DE19925322A1 - Extrusionsgeformter magnetischer Körper aus magnetischen Samarium-Eisen-Stickstoff-Partikeln - Google Patents

Extrusionsgeformter magnetischer Körper aus magnetischen Samarium-Eisen-Stickstoff-Partikeln

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Abstract

Es handelt sich um einen extrusionsgeformten Magneten aus einem Samarium-Eisen-Stickstoff-Material, welches neu ist und hervorragende magnetische Eigenschaften aufweist, d. h. aus magnetischen Samarium-Eisen-Stickstoff-Partikeln mit hervorragenden magnetischen Eigenschaften. Ein dauermagnetisches Material aus magnetisierten anisotropen Samarium-Eisen-Stickstoff-Partikeln, welches einen erhöhten Abstand der Eisenatome und eine erhöhte magnetische Sättigung aufweist, wird dadurch hergestellt, daß Stickstoff in das Eisenkristallgitter einer Samarium-Eisen-Legierung eingefügt wird, indem die Legierung in ein Stickstoffgas bei Temperaturen um 500 DEG C eingebracht wird. Das hergestellte dauermagnetische Material wird zu einem thermoplastischen Polyolefin-Kunstharz hinzugefügt und die Mischung wird thermisch verbunden und geknetet. Die dadurch erhaltene Paste wird in einen Extruder gefüllt und durch eine Magnetfeldvorrichtung extrudiert, welche an einem Ende des Extruders angeordnet ist und eine interne Matrize aufweist. So erhält man einen geformten Magneten, welcher eine Partikelanordnung mit einer festen Orientierung aufweist und flexibel ist. Der geformet Magnet wird mit einer Magnetisierungsvorrichtung entsprechend der Partikelanordnung in geeigneter Weise magnetisiert.

Description

Die Erfindung betrifft Magnetkörper aus neuen dauermagne­ tischen Samarium-Eisen-Stickstoff-Materialien mit hervor­ ragenden magnetischen Eigenschaften, wie remanente magne­ tische Flußdichte (Br) Koerzitivkraft (Hc) und maximales Energieprodukt ((BH)max), insbesondere extrusionsgeformte, magnetische Körper aus magnetischen Samarium-Eisen-Stick­ stoff-Partikeln. Dabei handelt es sich um plastische oder kunstharzgeformte Magneten aus den neuen dauermagnetischen Materialien, die hinsichtlich Formbarkeit und Flexibilität ausgezeichnet sind.
Die für die Praxis geeigneten dauermagnetischen Materialien besitzen stabile Eigenschaften und eine hohe magnetische Flußdichte (Br), eine hohe Koerzitivkraft (Hc) und ein hohes maximales Energieprodukt ((BH)max). Bei den häufig benutzten Magneten aus diesen dauermagnetischen Materialien handelt es sich um Ferritmagneten aus Bariumferrit (BaO 6Fe2O3) oder Strontium-Ferrit (Sro 6Fe2O3) und um Magneten aus seltenen Erden mit Samarium-Kobalt (Sm2CO17) und Neodym-Eisen-Bor (Nd2Fe14B).
Ferritmagneten sind preisgünstig und einfach herzustellen und finden deshalb vielfältige Anwendungsmöglichkeiten, un­ abhängig davon, ob es sich dabei um Sintermagneten oder plastische Magneten handelt. Neodym-Eisen-Bor-Magneten übertreffen sowohl die Ferritmagneten als auch die Sama­ rium-Kobalt-Magneten hinsichtlich ihrer magnetischen Eigen­ schaften. Dieses Material oxidiert jedoch leichter als die Samarium-Kobalt-Magneten, so daß Vorkehrungen zur Verhin­ derung der Oxidation getroffen werden müssen. Die Samarium- Kobalt-Magneten übertreffen die Ferritmagneten hinsichtlich ihrer magnetischen Eigenschaften bei weitem, weshalb sie seit langem benutzt werden. Forschung und Entwicklung zur Verbesserung ihrer Eigenschaften wurde betrieben und ihre magnetischen Eigenschaften wurden weiter verbessert.
