DE102014213723A1

DE102014213723A1 - Verfahren zur Herstellung eines anisotropen weichmagnetischen Materialkörpers und dessen Verwendung

Info

Publication number: DE102014213723A1
Application number: DE102014213723.3A
Authority: DE
Inventors: Manfred Rührig
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2014-07-15
Filing date: 2014-07-15
Publication date: 2016-01-21
Also published as: WO2016008610A1

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines anisotropen weichmagnetischen Materialkörpers, insbesondere zur Verwendung in Reluktanzmaschinen, mit den Schritten: – Herstellen (S1) eines als ein Ausgangsmaterial dienenden Ausgangs-NdFeB-Pulvers mittels Recyceln von hartmagnetische NdFeB-Dauermagnete aufweisendem Recyclingschrott; – Mischen (S2) des Ausgangs-NdFeB-Pulvers mit thermoplastischen Bindern zur Erzeugung einer Arbeitsmasse; – Mittels eines Spritzgussverfahrens ausgeführtes Pressen (S3) eines Grünlings in einer Pressform; – Mittels Entfernen (S4) der Binder aus dem Grünling ausgeführtes Erzeugen eines Bräunlings; – Mittels Sintern (S5) ausgeführtes Erzeugen des anisotropen weichmagnetischen Materialkörpers.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines anisotropen weichmagnetischen Materialkörpers und dessen Verwendung.
Die JP 4343281 offenbart einen Rotor eines Reluktanzmotors mit einem bindenden Magnetkreis, der zwischen Magnetpolen erzeugt ist, die Verbundkristallkörner mit hohen magnetokristallinen, anisotropischen Eigenschaften enthalten. Es wird ein anisotropisches, weichmagnetisches Material für die Anwendung in Reluktanzmaschinen offenbart, wobei die Richtungsabhängigkeit der Permeabilität bei diesem Material dadurch erreicht wird, dass ein hochanisotropes Pulver in einem Magnetfeld ausgerichtet wird, so dass die Vorzugsrichtung möglichst aller Prüferteilchen entlang der Feldlinien ausgerichtet ist. Dieser Zustand wird zu einem Grünling verdichtet und aus dem Grünling wird mittels Sintern ein dichter Körper hergestellt. Die Herstellung des Pulvers ist ein relativ aufwändiger Prozess, insbesondere auf Grob- und Feinmühlen, wobei der Prozess aufgrund der hohen Reaktivität des Pulvers in der Regel unter Schutzgas durchgeführt werden muss.
Herkömmlicherweise wird das anisotrope, weichmagnetische Material analog zu Seltenerddauermagneten, insbesondere pulvermetallurgisch, hergestellt, und zwar indem die Vorlegierungen unter Schutzgas zu Pulver gemahlen werden, die Pulver im Magnetfeld zu Grünlingen gepresst und anschließend durch Flüssigphasensintern gesintert werden.
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung für ein Verfahren zur Herstellung eines anisotropen weichmagnetischen Materialkörpers ein geeignetes Ausgangsmaterial bereitzustellen, um von diesem ausgehend mittels eines geeigneten Verfahrens den Materialkörper mit einer Mindestdichte herzustellen. Es soll ein Ausgangsmaterial bereitgestellt werden, mit dem einfache Magnetiserungsprozesse ausführbar sind. Es sollen weichmagnetische Materialkörper mit, für Anwendungen beispielsweise in Reluktanzmaschinen, geeigneten großen Anisotropien erzeugt werden können. Es soll ein Verfahren zur Herstellung eines geeigneten Pulvers vorgeschlagen werden und das Pulver soll zu einem Grünling und anschließend zu einem Körper umgewandelt werden, der eine große Dichte aufweist.
Die Aufgabe wird durch ein Verfahren gemäß dem Hauptanspruch und eine Verwendung gemäß dem Nebenanspruch gelöst.
Gemäß einem ersten Aspekt wird ein Verfahren zur Herstellung eines anisotropen, weichmagnetischen Materialkörpers mit den folgenden Schritten vorgeschlagen: Herstellen eines als ein Ausgangsmaterial dienenden Ausgangs-NdFeB-Pulvers mittels Recyceln von hartmagnetische NdFeB-Dauermagnete aufweisendem Recyclingschrott. Mischen des Ausgangs-NdFeB-Pulvers mit thermoplastischen Bindern zur Erzeugung einer Arbeitsmasse. Mittels eines Spritzgussverfahrens ausgeführtes Pressen eines Grünlings in einer Pressform. Mittels Entfernen der Binder aus den Grünlingen ausgeführtes Erzeugen eines Bräunlings. Mittels Sintern ausgeführtes Erzeugen des anisotropen, weichmagnetischen Materialkörpers.
