DE102016102386A1

DE102016102386A1 - Hybridmagnet und Verfahren zu dessen Herstellung

Info

Publication number: DE102016102386A1
Application number: DE102016102386.8A
Authority: DE
Inventors: Branislav Zlatkov; Zoran Djinovic; Matthias Katter; Ana Maria Racu
Original assignee: Vacuumschmelze GmbH and Co KG; Volkswagen AG
Current assignee: Vacuumschmelze GmbH and Co KG; Volkswagen AG
Priority date: 2016-02-11
Filing date: 2016-02-11
Publication date: 2017-08-17
Also published as: EP3414768A1; CN108780687A; WO2017137220A1; EP3414768B1; CN108780687B

Abstract

Verfahren zur Herstellung eines Hybridmagneten (1), umfassend zumindest die folgenden Verfahrensschritte: A) Erzeugen einer hartmagnetischen Schicht (13) aus einem hartmagnetischen Material (5), B) Erzeugen einer weichmagnetischen Schicht (14) aus einem weichmagnetischen Material (6), und C) Erzeugen einer Trennschicht (15) aus einem magnetisch passiven Material (7), wobei durch jeweils mehrfaches Anwenden der Verfahrensschritte A), B) und C) ein Hybridmagnet (1) geformt wird, der einen Schichtaufbau aufweist.

Description

Die Erfindung betrifft einen Hybridmagneten, der mindestens ein weichmagnetisches und mindestens ein hartmagnetisches Material umfasst. Weiterhin bezieht sich die Erfindung auf ein Herstellungsverfahren eines solchen Hybridmagneten.
Magnetische Werkstoffe können mittels eines schmelzmetallurgischen Verfahrens (als Gußmagnetwerkstoffe) oder eines pulvermetallurgischen Verfahrens (als Sintermagnetwerkstoffe oder Pulvermagnetverbundwerkstoffe) hergestellt werden. Mit pulvermetallurgischen Verfahren, die eine Sinterung umfassen, können magnetische Bauteile hergestellt werden, deren Form schmelzmetallurgisch nicht realisierbar ist. Dies gilt z. Β. insbesondere für Magnetwerkstoffe mit Kristallanisotropie (NdFeB, SmCo, etc.). Pulvermetallurgische Herstellungsverfahren können die folgenden Prozessstufen umfassen: Pulverisierung eines magnetischen Ausgangsmaterials, Pressen des dabei entstehenden Pulvers zu einem Grünteil unter Ausformung einer gewünschten Gestalt, Sintern des Grünteils, optionale thermische Behandlung zum Spannungsabbau und zur Gefügeoptimierung, sowie optional Magnetisierung in einem externen Magnetfeld. Weiterhin können auf diese Art hergestellte Magnete erforderlichenfalls mechanisch nachbehandelt werden, zum Beispiel durch Schleifen oder Polieren.
Es wird insbesondere zwischen metallisch kristallinen, metallisch amorphen und oxidischen Werkstoffen unterschieden. Weiterhin werden magnetische Werkstoffe nach der Größe ihrer Koerzitivfeldstärke (oft als HcJ abgekürzt) unterteilt in magnetisch harte (eine große Koerzitivfeldstärke aufweisende), halbharte (eine mittlere Koerzitivfeldstärke aufweisende) und weiche (eine kleine Koerzitivfeldstärke aufweisende) Werkstofftypen.
Weiterhin sind so genannte Hybridmagnete bekannt. Unter einem Hybridmagneten wird ein Bauteil verstanden, das mindestens zwei verschiedene magnetische Materialien umfasst, insbesondere mindestens ein hartmagnetisches Material und mindestens ein weichmagnetisches Material. Insbesondere sind Hybridmagnete bekannt, bei denen das hartmagnetische und das weichmagnetische Material in einen Matrixkörper aus Kunststoff eingebunden sind. Bei Hybridmagneten dieser Art kann nachteilig sein, dass deren magnetische Eigenschaften geringer ausgeprägt sind als erwünscht, dass aufgrund des Kunststoffmaterials die Temperaturstabilität sowie die mechanische Festigkeit begrenzt sein kann, und/oder dass solche Hybridmagnete keinen Medien ausgesetzt werden können, die das Kunststoffmaterial angreifen könnten.
In der US 6,972,046 B2 ist ein Verfahren zur Herstellung von Hybridmagneten offenbart. Dabei wird eine Beschichtung von Pulverpartikeln eingesetzt, die zur Vermeidung von Agglomeratbildung dient.
In der US 2014/0072470 A1 ist ein Verfahren zur Herstellung von Hybridmagneten beschrieben, bei dem eine Pulvermischung mit einer Pressmatrize mit einem gewinkelten Kanal abgeformt wird.
Hiervon ausgehend ist es Aufgabe der hier vorliegenden Erfindung, die im Zusammenhang mit dem Stand der Technik geschilderten technischen Probleme zu lösen bzw. zumindest zu lindern. Es soll insbesondere ein Hybridmagnet mit verbesserten magnetischen, mechanischen und/oder thermischen Eigenschaften vorgestellt werden. Weiterhin soll ein geeignetes Verfahren zu dessen Herstellung angegeben werden.
Diese Aufgaben werden gelöst mit einem Hybridmagneten und einem Verfahren zur Herstellung eines Hybridmagneten gemäß den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des Hybridmagneten und des Verfahrens sind in den abhängigen Patentansprüchen angegeben. Die in den Patentansprüchen einzeln aufgeführten Merkmale sind in beliebiger, technologisch sinnvoller Weise miteinander kombinierbar und können durch erläuternde Sachverhalte aus der Beschreibung ergänzt werden, wobei weitere Ausführungsvarianten der Erfindung aufgezeigt werden.
Hierzu trägt ein Verfahren zur Herstellung eines Hybridmagneten bei, umfassend zumindest die folgenden Verfahrensschritte:

A) Erzeugen einer hartmagnetischen Schicht aus einem hartmagnetischen Material,
B) Erzeugen einer weichmagnetischen Schicht aus einem weichmagnetischen Material, und
C) Erzeugen einer Trennschicht aus einem magnetisch passiven Material,

