DE19842791C2 - Verwendung eines Abgußverfahrens zur Bereitstellung von Ausgangsmaterial zur Herstellung von hartmagnetischen Werkstoffen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft die Verwendung eines Abgußverfahrens zur Bereitstellung von Ausgangsmaterial zur pulvermetallurgi­ schen Herstellung von hartmagnetischen Magneten, bei dem eine Ausgangsschmelze auf der Basis von wenigstens einer Seltenen Erde, wenigstens einem Übergangsmetall und Bor zu einem Roh­ körper abgegossen wird.

Ein derartiges Verfahren ist aus der EP 0 680 054 A1 bekannt. Bei dem bekannten Abgußverfahren im Rahmen der Herstellung von Nd-Fe-B-Magneten wird zunächst aus den Ausgangsmateriali­ en eine Nd-Fe-B-Schmelze hergestellt, die in eine Buchkokille abgegossen wird. Der daraus entstehende Rohkörper wird zu Pulver zerkleinert, das in Anwesenheit eines äußeren Magnet­ felds zu einem Formkörper verpreßt wird. Anschließend werden die Formkörper getempert und daraufhin einer abschließenden Wärmebehandlung unterzogen.

Ein Nachteil des bekannten Verfahren ist, daß beim Abgießen der Schmelze während des darauffolgenden Abkühlvorgangs im Rohkörper Dendrite aus α-Fe entstehen. Diese weichmagneti­ schen Bestandteile des Rohkörpers gelangen beim Zerkleinern auch in das Pulver, aus dem die Nd-Fe-B-Magnete gepreßt wer­ den. Die Anwesenheit von weichmagnetischen Bestandteilen im fertigen Magneten weicht jedoch dessen hartmagnetischen Ei­ genschaften auf. Insbesondere führt dies zu geringeren Werten für die Remanenz und die Koerzitivfeldstärke. Der Anteil von freiem α-Fe kann zwar dadurch verringert werden, daß der An­ teil an Seltenen Erden in der Schmelze erhöht wird, aber bei einem erhöhten Anteil von Seltenen Erden in der Schmelze nimmt das Energieprodukt BH_max der fertigen Magnete ab.

DE 38 32 003 beschreibt ein Abgußverfahren, bei dem eine Aus­ gangsschmelze in einen Spalt zwischen zwei gegenläufigen ro­ tierenden Walzen gegossen wird. Ziel des Verfahrens ist es, Metall eine bestimmte Form zu verleihen, nämlich die Form ei­ nes Bandes.

Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Verwendung eines Abgußverfahrens zur Bereitstellung von Ausgangsmaterial zur Herstellung von Magneten auf der Basis von wenigstens einer Seltenen Erde, wenigstens einem Übergangsmetall und Bor anzugeben, wobei durch das Abgußverfahren hartmagnetische Magnete mit einem geringen Gehalt an freiem Übergangsmetall und gleichzeitig einem gegenüber herkömmlichen Magneten vergleichsweise gerin­ gen Anteil an Seltenen Erden herstellbar sind.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Verwendung ei­ nes Abgußverfahrens gelöst, bei dem eine Ausgangsschmelze in einen Spalt zwischen zwei gegenläufig rotierende Walzen zu einem Rohkörper gegossen wird, wobei das Abgußverfahren zur Bereitstellung von Ausgangsmaterial zur pulvermetallurgischen Herstellung von hartmagnetischen Magneten verwendet wird, wo­ bei die Ausgangsschmelze aus wenigstens einer Seltenen Erde, wenigstens einem Übergangsmetall und Bor besteht, die Walzen aktiv gekühlt werden und die Abkühlgeschwindigkeit größer als 100 K/s und kleiner als 1000 K/s ist.