Gemäß einem zweiten Aspekt wird ein erfindungsgemäß hergestelltes anisotropes weichmagnetisches Material in einer Reluktanzmaschine verwendet.
Erfindungsgemäß wird ein Verfahren zur Herstellung von anisotropen Weichmagneten vorgeschlagen, das gezielt NdFeB-Pulver verwendet, die durch einen Recyclingprozess aus Dauermagneten gewonnen werden, wobei der eingesetzte Recyclingprozess dazu führt, dass die Pulver hochgradig anisotrop sind, sich gut in einem Magnetfeld ausrichten lassen und hochdichte Sinterkörper mit geringer Koerzitivfeldstärke ergeben.
Weiter wird ein Verfahren zur Herstellung der Sinterkörper vorgeschlagen, bei denen die Pulver mit thermoplastischen Bindern vermischt werden, aus dem so hergestellten "Feed-Stock" oder der so hergestellten Arbeitsmasse in einem Spritzgussverfahren, insbesondere unter Anlegen eines Magnetfeldes, Grünlinge mit einer magnetischen Vorzugsrichtung gepresst, der Binder entfernt wird und die Formkörper zu hochdichten Körpern gesintert werden.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen werden in Verbindung mit den Unteransprüchen beansprucht.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung kann das Herstellen des als ein Ausgangsmaterial dienenden Ausgangs-NdFeB-Pulvers mittels Aufschließen von NdFeB-Dauermagnete aufweisenden Recyclingschrott mittels eines Wasserstoffversprödungsprozesses ausgeführt werden, der das Dauermagnetmaterial entlang Seltenerd-reicher Korngrenzen derart aufsprengt, dass es zu einem einkristallinen, hydrierten Zwischen-NdFeB-Pulver zerfällt, wobei ein das Seltenerd-reiche Material der Korngrenzen aufweisender Feinanteil des Zwischen-NdFeB-Pulvers mittels einer Reinigungseinrichtung entfernt wird.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann mittels des Wasserstoffversprödungsprozesses und mittels des Entfernens des Feinanteils in dem erzeugen Ausgangs-NdFeB-Pulver infolge zunehmender Korngrößen und wirksamer magnetischer Kopplung zwischen Körnern eine abnehmende Koerzitivfeldstärke, insbesondere kleiner 100 × 10³ A/m, eingestellt werden.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann ein Beibehalten einer wirksamen Kristallanisotropie innerhalb von Körnern in dem erzeugten Ausgangs-NdFeB-Pulver infolge der wirksamen Kristallanisotropie innerhalb der hartmagnetischen NdFeB-Dauermagnete des Recyclingschrotts ermöglicht werden.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann ein während des Spritzgussverfahrens ausgeführtes Anlegen eines Magnetfeldes mit einer magnetischen Vorzugsrichtung beim Pressen des Grünlings ausgeführt werden.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann ein Einstellen von Sinterbedingungen derart erfolgen, dass Pulverteilchen des Bräunlings beim Sintern wachsen.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann während des Sinterns ein Anlegen eines Magnetfeldes mit einer magnetischen Vorzugsrichtung ausgeführt werden.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann die magnetische Vorzugsrichtung während des Spritzgussverfahrens die magnetische Vorzugsrichtung während des Sinterns sein.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann das Anfangs-NdFeB-Pulver anisotrop, in einem Magnetfeld ausrichtbar, zu einem Sinterkörper mit einer großen Dichte, insbesondere größer 7 g/cm³, und einer Koerzitivfeldstärke entlang der Vorzugsrichtung, insbesondere kleiner 100 × 10³ A/m, sinterbar sein.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann das Anfangs-NdFeB-Pulver mit einer hohen Sättigungsfeldstärke (Anisotropiefeld) senkrecht zur Vorzugsrichtung, insbesondere größer als 2000 × 10³ A/m, und einer hohen Sättigungsmagnetisierung insbesondere größer als 1 Tesla sinterbar sein.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann das Entfernen der Binder aus dem Grünling mittels organischer Lösungsmittel, insbesondere Toluol, ausgeführt werden.