Vorzugsweise wird Verfahrensschritt C) jeweils einmal durchgeführt nach jeder Durchführung von Verfahrensschritt A) und jeweils einmal nach jeder Durchführung von Verfahrensschritt B). Dadurch entsteht zwischen zwei benachbarten Schichten aus hartmagnetischem Material und/oder weichmagnetischem Material jeweils eine (einzelne) Trennschicht. Es können Hybridmagnete mit einem Schichtaufbau hergestellt werden, bei denen die hartmagnetischen Schichten und die weichmagnetischen Schichten in beliebiger Schichtfolge kombiniert werden. Bevorzugt werden hartmagnetische Schichten und weichmagnetische Schichten abwechselnd oder auf eine andere regelmäßige Art ausgebildet.
Viele weichmagnetische Materialien haben im Vergleich zu hartmagnetischen Materialien eine höhere Sättigungsmagnetisierung. Demgegenüber ist für hartmagnetische Materialien definitionsgemäß eine größere Koerzitivfeldstärke zu dessen Ummagnetisierung (Umkehrung der Richtung der Magnetisierung) erforderlich. Bei einem Hybridmagneten können diese Vorteile kombiniert werden, d.h. ein Hybridmagnet kann eine ausgeprägte Wirkung als Dauermagnet haben (große remanente Magnetisierung), die nur schwer durch äußere Einflüsse zerstört werden kann (große Koerzitivfeldstärke).
Durch den Schichtaufbau des Hybridmagneten kann insbesondere bei einer Ausrichtung der Magnetisierung senkrecht zu dem Schichtaufbau erreicht werden, dass sich die weichmagnetischen Schichten immer in einem Stützfeld der hartmagnetischen Schichten befinden und somit zur Gesamtmagnetisierung des Hybridmagneten beitragen. Werden weichmagnetische Bereiche neben hartmagnetischen Bereichen angeordnet, z.B. im Extremfall, dass die hartmagnetischen Schichten entlang ihrer Schichtebene magnetisiert werden, wirken die weichmagnetischen Schichten als magnetischer Kurzschluss und der Hybridmagnet kann keinen im Außenraum nutzbaren Magnetfluss produzieren.
Unter einer hartmagnetischen Schicht ist ein Bereich des Hybridmagneten zu verstehen, der überwiegend bzw. ausschließlich aus einem hartmagnetischen Material besteht. Eine hartmagnetische Schicht muss nicht notwendigerweise ein zusammenhängender Bereich hartmagnetischen Materials sein. Insbesondere bei Hybridmagneten mit einem Matrixkörper kann eine hartmagnetische Schicht von Teilbereichen hartmagnetischen Materials gebildet werden, die in der Schichtebene durch das Matrixmaterial voneinander (teilweise) getrennt sind. Vorzugsweise, aber nicht notwendigerweise, bestehen alle hartmagnetischen Schichten aus dem gleichen hartmagnetischen Material. Alternativ können in einem Hybridmagneten verschiedene hartmagnetische Materialien verwendet werden. Es können verschiedene hartmagnetische Materialien in einer Schicht verarbeitet sein. Es können aber auch verschieden aufgebaute Schichten vorhanden sein, die jeweils aus unterschiedlichen hartmagnetischen Materialien bestehen.
Als hartmagnetisches Material sind bevorzugt: martensitische Stähle; Legierungen auf Basis von CuNiFe [Kupfer, Nickel, Eisen], CuNiCo [Kupfer, Nickel, Kobalt], FeCoVCr [Eisen, Kobalt, Vanadium, Chrom], MnAlC [Mangan, Aluminium, Kohlenstoff], oder AlNiCo [Aluminium, Nickel, Kobalt]; Hartmagnete auf Basis von PtCo [Platin, Kobalt]; Seltenerdmagneten wie z. B. NdFeB [Neodym, Eisen, Bor], SmCo [Samarium, Kobalt], oder SmFeN [Samarium, Eisen, Stickstoff]; oxydische Dauermagnete (Hartferrite); oder neuartige Hartmagnete wie z. B. MnBi [Mangan, Bismut] oder Fe₁₆N₂ [Eisen, Stickstoff].
Unter einer weichmagnetischen Schicht ist ein Bereich des Hybridmagneten zu verstehen, der überwiegend bzw. ausschließlich aus einem weichmagnetischen Material besteht. Eine weichmagnetische Schicht muss nicht notwendigerweise ein zusammenhängender Bereich weichmagnetischen Materials sein. Insbesondere bei Hybridmagneten mit einem Matrixkörper kann eine weichmagnetische Schicht von Teilbereichen weichmagnetischen Materials gebildet werden, die in der Schichtebene durch das Matrixmaterial voneinander (teilweise) getrennt sind. Vorzugsweise, aber nicht notwendigerweise, bestehen alle weichmagnetischen Schichten aus dem gleichen weichmagnetischen Material. Alternativ können in einem Hybridmagneten verschiedene weichmagnetische Materialien verwendet werden. Es können verschiedene weichmagnetische Materialien in einer Schicht verarbeitet sein. Es können aber auch verschieden aufgebaute Schichten vorhanden sein, die jeweils aus unterschiedlichen weichmagnetischen Materialien bestehen.
Als weichmagnetisches Material sind bevorzugt: Weicheisen, Kohlenstoffstähle, Legierungen auf Basis von FeAl [Eisen, Aluminium], FeAlSi [Eisen, Aluminium, Silizium], FeNi [Eisen, Nickel], FeCo [Eisen, Kobalt]; amorphe weichmagnetische Werkstoffe wie z. B. FeNiBSi [Eisen, Nickel, Bor, Silizium], FeBSi [Eisen, Bor, Silizium]; weichmagnetische Ferritwerkstoffe wie z. B. MnZn-Ferrite [Mangan, Zink], MgZn-Ferrite [Magnesium, Zink]; Spinellwerkstoffe wie z. B. MnMgZn [Mangan, Magnesium, Zink], NiZn [Nickel, Zink]; oder Granatwerkstoffe wie z. B. BiCa [Bismut, Calcium], YGd [Yttrium, Gadollinium].
Zusätzlich oder alternativ zu dem hartmagnetischen Material und/oder dem weichmagnetischen Material kann ein magnetisch halbhartes Material eingesetzt werden. Wird ein magnetisch halbhartes Material eingesetzt, gelten die Erklärungen für die hartmagnetischen Materialien bzw. die weichmagnetischen Materialien jeweils in analoger Weise. Als magnetisch halbhartes Material bevorzugt sind: Legierungen auf Basis von FeNi [Eisen, Nickel], FeMn [Eisen, Mangan], FeNiMn [Eisen, Nickel, Mangan], CoFe [Kobalt, Eisen], oder FeCu [Eisen, Kupfer]; Co₄₉Fe₄₈V₃ [Kobalt, Eisen, Vanadium; auch bekannt als Remendur]; Co₅₅NiFe [Kobalt, Nickel, Eisen; auch bekannt als Vacozet], und Kovar.
Das magnetisch passive Material kann insbesondere ein diamagnetisches Material oder ein paramagnetisches Material sein. Beispielsweise kann ein paramagnetisches oder diamagnetisches Metall verwendet werden, wie beispielsweise Dy [Dysprosium], Tb [Terbium], Al [Aluminium], Pt [Platin], Ti [Titan], Cu [Kupfer], Pb [Blei], Zn [Zink], Sn [Zinn], Ga [Gallium], Ge [Germanium], Au [Gold], Ag [Silber], Mg [Magnesium], Mo [Molybdän], Mn [Mangan], Zr [Zirkonium], Li [Lithium]. Auch können Legierungen oder Oxide der angegebenen Materialien verwendet werden. Weitere bevorzugte Materialien werden nachfolgend noch angeführt. Vorzugsweise, aber nicht notwendigerweise, wird für alle Trennschichten das gleiche magnetisch passive Material verwendet.
Bevorzugt wird ein elektrisch nicht oder nur schlecht leitendes magnetisch passives Material verwendet.
In einem ausgedehnten elektrischen Leiter kann ein sich änderndes magnetisches Feld aufgrund von elektromagnetischer Induktion elektrische Ströme (Wirbelströme) erzeugen. Diese können zu einer Erwärmung des ausgedehnten elektrischen Leiters führen und/oder dessen magnetische Eigenschaften nachteilig beeinflussen. Unterbrechen Trennschichten aus einem elektrisch nicht oder nur schlecht leitenden Material die elektrische Leitfähigkeit des Hybridmagneten, können Wirbelströme reduziert und/oder lokal eingeschränkt werden.
Wirbelströme können insbesondere in Hybridmagneten mit einem Matrixkörper effektiv unterdrückt werden, da in solchen die einzelnen magnetischen Schichten aus Teilbereichen magnetischen Materials gebildet werden, die auch in der Schichtebene durch das Matrixmaterial voneinander (teilweise) getrennt sind.
In einer Ausführungsform des Verfahrens wird in mindestens einem der Verfahrensschritte A), B) und C) eine Beschichtungstechnologie angewendet.
Die Beschichtungstechnologie ist bevorzugt eine Nasstechnik, wie z. B. ein Sol-Gel-Verfahren, ein trockener Abscheidungsprozess, und/oder ein chemisches oder ein physikalisches Gasphasenabscheidungsverfahren. Dabei wird unter einem physikalischen Gasphasenabscheidungsverfahren („physical vapor deposition“, PVD) ein vakuumbasiertes Beschichtungsverfahren verstanden, bei dem ein Ausgangsmaterial in die Gasphase überführt und auf einem zu beschichtenden Substrat abgeschieden wird. Verfahren der chemischen Gasphasenabscheidung („chemical vapor deposition“, CVD) sind den Verfahren der physikalischen Gasphasenabscheidung ähnlich, mit dem Unterschied, dass hier bei der Abscheidung des Ausgangsmaterials auf dem Substrat eine chemische Reaktion abläuft. Den Beschichtungstechnologien ist insbesondere gemein, dass das Material in kleinen Teilchen zu dem Substrat zugeführt wird und dort mit diesem so verbunden werden kann, dass eine fest mit dem Substrat verbundene Oberflächenschicht gebildet wird.
Bevorzugt wird in jedem der Verfahrensschritte A), B) und C) eine Beschichtungstechnologie (also insbesondere ein Beschichtungsverfahren der vorstehenden Art) angewendet. Insbesondere wird die gleiche Beschichtungstechnologie für alle Verfahrensschritte angewendet.
Bevorzugt ist folgende Ausgestaltung des Herstellungsverfahrens:
Verfahrensschritt A) umfasst zumindest den folgenden Teilschritt:

A1) Bereitstellen eines hartmagnetischen Pulvers aufweisend hartmagnetische Partikel aus dem hartmagnetischen Material.

