DE2219481A1 - Kobalt-lanthanoid-werkstoff - Google Patents

Description

• Kobalt -Lanthanoid-Werkstoff Die Erfindung betrifft einen Kobalt-Lanthanoid-Werkstoff für Feinpartikel-Dauermagnete mit Temperaturstabilisierung.
• Kobalt-Lanthanoid-Werkstoffe, d.h. Werkstoffe aus intermetallischen Yerbindungen des Typs LnCo5, wobei Ln = Yttrium, Lanthan, Cer, Praseodym, Cer-Mischmetall oder insbesondere Samarium haben für die Herstellung von Feinpartikel-Dauermagneten Uberragende Bedeutung erlangt, da derartige Magnete ausserordentlich günstige Werte bzgl. der Remanenz, der Curie-Temperatur, der magnetischen Anisotropie und der Koerzitivfeldstärke aufweisen-(vgl. z.B. Sci. Am. Dec. 1970, 92 ff.).
• Ein bis heute noch nicht optimal gelöstes Problem ist jedoch die Temperaturabhängigkeit der Remanenz und der Koerzitivfeldstärke. Diese ist in vielen Anwendungsfällen, zÆB. bei Messgeräten noch zu gross, so dass aufwendige Massnahmen erforderlich sind, um die Temperaturschwankungen klein zu halten.
• Es können auch Kompensationsmaterialien in den Magnetkreis gebracht werden, wie dies bei Verwendung von Alnico- oder Ferrit-Materialien Ublich ist. Die letztgenannten Materialien sind selbst, d.h. inhärent, grundsätzlich nicht stabilisierbar. Das Magnetmaterial Ticonal (Philips) weist beispielsweise einen nicht mehr verkleinerbaren Temperaturkoeffizienten der Remanenz von ß Br/ ß T : - 1,5 . 10 4 Gauss/ grad, und das Magnetmaterial Ferroxdure (Philips) ein # Br/#T = - 2. 10-³ Gauss/grad auf.
• Es ist Aufgabe der Erfindung, Kobalt-Lanthanoid-Werkstoffe der eingangs genannten Art inhärent bzgl. Temperaturschwankungen zu stabilisieren.
• Die Aufgabe wird dadurch gelöst, dass ein Kobalt-Lanthanoid-Werkstoff nach der Erfindung auf 5 mol Kobalt 1 bis 1,43 mol eines Lanthanoid-Gemisches enthält, welches einerseits>mindestens ein schweres Lanthanoid in Form eines Elementes mit einer Ordnungszahl von 64 bis 67, und andererseits mindestens ein leichtes-Lanthanoid in Form eines Elementes mit einer Ordnungszahl von 39 oder 57 bis 59 oder 62 oder in Form von Cer-Mischmetall umfasst.
• Wenn Ln8 für die vorstehend definierten schwerden Lanthanoide, und Ln¹ für die vorstehend definierten leichten Lanthanoide steht, weist der Kobalt-Lanthanoid-Werkstoff also die Strukturformel Co5 (Lns x Lnl l-x)w auf, mit 0<x<l und 1#u #1,43, Der Wert u = 1 ergibt eine struktur wie Co R (R : Seltene Erde), der Wert u = 1,43 eine Struktur wie Co7R2.
• Gemäss der vorstehenden Erfindungsdefinition können dem Kobalt also als schwere Lanthanoide beigemischt sein: Gadolinium (Gd), Terbium (Tb), Dysprosium (Dy), Holmium (Ho),oder Gemische derselben. Als leichte Lanthanoide kommen in Frage: Yttrium (Y), Lanthan (La), Cer (Ce), Praseodym (Pr), Samarium (Sm), Gemische derselben oder Cer-Mischmetall (MM), ein Gemisch, das leichte Lanthanoide in natürlich vorkommender Zusammensetzung enthält und billig ist. Besonders wichtig ist eine Mischung des Kobalts mit Samarium und Gadolinium, so dass sich für den Werkstoff die Strukturformel Co5 (8ml-x Gox)u argibt, mit 0<x < 0,2 und 1#u # 1,43.
