DE102014219893A1

DE102014219893A1 - Korngrenzendiffusionsprozess für Seltenerdmagnete

Info

Publication number: DE102014219893A1
Application number: DE102014219893.3A
Authority: DE
Inventors: Feng Liang; C. Bing Rong; Michael W. Degner
Original assignee: Ford Global Technologies LLC
Current assignee: Ford Global Technologies LLC
Priority date: 2013-10-09
Filing date: 2014-10-01
Publication date: 2015-04-09
Also published as: US20150099104A1; CN104575895A; US20170372822A1; CN104575895B; US9786419B2; US10290407B2

Abstract

Bei mindestens einer Ausführungsform wird ein einzelner gesinterter Magnet bereitgestellt, der ein Konzentrationsprofil von schweren Seltenerdelementen (HRE – Heavy Rare-Earth) innerhalb eines kontinuierlich gesinterten Seltenerd-Magnetvolumens (RE-Rare Earth) aufweist. Das Konzentrationsprofil kann mindestens ein lokales Maximum der HRE-Elementkonzentration innerhalb des Volumens enthalten, so dass ein Koerzitivkraftprofil des Magneten mindestens ein lokales Maximum innerhalb des Volumens besitzt. Der Magnet kann ausgebildet werden, indem abwechselnde Schichten eines HRE-haltigen Materials und ein magnetisches Pulver in eine Form eingelegt werden, die Schichten zu einem grünen Pressling gepresst werden und der grüne Pressling gesintert wird, um einen einzelnen unitären Magneten auszubilden.

Description

Eine oder mehrere Ausführungsformen betreffen einen Prozess zum Herstellen von Seltenerdmagneten mit reduzierten schweren Seltenerdelementen.
Permanentmagnetmotoren besitzen möglicherweise eine hohe Effizienz, wodurch sie sich potentiell für den Einsatz in Traktionsmotoren für Hybrid- und Elektrofahrzeuge eignen. Bei dieser Art von Motor ist die Auslegung und die Wahl des Permanentmagneten wichtig. Seltenerdpermanentmagnete wie etwa Neodymmagnete (Nd) werden aufgrund ihrer hohen Flussdichte und ihrer hohen Antientmagnetisierungsfähigkeit im Vergleich zu traditionellen Nicht-Seltenerdmagneten wie etwa Alnico (Eisenlegierungen, die Aluminium, Nickel und Kobalt enthalten) und Ferrit oftmals in Traktionsmotoren in Elektrofahrzeugen verwendet. Seltenerdpermanentmagnete können jedoch eine große Menge an Seltenerdelementen enthalten (z.B. bei einigen kommerziellen Magneten mindestens 30 Gew.-%), wodurch die Magnete teuer werden. Um den Hochtemperaturbetrieb des Permanentmagneten in der Getriebeumgebung von Fahrzeugen sicherzustellen, müssen außerdem möglicherweise etwa 10 Gew.-% an schweren Seltenerdelementen (HRE – Heavy Rare-Earth) wie etwa Dysprosium (Dy) und Terbium (Tb) den magnetischen Neodymlegierungen zugesetzt werden. Dadurch werden die Magnete noch teurer, da der Preis von Dy und Tb etwa zehnmal höher sein kann als der von Neodym.
Bei mindestens einer Ausführungsform wird ein Magnet bereitgestellt, der Folgendes umfasst: einen einzelnen gesinterten Magneten mit einem Konzentrationsprofil von schweren Seltenerdelementen (HRE – Heavy Rare-Earth) innerhalb eines kontinuierlich gesinterten Seltenerdmagnetvolumens (RE – Rare-Earth). Das Konzentrationsprofil kann mindestens ein lokales Maximum von HRE-Elementkonzentration enthalten, das sich zwischen lokalen Minima der HRE-Elementkonzentration innerhalb des Volumens befindet, so dass ein entsprechendes Koerzitivkraftprofil des Magneten mindestens ein lokales Maximum enthält, das sich zwischen lokalen Minima innerhalb des Volumens befindet.
Bei einer weiteren Ausführungsform enthält das Konzentrationsprofil von HRE-Elementen mehrere lokale Maxima mit HRE-Elementkonzentrationen innerhalb des Volumens. Das Konzentrationsprofil der HRE-Elemente kann periodisch sein mit abwechselnden relativen Maxima und Minima, oder das Konzentrationsprofil der HRE-Elemente kann von im Wesentlichen sinusförmiger Gestalt sein. Bei einer weiteren Ausführungsform besitzt der einzelne gesinterte Magnet eine Dicke von über 6 mm. Das RE-Magnetvolumen kann mindestens eine einer RE-Fe-B- oder Sm-Co-Legierung enthalten. Der Magnet kann weiterhin elektrisch resistives Material innerhalb des Volumens enthalten, das als mindestens eine Schicht innerhalb des Volumens ausgebildet sein kann. Bei einer Ausführungsform kann es ein Konzentrationsprofil von elektrisch resistivem Material innerhalb des Volumens geben, das periodisch ist mit abwechselnden relativen Maxima und Minima. Das elektrisch resistive Material kann ein magnetisches Material beinhalten.
Bei mindestens einer Ausführungsform wird ein Verfahren zum Ausbilden eines Seltenerdmagneten bereitgestellt. Das Verfahren kann Folgendes beinhalten: Einlegen von abwechselnden Schichten aus einem Material mit einem schweren Seltenerdelement (HRE-Element) oder einer schweren Seltenerdlegierung und einem magnetischen Pulver mit einem Seltenerdelement (RE-Element) oder einer Seltenerdlegierung in eine Form, Verdichten der Schichten zu einem grünen Pressling und Sintern des grünen Presslings zum Ausbilden eines Seltenerdmagneten mit in einem Seltenerdelementvolumen verteilten HRE-Elementen.
