DE1944432A1 - Permanent magnet - Google Patents
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Description
Th. Goldschiidt A.-G., EssenTh. Goldschiidt A.-G., Essen
PermanentmagnetPermanent magnet
Die Erfindung betrifft einen Permanentmagneten aus magnetisch anisotropen gerichteten und miteinander verbundenen Teilchen.The invention relates to a permanent magnet made of magnetic anisotropically oriented and interconnected particles.
Es ist bekannt, magnetisch anisotrope Teilchen in einem Magnetfeld oder, unter Ausnutzung der geometrischen Form der Teilchen, durch geeignetes Walzen, Strangpressen etc., auszurichten und zu einem Permanentmagneten zu verformen. Diese Verformung kann dadurch geschehen, daß man die magnetisch anisotropen Teilchen unter Anwendung eines hohen Drucks und gegebenenfalls erhöhter Temperatur verpreßt oder sintert oder unter Verwendung eines anorganischen oder organischen Bindemittels miteinander verbindet. Als anorganische Bindemittel können Legierungen verwendet werden, welche gute Duktilität oder niedrigen Schmelzpunkt haben und Permanentmagnete ausreichender mechanischer FestigkeitIt is known to magnetically anisotropic particles in a magnetic field or, taking advantage of the geometric shape align the particles by suitable rolling, extrusion, etc. and deform them into a permanent magnet. This deformation can be done in that the magnetically anisotropic particles using a high Pressurized and optionally elevated temperature pressed or sintered or using an inorganic or organic binder connects with each other. Alloys can be used as inorganic binders, which have good ductility or low melting point and permanent magnets of sufficient mechanical strength
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ergeben. Als organische Bindemittel eignen sich aushärtbare Kunstharze, wie z.B. die Epoxyharze.result. Curable synthetic resins such as epoxy resins are suitable as organic binders.
Von besonderer Bedeutung für die Verwendbarkeit eines Permanentmagneten ist sein Energieprodukt, welches möglichst hoch sein soll. Ein solches möglichst hohes Energieprodukt wird dadurch erzielt, daß man einen geeigneten magnetischOf particular importance for the usability of a permanent magnet is its energy product, which if possible should be high. Such an energy product as high as possible is achieved by using a suitable magnetic
anisotropen Werkstoff verwendet und dafür Sorge trägt, daß dieser im Regelfall in Pulverform vorliegende Werkstoff in möglichst hoher Konzentration, also möglichst hoher Packungsdichte, vorliegt. Durch Sintern vorher verpreßter Pulver von spröden, magnetischen Substanzen - wie die Ferrite oder Seltenerd-Kobalt-Legierungen - erzielt man zwar Packungsdichten über 90 %, aber die so hergestellten Magnete sind sehr spröde und haben geringe mechanische Festigkeit. Diese Eigenschaften sind bei der Anwendung oft nachteilig.Anisotropic material is used and ensures that this material, which is usually present in powder form, is in The highest possible concentration, i.e. the highest possible packing density, is present. Powder previously compressed by sintering brittle, magnetic substances - such as ferrites or rare earth-cobalt alloys - you achieve packing densities of over 90%, but the magnets produced in this way are very brittle and have poor mechanical strength. These properties are often disadvantageous in use.
Die vorliegende Erfindung hat sich die Aufgabe gestellt, Permanentmagnete zu schaffen, welche eine' möglichst höhe Packungsdichte und damit ein möglichst hohes Energieprodukt aufweisen. Der Erfindung liegt dabei der Gedanke zugrunde, magnetisch anisotrope Teilchen verschiedener magnetischer Substanzen und bestimmter verschiedener Korndurchraesser in bestimmten Verhältnissen zu verwenden. Die nach dem vorge-The present invention has set itself the task of creating permanent magnets which have a 'as high as possible Have packing density and thus as high an energy product as possible. The invention is based on the idea magnetically anisotropic particles of different magnetic substances and certain different grain diameters in to use in certain circumstances. The after the previous
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schlagenen Verfahren dicht gepackten Körper können zwar unter Umständen auch durch nachfolgendes Sintern verbunden und dadurch eventuell noch weiter verdichtet werden/ wobei die resultierenden Magnete die oben erwähnten schlechten mechanischen Eigenschaften haben. Das Verfahren gestattet aber auch die Herstellung von Magneten unter Umgehung desIn some cases, tightly packed bodies can also be connected by subsequent sintering and thereby possibly even more compacted / with the resulting magnets the bad ones mentioned above have mechanical properties. However, the method also allows the manufacture of magnets bypassing the
Sinterns, die fast ebenso hohe Dichten wie die Sintermagnete aufweisen und damit auch gute Werte der Remanenz und des Energieproduktes,Sintering, the densities almost as high as the sintered magnets have good values for remanence and energy product,
Die Erfindung bezieht sich dabei vor allem auf die neuen Dauermagnetwerkstoffe aus stark kristallanisotropen Legierungen von Seltenen Erdmetallen mit Kobalt, die durch feine Verteilung öder durch Ausscheidungshärtung mittels Legierungszusätzen hohe Koerzitivkraft erhalten. Das Verfahren ist aber auch auf andere anisotrope Magnetwerkstoffe und auf Gemenge von mehreren solcher anwendbar.The invention relates primarily to the new ones Permanent magnet materials made of strongly crystalline anisotropic alloys of rare earth metals with cobalt, which by fine Distribution or precipitation hardening using alloy additives obtain high coercive force. The process is also applicable to other anisotropic magnetic materials and applicable to a mixture of several such.
