DE19962232B4

DE19962232B4 - Verfahren zur Herstellung stabförmiger Dauermagnete

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Publication number: DE19962232B4
Application number: DE19962232A
Authority: DE
Inventors: Georg Werner Dipl.-Phys. Reppel; Volker Zellmann
Original assignee: Vacuumschmelze GmbH and Co KG
Current assignee: Vacuumschmelze GmbH and Co KG
Priority date: 1999-12-22
Filing date: 1999-12-22
Publication date: 2006-05-04
Anticipated expiration: 2019-12-23
Also published as: US6926777B2; DE50005736D1; EP1240652A1; DE19962232A1; EP1240652B1; JP2003518331A; US20030110617A1; WO2001046969A1

Abstract

Verfahren zur Herstellung von Dauermagneten, die eine Phase von der Zusammensetzung SE₂T₁₄B enthält, wobei T wenigstens ein Element aus der Gruppe der Elemente Fe und Co ist, mit folgenden Verfahrensschritten:
– Herstellung eines Pulvers aus einer wenigstens eine seltene Erde (SE) enthaltenden Legierung;
– Pressen des Pulvers zu Pressteilen (2);
– Zusammenfügen der Pressteile (2) mit Hilfe von auf der Oberfläche der Pressteile (2) ausgebildeten Erhöhungen (6) und Vertiefungen (8) zu einem Grünling; und
– Sintern des Grünlings, wobei der Seltenen-Erden-Gehalt der Dauermagnete 1 bis 5 Gew.% größer als der stöchiometrische Seltenen-Erden-Gehalt der hartmagnetischen Phase von der Zusammensetzung SE₂T₁₄B und kleiner oder gleich 33,4 Gew.% ist, und wobei während des Sinterns eine flüssige Phase ausgebildet wird, durch die die Pressteile (2) untereinander verbunden werden.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Dauermagneten, insbesondere von stabförmigen Dauermagneten.
Derartige Dauermagnete werden für Motoren und Generatoren benötigt. Sie weisen typischerweise einen Durchmesser zwischen 10 und 50 mm und eine Länge zwischen 20 und 200 mm auf. Die magnetische Vorzugsrichtung dieser Dauermagnete kann in axiale oder diametrale Richtung verlaufen. Die herkömmliche Fertigung dieser Magnete mit vorzugsweise diametraler Vorzugsrichtung erfordert bislang einen hohen Aufwand.

Aus der EP 0 124 655 A2 sind Grundzüge eines Herstellungsverfahrens für Dauermagnete auf der Basis von Seltenen Erden, Eisen und Bor bekannt. In dem bekannten Verfahren wird zunächst eine erschmolzene Legierung auf der Basis von Seltenen Erden, Eisen und Bor pulverisiert und dann im Magnetfeld zu Grünlingen gepreßt, die danach gesintert werden.

Preßtechnisch können besonders gut tablettenförmige Preßteile mit einem Verhältnis von Durchmesser zu Länge nahe 1 gepreßt werden. Nach dem Sintern werden die aus diesen Grünlingen entstandenen Dauermagnete zunächst geschliffen. Die Dauermagnete werden anschließend so zusammengeklebt, daß ihre magnetische Vorzugsrichtung in die gleiche Richtung weist. Zu diesem Zweck ist es erforderlich, die Dauermagnete beim Kleben mit großer Genauigkeit auszurichten. Das erforderliche Flachschleifen, das Ausrichten und das Kleben der Dauermagnete führen zu hohen Arbeitskosten. Insbesondere das Ausrichten der Dauermagnete erfordert viel Arbeitszeit oder aufwendige Vorrichtungen.

Eine andere Möglichkeit ist, stabförmige Dauermagnete in einem Stück zu pressen. Das Pressen eines langen, stabförmigen Dauermagneten in Richtung seiner Achse führt jedoch zu ungleichmäßiger Pressdichte und daraus resultierend großen Maßabweichungen. Außerdem werden spezielle Pressen mit großem Hub benötigt, die wegen der großen Wege nur geringe Taktgeschwindigkeiten realisieren können. Alternativ wäre es möglich, den stabförmigen Magneten senkrecht zu seiner Achse („liegend") zu pressen. Da es jedoch in diesem Fall nicht möglich ist, einen kreisförmigen Querschnitt durch Pressen herzustellen, muss eine geeignete Rohform, beispielsweise eine abgerundete Quaderform gepresst werden. Die Seitenflächen der Rohform müssen nachgeschliffen werden, um einen kreisförmigen Querschnitt zu erzielen, was sehr aufwendig ist. Außerdem ist es bei großen Längen sehr schwierig, ein über die gesamte Länge des Grünlings homogenes Querfeld zu erzeugen und damit ein magnetisch homogenes Teil herzustellen.