Bei einer Ausführungsform werden mindestens drei Schichten aus Material mit einem HRE-Element oder einer HRE-Legierung in die Form eingelegt. Die Schichten aus Material mit einem HRE-Element oder einer HRE-Legierung können eine Dicke von 25 bis 250 μm besitzen. Die Schichten aus Material mit einem HRE-Element oder einer HRE-Legierung können jeweils die gleiche Dicke besitzen. Bei einer Ausführungsform ist das Material mit einem HRE-Element oder einer HRE-Legierung ein Pulver. Das Pulver kann ausgewählt werden unter einem von DyF₃, TbF₃, Dy₂O₃, Tb₂O₃ und DyFe. Bei einer weiteren Ausführungsform ist das Material mit einem HRE-Element oder einer HRE-Legierung eine Flüssigkeit. Das Material mit einem HRE-Element oder einer HRE-Legierung kann vor dem Einlegen in die Form mit einem elektrisch resistiven Material gemischt werden. Bei einer Ausführungsform beinhaltet das elektrisch resistive Material ein magnetisches Material.
Bei mindestens einer Ausführungsform wird ein Seltenerdmagnet bereitgestellt. Der Magnet kann einen grünen Pressling mit einer verdichteten Schicht aus Magnetpulver mit einem Seltenerdelement oder einer Seltenerdlegierung und mindestens zwei Schichten aus einem Material mit einem schweren Seltenerdelement (HRE-Element) oder einer schweren Seltenerdlegierung umfassen.
1A ist ein Schemadiagramm einer geschichteten Magnetanordnung mit abwechselnden Schichten aus schwere Seltene Erden (HRE – Heavy Rare-Earth) enthaltenem Material und einem magnetischen Pulver;
1B ist ein Schemadiagramm der geschichteten Anordnung von 1A, zu einem grünen Pressling gepresst;
1C ist ein Schemadiagramm des grünen Presslings von 1B, zu einem Magneten mit HRE-enthaltendem Material, das im Volumen des Magneten vorliegt, gesintert;
2 ist ein schematisches Koerzitivkraftprofil, das die Koerzitivkraft eines geschichteten Magneten im Vergleich zum Koerzitivkraftprofil eines herkömmlichen Korngrenzendiffusionsprozessmagneten zeigt;
3A ist ein Schemadiagramm einer geschichteten Magnetanordnung mit abwechselnden Schichten einer Mischung aus HRE-haltigem Material und elektrisch isolierendem Material und einem magnetischen Pulver;
3B ist ein Schemadiagramm der geschichteten Anordnung von 3A, zu einem grünen Pressling gepresst;
3C ist ein Schemadiagramm des grünen Presslings von 3B, zu einem Magneten mit HRE-haltigem Material gesintert, das im Volumen des Magneten vorliegt, und beabstandeten, elektrisch isolierenden Materialschichten;
4A ist ein Schemadiagramm einer geschichteten Magnetanordnung mit abwechselnden Schichten aus elektrisch isolierendem Material und einem magnetischen Pulver mit einem in einer vertikalen Richtung orientierten Magnetfeld;
4B ist ein Schemadiagramm eines gesinterten Magneten mit elektrisch isolierenden Schichten parallel zur c-Achse einer magnetischen harten Phase;
4C ist ein Schemadiagramm eines gesinterten Magneten mit elektrisch isolierenden Schichten schräg zur c-Achse einer magnetischen harten Phase; und
4D ist ein Schemadiagramm eines gesinterten Magneten mit elektrisch isolierenden Schichten in einer vernetzten Konfiguration relativ zur c-Achse einer magnetisch harten Phase.
Wie erforderlich, werden hierin ausführliche Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung offenbart; es versteht sich jedoch, dass die offenbarten Ausführungsformen für die Erfindung lediglich beispielhaft sind, die in verschiedenen und alternativen Ausführungsformen verkörpert werden kann. Die Figuren sind nicht notwendigerweise maßstabsgetreu; einige Merkmale können übertrieben oder minimiert sein, um Details von bestimmten Komponenten zu zeigen. Deshalb sind hierin offenbarte spezifische strukturelle und funktionale Details nicht als beschränkend auszulegen, sondern lediglich als eine repräsentative Basis, um dem Fachmann zu lehren, wie er die vorliegende Erfindung unterschiedlich verwenden kann.
Wegen der relativ hohen Kosten von Seltenerdmagneten (RE-Magneten) mit schweren Seltenerdelementen (HRE – Heavy Rare-Earth) wäre es vorteilhaft, die eingesetzte Menge an HRE-Elementen zu reduzieren und weiter die durch die HRE-Elemente bereitgestellten verbesserten Eigenschaften aufrechtzuerhalten. Ein Verfahren zum Reduzieren der in Permanentmagneten eingesetzten Menge an HRE-Elementen besteht im Aufbringen einer Schicht oder Beschichtung aus HRE-Medien auf der Oberfläche von gesinterten Magneten, gefolgt von einer Wärmebehandlung, um die Diffusion zu verbessern. Die gesinterten Magneten können beliebige geeignete Seltenerdmagnete sein, zum Beispiel ein Neodym-Eisen-Bor-Magnet, bei dem der gesinterte Magnet Körner von Nd₂Fe₁₄B und Korngrenzen mit einer Nd-reichen Phase besitzt.