Der erfindungsgeraäße, aus magnetisch anisotropen, vorzugsweise gerichteten und miteinander verbundenen Teilchen bestehende Permanentmagnet ist deshalb dadurch gekennzeichnet, daß die magnetisch anisotropen Teilchen unterschiedliche Korngröße aufweisen undThe inventive device, made of magnetically anisotropic, preferably directed and interconnected particles existing permanent magnet is therefore characterized by that the magnetically anisotropic particles have different grain sizes and
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a) aus einer Fraktion mit einer mittleren Korngröße innerhalb des Bereichs von etwa 50 bis 250 μ,a) from a fraction with an average grain size within the range of about 50 to 250 μ,
b) aus einer Fraktion mit einer mittleren Korngröße innerhalb des Bereichs von etwa 5 bis 50 μ undb) from a fraction with an average grain size within the range of about 5 to 50 μ and
c) aus einer Fraktion mit einer mittleren Korngröße von < 15 μ,c) from a fraction with an average grain size of <15 μ,
wobei das Gewichtsverhältnxs der Fraktionen a : b : c etwa 7:3:1 beträgt,the weight ratio of the fractions a: b: c being about 7: 3: 1,
bestehen.exist.
Die Forderung, daß z.B. die Fraktion a) eine mittlere Korngröße innerhalb des Bereichs von etwa 50 bis 250 μ aufweisen soll, ist so zu verstehen, daß nicht eine Fraktion verwendet werden soll, deren Korngrößenverteilung von 50 bis 250 μ reicht, sondern eine Fraktion, welche überwiegend korngrößeneinheitlich ist und deren mittlere Korngröße innerhalb des angegebenen Bereichs liegt. Die Größe der Teilchen der Fraktion b), die wieder in etwa korngrößeneinheitlich sein soll, ist so bestimmt, daß sie die Lücken zwischen den Teilchen der gröbsten Fraktion a) in optimalerThe requirement that, for example, fraction a) have an average grain size within the range from about 50 to 250 microns is to be understood in such a way that a fraction should not be used whose particle size distribution is from 50 to 250 μ is sufficient, but a fraction that is predominantly uniform in grain size and its mean grain size is within the specified range. The size of the particles of fraction b), which again is approximately uniform in particle size should be, is determined so that it the gaps between the particles of the coarsest fraction a) in optimal
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Weise füllen kann. Das ist dann der Fall, wenn die mittleren Teilchengrößen der beiden Anteile in einem Verhältnis stehen, das etwa zwischen 1 : 7 und 1 : 4 liegt. Dieselben Überlegungen gelten für das Verhältnis von Fraktion c) zu Fraktion b) .Way can fill. That is the case when the middle Particle sizes of the two parts are in a ratio that is approximately between 1: 7 and 1: 4. Same considerations apply to the ratio of fraction c) to fraction b).
Da Koerzitivfeldstärke und Teilchengröße magnetisch anisotroper Werkstoffe in bestimmten Relationen zueinander stehen, ergeben sich an Hand dieser geforderten Korngrößenverteilung bestimmte und im folgenden näher erläuterte Auswahlbedingungen.Since the coercive field strength and particle size of magnetically anisotropic materials are related to each other, on the basis of this required grain size distribution result certain and explained in more detail below Selection conditions.