B1) Bereitstellen eines weichmagnetischen Pulvers aufweisend weichmagnetische Partikel aus dem weichmagnetischen Material.

C1) Beschichten zumindest eines der hartmagnetischen Partikel oder der weichmagnetischen Partikel mit mindestens einer Beschichtung aus dem magnetisch passiven Material,

D) Formen eines den Hybridmagneten bildenden Körpers gemäß den Verfahrensschritten A), B) und C); und
E) Sintern des Körpers, wobei eine Temperatur verwendet wird, die hinreichend groß ist, um die Beschichtung in einen die hartmagnetischen Partikel und die weichmagnetischen Partikel umgebenden Matrixkörper umzuformen,

Das Formen des Hybridmagneten in Verfahrensschritt D) kann optional in einem externen Magnetfeld erfolgen.
Die Verfahrensschritte D) und E) werden vorzugsweise in der angegebenen Reihenfolge durchlaufen. Teilschritt A1) kann eine Rezepturherstellung, Mischung und/oder Portionierung des verwendeten hartmagnetischen Materials umfassen. Weiterhin kann in Teilschritt A1) ein Pulver des hartmagnetischen Materials erzeugt werden, z. B. durch Zerkleinerung eines Festkörpers aus diesem hartmagnetischen Material.
Die vorstehenden Erläuterungen zu Teilschritt A1) können ebenso für die Bereitstellung des weichmagnetischen Materials in Teilschritt B1) herangezogen werden.
In Teilschritt C1) wird das Beschichten der Partikel bevorzugt mit einem der folgenden Beschichtungsverfahren durchgeführt: PVD wie z. B. „vacuum deposition“, „plasma deposition“, „sputtering“, „molecular beam epitaxy (MBE)“, „vapor phase epitaxy“, oder „liquid phase epitaxy“; CVD wie z. B. „sol-gel deposition“, oder „metallo-organic chemical vapor deposition (MOCVD)“. Diese Verfahren sind einem Fachmann auf diesem Gebiet gut bekannt. Vorzugsweise wird in Teilschritt C1) eine einzige Beschichtungsschicht auf die Partikel aufgebracht. In einer alternativen Ausführungsform des Verfahrens werden in Teilschritt C1) bevorzugt zwei Beschichtungsschichten aus verschiedenen Materialien aufgebracht.
Durch die Beschichtung der Partikel kann vermieden werden, dass benachbarte Partikel agglomerieren. Dies kann den Herstellungsprozess erleichtern. Weiterhin kann die Beschichtung der Partikel eine magnetische Austauschwechselwirkung benachbarter Partikel, insbesondere benachbarter Partikel unterschiedlicher Materialien, reduzieren. Ebenso kann die Beschichtung der Partikel zu einer Passivierung der Oberflächen der Partikel führen. Dies kann die Gefahr einer Selbstentzündung der Partikel bei Kontakt mit Luft reduzieren. Dies kann die Durchführung des Verfahrens erleichtern, weil auf eine Inertgasatmosphäre verzichtet werden kann. Durch die elektrisch isolierende Beschichtung der Partikel können insbesondere Wirbelströme reduziert und/oder lokal eingeschränkt werden.
In Verfahrensschritt D) wird der Körper dadurch geformt, dass das weichmagnetische Pulver und das hartmagnetische Pulver in der gewünschten Reihenfolge des Schichtaufbaus übereinander aufgetragen werden. Optional kann nach dem Auftragen einer Schicht durch ein Abstreifen die Verteilung des diese Schicht bildenden Pulvers verbessert werden. Die Trennschichten werden durch die Beschichtung der Partikel gebildet, so dass lediglich Schichten aus dem hartmagnetischen Pulver und Schichten aus dem weichmagnetischen Pulver übereinander geschichtet werden müssen, wobei zwischen benachbarten Schichten jeweils genau eine (einheitliche und/oder zusammenhängende) Trennschicht entsteht. Das bedeutet insbesondere, dass bei jeder Durchführung von Verfahrensschritt A) und bei jeder Durchführung von Verfahrensschritt B) Verfahrensschritt C) zusätzlich mit ausgeführt wird.
In Verfahrensschritt E) entsteht aus dem in Verfahrensschritt D) geformten Körper durch Sintern ein Hybridmagnet. Dabei bedeutet Sintern, dass der Körper einer erhöhten Temperatur ausgesetzt wird, wobei die Beschichtung der Partikel in einen die Partikel umgebenden Matrixkörper umgeformt wird. Die zum Sintern gewählte Temperatur ist vorzugsweise derart gewählt, dass kein Sintern der hartmagnetischen und der weichmagnetischen Materialien stattfindet. Dies bedeutet insbesondere, dass die zum Sintern gewählte Temperatur vorzugsweise höchstens der Schmelztemperatur des magnetisch passiven Materials entspricht, bzw., sofern eine solche Schmelztemperatur für das betreffende Material nicht wohldefiniert ist, der Transformationstemperatur. Letzteres betrifft solche amorphen Materialien, wie z. B. Glas, bei denen eine Schmelze nicht bei einer bestimmten Schmelztemperatur eintritt. Stattdessen verändern sich bei diesen Materialien die mechanischen Eigenschaften kontinuierlich über einen Temperaturbereich. Dieser wird durch die Angabe einer Transformationstemperatur charakterisiert. Die zum Sintern verwendete Temperatur wird vorzugsweise in Abhängigkeit von allen verwendeten Materialien gewählt. Beispielsweise liegt die Transformationstemperatur vieler Gläser im Bereich bis 900 °C. Wird ein solches Glas als magnetisch passives Material verwendet, beträgt ein bevorzugter Temperaturbereich für die Sinterung (werkstoffspezifisch) 400 °C bis 800 °C bei Normaldruck (1013 hPa [Hektopascal]), insbesondere 550 °C bis 650 °C. Vor Schritt E) wird der Körper im Allgemeinen als Pressling bezeichnet. Nachdem in Schritt E) die Sinterung durchgeführt wurde, wird der Körper im üblicherweise als Sinterling bezeichnet.
Vorzugsweise wird das gesamte Verfahren, umfassend sämtliche Verfahrensschritte, unter Bedingungen durchgeführt, bei denen keine (signifikante oder verbreitete) Sinterung des verwendeten hartmagnetischen oder weichmagnetischen Materials eintritt. Dabei ist zu berücksichtigen, dass die Sintertemperatur eines Materials druckabhängig sein kann. Vorzugsweise ist die Temperatur während des gesamten Verfahrens deutlich kleiner, insbesondere mindestens 50 °C kleiner und vorzugsweise mindestens 100 °C kleiner, als die Sintertemperatur jedes verwendeten hartmagnetischen oder weichmagnetischen Materials.
In einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens weist die Beschichtung eine Beschichtungsdicke auf, die im Bereich von 1 nm bis 300 nm [Nanometer] liegt, insbesondere im Bereich von 2 nm bis 50 nm. Unter der Beschichtungsdicke ist regelmäßig die räumliche Ausdehnung der Beschichtung zu verstehen, die die geringste Abmessung hat. Durch die Wahl der Schichtdicke in dem vorgeschlagenen Bereich können einerseits die beschriebenen Vorteile der Beschichtung in ausreichendem Maße erzielt werden. Andererseits ist die Schichtdicke klein genug, um magnetische Eigenschaften des Hybridmagneten nicht wesentlich zu reduzieren.
In einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens wird der Körper zwischen Verfahrensschritt D) und E) zu einem Zwischenprodukt, einem sogenannten Pressling verpresst. Nachdem der Schichtaufbau durch Aufbringen der bzw. aller gewünschter Schichten aus Pulver aufgebaut wurde, kann ein erhöhter, von außen aufgegebener, Druck zu einer Verdichtung der Partikel führen. Dies kann zur Verbesserung der Sinteraktivität und damit zur Erhöhung der Stabilität des fertig gesinterten Hybridmagneten führen. Unter einem Pressling ist hier ein Körper zu verstehen, der durch Pressen von Pulver erzeugt wird, wobei insbesondere eine Matrizenpresse eingesetzt werden kann.
In einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens findet das Pressen in einem externen Magnetfeld statt.
Das externe Magnetfeld kann beispielsweise durch eine elektrische Spule erzeugt werden. Vorzugsweise hat das externe Magnetfeld eine Ausdehnung, die den gesamten Pressling umschließt. Ebenso vorzugsweise ist das externe Magnetfeld ein homogenes Magnetfeld, das in die Richtung der für den Hybridmagneten gewünschten Magnetisierung zeigt. Besonders bevorzugt ist das Verfahren, wenn das externe Magnetfeld senkrecht zur Schichteben ausgerichtet ist. Das externe Magnetfeld kann bewirken, dass die Magnetisierung der magnetischen Partikel sich entlang des externen Magnetfelds ausrichtet. Abhängig von den verwendeten Materialien kann das während des Pressens anliegende externe Magnetfeld die Eigenschaften des Hybridmagneten vorteilhaft beeinflussen. Insbesondere bei magnetischen Werkstoffen mit ausgeprägter Kristallanisotropie kann ein während des Pressens anliegendes externes Magnetfeld die Partikel derart ausrichten, dass eine bevorzugte Magnetisierungsrichtung für alle Partikel gleich ausgerichtet ist. Nach dem Pressen kann die Ausrichtung der Partikel fixiert sein. Auch wenn in einem späteren Verfahrensschritt die Magnetisierung (insbesondere durch Temperatureinwirkung) wieder verloren geht, kann die Ausrichtung der Partikel bestehen bleiben. Damit kann bei einem späteren Magnetisieren von der allen Partikeln gemeinen bevorzugten Richtung der Magnetisierung profitiert werden.
In einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens wird zumindest zeitweise mit Ultraschall auf die hartmagnetischen Partikel und die weichmagnetischen Partikel eingewirkt. Die Einwirkung mit Ultraschall kann die Packungsdichte des Pulvers erhöhen. Dies kann die Stabilität des Hybridmagneten verbessern. Vorzugsweise wird der Ultraschall durch eine Ultraschallsonde in der Nähe des Hybridmagneten erzeugt. Das Einwirken mit Ultraschall findet bevorzugt vor und/oder während des Pressens statt.
In einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens weist die Trennschicht eine Trennschichtdicke auf, die im Bereich von 1 nm bis 300 nm [Nanometer] liegt, insbesondere im Bereich von 2 nm bis 50 nm. Unter der Trennschichtdicke ist die räumliche Ausdehnung zu verstehen, die die geringste Abmessung hat, wobei dies regelmäßig auch die Ausdehnung der Trennschicht senkrecht zu dem Schichtaufbau betrifft. Wird der Hybridmagnet aus Pulver hergestellt, hängt die Trennschichtdicke insbesondere von der oben beschriebenen Beschichtungsdicke ab. In jedem Fall, d. h. auch für Hybridmagnete, die auf eine andere Weise hergestellt werden, gelten die oben im Zusammenhang mit der Wahl der Beschichtungsdicke beschriebenen Vorteile in entsprechender Weise für die Wahl der Trennschichtdicke.
In einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens wird der Hybridmagnet in einem externen Magnetfeld magnetisiert.
Die Magnetisierung erfolgt vorzugsweise, wenn der Hybridmagnet bereits fertig gesintert ist.
Besonders bevorzugt ist das Verfahren, wenn das externe Magnetfeld senkrecht zur Schichtebene ausgerichtet ist.
Nach dem Sintern bzw. nach der Nachbearbeitung kann optional das Magnetisieren durchgeführt werden. Das Magnetisieren kann in einem z. B. von einer elektrischen Spule erzeugten, externen Magnetfeld durchgeführt werden, das vorzugsweise homogen ist und den gesamten Hybridmagneten umschließt. Dieses externe Magnetfeld kann von dem zuvor beschriebenen externen Magnetfeld sowohl in der Orientierung als auch in der Stärke abweichen. Das externe Magnetfeld könnte hier auch als ein zweites externes Magnetfeld bezeichnet werden, um es von dem zuvor beschriebenen Magnetfeld zu unterscheiden. Das hier verwendete externe Magnetfeld ist vorzugsweise hinreichend stark, um eine parallele Ausrichtung der Magnetisierung der Partikel zu erreichen, die auch ohne externes Magnetfeld bestehen bleibt (remanente Magnetisierung).
Weiterhin kann das Verfahren eine (zusätzliche) thermische Behandlung in einem weiteren externen Magnetfeld umfassen (werkstoffspezifisch, z.B. bei Alnico Legierungen.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft einen Hybridmagneten, aufweisend einen Schichtaufbau aus Schichten, wobei mindestens eine der Schichten eine hartmagnetische Schicht und mindestens eine der Schichten eine weichmagnetische Schicht ist, und wobei benachbarte Schichten durch ein magnetisch passives Material getrennt sind.
Vorzugsweise, aber nicht notwendigerweise, wird ein solcher Hybridmagnet mit dem hier vorgeschlagenen Verfahren hergestellt. Jedenfalls können die im Zusammenhang mit dem Verfahren beschriebenen Erläuterungen einzeln oder in Kombination auch für Erläuterungen zum Aufbau, zu den Eigenschaften und hinsichtlich Vorteilen des vorgeschlagenen Hybridmagneten herangezogen werden.
In einer weiteren Ausführungsform des Hybridmagneten ist jede hartmagnetische Schicht aus hartmagnetischen Partikeln und jede weichmagnetische Schicht aus weichmagnetischen Partikeln gebildet, wobei die hartmagnetischen Partikel und die weichmagnetischen Partikel von einem Matrixkörper umgeben sind. Ein solcher Hybridmagnet wird vorzugsweise durch das erfindungsgemäße Verfahren in einer Ausführungsform hergestellt, die die Verwendung von Pulver umfasst. In dem Fall entsprechen die Partikel in dem Hybridmagneten den Partikeln des Pulvers.
In einer weiteren Ausführungsform des Hybridmagneten weisen die hartmagnetischen Partikel und die weichmagnetischen Partikel einen (mittleren) Durchmesser (bzw. eine Korngröße) im Bereich von 0,2 µm bis 250 µm [Mikrometer] auf.
In einer weiteren Ausführungsform des Hybridmagneten ist das den Matrixkörper bildende magnetisch passive Material eines der folgenden Materialien insbesondere: Glas, Glas-Keramik, metallisches Glas oder Keramik.
Die Ausführung des Matrixkörpers mit einer dieser Materialien kann beispielsweise dadurch erreicht werden, dass ein aus Pulver mit entsprechender Beschichtung gebildeter Körper gesintert wird. Unter Gläsern werden insbesondere amorphe Substanzen verstanden, die strukturell als ein unregelmäßiges Gefüge (Netzwerk) vorliegen. Im Gegensatz dazu stehen insbesondere kristallinen Substanzen, die in einer geordneten Gitterstruktur vorliegen. Unter metallischen Gläsern werden vorrangig Metalllegierungen verstanden, die anders als gewöhnliche Metalle oder Metalllegierungen amorph sind, d. h. keine geordnete Gitterstruktur aufweisen. Gläser, Glaskeramiken oder Keramiken zeichnen sich durch einen besonders hohen Korrosionsschutz sowie Schutz vor Entzündung aus.
