DE19925322B4 - Extrusionsgeformter magnetischer Körper aus magnetischen Samarium-Eisen-Stickstoff-Partikeln - Google Patents

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

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Abstract

Verfahren zum Herstellen eines extrusionsgeformten Magneten aus magnetischen Samarium-Eisen-Stickstoff-Partikeln, welche ihrerseits aus einer in ein Stickstoffgas bei Temperaturen um 500°C eingebrachten Samarium-Eisen-Legierung hergestellt sind, wonach
– die Samarium-Eisen-Stickstoff-Partikel zu einem Synthesekautschuk, synthetischen Gummi oder einem thermoplastischen Kunstharz in Form von magnetisch anisotropen Partikeln hinzugefügt werden, wonach ferner
– die entstandene Mischung zu einem flexiblen Material geformt wird, und wonach abschließend
– das flexible Material magnetisiert wird, in dem die entstandene Mischung während des Extrusionsformens einer Orientierung durch eine in einer Matrize angeordnete Magnetfeldvorrichtung ausgesetzt wird.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines extrusionsgeformten Magneten.
  • 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, unabhängig davon, ob es sich dabei um Sintermagneten oder plastische Magneten handelt. Neodym-Eisen-Bor-Magneten übertreffen sowohl die Ferritmagneten als auch die Samarium-Kobalt-Magneten hinsichtlich ihrer magnetischen Eigenschaften. Dieses Material oxidiert jedoch leichter als die Samarium-Kobalt-Magneten, so dass Vorkehrungen zur Verhinderung 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 Eisenkristallgitter einer Samarium-Eisen-Legierung eingeführt wurde, indem die Legierung in ein Stickstoffgas bei Temperaturen um 500°C gebracht wurde. Dieses Samarium-Eisen-Stickstoff-Material hat jedoch den Nachteil, dass der Stickstoff dem Eisenkristallgitter entweicht, sobald die Temperatur erhöht wird. Eine Anwendung für Sintermagneten war folglich nicht möglich.
  • Durch die DE 196 05 264 A1 ist ein derartiges Verfahren zum Herstellen eines extrusionsgeformten Magneten durch Formpressverfahren bekannt. Dabei wird eine Verbindung aus anisotropem Magnetpulver und wärmehärtbarem Harz in ein Formwerkzeug eingebracht und anschließend die Verbindung in dem Formwerkzeug erwärmt. Durch Anlegen eines Magnetfeldes wird das eingelagerte Magnetpulver ausgerichtet. Dabei werden vier Arten von Magnetpulver verwendet, und zwar solches vom NdFeB-Typ mit hohem oder niedrigem Co-Gehalt, Magnetpulver vom SmFeN-Typ und vermahlenes Magnetpulver vom SmCo-Typ.
  • Durch die DE 42 13 704 A1 ist ebenfalls ein Verfahren zur Herstellung von Permanentmagneten auf der Basis von Seltenerdmetallen durch Heiß-Strangpressen bekannt geworden. Auch in diesem Fall können verschiedene magnetische Metallpulver zum Einsatz kommen.
  • Die EP 0 381 772 A1 befasst sich mit einem extrusionsgeformten magnetischen Körper, welcher unter anderem auf ein Magnetpulver vom Sm-Co-Typ zurückgreift. – Das gilt auch für die WO 97/04 468 A1 .
  • Die US 5 720 828 A befasst sich schließlich mit einem permentmagnetischen Material, welches unter anderem ein Seltenerdelement, Eisen und Stickstoff enthält. Der Stickstoff wird in gasförmiger Form eingebracht.
  • Die FR 1 348 745 A befasst sich unter anderem mit der Herstellung von Kunststoffmagneten im Magnetfeld. Dabei geht es im Kern um einen Permanentmagneten, bei welchem Magnetpulver mit einem thermoplastischen Kunstharz gemischt und zusammen mit diesem extrudiert wird. Als Basis für das Magnetpulver werden beispielsweise Mangan und Wismut angesprochen. Dadurch kann zwar ein magnetisch anisotroper Permanentmagnet hergestellt werden, allerdings sind die hiervon aufgebrachten Magnethaltekräfte wegen der eingesetzten Materialien als eher gering einzustufen. Im übrigen werden Temperatureinflüsse infolge der Extrusion nicht diskutiert. Hier setzt die Erfindung ein.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Herstellen eines extrusionsgeformten Magneten anzugeben, nach welchem ein biegsamer und flexibler Magnet mit hervorragenden magnetischen Eigenschaften produziert werden kann.
  • Zur Lösung Aufgabe ist Gegenstand der Erfindung ein Verfahren, wie es im Patentanspruch 1 beschrieben wird. Eine alternative Ausgestaltung ist Gegenstand des Patentanspruches 2. Die Patentansprüche 3 bis 4 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 eingeführt wird, indem die Legierung in ein Stickstoffgas bei Temperaturen um 500°C gebracht wird. Die magnetisch anisotropen Partikel werden zu einem Synthesekautschuk bzw. synthetischen Gummi oder einem thermoplastischen Kunstharz hinzugefügt.