Das Verfahren kann ein Korngrenzendiffusionsprozess sein (im Folgenden als GBDP – Grain Boundary Diffusion Process bezeichnet), der das Beschichten einer Oberfläche der gesinterten Magnete mit einer Schicht mit HRE-Elementen beispielsweise durch Nassbeschichtung oder Metallaufdampfung beinhaltet. Die Magnete können dann auf eine Temperatur erhitzt werden, bei der die Nd-reichen Korngrenzen schmelzen, wodurch die Diffusion der HRE-Elemente in die Korngrenzen signifikant erhöht wird. Während dieses Prozesses diffundieren einige der HRE-Elemente weiter in die äußere Schale der Körner, beispielsweise Nd₂Fe₁₄B-Körner. Die HRE-Elemente in der äußeren Schale liefern ein verstärktes Anisotropiefeld und verstärkte Antientmagnetisierungseigenschaften der Magnete, was zu einer erhöhten Koerzitivkraft in den Magneten führt.
Wenngleich der oben erörterte Korngrenzendiffusionsprozess die Koerzitivkraft erhöhen und die erforderliche Menge an HRE-Elementen im Vergleich zum Einmischen von HRE-Elementen in die Originalmagnetlegierung erhöhen kann, wäre eine weitere Reduktion bei den HRE-Elementen für das Reduzieren der Kosten vorteilhaft. Außerdem weist der oben beschriebene GBDP eine maximale Diffusionstiefe von etwa 3 mm auf. Dies bedeutet, dass, falls zwei gegenüberliegende Oberflächen des Magneten mit einer Schicht mit HRE-Elementen beschichtet werden, die maximale Dicke des Magneten etwa 6 mm beträgt. Bei einigen Anwendungen kann es vorteilhaft oder notwendig sein, Magnete zu haben, die dicker sind als 6 mm. Wenngleich es möglich sein kann, mehrere unter Verwendung des oben beschriebenen GBDP behandelte Magnete zusammenzustapeln, um einen Magneten mit einer Dicke von über 6 mm auszubilden, besitzt ein derartiger gestapelter Magnet schlechte mechanische Eigenschaften. Beispielsweise können Magnete, die dünner sind als 6 mm, aneinander geklebt werden, um einen Magneten auszubilden, der dicker ist als 6 mm, doch besitzt der Kleber im Vergleich zu dem unitären Magneten eine schlechte mechanische Festigkeit. Auch das mechanische Bündeln von dünnen Magneten ist möglich, um einen Magneten auszubilden, der dicker ist als 6 mm, doch ist dies mit Zusatzkosten verbunden und ist bei einigen Anwendungen möglicherweise unpraktisch.
Unter Bezugnahme auf die 1A bis 1C wird ein Prozess zum Ausbilden eines Magneten 10 mit einem flexiblen Dickenbereich und homogeneren Eigenschaften als in dem oben beschriebenen GBDP gezeigt. Das magnetische Pulver 12, das das Volumen des Magneten bildet, kann ein beliebiges geeignetes magnetisches Material sein. Bei einer Ausführungsform ist das magnetische Pulver 12 ein magnetisches Seltenerdpulver. Zu Beispielen für geeignete magnetische Seltenerdzusammensetzungen zählen unter anderem Re-Fe-B und Sm-Co, wobei Re ein Seltenerdelement wie etwa Nd, Pr, Sm, Gd oder andere ist. Die magnetischen Pulver 12 können durch Legieren und Pulverisieren hergestellt werden, doch können auch andere geeignete Verfahren verwendet werden.
Wie in 1A gezeigt, kann das magnetische Pulver 12 mit einem ein HRE-Element enthaltenden Material 14 in einer Form oder einem Werkzeug (nicht gezeigt) geschichtet werden. Das HRE-haltige Material 14 kann ein Pulver sein wie etwa DyF₃-, TbF₃-, Dy₂O₃-, Tb₂O₃-, DyFe-Legierungen oder anderen. Das HRE-haltige Material 14 kann auch eine flüssige Lösung/Suspension sein, die ein oder mehrere HRE-Elemente enthält, wie etwa Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb, Lu oder Y. Das magnetische Pulver 12 und das HRE-haltige Material 14 können abwechselnd geschichtet werden, um magnetische Pulverschichten 16 und HRE-Schichten 18 auszubilden. Die HRE-Schichten 18 können durchweg eine gleichförmige Dicke besitzen oder sie können eine variierende Dicke besitzen. Außerdem ist es möglich, dass die HRE-Schichten 18 parallel oder nichtparallel zueinander sind, und bei einigen Ausführungsformen können sie sich schneiden. Bei mindestens einer Ausführungsform bilden die HRE-Schichten 18 eine kontinuierliche Schicht über eine ganze Dimension (z.B. Breite) des Magneten. Bei einigen Ausführungsformen bilden die HRE-Schichten 18 jedoch möglicherweise keine kontinuierliche Schicht (z.B. können die magnetischen Pulverschichten einander kontaktieren).