• Die Erfindung kann wie folgt erläutert werden: Gemische aus 5 mol Kobalt und 1 mol eines leichten Lanthanoids Co5Ln sind ferromagnetisch, d.h. ihre Sättigungs-Magnetisierung M5 nimmt mit steigender Temperatur T ab, um beim Curie-Punkt ganz zusammenzubrechen. Demgegenüber sind Gemische aus 5 mol Kobalt und 1 mol eines schweren Lanthanoids Co5Ln5 ferrimagnetisch, d.h. ihre Ms (T) -Kurve weist für eine bestimmte Temperatur T0 ein deutliches Maximum auf. Dieses Maximum tritt auch bei Mischungen der angegebenen Art noch auf, und rückt zu tieferen Temperaturen, je mehr der Anteil des schweren Lanthanoids Ln5 durch einen entsprechenden Anteil eines leichten Lanthanoids Lnl ersetzt wird. Durch passende Wahl des Anteils des schweren, bzw. entsprechend des leichten Lanthanoids kann somit die Lage des Maximums M5 (T0) beeinflusst werden.
• Im Temperaturbereich T0 + AT des Maximums ist aber die Abhängigkeit der Sättigungs-Magnetisierung M5 von SchwankungensT der Temperatur T nahezu Null.
• Damit gelingt es, durch geeignete Beimischung eines schweren Lanthanoids Ln5 zu den bekannten Magnetwerkstoffen Co5Lnl der eingangs geschilderten Art je nach der zu erwartenden Temperatur, welcher der Magnet im Betrieb ausgesetzt sein wird, einen Magneten herzustellen, dessen Temperaturkoeffizient der Sättigungs-Magnetisierung ä Ms/dT für die vorwählbare Betriebstemperatur T0 verschwindet.
• Wenn aber der Wert der Sättigungs-Magnetisierung M5 weitestgehend temperaturunabhängig ist, sind auch die Werte der Remanenz Br und der Koerzitivfeldstärke BHc weitestgehend temperaturstabil.
• Wenn z.B. von dem Magnetwerkstoff YCo5 ausgegangen wird, der ferromagnetisch ist, und demnach kein Maximum der M5 (T)-Kurve zeigt, so kann man durch Beimischung von spielsweise Gadolinium ein solches Maximum erzeugen. Dieses Maximum liegt zunachst bei sehr tiefen Temperaturen, rückt dann aber mit wachsendem Gadolinium-Gehalt in den Bereich der Zimmertemperatur, um dann für ein System GdCo5, bei welchem also alles Yttrium durch Gadolinium ersetzt ist, bei ca. 750° K zu liegen. Bei diesem System ist besonders günstig, dass das bei 750° K sehr ausgeprägte Maximum zur Zimmertemperatur hin sehr flach wird, so dass die Bedingung&Ms/ sT über einen sehr breiten Temperaturbereich gilt.
• Die Beigabe eines schweren Lanthanoids Ln5 zu einem Kobalt - leichtes Lanthanoid - Magnetwerkstoff Co5Lnl bringt aber nicht. nur den Vorteil der Temperaturstabilität, sondern auch den Nachteil einer Herabsetzung des Wertes der Sättigungs-Magnetisierung M . Damit dieser Effekt nicht mehr 5 schadet als der Effekt der Temperaturstabilisierung nutzt, ist es von Bedeutung, dass die Beigabe von schweren Lanthanoiden möglichst gering sind Das ist besonders gut der Fall, wenn Gadolinium der intermetallischen Verbindung Co5Sm beigegeben wird: hier wird ein Maximum der M5(T)-Kurve bei T0 5 3000 K bereits durch Anteile x des Gadoliniums erreicht, die zwischen 0 und 0,2 liegen, wobei x gemäss der Strukturformel Co5Sm1.xGdx die Zahl der Mole Gadolinium je 5 mol Kobalt bzw. 1 - x mol Samarium ist.
• Das Absinken des Wertes von Ms ist deshalb unerwünscht, weil damit auch der Wert der Sättigunjgsinduktion BS und dementsprechend auch der Wert des maximalen Energieproduktes (BH)maX absinken, da (BH)max 1 Bs²/4.