In einer weiteren Ausführungsform des Hybridmagneten weist jede Schicht eine Schichtdicke und eine (räumliche) Weite auf, wobei für jede Schicht die Weite mindestens der zehnfachen Schichtdicke entspricht.
Unter der Schichtdicke ist regelmäßig die Ausdehnung einer Schicht senkrecht zu dem Schichtaufbau zu verstehen. Die Weite ist dann die Ausdehnung der Schicht senkrecht zu der Richtung, in die die Schichtdicke gemessen wird. Dies bedeutet insbesondere, dass bei einer beliebig geformten Schicht in jeder Richtung senkrecht zu dem Schichtaufbau die Weite größer sein muss als die zehnfache Schichtdicke.
An den seitlichen Rändern einer hartmagnetischen Schicht gibt es immer eine Tendenz, dass sich die Magnetfeldlinien auf kürzestem Weg kurzschließen wollen. Dieser Effekt wird noch verstärkt, wenn in diesem Bereich auch weichmagnetisches Material vorhanden ist. Dieser Anteil an kurzgeschlossenen Magnetfeldlinien steht für die eigentliche Aufgabe eines Dauermagneten, nämlich in seinem Außenraum ein Magnetfeld zu erzeugen, nicht mehr zur Verfügung. Die Forderung, dass die räumliche Weite der magnetischen Schichten mindestens 10 mal so groß sein muss wie die Dicke der einzelnen Schichten kann den Einfluss der magnetischen Kurzschlüsse an den Rändern der Schichten minimieren.
In einer weiteren Ausführungsform des Hybridmagneten sind die Schichten senkrecht zur Magnetisierung des Hybridmagneten ausgerichtet.
Wie oben beschrieben, kann durch die Ausrichtung der Magnetisierung senkrecht zu dem Schichtaufbau erreicht werden, dass sich die weichmagnetischen Schichten immer in einem Stützfeld der hartmagnetischen Schichten befinden und somit zur Gesamtmagnetisierung des Hybridmagneten beitragen. Damit können mit einem Hybridmagneten mit senkrecht zum Schichtaufbau ausgerichteter Magnetisierung die beschriebenen Vorteile eines Hybridmagneten mit Schichtaufbau maximal genutzt werden.
Die für den beschriebenen Hybridmagneten dargestellten besonderen Vorteile und Ausgestaltungsmerkmale sind in beliebiger, technologisch sinnvoller Weise auf das beschriebene Verfahren anwendbar und übertragbar.
Im Folgenden sollen beispielhaft konkrete Ausführungsformen des Hybridmagneten bzw. des Herstellungsverfahrens zur Herstellung des Hybridmagneten beschrieben werden.
In einer ersten Ausführungsform eines Herstellungsverfahrens werden in einem Rezepturherstellen entsprechend Bauteil- und Werkstoffanforderungen (insbesondere bezüglich magnetischer Eigenschaften wie z. B. einer remanenten Magnetisierung und einer Koerzitivfeldstärke, sowie bezüglich Temperatureigenschaften wie z. B. einer Transformationstemperatur) Ausgangsstoffe für das Herstellungsverfahren ausgewählt und bereitgestellt. Anschließend werden in einem Pulverbereitstellen die Ausgangsstoffe pulverisiert. Dies geschieht z. B. mit konventionellen Techniken. In einem anschließenden Beschichten werden Pulverpartikel beschichtet, z. B. mit einer einfachen oder mehrfachen Beschichtung. Weiterhin wird ein Grünling schichtweise in einem Aufbauen eines Schichtaufbaus aus Pulver aufgebaut. Optional folgt ein Pressen (mit oder ohne Magnetfeld) zu einem Pressling. Abschließend folgen ein Sintern des Grünkörpers, ein optionales Tempern, ein optionales Nachbehandeln und optional ein Magnetisieren. Nachfolgend werden drei Beispiele für diese erste Ausführungsform des Herstellungsverfahrens beschrieben.
In einer zweiten Ausführungsform eines Herstellungsverfahrens wird zuerst das zuvor beschriebene Rezepturherstellen durchgeführt. Darauf folgt ein Aufbauen eines Schichtaufbaus und ein Schichtenerzeugen mit Beschichtungstechnologien, das optional in einem Magnetfeld durchgeführt werden kann. Abschließend folgen wie zuvor das Sintern, das optionale Tempern, das optionale Nachbehandeln und das optionale Magnetisieren. Nachfolgend werden zwei Beispiele für diese zweite Ausführungsform des Herstellungsverfahrens beschrieben.
Ein erstes Beispiel für einen Hybridmagneten betrifft einen aus Pulver hergestellten Hybridmagneten, bestehend aus NdFeB [Neodym, Eisen, Bor] als hartmagnetisches Material. Die Partikel dieses Materials haben zu 90 % einen Durchmesser von weniger als 3 µm [Mikrometer], zu 50 % von weniger als 1 µm und zu 30 % von 0,2 bis 0,5 µm. Weiterhin besteht der Hybridmagnet aus reinem Eisen [Fe] als weichmagnetisches Material. Die Partikel dieses Materials haben zu 90 % einen Durchmesser von weniger als 2 µm und zu 30 % von 0,2 bis 0,8 µm. Die Beschichtung ist aus einer Oxidzusammensetzung gebildet, umfassend folgende Stoffmengenanteile: 30 bis 60 mol % [Molprozent] Bi₂O₃ [Bismutoxid], 30 bis 40 mol % B₂O₃ [Boroxid], 10 bis 20 mol % ZnO [Zinkoxid] und 5 bis 10 mol % SiO₂ [Siliziumdioxid]. Der Schichtaufbau weist abwechselnd je eine hartmagnetische und eine weichmagnetische Schicht auf, wobei benachbarte Schichten jeweils von einer Trennschicht getrennt sind (indirekt durch die Beschichtung des Pulvers gegeben). Der Körper ist 100 mm mal 300 mm weit und hat eine Höhe von 8 mm [Millimeter]. Die einzelnen Schichten haben (zusammen mit je einer Trennschicht) eine Schichtdicke von je 2,5 µm [Mikrometer]. Der Schichtaufbau umfasst 3200 Schichten, also 1600 Schichten pro Material. Nach Erzeugung der Schichten erfolgt ein Ausrichten der NdFeB Partikel durch ein mit einem Elektromagneten erzeugtes externes Magnetfeld mit einer Stärke von 1200 kA/m.. Ein Pressen findet nicht statt. Das Sintern („pressloses Sintern“ oder „Schüttsintern“) wird über eine Zeit von einer Stunde bei 400 bis 500°C in einer Argon-Atmosphäre durchgeführt. Anschließend wird der Körper in Teile durch Schneiden zerteilt mit einer Weite von 20 mm mal 10 mm und mit einer Höhe von 5 mm [Millimeter]. Optional folgt ein weiteres Magnetisieren.
