DE102015213957A1

DE102015213957A1 - Verfahren zur Herstellung eines Hybridmagneten sowie mit dem Verfahren herstellbarer Hybridmagnet

Info

Publication number: DE102015213957A1
Application number: DE102015213957.3A
Authority: DE
Inventors: Branislav Zlatkov; Zoran Djinovic; Ana Maria Racu
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Volkswagen AG
Priority date: 2015-07-23
Filing date: 2015-07-23
Publication date: 2017-01-26
Anticipated expiration: 2035-07-24
Also published as: CN106373769A; DE102015213957B4

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Hybridmagneten (20) und ein mit dem Verfahren herstellbarer Hybridmagnet (20), umfassend Kerne (15, 15‘) zumindest zwei unterschiedlicher Magnetmaterialien (12, 13‘) und einer amorphen Matrix (21) eines diamagnetischen oder paramagnetischen Materials (22), in der die Kerne (15, 15‘) eingebettet sind. das Verfahren umfassend die Schritte: (a) Bereitstellen eines Pulvers (10, 10‘) von Partikels (11, 11‘) zumindest zweier Magnetmaterialien (12, 12‘), wobei das Pulver (10, 10‘) als Mischung der zumindest zwei Magnetmaterialien (12, 12‘) oder als getrennte Pulver jeweils eines der zumindest zwei Magnetmaterialien vorliegt, (b) Beschichten der getrennten oder gemischten Pulverpartikel (11, 11‘) der zumindest zwei Magnetmaterialien (12, 12‘) mit einer Beschichtung (16, 16‘) eines diamagnetischen oder paramagnetischen Beschichtungsmaterials (17, 17‘), (c) Abformen einer Mischung der beschichteten Partikel (13, 13‘) zu einem Formkörper (19), (d) Wärmebehandeln zur Sinterung des Beschichtungsmaterials (17, 17‘) bei einer Temperatur, die kleiner als eine zur Sinterung der Magnetmaterialien (12, 12‘) geeignete Temperatur ist, unter Überführung des Beschichtungsmaterials (17, 17‘) in eine amorphe Matrix (21) eines diamagnetischen oder paramagnetischen Materials (22), welche die Partikel der zumindest zwei Magnetmaterialien (12, 12‘) einbettet, und (e) Magnetisieren der zumindest zwei Magnetmaterialien (12, 12‘) in einem externen Magnetfeld, wobei die Schritte (c), (d) und (e) in beliebiger Reihenfolge nacheinander oder in beliebigen Kombinationen zeitgleich durchgeführt werden.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines permanenten Hybridmagneten sowie ein durch das Verfahren herstellbarer Hybridmagnet.
Die Nachfrage an leistungsfähigen Permanentmagneten, die beispielsweise in elektrischen Maschinen eingesetzt werden, steigt beständig. Insbesondere werden Permanentmagnete in Elektromotoren für die Traktion von Kraftfahrzeugen eingesetzt, die im Zuge zunehmender Elektromobilität an Interesse gewinnen.
Magnetische Werkstoff lassen sich systematisch anhand unterschiedlicher Kriterien in unterschiedliche Einteilungen eingruppieren. Ausgehend z.B. von den Bindungsverhältnissen und der Struktur unterscheidet man metallische kristalline Werkstoffe, metallische amorphe Werkstoffe und oxidische Werkstoffe. Eine weitere, physikalisch bedeutende Einteilung erfolgt nach der Größe der Koerzitivfeldstärke H_cb. Hier unterscheidet man weichmagnetische Werkstoffe, magnetisch halbharte Werkstoffe und hartmagnetische Werkstoffe. 6 zeigt die Koerzitivfeldstärken verschiedener Magnetwerkstoffe. Als magnetische beziehungsweise magnetisierbare Legierungen mit hohen Koerzitivkräften kommen hauptsächlich Seltenerdlegierungen des Typs SE-TM-B oder SE-TM zum Einsatz, wobei SE ein Element der Seltenen Erden ist, TM ein Übergangsmetall der Eisengruppe (Fe, Co, Ni) und B Bor ist.
Die magnetischen Werkstoffe werden heute im Wesentlichen auf zwei verschiedenen Routen hergestellt: schmelzmetallurgisch, wobei Gussmagnetwerkstoffe erhalten werden, und pulvermetallurgisch, woraus Sintermagnet- oder Pulvermagnetverbundwerkstoffe resultieren. Die pulvermetallurgische Route hat sich dabei für nahezu sämtliche magnetische Werkstofftypen durchgesetzt. Bei den Pulvermagnetverbundwerkstoffen handelt es sich zumeist um kunststoffgebundene Werkstoffe, bei denen das Magnetpulver mit einem Polymer gemischt und durch Spritzgießen oder Pressen abgeformt wird. Im Produkt werden die Magnetpartikel durch eine Polymermatrix zusammengehalten. Diese Bauteile weisen jedoch aufgrund des zwischen den Magnetpartikeln vorhandenen Polymers neben nicht maximal ausgenutzten magnetischen Eigenschaften nur eine begrenzte mechanische Festigkeit und thermische Haltbarkeit auf.
Typische pulvermetallurgische Herstellungsverfahren umfassen die Prozessstufen Pulverisierung des magnetischen Ausgangsmaterials, Pressen des Pulvers zu einem Grünteil mit oder ohne externem Magnetfeld unter Ausformung einer gewünschten Gestalt, Sintern des Grünteils zur weiteren Verdichtung (Hochtemperaturbehandlung), optional Tempern (Wärme- oder Niedertemperaturbehandlung) zum Spannungsabbau und zur Gefügestabilisierung im Magnetkörper sowie Magnetisierung in einem Magnetfeld. Im Anschluss an die Wärmebehandlung kann nach Bedarf ein materialabtragender Prozessschritt, z.B. Schleifen erfolgen sowie abschließendes Beschichten. Teilweise werden verschiedene Prozessstufen auch miteinander kombiniert sowie die Reihenfolge variiert. Beispielsweise ist das Heißpressverfahren bekannt, bei welchem das Pressen unter einer Temperatur erfolgt, die zu einer mechanischen Verdichtung des Magnetmaterials führt und somit einen separaten Sinterprozess erübrigt. Zudem wird das Pressen häufig in einem externen Magnetfeld vorgenommen, wobei magnetisch anisotrope Magnete entstehen, sodass die nachträgliche Magnetisierung entfallen kann. Bei Heißpressen wird kein Magnetfeld während des Pressens gebraucht. Vielmehr werden die Teile werden nach dem Pressen magnetisiert.
Aus DE 10 2013 004985 A1 ist ein Verfahren zur Herstellung eines nanostrukturierten Permanentmagneten bekannt, bei dem das Magnetpulver zunächst mit einem para- oder diamagnetischen Material beschichtet wird und die Beschichtung durch eine thermische Behandlung in eine Matrix aus einem Glas, einer Keramik, einer Glaskeramik oder einem metallischem Glas überführt wird, welche die Magnetpartikel im fertigen Produkt einbettet und voneinander trennt. Es erfolgt keine Sinterung der Magnetpartikel.
In US 6,972,046 B2 sind zwei Verfahren zur Herstellung eines Hybridmagneten unter Verwendung eines hartmagnetischen und eines weichmagnetischen Magnetmaterials in nanopartikulärer Pulverform beschrieben. Gemäß dem ersten Verfahren werden beide Magnetmaterialien getrennt voneinander mit einer flüchtigen Beschichtung zur Vermeidung von Agglomeration beschichtet und in einem Lösungsmittel dispergiert. Nach Vermischen der Dispersionen wird das Lösungsmittel unter Selbstorganisation der beschichteten Partikel entfernt. Nachfolgend erfolgt eine thermische Behandlung unter Entfernung der Beschichtung und Sintern der Magnetpartikel. Gemäß dem zweiten Verfahren wird eine Kern-Hüllen-Struktur (core-shell structure) der beiden Magnetmaterialien hergestellt, wobei das hartmagnetische Material den Kern und das weichmagnetische Material die Hülle bildet oder umgekehrt. Diese Partikel werden sodann wie im ersten Verfahren beschichtet, dispergiert und unter Selbstorganisation vom Lösungsmittel befreit und schließlich unter Entfernung der Beschichtung gesintert. Der US 6,972,046 B2 liegt der Gedanke zugrunde, ein hart- und ein weichmagnetisches Material in einem derart innigen Gefüge anzuordnen, welches eine so genannte Austauschkopplung (exchange coupling oder exchange spring coupling) der magnetischen Spins der hart- und weichmagnetischen Phase und somit eine Verstärkung des Energieprodukts BH_max der magnetische Induktion B und der maximalen Feldstärke H_max herbeizuführen.
US 2014/0072470 A1 beschreibt die Herstellung eines Permanentmagneten mittels ECAE (Equal Channel Angular Extrusion), einer Art Strangpressverfahren. Dabei wird ein magnetisches Pulvermaterial in einer Pressmatize mit einem gewinkelten Kanal unter sehr hohen Drücken bis zu 100.000 psi (ca. 6.900 bar) bei moderater Temperatur abgeformt. Es entstehen hochverdichtete Körper. Der Einsatz einer Mischung aus weich-, hart- und/oder halbhartmagnetischen Materialien wird ebenfalls erwähnt.
Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Herstellung eines Permanenthybridmagneten bereitzustellen, mittels welchem Hybridmagnete einfacher und kostengünstiger hergestellt werden können, wobei deren magnetischen Eigenschaften in hohem Maße variabel an die jeweilige Anwendung angepasst werden können. Die aus dem Verfahren resultierenden Magnete sollen temperatur- und korrosionsbeständig sein und eine hohe magnetische Leistung besitzen.
Diese Aufgaben werden gelöst durch ein Herstellungsverfahren zur Herstellung eines Hybridmagneten, einen mit dem Verfahren herstellbaren Hybridmagneten sowie eine elektrische Maschine, die einen solchen umfasst, mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche.
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung eines Permanentmagneten umfasst die Schritte:

