DE3626406C2 - Process for the production of permanent magnets based on rare earth metals - Google Patents
Process for the production of permanent magnets based on rare earth metalsInfo
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Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von R-Fe-B- Dauermagneten (R ist ein Seltenerdmetall).The invention relates to a process for the preparation of R-Fe-B Permanent magnet (R is a rare earth metal).
In der Praxis wird derzeit von den drei folgenden Verfahren zur Herstellung von Magneten des R-Fe-B-Typs Gebrauch gemacht:In practice, currently of the three following procedures used for the production of magnets of the R-Fe-B type:
- (1) Das Sinterverfahren, das auf der Technik der Pulver metallurgie beruht (verwiesen sei auf Druckschrift [1]: M. Sagawa et al., J. Applied Physics, Band 55 (6), 15. März 1984, Seite 2083, sowie auf die Druckschriften EP 0 101 552 A2, EP 0 106 948 A2, EP 0 134 304 A1 und EP 0 134 305 A1);(1) The sintering process based on the technique of powder metallurgy is based (reference is made to document [1]: M. Sagawa et al., J. Applied Physics, Vol. 55 (6), March 15, 1984, Page 2083, as well as to the documents EP 0 101 552 A2, EP 0 106 948 A2, EP 0 134 304 A1 and EP 0 134 305 A1);
- (2) ein Verfahren, bei dem mittels einer Schleudergieß vorrichtung, die zur Herstellung einer amorphen Legierung ver wendet wird, rasch abgekühlte Bandstücke und aus diesen mittels thermischer Umformung ein Magnet hergestellt wird (verwiesen sei auf Druckschrift [2]: R. W. Lee; Applied Physics Letters, Band 46 (8), 15. April 1985, Seite 790, sowie auf die Druckschriften EP 0 108 474 A2 und EP 0 144 112 A1);(2) a method in which by means of a centrifugal casting Apparatus for producing an amorphous alloy ver is used, rapidly cooled tape pieces and from these means thermoforming a magnet is made (directed be on paper [2]: R.W. Lee; Applied Physics Letters, Vol. 46 (8), April 15, 1985, page 790, as well as to the Documents EP 0 108 474 A2 and EP 0 144 112 A1);
- (3) ein Verfahren, bei dem eine mechanische Ausrichtungs behandlung an den nach dem obigen Verfahren (2) hergestellten Bandstücken ausgeführt wird, und zwar mittels einer zweistufigen Warmpreßtechnik (siehe die schon erwähnte Druckschrift [2] sowie insbesondere EP 0 133 758 A2).(3) a method in which a mechanical alignment Treatment on the prepared according to the above method (2) Band pieces is carried out, by means of a two-stage Hot pressing technique (see the already mentioned publication [2] and in particular EP 0 133 758 A2).
Bei dem Sinterverfahren nach (1) wird ein Legierungsblock der bevorzugten Zusammensetzung Nd₁₅B₈Fe₇₇ durch Schmelzen und Gießen hergestellt und der Legierungsblock dann zu einem feinen Pulver mit einem Teilchendurchmesser von etwa 3 µm verarbeitet. Das Pulver wird mit dem Bindemittel geknetet, das als Formadditiv dient, und zum Erhalt eines Formkörpers in einem Magnetfeld unter Druck geformt. Der Formkörper wird eine Stunde bei etwa 1100°C in einer Argonatmosphäre gesintert und danach auf Raumtemperatur abgeschreckt. Nach dem Sintern wird der Körper bei etwa 600°C wärmebehandelt und dadurch die Eigenkoerzitivkraft erhöht.In the sintering method of (1), an alloy block of the preferred composition Nd₁₅B₈Fe₇₇ by melting and Poured and the alloy block then turned into one fine powder with a particle diameter of about 3 microns processed. The powder is kneaded with the binder, which serves as a molding additive, and for obtaining a molded article in a magnetic field under pressure. The shaped body becomes a Hour sintered at about 1100 ° C in an argon atmosphere and then quenched to room temperature. After sintering will be the body is heat treated at about 600 ° C and thereby the Eigencentric force increased.