Ein zweites Beispiel für einen Hybridmagneten stellt ein aus Pulver hergestellter Hybridmagnet dar, bestehend aus NdFeB [Neodym, Eisen, Bor] als hartmagnetisches Material. Die Partikel dieses Materials haben zu 90 % einen Durchmesser von weniger als 3 µm [Mikrometer], zu 50 % von weniger als 2 µm und zu 30 % von 0,2 bis 1 µm. Weiterhin besteht der Hybridmagnet aus einer Zusammensetzung von 90% Fe [Eisen], 5% Ni [Nickel], 2% Co [Kobalt] und 3% Si [Silizium] als weichmagnetisches Material. Die Partikel dieser Zusammensetzung haben zu 90 % einen Durchmesser von weniger als 2 µm und zu 30 % von 0,2 bis 0,1 µm. Die Beschichtung ist aus einer Oxidzusammensetzung gebildet, umfassend folgende Stoffmengenanteile: 40 bis 60 mol % [Molprozent] PbO [Bleioxid], 30 bis 40 mol % B₂O₃ [Boroxid], 5 bis 10 mol % ZnO [Zinkoxid]. Der Schichtaufbau weist abwechselnd je eine hartmagnetische und zwei weichmagnetische Schichten auf. Der Körper ist 100 mm mal 300 mm weit und hat eine Höhe von 9,9 mm [Millimeter]. Die einzelnen Schichten haben eine Schichtdicke (zusammen mit je einer Trennschicht) von je 3 µm [Mikrometer]. Der Schichtaufbau umfasst 3300 Schichten, also 1100 Schichten des hartmagnetischen Materials und 2200 Schichten des weichmagnetischen Materials. Ein Pressen findet statt in Form eines Matrizenpressens. Das Sintern wird über eine Zeit von einer Stunde bei 400 bis 500°C in einer Argon-Atmosphäre durchgeführt. Anschließend wird der Körper in Teile durch Schneiden zerteilt mit einer Weite von 20 mm mal 10 mm und mit einer Höhe von 9 mm [Millimeter]. Optional folgt ein weiteres Magnetisieren.
Ein drittes Beispiel für einen Hybridmagneten stellt ein aus Pulver hergestellter Hybridmagnet dar, bestehend aus NdFeB [Neodym, Eisen, Bor] als hartmagnetisches Material mit einer Schichtdicke von 300 nm [Nanometer] und aus 90% Fe [Eisen], 5% Ni [Nickel], 2% Co [Kobalt], 3% Si [Silizium] als weichmagnetisches Material mit einer Schichtdicke von 350 nm. Die Trennschichten sind aus einer Oxidzusammensetzung gebildet, umfassend folgende Stoffmengenanteile: 40 bis 60 mol % [Molprozent] PbO [Bleioxid], 30 bis 40 mol % B₂O₃ [Boroxid], 5 bis 10 mol % SiO₂ [Siliziumdioxid] mit einer Trennschichtdicke von 10 nm. Der Schichtaufbau weist abwechselnd je eine hartmagnetische und eine weichmagnetische Schicht auf. Der Körper ist 10 mm [Millimeter] mal 25 mm weit und hat eine Höhe von 6 mm. Vor dem Sintern findet ein Ausrichten im Magnetfeld statt. Das Sintern wird über eine Zeit von einer Stunde bei 400 bis 900°C in einer Argon-Atmosphäre durchgeführt. Optional folgt ein weiteres Magnetisieren.
In einem vierten Beispiel für einen Hybridmagneten wird ein Schichtaufbau mit Beschichtungstechnologien dadurch hergestellt, dass in einem ersten Schritt zuerst eine dünne hartmagnetische Schicht gewachsen wird, z. B. aus Nd₂Fe₁₄B [Neodym, Eisen, Bor] mit einer Dicke von 250 bis 300 nm [Nanometer]. Diese Schichtdicke entspricht einem Eindomänenteilchendurchmesser von Nd₂Fe₁₄B. Dabei kann eine der folgenden, oben eingeführten Beschichtungstechnologien verwendet werden: „atomic layer deposition“ (ALD), „metal-organic chemical vapor deposition“ (MOCVD) oder „chemical vapor deposition“ (CVD). Für diese Beschichtungstechnologien können folgende metallorganische Verbindungen verwendet werden: Tris-[N,N-bis-(trimethylsilyl)-amido]-neodym(III) für Neodym [Nd], Eisen(III) tris(2,2,6,6-tetramethyl-3,5-heptanedionate) für Eisen [Fe] und Triisopropylborate für Bor [B]. In einem zweiten Schritt wird z. B. mittels CVD eine 5 bis 10 nm [Nanometer] dünne Trennschicht aufgebracht. Dabei können z. B. die folgenden Oxide verwendet werden: SiO₂ [Siliziumoxid], B₂O₃ [Boroxid], Na₂O [Natriumoxid], KO [Kaliumoxid], Al₂O₃ [Aluminiumoxid]. Dafür können verschiedene Präkursoren verwendet werden, wie z. B. Tetraethyl orthosilicate (TEOS) für SiO2 [Siliziumoxid], Triethyl-borat (TEB) für B₂O₃ [Boroxid], Natriumethoxid für Na₂O [Natriumoxid], Aluminiumisopropoxidfür Al₂O₃ [Aluminiumoxid], Kaliumethanolat für KO [Kobaltoxid]. Es können hier auch Oxidmischungen mit PbO [Bleioxid], Bi₂O₃ [Bismutoxid], P₂O₅ [Phosphoroxid], ZnO [Zinkoxid] oder SnO [Zinnoxid] verwendet werden, um niedrig schmelzende Gläser herstellen zu können. Dafür sind z. B. folgende Präkursoren möglich: Blei(II)-acetat-Trihydrat für PbO [Bleioxid], Bismuth (III) Acetate für Bi₂O₃ [Bismutoxid], Phosphortrichlorid für P₂O₅ [Phosphoroxid], Zinkacetat für ZnO [Zinkoxid], Zinn(II)-acetat für SnO [Zinnoxid]. In die Trennschicht können auch Seltene-Erden-Oxide eingebaut werden, die wiederum aus Präkursoren wie Neodym(III)-isopropoxid und Dysprosium(III) acetate hydrate hervorgehen. In einem dritten Schritt wird mittels CVD eine dünne Schicht einer weichmagnetischen Phase, z. B. FeCo [Eisen, Kobalt], FeSi [Eisen, Silizium] oder FeNi [Eisen, Nickel] aufgebracht, die sich aus Präkursoren wie z.B. Eisen(III) tris(2,2,6,6-tetramethyl-3,5-heptanedionate) für Eisen [Fe], Siliciumtetrachlorid für Silizium [Si], (Co)bis(cyclopentadienyl)cobalt(II) für Kobalt [Co] und (Ni)bis(cyclopentadienyl)nickel(II) für Nickel [Ni]. Im Anschluss wird wieder eine Trennschicht aus binären, ternären oder quaternären Oxidmischungen aufgetragen, aus der sich im weiteren Prozessverlauf ein Glas, eine Glaskeramik oder eine keramische Phase bildet. Die Abfolge des Schichtaufbaus wird solange wiederholt, bis die gewünschte Gesamtdicke erreicht ist. Dabei entsteht ein Schicht- aufbau, bei welchem immer abwechselnd hartmagnetische Schichten und weichmagnetische Schichten aufeinander folgen, die jeweils durch Trennschichten voneinander getrennt sind.
Ein fünftes Beispiel stellt ein Hybridmagnet ähnlich dem zuvor im vierten Beispiel beschriebenen dar. Der einzige Unterschied ist die Abfolge und die Zahl der verschiedenen Schichten... Anstatt hartmagnetische Schichten und weichmagnetische Schichten immer abwechselnd anzuordnen können auch mehrere weichmagnetische Schichten oder mehrere hartmagnetische Schichten aufeinander folgen, die untereinander jeweils ebenfalls von einer Trennschicht getrennt sein können. Benachbarte Schichten aus dem selben Material liegen also gruppiert vor.
Die Erfindung sowie das technische Umfeld werden nachfolgend anhand der Figuren näher erläutert. Die Figuren zeigen besonders bevorzugte Ausführungsbeispiele, auf die die Erfindung jedoch nicht begrenzt ist. Insbesondere ist darauf hinzuweisen, dass die Figuren und insbesondere die dargestellten Größenverhältnisse nur schematisch sind. Insbesondere sind die Partikel und die Schichten nur in einer solchen geringen Anzahl gezeigt, die zur deutlichen Visualisierung der erfindungsgemäßen Konzepte ausreichen. Es zeigen:
1: eine schematische Darstellung eines Querschnitts eines Zwischenproduktes eines aus bereits beschichtetem Pulver hergestellten Hybridmagneten vor dem Sintern,
2: eine schematische Darstellung eines Querschnitts des Hybridmagneten aus 1 nach dem Sintern,
3: eine schematische Darstellung eines mit Beschichtungstechnologien hergestellten Hybridmagneten,
4: eine schematische Darstellung eines Querschnitts eines mit Beschichtungstechnologien hergestellten weiteren Hybridmagneten,
5: ein Flussdiagramm einer ersten Ausführungsform eines Herstellungsverfahrens, und
6: ein Flussdiagramm einer zweiten Ausführungsform eines Herstellungsverfahrens.