Die Erfindung wird anhand von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit den Figuren näher beschreiben. Es zeigen:
1 ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens;
2 ein Ausführungsbeispiel eines zweiten erfindungsgemäßen Verfahrens.
1 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Verfahrens. Das Herstellen eines anisotropen, weichmagnetischen Materialkörpers kann mittels eines ersten Schrittes S1, eines Herstellen eines als ein Ausgangsmaterial dienenden Ausgangs-NdFeB-Pulvers mittels Recyceln von hartmagnetischen NdFeB-Dauermagnete aufweisenden Recyclingschrotts ausgeführt werden. Mit einem zweiten Schritt S2 erfolgt ein Mischen des Ausgangs-NdFeB-Pulvers mit thermoplastischen Bindern zur Erzeugung einer Arbeitsmasse, die ebenso als ein "Feed-Stock" bezeichnet werden kann. Mit einem dritten Schritt S3 erfolgt mittels eines Spritzgussverfahrens ein Pressen eines Grünlings in einer Pressform. Mit einem vierten Schritt S4 werden die Binder aus dem Grünling entfernt, so dass sogenannte Bräunlinge erzeugt werden. Mittels eines fünften Schrittes S5 erfolgt ein Sintern und damit ein Erzeugen des angestrebten anisotropen, weichmagnetischen Materialkörpers beziehungsweise Magnetes.
Erfindungsgemäß wird also vorgeschlagen, als Ausgangspunkt Pulver zu verwenden, das durch den Aufschluss von Recyclingschrott aus NdFeB-Dauermagneten über einen Wasserstoffversprödungsprozess gewonnen wurde. Aus [1] ist ein Verfahren zum Recyceln von NdFeB-Magneten bekannt, wobei beispielsweise aus Festplattenschrott das als Ausgangsmaterial dienende Ausgangs-NdFeB-Pulver erhalten wird. Es wird ein Wasserstoffversprödungsprozess SD angewendet, der das Dauermagnetmaterial entlang der Seltenerd-reichen Korngrenzen aufsprengt, wodurch es bereits bei geringer mechanischer Belastung zu einkristallinem, hydrierten Zwischen-NdFeB-Pulver zerfällt.
Zusätzlich befindet sich im Feinanteil das Seltenerd-reiche Material der Korngrenzen. Dieser wird in einem weiteren Schritt SF im anschließenden Reinigungsteil zusammen mit anderen Verunreinigungen, beispielsweise aus der Nickelbeschichtung der Magnete, abgetrennt. Grundsätzlich muss herkömmlicherweise zur Herstellung von neuen Dauermagneten aus diesem Pulver das fehlende Nd erneut zugegeben werden, um auch in den neu gesinterten Dauermagneten eine magnetische Entkopplung der Körner durch die Nd-reiche Korngrenzen-Phase zu gewährleisten.
Dieses Ausgangs-NdFeB-Pulver weist näherungsweise stöchiometrische Zusammensetzung der Nd2Fe14B1-Phase entsprechend auf und wird nun erfindungsgemäß dazu verwendet, um daraus anisotropisches, weichmagnetisches Material herzustellen. Dazu wird das Ausgangs-NdFeB-Pulver zunächst mit einem organischen Polymer beziehungsweise Thermoplast vermischt S1, um es in einem dritten Schritt S3 in Grünlinge umformen zu können. Typischerweise soll für die Umformung im Schritt S3 ein Spritzgussverfahren verwendet werden. Beim Pressen während des dritten Schrittes S3 können an die Viskosemasse Magnetfelder angelegt werden, so dass sich die Vorzugsachsen der Pulverteilchen entlang vorbestimmter Richtungen in der Spritzgussform ausrichten. Anschließend kann in einem vierten Schritt S4 der Binder aus dem Grünling entfernt werden. Dazu kann entweder ein herkömmlicher katalytischer Prozess verwendet werden, oder alternativ kann der Binder mittels organischer Lösungsmittel, wie es beispielsweise Toluol ist, aus dem Grünling herausgelöst werden, so dass ein formstabiler, aber relativ poröser, Formkörper übrig bleibt, der zu einem volldichten Material in einem fünften Schritt S5 gesintert werden kann.