(a) Bereitstellen eines Pulvers umfassend Partikel von zumindest zwei Magnetmaterialien, wobei das Pulver als Mischung der zumindest zwei Magnetmaterialien oder als getrennte Pulver jeweils eines der zumindest zwei Magnetmaterialien vorliegt,
(b) Beschichten der getrennten oder gemischten Pulverpartikel der zumindest zwei Magnetmaterialien mit einem diamagnetischen oder paramagnetischen Beschichtungsmaterial,
(c) Abformen einer Mischung der beschichteten Partikel zu einem Formkörper,
(d) Wärmebehandeln zur Sinterung des Beschichtungsmaterials bei einer Temperatur, die kleiner als eine zur Sinterung der Magnetmaterialien geeignete Temperatur ist, unter Überführung des Beschichtungsmaterials in eine amorphe Matrix eines diamagnetischen oder paramagnetischen (magnetisch nicht leitendes) Materials, welche die Partikel der zumindest zwei Magnetmaterialien einbettet, und
(e) Magnetisieren der zumindest zwei Magnetmaterialien in einem externen Magnetfeld,

Das erfindungsgemäße Verfahren zeichnet sich unter anderem dadurch aus, dass die Sinterung des Beschichtungsmaterials bei einer Temperatur durchgeführt wird, die kleiner als eine Sintertemperatur der einzelnen als auch der Mischung der zumindest zwei magnetischen Materialien (nachfolgend auch als Magnetmaterialien oder Magnetwerkstoffe bezeichnet) ist. Mit anderen Worten, wird der Sinterschritt (d) des Verfahrens unter Bedingungen durchgeführt, bei denen keine Sinterung der Magnetmaterialien erfolgt. Insbesondere wird in Schritt (d) die Sinterung bei einer Temperatur durchgeführt, die höchstens einer Transformations- oder Schmelztemperatur des Beschichtungsmaterials (je nach chemischer Zusammensetzung des amorphen Materials ist) entspricht. Demgemäß erfolgt die Sinterung in Schritt (d) ausschließlich unter Aufschmelzung des Beschichtungsmaterials und nicht unter Sinterung der Magnetmaterialien der Magnetkerne. Vorzugsweise wird das gesamte Verfahren unter Bedingungen durchgeführt, bei denen keine Sinterung des Magnetmaterials erfolgt. Dies bedeutet, dass in keinem Verfahrensschritt Bedingungen (insbesondere Temperatur und Druck) angewendet werden, welche zur Sinterung des Magnetmaterials führen. Dabei ist grundsätzlich zu berücksichtigen, dass die Sintertemperatur, ebenso wie die Transformations- und Schmelztemperaturen, der Materialien druckabhängig sind und somit die Sintertemperatur unter Berücksichtigung des Drucks zu wählen ist. Wird somit in einem Verfahrensschritt gleichzeitig ein erhöhter Druck und eine erhöhte Temperatur angewandt, beispielsweise durch eine Kombination der Schritte (c) und (d), so ist die Prozesstemperatur anders, insbesondere niedriger, als beim druckfreien Sintern zu wählen. In jedem Fall sind die Bedingungen so zu wählen, dass sie höchstens zur Sinterung des Beschichtungsmaterials, nicht jedoch der Magnetmaterialien führen. Vorzugsweise wird die Prozesstemperatur in Schritt (d) deutlich niedriger als die Sintertemperatur desjenigen der Magnetmaterialien gewählt, welches die niedrigste Sintertemperatur aufweist.
Durch die erfindungsgemäße Prozessführung unter Vermeidung der Sinterung der Magnetmaterialien, insbesondere im Sinterschritt (d), wird ein unerwünschtes Kristallwachstum der Magnetpartikel, verhindert. Dieser Effekt wird noch dadurch vergrößert, dass die Pulverpartikel eine Beschichtung aufweisen, welche das Zusammenwachsen benachbarter Magnetpartikel während des Pressens und/oder des Sinterns verhindert. Die ursprünglich eingesetzten Partikelgrößen der Magnetpulvermaterialien wird durch das Verfahren somit im Wesentlichen auch im Produkt beibehalten, insbesondere nicht vergrößert. Im Ergebnis entspricht somit der Durchmesser der magnetischen Kerne im fertigen Magneten im Wesentlichen dem Durchmesser der eingesetzten Pulverpartikel. Es können also Hybridmagnete mit sehr kleinen magnetischen Kernen, deren Größe im Bereich von magnetischen Eindomänenteilchen (optimale Teilchengröße) liegen, erhalten werden.
Durch die Beschichtung der Magnetpartikel beziehungsweise durch die nichtmagnetische amorphe Matrix im Produkt wird darüber hinaus gewährleistet, dass es zu keinen nachteiligen chemischen, physikalischen und magnetischen Einflüssen durch benachbarte Magnetpartikel, insbesondere durch Magnetpartikel eines unterschiedlichen Magnetwerkstofftyps kommt. Vielmehr sorgt die Beschichtung beziehungsweise die Matrix für eine feste Beabstandung der einzelnen Magnetteilchen. Die einzelnen Phase (z.B. hart- und weichmagnetische Phasen) bleiben physikalisch, chemisch, kristallographisch und magnetisch (magnetische Spins) unverändert. Die Vorteile der verschiedenen Materialien werden jeweils maximal genutzt. Das Vorhandensein einer nichtmagnetischen Barriere zwischen den Korngrenzen zweier benachbarten Magnetkernen verhindert die Erstehung von Wirbelströmen und reduziert die interne Wärmeentwicklung und Wirbelstromverluste. Die magnetische Austauschkopplung wird hierdurch begünstigt. Insbesondere bei Einsatz eines weichmagnetischen Materials werden die ansonsten starken Energieverluste, umfassend Hystereseverluste, Wirbelstromverluste, Nachwirkungsverluste, durch die nichtmagnetische Matrix aufgrund der elektrischen Isolationswirkung minimiert.
Kunststoffgebundene Sintermagnete sind mit dem Problem behaftet, dass die nichtmagnetische Polymerphase zwischen den magnetischen Korngrenzen eine relativ hohe Schichtdicke aufweist. Auf diese Weise werden zwar Wirbelstromverluste verringert, jedoch eine Verringerung der Magnetleistung, insbesondere des Energieprodukts (B_rHcb)_max in Kauf genommen. Auf der anderen Seite weisen Sintermagneten, in denen keine nichtmagnetische Phase zwischen den magnetischen Partikeln vorliegt oder diese sogar durch Sinterung zusammengewachsen sind, starke Wirbelstromverluste auf. Die erfindungsgemäße para- oder diamagnetische glasartige Phase zwischen den Magnetkernen kann hingegen mit äußerst geringen Schichtdicken hergestellt werden und unterbindet dennoch effektiv die unvorteilhaften Einflüsse an den Korngrenzen.
Durch die Beschichtung der magnetischen Partikel werden zusätzliche positive Effekte erzielt. So wird die Korrosionsbeständigkeit der Magnetmaterialien erhöht. Im gleichen Zuge führt die Beschichtung der Magnetpartikel zu einer Passivierung der Partikeloberflächen. Hierdurch wird die Gefahr einer Selbstentzündung bei Kontakt mit Luft des sehr pyrophoren Magnetmaterials, welche insbesondere bei der Pulverhandhabung gegeben ist, überwunden. Auf diese Weise wird die Durchführung des Verfahrens wesentlich vereinfacht, beispielsweise muss nach erfolgter Beschichtung nicht unter einer Inertgasatmosphäre gearbeitet werden. Ferner führt die dielektrische Isolationswirkung der para- oder diamagnetischen Matrix in Verbindung mit der geringen Partikelgröße zu einer Reduktion der im Magneten entstehenden Wirbelströme. Dies führt wiederum zu einer erhöhten Magnetfeldstärke sowie zu einer Vermeidung unerwünschter Erwärmung des Magneten.
Das Verfahren zeichnet sich darüber hinaus durch eine hohe Flexibilität hinsichtlich der einzusetzenden Materialien sowohl des magnetischen Materials als auch des Beschichtungs- beziehungsweise Matrixmaterials aus.
Die in Schritt (a) eingesetzten zumindest zwei unterschiedlichen Magnetmaterialien können unabhängig voneinander ausgewählt sein aus den Klassen der weichmagnetischen, magnetisch halbharten und hartmagnetischen Magnetwerkstoffen, wobei die Magnetmaterialien aus der gleichen Klasse oder aus unterschiedlichen Klassen gewählt werden können. Auf diese Weise können die magnetischen Eigenschaften des Hybridmagneten beliebigen Anwendungsfällen angepasst werden. In bevorzugter Ausführung besitzen die in Schritt (a) eingesetzten zumindest zwei Magnetmaterialien voneinander abweichende Koerzitivfeldstärken, insbesondere sind sie aus unterschiedlichen dieser drei Klassen ausgewählt, d.h. es sind Kombinationen aus hartmagnetisch/weichmagnetisch, hartmagnetisch/magnetisch halbhart, weichmagnetisch/magnetisch halbhart bevorzugt. Besonders bevorzugt umfassen die zumindest zwei Magnetmaterialien ein erstes Magnetmaterial, das ein hartmagnetisches Material ist, und ein zweites Magnetmaterial, das ein weichmagnetisches oder magnetisch halbhartes Magnetmaterial ist. Auf diese Weise vereinigen sich die Vorteile eines hartmagnetischen Materials (hohe Koerzitivfeldstärke H_cb) und eines weichmagnetischen oder magnetisch halbharten Magnetmaterials (hohe Remanenz B_r), d.h. der erfindungsgemäße Hybridmagnet weist gleichzeitig eine hohe Koerzitivfeldstärke und hohe Remanenz auf.
Als weichmagnetischer Werkstoff wird im Rahmen dieser Anmeldung ein Werkstoff mit einer Koerzitivfeldstärke H_cb von kleiner oder gleich etwa 10³ A/m verstanden. Viele weichmagnetische Materialien, wie Eisen, Kohlestoffstähle und FeCo-Legierungen, zeichnen sich insbesondere durch eine hohe magnetische Remanenz B_r aus. Insbesondere können kristalline weichmagnetische Werkstoffe zum Einsatz kommen, umfassend Weicheisen, Kohlenstoffstähle, Legierungen auf Basis von FeAl, FeAlSi, FeNi, FeCo und andere; amorphe weichmagnetische Werkstoffe, umfassend FeNiBSi, FeBSi, und andere; sowie weichmagnetische Ferritwerkstoffe, umfassend MnZn-Ferrite und MgZn-Ferrite; Spinellwerkstoffe (MnMgZn, NiZn, etc.); Granatwerkstoffe (BiCa, YGd, etc.) und andere. Vorzugsweise werden weichmagnetische Werkstoffe mit einer Remanenz von zumindest 1,0 T oder sogar von zumindest 1,5 T eingesetzt.
Als hartmagnetischer Werkstoff wird im Rahmen dieser Anmeldung ein Werkstoff mit einer Koerzitivfeldstärke H_cb von größer als etwa 10⁴ A/m, insbesondere größer als 10⁵ A/m verstanden. Hierunter fallen martensitische Stähle, Legierungen auf Basis von CuNiFe, CuNiCo, FeCoVCr, MnAlC, AlNiCo, PtCo, MnBi, Fe16N2, Seltenerdlegierungen, Hartferrite und andere. Insbesondere ist das erste, hartmagnetische Magnetmaterial ausgesucht aus Seltenerdlegierungen des Typs SE-TM-B oder SE-TM, wobei SE ein Element der Seltenen Erden ist, TM ein Übergangsmetall der Eisengruppe (Eisen Fe, Cobalt Co, Nickel Ni), und B Bor ist, insbesondere ausgewählt ist aus NdFeB, SmCo, SmFeN, SrFeO und ZrCo. Derartige Seltenerdlegierungen zeichnen sich durch besonders hohe Koerzitivfeldstärken aus.
Als magnetisch halbharter Werkstoff wird im Rahmen dieser Anmeldung ein Werkstoff mit einer Koerzitivfeldstärke H_cb im Bereich von größer als 10³ A/m und kleiner oder gleich etwa 10⁴ A/m verstanden. Magnetisch halbharte Werkstoffe umfassen beispielsweise Legierungen auf Basis von FeMn, FeNiMn, CoFeNi, FeCu, und andere. Besondere Beispiele sind Co49Fe48V3 (Handelsname Remendur) Co55NiFe (Handelsname Vacozet), Fe54Ni29Co17 (Handelsname Kovar).