1 zeigt ein Zwischenprodukt eines Hybridmagneten 1, aufweisend hartmagnetische Schichten 13 und weichmagnetische Schichten 14. Die hartmagnetischen Schichten 13 sind (im Wesentlichen) durch hartmagnetische Partikel 2 gebildet. Die hartmagnetischen Partikel 2 sind (nur) aus einem hartmagnetischen Material 5 gebildet. Die weichmagnetischen Schichten 14 sind (im Wesentlichen) aus weichmagnetischen Partikeln 3 gebildet, die selbst (nur) aus einem weichmagnetischen Material 6 gebildet sind. Das weichmagnetische Material 6 ist durch eine Schraffur dargestellt. Die hartmagnetischen Partikel 2 und die weichmagnetischen Partikeln 3 weisen jeweils eine Beschichtung 4 aus einem magnetisch passiven Material 7 auf. Die Beschichtung 4 hat eine Beschichtungsdicke 8. Die hartmagnetischen Partikel 2 und die weichmagnetischen Partikel 3 haben jeweils annäherungsweise einen Durchmesser 12, der in dieser Ausführungsform für alle hartmagnetischen Partikel 2 und alle weichmagnetischen Partikel 3 gleich groß ist. Weiterhin eingezeichnet ist eine Schichtdicke 19 als Abstand benachbarter Schichten. Dabei haben hartmagnetische Schichten 13 eine hartmagnetische Schichtdicke 33 und weichmagnetische Schichten 14 eine weichmagnetische Schichtdicke 16, die nicht mit der hartmagnetischen Schichtdicke 33 identisch sein muss. Eine Weite 20 ist hier als Ausdehnung des Hybridmagneten 1 senkrecht zu der Richtung, in die die Schichtdicke 19 gemessen wird, ausgewiesen.
Der Hybridmagnet 1 ist in dieser 1 als ein Querschnitt durch den Schichtaufbau gezeigt, wobei eine Situation vor dem Sintern des Hybridmagnet-Halbzeugs dargestellt ist, so dass die hartmagnetischen Partikel 2, die weichmagnetischen Partikeln 3 und die Beschichtung 4 noch als solche zu erkennen sind. Ebenfalls eingezeichnet ist ein angelegtes externes Magnetfeld 11 das zur Ausrichtung der hartmagnetischen Partikel 2 und zur Aufmagnetisierung der weichmagnetischen Partikel 3 führt. Die Pfeile 34 in den Partikeln 2 und 3 deuten dabei die Richtung der Magnetisierung an. Das externe Magnetfeld 11 ist homogen und umschließt das Volumen des gesamten Körpers 17.
2 zeigt den Hybridmagneten 1 aus 1 nach dem Pressen und Sintern. Aus der Beschichtung 4 der hartmagnetischen Partikel 2 und der weichmagnetischen Partikeln 3 ist ein Matrixkörper 9 aus dem magnetisch passiven Material 7 entstanden. Der Matrixkörper 9 sowie die hartmagnetischen Partikel 2 und die weichmagnetischen Partikeln 3 formen gemeinsam nunmehr einen Sinterling 10. Der Sinterling 10 ist aus den hartmagnetischen Partikeln 2 und den weichmagnetischen Partikeln 3 sowie der Beschichtung 4 durch Pressen und Sintern entstanden. Der Sinterling 10 bildet den Körper 17 des Hybridmagneten 1. Die hartmagnetischen Partikel 2 aus dem hartmagnetischen Material 5 bilden die hartmagnetischen Schichten 13. Die hartmagnetischen Partikel 2 stellen Teilbereiche der hartmagnetischen Schichten 13 dar, die in der Schichtebene durch das den Matrixkörper 9 bildende magnetisch passive Material 7 voneinander getrennt sind. Die weichmagnetischen Partikel 3 aus dem weichmagnetischen Material 6 bilden die weichmagnetischen Schichten 14. Dazwischen liegen Trennschichten 15, die in dieser Ausführungsform als Teil des Matrixkörpers 9 gebildet werden. Das betrifft insbesondere die ersten drei Beispiele eines Hybridmagneten.
3 zeigt einen Hybridmagneten 1, der aus einem Herstellungsverfahren unter Einsatz einer Beschichtungstechnologie hervorgegangen ist. Der Hybridmagnet 1 umfasst einen Körper 17, der hartmagnetische Schichten 13 aus einem hartmagnetischen Material 5, weichmagnetische Schichten 14 aus einem weichmagnetischen Material 6 und Trennschichten 15 aus einem magnetisch passiven Material 7 umfasst. Das weichmagnetische Material 6 ist durch eine Schraffur dargestellt. Die Trennschichten 15 weisen eine Trennschichtdicke 18 auf. Die hartmagnetischen Schichten 13 und die weichmagnetischen Schichten 14 weisen eine Schichtdicke 19 auf, die in dieser Ausführungsform für alle Schichten gleich groß ist. Ebenso gezeigt ist die Weite 20 des Hybridmagneten 1. Weiterhin eingezeichnet ist ein externes Magnetfeld 11 das während der Herstellung des Hybridmagneten 1 angelegt werden kann.. 3 betrifft insbesondere das weiter oben erläuterte vierte Beispiel eines Hybridmagneten.
4 zeigt einen Hybridmagneten 1 in einer weiteren Ausführungsform. Im Vergleich zu 3 ist lediglich beispielhaft eine andere Schichtfolge aufgezeigt. Hierbei können demnach auch benachbarte Schichten desselben Materials gruppiert vorliegen. 4 betrifft insbesondere das weiter oben erläuterte fünfte Beispiel eines Hybridmagneten. Der in 4 dargestellte angepasste Schichtaufbau mit gruppierten Schichten desselben Materials ist auch auf Hybridmagnete gemäß der ersten drei Beispiele anwendbar. Auch bei solchen Hybridmagneten können gruppierte Schichten vorgesehen sein.
5 zeigt die oben beschriebene erste Ausführungsform eines Herstellungsverfahrens. In einem Rezepturherstellen 22 werden entsprechend Bauteil- und Werkstoffanforderungen (insbesondere bezüglich magnetischer Eigenschaften wie z. B. einer remanenten Magnetisierung und einer Koerzitivfeldstärke, sowie bezüglich Temperatureigenschaften wie z. B. einer Transformationstemperatur) Ausgangsstoffe für das Herstellungsverfahren ausgewählt und bereitgestellt. Anschließend werden in einem Pulverbereitstellen 23 die Ausgangsstoffe pulverisiert. Dies geschieht z. B. mit konventionellen Techniken. In einem anschließenden Beschich- ten 24 werden Pulverpartikel beschichtet, z. B. mit einer einfachen oder mehrfachen Beschichtung. Weiterhin wird ein Grünling schichtweise in einem Aufbauen eines Schichtaufbaus aus Pulver 25 aufgebaut. Optional folgt ein Pressen 26 (mit oder ohne Magnetfeld) zu einem Pressling. Abschließend folgen ein Sintern 27 des Grünkörpers, ein optionales Tempern 28, ein optionales Nachbehandeln 29 und ein optionales Magnetisieren 30. Die erste Ausführungsform eines Herstellungsverfahrens gilt insbesondere für die ersten drei Beispiele eines Hybridmagneten.
6 zeigt die oben beschriebene zweite Ausführungsform eines Herstellungsverfahrens. Zuerst wird das zuvor für 5 beschriebene Rezepturherstellen 22 durchgeführt. Darauf folgt ein Aufbauen eines Schichtaufbaus 31 und ein Schichtenerzeugen mit Beschichtungstechnologien 32, das optional in einem Magnetfeld durchgeführt werden kann. Abschließend folgen wie zuvor das Sintern 27, das optionale Tempern 28, das optionale Nachbehandeln 29 und das optionale Magnetisieren 30. Die zweite Ausführungsform eines Herstellungsverfahrens gilt insbesondere für das vierte und das fünfte Beispiel eines Hybridmagneten.
Die vorstehenden Erläuterungen haben aufgezeigt, dass das vorgeschlagene Herstellungsverfahren und/oder der Hybridmagnet die im Zusammenhang mit dem Stand der Technik geschilderten technischen Probleme wenigstens teilweise überwindet. Insbesondere wurde auch ein Hybridmagnet mit verbesserten magnetischen, mechanischen und/oder thermischen Eigenschaften vorgestellt.
Bezugszeichenliste