Der US 5 913 255 A , der DE 30 47 701 A1 sowie der US 4 859 410 A sind Verfahren zur Herstellung von Dauermagneten durch das Zusammenfügen von Pressteilen zu entnehmen.

Weitere Verfahren zur Herstellung von Dauermagneten durch das Zusammenfügen von Pressteilen sind aus der US 3 892 598 A sowie aus der US 4 818 305 A bekannt.

Der EP 0 733 424 A2 ist zu entnehmen, Erhöhungen und Vertiefungen beim Zusammenfügen von Pressteilen zu verwenden.

Die DE 78 36 712 U1 sowie die DE 79 03 999 U1 beschreiben Magnete mit auf den Oberflächen ausgebildeten Erhöhungen und Vertiefungen zum Stapeln.

Der FR 2 526 994 ist ein Verfahren zum Pressen und Sintern von Magnetscheiben zu entnehmen.

Aus US 5 641 363 A ist im Zweikomponentenverfahren mit einer zweiten R-reichen Bindephase zur Herstellung von gesinterten Nd-Fe-B-Magneten an sich bekannt.

Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein effizienteres Verfahren zur Verbindung von vorgepressten Formteilen durch Sinterung anzugeben, mit dem insbesondere stabförmige Dauermagnete auf einfache und kostengünstige Weise herstellbar sind.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren mit den in Anspruch 1 angegebenen Merkmalen gelöst.

Bei dem Verfahren gemäß der Erfindung werden bereits die Pressteile und nicht die fertigen Sinterteile aufeinander gesetzt und durch Sintern fest untereinander verbunden. Dadurch entstehen stabförmige Dauermagnete mit guter magnetischer Homogenität. Das Verfahren erfordert vorteilhafterweise weder ein aufwendiges Schleifen von fertigen Dauermagneten noch ein mühsames Positionieren von Einzelteile. Das erfindungsgemäße Verfahren ist daher im Vergleich zu herkömmlichen Herstellungsverfahren wesentlich einfacher und kostengünstiger.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des Verfahrens sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.

Nachfolgend wird die Erfindung näher anhand der beigefügten Zeichnung erläutert. Es zeigen:

1 eine perspektivische Ansicht eines mit dem Verfahren gemäß der Erfindung hergestellten stabförmigen Dauermagneten;

2 eine Draufsicht auf ein Preßteil, das zu einem stabförmigen Dauermagneten zusammengebaut werden kann;

3 einen Querschnitt durch ein weiteres Preßteil; und

4 einen Querschnitt durch ein weiteres abgewandeltes Preßteil.