Zumindest eines der in Schritt (a) bereitgestellten Pulver der Magnetmaterialien, insbesondere ein hartmagnetisches Magnetmaterial, weist bevorzugt einen mittleren Partikeldurchmesser von höchstens 5 µm auf, bevorzugt höchstens 1 µm. Vorzugsweise liegt der mittlere Partikeldurchmesser sogar im Bereich von Eindomänenteilchen. Da die Größe magnetischer Domänen vom Magnetwerkstoff abhängt, kann der bevorzugte Partikeldurchmesser nicht allgemein angegeben werden. Für den hartmagnetischen Magnetwerkstoff NdFeB beträgt der bevorzugte, im Bereich von Eindomänenteilchen liegende mittlere Partikeldurchmesser beispielsweise 0,1 bis 0,4 µm (100 bis 400 nm) und besonders bevorzugt im von 0,2 bis 0,25 µm (200 bis 250 nm). Partikelgrößen in diesem Bereich entsprechen im Wesentlichen der Größe magnetischer Domänen, so dass die genannten Durchmesser mit einer besonders hohen Magnetfeldstärke einhergehen. Bei weichmagnetischen Materialien können die bevorzugten mittleren Partikeldurchmesser tendenziell in einem größeren Bereich liegen, beispielsweise im Bereich von 0,3 bis 300 µm. Wie bereits erläutert, bleiben die eingesetzten Durchmesser der Partikel durch das erfindungsgemäße Verfahren erhalten und liegen demgemäß auch im fertigen Magnet in Form so genannter Eindomänenteilchen vor. Der konkrete mittlere Durchmesser hängt einerseits vom Magnetwerkstoff ab. Auf der anderen Seite richtet sich die Korngrößenverteilung, also der Anteil der Teichen in verschiedenen Größenbereichen, nach der geplanten Verwendung des Magneten. Erfindungsgemäß wird somit ein Magnet erhalten, der im Wesentlichen aus Eindomänenteilchen oder Eindomänenkristalliten zusammengesetzt ist und somit eine höhere Koerzitivfeldstärke und verbesserte Temperaturbeständigkeit aufweist. Gleichzeitig führen die geringen Partikelgrößen zu einer dichteren Kristallpackung und somit zu einer höheren mechanischen Festigkeit (Härte).
Dabei können sowohl der mittlere Durchmesser der eingesetzten Pulverpartikel der zumindest zwei magnetischen Materialien als auch die Korngrößenverteilung gleich oder unterschiedlich sein. In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung sind die mittleren Durchmesser der verschiedenen magnetischen Materialien unterschiedlich gewählt und weisen besonders bevorzugt eine relativ enge Korngrößenverteilung auf. Dies führt zu einer vergleichsweisen geordneten Anordnung der verschiedenen Werkstoffe sowie zu einer besonders dichten Kugelpackung im fertigen Hybridmagneten und somit zu besonders hohen Energieprodukten (BH)_max und Koerzitivfeldstärken H_cb beziehungsweise Temperaturstabilität etc. Vorzugsweise ist der mittlere Partikeldurchmesser des gröberen Materials um zumindest 20%, insbesondere um zumindest 30%, größer als der des feineren Materials. Dabei wird unter einer relativ engen Korngrößenverteilung verstanden, dass zumindest 70%, insbesondere zumindest 80% und vorzugsweise zumindest 90% aller Teilchen eine Abweichung von dem mittleren Durchmesser von höchstens +/–10% besitzen. Letztendlich wird die Pulverspezifikation (Partikelgröße und Korngrößenverteilung) der eingesetzten Pulvermaterialien in Abhängigkeit von dem gewählten Magnetwerkstoff sowie den technischen Anforderungen des Magneten bestimmt.
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung wird unter dem Begriff „Ausgangsmaterial“ das unmittelbar in Schritt (b) zur Erzeugung der Beschichtung eingesetzte Material (Edukt) vor seiner Abscheidung verstanden. „Beschichtungsmaterial“ hingegen bezeichnet das Material der in Schritt (b) erzeugten Beschichtung auf der Oberfläche der Partikel. Das Ausgangsmaterial und das Beschichtungsmaterial können chemisch identisch oder unterschiedlich sein. Der Begriff „Matrixmaterial“ bezeichnet das im fertigen Hybridmagneten vorliegende Material der Matrix, in welchem die Partikel eingebettet sind. Auch das Matrixmaterial und das Beschichtungsmaterial können chemisch identisch oder unterschiedlich sein. Bei den bevorzugten Ausgestaltungen der Erfindung, bei der es sich bei dem Matrixmaterial um ein Glas, eine Glaskeramik, eine Keramik oder ein metallisches Glas handelt, sind üblicherweise das Ausgangsmaterial, das Beschichtungsmaterial und das Matrixmaterial jeweils chemisch unterschiedlich, d. h. das Ausgangsmaterial stellt einen Präkursor (Vorläufer) für das Beschichtungsmaterial dar und das Beschichtungsmaterial einen Präkursor für das Matrixmaterial.
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung wird ferner unter einem „magnetischen Material“, einem „Magnetmaterial“, einem „permanentmagnetischen oder dauermagnetischen Material“ ein ferromagnetischer oder ferrimagnetischer Werkstoff verstanden, der nach seiner Magnetisierung dauerhaft ein Magnetfeld erzeugt und andere ferro- oder ferrimagnetische Körper anzieht oder abstößt (je nach Ausrichtung der magnetischen Pole). Ein solcher Werkstoff wird in dem Verfahren als zu beschichtendes Pulvermaterial eingesetzt und bildet nach der Prozesskette im fertigen Magnet die Magnetkerne aus. Demgegenüber ist die aus dem Beschichtungsmaterial hervorgehende Phase des Matrixmaterials, welche die magnetischen Kerne umhüllt und einbettet, aus einem para- oder diamagnetischen Werkstoff, d. h. umgangssprachlich nicht magnetisch.
Grundsätzlich kann die Beschichtung in Schritt (b) mittels beliebiger Verfahren erfolgen, umfassend Nasstechniken wie das Sol-Gel-Verfahren, sowie trockene Abscheidungsprozesse. Vorliegend bevorzugt erfolgt die Beschichtung mittels eines trockenen Abscheidungsprozesses, insbesondere mittels eines chemischen oder physikalischen Gasabscheidungsverfahrens. Trockene Abscheidungsverfahren haben gegenüber Nassverfahren den Vorteil, keine zum Teil teuren Lösungsmittel zu benötigen und somit auch keine Maßnahmen zur Lösungsmittelentsorgung oder -wiederaufreinigung. Zudem erübrigen sich energieintensive Trocknungsprozesse. Gleichzeitig sind die chemischen und physikalischen Gasabscheidungsverfahren mit einer hohen Flexibilität hinsichtlich der einsetzbaren Beschichtungsmaterialien durchführbar. Dabei werden unter physikalischen Gasabscheidungsverfahren (PVD, physical vapor deposition) vakuumbasierte Beschichtungsverfahren verstanden, bei denen mit Hilfe verschiedener physikalischer Verfahren das Ausgangsmaterial in die Gasphase überführt und auf dem zu beschichtenden Substrat (Magnetpartikel) zumeist im Wege der Kondensation abgeschieden wird. Die verschiedenen Varianten der PVD unterscheiden sich hauptsächlich durch die Art der Überführung des Ausgangsmaterials in die Gasphase. Insbesondere werden Verdampfungsverfahren und Sputtern unterschieden. Zu den Verdampfungsverfahren zählen thermisches Verdampfen, Laserstrahlverdampfen, Lichtbogenverdampfen und Elektronenstrahlverdampfen. Beim Sputtern hingegen (auch als Kathodenzerstäubung bezeichnet) wird das Ausgangsmaterial durch Ionenbeschuss zerstäubt. Alle diese Verfahren können im Rahmen der vorliegenden Erfindung eingesetzt werden. Auch bei der chemischen Gasphasenabscheidung (CVD, chemical vapor deposition) wird die Ausgangsverbindung mit verschiedenen Techniken in die Gasphase überführt. Die CVD unterscheidet sich von den physikalischen Prozessen dadurch, dass die Abscheidung des Beschichtungsmaterials auf der Oberfläche des Substrats aufgrund einer chemischen Reaktion der in der Gasphase vorliegenden Komponente zu einer Feststoffkomponente erfolgt. Dabei liegt das Ausgangsmaterial in einer flüchtigen Form in der Gasphase vor und scheidet sich als eine weniger flüchtige Verbindung ab, z. B. elementar oder als Oxid.
Die Beschichtung kann einschichtig oder mehrschichtig erfolgen. Bevorzugt ist jedoch eine einschichtige Beschichtung.
Bevorzugt wird das gesamte Verfahren zur Herstellung eines Permanentmagneten, eventuell mit Ausnahme eines etwaigen Nassmahlverfahrens zur Herstellung des Magnetpulvers, ausschließlich in Trockenprozessen durchgeführt.
Als Matrixmaterial kommen im Rahmen der vorliegenden Erfindung diamagnetische oder paramagnetische Materialien zum Einsatz. Dieses sind insbesondere Gläser, Glaskeramiken, Keramiken oder metallische Gläser, aber auch paramagnetische oder diamagnetische Metalle, beispielsweise Dy, Tb, Al, Pt, Ti, Cu, Pb, Zn, Ga, Ge, Au, Ag, Mg, Mo, Mn, Zr, Li etc. oder deren Legierungen oder Oxide. Möglich sind auch Mischungen der vorgenannten Materialien. Besonders bevorzugt ist das Matrixmaterial ein Glas, eine Glaskeramik oder eine Keramik oder Kombinationen von diesen. Unter Gläsern werden amorphe Substanzen verstanden, die strukturell als ein unregelmäßiges Gefüge (Netzwerk) vorliegen (im Gegensatz zu kristallinen Substanzen, die in einer geordneten Gitterstruktur vorliegen). Chemisch basieren Gläser auf SiO₂ und anderen Metalloxiden, insbesondere Al₂O₃, Na₂O, K₂O, MgO, CaO, B₂O₃, TiO₂, PbO, P₂O₅ und andere. Vorliegend bevorzugte Gläser umfassen Quarz, Kronglas, Kalk-Natron-Glas, Floatglas, Borosilikatglas. In den meisten Glaszusammensetzungen liegen Mischungen verschiedener Oxide mit variablen SiO₂-Anteilen vor. Die verschiedenen Oxide liegen im Glas nicht in Form separater niedermolekularer Moleküle vor, sondern als ausgedehnte Netzwerke. So liegt das Siliziumoxid als Silikat in Form miteinander verketteter SiO₄-Tetraeder vor. Glaskeramiken weisen grundsätzlich gleiche oder ähnliche chemische Zusammensetzungen wie Gläser auf. Sie unterscheiden sich von Gläsern dadurch, dass neben glasigen Phasen auch polykristalline Phasen vorhanden sind. Keramische Materialien umfassen mineralische Silikatmaterialien, d. h. ebenso wie die Gläser oder Glaskeramiken SiO₂- beziehungsweise SiO₄-basierte Materialien wie Kaoline oder Tonmineralien, oxidische Keramiken, die auf Aluminiumoxid, Berylliumoxid oder anderen beruhen, nicht oxidische Materialien sowie Carbide und Nitride, wie Siliziumcarbid SiC, Borcarbid BC oder Bornitrid BN. Hinsichtlich der chemischen Zusammensetzung existieren Überschneidungen der keramischen Materialien zu den Gläsern oder Glaskeramiken. Unter metallischen Gläsern werden Metalllegierungen verstanden, die anders als gewöhnliche Metalle oder Metalllegierungen amorph sind, d. h. keine geordnete Gitterstruktur aufweisen. Gläser, Glaskeramiken, Keramiken und metallische Gläser zeichnen sich durch einen besonders hohen Korrosionsschutz sowie Schutz vor Entzündung aus.
Das diamagnetische oder paramagnetische Matrixmaterial ist so zu wählen, dass es eine niedrigere Transformationstemperatur T_g beziehungsweise Schmelztemperatur T_m aufweist als dasjenige Magnetmaterial mit der niedrigsten Schmelztemperatur damit es bei seiner Sinterung nicht zu einem Sintern des letzteren kommt. Vorzugsweise liegt die Transformationstemperatur T_g beziehungsweise Schmelztemperatur T_m zumindest 100 K, insbesondere zumindest 200 K, unterhalb der Schmelztemperatur des Magnetmaterials mit der niedrigsten Schmelztemperatur. Die Transformationstemperatur T_g oder Schmelztemperatur T_m kann beispielsweise mittels kalorimetrischer Verfahren (Differentialscanningkalorimetrie DCS) bestimmt werden.
Vorzugsweise wird in Schritt (b) des Verfahrens als Ausgangsmaterial ein chemisches Vorläufermaterial des diamagnetischen oder paramagnetischen Matrixmaterials eingesetzt. Für die Erzeugung von Gläsern, Glaskeramiken oder Keramiken, die alle hauptsächlich aus oxidischen Materialien bestehen, kommen abhängig von dem gewählten Beschichtungsverfahren beispielsweise Salze oder flüchtige Verbindungen wie etwa Hydride in Frage. Insbesondere werden Vorläuferverbindungen der Elemente Si, Al, Na, K, Mg, Ca, B, P, Pb, Ti, Li, Be und anderer eingesetzt, je nachdem welche Zusammensetzung des Matrixmaterials erzeugt werden soll. Nach Zersetzung entstehen aus diesen Verbindungen häufig die entsprechenden elementaren Komponenten, die noch in der Gasphase oder nach der Abscheidung auf der Partikeloberfläche zu den entsprechenden Oxiden reagieren. In der Regel liegen diese Materialien am Ende des Beschichtungsschritts (b) in oxidischer Form in feinpartikulärer Struktur vor („weißer Ruß“). Erst nach der Sinterung in Schritt (d) entstehen aus diesen Oxiden die gewünschten Glas-, Keramik- oder Glaskeramik-Materialien.