Die Samarium-Kobalt-Magneten haben jedoch den Nachteil, daß es sich bei Kobalt um ein sehr teures Metall handelt. Um einen preisgünstigen Magneten zu schaffen, wurde deshalb ein dauermagnetisches Material gefordert, welches kein Kobalt benötigt und hervorragende magnetische Eigenschaften aufweist. Kürzlich wurde ein Samarium-Eisen-Stickstoff- Material mit hervorragenden magnetischen Eigenschaften, welche mit denen des Neodym-Eisen-Bor-Magneten vergleichbar sind, dadurch erhalten, daß Stickstoff in das Eisen­ kristallgitter einer Samarium-Eisen-Legierung eingeführt wurde, indem die Legierung in ein Stickstoffgas bei Tempe­ raturen um 500°C gebracht wurde. Dieses Samarium-Eisen- Stickstoff-Material hat jedoch den Nachteil, daß der Stick­ stoff dem Eisenkristallgitter entweicht, sobald die Tempe­ ratur erhöht wird. Eine Anwendung für Sintermagneten war folglich nicht möglich.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen biegsamen und flexiblen Magneten mit hervorragenden magnetischen Eigenschaften aus einem Samarium-Eisen-Stickstoffmaterial zu schaffen, welcher neu ist und hervorragende magnetische Eigenschaften vorweisen kann.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch einen Magnet nach Anspruch 1 oder 2. Die Ansprüche 3 bis 5 betreffen vorteilhafte Weiterbildungen.
Nach einer ersten Ausführungsform der Erfindung wird ein dauermagnetisches Samarium-Eisen-Stickstoff-Material in Form von magnetisch anisotropen Partikeln verwendet, bei welchem die Abstände zwischen den Eisenatomen erhöht sind und welches eine erhöhte magnetische Sättigung aufweist. Das Material wird dadurch hergestellt, daß Stickstoff in das Eisenkristallgitter einer Samarium-Eisen-Legierung ein­ geführt wird, indem die Legierung in ein Stickstoffgas bei Temperaturen um 500°C gebracht wird. Die magnetisch ani­ sotropen Partikel werden zu einem Synthesekautschuk bzw. synthetischen Gummi oder einem thermoplastischen Kunstharz hinzugefügt.
Bei dem Synthesekautschuk, zu welchem die magnetisch ani­ sotropen Partikel hinzugefügt werden, kann es sich um SBR (Styrol-Butadien-Kautschuk), NBR (Nitril-Kautschuk), Buta­ dien-Kautschuk, Silikon-Kautschuk, Butyl-Kautschuk, Urethan-Kautschuk, Fluor-Kautschuk, etc. handeln. Bei dem thermoplastischen Kunstharz kann es sich um ein Polyolefin- Harz handeln, z. B. Polyethylen, Polypropylen, Polybuten, Polyethylen-Chlorid, Polystyrol, etc., um ein Vinylharz, z. B. Vinyl-Chlorid, Polyvinyl-Acetat, etc., um ein Styrol­ harz, oder um Polyester, Nylon, Polyurethan, Ethylen-Ace­ tat-Vinyl-Copolymer (EVA) und ein EVA-Vinyl-Chlorid-Graft- Copolymer. Unter den Verbindungen handelt es sich bei den thermoplastischen Harzen, die anorganische Materialien, wie magnetische Partikel enthalten können, um Polyethylen- Chlorid, EVA, NBR, Polyolefin-Harz und Synthesekautschuk, die alleine oder in Form von geeigneten Mischungen benutzt werden können. Bei dieser Ausführungsform wird das Po­ lyolefin-Harz verwendet. Die oben beschriebenen magnetisch anisotropen Partikel werden zu dem Polyolefin-Harz hinzuge­ fügt, die Mischung wird durchgeknetet und die durch ther­ misches Verbinden erzeugte Paste wird in einen Extruder gefüllt.