Dadurch, daß die Ausgangsschmelze in einen Spalt zwischen zwei gegenläufig rotierende, aktiv gekühlte Walzen unter oben genannter Abkühlgeschwindigkeit gegossen wird, erfolgt der Abkühlvorgang so schnell, daß sich während des Abkühlvorgangs kaum Primärkristalle aus freiem Übergangsmetall bilden. Durch die zweiseitige Kühlung wird außerdem vermieden, daß im Fall von Gaseinschlüssen oder Inhomogenitäten auf der Oberfläche einer Walze die Wärmeabfuhr empfindlich gestört wird, denn in diesem Fall ist immer noch die rasche Abkühlung durch die zweite Walze sichergestellt. Da durch die rasche und sichere Abkühlung der Schmelze durch das erfindungsgemäße Doppelwalz­ verfahren die Bildung von Primärkristallen aus Übergangsme­ tallen und damit die Bildung von nur aus Übergangsmetallen bestehende Gefügebestandteilen vermieden wird, kann der An­ teil an Seltenen Erden in der Schmelze verringert und damit das Energieprodukt BH_max der fertigen Magnete erhöht werden. Außerdem ergibt sich durch die sichere Abführung der Wärme eine homogene Verteilung der Seltene-Erden-reichen Bestand­ teile des Gefüges über den Querschnitt des Rohkörpers hinweg, was eine präzise Prozeßführung in Hinblick auf eine maximale Ausbeute an hartmagnetischen Monokristallen erlaubt. Anderer­ seits erfolgt aber die Abkühlung auch nicht derart rasch, daß die Ausbildung von hartmagnetischen Mikrokristallen unter­ bleibt.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand der Zeichnung im ein­ zelnen beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 eine Darstellung des Doppelwalzverfahrens;

Fig. 2 ein Diagramm, das die Abhängigkeit von BH_max in Abhän­ gigkeit vom Selten-Erden-Gehalt in Nd-Fe-B-Magneten zeigt; und

Fig. 3 ein weiteres Diagramm, das den Zusammenhang zwischen dem Anteil an freiem Eisen und dem Gehalt an Seltenen Erden für verschiedene Herstellungsverfahren darstellt.

Im folgenden wird beispielhaft die Anwendung des Doppelwalz­ verfahrens im Rahmen der Herstellung von Nd-Fe-B-Magneten er­ läutert:

Die Herstellung eines Nd-Fe-B-Magneten umfaßt im allgemeinen die folgenden Verfahrensschritte: Zunächst wird gemäß Fig. 1 eine Nd-Fe-B-Schmelze 1 in einen Spalt 2 zwischen zwei gegen­ läufig rotierende Walzen 3 in einen Rohkörper 4 abgegossen; anschließend wird der Rohkörper 4 zu Rohpulver zerkleinert, aus dem daraufhin in Anwesenheit eines äußeren Magnetfeldes ein Formkörper gepreßt wird. Der Formkörper wird daraufhin gesintert und schließlich einer abschließenden Wärmebehand­ lung unterzogen.

Wie aus Fig. 2 erkennbar ist, nimmt das Energieprodukt BH_max der fertigen Magnete mit abnehmendem Gehalt an Seltenen Erden in einer Schmelze zu. So ist es insbesondere möglich, durch eine Verringerung des Gehalts an Seltenen Erden von 30 auf 27 Gew.-% den Betrag des Energieprodukts BH_max um 10% zu erhöhen. Dies gilt jedoch nur unter der Voraussetzung, daß sich im Ab­ guß kein oder nur wenig freies Eisen bildet.

Fig. 3 zeigt jedoch deutlich, daß unabhängig vom gewählten Verfahren der Gehalt an freiem Eisen unterhalb einer unteren Grenze für die Konzentration an Seltenen Erden nicht mehr zu vernachlässigen ist und bei einem weiteren Absenken des Ge­ halts an Seltenen Erden stark ansteigt. So ist beispielsweise bei einem konventionellen Abguß in eine Kokille, wie sich an­ hand Linie 5 ablesen läßt, der Anteil an freiem Eisen ober­ halb eines Seltene-Erden-Gehalts von 34 Gew.-% zu vernachläs­ sigen. Unterhalb eines Seltene-Erden-Gehalts von 34 Gew.-% steigt jedoch der Gehalt an freiem Eisen stark an, um bei ei­ nem Seltene-Erden-Gehalt von 27 Gew.-% einen Anteil von etwa 20 Gew.-% zu erreichen.