Vorzugsweise wird in Schritt (b) eine Schichtdicke des Beschichtungsmaterials erzeugt, welche im Bereich von 1 bis 300 nm, vorzugsweise im Bereich von 2 bis 50 nm liegt. Diese Schichtdicken sind einerseits ausreichend, um eine ausreichende magnetische Isolierung sowie Passivierung der Partikel zu erzielen. Auf der anderen Seite sind die Schichtdicken klein genug, um die Magnetfelddichte des Magneten nicht wesentlich zu beschränken.
Das in Schritt (c) erfolgende Abformen und Verdichten der Mischung der beschichteten Partikel zu einem Formkörper umfasst vorzugsweise das Pressen, um somit einen Pressling zu erhalten. Das Pressen kann mechanisch in einem Presswerkzeug unter Aufbringung eines Anpressdrucks in einer Raumrichtung mittels eines Pressstempels oder dergleichen erfolgen (Matrizenpressen). Alternativ kann das Pressen isostatisch beispielsweise mittels eines Gasdrucks durchgeführt werden, wobei der Druck aus allen Raumrichtungen gleichermaßen aufgebracht wird. Ferner kann das Pressen mit oder ohne einem externen Magnetfeld erfolgen. Auch können spezielle Verdichtungstechniken, wie kaltisostatisches Pressen oder Ultraschallpressen angewandt werde. Die konkrete Technik richtet sich nach den Magnetmaterialien, der herzustellenden Form, und anderen Anforderungen wie Stückzahl etc. Sofern das Pressen in einem Magnetfeld erfolgt, wird ein magnetisch anisotroper Pressling erhalten, bei dem die magnetischen Dipole der einzelnen Domänen gleichgerichtet sind. In diesem Fall kann ein gesonderter Magnetisierungsschritt entfallen. Erfolgt das Pressen ohne Magnetfeld, muss der erhaltene isotrope Press in einem separaten Magnetisierungsschritt (e) magnetisiert werden. Zudem kann das Abformen ohne Wärmezufuhr oder mit Wärmezufuhr (Warmpressen) erfolgen. In einer Ausführung erfolgt das Abformen mit starker Wärmezufuhr, so dass der Abformprozess (c) und der Sinterprozess (d) des Beschichtungsmaterials in einem Schritt erfolgt.
In Schritt (d) erfolgt das Sintern des Beschichtungsmaterial, um dieses in eine Matrix zu überführen beispielsweise zu vitrifizieren, wobei das Sintern der Magnetwerkstoffe aufgrund der Sinterbedigungen (Druck und Temperatur) vermieden wird. Es versteht sich, dass die konkrete, in Schritt (d) gewählte Temperatur von dem Beschichtungsmaterial abhängt, insbesondere seiner Glasübergangs-(Transformations-) beziehungsweise Schmelztemperatur.
Beispielsweise liegt die Transformationstemperatur vieler Gläser, die im Rahmen der vorliegenden Erfindung Beispiele bevorzugter Matrixmaterialien darstellen (s.u.), im Bereich bis 900 °C. In diesem Fall beträgt ein bevorzugter Temperaturbereich für die Sinterung 400 bis 800 °C, insbesondere 550 bis 650 °C, wenn unter Normaldruck gearbeitet wird. Insbesondere liegt die Sintertemperatur mindestens 50 °C, vorzugsweise mindestens 100 °C unterhalb der Transformations- beziehungsweise Schmelztemperatur des Beschichtungsmaterials. Wird die Sinterung unter Druck ausgeführt, beispielsweise gleichzeitig mit dem Schritt (c) des Pressens, werden entsprechend niedrigere Temperaturen angewendet.
Das Sintern kann im Vakuum oder in einer beliebigen Inertgasatmosphäre (Stickstoff, Argon etc.), erfolgen. Eine Sinterung unter Luft ist ebenfalls möglich, da die Pulveroberfläche nach Passivierung durch das Shell-Core-Verfahren (SCIP) einen entsprechenden Schutz aufweist.
Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft einen (permanentmagnetischen) Hybridmagneten, umfassend Kerne zumindest zwei unterschiedlicher Magnetmaterialien und einer Matrix eines diamagnetischen oder paramagnetischen Materials, in der die Kerne eingebettet sind. Dabei gehen die Kerne aus den eingesetzten Pulvern der Magnetmaterialien hervor und entsprechen chemisch somit diesen. Das Matrixmaterial hingegen resultiert aus dem gesinterten Beschichtungsmaterial. Dementsprechend gelten die vorstehenden Ausführungen zu dem Magnetmaterialien, den Partikelgrößen und der Korngrößenverteilung und zu dem Matrixmaterial auch für den fertigen Hybridmagneten.
Der Hybridmagnet ist insbesondere nonostrukturiert. Dabei wird unter dem Begriff „nanostrukturiert“ eine innere Struktur des Magneten verstanden, bei der die Abmessungen der Strukturelemente (Kerne) im Bereich der oben genannten Dimensionen der eingesetzten Magnetwerkstoffe liegen.
Die erfindungsgemäßen nanostrukturierten Hybridmagnete können überall dort Anwendung finden, wo auch herkömmliche Magnete eingesetzt werden. Dies betrifft insbesondere elektrische Maschinen, beispielsweise Elektromotoren, speziell solche zum alleinigen oder kombinierten Antrieb von Fahrzeugen (BEV beziehungsweise HEV) oder für Steuerlenkungsantriebe, Windkraftanlagen etc. Darüber hinaus können die Magnete mit Vorteil auch in medizinischen Bereichen eingesetzt werden, beispielsweise in Magnetresonanztomographen oder dergleichen.
Schließlich betrifft die vorliegende Erfindung eine elektrische Maschine, umfassend zumindest einen erfindungsgemäßen Hybridmagneten, insbesondere eine Mehrzahl von solchen. In besonderer Ausführung ist die elektrische Maschine als Elektromotor ausgebildet, bei dem die Hybridmagnete typischerweise Teil des Rotors sind, beispielsweise in ein Blechpaket des Rotors eingebettet sind oder auf dessen Oberfläche befestigt sind.
Weitere bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den übrigen, in den Unteransprüchen genannten Merkmalen.
Die verschiedenen in dieser Anmeldung genannten Ausführungsformen der Erfindung sind, sofern im Einzelfall nicht anders ausgeführt, mit Vorteil miteinander kombinierbar.
Die Erfindung wird nachfolgend in Ausführungsbeispielen anhand der zugehörigen Zeichnungen erläutert. Es zeigen:
1 Fließschema des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung eines Hybridmagneten gemäß einer ersten Ausführung;
2 struktureller Aufbau verschiedener Zwischenprodukte einzelner Verfahrensschritte sowie des Endprodukts des erfindungsgemäßen Verfahrens;
3 CVD-Beschichtungsapparatur zur Beschichtung der Magnetpulver;
4 Presswerkzeug zum mechanischen Pressen des beschichteten Magnetpulvers zu einem Pressling in einem Magnetfeld;
5 Fließschema des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung eines Hybridmagneten gemäß einer zweiten Ausführung und
6 magnetische Remanenz und B_r (in Tesla) und Koerzitivfeldstärke H_cb (in Ampere pro Meter) verschiedener Magnetwerkstoffe.
1 zeigt ein Fließschema des erfindungsgemäß Verfahrens gemäß einer ersten Ausführung. Die stark schematisierten Zwischenprodukte verschiedener Prozessschritte sowie das Endprodukt sind in 2 gezeigt.
In Schritt S1 wird zunächst ein erstes Pulver 10 eines ersten magnetischen Materials 12 (nachfolgend auch Magnetmaterial oder Magnetwerkstoff) bereitgestellt. Beispielsweise wird als erstes Magnetmaterial 12 ein hartmagnetisches Material verwendet, z. B. eine Legierung der Zusammensetzung Nd₂Fe₁₄B. Die Pulverisieren erfolgt beispielsweise ausgehend von einem Magnetwerkstoff, der in einem Vakuuminduktionsofen geschmolzen wird, ausgegossen wird und durch Abkühlung erstarrt. Dabei werden kristalline Strukturen isotroper Legierungen erhalten. Nach dem Aushärten können die beispielsweise barrenförmigen Gebilde mechanisch gebrochen und anschließend beispielsweise in einer Jet-Mühle unter einer Inertgasatmosphäre, beispielsweise Stickstoff, gemahlen werden. Andere Methoden der Pulverherstellung sind ebenfalls im Rahmender Erfindung einsetzbar. Optional kann nach dem Mahlschritt eine Separierung der Pulverpartikel vorgenommen werden. Durch das Separieren der Partikel wird ein definierter Korngrößenbereich abgetrennt, d. h. es wird nur eine Fraktion definierter Partikelgrößen für das weitere Verfahren eingesetzt. Hierdurch wird die Vereinheitlichung der Partikelgrößen und infolge dessen eine hohe Packungsdichte der magnetischen Kerne (magnetische Kristalle) im fertigen Permanentmagnet sowie eine höhere magnetische Feldstärke erreicht. Das in Schritt S1 erzeugte erste Pulver 10 besteht aus Partikeln 11 des ersten Magnetmaterials 12 (2a). Die magnetischen Ausrichtungen der Domänen (siehe Pfeile) sind statistisch im Raum verteilt, d. h. das Material ist magnetisch isotrop. Der mittlere Partikeldurchmesser D₁ Partikel 11 des ersten Magnetmaterials 12 ist im Fall eines hartmagnetischen Materials insbesondere kleiner 5 µm und entspricht idealerweise der (materialabhängigen) Größenordnung von Eindomänenteilchen, beispielsweise von 0,2 bis 0,25 µm.
Die gleiche oder eine analoge Verfahrensweise wird in Schritt S2 angewandt, um ein zweites Pulver 10‘ eines zweiten magnetischen Materials 12‘ bereitzustellen. Beispielsweise wird als zweites Magnetmaterial 12‘ ein weichmagnetisches Material verwendet, z. B. eine Legierung der Zusammensetzung FeNi₂₀. Der mittlere Partikeldurchmesser D₂ der Partikel 11‘ sowie die Größenverteilung des zweiten Magnetmaterials 12‘ können gleich oder unterschiedlich zu dem des ersten Materials sein und werden in Abhängigkeit von dem Magnetwerkstoff und den technischen Anforderungen an den Magneten gewählt. Bei weichmagnetischen Materialien wird bevorzugt eine größere Größenverteilung insbesondere von 0,3 µm bis 300 µm gewählt.
Im dem anschließenden Schritt S3 (1) erfolgt das Beschichten der Pulverpartikel 11 des ersten Magnetwerkstoffs 12 mit einer Schicht eines diamagnetischen oder paramagnetischen Beschichtungsmaterials oder einem chemischen Vorläufermaterial (Präkursor) eines solchen.
Dieser Beschichtungsprozess ist exemplarisch in 3 dargestellt. In dem hier gezeigten Beispiel erfolgt die Beschichtung mit einem Verfahren der chemischen Gasphasenabscheidung CVD. Das Pulver 10 wird in einer Reaktionskammer 40 durch ein Trägergas 41 eines Inertgases, beispielsweise Argon Ar oder Stickstoff N₂, verwirbelt und somit in der Schwebe gehalten. Die Reaktionskammer 40 ist mit einer Heizeinrichtung 42 ausgestattet. Die Reaktionskammer 40 ist ferner über Leitungen 43 mit Vorratsbehältern 44 verbunden, in welchen jeweils ein Ausgangsmaterial 45 für die aufzubringende Beschichtung in Form einer flüchtigen Vorläuferverbindung vorliegt. In dem dargestellten Beispiel enthält einer der Behälter 44 eine Vorläuferverbindung des Siliziums, ein weiterer eine Vorläuferverbindung des Phosphors und ein dritter eine Vorläuferverbindung des Bors. Abhängig von der aufzubringenden Beschichtung können jedoch auch andere Verbindungen vorgehalten werden sowie auch eine andere Anzahl. Mittels weiterer Trägergasströme 41 werden die flüchtigen Vorläuferverbindungen über die Leitungen 43 in den Reaktionsbehälter 40 gefördert. Die Einstellung einer gewünschten Zusammensetzung der Beschichtung erfolgt über die Einstellung der einzelnen Volumenströme. In der Reaktionskammer 40 zersetzen sich die Vorläuferverbindungen thermisch (Pyrolyse), wobei zumeist die elementaren Komponenten der Oxidationsstufe Null entstehen. Diese, in der Regel nicht flüchtigen Komponenten scheiden sich an den Oberflächen der Pulverpartikel 11 des Pulvers 10 des Magnetmaterials ab, wo sie mit Sauerstoff, der vorzugsweise mit dem Trägerstrom 41 in definierten Mengen in die Reaktionskammer 40 eingetragen wird, zu entsprechenden Oxiden reagieren. Möglich ist auch, dass die elementaren Komponenten bereits in der Gasphase, also vor ihrem Abscheiden zu den entsprechenden Oxiden oxidieren.
