bleibt und damit das Grundmaterial unverändert bleibt. Auf diese Weise wird der nachteilige Nebeneffekt der Abnahme der Magnetisierung des Grundmaterials unterdrückt. Mittels der Erhöhung der Anisotropie an den Korngrenzen wird dort die Ummagnetisierung der Körner, mittels Keimbildung von sogenannten „reverse domains“, erschwert, was zu einer Erhöhung der Koerzitivfeldstärke führt. Es ist Aufgabe der Erfindung einen Dauermagneten kostengünstig mit einer großen Koerzitivfeldstärke, einer großen Remanenz und leicht verfügbaren Materialien bereit zu stellen.
Die Aufgabe wird durch ein Verfahren gemäß dem Hauptanspruch und einem entsprechenden Dauermagneten gemäß dem Nebenanspruch gelöst.
Gemäß einem ersten Aspekt wird ein Verfahren zur Herstellung eines Dauermagneten vorgeschlagen, dass folgende Schritte aufweist. Mittels herkömmlicher Verfahrensschritte, wie es beispielsweise Malen, Ausrichten, Pressen und Sintern sind, erfolgt ein Erzeugen eines RFeB Dauermagneten wobei R ein Seltenerd-Element darstellt und dessen hartmagnetische Komponente im wesentlichen aus einerR₂Fe₁₄B-Phase besteht. Danach erfolgt ein aufeinanderfolgendes Beschichten von mindestens einer Oberfläche des Dauermagneten mit einem ersten und einem zweiten zusätzlichen Material; entlang Korngrenzen innerhalb des Substrats erfolgendes Eindiffundieren des ersten und des zweiten zusätzlichen Materials und teilweises Substituieren des Seltenerdelements R im Bereich der Korngrenzen durch das erste und das zweite zusätzliche Material, wobei das erste zusätzliche Material frei von Seltenerdmetallmaterial ist und das zweite zusätzliche Material mindestens ein schweres Seltenerdmetallmaterial (HRE) aufweist.
Gemäß einem zweiten Aspekt wird ein entsprechend hergestellter Dauermagnet vorgeschlagen.
Es wird als Alternative zu einer bekannten Beschichtung mit HRE-Metallen bzw. deren Legierungen vorgeschlagen, die Koerzitivfeldstärke von, insbesondere NdFeB, Sintermagneten mittels einer dünnen Beschichtung erhöhen. Dazu wird zunächst ein erstes Seltenerd-freies Metall abgeschieden, welches eine leitfähige Schutzschicht für die Abscheidung der zweiten Metallschicht bildet, welche das schwere Seltenerdmetall beinhaltet. Dies ist insbesondere dann vorteilhaft, wenn die Abscheidung der Metallschichten mittels Elektrolyse durchgeführt wird. Es ist erkannt worden, dass eine derartige Schichtkombination ebenso für eine Erhöhung der Koerzitivfeldstärke verwendet werden kann.
Vorteilhaft ist es, wenn im Legierungssystem, das aus erstem Schichtmaterial und zweitem Schichtmaterial gebildet wird, niedrig schmelzende (sogenannte eutektische) Zusammensetzungen erzeugt werden. Insbesondere ist es vorteilhaft, falls die Schmelztemperaturen dieser eutektischen Zusammensetzungen in einem Bereich liegen, der während der beschriebenen Eindiffussion entlang der Korngrenzen verwendet wird.
Der Vorteil der Beschichtung mit Seltenerdmetall-freien Materialien oder Metallen liegt darin, dass diese im Gegensatz zu HRE-Metallen gut verfügbar sind, dass die Ausgangsmaterialien relativ kostengünstig sind und dass die Beschichtung mit diesen Materialien zu Teil industriell gut beherrschbare Prozesse sind.
Ein weiterer Vorteil ist, dass das erste zusätzliche Material als eine Schutzschicht den Permanentmagneten beziehungsweise dessen Substrat physikalisch, chemisch und/oder mechanisch schützt. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen werden in Verbindung mit den Unteransprüchen beansprucht.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung kann das Seltenerd-Element R gleich Pr oder Nd sein.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann das erste zusätzliche Material Kupfer oder Aluminium sein.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann das zweite zusätzliche Material ein Element der sogenannten schweren Seltenerd(HRE)metalle sein – bevorzugt Dy oder Tb Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann ein Wärmebehandeln des beschichteten Substrats bei einer Temperatur T und für eine Zeit t, derart gewählt sein, dass das Diffundieren des ersten zusätzlichen Materials und danach des zweiten zusätzlichen Materials in das Substrat ausführbar ist.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann das Beschichten mit dem ersten und dem zweiten zusätzlichen Material mittels Elektrolyse ausgeführt werden.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann für die Elektrolyse ein wasserfreier Elektrolyt verwendet werden.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann als Elektrolyt eine ionische Flüssigkeit verwendet werden.
Die Erfindung wird anhand von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit den Figuren näher beschrieben. Es zeigen:
1 ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Verfahrens;
2 ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Dauermagneten.
1 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung eines Dauermagneten 1. Es erfolgt ein mittels Ausrichten und Sintern erfolgendes Erzeugen eines RFeB, wobei R ein Seltenerd-Element darstellt, aufweisenden Substrats 3 mit einer Oberfläche. Dies wird in einem ersten Schritt S1 ausgeführt. Mit einem sich daran anschließenden Schritt S2 erfolgt ein aufeinanderfolgendes Beschichten der Oberfläche des Substrates 3 mit einem ersten und danach mit einem zweiten zusätzlichen Material 5, 7. Mit einem dritten Schritt S3 erfolgt ein Diffundieren des ersten und des zweiten zusätzlichen Materials 5, 7 entlang Korngrenzen innerhalb des Substrats 3, wobei das RFeB im Bereich der Korngrenzen durch das erste und das zweite zusätzliche Material 5, 7 ersetzt wird. Erfindungsgemäß wird als das erste zusätzliche Material 5 ein Material, insbesondere ein Metall, verwendet, dass Seltenerdmetallfrei ist. Das zweite zusätzliche Material 7 weist mindestens ein schweres Seltenerdmetallmaterial auf. Beim Eindiffundieren bildet sich ein Phasengleichgewicht.