Bei dem Verfahren (2) werden mit Hilfe der Schleudergießvor richtung, die mit einer optimalen Substratgeschwindigkeit schleudert, abgeschreckte Bandstücke einer R-Fe-B-Legierung der allgemeinen Formel R100-x(TM1-yBy)x hergestellt (50x90, 5y10). In dieser allgemeinen Formel bezeichnet TM ein Übergangsmetall, insbesondere Fe oder eine Mischung aus Fe und Co. Die auf diese Weise hergestellten Bandstücke haben eine Dicke von 30 µm und setzen sich aus einer Ansammlung von Körnern zusammen, deren Durchmesser 0,1 µm oder weniger beträgt. Diese Bandstücke sind zerbrechlich und magnetisch isotrop, da die Körner isotrop verteilt sind. Die Bandstücke werden zu Teilchen geeigneter Größe zerkleinert und unter Druck geformt. Bei einem Druck von etwa 700 MPa wird das Material auf 85 Volumenprozent verdichtet.In the method (2) quenched pieces of tape of an R-Fe-B alloy of the general formula R 100-x (TM 1 -y B y ) x are produced by means of the centrifugal casting apparatus which flings at an optimum substrate speed (50 × 90, 5y10). In this general formula, TM denotes a transition metal, especially Fe or a mixture of Fe and Co. The pieces of tape thus produced have a thickness of 30 μm and are composed of a collection of grains whose diameter is 0.1 μm or less , These pieces of tape are fragile and magnetically isotropic because the grains are isotropically distributed. The tape pieces are crushed into particles of suitable size and molded under pressure. At a pressure of about 700 MPa, the material is compressed to 85% by volume.
Beim Verfahren (3) werden die abgeschreckten Bandstücke in eine Graphitform oder eine andere geeignete Hochtemperaturform gegeben, die in Vakuum oder einer inerten Gasatmosphäre auf etwa 700°C vorgeheizt wurde. Wenn die Temperatur der Bandstücke auf einen vorbestimmten Wert angestiegen ist, werden sie einem unidirektionalen Druck ausgesetzt und zu einem zusammenhängenden Körper gepreßt. Temperatur und Zeit sind nicht beschränkt, obwohl eine Temperatur von 725±250°C und ein Druck von ungefähr 140 MPa zur Erzielung einer ausreichenden Plastizität günstig sind. Die Körner des Magneten sind in Druckrichtung ausgerichtet.In the method (3), the quenched band pieces in a graphite mold or other suitable high temperature mold given in vacuum or an inert gas atmosphere preheated to about 700 ° C. When the temperature of the Band pieces has risen to a predetermined value, be they are exposed to unidirectional pressure and become one pressed together contiguous body. Temperature and time are not limited, although a temperature of 725 ± 250 ° C and a pressure of about 140 MPa to achieve a sufficient Plasticity are favorable. The grains of the magnet are aligned in the printing direction.
Unter Verwendung einer Form größeren Querschnitts erfolgt dann eine weitere Warmpreßbehandlung, und zwar im allgemeinen bei einer Temperatur von 700°C und einem Druck von 70 MPa für eine Dauer von einigen Sekunden. Die Dicke des Materials ist dann auf die Hälfte der ursprünglichen Dicke verringert und eine magnetische Ausrichtung parallel zur Preßrichtung eingeführt, wodurch die Legierung anisotrop wird.Using a larger cross-sectional shape then occurs another hot press treatment, generally at a temperature of 700 ° C and a pressure of 70 MPa for a Duration of a few seconds. The thickness of the material is then reduced to half the original thickness and one magnetic alignment introduced parallel to the pressing direction, whereby the alloy becomes anisotropic.
Man nennt dieses Verfahren das "zweistufige Warmpreßverfahren". Mit ihm werden anisotrope Magnete des R-Fe-B-Typs hoher Dichte geschaffen.This process is called the "two-stage hot pressing process". With it, anisotropic R-Fe-B type magnets become higher Dense created.
Hierbei ist es günstig, den Teilchendurchmesser der Körner der Bandstücke, die ursprünglich durch Schleuderguß hergestellt wurden, etwas kleiner als den Korndurchmesser zu machen, bei dem die maximale Eigenkoerzitivkraft auftritt. In gewissem Ausmaß werden nämlich die Körner während der Warmpreß behandlung gröber, so daß, wenn sie vorher kleiner sind als der optimale Durchmesser, sie nach der Warmpreßbehandlung optimal sind.It is favorable, the particle diameter of the grains of Pieces of tape originally made by centrifugal casting were to make something smaller than the grain diameter at the maximum inherent coercive force occurs. In a certain way In fact, the grain size during the hot pressing will become great treatment coarser, so that if they are smaller beforehand as the optimum diameter, they after hot pressing treatment are optimal.
Mit den erwähnten bekannten Techniken werden Magnete des R-Fe- B-Typs hergestellt, jedoch besitzen diese Techniken einige Nachteile.With the mentioned known techniques, magnets of the R-Fe B-type, but these techniques have some Disadvantage.