• Unterschiedliche schwere Lanthanoide zum selben Co5Ln -Magnetwerkstoff beigegeben erzeugen Maxima bei unterschiedlichem Temperaturen T0. Durch Beigabe zweier oder mehrerer schwerer Lanthanoide zum Magnetwerkstoff Co5Ln1 können daher zwei flache Maxima bei Temperaturen To(1) und To(2) erzeugt werden, wodurch in einem wählbaren Temperaturbereich (To(1) -AT)<T<(To(2) + #T) mit To(2) >To(1) die M5(T)-Kurve noch weiter eingeebnet wird. Ein derartiger Werkstoff hat die Strukturformel Co5 Ln¹l-x-z Lns(1)xLnzs(2) mit x + z < 1 und x,z > 0. Ein Seispiel ist Co5Sml-x-zGdxDyz.
• Bei der Herstellung eines Kobalt-Lanthanoid-Werkstoffes nach der Erfindung geht man in der Regel vom üblichen Magnetwerkstoff Co5Ln¹ (x=0) aus, und mischt diesem zunehmend Anteile x>0 eines schweren Lanthanoids LnS zu Für jeden Anteil x >O misst man die M (T)-Kurve. Es ergibt sich dann 5 eine Kurvenschar M5(T) mit x als Parameter. Wenn die beim Betrieb des Magneten herrschende Temperatur T0 bekannt ist, wählt man für die Herstellung des Magnetwerkstoffes dann den Wert x, für den die zugehörige Ms (T)-Kurve bei To ein Maximum hat. Dort ist der Temperaturkoeffizient der Sättigungsmagnetisierung J Ms/#t dann ein Minimum, d.h. #o.
• Für verschiedene Kobalt-Lanthanoid-Werkstoffe ist natürlich der Wert x bzw. z von überragender Bedeutung, für den die Ms (T)-Kurve bei Zimmertemperatur ein Maximum hat, da die meisten Magnete ja bei dieser Temperatur betrieben werden.
• Die Verarbeitung eines für eine vorgegebene Betriebstemperatur optimalen Kobalt-Lanthanoid-Werkstoffes gemäss der Erfindung zum Feinpartikel-Dauermagneten kann in bekannter Weise derart geschehen, dass das beispielsweise schmelzmetallurgisch und durch Mahlen gewonnene Kobalt-Lanthanoid-Pulver in einem ausrichtenden Magnetfeld gepresst, und der derart erhaltene Presskörper durch Sintern dann zum fertigen Magneten verdichtet wird.
• Es ist bekannt (z.B. Benz und Martin in General Electric Research and Development Center Report No. 70-C-212 vom Juni 1970),dass beim Sintern des Pulvers ein Verlust an magnetischer Güte eintritt, insbesondere der Wert der Koerzitivfeldstärke sich verschlechtert, wenn in dem Werkstoff nicht der Lanthanoid-Anteil erhöht wird. Als zweckmässig hat sich erwiesen, auf S mol Kobalt u mol Lanthanoid vorzusehen, wobei l<u L1,43.
• Unter Berücksichtigung einer solchen Erhöhung des Lanthanoid-Anteils zwecks Minimierung des Verlustes an magnetischer Güte lauten dann die Strukturformeln der vorstehend besprochenen Stoffe: Co5 (Lns x Lnl l-x)u bzw. Co5 (Sml-xGdx)u bzw. Co5 (Lnl l-x-zLns(l)x Lns(2),z u bzw. Co5 (Sml-x-zGdxDyz)u, jeweils mit l<u#1,43. Während die Erhöhung des Lanthanoid-Anteils zwecks Optimierung der Koerzitivfeldstärke beim Sintern bekannt ist, ist der Zusatz des schweren Lanthanoids zwecks Temperaturstabilisierung'Gegenstand der Erfindung. Zur Optimierung der Koerzitivfeldstärke beim Sintern ist es zwar in der Regel nicht von Bedeutung, der Anteil. welches Lanthanoides in dem Lanthanoid -Gemisch erhöht wird, jedoch wird man natürlich dasjenige wählen, welches unter finanziellen und magnetischen Gesichtspunkten am zweckmässigsten erscheint. So erhöht man bei Cog (Sml-x Gdx)u den Anteil des Sm, weil, wie oben dargelegt, eine Erhöhung des Gd-Anteils eine Herabsetzung der Sättigungsmagnetisierung bewirkt.

