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Verfahren zur Herstellung von gesinterten metallischen Dauermagneten
mit Grob- oder Einkristallstruktur Es ist bekannt, Magnete aus Legierungen herzustellen,
die neben Eisen im wesentlichen 15 bis 42% Kobalt, 11 bis 20% Nickel, 5 bis 11%
Aluminium, 0 bis 6'% Kupfer und 0 bis 8 % Titan enthalten. Daneben können auch Vanadium,
Niob, Schwefel und Verunreinigungen gemeinsam, einzeln oder in Kombinationen in
den Legierungen vorhanden sein.
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Bei diesen Dauermagneten lassen sich grob vier große Gruppen unterscheiden:
1. Magnete, deren magnetische Eigenschaften in allen Raumrichtungen die gleichen
sind (isotrope Magnete). Hier werden bei gesinterten und gegossenen Magneten magnetische
Gütewerte von etwa (BH).", = 2.106 G - 0e erreicht.
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2. Magnete, bei denen durch eine geeignete Wärmebehandlung im Magnetfeld
eine Raumrichtung magnetisch ausgezeichnet ist (magnetisch anisotrope Werkstoffe).
Mit ihnen erzielt man magnetische Gütewerte im Bereich von 5 - 100 G - Oe, ge.rncssen
in der ausgezeichneten Richtung (Vorzugsrichtung).
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3. Magnete, die zunächst eine kristallographische Vorzugsrichtung
erhalten, so daß der überwiegende Teil der Kristallite mit je einer ihrer [100]-Richtungen
parallel liegt (Stengelkristallisation) und bei denen dann eine Wärmebehandlung
im Magnetfeld angeschlossen wird, wobei die magnetische und kristallographische
Vorzugsrichtung übereinstimmen. Bei gegossenen Magneten dieser Art konnten magnetische
Gütewerte von bis zu (BH)",., =9 - 10s G - 0e erreicht werden. Auf dem Sinterwege
hergestellte Magnete dieser Art werden kommerziell noch nicht im größeren Umfang
angeboten.
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4. Magnete, die aus einem Einkristall bestehen und bei denen die magnetische
Vorzugsrichtung einer [100]-Richtung des Kristalls parallel liegt. Derartige Magnete
sind kommerziell noch nicht in größeren Mengen verfügbar. Sie konnten bisher nur
durch Ziehen aus der Schmelze unter Laborbedingungen oder durch das recht aufwendige
Zonenschmelzverfahren aus bereits fertig erschmolzenen Stangen hergestellt werden.
Außerdem wurde die Herstellung solcher Einkristalle mit Hilfe des Stranggußverfahrens
erwogen.
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Obgleich gesinterte Magnete mit kristallographischer Vorzugsorientierung
noch nicht in größeren Mengen kommerziell hergestellt werden, sind doch ; bereits
Vorschläge gemacht worden zur Herstellung solcher Werkstoffe: a) In das Gemisch
der die Legierung zusammensetzenden Metallpulver werden auf andere Weise erzeugte
Einkristallkömer einer gleichen oder ähnlichen Legierung eingebracht; diese Mischung
wird vor dem Verpressen in die endgültige Form einem Magnetfeld ausgesetzt, das
die Alnico-Einkristallteilchen mit einer ihrer [100]-Richtungen parallel zum Magnetfeld
ausrichten soll. Diese ausgerichteten Kristallite haben dann die Aufgabe, während
der Sinterung des Preßlings als Kristallkeime zu dienen und durch ihre Ausrichtung
eine Vorzugskristallisation in dem Polykristall zu erzeugen. Dieses Verfahren erfordert
das Alllegen eines starken homogenen Magnetfeldes an die Preßform kurz vor dem Pressen
des Metallpulvergemisches. Ein starkes Magnetfeld ist erforderlich, um die Drehung
der als Impflinge dienenden Einkristallkörner gegenüber den Reibungskräften der
umgebenden Pulverteilchen zu erzielen, die Homogenität des Feldes ist notwendig,
um translatorische Kräfte auf die Impflinge und das Pulvergemisch und damit Dichte-Ungleichmäßigkeiten
zu vermeiden.