Beim Sinterverfahren (1) muß die Legierung zu feinem Pulver geschliffen bzw. gemahlen werden. Legierungen des R-Fe-B-Typs sind jedoch gegenüber Sauerstoff außerordentlich aktiv, so daß ihr Pulver besonders leicht oxidiert. Deshalb wird die Sauerstoffkonzentration im Sinterkörper unvermeidlich hoch.In the sintering process (1), the alloy must be fine powder be ground or ground. Alloys of the R-Fe-B type However, they are extremely active towards oxygen, so that their powder oxidized particularly easily. That is why the Oxygen concentration in the sintered body inevitably high.
Wenn das Pulver zu einem Körper geformt wird, bedarf es eines Additivs wie beispielsweise Zinkstearat. Obwohl solch ein Additiv vor dem Sinterprozeß entfernt wird, bleibt eine gewisse Menge des Additivs in der Form von Kohlenstoff im Magnet zurück. Der Kohlenstoff beeinträchtigt die magnetischen Eigenschaften eines R-Fe-B-Magneten stark.When the powder is formed into a body, it needs one Additive such as zinc stearate. Although such a Additive is removed before the sintering process remains one certain amount of the additive in the form of carbon in the Magnet back. The carbon affects the magnetic Properties of an R-Fe-B magnet strong.
Der nach dem Preßformen unter Zusatz des Formadditivs er haltene Rohling ist leicht zerbrechlich und schwer zu handhaben. Es ist daher sehr mühsam, diese Rohlinge in gutem Zustand in den Sinterofen zu bringen, was einen deutlichen Nachteil dar stellt. Zur Herstellung von Sintermagneten des R-Fe-B-Typs sind deshalb teure Anlagen erforderlich. Außerdem ist die Produktivität extrem niedrig, was zu hohen Herstellungskosten dieser Magnete führt. Das Sinterverfahren (1) ist daher nicht zufriedenstellend, da die an sich niedrigen Rohmaterialkosten für diese Art von Magneten durch die hohen Herstellungskosten kompensiert werden.The after the compression molding with the addition of the molding additive he holding blank is easily fragile and difficult to handle. It is therefore very tedious to keep these blanks in good condition bring the sintering furnace, which is a significant disadvantage provides. For the production of sintered magnets of the R-Fe-B type Therefore, expensive equipment is required. In addition, the Productivity extremely low, resulting in high production costs these magnets leads. The sintering method (1) is therefore not Satisfactory because of the inherently low raw material costs for this type of magnet due to the high production costs be compensated.
Bei den Verfahren (2) und (3) wird eine Vakuumschleuder gießvorrichtung verwendet, die derzeit wenig produktiv und teuer ist.In the methods (2) and (3) becomes a vacuum spinner used, which is currently not very productive and is expensive.
Nach dem Verfahren (2) hergestellte Magnete haben einen schlechten Temperaturkoeffizienten und sind unvorteilhaft für die praktische Verwendung.Magnets produced by the method (2) have a bad temperature coefficient and are unfavorable for practical use.
Im Verfahren (3) wird die Warmbearbeitung (Warmpressen) in zwei Stufen ausgeführt. Dieses Verfahren ist jedoch sehr ineffizient. Die EP 0 133 758 A2 beschreibt, daß Warmpreßversuche auch an massiven Legierungsblöcken vorgenommen wurden. Dabei sei zwar eine signifikante Richtungsabhängigkeit der Remanenz, nicht aber die an sich erwartete Verbesserung der Koerzitivkraft erzielt worden. Dies wird darauf zurückgeführt, daß die Korngröße im massiven Legierungsblock zu groß sei und das Warmpressen für einen solchen daher ungeeignet. In the process (3), the hot working (Hot pressing) in two stages. This However, the process is very inefficient. EP 0 133 758 A2 describes that Hotpreßversuche also on massive Alloy blocks were made. It is indeed a significant directional dependence of remanence, but not the expected improvement in coercive force Service. This is attributed to the fact that the grain size in massive alloy block is too big and hot pressing for such therefore unsuitable.