Bei einer Ausführungsform sind die erste und letzte Schicht des Magneten 10 das HRE-haltige Material 14. Nachdem das magnetische Pulver 12 und das HRE-haltige Material 14 in die Form oder das Werkzeug eingelegt worden sind, kann die geschichtete Anordnung zu einem grünen Pressling 20 gepresst werden. Bei einer Ausführungsform kann der zum Ausbilden des grünen Presslings 20 verwendete Druck zwischen 100 und 1000 MPa liegen. Bei einer weiteren Ausführungsform kann der zum Ausbilden des grünen Presslings 20 verwendete Druck zwischen 250 und 750 MPa liegen. Bei mindestens einer Ausführungsform kann der grüne Pressling 20 auf eine Dichte von 40 bis 80% (z.B. Prozent der theoretischen Dichte) gepresst werden. Bei einer weiteren Ausführungsform kann der grüne Pressling 20 auf eine Dichte von 50 bis 70% gepresst werden. Während des Pressschritts kann ein Magnetfeld 22 auf die geschichtete Anordnung einwirken, um dem resultierenden Magneten 10 die gewünschte magnetische Orientierung und die gewünschten magnetischen Eigenschaften zu geben. Die Magnetfeldrichtung kann gemäß einer Anwendung ausgelegt werden. Beispielsweise könnte die Magnetfeldrichtung bei einigen Ausführungsformen parallel oder senkrecht zur Schichtrichtung verlaufen. Bei anderen Ausführungsformen ist die Feldrichtung möglicherweise weder parallel noch senkrecht zur Schichtrichtung (z.B. schräg). Es kann auch ein Strahlungsfeld einwirken, wobei das Strahlungsfeld konfiguriert ist zu bewirken, dass der finale Magnet strahlungsmäßige leichte Achsen aufweist (z.B. erstrecken sich die leichten Achsen allgemein von der Mitte in einer radialen Richtung nach außen). Bei einigen Ausführungsformen kann das einwirkende externe Feld zwischen 0,2 T und 2,5 T betragen, um die Ausrichtung des magnetischen Pulvers 12 während des Pressens zu unterstützen. Es kann jedoch jedes beliebige geeignete einwirkende externe Feld verwendet werden.
Nachdem die geschichtete Anordnung gepresst ist, wird sie gesintert, um einen festen, unitären Magneten 10 auszubilden. Der feste, unitäre Magnet 10 kann insoweit als „kontinuierlich gesintert“ beschrieben werden, als jede Schicht neben der benachbarten Schicht gesintert ist anstatt nach dem Sintern gebondet zu werden (z.B. unter Verwendung eines Klebers, mechanischer Befestigungsvorrichtungen oder anderer bekannter Verfahren). Wie in 1B gezeigt, bildet das HRE-haltige Material 14 (in 1A–1C als ein Pulver gezeigt) während des Zwischenstadiums des Sinterprozesses anfänglich Schichten 18 zwischen dem gepressten magnetischen Pulver 12. Bei fortschreitendem Sinterprozess schmelzen die Korngrenzen, die an seltenen Erden reich sein können (z.B. Nd-reich) und gestatten eine verbesserte Diffusion des HRE-haltigen Materials 14 in die Korngrenzen. Zusätzlich zu den Korngrenzen diffundieren die HRE-Elemente in die äußere Schale der Körner, was das Anisotropiefeld und die Antientmagnetisierungsfähigkeit des Magneten 10 steigert. Der Prozess kann deshalb Sintern und Diffundieren in einem einzelnen Schritt kombinieren, anstatt separate Sinter- und Diffundierschritte. Das Kombinieren des Sinterns und Diffundierens zu einem einzelnen Schritt kann eine bessere Steuerung der HRE-Diffusion gestatten und reduzierte Gesamtverarbeitungszeit, Energie, Kosten und Materialien liefern.
Unter Bezugnahme auf 1C kann der Magnet 10 ein Konzentrationsprofil oder einen Gradienten 24 des HRE-haltigen Materials 14 nach dem Sintern besitzen. Das Profil 24 kann je nach der Anzahl, der Dicke, der Konzentration des HRE-Gehalts der HRE-Schichten 18 und der Beabstandung der HRE-Schichten 18 und/oder der Zeit und Temperatur des Sinterprozesses sowie anderer Verarbeitungsparameter variieren. Bei mindestens einer Ausführungsform besitzt das Konzentrationsprofil 24 des HRE-Materials 14 mindestens ein lokales Maximum 26 der HRE-Konzentration innerhalb des Volumens des Magneten 10 (z.B. nicht an den gegenüberliegenden Oberflächen des Magneten). Das lokale Maximum 26 kann sich zwischen lokalen Minima 28 der HRE-Konzentration im Konzentrationsprofil befinden. Bei einer weiteren Ausführungsform gibt es mehrere lokale Maxima 26 der HRE-Konzentration innerhalb des Volumens des Magneten 10. Wie hierin verwendet, bezieht sich „lokales Maximum“ (oder relatives Maximum) auf eine Konzentrationsgradspitze oder ein Konzentrationsgradmaximum innerhalb eines lokalisierten Gebiets. Beim lokalen Maximum 26 ist die HRE-Konzentration höher als auf beiden Seiten des lokalen Maximums 26. Ein gegebenes lokales Maximum 26 kann auch das globale oder Gesamtmaximum sein (z.B. kann die höchste HRE-Konzentration innerhalb des Volumens auftreten). Ein gesinterter Magnet mit einem HRE-Konzentrationsprofil 24 mit einem lokalen Maximum 26 innerhalb des Volumens ist ein weiteres unterscheidendes Merkmal gegenüber einem GBDP-Magneten, bei dem Diffusion bewirkt, dass der Gradient allmählich zu einer Mitte des Magneten, der ein lokales Minimum besitzt, abnimmt.