Als magnetisch anisotrope Teilchen einer mittleren Korngröße innerhalb des Bereichs von 50 bis 250 y werden vorzugsweise Seltene Erd-Kobalt-Legierungen verwendet, welche ausscheidungsgehärtet sind. Derartige Legierungen enthalten etwa 10 bis 25 Atomprozent eines oder eines Gemisches von mehreren der Elemente Y, Sc, La, Ce, Pr, Nd, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb, Lu neben 75 bis 90 Atomprozent Kobalt und ein ausscheidungshärtungsverursachendes Drittelement, allenfalls auch eine Kombination solcher "Drittelemente". Als ausscheidungshärtungsverursachendes Drittelement ist insbesondere Kupfer bekanntgeworden. Es kann ferner auch ein Teil des Kobalts durch eines oder beide der Elemente EisenAs the magnetically anisotropic particles having an average grain size within the range of 50 to 250 y are preferred Rare earth-cobalt alloys are used, which are precipitation hardened are. Such alloys contain about 10 to 25 atomic percent of one or a mixture of several of the elements Y, Sc, La, Ce, Pr, Nd, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb, Lu in addition to 75 to 90 atomic percent cobalt and a third element causing precipitation hardening, possibly also a combination of such "third elements". as Precipitation hardening-causing third element has become known in particular copper. It can also be a Part of cobalt by one or both of the elements iron
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bzw. Mangan ersetzt werden, um die magnetische Sättigung zu erhöhen. Zur Herstellung derartiger magnetisch anisotroper Werkstoffe werden die Seltenen Erden, Kobalt und Kupfer zusammengeschmolzen, abgekühlt und getempert. Bei dieser Temperung bildet sich im Innern der Körner eine zweite, wahrscheinlich nicht magnetische Phase in feinster Verteilung, durch die die Verschiebung der magnetischen Bereichswände (Blochwände) behindert und damit die Koerzitivkraft gesteigert wird. Bei der Vermahlung einer solchen Legierung findet wahrscheinlich, im wesentlichen eine Zerteilung längs der Korngrenzen der magnetischen Matrix statt. Dabei weisen Teilchen mit einer Korngröße innerhalb des Bereichs von etwa 50 bis 250 μ bereits eine Koerzitivfeldstärke von mehr als 3000 Oersted auf, welche sie zur Verwendung, bei der Herstellung von Permanentmagneten brauchbar macht.or manganese can be replaced to reduce magnetic saturation to increase. To produce such magnetically anisotropic materials, the rare earths, cobalt and Copper melted down, cooled and tempered. During this tempering process, one forms inside the grains second, probably non-magnetic phase in the finest Distribution that hinders the displacement of the magnetic area walls (Bloch walls) and thus the coercive force is increased. When such an alloy is ground, it is likely that there will be substantial fragmentation along the grain boundaries of the magnetic matrix. This has particles with a grain size within the range from about 50 to 250 μ already have a coercive field strength of more than 3000 Oersteds, which makes them suitable for use, makes useful in the manufacture of permanent magnets.
Die Ausscheidungshärtung ist aber nicht an die Gegenwart von Kupfer als das die Ausscheidung verursachende Element gebunden. Es können auch andere ausscheidungshärtende Seltene Erd-Kobalt-Drittelement-Legierungen verwendet werden. Wesentlich ist die Tatsache der magnetischen Härtung durch eine im Korn ausgeschiedene Phase (oder Phasen) bzw.However, precipitation hardening is not due to the presence of copper as the element causing precipitation bound. Other precipitation hardening rare earth cobalt third element alloys can also be used. What is essential is the fact of magnetic hardening through a phase (or phases) or phases precipitated in the grain.
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durch eine Aufteilung der magnetischen Seltene Erden-Kobalt-Legierung in gegenüber der Teilchengröße kleinere Bereiche mittels einer feinstverteilten Zweitphase.by splitting the rare earth cobalt magnetic alloy in areas smaller than the particle size by means of an extremely finely divided second phase.