  • Bei dem Synthesekautschuk, zu welchem die magnetisch anisotropen Partikel hinzugefügt werden, kann es sich um SBR (Styrol-Butadien-Kautschuk), NBR (Nitril-Kautschuk), Butadien-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 Styrolharz, oder um Polyester, Nylon, Polyurethan, Ethylen-Acetat-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 Polyolefin-Harz verwendet. Die oben beschriebenen magnetisch anisotropen Partikel werden zu dem Polyolefin-Harz hinzugefügt, die Mischung wird durchgeknetet und die durch thermisches 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 aufweist und flexibel ist. Der geformte Magnet wird mit einer Magnetisierungsvorrichtung entsprechend der Partikelanordnung 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 langgestreckter Magneten geeignet.
  • Das Verhältnis zwischen magnetisch anisotropen Partikeln und dem thermoplastischen Polyolefin-Kunstharz ist veränderbar. 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-Stickstoff-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 Ferritmagneten 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 Energieprodukt im allgemeinen je nach Herstellungsverfahren vom Extrusionformen 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 Verbindung wie Barium-Ferrit (BaO 6Fe2O3) oder Strontium-Ferrit (SrO 6Fe2O3), die im wesentlichen aus Eisen bestehen, als magnetisch anisotrope Partikel in geeigneter Menge zugefügt. Diese Mischung wird dann zu einem thermoplastischen 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 durchgeknetete 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 Partikelanordnung in geeigneter Weise magnetisiert, und der Dauermagnet damit fertiggestellt.
  • Das Verhältnis zwischen den magnetisch anisotropen Samarium-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 maximalen 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 Ferritpartikel auf 80 % bzw. 20 % eingestellt werden.
  • Bei den oben beschriebenen Ausführungsformen wurden magnetisch 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 Ferritpartikel 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 anisotrope Partikel handeln, so wie oben beschrieben. Eine andere Möglichkeit besteht darin, daß die erstgenannten Partikel magnetisch anisotrop und die letztgenannten Partikel magnetisch isotrop sind. Außerdem ist es möglich, daß die erstgenannten Partikel magnetisch isotrop und die letztgenannten Partikel magnetisch anisotrop sind. Schließlich können sowohl die erstgenannten als auch die letztgenannten Partikel magnetisch isotrop sein. Darüber hinaus ist es möglich, die Orientierung des Magnetfeldes durch die in der Matrize angeordnete Magnetfeldvorrichtung einzustellen, außer wenn eine Kombination verwirklicht wird, bei der die Samarium-Eisen-Stickstoff-Partikel und die Ferritpartikel magnetisch isotrop sind.
  • Wie beschrieben, läßt sich im Rahmen der Erfindung ein extrusionsgeformter Magnet aus magnetischen Samarium-Eisen-Stickstoff-Partikeln dadurch erzeugen, daß ein Magnetkörper magnetisiert wird, der durch Hinzufügen magnetischer Samarium-Eisen-Stickstoff-Partikel, die aus Samarium, Eisen und Stickstoff bestehen, zu einem Synthesekautschuk bzw. synthetischen 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 extrusionsgeformter Magnet mit hervorragender Formbarkeit und Flexibilität dadurch erhalten, daß magnetische Samarium-Eisen-Stickstoff-Partikel in Form von magnetisch anisotropen 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 Energieprodukt ((BH)max) aufweist, wie es mit herkömmlichen magnetischen Materialien bisher nicht erreicht worden ist.
  • Außerdem kann im Rahmen der Erfindung ein extrusionsgeformter Magnet dadurch erhalten werden, daß magnetische Samarium-Eisen-Stickstoff-Partikel in Form von magnetisch anisotropen Partikeln zu einem Synthesekautschuk bzw. synthetischen Gummi oder einem thermoplastischem Kunstharz hinzugefügt werden, wobei die entstandene Mischung extrusionsgeformt wird, während sie einer Magnetfeld-Orientierung ausgesetzt ist. Damit läßt sich ein extrusionsgeformter Magnet erhalten, welcher hinsichtlich Formbarkeit und Flexibilität hervorragend ist, Partikelanordnungen in festen Orientierungen aufweist und welcher hervorragende magnetische Eigenschaften und ein magnetisches Energieprodukt ((BH)max) aufweist, welches mit herkömmlichen magnetischen Materialien bisher unerreicht war.
  • Weiterhin kann im Rahmen der Erfindung ein extrusionsgeformter 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 möglich, einen extrusionsgeformten Magneten zu erhalten, welcher hervorragend hinsichtlich Formbarkeit und Flexibilität ist, eine Anordnung beider Partikelarten mit fester Orientierung 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 thermoplastischen Polyolefin-Kunstharzes als thermoplastisches Kunstharz möglich, eine befriedigende Mischung der anorganischen magnetischen Partikel und des Kunstharzes zu erreichen und auf diese Weise einen befriedigenden extrusionsgeformten Magneten zu erhalten.