Bei einer weiteren Ausführungsform kann der Magnet ein Konzentrationsprofil 24 von HRE-Elementen besitzen, das periodisch ist und abwechselnde relative Maxima 30 und Minima 32 besitzt. Wie hierin verwendet, kann „periodisch“ identische oder regelmäßige Intervalle beinhalten, erfordert sie aber nicht. Unter Bezugnahme auf 3C gibt es in Gebieten, wo sich die HRE-Schichten 18 ursprünglich vor dem Sintern befanden, relative Maxima 30, und in Gebieten, wo sich ursprünglich magnetisches Pulver 12 befand, gibt es relative Minima 32. Allgemein wird jede Schicht 18 aus HRE-haltigem Material 14 zu einem lokalen Maximum 30 führen. Bei einer Ausführungsform ist das Konzentrationsprofil 24 der HRE-Elemente von im Wesentlichen sinusförmiger Gestalt. Dazu kann es kommen, wenn die Schichten 18 im Wesentlichen gleichmäßig beabstandet sind und ähnliche oder die gleichen Dicken besitzen.
Bei mindestens einer Ausführungsform kann die Sintertemperatur in dem Bereich von 800 bis 1150°C liegen. Die Sinterzeit kann von der Sintertemperatur abhängen, kann aber beispielsweise zwischen 1 und 24 Stunden variieren. Allgemein werden höhere Sintertemperaturen eine kürzere Sinterzeit erfordern, während niedrigere Temperaturen längere Sinterzeiten erfordern werden. Die Sintertemperatur und -zeit können jedoch wie erforderlich eingestellt werden, um einen ganz gesinterten Magneten 10 zu erhalten. Nachdem das Sintern abgeschlossen ist, ist ein Permanentmagnet 10 mit HRE-Elementen ausgebildet, die im Wesentlichen durch die Dicke des Magneten 10 diffundiert sind. Als Ergebnis kann die Koerzitivkraft des Magneten nach dem Diffusionsprozess signifikant vergrößert sein. Im Vergleich zu einem herkömmlichen GBDP-Prozess erfordert die beschriebene Ausführungsform nur eine einstufige Wärmebehandlung.
Wegen der mehreren Schichten 18 aus HRE-haltigem Material 14 innerhalb der geschichteten Anordnung ist die Diffusionsdistanz zwischen Schichten 18 aus HRE-Material 14 signifikant reduziert im Vergleich zu dem oben beschriebenen GBDP, bei dem das HRE-Material 14 auf zwei Oberflächen von bereits gesinterten Magneten aufgebracht wird. Infolgedessen ist die Koerzitivkraft des Magneten durch die Dicke des Magneten 10 im Vergleich zum GBDP konstanter. Der Unterschied bei der Koerzitivkraft für einen Magneten der gleichen Dicke, der unter Verwendung der geschichteten Anordnung ausgebildet wurde, im Vergleich zu dem GBDP ist in 2 schematisch gezeigt. Während das Koerzitivkraftprofil 34 des eine beschichtete Anordnung darstellenden Magneten 10 weiterhin Spitzen 36 an Tiefen entsprechend dem oder den lokalen Maxima 26 der HRE-Materialschichten 18 besitzt, sind die Täler 38 (entsprechend dem oder den lokalen Maxima 28) viel flacher als in dem GBDP-Magneten aufgrund der reduzierten Diffusionsdistanz des HRE-Materials 14 und weil das HRE-Material 14 während des Sinterns vorlag, anstatt als eine Schicht auf einem bereits gesinterten Magneten aufgebracht zu werden.
Das Koerzitivkraftprofil 34 kann durch die Dicke oder HRE-Konzentration der HRE-Schichten 18 gesteuert werden. Bei einer Ausführungsform können die eine oder mehreren äußeren HRE-Schichten 18 dicker sein oder einen höheren HRE-Gehalt besitzen als die inneren HRE-Schichten. Dadurch kann ein finaler gesinterter Magnet mit einer größeren Koerzitivkraft/Antientmagnetisierungsfähigkeit in äußeren/Eckgebieten hergestellt werden, der für Permanentmagnetmotoren nützlich sein kann, die ein höhere Koerzitivkraft in der Oberfläche/Ecke des Magneten erfordern.
Magneten 10 mit einer geschichteten Anordnung aus magnetischem Pulver 12 und HRE-haltigem Material 14 können eine beliebige, im Wesentlichen angemessene Dicke besitzen. Im Gegensatz zu dem GBDP, der eine effektive maximale Dicke von 6 mm aufgrund der Grenzen der Diffusion von den Oberflächen besitzt, kann der eine beschichtete Anordnung darstellende Magnet eine Dicke von über 6 mm besitzen, während er weiterhin durchweg eine hohe Koerzitivkraft besitzt. Bei einer Ausführungsform besitzt der eine beschichtete Anordnung darstellende Magnet eine Dicke von wenigstens 10 mm. Bei einer weiteren Ausführungsform besitzt der eine geschichtete Anordnung darstellende Magnet eine Dicke von mindestens 15 mm. Bei einer weiteren Ausführungsform besitzt der eine geschichtete Anordnung darstellende Magnet eine Dicke von mindestens 20 mm. Bei einer weiteren Ausführungsform besitzt der eine geschichtete Anordnung darstellende Magnet eine Dicke von mindestens 25 mm. Dementsprechend können eine geschichtete Anordnung darstellende Magnete groß genug sein, um mehrere Magnetanordnungen zu ersetzen oder für Anwendungen, bei denen GBDP-Magnete unzureichend sind.