1 zeigt einen stabförmigen Dauermagneten 1, der aus mehreren Preßteilen 2 zusammengefügt ist. Derartige Dauermagnete 1 werden für Motoren und Generatoren benötigt und weisen typischerweise einen Durchmesser zwischen 10 und 50 mm und eine Länge zwischen 20 und 200 mm auf. Die Dauermagnete 1 weisen entweder eine axiale magnetische Vorzugsrichtung 3 oder eine diametrale magnetische Vorzugsrichtung 4 auf.
Wie insbesondere in 1 sowie 2 erkennbar ist, weisen die Preßteile 2 auf einer Oberseite 5 Erhöhungen 6 auf. Falls die Preßteile 2 eine diametrale magnetische Vorzugsrichtung 4 aufweisen, sind die Erhöhungen 6 vorzugsweise so ausgebildet, daß die diametrale magnetische Vorzugsrichtung 4 der Preßteile 2 in die gleiche Richtung weist, wenn die Preßteile 2 aufeinandergesetzt werden.
Die 3 und 4 zeigen Querschnitte durch mögliche Ausführungsformen der Preßteile 2. Deutlich erkennbar ist, daß neben der Erhöhung 6 auf der Oberseite 5 auf einer Unterseite 7 eine zur Erhöhung 6 komplementäre Vertiefung 8 ausgebildet ist, so daß die Preßteile 2 fugenlos zusammengesetzt werden können. Die Erhöhung 6 und die Vertiefung 8 sind vorzugsweise konisch ausgebildet, um ein problemloses Fügen der Preßteile 2 zu ermöglichen. Die Abmessungen der Vertiefungen 8 und Erhöhungen 6 sind so gewählt, daß sich ein Fügespalt von üblicherweise 0,05 mm ergibt.
Zur Herstellung der Dauermagnete 1 wird im allgemeinen zunächst eine Selten-Erd-haltige Legierung erschmolzen und anschließend pulverisiert. Aus dem Pulver werden Preßteile gepreßt. Zur Einstellung einer magnetischen Vorzugsrichtung erfolgt der Preßvorgang in Anwesenheit eines äußeren Magnetfelds. Anschließend werden die Preßteile 2 zusammengefügt und bei Temperaturen oberhalb von 800°C gesintert. Im Falle der Dauermagnete auf Basis von Nd-Fe-B bildet sich entlang der Oberseiten 5 und Unterseiten 7 eine flüssige Phase aus, die im erstarrten Zustand die Preßteile 2 verbindet. Im jeden Falle kommt es während der Sinterung der Dauermagnete durch Diffusion zu einer Verbindung der Einzelteile untereinander, sofern ein guter Kontakt der Preßlinge bestand. Um eine gute Festigkeit der Verbindung zu erhalten, hat sich als günstig erwiesen, die Preßteile 2 nach dem Pressen in einem Magnetfeld nicht vollständig zu entmagnetisieren. Die magnetische Haftkraft hält dann die Preßteile 2 beim Hantieren und im Sinterofen bis zur Curietemperatur zusammen. Preßteile 2 mit diametraler magnetischer Vorzugsrichtung werden bevorzugt mit wechselseitiger Polung aufeinandergestapelt.
Eine besonders gute Fügung läßt sich mit Unterstützung der Schwerkraft erzielen, wenn der gestapelte stabförmige Dauermagnet 1 stehend gesintert wird.
Um eine sehr gute Korrosionsbeständigkeit des Dauermagneten 1, insbesondere an der Fügefläche, zu erreichen, kann der Dauermagnet 1 nach dem Sintern mit bekannten flüssigen Kunststoffen, wie z. B. Methacrylat vakuum- oder druckimprägniert werden. Der Kunststoff füllt evtl. vorhandene Poren und Spalten und härtet aus, nachdem der Dauermagnet 1 mit dem Kunststoff getränkt worden ist.
Das hier beschriebene Verfahren weist eine Reihe von Vorteilen auf.
Im Vergleich zu stabförmigen Dauermagneten, die durch Verkleben von fertig gesinterten Einzelteilen hergestellt worden sind, weist der Dauermagnet 1 eine wesentlich höhere Festigkeit auf, da die Preßteile 2 nach dem Sintern einen einheitlich festen Körper bilden.
Außerdem ist das Verfahren kostengünstig, da die Preßteile 2 durch die entsprechend ausgebildeten Erhöhungen 6 und Vertiefungen 8 positioniert werden und das für eine gute Klebeverbindung erforderliche Flachschleifen der Oberseite 5 und der Unterseite 7 entfällt. Es ist im Gegenteil sogar für eine feste Sinterverbindung von Vorteil, wenn die Oberseite 5 und die Unterseite 7 aufgerauht sind.
Da die Preßteile 2 einzeln gepreßt werden, genügt für das Pressen der Preßteile 2 ein Werkzeug mit Abmessungen in der Größenordnung der Abmessungen der Preßteile 2. Bei kleinen Werkzeugen kann jedoch das Magnetfeld mit geringem Aufwand homogen gehalten werden. Im Vergleich zu herkömmlichen Verfahren, in denen die stabförmigen Dauermagnete als Ganzes gepreßt werden, sind daher die Dauermagnete 1 in magnetischer Hinsicht wesentlich homogener. Außerdem können mit dem hier beschriebenen Verfahren Dauermagnete 1 mit nahezu beliebigem Verhältnis von Durchmesser zu Länge hergestellt werden.
Für eine feste Verbindung der Einzelmagnete auf Basis von Seltenen Erden, Eisen und Bor hat es sich als besonders vorteilhaft erwiesen, die Menge an flüssiger Sinterphase, d. h. den Gehalt an Seltenen Erden in der Legierung, etwas höher als normal einzustellen, etwa 1 bis 5 Gew.-% mehr Seltene Erden.
Die Erfindung wird nun anhand der folgenden Beispiele näher erläutert:
1. Beispiel:
Vergleichsbeispiel: Nd-Fe-B-Pulver wird im Magnetfeld zu Ronden mit einem Durchmesser von 22 mm und einer Höhe von 10 mm unter Anwendung eines Drucks von 250 MPa gepreßt. Jeweils vier Ronden werden zu einem Grünling aufeinandergestapelt und stehend bei 1 Stunde bei 1100°C im Vakuum gesintert. Nach dem Sintern waren jedoch 60% der fertigen Sinterkörper nicht verbunden. Die restlichen Sinterkörper ließen sich durch einen Schlag leicht trennen.
2. Beispiel:
Wie Beispiel 1, wobei jedoch das Preßwerkzeug einen Unterstempel mit einer Erhöhung und einen Oberstempel mit einer Vertiefung aufwies. Es ergaben sich die in 3 dargestellten Preßteile 2. Die Preßteile 2 wurden nicht entmagnetisiert und stehend gesintert. Alle Sinterteile waren nach dem Sintern fest verbunden und ließen sich nach Schlag oder Fall aus 1 Meter Höhe nicht trennen.
Beispiel 3:
Wie Beispiel 2, die Preßteile wurden jedoch liegend gesintert. Nach dem Sintern waren 90% der Teile fest verbunden und ließen sich nach Schlag oder Fall aus 1 Meter Höhe nicht trennen.
Beispiel 4:
Wie Beispiel 1, jedoch mit einer größeren Erhöhung 6 und Vertiefung 8, wie in 4 dargestellt. Beim Pressen traten teilweise Preßrisse auf. Alle fehlerfreien Preßteile waren jedoch nach dem Sintern fest verbunden und ließen sich nach Schlag oder Fall aus 1 Meter Höhe nicht trennen.
Beispiel 5:
Wie Beispiel 1, die Zusammensetzung der Legierung wurde jedoch gemäß Tabelle 1 variiert.
Dieses Beispiel zeigt, daß ein Überschuß an Seltenen Erden über den stöchiometrisch Seltenen-Erden-Gehalt der hartmagnetischen Phase mit der Zusammensetzung Nd₂Fe₁₄B von Vorteil für die Festigkeit der Verbindung ist.
Abschließend sei angemerkt, daß die hier gemachten Ausführungen für Dauermagnete aus einer Legierung auf der Basis von Seltenen Erden, Eisen und Bor auch für Dauermagnete aus einer Legierung mit der Zusammensetzung SE₂(Fe, Co, Cu, Zr)₁₄ gilt, wobei SE wenigstens eine Selten Erde einschließlich Yttrium ist.
Ferner ist die vorliegenden Beschreibung des Verfahrens beispielhaft; insbesondere soll das Fügen der Preßteile 2 nicht auf stabförmige Magnete beschränkt sein.