2 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Dauermagneten 1. Dabei wird ein Substrat 3 mit einer Oberfläche bereitgestellt. Das Substrat besteht beispielsweise aus einer hartmagnetischen Nd₂Fe₁₄B-Phase, wobei grundsätzlich anstelle des Nd ein alternatives Seltenerd-Element, beispielsweise Pr, verwendet werden kann. Das Substrat 3 weist eine Oberfläche auf, die mit einem ersten zusätzlichen Material 5 und einem zweiten zusätzlichen Material 7 beschichtet worden ist. Die Beschichtung des ersten und zweiten zusätzlichen Materials 5, 7 ist entlang Korngrenzen oder über Korngrenzen des Substrats in das Substrat 3 eindiffundiert. Im Bereich der Korngrenzen hat das erste zusätzliche Material 5 und/oder das zweite zusätzliche Material 7 den R-Anteil der ursprünglichen RFeB Komponente zumindest teilweise ersetzt. Erfindungsgemäß wurde als erstes zusätzliches Material 5 kein Seltenerdmetall-Material verwendet, sondern Metalle, wie es beispielsweise Kupfer Cu oder Aluminium Al sind. Die Beschichtung kann beispielsweise elektrolytisch erfolgen. Das Diffundieren kann mittels zusätzlichen Wärmebehandelns unterstützt werden.
Zusätzlich wurde die Schicht bestehend aus dem ersten zusätzlichen Material 5 mit einem zweiten zusätzlichen Material 7 beschichtet. Die erste Beschichtung kann beispielsweise als Schutzschicht für das Substrat 3 dienen. Zusätzlich kann die zweite Beschichtung mit dem zweiten zusätzlichen Material 7 ebenso zur weiteren Erhöhung der Koerzitivfeldstärke genutzt werden. Das erste zusätzliche Material 5 besteht aus einemMetall. Das zweite zusätzliche Material 7 kann insbesondere schwere Seltenerdmetalle aufweisen, die die Koerzitivfeldstärke weiter erhöhen und/oder als weitere Schutzschicht für das Substrat 3 wirken. Vorteilhaft wird die erste Schicht aus einem elektrisch gut leitenden Material 5 gebildet, insbesondere dann, wenn die Abscheidung des zweiten zusätzlichen Materials 7 galvanisch (elektrolytisch) ausgeführt wird.

Claims

Verfahren zur Herstellung eines Dauermagneten (1), mit mittels Ausrichten und Sintern erfolgendes Erzeugen eines RFeB, wobei R ein Seltenerd-Element darstellt, insbesondere eine hartmagnetische Nd₂Fe₁₄B-Phase, aufweisenden Substrats (3) mit einer Oberfläche; Beschichten der Oberfläche des Substrats mit einem ersten und einem zweiten zusätzlichen Material (5, 7); entlang Korngrenzen innerhalb des Substrats erfolgendes Diffundieren des ersten und zweiten zusätzlichen Materials (5, 7) und Substituieren des RFeB im Bereich der Korngrenzen durch das erste und zweite zusätzliche Material (5, 7) l; wobei das erste zusätzliche Material (5) frei von Seltenerdmetallmaterial ist und das zweite zusätzliche Material (7) mindestens ein schweres Seltenerdmetallmaterial aufweist.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Seltenerd-Element R gleich Pr oder Nd ist.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das erste zusätzliche Material (5) ein Metall, vorzugsweise Kupfer oder Aluminium ist.
Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite zusätzliche Material ein Element der schweren Seltenen Erdmetalle, vorzugsweise Dy oder Tb, ist.
Verfahren nach Anspruch 1, 2, 3 oder 4, gekennzeichnet durch Wärmebehandeln des beschichteten Substrats bei einer Temperatur T und für eine Zeit t, die derart gewählt sind, dass das gemeinsame Diffundieren des ersten zusätzlichen Materials zusammen mit dem zweiten zusätzlichen Materials in das Substrat ausführbar ist.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, gekennzeichnet durch mittels Elektrolyse ausgeführtes Beschichten der Oberfläche des Substrats mit dem ersten und dem zweiten zusätzlichen Material (5, 7).
Verfahren nach Anspruch 6, gekennzeichnet durch Verwenden eines wasserfreien Elektrolyten.
Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, gekennzeichnet durch Verwenden einer ionischen Flüssigkeit als Elektrolyt.
Dauermagneten (1), der nach einem der vorhergehenden Verfahren hergestellt ist und der ein RFeB, wobei R ein Seltenerd-Element darstellt, aufweisendes, magnetisch ausgerichtetes und gesintertes Substrat (3) mit einer Oberfläche aufweist, wobei die Oberfläche des Substrats (3) mit einem ersten und einem zweiten zusätzlichen Material (5, 7) beschichtet ist; und entlang Korngrenzen innerhalb des Substrats (3) das erste und das zweite zusätzliche Material (5, 7) diffundiert ist und das RFeB im Bereich der Korngrenzen durch das erste und das zweite zusätzliche Material (5, 7) substituiert ist; dadurch gekennzeichnet, dass das erste zusätzliche Material (5) frei von Seltenerdmetallmaterial ist und das zweite zusätzliche Material (7) mindestens ein schweres Seltenerdmetallmaterial aufweist.