Der gleiche Prozess wird in Schritt S4 mit dem zweiten Magnetmaterial durchgeführt, wobei eine Beschichtung eines chemisch unterschiedlichen, vorzugsweise jedoch chemisch gleichen Beschichtungsmaterials auf die Partikel 11‘ des zweiten Magnetmaterials 12‘ aufgebracht wird.
Das Ergebnis der Beschichtungsstufe ist in 3b gezeigt. Das beschichtete Pulver 13 des ersten Magnetwerkstoffs 12 besteht nunmehr aus beschichteten Partikeln 14, welche jeweils einen Kern 15 des Magnetmaterials 12 aufweisen sowie eine umhüllende Beschichtung 16 des Beschichtungsmaterials 17, welche den Kern 15 umhüllt. Die Partikel 14 weisen somit eine Schale/Kernstruktur (shell/core) auf. Aus diesem Grund wird dieser Prozess vorliegend auch als SCIP (Shell Core Isolation Process) bezeichnet. Das beschichtete Pulver 13‘ des zweiten Magnetmaterials weist ebenfalls eine Schale/Kernstruktur auf (2b, rechts). In dieser Stufe weist das Beschichtungsmaterial 17, 17‘ noch keine glasartige Struktur auf. Vielmehr liegt es als pulverförmige Struktur der einzelnen Oxide der Ausgangsmaterialien vor (in diesem Beispiel des Siliziums, Phosphors und Bors) vor und besitzt häufig eine weiße, nicht transparente Erscheinung („weißer Ruß“). Insbesondere ist das Beschichtungsmaterial 17, 17‘ ein chemischer Vorläufer der zu erzeugenden Matrix (siehe unten).
Gemäß der in 1 dargestellten Verfahrensvariante sind bis zu diesem Prozessschritt die beiden beschichteten Pulver 13, 13‘ noch separiert.
Anschließend erfolgt in Schritt S5 das Mischen der beiden beschichteten Pulver 13, 13’ des ersten und zweiten Magnetwerkstoffs 12, 12‘ gemäß einem vorbestimmten Mischungsverhältnis, das von den eingesetzten Magnetmaterialien 12, 12‘ und dem Verwendungszweck des herzustellenden Hybridmagneten abhängt, insbesondere von der Werkstoffanforderung an das Bauteil. Beispielsweise richtet sich die Rezeptur nach der gewünschten Remanenz B_r, der Koerzitivfeldstärke H_cb, der Arbeitstemperatur T_w etc. Das Mischen kann in einem herkömmlichen Mischer erfolgen. Mögliche Atmosphären umfassen Inertgas oder unter Luft, da die Partikel aufgrund ihrer Beschichtung vor dem Luftsauerstoff gegenüber Oxidation und Entzündung geschützt sind. Den Hybridmagnetwerkstoff als Ergebnis des Mischungsschritts S5 zeigt 2c. Die beschichteten Partikel 14, 14‘ des ersten und des zweiten Magnetwerkstoffs 12, 12‘ liegen in einer lockeren Schüttung vor. Die magnetischen Dipole der magnetischen Kerne 15, 15‘ sind noch immer statistisch verteilt.
Im anschließenden Schritt S6 in 2 erfolgt das Abformen des Hybridmagnetwerkstoffs, hier beispielsweise durch Pressen der Pulvermischung zu einem Formteil/Pressling.
Dieser Vorgang ist in 4 am Beispiel eines mechanischen Pressens dargestellt, worin mit 50 ein Presswerkzeug bezeichnet ist, welches die Mischung der beschichteten Pulver 13, 13‘ aufnimmt. Das Presswerkzeug 50 weist zwei vertikal bewegbare Pressstempel 51 auf, welche von zwei gegenüber liegenden Seiten die Pulvermischung 13, 13‘‘ einschließen und auf dieses einwirken und somit mit einem Druck p beaufschlagen. Dieses mechanische Pressverfahren im Werkzeug wird in Abgrenzung zu einem isotropen Pressverfahren, bei dem der Druck aus allen Raumrichtungen erfolgt, als unidirektionales Pressen bezeichnet. Das Presswerkzeug 50 weist im dargestellten Beispiel ferner eine Spule 52 auf, die ein gerichtetes axiales Magnetfeld H erzeugt, so dass das Pulver 13, 13‘ während seines Verpressens mit einem Magnetfeld H beaufschlagt wird und kristallographisch orientiert wird. Das hier beispielhaft dargestellte mechanische Pressen im Werkzeug im magnetischen Axialfeld kann auch im Querfeld erfolgen. Möglich ist jedoch ebenso, die Schritte des Pressens und magnetischen Ausrichtung in separaten Schritten durchzuführen, das heißt zunächst das Pulver auszurichten, isostatisch zu verpressen, dann zu sintern und anschließend in einem externen magnetischen Feld zu magnetisieren etc.
Das Ergebnis des Pressens im Magnetfeld ist in 2d dargestellt. Produkt des Pressens ist ein Pressling 19, der auch als Grünling oder Grünkörper bezeichnet wird, in dem die beschichteten Partikel 14, 14‘ verdichtet und mehr oder weniger geordnet vorliegen. Ferner weisen sie eine gemeinsame Ausrichtung ihrer Kristalle und magnetischen Dipole auf, so dass der Pressling 19 selbst ein äußeres Magnetfeld erzeugt. Es sei angemerkt, dass während des Pressens Bedingungen herrschen, unter denen keine chemische Veränderung des Beschichtungsmaterials 17, 17‘ oder des Magnetmaterials 12, 12‘ erfolgt. Auch findet nach einer bevorzugten Ausgestaltung (noch) kein Sintern des Beschichtungsmaterials statt.
Erst im anschließenden Schritt S7 (siehe 1) erfolgt ein Sintern des Presslings. Hierfür wird der Pressling 19 in einen Ofen eingebracht. Dabei erfolgt die Erwärmung des Presslings 19 auf eine Temperatur unterhalb der Schmelztemperatur beider Magnetmaterialien 12, 12‘, jedoch bei einer Temperatur, bei der das Beschichtungsmaterial 17, 17‘ in die Glasphase übergeht (vitrifiziert) und sintert. Mit anderen Worten, liegt die Temperatur des Sinterns bei einer Temperatur, die im Transformationsbereich des Beschichtungsmaterials (hier des Glases) liegt. Als Sinteratmosphäre kommen in Frage Vakuum, Vakuum mit einem vorbestimmten Partialdruck von N₂ oder Ar, eine Stickstoff-, Argon- oder Heliumatmosphäre oder eine oxidative Atmosphäre, z. B. Luft und andere (werkstoffabhängig). Das Ergebnis des Sinterns ist somit eine Matrix 21 aus einem amorphen Matrixmaterial 22, das ein Glas, eine Keramik, eine Glaskeramik oder ein metallisches Glas ist (siehe 2e).
Im Anschluss an das Sintern erfolgt optional das Tempern des Hybridmagneten (Schritt S8 in 1). Dabei wird im selben oder einem anderen Ofen wie im vorausgegangenen Sinterschritt der Hybridmagnet 20 einer Niedertemperaturbehandlung ausgesetzt, um mechanische Spannungen im Magneten 20 abzubauen. Hierfür wird eine Temperatur eingestellt, die kleiner oder gleich der in Schritt S6 angewandten Sintertemperatur liegt. Durch das Tempern werden Restspannungen im Material reduziert und das Kristallgefüge des Magneten relaxiert. Die Temperatur des Temperns hängt von der Zusammensetzung des Matrixmaterials ab und beträgt beispielsweise 250 bis 550 °C.
Optional kann zum Zwecke einer weiteren Verdichtung des Gefüges eine weitere Nachbehandlung erfolgen, etwa heißisostatisches Pressen (HIP). Auch hier werden die Bedingungen so gewählt, dass ein Sintern der Magnetpartikel vermieden wird.
Im Anschluss an das Tempern kann optional eine mechanische Bearbeitung des Magneten 20 erfolgen (Schritt S9 in 1), um diesem eine gewünschte Form zu verleihen. Es können spanende Fertigungsverfahren, wie schleifen oder das Trennen größerer Blöcke zum Einsatz kommen. Jedoch wird vorzugsweise die gewünschte Form bereits während des Abformens in Schritt S6 erzeugt. Ferner kann der Magnet noch beliebigen Oberflächenbehandlungen und/oder Beschichtungs-vorgängen ausgesetzt werden. Aufgrund der Matrix kann grundsätzlich jedoch auf eine Beschichtung zum Korrosionsschutz verzichtet werden.
Da beim Sintern in der Regel die Curie-Temperatur der magnetischen Materialien überschritten wird, liegen nach dem Sintern zwar die Kristalle/Domänen (sofern das Verpressen im Magnetfeld erfolgte) orientiert vor, nicht jedoch die magnetischen Spins. Daher wird in einem Schritt S10 eine Magnetisierung der gesinterte Pressling in einem externen Magnetfeld durchgeführt, wobei die Spins ausgerichtet und somit die kristallografisch ausgerichteten Domänen mit magnetischer Energie aufgeladen werden.
Die Schritte des Pressens (S6) des Sinterns (S7) sowie des Magnetisierens (S10) können in beliebiger Reihenfolge oder in beliebigen Kombinationen gleichzeitig durchgeführt werden. Vorzugsweise erfolgt das Pressen im Magnetfeld gleichzeitig mit dem Magnetisieren (beispielsweise mechanisches Pressen) und noch stärker bevorzugt werden alle drei Prozesse gleichzeitig durchgeführt, das heißt, das mechanische Pressen im Magnetfeld erfolgt unter gleichzeitiger Temperaturbeaufschlagung zum Sintern des Beschichtungsmaterials. Sofern das Pressen bei Raumtemperatur durchgeführt wird (Kaltpressen), beträgt der Pressdruck beispielsweise 50–800 MPa. Im Falle des Heißpressens betragen die Bedingungen beispielsweise 50–150 MPa bei 650–850 °C abhängig von dem Beschichtungsmaterial 17, 17‘.
Das Ergebnis des Sinter- beziehungsweise Magnetisierungsschritts zeigt 2e. Der entstandene Permanenthybridmagnet 20 weist nunmehr eine durchgehende Matrix 21 des Matrixmaterials 22 auf, welches im vorliegenden Beispiel aus dem gebildeten Glas besteht und typischer- aber nicht notwendigerweise transparent ist. In dieser Matrix 21 liegen die eingebetteten Kerne 15 des ersten Magnetmaterials 12 und Kerne 15‘ des zweiten Magnetmaterials 12, 12‘ in einer mehr oder weniger geordneten Kristallpackung und weitestgehend berührungsfrei vor. Da während des gesamten Verfahrens ein Sintern der Partikel des Magnetmaterials durch entsprechende Wahl der Prozessparameter (Druck und Temperatur) verhindert wurde, entsprechen die mittleren Partikeldurchmesser D₁, D₂ der Kerne 15, 15‘ weiterhin im Wesentlichen dem ursprünglichen mittleren Partikeldurchmesser D₁, D₂ der eingesetzten Pulver 10, 10‘, d. h. sie betragen insbesondere höchstens 5 µm, vorzugsweise liegen sie im Bereich von 200 bis 250 nm. Der mittlere Abstand der Kerne 15 innerhalb der Matrix 21 wird durch die ursprüngliche Schichtdicke δ der Beschichtung 16, 16‘ des Beschichtungsmaterials 17, 17‘ bestimmt. Der Abstand beträgt höchstens das 2-Fache der ursprünglichen Schichtdicke δ der Beschichtung 16, 16‘ und liegt somit vorzugsweise im Bereich weniger Nanometer, insbesondere liegt der mittlere Abstand im Bereich ≤ 50 nm. Üblicherweise kommt es beim Sintern des Beschichtungsmaterials 17, 17‘ jedoch zu einer Volumenabnahme, so dass auch der mittlere Abstand zwischen den Partikeln in der Regel deutlich unterhalb dem 2-Fachen der ursprünglichen Schichtdicke δ der Beschichtungen 16, 16’ liegt.
5 zeigt den Ablauf eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung eines Hybridmagneten gemäß einer weiteren Ausführungsform. Dabei sind übereinstimmende oder analoge Prozessschritte mit den gleichen Bezeichnungen wie in 1 versehen und werden im Einzelnen nicht noch einmal erläutert. In Abweichung von dem in 1 dargestellten Verfahren schließt an die Schritte S1 und S2, also der Bereitstellung des ersten und des zweiten Pulvers des ersten und zweiten Magnetwerkstoffs (MW1, MW2) der Schritt S5 des Mischens der beiden Pulver an. Hier werden also die noch unbeschichteten Pulver der Magnetwerkstoffe miteinander vermischt. Dementsprechend erfolgt im anschließenden Schritt S3/4 ein gleichzeitiges Beschichten der Pulvermischung der beiden Magnetwerkstoffe. Die nachfolgenden, teilweise optionalen Schritte S6 bis S10 entsprechen denen aus 1.