1: Hybridmagnet
2: hartmagnetisches Partikel
3: weichmagnetisches Partikel
4: Beschichtung
5: hartmagnetisches Material
6: weichmagnetisches Material
7: magnetisch passives Material
8: Beschichtungsdicke
9: Matrixkörper
10: Sinterling
11: Externes Magnetfeld
12: Durchmesser
13: hartmagnetische Schicht
14: weichmagnetische Schicht
15: Trennschicht
16: weichmagnetische Schichtdicke
17: Körper
18: Trennschichtdicke
19: Schichtdicke
20: Weite
21: Schicht
22: Rezepturherstellen
23: Pulverbereitstellen
24: Beschichten
25: Aufbauen eines Schichtaufbaus aus Pulver
26: Pressen
27: Sintern
28: Tempern
29: Nachbehandeln
30: Magnetisieren
31: Aufbauen eines Schichtaufbaus
32: Schichtenerzeugen mit Beschichtungstechnologien
33: hartmagnetische Schichtdicke
34: Richtung der Magnetisierung

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

US 6972046 B2 [0005]
US 2014/0072470 A1 [0006]

Claims

Verfahren zur Herstellung eines Hybridmagneten (1), umfassend zumindest die folgenden Verfahrensschritte: A) Erzeugen einer hartmagnetischen Schicht (13) aus einem hartmagnetischen Material (5), B) Erzeugen einer weichmagnetischen Schicht (14) aus einem weichmagnetischen Material (6), und C) Erzeugen einer Trennschicht (15) aus einem magnetisch passiven Material (7), wobei durch jeweils mehrfaches Anwenden der Verfahrensschritte A), B) und C) ein Hybridmagnet (1) geformt wird, der einen Schichtaufbau aufweist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei in mindestens einem der Verfahrensschritte A), B) und C) eine Beschichtungstechnologie angewendet wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei Verfahrensschritt A) zumindest den folgenden Teilschritt umfasst: A1) Bereitstellen eines hartmagnetischen Pulvers aufweisend hartmagnetische Partikel (2) aus dem hartmagnetischen Material (5), wobei Verfahrensschritt B) zumindest den folgenden Teilschritt umfasst: B1) Bereitstellen eines weichmagnetischen Pulvers aufweisend weichmagnetische Partikel (3) aus dem weichmagnetischen Material (6), wobei Verfahrensschritt C) zumindest den folgenden Teilschritt umfasst: C1) Beschichten zumindest eines der hartmagnetischen Partikel (2) oder der weichmagnetischen Partikel (3) mit mindestens einer Beschichtung (4) aus dem magnetisch passiven Material (7), und wobei das Verfahren weiterhin die folgenden Verfahrensschritte umfasst: D) Formen eines den Hybridmagneten (1) bildenden Körpers (17) gemäß den Verfahrensschritten A), B) und C); und E) Sintern des Körpers (17), wobei eine Temperatur verwendet wird, die hinreichend groß ist, um die Beschichtung (4) in einen die hartmagnetischen Partikel (2) und die weichmagnetischen Partikel (3) umgebenden Matrixkörper (9) umzuformen, wobei während des gesamten Verfahrens eine Sintertemperatur für das hartmagnetische Material (5) und eine Sintertemperatur für das weichmagnetische Material (6) nicht überschritten werden, und wobei in Verfahrensschritt E) eine Sintertemperatur des magnetisch passiven Materials (7) überschritten wird.
Verfahren nach Anspruch 1 bis 3, wobei die Beschichtung (4) eine Beschichtungsdicke (8) aufweist, die im Bereich von 1 nm bis 300 nm [Nanometer] liegt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 3 oder 4, wobei der Körper (17) zwischen Verfahrensschritt D) und E) zu einem Pressling (10) verpresst wird.
Verfahren nach Anspruch 5, wobei das Pressen in einem externen Magnetfeld (11) stattfindet.
Verfahren nach einem der Ansprüche 5 oder 6, wobei zumindest zeitweise mit Ultraschall auf die hartmagnetischen Partikel (2) und die weichmagnetischen Partikel (3) eingewirkt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Trennschicht (15) eine Trennschichtdicke (18) aufweist, die im Bereich von 1 nm bis 300 nm [Nanometer] liegt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Hybridmagnet (1) in einem externen Magnetfeld (11) magnetisiert wird.
Hybridmagnet (1), aufweisend einen Schichtaufbau aus Schichten (21), wobei mindestens eine der Schichten (21) eine hartmagnetische Schicht (13) und mindestens eine der Schichten (21) eine weichmagnetische Schicht (14) ist, und wobei benachbarte Schichten (21) durch ein magnetisch passives Material (7) getrennt sind.
Hybridmagnet (1) nach Anspruch 10, wobei jede hartmagnetische Schicht (13) aus hartmagnetischen Partikeln (2) gebildet ist, wobei jede weichmagnetische Schicht (14) aus weichmagnetischen Partikeln (3) gebildet ist, und wobei die hartmagnetischen Partikel (2) und die weichmagnetischen Partikel (3) von einem Matrixkörper (9) umgeben sind.
Hybridmagnet (1) nach Anspruch 11, wobei die hartmagnetischen Partikel (2) und die weichmagnetischen Partikel (3) einen Durchmesser (12) aufweisen, der im Bereich von 0,2 µm bis 250 µm [Mikrometer] liegt.
Hybridmagnet (1) nach einem der Ansprüche 11 oder 12, wobei das den Matrixkörper (9) bildende magnetisch passive Material (7) eines der folgenden Materialien ist: Glas, Glas-Keramik, metallisches Glas oder Keramik.
Hybridmagnet (1) nach einem der Ansprüche 10 bis 13, wobei jede Schicht (21) eine Schichtdicke (19) und eine Weite (20) aufweist, und wo- bei für jede Schicht (21) die Weite (20) mindestens der zehnfachen Schichtdicke (19) entspricht.
Hybridmagnet (1) nach einem der Ansprüche 10 bis 14, wobei die Schichten (21) senkrecht zu der Richtung der Magnetisierung (34) des Hybridmagneten (1) ausgerichtet sind.