DE1204121B

DE1204121B - Verfahren zur Herstellung eines Magneten aus magnetisch anisotropem Material

Info

Publication number: DE1204121B
Application number: DEG35091A
Authority: DE
Inventors: James Spyros Kouvel; Israel Samson Jacobs
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1961-05-29
Filing date: 1962-05-29
Publication date: 1965-10-28
Also published as: US3116254A; GB1000516A; BE618225A

Description

Verfahren zur Herstellung eines Magneten aus magnetisch anisotropem Material Es sind bereits keramische Magnetwerkstoffe bekannt, die aus Mischkristallen bestehen, die Manganite der zweiwertigen Metalle Strontium, Barium, Blei und/oder derdreiwertigenMetalleLanthan, Praseodym, Neodym u als Komponente bzw. Komponenten enthalten. Die Mischkristalle weisen Provskit-Struktur auf.
Es ist auch bereits ein kristallines Magnetmaterial der Formel MMn03 bekannt, in welcher M Kobalt oder Nickel darstellt.
Das kristalline Magnetmaterial weist Ilmenit-Struktur auf.
Die bisher bekannten Magnetwerkstoffe zeigen ein isotropes Verhalten, d. h., weisen eine in bezug auf den Koordinatennullpunkt symmetrische Hysteresisschleife auf. Sie haben also in einem starken Magnetfeld mindestens zwei stabile Lagen, da ihre magnetischen Eigenschaften sowohl quantitativ als auch qualitativ in bezug auf die Magnetisierungsachse symmetrisch umkehrbar sind.
Gegenstand der Erfindung ist nun ein Verfahren zur Herstellung eines Magneten aus magnetisch anisotropem Material, das dadurch gekennzeichnet ist, daß ein Sinterkörper mit einer Zusammensetzung entsprechend der Formel Zn., 25 bis 0,75 Mn2,25 bis 2,7504 oder M90,25 bis 0,75 Mn2,25 bis 2,75 04 hergestellt, von der Sintertemperatur auf Zimmertemperatur abgeschreckt und auf eine Temperatur von ungefähr 30° K oder darunter unter Einwirkung eines Magnetfeldes abgekühlt wird.
Ein nach dem Verfahren der Erfindung hergestellter Magnet besitzt nun im Gegensatz zu den bekannten Magneten, die mindestens zwei Richtungen leichter Magnetisierbarkeit aufweisen, nur eine einzige Richtung leichter Magnetisierbarkeit und stellt daher eine wertvolle Bereicherung der Technik dar, da nun erstmals ein Bauelement zur Verfügung steht, das in einem starken Magnetfeld nur eine einzige stabile Lage aufweist.
Die Erfindung wird nun an Hand der Zeichnung näher erläutert, in der zeigt F i g. 1 eine Hysteresisschleife zur Erläuterung der magnetischen Eigenschaften eines gewöhnlichen Dauermagneten, F i g. 2 eine Hysteresisschleife zur Erläuterung der magnetischen Eigenschaften eines gemäß der vorliegenden Erfindung hergestellten Magneten, F i g. 3 eine verschobene Hysteresisschleife eines gemäß der vorliegenden Erfindung hergestellten Magneten, der eine etwas andere Zusammensetzung als der die Hysteresisschleife nach F i g. 2 ergebende Magnet hat, F i g. 4 Hysteresisschleifen, die ähnlich der in F i g. 3 gezeigten Hysteresisschleife sind und von Magneten mit etwas anderer Zusammensetzung stammen, und F i g. 5 Hysteresisschleifen von Magneten, die die gleiche Zusammensetzung wie die Magnete haben, welche die in F i g. 4 gezeigten Hysteresisschleifen ergeben, bei denen jedoch die Kühlung in Abwesenheit eines magnetischen Feldes durchgeführt wurde.