Zusätzlich zu den Vorteilen, dickere Magnete herzustellen und eine gleichförmigere Koerzitivkraftverteilung zu erzielen, besitzt das offenbarte Verfahren den zusätzlichen Vorteil, dass es abgestimmte Magnetprofile (z.B. Koerzitivkraft) für verschiedene Anwendungen gestattet. Beispielsweise lässt sich das in 2 gezeigte Koerzitivkraftprofil (H_c-Profil) 34 durch die Anzahl der HRE-haltigen Schichten 18 und die Dicke jeder Magnetteilschicht 16, 18 abstimmen. Die Periodenmodulation des H_c-Profils 34 kann durch die Anzahl der HRE-haltigen Schichten 18 abgestimmt werden, während die Dicke jedes Magneten 10 den Wert der kleinsten Koerzitivkraft bestimmen kann.
Die Anzahl der Schichten 18 aus HRE-haltigem Material 14 im Magneten 10 und ihre Dicke können je nach der Gesamtdicke des Magneten 10 und dem gewünschten Koerzitivkraftgrad sowie anderen Faktoren variieren. Bei mindestens einer Ausführungsform besitzt die geschichtete Anordnung vor dem Sintern mindestens drei Schichten 18 aus HRE-haltigem Material 14. Die Anzahl an Schichten kann jedoch je nach der Dicke des Magneten, der Dicke der HRE-Schichten 18 und den gewünschten magnetischen Eigenschaften des Magneten 10 variieren. Beispielsweise kann der Magnet 10 vor dem Sintern mindestens 4, 5, 6, 10 oder mehr Schichten 18 aus HRE-haltigem Material 14 enthalten. Bei einer Ausführungsform bestehen die äußeren Schichten der geschichteten Anordnung jeweils aus HRE-haltigem Material 14. Jedoch können sich alle der HRE-haltigen Schichten 18 innerhalb des Volumens der geschichteten Anordnung befinden. Die Anzahl von Schichten 18 aus HRE-haltigem Material 14 kann als ein Verhältnis der Schichten zu mm Dicke definiert werden. Falls beispielsweise ein Magnet eine Dicke von 6 mm und drei Schichten aus HRE-haltigem Material besitzt, würde das Verhältnis 3:6 oder 1:2 betragen. Bei mindestens einer Ausführungsform beträgt das Verhältnis von HRE-haltigen Schichten zu mm Dicke mindestens 1:3. Bei einer weiteren Ausführungsform beträgt das Verhältnis von HRE-haltigen Schichten zu mm Dicke mindestens 1:2. Bei einer weiteren Ausführungsform beträgt das Verhältnis von HRE-haltigen Schichten zu mm Dicke mindestens 1:1. Bei einer weiteren Ausführungsform beträgt das Verhältnis von HRE-haltigen Schichten zu mm Dicke mindestens 3:2. Bei einer weiteren Ausführungsform beträgt das Verhältnis von HRE-haltigen Schichten zu mm Dicke mindestens 2:1.
Die Dicke der HRE-haltigen Materialschichten 18 kann je nach der Anzahl der Schichten und der Gesamtdicke des Magneten variieren. Die HRE-haltigen Schichten 18 können dick genug sein, dass sie ausreichend HRE-Material 14 enthalten, um zumindest bis zur Mitte zu der benachbarten HRE-haltigen Schicht 18 zu diffundieren. Bei mindestens einer Ausführungsform besitzen die HRE-haltigen Materialschichten 18 vor dem Sintern jeweils eine Dicke von 25 bis 250 μm. Bei einer weiteren Ausführungsform besitzen die HRE-haltigen Materialschichten 18 vor dem Sintern jeweils eine Dicke von 50 bis 150 μm. Bei einer weiteren Ausführungsform besitzen die HRE-haltigen Materialschichten 18 vor dem Sintern jeweils eine Dicke von 50 bis 100 μm. Der gesinterte Magnet 10 kann je nach den gewünschten magnetischen Eigenschaften einen beliebigen geeigneten HRE-Gehalt besitzen. Bei mindestens einer Ausführungsform besitzt der gesinterte Magnet 10 zwischen 1 und 8 Gew.-% HRE. Bei einer weiteren Ausführungsform besitzt der gesinterte Magnet 10 zwischen 1,5 und 5 Gew.-% HRE. Bei einer weiteren Ausführungsform besitzt der gesinterte Magnet 10 zwischen 1,5 und 4 Gew.-% HRE.
Das offenbarte Verfahren eignet sich nicht nur für fast in Form gepresste Magnete, sondern kann auch auf große oder große Blockmagnete anwendbar sein. Falls während der Herstellung große Blockmagnete produziert werden, kann das offenbarte Verfahren weitere Vorzüge bezüglich Zeit und/oder Kosteneinsparungen liefern. Für den herkömmlichen GBDP unter Verwendung eines großen Blockmagneten muss der Block zu einer Form geschnitten werden, die der Endanwendung nahe liegt, und dann muss der GBDP-Prozess auf jeden Magneten angewendet werden. Bei dem offenbarten Verfahren kann der Diffusionsprozess im großen Blockmagneten erfolgen. Zuerst können die HRE-Schichten 18 während des Pressprozesses vorbereitet werden. Die Anzahl der Schichten und die Dicke der Schichten können von der Anwendungsanforderung abhängen. Als Zweites können Sintern/Diffusion durchgeführt werden. Als Drittes kann der große Block in mehrere kleinere Magnete für eine oder mehrere Anwendungen ohne weitere Wärmebehandlung geschnitten/geschliffen werden. Deshalb kann der zeitraubende individuelle HRE-Beschichtungsprozess des GBDP für jeden kleineren Magneten vermieden werden.