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b) In das Gemisch der die Legierung zusammensetzenden Metallpulver
werden Drähte aus einem der Legierungspartner eingelegt, so daß die Drahtachsen
mit der späteren Stengelachse übereinstimmen. Bei der Zusammensetzung des Pulvergemisches
war dem Mengenanteil der Komponente, die in Drahtform eingebracht wurde, Rechnung
zu tragen. Dieses Verfahren hat sich in der Praxis als umständlich erwiesen, da
die Handhabung der etwa 1/1o mm dicken Drähte und ihre saubere Einordnung in die
Preßform zeitraubend ist.
c) Es wurde außerdem vorgeschlagen, eine
Vorzugskristallisation im gesinterten Dauermagnet obengenannten Typs dadurch zu
erzeugen, daß ein Konzentrationsgefälle von einem der Legierungspar'iner in der
Pulvermischung innerhalb eines Sinterstückes erzeugt wurde. Auch die damit erfolgte
Auszeichnung einer Raumrichtung im Sinterling kann zur Vorzugskristallisation in
einer Raumrichtung und damit zur Stengelbildung führen. Bei diesem Verfahren ist
ein mehrfaches Pressen zur Erzeugung des Konzentrationsgefälles erforderlich, wodurch
ein hoher zusätzlicher Aufwand getrieben werden muß.
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d) In das Gemisch der die Legierung zusammensetzenden Metallpulver
wird je Preßling ein fertiger Einkristall oder ein Stück eines fertigen Stengelkristalls
in der gewünschten Orientierung, d. h. mit einer [100]-Richtung oder der Stengelachse
parallel zur späteren Vorzugsrichtung eingelegt.
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e) Zur Erzeugung einer Vorzugskristallisation wurde auch bereits das
Verfahren einer Rekristallisationsbehandlung genannt. Dabei wird ein bereits gesinterter
Magnetkörper wieder auf eine Temperatur gebracht, die dicht unterhalb des Schmelzpunktes
liegt und dann einem Temperaturgefälle in Richtung der gewünschten Vorzugskristallisation
ausgesetzt. Dieses Verfahren wurde bisher jedoch nur für einfache Magnetformen erfolgreich
angewandt und schließt in jedem Fall eine zusätzliche Wärmebehandlung ein.
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f) In einer kürzlichen Erweiterung des unter d) beschriebenen Verfahrens
wurde vorgeschlagen, die als Impflinge in das Legierungspulver einzulegenden Ein-
oder Stengelkristallteilchen vor dem Einlegen zu magnetisieren. Durch diese Maßnahme
ergab sich überraschenderweise eine wesentliche Steigerung der Ausbeute an Magneten
mit richtig orientierten Ein- oder Grobkristallen. Das erfindungsgemäße Vorgehen
schließt sich an diese Beobachtung an. Es hat sich nämlich überraschenderweise herausgestellt,
daß ein dem Streufeld des Impflings ungefähr nachgebildetes Magnetfeld, das während
des Einfüllens des Legierungspulvers in das Preßhohl anwesend ist, genauso wirkt
wie der magnetisierte Impfling.
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Erfindungsgemäß wird also in das Legierungspulver kein Impfling mehr
eingelegt, sondern in das Preßhohl ein sehr inhomogenes Magnetfeld herangeführt,
dessen Stärke im Maximum der Feldverteilung weniger als 500 0e beträgt. Besonders
gute Ergebnisse wurden mit einem Magnetfeld, dessen Maximalwert 30 0e betrug, erzielt.
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Im Gegensatz zu allen bisher vorgeschlagenen Verfahren kommt es also
beim erfindungsgemäßen Vorgehen gerade auf die starke Inhomogenität eines verhältnismäßig
schwachen Magnetfeldes an.