Claims (4)

  1. Verfahren zum Herstellen eines extrusionsgeformten Magneten aus magnetischen Samarium-Eisen-Stickstoff-Partikeln, welche ihrerseits aus einer in ein Stickstoffgas bei Temperaturen um 500°C eingebrachten Samarium-Eisen-Legierung hergestellt sind, wonach – die Samarium-Eisen-Stickstoff-Partikel zu einem Synthesekautschuk, synthetischen Gummi oder einem thermoplastischen Kunstharz in Form von magnetisch anisotropen Partikeln hinzugefügt werden, wonach ferner – die entstandene Mischung zu einem flexiblen Material geformt wird, und wonach abschließend – das flexible Material magnetisiert wird, in dem die entstandene Mischung während des Extrusionsformens einer Orientierung durch eine in einer Matrize angeordnete Magnetfeldvorrichtung ausgesetzt wird.
  2. Verfahren zum Herstellen eines extrusionsgeformten Magneten aus magnetischen Samarium-Eisen-Stickstoff-Partikeln, welche ihrerseits aus einer in ein Stickstoffgas bei Temperaturen um 500°C eingebrachten Samarium-Eisen-Legierung hergestellt sind, wonach – die Samarium-Eisen-Stickstoff-Partikel zusammen mit Ferritpartikeln zu einem Synthesekautschuk, synthetischen Gummi oder einem thermoplastischen Kunstharz in Form von magnetisch anisotropen Partikeln hinzugefügt werden, wonach ferner – die entstandene Mischung zu einem flexiblen Material geformt wird, und wonach abschließend – das flexible Material magnetisiert wird, in dem die entstandene Mischung während des Extrusionsformens einer Orientierung durch eine in einer Matrize angeordnete Magnetfeldvorrichtung ausgesetzt wird
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem Synthesekautschuk, synthetischen Gummi oder dem thermoplastischen Kunstharz um ein thermoplastisches Polyolefin-Kunstharz handelt.
  4. Extrusionsgeformter Magnet aus magnetischen Samarium-Eisen-Stickstoff-Partikeln, hergestellt durch ein Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3.
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