DE19910182B4 - Verfahren zur Herstellung und Magnetisierung permanentmagnetischer Folien - Google Patents

Abstract

Verfahren zur Herstellung permanentmagnetischer Folien mit einer Dicke von 0,1 mm bis 1 mm, dadurch gekennzeichnet, dass Neodym-Eisen-Bor-Pulver mit organischen Lösungsmitteln, einem Polymerbindemittel, einem Weichmacher sowie einem duroplastischen Härter zu einem Gießschlicker verarbeitet, bei Raumtemperatur zu der Folie vergossen, ausgehärtet und in einem flächenhaften Muster magnetisiert wird, wobei der Gießschlicker bezogen auf 100 Masseteile des Neodym-Eisen-Bor-Pulvers aus weiteren 10 bis 30 Masseteilen Methylethylketon und/oder Ethanol, 1 bis 5 Masseteilen Butylbenzylpthalat als Weichmacher, 1 bis 10 Masseteilen PV-Butyral-PV-Alkohol-PV-Acetat als Bindemittel und 2 bis 20 Masseteilen Epoxidharz als duroplastischer Härter besteht.

Description

• Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung und Magnetisierung permanentmagnetischer Folien. Die Folien sollen insbesondere in Aktuatoren in der Mikrosystemtechnik, zum Aufbau von Linearantrieben oder als magnetische Maßstäbe Verwendung finden.
• Es ist eine Fülle permanentmagnetischer Werkstoffe bekannt, bei denen eine hoher Masseanteil permanentmagnetischen Pulvers in einem Polymer dispergiert ist, welcher dem Werkstoff Form und Halt verleiht.
• Weit verbreitet sind kalandrierte Haftfolien oder extrudierte Profile mit gummiartigem Polymer und Bariumhexaferritpulver als permanentmagnetischem Werkstoff (siehe bspw. JP 60-229.916-A , DE 21 40 320 A1 ). Hier wird die erforderliche Haftkraft durch ein entsprechendes Volumen (Foliendicke) erreicht, was der Miniaturisierung im Wege steht.
• Magnetisierbare Werkstoffe werden beispielsweise zur Herstellung von magnetischen Aufzeichnungsträgern verwendet, wie dies aus der EP 0 374 813 A2 bekannt ist. Dabei wird auf einem nichtmagnetischen Trägermaterial mindestens eine magnetisierbare Schicht dauerhaft aufgebracht. Die magnetisierbare Schicht enthält in einem Polymerbindemittel feinverteilt magnetisches Material, das größtenteils aus Oxiden des Chroms sowie Eisenoxiden besteht. Bei der Herstellung der magnetischen Aufzeichnungsträger sind aufgrund der in oxidierter Form eingesetzten magnetischen Materialien keine Maßnahmen zum Schutz vor ungewollten Oxidationsvorgängen zu ergreifen. Für eine Verwendung nicht-oxidierter magnetischer Materialien, beispielsweise von Neodym-Eisen-Bor-Pulvern, wie diese beispielhaft in der EP 0 261 579 A1 genannt sind, ist das offenbarte Verfahren nicht geeignet.
• In einem bestimmten Muster magnetisierbar sind magnetisierbare Schichten beispielsweise mittels eines Kodierkopfs, wie dieser in der DE 44 42 682 A1 beschrieben ist. Der Kodierkopf weist einen mit einer Spule umwickelten Magnetpol auf, dessen Sättigungsfunktion in Abhängigkeit von der Koerzitivfeldstärke der magnetisierbaren Schicht gewählt ist.
• Es ist weiterhin bekannt, u. a. die für ihre sehr guten permanentmagnetischen Eigenschaften bekannten Neodym-Eisen-Bor-Legierungen in Pulverform dispergiert in einem Thermoplastmaterial zu granulieren und dann bei bis zu 350°C durch Spritzgießen zu formen ( DE 44 20 318 C2 ). Abgesehen davon, daß hier typischerweise recht massive Körper, wie Statoren oder Rotoren für elektrische Maschinen hergestellt werden, was wiederum der Miniaturisierung Grenzen setzt, sind bei den genannten hohen Temperaturen unerwünschte Reaktionen, insbesondere die Oxidation der Magnetlegierung zu befürchten.
• Auch ein Verfahren, bei welchem das, in diesem Falle Neodym-Eisen-Bor-Cobalt-Pulver, mit dem Polymer-Bindemittel kalt verpreßt und dann bei nur etwa 100°C ausgehärtet wird, erfordert ausdrücklich das aufwendige Arbeiten unter Stickstoffatmosphäre ( JP 04-97705 A ). Auch hier entstehen typischerweise recht massive Körper.
• Sehr aufwendig wäre es auch, wenn gesinterte Körper der genannten Zusammensetzung der permanentmagnetischen Phase (beispielsweise nach EP 0 261 579 A1 ) mechanisch bis auf eine Dicke von etwa 1 mm abgearbeitet wird.
• Bei einem Verfahren zur Herstellung von Gießfolien aus einem Zweikomponenten-Siliconkautschuk können Folien im Dickenbereich von 0,05 mm bis 2 mm hergestellt werden, die „on line” bei 150°C bis 230°C vulkanisiert und ggf. bis 220°C zur Entfernung flüchtiger Bestandteile getempert werden ( DE 196 44 112 A1 ). In diesem Zusammenhang ist es auch bekannt, Zusätze zur Verbesserung elektrischer Eigenschaften beizufügen, nicht jedoch permanentmagnetische Pulver. Für die erwähnten Neodym-Eisen-Bor-Pulver bestünde bei den angegebenen Temperaturen wiederum die Gefahr der Oxidation.
• Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein kostengünstiges und die das verarbeitete Neodym-Eisen-Bor-Pulver schonendes Verfahren zur Herstellung permanentmagnetischer Folien mit einer Dicke von etwa 0,1 mm bis etwa 1 mm zu schaffen.
• Diese Aufgabe wird durch die in den Patentansprüchen beschriebene Erfindung gelöst.