Die vorstehenden Ausführungen wurden am Beispiel von zwei Magnetwerkstoffen gemacht, die zu einem Hybridmagnet 20 verarbeitet werden. Es versteht sich, dass auch mehr als zwei Magnetwerkstoffe eingesetzt werden können. Mit dem Verfahren können beliebige Kombinationen hartmagnetischer, weichmagnetischer und magnetisch halbharter Werkstoffe eingesetzt werden, inklusive Kombinationen aus derselben Klasse. Die Tabelle 1 zeigt Beispiele vorteilhafter Kombinationen. Tabelle 1:

Hybridmagnet	Magnetwerkstoff
	hartmagnetisch	magnetisch halbhart	weichmagnetisch
1	NdFeB (80 Gew.-%)		FeNi20 (20 Gew.-%)
2	NdFeB (90 Gew.-%)	FeCu (10 Gew.-%)
3	SmCo (40 Gew.-%)		Fe (60 Gew.-%)
4	SmFeN (80 Gew.-%)		FeCo (20 Gew.-%)
5	NdFeB + SrFeO
6	ZrCo (10 Gew.-%)	CoFeNi (70 Gew.-%)	Fe (20 Gew.-%)

Besonders vorteilhaft ist, dass im fertigen Hybridmagnet 20 der vorliegenden Erfindung die Magnetkerne 15, 15‘ durch die amorphe Matrix 21 voneinander magnetisch und elektrisch isoliert sind, so dass es zu keinen oder nur geringen magnetischen Wechselwirkungen der beiden magnetische Phasen kommt.
Die erfindungsgemäßen Magneten, welche mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens hergestellt werden können, weisen folgende Vorteile auf:

• verbesserte magnetische Eigenschaften durch verbesserte magnetische Austauschkopplung;
• vergrößerte Koerzitivfeldstärke und somit Temperaturbeständigkeit aufgrund der geringeren Partikel- beziehungsweise Korngröße durch Verhinderung des Kornwachstums;
• vergrößerte magnetische Remanenz durch Kombination mit einem weichmagnetischen oder magnetisch halbharten Magnetwerkstoff;
• Hohes Energieprodukt HB aufgrund der Kombination vom Magnetwerkstoffen unterschiedlicher magnetischer Härten;
• Verminderte Bauteilgrößen bei gleicher Leistung durch hohes Energieprodukt HB;
• Hohe Freiheitsgrade der Auslegung des Magneten in Bezug auf magnetische, physikalische, mechanische und thermische Eigenschaften durch Kombination vom Magnetwerkstoffen unterschiedlicher magnetischer Härten;
• Korrosionsbeständigkeit aufgrund der Beschichtung der metallischen Partikel;
• größere mechanische Festigkeit (Härte) aufgrund der starken Bindung durch die Matrix und aufgrund der geringeren Partikelgröße und höheren Packungsdichte;
• Reduktion im Magneten entstehender Wirbelströme aufgrund der dielektrischen Isolationswirkung der Beschichtung in Verbindung mit der geringen Partikelgröße;
• höherer Wirkungsgrad wegen elektrischer Isolierung der Partikel (geringerer Wirbelstrom = geringere Wärmeentstehung im Magnet = höhere Temperaturbeständigkeit);
• gleichmäßige Verteilung des Magnetflusses, da kein Kornwachstum auftritt;
• Entfall der Beschichtung des Endmagneten;
• keine oder minimaler Verzug der Magnete beim Sintern (beim Stand der Technik entsteht der Verzug, die Magnete müssen einzeln nachgeschliffen werden);
• engere Toleranzanforderungen sind erzielbar;
• frei von Dy und Tb (falls gewünscht);
• keine komplexe Gefügebildung;
• keine Bildung von Nd-reicher Phase (flüssige Phase durch Materialmatrix), d. h. die magnetische Entkoppelung der Magnetteilchen findet durch Beschichtungsmaterial statt = Gehaltreduzierung von Nd bis ca. 8 % (Kostenreduzierung);
• keine Bildung von unerwünschter η-Phase;
• keine Bildung von α Fe dendritischer Phase;
• kein Kornwachstum;
• keine Begrenzung in Bezug auf Magnetabmessungen (bei GBDP sind die Magnete auf < 5 mm beschränkt);
• Eliminierung der Entzündungsgefahr des Pulvers;
• Produktionsprozesse (nach der Pulverbeschichtung) weniger empfindlich, keine Beeinflussung der Magnetlegierung durch Sintervorgänge;
• Umweltfreundlichkeit: Magnete 100 % recyclebar. Trennung der Magnetkerne durch Aufwärmung der Materialmatrix (flüssige Phase). SCIP bleibt vorhanden, keine Agglomeratbildung der Magnetkerne (Magnetteichen).