Durch den hohen Anteil an freiem Eisen werden jedoch die hartmagnetischen Eigenschaften, wie beispielsweise Remanenz, Koezitivfeldstärke und das Energieprodukt BH_max verschlech­ tert.

Dies beruht zum einen darauf, daß das freie Eisen, das in den fertigen Magneten gelangt, einen weichmagnetischen Bestand­ teil bildet, der als solcher die magnetischen Eigenschaften des gesamten Magnets beeinflußt und infolgedessen die hart­ magnetischen Eigenschaften des Magnets aufweicht.

Zum anderen beruht die Verschlechterung der hartmagnetischen Eigenschaften des fertigen Magneten durch den Anteil an frei­ em Eisen im Gefüge auf Diffusionsvorgängen während des Sin­ terns. Denn auch noch während des Sintervorgangs wird ein Teil des freien α-Fe in Nd₂Fe₁₄B-Mikrokristalle umgesetzt, wo­ bei unter Mikrokristalle monokristalline Körner in der Grö­ ßenordnung von einem bis einigen hundert Mikrometern verstan­ den werden sollen. Da jedoch beim Sintern kein äußeres Ma­ gnetfeld vorhanden ist, richtet sich die C-Achse der neuge­ bildeten Nd₂Fe₁₄B-Mikrokristalle nicht entlang der Vorzugs­ richtung aus. Infolgedessen enthält der fertige Magnet nach dem Sintern Nd₂Fe₁₄B-Mikrokristalle, deren Magnetisierung nicht in die Richtung der Hauptmagnetisierung zeigt. Durch die unterschiedliche Orientierung der hartmagnetischen Nd₂Fe₁₄B-Mikrokristalle verschlechtert sich insbesondere die Remanenz des fertigen Magneten.

Auch die Koerzitivfeldstärke des fertigen Magneten wird durch den Gehalt an freiem Eisen beeinflußt. Beim Anlegen eines der Richtung der Magnetisierung entgegengesetzten äußeren Magnet­ felds beginnt die Umpolung der Magnetisierung in den weichma­ gnetischen Bestandteilen des Gefüges, insbesondere im freien α-Fe. Durch die beginnende Ummagnetisierung der weichmagneti­ schen Bestandteile des Gefüges wird auch die Ummagnetisierung der hartmagnetischen Nd₂Fe₁₄B-Mikrokristalle erleichtert, so daß sich insgesamt im Vergleich zu einem ausschließlich aus hartmagnetischen Nd₂Fe₁₄B-Mikrokristallen bestehender Magnet die Koerzitivfeldstärke zu kleineren Werten hin verschiebt.

Die magnetischen Eigenschaften der fertigen Magnete werden also durch einen geringen Gehalt an freiem Eisen deutlich verbessert. Durch die Verwendung des nachfolgend näher be­ schriebenen Doppelwalzverfahrens beim Abgießen läßt sich der Gehalt an freiem Eisen erheblich senken. In Fig. 3 deutet die Strichpunktlinie den Zusammenhang zwischen Seltene-Erde- Gehalt und Anteil an freiem Eisen für das Doppelwalzverfahren an. Wie Fig. 3 zu entnehmen ist, ist der Anteil an freiem Eisen erst unterhalb eines Seltene-Erde-Gehalts von 28 Gew.-% nicht mehr zu vernachlässigen.