Als magnetisch anisotrope Teilchen mit einer mittleren Korngröße innerhalb des Bereichs von etwa 5 bis 50 μ können ebenfalls die im vorstehenden beschriebenen ausscheidungsgehärteten Seltenen Erden-Kobalt-Legierungen oder eine SE-Co^-Legierung (SE = Seltene Erden) verwendet werden. Beispielsweise weist SmCo^ eine geeignete hohe Koerzitivfeidstärke auf. Wird das höchstmögliche Energieprodukt angestrebt, kann man statt SmCo,- z.B. PrCOc oder YCo ^- verwenden. Diese Legierungen haben bei einer Teilchengröße von 5 bis 5O μ zwar niedrigere Koerzitivkraft als SmCo^/ aber eine wesentlich höhere Sättigung. Die Verwendung der ausscheidungsgehärteten Seltenen Erden-Kobalt-Legierungen bietet sich hauptsächlich dann an, wenn wirtschaftliche Überlegungen im Vordergrund stehen und die Erzielung eines höchstmöglichen Energieproduktes nicht unbedingt erforderlich ist. In diesem Falle ist die Verwendung einer preiswerten, ausscheidungsgehärteten Cermischmetall-Kobalt-Drittelement-Legierung besonders vorteilhaft.As magnetically anisotropic particles with an average grain size within the range of about 5 to 50 μ can also the precipitation hardened ones described above Rare earth-cobalt alloys or an RE-Co ^ alloy (RE = rare earths) can be used. For example, SmCo ^ has a suitably high coercive force on. If the highest possible energy product is sought, one can use instead of SmCo, - e.g. PrCOc or YCo ^ -. With a particle size of 5 to 50 μ, these alloys have a lower coercive force than SmCo ^ / but a much higher saturation. The use of the precipitation hardened rare earth cobalt alloys is mainly useful when economic considerations are in the foreground and the achievement of a highest possible energy product is not absolutely necessary. In this case, the use of an inexpensive, Precipitation hardened mixed metal-cobalt third-element alloy particularly advantageous.
Wenngleich die mittlere Korngröße dieser Fraktion zwischen 5 bis 50 μ liegen soll, sollte sie innerhalb dieses Be-Although the mean grain size of this fraction should be between 5 and 50 μ, it should be within this range.
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reichs so gewählt sein, daß sie etwa 1/7 bis 1/4 der mittleren Korngröße der ersten Fraktion beträgt.rich be chosen so that it is about 1/7 to 1/4 of the mean grain size of the first fraction.
Die dritte Fraktion mit besonders feinem Korn von < 15 μ soll zweckmäßig wiederum 1/7 bis 1/4 der Korngröße der mittleren Fraktion betragen. Für diese Fraktion bieten sich ganz allgemein die bekannten Legierungen der Seltenen Erden mit Kobalt an, welche 10 bis 25 Atomprozent Seltene Erden enthalten. Diese Seltenen Erden-Kobalt-Legierungen können gegebenenfalls ausscheidungsgehärtet sein. Es kann aber auch ein anderes, konventionelles Dauermagnetmaterial ausreichender Koerzitivfeldstärke in diesem Teilchengrößenbereich verwendet werden. Beispiele für ein solches Material sind die Barium-.und Strontiumferrite. Vorzugsweise wird man jedoch eine Legierung sehr hoher Sättigung verwenden, wie z.B.The third fraction with a particularly fine grain of <15 μ should expediently turn 1/7 to 1/4 of the grain size of the middle fraction. The known rare earth alloys are generally suitable for this fraction with cobalt, which contain 10 to 25 atomic percent rare earths. These rare earth cobalt alloys can optionally be precipitation hardened. However, another, conventional permanent magnet material can also be more sufficient Coercive field strength in this particle size range can be used. Examples of such a material are Barium and strontium ferrites. Preferably one will, however use an alloy of very high saturation, e.g.
Die Herstellung der erfindungsgemäßen Permanentmagnete kann in der Weise geschehen, daß man die magnetisch anisotropen Teilchen mit den geforderten Teilchendurchmessern in den angegebenen GewichtsVerhältnissen mischt. Da die Packungsdichte jedoch auch von der räumlichen Gestalt der Teilchen abhängt und da ferner bei Verwendung chemisch unähnlicher Substanzen für die verschiedenen Fraktionen deren Dichten wesentlich verschieden sein können, kann das Gewichtsverhältnis derThe permanent magnets according to the invention can be produced in such a way that the magnetically anisotropic Mixes particles with the required particle diameters in the specified weight ratios. Because the packing density however, it also depends on the spatial shape of the particles and there also on the use of chemically dissimilar substances for the various fractions whose densities can be significantly different, the weight ratio of
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einzelnen Fraktionen von dem angegebenen Bereich von 7:3:1 gelegentlich abweichen. Zweckmäßig wird das eine optimale Packungsdichte ergebende Gewichtsverhältnis der einzelnen Fraktionen durch Vorversuche ermittelt. Mathematische Untersuchungen über die Erzielung hoher Packungsdichte in Abhängigkeit von Korngröße und Korngehalt finden sich z.B. in dem Buch "Perspectives in Powder Metallurgy. Fundamentals, Methods and Applications", Band 2, Plenum Press j insbesondere in den Kapiteln "Mechanical Packing of Spherical Particles" von R. K. McGeary und "The Vibratory Packing of Powders" von P. E. Evans und R. S. Millman.individual fractions occasionally deviate from the specified range of 7: 3: 1. One thing becomes useful optimal packing density resulting weight ratio of the individual fractions determined by preliminary tests. Mathematical Find studies on the achievement of high packing density depending on grain size and grain content e.g. in the book "Perspectives in Powder Metallurgy. Fundamentals, Methods and Applications", Volume 2, Plenum Press j in particular in the chapters "Mechanical Packing of Spherical Particles" by R. K. McGeary and "The Vibratory Packing of Powders "by P. E. Evans and R. S. Millman.