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Die Vorzugsrichtung wird dabei durch die Achse des an die Preßform
angebrachten magnetischen Dipols festgelegt. Die inhomogene Feldverteilung innerhalb
des Preßholes soll dabei möglichst symmetrisch sein.
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Das erfindungsgemäße Vorgehen soll an Hand von Beispielen demonstriert
werden. Beispiel 1 Alnico-Legierungspulver mit der Zusammensetzung von 13 0!o Carbonyl-Nickel-Pulver,
32,5 % einer pulverisierten Kobalt-Aluminium-Vorlegierung, 0,2% einer Eisen-Aluminium-Vorlegierung,
3% Kupferpulver und 51.,3 % Carbonyl-Eisen-Pulver wurde in eine Preßmatrize aus
Hartmetall gefüllt, so daß zwei Drittel des Füllvolumens ausgenutzt war. Dann wurde
jeweils ein Stengelkristall eingelegt. Diese Stengelkristaile waren aus fertigen
Gußmagneten gleicher Zusammensetzung durch Zerschlagen mit dem Hammer gewonnen worden.
Die Gußmagnete befanden sich im magnetisch optimalen Zustand. Die Stengelkristalle
hatten unregelmäßige Gestalt; ihr größter Durchmesser betrug etwa 3 mm, ihre Länge
in Vorzugsrichtung, also parallel zur Stengelachse gemessen, mindestens 5 mm. Diese
Stengelkristalle wurden parallel zu ihrer Stengelachse in einem Magnetfeld von 1500
0e gebracht und damit aufmagnetisiert. Sie wurden dann mit ihrer Stengelachse parallel
zur späteren Vorzugslage des Sinterlings eingelegt. Nach Auffüllung des Preßhohls
mit dem Pulver der genannten Zusammensetzung wurden durch Pressen mit einem Druck
von 2,4 t/cm2 Sinterlinge hergestellt. Nach diesem Verfahren wurden zwanzig Proben
erzeugt. Diese zwanzig Proben wurden bei einer Temperatur von 1320° C und unter
einem Vakuum von 3 - 10-4 Torr 7 Stunden lang gesintert. Die gesinterten Proben
wurden anschließend der normalen thermomagnetischen Behandlung und den üblichen
Anlaßglühungen unterworfen. Dabei war das Magnetfeld bei der Wärmebehandlung parallel
zur Stengelachse der eingelegten Impflinge gerichtet. In dieser Richtung wurden
die Proben magnetisch gemessen und anschließend zur Sichtkontrolle der Orientierung
der Kristallne zerschlagen. Von den zwanzig Proben zeigten zwölf Proben einen (BH)""-Wert
bei 5,5 - 106 G - 0e, die restlichen beiden Proben erreichten nur (BH)"" = 4 - 10E
G - 0e. Die Sichtkontrolle zeigte, daß die zwölf erstgenannten Proben aus Einkristallen
oder wenigen Grobkristallen bestanden, die um die Impflinge herumgewachsen waren.
Die sechs weiteren Proben enthielten regellos verteilte Grobkristalle, die letzten
beiden bestanden aus wenigen Grobkristallen in feinkristalliner Umgebung.
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Beispiel 2 Dasselbe Legierungspulvergemisch, das im Beispiel 1 verwendet
wurde, wurde in das Preßhohl einer Hartmetallmatrize folgender Abmessungen eingefügt:
15 # 10 mm. Die Preßlingshöhe sollte ebenfalls 10 mm betragen. In die Hartmetallwand
der Preßmatrize waren zwei Weicheisenschneiden in der in der F i g. 1 eingezeichneten
Weise eingearbeitet. Dabei bedeutet 1 ein Spannring aus unmagnetischem Stahl, 2,
3, 4 und 5 Hartmetallteile, 6 das Preßhohl und 7 und 8 die beiden Weicheisenschneiden.