• Die auf diese Weise hergestellten und magnetisierten Folien können in Linearmotoren, Relais, Ventilen und auch in rotatorischen Schrittmotoren als Energiewandler eingesetzt werden. Bei der Anwendung für Linearantriebe können relativ großflächige Magnetisierungsmuster erzeugt werden, ohne daß eine Montage einer großen Anzahl einzeln magnetisierter oder zu magnetisierender separater Magnete erfolgen muß.
• Erfolgt die Magnetisierung mittels der Tonkopftechnik, so können Polabstände bis zu 0,1 mm realisiert werden. Auf diese Weise magnetisierte Folien dienen, vorzugsweise auf Stahlbänder laminiert, zur Informationsübertragung sowie als „Magnetmaßstäbe”.
• Die Erfindung wird nachstehend an zwei Ausführungsbeispielen unter Verwendung mehrerer handelsüblicher Neodym-Eisen-Bor-Pulver beschrieben.
• Die beigefügten Zeichnungen stellen dar:
• 1: Schematische Darstellung des Foliengießens
• 2: Mikroaufnahme naß gemahlenen Neodym-Eisen-Bor-Pulvers in etwa 350facher Vergrößerung
• 3: Mikroaufnahme eines Schnittes durch eine erfindungsgemäß hergestellte Neodym-Eisen-Bor-Folie in etwa 1250facher Vergrößerung
• 4: Entmagnetisierungskurven von Folien mit den Pulversorten MQP-B (Beispiel 1) und MQP-Q (Beispiel 2)
• 5: Meßkurve des Induktionsverlaufes einer Folie nach Beispiel 1 über eine Strecke von 50 mm.
• 6: Meßkurve des Induktionsverlaufes einer Folie nach Beispiel 2 über eine Strecke von 50 mm.
• Beispiel 1
• Verwendetes Magnetmaterial:
• MQP-B
• B_R = 800 mT
• _IH_C = 700 kA/m
• BH_max = 96 kJ/m³
• Pulvervorbereitung
• In einer 0,63 l Porzellantrommel werden 660 g MQP-B mit 700 g Stahlkugeln ⌀ 5 mm in 330 g Methylethylketon (MEK)/Ethanol 36 h gemahlen.
  d₅₀ = 14,3 μm
• Herstellung des Gießschlickers
• In einer Porzellantrommel mit Stahlkugeln als Mahlkörper werden bezogen auf 100% (alle Angaben in Masse-%) MQP-B 14% Härter (AV 119), das MQP-B (d₅₀ = 14,3 μm) in 25% MEK/Ethanol 3 Stunden dispergiert. Anschließend werden dem Gemisch 5% Binder (PV-Butyral-PV-Alkohol-PV-Acetat) sowie 2% Weichmacher (Santicizer 160 Butylbenzylphtalat) zugesetzt und nochmals 18 h gemischt.
• Die Mischung wird in einen Gießkasten gegeben und auf die sich bewegende Gießunterlage mit einem Rakelspalt von 0,9 mm gegossen. Anschließend wird die Grünfolie 6 h getrocknet. Die Foliendichte der so gegossenen Folie beträgt 3,76 g/cm³ und die Höhe 370 μm. Aus der Grünfolie werden 50 × 50 mm²-Stücke herausgetrennt und auf Eisensubstraten, die gleichzeitig als magnetischer Rückschluß dienen, bei 140°C über einen Zeitraum von 2 h gehärtet. Die 3 zeigt eine rasterelektronenmikroskopische Aufnahme der gehärteten Folie, welche sich auf einem Eisensubstrat befindet.
• Magnetische Werte und Magnetisierung
• Die magnetische Charakterisierung der Folie erfolgt durch die Messung der Hysteresekurve (4) an einem Vibrationsmagnetometer. Folgende Werte wurden gemessen:
  B_R = 323 mT
  _IH_C = 669 kA/m
  BH_max = 17,97 kJ/m³
• Die Magnetisierung der gehärteten Schicht erfolgt einseitig mehrpolig mit einem Polabstand von 1 mm mittels Impulsmagnetisierung. Hierbei durchströmt ein kurzer Hochstromimpuls (Spannung max. 3 kV, Impulsstrom 18 kA) eine mäanderförmig aufgebaute Spule. Die Messung der Oberflächeninduktion der Schicht erfolgt durch Abrastern der Schichtoberfläche mit einem Hall-Sensor in einem Abstand von 250 μm. Es werden maximale Oberflächeninduktionen von 83 mT gemessen (5)
• Beispiel 2
• Verwendetes Magnetmaterial:
• MQP-Q
• B_R = 900 mT
• _IH_C = 279 kA/m
• BH_max = 91,6 kJ/m³
• Pulvervorbereitung
• Das MQP-Q-Material wurde analog Beispiel 1 gemahlen, jedoch bis zu einer mittleren Korngröße von d₅₀ = 8,4 μm
• Herstellung des Gießschlickers
• In einer Porzellantrommel mit Stahlkugeln als Mahlkörper werden bezogen auf 100% (alle Angaben in Masse-%) MQP-Q 12% Härter (AV 119), das MQP-Q (d₅₀ = 8,4 μm) in 25% MEK/Ethanol 3 Stunden dispergiert. Anschließend werden dem Gemisch 5% Binder (PV-Butyral-PV-Alkohol-PV-Acetat) sowie 2% Weichmacher (Santicizer 160 Butylbenzylphtalat) zugesetzt und nochmals 18 h gemischt.
• Die Mischung wird in einen Gießkasten gegeben und auf die sich bewegende Gießunterlage mit einem Rakelspalt von 0,63 mm gegossen. Anschließend wird die Grünfolie 6 h getrocknet. Die Foliendichte der so gegossenen Folie beträgt 3,83 g/cm³ und die Höhe 228 μm. Aus der Grünfolie werden 50 × 50 mm²-Stücke herausgetrennt und auf Eisensubstraten, die gleichzeitig als magnetischer Rückschluß dienen, bei 140°C über einen Zeitraum von 2 h gehärtet.
• Magnetische Werte und Magnetisierung
• Die magnetische Charakterisierung der Folie erfolgt durch die Messung der Hysteresekurve (4) an einem Vibrationsmagnetometer. Folgende Werte wurden gemessen:
  B_R = 281 mT
  _IH_C = 309 kA/m
  BH_max = 10,59 kJ/m³
• Die Magnetisierung des gehärteten Bandes erfolgte einseitig mehrpolig mit einem Polabstand von 1 mm, wobei die Pole mit einem Magnetisierkopf (2,2 T Sättigungsmagnetisierung, 1 mm Spaltbreite) geschrieben wurden. Die auf diese Weise magnetisierten Bänder sind als magnetische Maßstäbe verwendbar.
• Die Messung der Oberflächeninduktion der Schicht erfolgt durch Abrastern der Schichtoberfläche mit einem Hall-Sensor in einem Abstand von 250 μm. Es werden maximale Oberflächeninduktionen von 30 mT gemessen (6).