Nach erfolgter Mischung wird das Gemenge zweckmäßig durch Rütteln zusätzlich weiter verdichtet. Die Ausrichtung der magnetisch anisotropen Teilchen kann dabei vor und/oder während und/oder nach der Verdichtung durch das Rütteln erfolgen. Die abschließende Formgebung erfolgt in an sich bekannter Weise durch Anwendung von Druck, gegebenenfalls bei erhöhter Temperatur, durch Sintern oder unter Verwendung von Bindemitteln. Solche Bindemittel können entweder flüssig oder in Form eines Feinstpulvers, dessen mittlere Teilchengröße dann günstigerweise wieder 1/7 bis 1/4 der dritten, feinsten magnetischen Fraktion beträgt, eingebracht werden.After mixing, the mixture is expediently further compacted by shaking. The orientation of the Magnetically anisotropic particles can take place before and / or during and / or after the compaction by the shaking. The final shaping takes place in a manner known per se by applying pressure, if necessary at elevated temperature, by sintering or using binders. Such binders can either liquid or in the form of a very fine powder, the mean particle size of which is then advantageously 1/7 to 1/4 of the third, finest magnetic fraction is introduced.
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In einer Abänderung des Gegenstandes vorliegender Erfindung kann anstelle der feinsten dritten Fraktion das anorganische oder organische Bindemittel verwendet werden. Dieses Bindemittel, z.B. duktile und/oder niedrigschmelzende Metalle oder Legierungen oder aushärtende Kunstharze, füllt dann den Zwischenraum zwischen den Körnern der beiden anderen Fraktionen aus.In a modification of the subject matter of the present invention, instead of the finest third fraction, the inorganic or organic binders can be used. This binder, e.g. ductile and / or low-melting metals or alloys or thermosetting resins, then fills the gap between the grains of the other two Factions out.
Die zur Herstellung des Permanentmagneten verwendeten magnetisch anisotropen Teilchen auf Basis Seltene Erden-Kobalt-Legierungen können durch spezielle Oberflächenbehandlung, z.B. durch Einbringung in ein Nickelbad, durch eine . Säurebehandlung und/oder durch Abscheidung von Zinn auf der Oberfläche der Teilchen und anschließende Eindiffusion, vergütet werden. Hierdurch wird in bekannter Weise eine Erhöhung der Koerzitivfeldstärke sowie ein Schutz gegen die Alterung erzielt.The ones used to make the permanent magnet Magnetically anisotropic particles based on rare earth cobalt alloys can be e.g. by placing it in a nickel bath, by a. Acid treatment and / or by depositing tin on the Surface of the particles and subsequent diffusion, are remunerated. This results in an increase in a known manner the coercive field strength and a protection against aging achieved.
Obgleich das Hauptziel der Erfindung die Herstellung von Magneten mit absolut hohem Energieprodukt ist, wofür man außer der hohen Dichte auch einen hohen Ausrichtungsgrad der anisotropen Teilchen erzielen muß, so sind doch die erfindungsgemäßen Verfahrenssehritte auch zur OptimierungAlthough the main object of the invention is to produce magnets with absolute high energy product, what is it for In addition to the high density, a high degree of alignment of the anisotropic particles must also be achieved, so are those according to the invention Procedure steps also for optimization
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von isotropen Permanentmagneten nützlich. Wenn niedrige Herstellungskosten im Vordergrund stehen, so kann man - ähnlich wie bei den billigen Ferritmagneten - auf die magnetische oder anderweitige Ausrichtung verzichten.of isotropic permanent magnets useful. If the focus is on low manufacturing costs, then you can - similar to the cheap ferrite magnets - do without the magnetic or other alignment.
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