Bei mindestens einer Ausführungsform kann zusätzlich dazu, dass die Magnetdicke, die Koerzitivkraft und die Homogenität vergrößert werden, der eine geschichtete Anordnung herstellende Prozess verwendet werden, um den elektrischen Widerstand innerhalb des Magneten zu erhöhen. Der erhöhte elektrische Widerstand kann Wirbelstromverluste reduzieren, die innerhalb des Magneten auftreten können. Der eine geschichtete Anordnung herstellende Prozess kann im Wesentlichen ähnlich dem oben beschriebenen sein, aber mit der Zugabe von elektrisch isolierendem Material 40 zum HRE-haltigen Material 14 vor dem Schichtungsprozess. Beispielsweise kann ein elektrisch isolierendes Material 40 mit einem HRE-haltigen Material 14 gemischt werden und die Mischung 42 kann abwechselnd mit magnetischem Pulver 12 geschichtet werden, um eine geschichtete Anordnung auszubilden. Statt das isolierende Material 40 und das HRE-haltige Material 14 zu mischen, können die HRE-haltigen Schichten 18 und die isolierenden Schichten 44 auch im Magneten 10 separat geschichtet werden.
Beispielsweise kann die geschichtete Struktur HRE-isolierend-magnetisch-isolierend-HRE-isolierend-magnetisch-isolierend-HRE oder HRE-magnetisch-isolierend-magnetisch-HRE oder irgendeine andere Kombination sein. Die geschichtete Anordnung kann dann unter einem externen Magnetfeld 22 gepresst und danach gesintert werden, um einen Permanentmagneten 10 auszubilden, gemäß dem oben beschriebenen Prozess. Das elektrisch isolierende Material 40 kann ein beliebiges geeignetes sinterbares Material sein, beispielsweise ein Keramikpulver. Bei einer Ausführungsform ist das isolierende Material 40 ein Fluorid oder ein Oxid von Ca, Mg, Li, Sr, Na, Ba, Sr oder Fe oder anderen wie etwa SiO₂ usw.
Unter Bezugnahme auf die 3A bis 3C wird der eine geschichtete Anordnung herstellende Prozess einschließlich elektrisch isolierenden Materials 40 gezeigt. Das elektrisch isolierende Material 40 kann mit dem HRE-haltigen Material 14 in jeder Schicht 18 aus HRE-haltigem Material, in einigen Schichten und nicht anderen, gemischt werden oder es kann als eine separate, eigene Schicht 44 vorliegen. Wie in 3A gezeigt, wird das elektrisch isolierende Material 40 mit dem HRE-haltigen Material 14 in allen internen Schichten, aber nicht in den Oberflächenschichten, aus HRE-haltigem Material 14 eingemischt. 3B zeigt die geschichtete Anordnung nach dem Pressen unter einem externen Magnetfeld 22, wobei das elektrisch isolierende Material 40 und das HRE-haltige Material 14 in Schichten zwischen dem magnetischen Pulver angeordnet ist. Durch Steuern der Sinterzeit und -temperatur und der Wahl des isolierenden Materials kann ein Permanentmagnet 10 ausgebildet werden, der HRE-Material 14 besitzt, das in die Korngrenzen und äußeren Kornschalen und das Isolationsmaterial 40 immer noch im Wesentlichen in seiner Originalposition zwischen Schichten aus magnetischem Pulver 16 eindiffundiert ist, wie in 3C gezeigt. Das isolierende Material 40 kann zumindest teilweise aufgrund der Unvermischbarkeit mit den anderen vorliegenden Materialien an seiner Originalposition bleiben. Das elektrisch isolierende Material bildet dadurch elektrische Isolationsschichten 44, die magnetische Schichten 16 mit hoher Koerzitivkraft innerhalb des Magneten trennen. Bei einer weiteren Ausführungsform kann das elektrisch isolierende Material 40, anstatt an seiner Originalposition zu bleiben, innerhalb des magnetischen Pulvers zusammen mit dem HRE-haltigen Material 14 diffundieren, jedoch nicht notwendigerweise bis zur gleichen Tiefe. Bei dieser Ausführungsform kann der Wirbelstromverlust weiter durch eine Widerstandserhöhung reduziert werden, indem das isolierende Material 40 zu den Korngrenzen diffundiert. Die zum Ausbilden von Magneten mit HRE und isolierenden Schichten verwendeten Verarbeitungsbedingungen können ähnlich oder gleich denen für Magnete nur mit HRE-Schichten sein, die oben beschrieben sind.
Zusätzlich zu den oben beschriebenen elektrisch isolierenden Materialien wie etwa Fluoriden oder Oxiden kann das elektrisch isolierende Material 40 ein magnetisches Material 46 beinhalten. Das Verwenden von elektrisch isolierenden Materialien, die auch magnetische Materialien sind, kann zu einem Magneten mit hervorragenden magnetischen Eigenschaften führen im Vergleich zu einem Magneten, bei dem unmagnetisches isolierendes Material verwendet wird, weil innerhalb des Magneten kein „verschwendetes“ Volumen vorliegt, das nicht zu der Magnetstärke beiträgt. Das magnetische isolierende Material 46 kann ein beliebiges geeignetes Material sein, das sowohl magnetisch als auch elektrisch isolierend ist. Bei mindestens einer Ausführungsform besitzt das magnetische isolierende Material 46 „hartmagnetische“ Eigenschaften. Eine nichterschöpfende Liste möglicher Materialien kann Eisenoxid, Bariumferritpulver, Strontiumferritpulver oder andere beinhalten. Das magnetische isolierende Material 46 kann auch magnetische Materialien enthalten, die mit einem elektrisch isolierenden Material beschichtet sind, beispielsweise Eisenpulver mit einer isolierenden Beschichtung.