Bei diesem Verfahren wird die Schmelze 1 in einen Spalt 2 zwischen zwei gegenläufig rotierende und gekühlte Walzen 3 gegossen. Die beiden Walzen 3 sind dabei so angeordnet, daß die Breite des Spaltes 2 im Bereich von 0,1 bis 0,5 mm, vor­ zugsweise im Bereich von 0,2 bis 0,3 mm liegt. Die Drehge­ schwindigkeit und der Umfang der Walzen 3 werden dabei so ge­ wählt, daß sich für die durchlaufende Schmelze 1 eine Abkühl­ geschwindigkeit von einigen 100 K/s ergibt. Durch diese hohe Abkühlgeschwindigkeit wird die Ausbildung von α-Fe- Primärkristallen wirksam unterbunden. Andererseits erfolgt aber die Abkühlung auch nicht derart rasch, daß die Ausbil­ dung von hartmagnetischen Nd₂Fe₁₄B-Mikrokristallen unter­ bleibt. So bilden sich auch bei diesen Abkühlgeschwindigkei­ ten noch hartmagnetische Nd₂Fe₁₄B-Mikrokristalle mit Korngrö­ ßen im Bereich von 10 bis 100 µm. Dementsprechend ist es mög­ lich, beim Zerkleinern des Rohkörpers 4 in ein Pulver mit Korngrößen im Bereich von 3 bis 5 µm die zum Erzielen guter hartmagnetischer Eigenschaften des fertigen Magneten notwen­ dige Menge an Monokristallen aus Nd₂Fe₁₄B zu erhalten.

Ein weiterer Vorteil des Doppelwalzverfahrens ist, daß die Abkühlung gleichmäßig und unterbrechungsfrei erfolgt. Durch die beidseitige Kühlung der Schmelze 1 ist sichergestellt, daß Gaseinschlüsse oder Inhomogenitäten im Bereich der Ober­ fläche einer Walze 3 die Wärmeabfuhr nicht beeinträchtigen, denn in diesem Fall sorgt immer noch die andere Walze 3 für eine rasche und ausreichende Ableitung der Wärme. Dies ist aber eine wesentliche Voraussetzung, um die Bildung von frei­ em Eisen zu unterbinden.

Weiterhin hat die sichere Ableitung der Wärme den weiteren Vorteil, daß sich eine homogene Verteilung der verschiedenen Nd-Fe-Mischkristalle ergibt. Während sich die Verhältnisse der Anteile der verschiedenen Nd-Fe-Mischkristalle beim Ab­ gießen einer Schmelze in eine Kokille aufgrund des Tempera­ turprofils beim Abkühlen ausgehend vom Inneren eines Rohkör­ pers zum Oberflächenbereich des Rohkörpers hin ändern, ergibt sich beim Doppelwalzverfahren aufgrund der sicheren Abführung der Wärme eine homogene Verteilung der einzelnen Arten von Nd-Fe-Mischkristallen über den Querschnitt des durch das Dop­ pelwalzverfahren erzeugten Rohkörpers 4.

Somit ist es durch das beschriebene Doppelwalzverfahren nicht nur möglich, den Seltene-Erden-Gehalt zu senken, ohne den An­ teil an freiem Eisen zu erhöhen, sondern es ist auch möglich, insgesamt die Homogenität des so erzeugen Rohkörpers zu ver­ bessern. Damit ist auch eine präzise Prozeßführung möglich. Insbesondere lassen sich die Betriebsparameter des Doppel­ walzverfahrens auf einen optimalen Wert einstellen, um so ei­ nen möglichst hohen Gehalt an Nd₂Fe₁₄B-Mikrokristallen zu er­ zielen.

Claims (4)

1. Verwendung eines Abgußverfahrens, bei dem eine Ausgangs­ schmelze (1) in einen Spalt (2) zwischen zwei gegenläufig ro­ tierende Walzen (3) zu einem Rohkörper (4) gegossen wird, dadurch gekennzeichnet, daß das Abgußverfahren zur Bereitstellung von Ausgangsmateri­ al zur pulvermetallurgischen Herstellung von hartmagnetischen Magneten verwendet wird, wobei die Ausgangsschmelze (1) aus wenigstens einer Seltenen Erde, wenigstens einem Übergangsme­ tall und Bor besteht, die Walzen (3) aktiv gekühlt werden und die Abkühlgeschwindigkeit größer als 100 K/s und kleiner als 1000 K/s ist.

2. Verwendung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Ab­ stand zwischen den Walzen (3) im Bereich von 0,1 bis 0,5 mm liegt.

3. Verwendung nach einem der Ansprüche 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Aus­ gangsschmelze (1) eine Nd-Fe-B-Schmelze ist.

4. Verwendung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Ge­ wichtsanteil an Nd in der Ausgangsschmelze ≦ 28% beträgt.