Die eingefüllte Paste wird durch eine Magnetfeldvorrichtung extrudiert, welche an einem Ende des Extruders angeordnet ist, so daß ein geformter Magnet erhalten wird, welcher eine Partikelanordnung mit einer festen Orientierung auf­ weist und flexibel ist. Der geformte Magnet wird mit einer Magnetisierungsvorrichtung entsprechend der Partikelanord­ nung in geeigneter Weise magnetisiert. Durch den Einsatz verschiedener Matrizenformen lassen sich geformte Magneten mit verschiedenen Formen kontinuierlich erzeugen. Diese Form-Methode ist deshalb besonders zur Herstellung langge­ streckter Magneten geeignet.
Das Verhältnis zwischen magnetisch anisotropen Partikeln und dem thermoplastischen Polyolefin-Kunstharz ist verän­ derbar. Durch Erhöhung des Kunstharzanteils läßt sich das Formen vereinfachen, während der reduzierte Anteil an magnetisch anisotropen Partikeln zu einer Verschlechterung der magnetischen Eigenschaften des Magneten führt. Durch Erhöhung des Anteils an magnetisch anisotropen Partikeln lassen sich die magnetischen Eigenschaften verbessern, während der reduzierte Kunstharzanteil, der als Bindemittel dient, zu einer schlechteren Formbarkeit führt. Als Kompro­ miß werden die magnetisch anisotropen Samarium-Eisen-Stick­ stoff-Partikel mit etwa 90 Gew.-% oder mehr eingeführt.
Mit einem auf diese Weise hergestellten extrusionsgeformten Magneten, aus erfindungsgemäßen magnetisch anisotropen Samarium-Eisen-Stickstoff-Partikeln, läßt sich ein sehr hohes maximales Energieprodukt ((BH)max) von etwa 55,7 bis 79,6 (KJ/m3) erhalten. Dieser extrusionsgeformte Magnet ist insofern hervorragend, als das maximale Energieprodukt ((BH)max) der herkömmlichen spritzgußgeformten Ferritmagne­ ten zwischen 12,7 und 18,3 und das der spritzgußgeformten Neodym-Eisen-Bor-Magneten zwischen 39,8 und 55,7 liegt. Dies gilt insbesondere, als das erreichbare maximale Ener­ gieprodukt im allgemeinen je nach Herstellungsverfahren vom Extrusionsformen über das Spritzgußformen hin zum Preßformen ansteigt.
Nach einer zweiten Ausführungsform der Erfindung werden zu dem oben beschriebenen dauermagnetischen Samarium-Eisen- Stickstoff-Material Ferritpartikel einer oxidierten Ver­ bindung wie Barium-Ferrit (BaO 6Fe2O3) oder Strontium-Fer­ rit (SrO 6Fe2O3), die im wesentlichen aus Eisen bestehen, als magnetisch anisotrope Partikel in geeigneter Menge zugefügt. Diese Mischung wird dann zu einem thermoplasti­ schen Polyolefin-Kunstharz (oder einem synthetischen Gummi oder einem sonstigen thermoplastischen Harz) hinzugefügt und mit diesem durchgeknetet. Diese Zusammensetzung wird dann thermisch verbunden und als durchgeknetete Verbindung in einen Extruder gefüllt. Die eingefüllte und durchgekne­ tete Verbindung wird durch eine Magnetfeldvorrichtung extrudiert, die an einem Ende des Extruders angeordnet ist und eine innere Matrize aufweist, so daß ein geformter Magnet erzeugt wird. Der geformte Magnet wird dann mit einer Magnetisierungsvorrichtung entsprechend seiner Par­ tikelanordnung in geeigneter Weise magnetisiert, und der Dauermagnet damit fertiggestellt.
Das Verhältnis zwischen den magnetisch anisotropen Sama­ rium-Eisen-Stickstoff-Partikeln und den Ferritpartikeln läßt sich variieren, um die gewünschten Werte des maximalen Energieproduktes ((BH)max) zwischen 15,9 und 55,7 (oder 79,6) (KJ/m3) zu erhalten. Ein Dauermagnet mit einem maxi­ malen Energieprodukt ((BH)max) von etwa 39,8 (KJ/m3) läßt sich z. B. dadurch erhalten, daß die Anteile der magnetisch anisotropen Samarium-Eisen-Stickstoff-Partikel und der Fer­ ritpartikel auf 80% bzw. 20% eingestellt werden.