Da erfindungsgemäß der Seltenerd-reiche Feinstanteil aus dem Ausgangs-NdFeB-Pulver entfernt wurde, wird sich an den Korngrenzen keine beziehungsweise lediglich zu einem sehr geringen Anteil Seltenerd-reiche Korngrenzen-Phase bilden. Dadurch erreicht das Material nicht mehr die dauermagnetischen Eigenschaften der ursprünglichen hartmagnetischen NdFeB-Dauermagnete, sondern wird stattdessen eine relativ geringe Stabilität gegen Ummagnetisierung aufweisen. Begünstigt wird dies noch, wenn die Sinterbedingungen so gewählt werden, dass die Pulverteilchen beim Sintern wachsen, da dadurch deren magentische Härte abnimmt und die Magnetisierbarkeit erleichtert wird.
Herkömmlicherweise wird dieses Kornwachstum bei der Herstellung von herkömmlichen Dauermagneten mittels geeigneter Prozessführung, hinsichtlich Temperatur und Zugabe von Inhibitoren, verhindert, da dadurch die Koerzitivfeldstärke dramatisch geschwächt würde. Im Gegensatz dazu wird im erfindungsgemäßen Verfahren von diesem herkömmlicherweise unerwünschten Effekt gezielt Gebrauch gemacht, indem mittels der Wasserstoffversprödung und dem anschließenden Pulverprozess vom Zwischen-NdFeB-Pulver zum Ausgangs-NdFeB-Pulver das Ausgangs-NdFeB-Pulver so aufbereitet wird, dass es möglichst geringe Koerzitivfeldstärken aufweist, indem sich ein Gefüge einstellt, das möglichst konträr zu dem eines Dauermagneten aussieht. Das heißt möglichst große Körner und eine möglichst gute Kopplung zwischen den Körnern (Eigenschaften, die für einen Dauermagneten schädlich wären) sind hier vorteilhaft. Da jedoch die Legierungszusammensetzung gegenüber der hartmagnetischen Ausgangsphase der ursprünglichen NdFeB-Dauermagnete relativ unverändert bleibt, bleibt die hohe Kristallanisotropie der Seltenerd-FeB(2-14-1)-Phase innerhalb der Körner bestehen. Durch die Ausrichtung von Pulverteilchen die diese anisotrope Phase aufweisen während des dritten Schrittes S3 im Magnetfeld der Pressform lässt sich eine gute Verteilung der Vorzugsachsen des Körner hinsichtlich einer Textur erreichen und somit die erwünschte sehr hohe Anisotropie für die Anwendung beispielsweise in Reluktanzmaschinen. Zusätzlich kann es während des Sinterns in dem fünften Schritt S5 sinnvoll sein, ein Magnetfeld in die Richtung der Vorzugsrichtung des Grünlings anzulegen, um die ursprüngliche Vorzugsachse zusätzlich zu fixieren.
2 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Unterverfahrens. Mittels dieses Verfahrens soll das erfindungsgemäße Ausgangsmaterial des Ausgangs-NdFeB-Pulvers mittels Recyceln von hardmagnetische NdFeB-Dauermagnet aufweisenden Recyclingschrott erzeugt werden. [1] offenbart ein derartiges Verfahren. Dabei ist ein erster Unterschritt SA eine Gewinnung von Grundmaterial, das hier Recyclingschrott sein kann, der Computerfestplatten aufweist. Mit einem zweiten Unterschritt SB erfolgt Raffinieren und Aufkonzentrieren hardmagnetischer NdFeB-Dauermagneten. Mit einem dritten Unterschrift SC wird eine Gusslegierung des Dauermagnet-Ausgangsmaterials erhalten. Mit einem vierten Unterschritt SD erfolgt eine Wasserstoffversprödung, wobei mit einem Schritt SE ein einkristallines, hydriertes Zwischen-NdFeB-Pulver erhalten wird. Aus diesem wird in einem sechsten Unterschritt SF ein das Seltenerd-reiche Material der Korngrenzen aufweisender Feinanteil beispielsweise mittels Strahlmahlens entfernt. Abschließend erfolgt in einem siebten Unterschritt SG ein Ausrichten und Pressen sowie in einem achten Unterschritt SH ein Vakuumsintern zum Erhalt des erfindungsgemäß verwendeten Ausgangs-NdFeB-Pulvers. Dieses Pulver kann auch als ein Wasserstoff recyceltes NdFeB-Pulver bezeichnet werden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

JP 4343281 [0002]

Claims

Verfahren zur Herstellung eines anisotropen weichmagnetischen Materialkörpers mit den Schritten: – Herstellen (S1) eines als ein Ausgangsmaterial dienenden Ausgangs-NdFeB-Pulvers mittels Recyceln von hartmagnetische NdFeB-Dauermagnete aufweisendem Recyclingschrott; – Mischen (S2) des Ausgangs-NdFeB-Pulvers mit thermoplastischen Bindern zur Erzeugung einer Arbeitsmasse; – Mittels eines Spritzgussverfahrens ausgeführtes Pressen (S3) eines Grünlings in einer Pressform; – Mittels Entfernen (S4) der Binder aus dem Grünling ausgeführtes Erzeugen eines Bräunlings; – Mittels Sintern (S5) ausgeführtes Erzeugen des anisotropen weichmagnetischen Materialkörpers.