Claims (5)

1. Verfahren zur Herstellung permanentmagnetischer Folien mit einer Dicke von 0,1 mm bis 1 mm, dadurch gekennzeichnet, dass Neodym-Eisen-Bor-Pulver mit organischen Lösungsmitteln, einem Polymerbindemittel, einem Weichmacher sowie einem duroplastischen Härter zu einem Gießschlicker verarbeitet, bei Raumtemperatur zu der Folie vergossen, ausgehärtet und in einem flächenhaften Muster magnetisiert wird, wobei der Gießschlicker bezogen auf 100 Masseteile des Neodym-Eisen-Bor-Pulvers aus weiteren 10 bis 30 Masseteilen Methylethylketon und/oder Ethanol, 1 bis 5 Masseteilen Butylbenzylpthalat als Weichmacher, 1 bis 10 Masseteilen PV-Butyral-PV-Alkohol-PV-Acetat als Bindemittel und 2 bis 20 Masseteilen Epoxidharz als duroplastischer Härter besteht.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Gießen der Folie mittels eines Rakelgießkastens (doctor blade-Verfahren) auf ein laufendes Band erfolgt, welches eine spätere Ablösung der Folie gestattet.
3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das eingesetzte Neodym-Eisen-Bor-Pulver nach dem Abschreckverfahren hergestellt und auf mittlere Korngrößen d₅₀ zwischen 5 μm und 20 μm für isotrope Pulver oder zwischen 50 μm und 60 μm für anisotrope Pulver zerkleinert wurde.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Aushärten bei maximal 150°C erfolgt.
5. Verfahren nach einem der bisherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Magnetisierung der permanentmagnetischen Folie im Impulsverfahren mittels einer Polstruktur erfolgt, die von der permanentmagnetischen Folie durch eine elektrisch isolierende Folie getrennt wird, wobei auf der anderen Seite der permanentmagnetischen Folie der Magnetkreis durch eine Weicheisenplatte geschlossen wird.

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