Bezugszeichenliste

10: erstes Pulver
10‘: zweites Pulver
11: erste Partikel
11‘: zweite Partikel
12: erstes Magnetmaterial
12‘: zweites Magnetmaterial
13: erstes beschichtetes Pulver
13‘: zweites beschichtetes Pulver
14: erste beschichtete Partikel
14‘: zweite beschichtete Partikel
15: erster Kern
15‘: zweiter Kern
16: erste Beschichtung
16‘: zweite Beschichtung
17: erstes Beschichtungsmaterial
17‘: zweites Beschichtungsmaterial
19: Formkörper / Pressling
20: Hybridmagnet
21: Matrix
22: Matrixmaterial
40: Reaktionsbehälter
41: Trägergas
42: Heizeinrichtung
43: Leitungen
44: Vorratsbehälter
45: Ausgangsmaterial
46: Trägergas
50: Presswerkzeug
51: Pressstempel
52: Spule

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102013004985 A1 [0006]
US 6972046 B2 [0007, 0007]
US 2014/0072470 A1 [0008]

Claims

Verfahren zur Herstellung eines Hybridmagneten (20), umfassend die Schritte: (a) Bereitstellen eines Pulvers (10, 10‘) umfassend Partikel (11, 11‘) zumindest zweier Magnetmaterialien (12, 12‘), wobei das Pulver (10, 10‘) als Mischung der zumindest zwei Magnetmaterialien (12, 12‘) oder als getrennte Pulver jeweils eines der zumindest zwei Magnetmaterialien vorliegt, (b) Beschichten der getrennten oder gemischten Pulverpartikel (11, 11‘) der zumindest zwei Magnetmaterialien (12, 12‘) mit einem diamagnetischen oder paramagnetischen Beschichtungsmaterial (17, 17‘), (c) Abformen einer Mischung der beschichteten Partikel (13, 13‘) zu einem Formkörper (19), (d) Wärmebehandeln zur Sinterung des Beschichtungsmaterials (17, 17‘) bei einer Temperatur, die kleiner als eine zur Sinterung der Magnetmaterialien (12, 12‘) geeignete Temperatur ist, unter Überführung des Beschichtungsmaterials (17, 17‘) in eine amorphe Matrix (21) eines diamagnetischen oder paramagnetischen Materials (22), welche die Partikel der zumindest zwei Magnetmaterialien (12, 12‘) einbettet, und (e) Magnetisieren der zumindest zwei Magnetmaterialien (12, 12‘) in einem externen Magnetfeld, wobei die Schritte (c), (d) und (e) in beliebiger Reihenfolge nacheinander oder in beliebigen Kombinationen zeitgleich durchgeführt werden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die zumindest zwei Magnetmaterialien (12, 12') ein erstes Magnetmaterial (12) umfassen, das ein hartmagnetisches Material ist, und ein zweites Magnetmaterial (12‘) umfassen, das ein weichmagnetisches oder magnetisch halbhartes Magnetmaterial ist.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das erste, hartmagnetische Magnetmaterial (12) ausgesucht ist aus Legierungen des Typs SE-TM-B oder SE-TM, wobei SE ein Element der Seltenen Erden ist, TM ein Übergangsmetall der Eisengruppe und B Bor ist.
Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite, hartmagnetische oder halbhartmagnetische Magnetmaterial (12‘) ausgewählt ist aus Übergangsmetallen, umfassend Fe, Co, Ni, Cu, oder Legierungen mit diesen.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in keinem Schritt des Verfahrens Bedingungen gewählt werden, die zu einem Sintern eines der zumindest zwei Magnetmaterialien führen.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das dia- oder paramagnetische Matrixmaterial (22) ein Glas, eine Glaskeramik, eine Keramik oder ein metallisches Glas ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Beschichtungsmaterial (17, 17‘) ein chemisches Vorläufermaterial des dia- oder paramagnetischen Matrixmaterials (22) ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eines der Pulver (10, 10‘) in Schritt (a) einen mittleren Partikeldurchmesser von höchstens 5 µm aufweist, insbesondere von höchstens 1 µm, vorzugsweise einen mittleren Partikeldurchmesser im Bereich von 0,1 bis 0,4 µm, besonders bevorzugt im Bereich von Bereich von 0,2 bis 0,25 µm.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Pulver (10, 10‘) der zumindest zwei Magnetmaterialien (12, 12‘) in Schritt (a) voneinander abweichende mittlere Partikeldurchmesser aufweisen.
Hybridmagnet (20), umfassend Kerne (15, 15‘) zumindest zwei unterschiedlicher Magnetmaterialien (12, 13‘) und einer amorphen Matrix (21) eines diamagnetischen oder paramagnetischen Materials (22), in der die Kerne (15, 15‘) eingebettet sind.
Elektrische Maschine umfassend zumindest einen Hybridmagneten (20) nach Anspruch