In F i g. 1 ist eine Hysteresisschleife 10 eines gewöhnlichen Magneten dargestellt. Das Magnetfeld H wurde in Oersted auf der Abszisse und die Magnetisierung M in Gauß auf der Ordinate aufgetragen. Steigt das Magnetfeld H von Null auf höhere Werte, beispielsweise in positiver Richtung, an, dann erreicht die Magnetisierung M des Materials schließlich einen Maximalwert +Mmax bei einem gegebenen Magnetfeld. Wird das Feld -1-H entfernt, dann nimmt die Magnetisierung entlang der Ent magnetisierungskurve 11 auf den Wert MR,. ab. Wird dann ein Magnetfeld -H der umgekehrten Polarität angewandt, dann nimmt die Magnetisierung des Materials entlang der Kurve 11 weiter ab und kreuzt die H-Achse beim Wert HG". Wird nun das Magnetfeld in negativer Richtung weiter erhöht, so erreicht die Magnetisierung schließlich den Maximalwert -M"tax. Wird das negative Magnetfeld entfernt, dann fällt die Magnetisierung des Materials entsprechend auf den Wert MR2 ab, der numerisch gleich dem Wert MR, ist. Wird nun wieder ein positives Feld angewandt, dann nimmt die Magnetisierung entlang der Magnetisierungskurve 12 zu und kreuzt die H-Achse beim Wert H,2, der numerisch gleich dem Wert H" ist. Wird das positive Feld weiter erhöht, dann steigt die Magnetisierung des Materials auf den Wert +M.ax an. Die Magnetisierungswerte M, die zur Darstellung der Hysteresisschleifen im vorliegenden Falle an Stelle der Flußdichte B verwendet werden, sind gleich der Flußdichte B minus dem Magnetfeld H dividiert durch 4 jc, d. h., es gilt die Formel Gemische, die gemäß der vorliegenden Erfindung zur Herstellung von Magneten mit einer leichten Magnetisierungsrichtung verwendet werden können, haben die allgemeine Zusammensetzung entsprechend der Formel: (ZnxMn,_x) [Mn2] 04 oder (MgxMnl_x [Mn2] 04 wobei x größer als Null und kleiner als Eins ist. Es hat sich insbesondere herausgestellt, daß Gemische im Bereich von Zno,,Mn2,7504 bis Zno,75Mn2,2504 und von Mgo,25Mn2.7504 bis Mgo,75Mn2,2504 besonders brauchbar sind. Es können natürlich auch Gemische außerhalb dieser Bereiche verwendet werden. Diese Stoffe sind, wie sich durch Röntgenstrahlenuntersuchungen ergab, einphasig, d. h. tetragonal deformiert, spinellförmig, isomorph mit dem Mineral Hausmannit Mn304. Die Metallionen dieser Stoffe sind an zwei verschiedenen Arten von kristallographischen Gitterstellen - tetraedrischen (»A«) Stellen und octaedrischen (»B«) Stellen - verteilt. In diesen beiden Verbindungen sind die B-Stellen beinahe vollständig von Manganionen besetzt, während die A-Stellen Gemische der nicht magnetischen Zink- oder Magnesiumionen und der restlichen magnetischen Manganionen enthalten.
Man nimmt an, daß die Verschiebung der Hysteresisschleifen auf einer Wechselwirkung zwischen ferrimagnetischen oder möglicherweise ferromagnetischen Bereichen mit antiferromagnetischen Bereichen beruht. Beispielsweise ist die Verbindungen Mn304 ferromagnetisch, während die Verbindung ZnMn204 und MgMn204 höchstwahrscheinlich antiferromagnetisch sind. Mikroskopisch gesehen können Schwankungen in der Zusammensetzung an den A-Stellen dieser gemischten Zink- oder Magnesiummanganite vorhanden sein, so daß manche Teile ähnlicher dem Mn304 und mache Teile ähnlicher dem ZnMn204 oder MgMn204 sind.
F i g. 2 zeigt die verschobene Hysteresiskurve eines Körpers mit der allgemeinen Zusammensetzung Zno,5Mn2,504. Dieser Körper wurde durch Zusammenmischen von Zinkoxyd und Mangancarbonat in den richtigen Anteilen, Brennen bei 1000°C in Luft, Pulverisieren, Verpressen zu Pellets, Brennen bei 1150°C in Luft und Abschrecken in Luft hergestellt. Die Messungen wurden an Pulvern ausgeführt, deren Korngröße von ungefähr 5 Mikron bis ungefähr 150 Mikron (0,15 mm) reichte. Man nimmt an, daß der Unterteilungszustand nicht kritisch für die Beobachtung der verschobenen Hysteresisschleife ist. Der Körper wurde dann in einem Magnetfeld von 5000 Oersted auf eine Temperatur von 1,7°K abgekühlt. Es ist ersichtlich, daß die maximalen Magnetisierungswerte -Mmax und +M"Lax numerisch gleich groß sind, jedoch die remanenten Magnetisierungswerte MR und die Koerzitivfeldstärken H, nicht miteinander übereinstimmen, wie dies aus der folgenden Tabelle I ersichtlich ist.