Verfahren gemäß Anspruch 1, gekennzeichnet durch – Herstellen des als ein Ausgangsmaterial dienenden Ausgangs-NdFeB-Pulvers mittels – Aufschließen von NdFeB-Dauermagnete aufweisendem Recyclingschrott mittels eines Wasserstoffversprödungsprozesses (SD), der das Dauermagnetmaterial entlang Seltenerd-reicher Korngrenzen derart aufsprengt, dass es zu einem einkristallinen hydrierten Zwischen-NdFeB-Pulver zerfällt; – Entfernen (SF) eines das Seltenerd-reiche Material der Korngrenzen aufweisenden Feinanteils des Zwischen-NdFeB-Pulvers mittels einer Reinigungseinrichtung.
Verfahren gemäß Anspruch 2, gekennzeichnet durch mittels des Wasserstoffversprödungsprozesses und des Entfernens des Feinanteils in dem erzeugten Ausgangs-NdFeB-Pulver infolge zunehmender Korngrößen und wirksamer magnetischer Kopplung zwischen Körnern eine abnehmende Koerzitivfeldstärke, insbesondere kleiner 100 × 10³ A/m, eingestellt wird.
Verfahren gemäß Anspruch 2 oder 3, gekennzeichnet durch Beibehalten einer wirksamen Kristallanisotropie innerhalb von Körnern in dem erzeugten Ausgangs-NdFeB-Pulver infolge der wirksamen Kristallanisotropie innerhalb der hartmagnetischen NdFeB-Dauermagnete des Recyclingschrotts.
Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch während des Spritzgussverfahrens ausgeführtes Anlegen eines Magnetfeldes mit einer magnetischen Vorzugsrichtung beim Pressen des Grünlings.
Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch Einstellen von Sinterbedingungen derart, dass Pulverteilchen des Bräunlings beim Sintern wachsen.
Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch während des Sinterns ausgeführtes Anlegen eines Magnetfeldes mit einer magnetischen Vorzugsrichtung.
Verfahren gemäß Anspruch 5 und 7, dadurch gekennzeichnet, dass die magnetische Vorzugsrichtung während des Spritzgussverfahrens die magnetische Vorzugsrichtung während des Sinterns ist.
Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Anfangs-NdFeB-Pulver anisotrop, in einem Magnetfeld ausrichtbar, zu einem Sinterkörper mit einer großen Dichte, insbesondere größer 7 g/cm³, einer geringen Koerzitivfeldstärke entlang der Vorzugsrichtung, insbesondere kleiner 100 × 10³ A/m, sinterbar ist.
Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Anfangs-NdFeB-Pulver mit einer hohen Sättigungsfeldstärke (Anisotropiefeld) senkrecht zur Vorzugsrichtung, insbesondere größer als 2000 × 10³ A/m, und einer hohen Sättigungsmagnetisierung insbesondere größer als 1 Tesla sinterbar ist.
Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Entfernen der Binder aus dem Grünling mittels organischer Lösungsmittel, insbesondere Toluol, ausgeführt wird.
Verwendung eines nach einem der vorhergehenden Ansprüche hergestellten anisotropen weichmagnetischen Materialkörpers in einer Reluktanzmaschine.