Außerhalb des Preßwerkzeuges wurde ein kleiner Elektromagnet angeordnet, dessen
Polschuhe 9 und 10 in der Zeichnung angedeutet sind. Die Stromstärke des Elektromagnets
wurde so eingeregelt, daß vor den Spitzen der Weicheisenschneiden im Innern des
Preßhohls eine Feldstärke von 30 Oe gemessen werden konnte. Nach dem Einfüllen des
Legierungspulvers wurde mit unmagnetischen Stempeln ein Druck von 2,4 t je cm' aufgebracht
und nach Abschalten des eiektrisehen
Stromes durch das kleine Magnetjoch
der Preßling in der üblichen Weise aus der Matrize ausgeworfen. Zwanzig derartig
hergestellte Preßlinge wurden, wie im Beispiel 1 beschrieben, gesintert und der
theranomagnetisehen Behandlung unterworfen. Das h.lagnetfeld während der Magnetfeldbehandlung
war dabei parallel zur Richtung, die durch die Verbindungslinien der beiden Weicheisenschneiden
im Preßhohl festgelegt worden war. Die fertigen Magnete wurden schließlich parallel
zu dieser Richtung magnetisch gemessen. Neunzehn von ihnen zeigten einen (BI-1)"",-Wert
von mehr als 5,5 - 106 G - 0e. Bei ihnen lag also neben der magnetischen Vorzugsrichtung
eine dieser zumindestens nahehegende kristallographische Vorzugsrichtung vor. Die
Sichtkontrolle nach dem Zerschlagen zeigte bei vierzehn der neunzehn hochwertigen
Magnete Einkristallstruktur, bei den restlichen fünf wurden zwei, drei, fünf und
in zwei Fällen sechs Grobkristalle mit im wesentlichen günstiger Orientierung festgestellt.
Beispiel 3 Legierungspulver der im Beispiel 1 beschriebenen Zusammensetzung wurde
in das Preßhohl einer Hartmetallmatrize von 30 mm lichter Weite eingeführt. Diese
Matrize bestand, wie in F i g. 2 beschrieben, aus einem Ring 11 aus unmagnetischem
Stahl und einer Hartmetallbuchse 12. Durch den Ring 11 und die Hartmetallbuchse
12 waren Löcher 13 und 14 elektroerotiv gebohrt worden, die bis zu 3 mm an die Innenwand
der Hartmetallbuchse heranführte. In diese Löcher wurden Drähte aus Weicheisen eingeführt,
so daß die Drahtspitzen bis zum Boden der Löcher reichen und am anderen Ende gerade
über den Umfang des Preßwerkzeuges um 2 mm herausstanden. Außerhalb der Preßmatrize
wurde ein kleiner Elektromagnet angeordnet, dessen Polschuhe 15 und 16 in der F
i g. 2 angedeutet sind. Die Stromstärke durch die Spule dieses Elektromagneten wurde
so eingeregelt, daß vor den Spitzen der durch die Löcher 13 und 14 eingeführten
Eisendrähte im Innern der Hartmetallbuchse 12 eine Feldstärke von 40 0e herrschte.
Das Pulver wurde mit einem Druck von 2,4 t7`cm= mit unmagnetischen Stempeln verdichtet
und der Preßling nach Abschalten des Stromes durch die Spule des Magnetisierungsjoches
aus der Matrize ausgewoä fen. Auf diese Art und Weise wurden zwanzig Preßlinge hergestellt.
Sie wurden gesintert und wärmebehandelt im Magnetfeld, wie im Beispiel 2 beschrieben.