Bei mindestens einer Ausführungsform kann das magnetische isolierende Material 46 mit dem HRE-haltigen Material 14 gemischt werden, wie oben für das elektrisch isolierende Material 40 beschrieben. Bei anderen Ausführungsformen jedoch kann das magnetische isolierende Material 46 das HRE-haltige Material in der geschichteten Anordnung derart ersetzen, dass die Anordnung abwechselnde Schichten aus magnetischem Pulver 12 und magnetischem isolierendem Material 46 enthält. Diese geschichtete Anordnung kann unter Einsatz im Wesentlichen der gleichen Verfahren wie oben beschrieben hergestellt, verdichtet und gesintert werden. Der resultierende Magnet ist möglicherweise in der Herstellung preiswerter als solche mit HRE-Schichten 18, kann aber auch im Vergleich zu Standardmagneten wesentlich reduzierte Wirbelstromverluste bieten. Wie in 4A–4D gezeigt, können die Schichten 48 aus magnetischem isolierendem Material 46 derart orientiert sein, dass sie sich senkrecht, parallel oder unter einem schiefen Winkel zur c-Achse der magnetischen harten Phase befinden, indem die Schichten während des Pressprozesses unter dem Magnetfeld 22 entsprechend ausgerichtet werden. Das magnetische isolierende Material 46 kann auch zu einem vernetzten Muster mit sich schneidenden Schichten 48 aus dem Material ausgebildet werden, um den elektrischen Widerstand innerhalb des Magneten 10 weiter zu erhöhen.
Wenngleich die oben beschriebenen Ausführungsformen eine geschichtete Struktur mit mehreren Schichten aus magnetischem Material 12 und Schichten aus HRE-Material 14 enthalten, kann der beschriebene Prozess auch zum Ausbilden einer Magnetstruktur verwendet werden ähnlich jenen, die unter Einsatz des herkömmlichen GBDP ausgebildet werden. Eine HRE-haltige Schicht 18 kann auf der Oberseite und Unterseite aufgetragen werden, während eine Schicht aus magnetischem Material 12 dazwischen angeordnet ist. Dieses Verfahren kann deshalb in einer einstufigen Wärmebehandlung eine Magnetstruktur vom GBDP-Typ herstellen, anstatt dem herkömmlichen Verfahren, das zwei Stufen erfordert: zuerst Sintern und dann Diffusionswärmebehandlung. Dieses Verfahren kann dann Zeit und Kosten für die gleiche Magnetstruktur und die gleichen Magneteigenschaften einsparen.
Wenngleich oben Ausführungsbeispiele beschrieben werden, sollen diese Ausführungsformen nicht alle möglichen Formen der Erfindung beschreiben. Vielmehr sind die in der Patentschrift verwendeten Wörter Wörter der Beschreibung anstatt der Beschränkung, und es versteht sich, dass verschiedene Änderungen vorgenommen werden können, ohne von dem Schutzbereich und Gedanken der Erfindung abzuweichen. Außerdem können die Merkmale verschiedener implementierender Ausführungsformen kombiniert werden, um weitere Ausführungsformen der Erfindung auszubilden.

Claims

Magnet, der Folgendes umfasst: einen einzelnen gesinterten Magneten mit einem Konzentrationsprofil von schweren Seltenerdelementen (HRE – Heavy Rare-Earth) mit einem kontinuierlich gesinterten Seltenerdmagnetvolumen (RE – Rare-Earth) wobei das Konzentrationsprofil mindestens ein lokales Maximum von HRE-Elementkonzentration enthält, das sich zwischen lokalen Minima der HRE-Elementkonzentration innerhalb des Volumens befindet, so dass ein entsprechendes Koerzitivkraftprofil des Magneten mindestens ein lokales Maximum enthält, das sich zwischen lokalen Minima innerhalb des Volumens befindet.
Magnet nach Anspruch 1, wobei das Konzentrationsprofil von HRE-Elementen mehrere lokale Maxima der HRE-Elementkonzentration innerhalb des Volumens enthält.
Magnet nach Anspruch 1, wobei das Konzentrationsprofil der HRE-Elemente periodisch ist mit abwechselnden relativen Maxima und Minima.
Magnet nach Anspruch 3, wobei das Konzentrationsprofil der HRE-Elemente von im Wesentlichen sinusförmiger Gestalt ist.
Magnet nach Anspruch 1, wobei der einzelne gesinterte Magnet eine Dicke von über 6 mm aufweist.
Magnet nach Anspruch 1, wobei das RE-Magnetvolumen mindestens eine einer RE-Fe-B- oder Sm-Co-Legierung enthält.
Magnet nach Anspruch 1, weiterhin umfassend ein elektrisch resistives Material innerhalb des Volumens.
Magnet nach Anspruch 7, wobei das elektrisch resistive Material als mindestens eine Schicht innerhalb des Volumens ausgebildet ist.
Magnet nach Anspruch 7, wobei innerhalb des Volumens ein Konzentrationsprofil des elektrisch resistiven Materials vorliegt, das periodisch ist mit abwechselnden relativen Maxima und Minima.
Magnet nach Anspruch 7, wobei das elektrisch resistive Material ein magnetisches Material beinhaltet.