Claims (10)

P a t e n t a n s p r ü c h e

1. Kobalt-Lanthanoid-Werkstoff fUr Feinpartikel-Dauermagnete mit Temperaturstabilisierung, dadurch gekennzeichnet, dass er auf 5 mol Kobalt 1 bis 1,43 mol eines Lanthanoid-Gemisches enthält, welches einerseits mindestens ein schweres Lanthanoid in Form eines Elementes mit einer Ordnungszahl von 64 bis 67, und andererseits mindestens ein leichtes Lanthanoid in Form eines Elementes mit einer Ordnungszahl von 39 oder 57 bis 59 oder 62 oder in Form von Cer-Mischmetall umfasst.

2. Kobalt-Lanthanoid-Werkstoff nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das schwere Lanthanoid Oadolinium und das leichte Lanthanoid Samarium ist.

3. Kobalt-Lanthanoid-Werkstoff nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass in 1 mol des'Lanthanoid-Gemisches x mol Gadolinium und 1 - x mol Samarium enthalten sind, wobei x grasser als Null und kleiner als 0,2 ist.

4. Kobalt-Lanthanoid-Werkstoff nach Anspruch 1, d a d u r c h g e -k e n n z e i c h n e t , dass das Lanthanoid-Gemisch schwere Lanthanoide verschiedener Ordnungszahlen umfasst.

5. Verfahren zur Herstellung eines Kobalt-tanthanoid-Werkstoffes nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in einem auf 5 mol Kobalt 1 bis 1,43 mol eines Lanthanoid-Gemisches enthaltenden Gemisch in dem Lanthanoid-Gemisch der molare Anteil x eines oder mehrerer schwerer Lanthanoide derart eingestellt wird, dass der Temperaturkoeffizient der Sättigungsmagnetisierung für eine bestimmte Temperatur ein Minimum wird, und der molare Anteil 1 - x eines oder mehrerer leichter Lanthanoide derart eingestellt wird, dass beim Sintern der Feinpartikel der Verlust an magnetischer Güte ein Minimum wird, wobei 0<x<1.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass in einem auf 5 mol Kobalt 1 bis 1,43 mol eines Samarium-Gadalinium-Gemisches enthaltenden Kobalt-Samarium-Gadolinium-Gemisch in dem Samarium-Gadolinium-aemisch der molare Anteil x des Gadolinium bezüglich des Temperaturkoeffizienten der Sättigungsmagnetisierung optimiert wird, und der molare Anteil 1 - x des Samarium bezüglich des Verlustes an magnetischer Güte, wobei 0< x (0,2.

7. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet,.dass der olare Anteil x des schweren Lanthanoids derart eingestellt wird, dass der Temperaturkoeffizient der Sättigungsmagnetisierung bei Zimmertemperatur ein Minimum wird.

8. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass in einem aüf 5 mol Kobalt 1 bis 1,43 mol eines Sm-Gd-Dy-Gemisches enthaltenden Co-Sm-Gd-Dy-Gemisch in dem Sm-Gd-Dy-Gemisch der molare Anteil des Gd gleich x, der des Dy gleich z und der des m gleich l-x-z gewählt wird, wobei x und z Jeweils grösser als Null und kleiner als 1 sind und die Summe von x und z kleiner als 1 ist.

9. Verwendung eines Kobalt-Lanthanoid-Werkstoffes nach Anspruch 1 für die Temperaturstabilisierung eines Feinpartikel-Dauermagneten.

10. Verwendung nach Anspruch 9, derart, dass der Kobalt-Lanthanoid-Werkstoff einen solchen Anteil des schweren Lanthanoids aufweist, dass die Kurve der Magnetisierung des Kobalt-Lanthanoid-Werkstoffes Uber der Temperatur für eine vorgewählte Temperatur ein Maximum aufweist.