Bei den oben beschriebenen Ausführungsformen wurden magne­ tisch anisotrope Partikel als dauermagnetisches Material aus Samarium-Eisen-Stickstoff verwendet. Es ist jedoch auch möglich, magnetisch isotrope Partikel zu verwenden. Es ist auch möglich, anstelle der magnetisch anisotropen Ferrit­ partikel magnetisch isotrope Ferritpartikel zu verwenden. Deshalb sind vier verschiedene Kombinationen aus Samarium- Eisen-Stickstoff-Partikeln und Ferritpartikeln denkbar, je nachdem ob es sich um anisotrope oder isotrope Partikel handelt. Sowohl bei den erstgenannten wie auch bei den letztgenannten Partikeln kann es sich um magnetisch ani­ sotrope Partikel handeln, so wie oben beschrieben. Eine andere Möglichkeit besteht darin, daß die erstgenannten Partikel magnetisch anisotrop und die letztgenannten Parti­ kel magnetisch isotrop sind. Außerdem ist es möglich, daß die erstgenannten Partikel magnetisch isotrop und die letztgenannten Partikel magnetisch anisotrop sind. Schließ­ lich können sowohl die erstgenannten als auch die letztge­ nannten Partikel magnetisch isotrop sein. Darüber hinaus ist es möglich, die Orientierung des Magnetfeldes durch die in der Matrize angeordnete Magnetfeldvorrichtung einzustel­ len, außer wenn eine Kombination verwirklicht wird, bei der die Samarium-Eisen-Stickstoff-Partikel und die Ferritparti­ kel magnetisch isotrop sind.
Wie beschrieben, läßt sich im Rahmen der Erfindung ein ex­ trusionsgeformter Magnet aus magnetischen Samarium-Eisen- Stickstoff-Partikeln dadurch erzeugen, daß ein Magnetkörper magnetisiert wird, der durch Hinzufügen magnetischer Sama­ rium-Eisen-Stickstoff-Partikel, die aus Samarium, Eisen und Stickstoff bestehend zu einem Synthesekautschuk bzw. syn­ thetischen Gummi oder einem thermoplastischen Kunstharz und durch Formen der entstandenen Mischung durch Extrusion erzeugt wird und der flexibel ist. Auf diese Weise erhält man einen extrusionsgeformten Magnet, der hinsichtlich Formbarkeit, Flexibilität und magnetischer Eigenschaften hervorragend ist und ein hohes maximales Energieprodukt ((BH)max) besitzt.
Darüber hinaus läßt sich im Rahmen der Erfindung ein extru­ sionsgeformter Magnet mit hervorragender Formbarkeit und Flexibilität dadurch erhalten, daß magnetische Samarium- Eisen-Stickstoff-Partikel in Form von magnetisch anisotro­ pen Partikeln zu einem Synthesekautschuk bzw. synthetischen Gummi oder einem thermoplastischen Kunstharz hinzugefügt werden, wobei die entstandene Mischung extrusionsgeformt wird, während eine Magnetfeld-Orientierung auf sie wirkt. Damit ist es möglich einen extrusionsgeformten Magneten zu erhalten, welcher hinsichtlich Formbarkeit und Flexibilität hervorragend ist, eine Anordnung der magnetischen Teilchen in fester Orientierung aufweist und außerdem hervorragende magnetische Eigenschaften und ein hohes maximales Energie­ produkt ((BH)max) aufweist, wie es mit herkömmlichen magne­ tischen Materialien bisher nicht erreicht worden ist.
Außerdem kann im Rahmen der Erfindung ein extrusionsge­ formter Magnet dadurch erhalten werden, daß magnetische Samarium-Eisen-Stickstoff-Partikel in Form von magnetisch anisotropen Partikeln zu einem Synthesekautschuk bzw. syn­ thetischen Gummi oder einem thermoplastischem Kunstharz hinzugefügt werden, wobei die entstandene Mischung extrusi­ onsgeformt wird, während sie einer Magnetfeld-Orientierung ausgesetzt ist. Damit läßt sich ein extrusionsgeformter Magnet erhalten, welcher hinsichtlich Formbarkeit und Fle­ xibilität hervorragend ist, Partikelanordnungen in festen Orientierungen aufweist und welcher hervorragende magneti­ sche Eigenschaften und ein magnetisches Energieprodukt ((BH)max) aufweist, welches mit herkömmlichen magnetischen Materialien bisher unerreicht war.