Tabelle I

MR2(EME) MRi(EME) Hci(OE) I Hca(OE)

25 ( 54 I 500 I 100

Die in F i g. 3 gezeigte Hysteresisschleife 16 dient zur Erläuterung der magnetischen Eigenschaften von Körpern, die nahezu in der gleichen Weise wie die Körper hergestellt wurden, welche die in F i g. 2 dargestellte Hysteresisschleife ergeben. Die Zusammensetzung ist im vorliegenden Falle Mgo,5Mn2,504. Der einzige Unterschied besteht also darin, daß an die Stelle von Zinkoxyd Magnesiumcarbonat tritt. Die Magnetisierungs- und Feldstärkewerte dieser Körper sind in der folgenden Tabelle II angegeben:

Tabelle II

MR2(EME) MRi(EME) I Hei(OE) I Hc2(OE)

10. I 53 , 1000 f 150

Die Körper, welche zur Erzielung der in der F i g. 4 dargestellten Kurven 20 und 21 verwendet wurden, hatten die folgende Zusammensetzung: a) Zno,2s Nin2, 7504 und b) Zn., 75Mn2,as04. In diesem Falle wurden die Körper beim Abkühlen auf 1,7°K einem Magnetfeld von 5000 Oersted ausgesetzt. Die magnetischen Eigenschaften dieser Stoffe sind in der folgenden Tabelle III angeführt:

Tabelle III

Ange-

Bei- Wand-

spiel tes MRl(EME) MR2(EME) HCl(OE) HC2(OE)

Feld

(0E)

a) 5000 110 0 700 0

b) 5000 2,5 0 400 0

Proben mit der gleichen Zusammensetzung wie in Tabelle III, d. h. a) Zno,2sMn2>7504 und b) Zno,75 Mn2,2504, wurden auf 1,7°K ohne Anwendung eines Magnetfeldes abgekühlt. Die Eigenschaften dieser Stoffe sind graphisch in den Kurven 25 und 26 der F i g. 5 dargestellt und in der folgenden Tabelle IV angeführt.

Tabelle IV

Ange-

Bei- Wand-

spiel tes MRl(EME) MRa(EME) Hel(OE) Hes(OE)

Feld

(0E)

a) 0 30 30 300 300

b) 0 2 2 0,1 0,1

Aus Tabelle IV ist ersichtlich, daß die magnetischen Eigenschaften isotropisch sind, wenn beim Abkühlen kein Magnetfeld angewendet wird.
Man nimmt an, daß das eigenartige Verhalten der erfindungsgemäß hergestellten Magnete auf die im Körper vorhandenen ferrimagnetischen (oder ferromagnetischen) und antiferromagnetischen Bereiche zurückzuführen ist. Die Kopplungswirkung zwischen diesen Bereichen ergibt eine leichte Magnetisierungsrichtung. Es ist daher beim Abkühlen des Körpers von Zimmertemperatur wesentlich, wie aus den F i g. 4 und 5 ersichtlich ist, daß er einem Magnetfeld ausgesetzt ist, wobei zur entsprechenden Ausrichtung der antiferromagnetischen und der ferrimagnetischen oder ferromagnetischen Momente ein Feld in der Größenordnung von 5000 Oersted normalerweise ausreicht. Obwohl das Magnetfeld nur von einer Temperatur an angewandt zu werden braucht, die über der Temperatur liegt, bei welcher der Effekt der Verschiebung der Hysteresisschleife beginnt, im allgemeinen bei 30°K oder weniger, ist es normalerweise zweckdienlicher und leichter, das Feld kontinuierlich während der gesamten Abkühlungsbehandlung anzuwenden.

Claims

Patentanspruch: Verfahren zur Herstellung eines Magneten aus magnetisch anisotropem Material, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß ein Sinterkörper mit einer Zusammensetzung entsprechend der Formel: Zn0,2s bis 0,7s Mn2,2s bis 2,75 04 oder M90,25 bis 0, 7sMn2,2s bis 2.7504 hergestellt, von der Sintertemperatur auf Zimmertemperatur abgeschreckt und auf eine Temperatur von ungefähr 30°K oder darunter unter Einwirkung eines Magnetfeldes abgekühlt wird. In Betracht gezogene Druckschriften: Deutsche Patentschrift Nr. 926 409; USA.-Patentschrift Nr. 2 770 523; Proc. Conf. Un. Reading, 1951, S. 162 bis 171: »Semiconducting Materials«.