Die Richtung des Magnetfeldes bei der Wärmebehandlung stimmte dabei mit der Verbindungslinie
der Spitzen der Eisendrähte im Preßwerkzeug überein. Die fertigen Sinterlinge wurder,
magnetisch vergleichsweise gemessen. Zum Vergieic!-, dienten zehn weitere Sinterlinge,
die in genau der gleichen Art und Weise, wie in diesem Beispiel beschrieben, hergestellt
waren, mit den zwei Unterschieden. daß einmal das Magnetfeld während des Einfüllens
des Pulvers in das Preßhohl der Matrize nicht eingeschaltet war und zum anderen
die Sinterdauer nicht 7 sondern nur 2 Stunden betrag. Bei den mit Magnetfeld hergestellten
Proben lag die Feldstärke nach dem Einbau in einen Weicheisenrückschlußring, dessen
innerer Durchmesser 4 mm größer war als der Außendurchmesser der Proben, um 12 bis
18 % höher als bei den Proben, die ohne Magnetfeld gepreßt waren. Dabei erfolgte
die Feldmessung an der Stelle des Umfanges der Magnete, die im Preßhohl den Eisendrähten
gegenübergesessen hatten. Nach dem Zerschlagen ergab die Sichtkontrolle der zwanzig
Magnete, die im Magnetfeld gepreßt worden waren, in elf Fällen Einkristallstruktur,
in sechs Fällen bestanden die Magnete aus zwei bis fünf Grobkristallen angenähert
richtiger Orientierung. Bei drei Magneten war neben zwei und drei Grobkristallen
noch ein Teil feinkristallines Gefüge im Innern vorhanden. Die zehn ohne Magnetfeld
und mit verkürzter Sinterdauer hergestellten Vergleichsmagnete zeigten das für Sintermagnete
übliche polykristalline Feinkorngefüge. Das erfindungsgemäße Vorgehen hat gegenüber
dem Verfahren des Einlegens von Impflingen den Vorteil, daß die Unterbrechung des
Arbeitszyklus bei der Herstellung des Preßlings zur.Einlegung der Impfkristalle
entfällt. Dieses Einlegen mußte bei den früheren Verfahren sorgfältig erfolgen,
denn von der richtigen Orientierung dieser kleinen Impflinge in dem zunächst losen
Legierungspulver hing die richtige Orientierung der Vorzugskristallisation ab. Bei
dem erfindungsgemäßen Vorgehen entfällt dieser Arbeitsgang vollkommen. Das Einschalten
des elektrischen Stromes durch das kleine Magnetisierungsjoch kann durch die Presse
automatisch richtig gesteuert werden.
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Gegenüber den früheren Verfahren, die eine Magnetfeldausrichtung der
Legierungspulver oder der in sie eingebrachten Keimlinge vorsahen, besitzt das erfindungsgemäße
Vorgehen den Vorteil, daß nur sehr kleine Feldstärken benötigt werden und die Ausbeute
an Magneten mit richtiger Kristallorientierung erheblich höher ist, sogar, wie in
den beschriebenen Beispielen, 90 bis 100'°/o erreicht.
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Die durch die Magnetisierung der Impflinge hervorgerufene günstige
Ausbeute an richtig orientierten Ein- oder Grobkristall-Dauermagneten, wie sie beim
Vergleich der Ergebnisse der Beispiele 1 und 2 zum Ausdruck kommt, war überraschend
und im Gegensatz zur Erwartung. Ein Nachmessen der Feldstärke vor der Spitze der
Impflinge ergab nämlich nur Feldstärken zwischen 3 und 25 0e. Bei den bisherigen
Versuchen glaubte man jedoch immer starke Magnetfelder einsetzen zu müssen, um bei
den verhältnismäßig schwachen kubischen Anisotropien der Pulverbestandteile Richteffekte
erzielen zu können.
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Es ist noch nicht klar ersichtlich, wie die beobachtete günstige Wirkung
der Magnetisierun g der Impflinge theoretisch zu deuten ist. Vielleicht tritt in
den schwachen, jedoch stark inhomogenen Feldern vor den Enden der Impflinge eine
leichte Entmischung des Metallpulvergemisches ein. Die Bestandteile dieses Gemisches
sind unterschiedlich stark magnetisierbar, das Kupferpulver ist sogar völlig unmagnetisch.