Claims

Verfahren zur Herstellung von Dauermagneten, die eine Phase von der Zusammensetzung SE₂T₁₄B enthält, wobei T wenigstens ein Element aus der Gruppe der Elemente Fe und Co ist, mit folgenden Verfahrensschritten: – Herstellung eines Pulvers aus einer wenigstens eine seltene Erde (SE) enthaltenden Legierung; – Pressen des Pulvers zu Pressteilen (2); – Zusammenfügen der Pressteile (2) mit Hilfe von auf der Oberfläche der Pressteile (2) ausgebildeten Erhöhungen (6) und Vertiefungen (8) zu einem Grünling; und – Sintern des Grünlings, wobei der Seltenen-Erden-Gehalt der Dauermagnete 1 bis 5 Gew.% größer als der stöchiometrische Seltenen-Erden-Gehalt der hartmagnetischen Phase von der Zusammensetzung SE₂T₁₄B und kleiner oder gleich 33,4 Gew.% ist, und wobei während des Sinterns eine flüssige Phase ausgebildet wird, durch die die Pressteile (2) untereinander verbunden werden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Breite der Fügespalten zwischen den Erhöhungen (6) und Vertiefungen (8) weniger als 0,5 mm beträgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Erhöhungen (6) und Vertiefungen (8) konisch ausgebildet sind.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Pressteile (2) eine magnetische Vorzugsrichtung aufweisen und dass durch die Vertiefungen (8) und Erhöhungen (6) eine gleichmäßige Ausrichtung der magnetischen Vorzugsrichtung der zum Grünling zusammengefügten Pressteile (2) gewährleistet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Pressteile (2) mit der Hilfe von aufgerauhten Pressstempeln gefertigt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Dauermagnet eine Selten-Erd-reiche Phase mit einem Gewichtsanteil von mindestens 2 Gew.-% enthält.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass auf eine gemeinsame Grenzfläche der Pressteile (2) ein Lot aus einer Selten-Erd-haltigen Legierung mit einem Gewichtsanteil an Seltenen Erden > 10 Gew.-% aufgebracht wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Pressteile (2) zumindest eine schwache magnetische Polarisation aufweisen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die aufeinander gestapelten Pressteile (2) stehend gesintert werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der gesinterte Fügekörper mit einem Kunststoff imprägniert wird.