Weiterhin kann im Rahmen der Erfindung ein extrusionsge­ formter Magnet dadurch erhalten werden, daß magnetische Samarium-Eisen-Stickstoff-Partikel und Ferritpartikel als magnetisch anisotrope Partikel zu einem Synthesekautschuk bzw. synthetischen Gummi oder einem thermoplastischen Kunstharz hinzugefügt werden, wobei die entstandene Mischung extrusionsgeformt wird, während sie einer Magnetfeld-Orientierung ausgesetzt ist. Damit ist es mög­ lich, einen extrusionsgeformten Magneten zu erhalten, wel­ cher hervorragend hinsichtlich Formbarkeit und Flexibilität ist, eine Anordnung beider Partikelarten mit fester Orien­ tierung aufweist und ein maximales Energieprodukt ((BH)max) aufweist, welches bisher mit herkömmlichen magnetischen Materialien unerreicht ist und welches durch die geeignete Wahl des Anteils an Ferrit-Partikeln auf den gewünschten Wert eingestellt werden kann.
Schließlich ist es durch die Benutzung eines thermoplasti­ schen Polyolefin-Kunstharzes als thermoplastisches Kunst­ harz möglich, eine befriedigende Mischung der anorganischen magnetischen Partikel und des Kunstharzes zu erreichen und auf diese Weise einen befriedigenden extrusionsgeformten Magneten zu erhalten.

Claims (7)

1. Extrusionsgeformter Magnet aus magnetischen Samarium- Eisen-Stickstoff-Partikeln, welcher durch
Hinzufügen von magnetischen Samarium-Eisen-Stickstoff- Partikeln, bestehend aus Samarium, Eisen und Stick­ stoff, zu einem Synthesekautschuk, synthetischen Gummi oder einem thermoplastischen Kunstharz,
Formen der entstandenen Mischung zu einem flexiblen Material und
Magnetisierung des flexiblen Materials
erzeugt wird.
2. Extrusionsgeformter Magnet aus magnetischen Samarium- Eisen-Stickstoff-Partikeln, welcher durch
Hinzufügen von magnetischen Samarium-Eisen-Stickstoff- Partikeln, bestehend aus Samarium, Eisen und Stick­ stoff, und Ferritpartikeln zu einem Synthesekautschuk, synthetischen Gummi oder einem thermoplastischen Kunstharz,
Formen der entstandenen Mischung zu einem flexiblen Material und
Magnetisierung des flexiblen Materials
erzeugt wird.
3. Extrusionsgeformter Magnet aus magnetischen Samarium- Eisen-Stickstoff-Partikeln nach Anspruch 1 oder 2, wobei die magnetischen Samarium-Eisen-Stickstoff-Partikel zu dem Synthesekautschuk, synthetischen Gummi oder dem thermopla­ stischen Kunstharz in Form von magnetisch anisotropen Par­ tikeln hinzugefügt werden und wobei die entstandene Mischung während des Extrusionsformens einer Orientierung durch ein Magnetfeld ausgesetzt ist.
4. Extrusionsgeformter Magnet aus magnetischen Samarium- Eisen-Stickstoff-Partikeln nach Anspruch 2, wobei die magnetischen Samarium-Eisen-Stickstoff-Partikel und die Ferritpartikel zu dem Synthesekautschuk, synthetischen Gummi oder dem thermoplastischen Kunstharz in Form von magnetisch anisotropen Partikeln hinzugefügt werden und wobei die entstandene Mischung während des Extrusionsfor­ mens einer Orientierung durch ein Magnetfeld ausgesetzt ist.
5. Extrusionsgeformter Magnet aus magnetischen Samarium- Eisen-Stickstoff-Partikeln nach Anspruch 1 oder 2, wobei es sich bei dem Synthesekautschuk, synthetischen Gummi oder dem thermoplastischen Kunstharz um ein thermoplastisches Polyolefin-Kunstharz handelt.
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