Aus dem Buch von Suren Cedigian "Die magnetischen Werkstoffe, Grundlagen, Eigenschaften, Anwendungen", VDI-Verlag GmbH, 1973, S. 28-35, ist es bekannt, daß verschiedene Magnetmaterialien wie Vicalloy, Remendur, Kobalt-Gold- Legierungen, Kobalt-Eisen-Beryllium-Legierungen, Chrom-Nickel- Legierungen, Cunife- und Cunico-Legierungen und Comalloy verschieden verarbeitet werden. So ist ausgeführt, daß die als Remendur bekannte Eisen-Kobalt-Legierung geschmolzen, in Barren gegossen, warm geschmiedet und gewalzt, sodann auf 925°C erhitzt und in kaltem Salzwasser abgeschreckt wird. Durch diese Behandlung werde das Material weich und könne dann durch Kaltwalzen oder Ziehen auf geringe Abmessungen reduziert werden. Nach der mechanischen Beanspruchung wird das Material etwa zwei Stunden lang bei 600°C angelassen. Andere Materialien wie beispielsweise Kupfer-Nickel-Eisen-Legierungen werden zur Verbesserung der magnetischen Eigenschaften kaltverformt.From the book of Suren Cedigian "The Magnetic Materials, Fundamentals, Properties, Applications ", VDI-Verlag GmbH, 1973, pp 28-35, it is known that various Magnetic materials such as Vicalloy, Remendur, Cobalt-Gold Alloys, cobalt-iron-beryllium alloys, chromium-nickel Alloys, Cunife and Cunico alloys and Comalloy be processed differently. So it is stated that the as Remendur known iron-cobalt alloy melted in Ingots poured, hot forged and rolled, then opened Heated to 925 ° C and quenched in cold salt water. Through this treatment, the material is soft and then could reduced to small dimensions by cold rolling or drawing become. After mechanical stress, the material becomes tempered for about two hours at 600 ° C. Other Materials such as copper-nickel-iron alloys are used to improve the magnetic properties cold formed.
Aus der DE 31 49 924 A1 ist für eine Sm, Cu, Fe und wenigstens ein Element aus der Gruppe Zr, Ti, Hf, Nb und V enthaltende Magnetlegierung ein Verfahren bekannt, durch Gießen der Schmelze ein Stengelmakrogefüge zu erzielen.From DE 31 49 924 A1 is for a Sm, Cu, Fe and at least an element from the group Zr, Ti, Hf, Nb and V containing Magnetic alloy a method known by casting the Melt a stem macrostructure to achieve.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zu schaffen, mit dem Dauermagnete der genannten Art unter geringen Kosten her gestellt werden können, die gute Eigenschaften besitzen.The object of the invention is to provide a method with the permanent magnets of the type mentioned at low cost ago can be put, the good features have.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren mit den Merkmalen im Patentanspruch gelöst. This object is achieved by a method with the Characteristics in the claim solved.
Bei den Legierungen gemäß Anspruch wird der Gußblock durch Warmbearbeitung feinkörnig und magnetisch anisotrop. Durch die nachfolgende Wärmebehandlung werden hohe Werte der Koerzitivkraft erzielt.In the alloys according to claim the ingot is fine-grained by hot working and magnetically anisotropic. The subsequent heat treatment becomes high Values of coercive force achieved.
Wegen des feinen Korns wird darüber hinaus die Koerzitivkraft des warmbearbeiteten und wärmebehandelten Gußblocks relativ hoch. Because of the fine grain, moreover, the coercive force of the heat treated and heat treated Gußblocks relatively high.
Die Erfindung macht von der Verkleinerung des Korns durch Warmbearbeitung Gebrauch. Es ist relativ leicht, das Korn der R₂Fe₁₄B-Verbindung im gegossenen Zustand etwa gleich groß wie das durch Sintern erzielbare zu machen. Wird nun ein Gußblock, der die R₂Fe₁₄B-Phase dieser Korngröße enthält, warmbearbeitet, dann wird das Korn kleiner und ausgerichtet.The invention proceeds from the reduction of the grain Hot working use. It is relatively light, the grain of the R₂Fe₁₄B compound in the cast state about the same size as to make that achievable by sintering. Now a cast block, containing the R₂Fe₁₄B phase of this grain size, Warm worked, then the grain is smaller and aligned.
Zuerst wurden Legierungen, deren Zusammensetzung in Tabelle 1 aufgeführt ist, in einem Induktionsofen geschmolzen und zur Bildung von Stengelzonen in eine Form gegossen. Nach Durchführen der Warmbearbeitung mit einem Umformungsgrad von etwa 50% oder mehr (Pressen in diesem Beispiel) wurde der Gußblock bei einer Temperatur von 1000°C für 24 Stunden wärmebehandelt, um ihn magnetisch zu härten. Nach der Wärmebehandlung lag der mittlere Korndurchmesser der Probe bei etwa 15 µm.First, alloys whose composition is shown in Table 1 is melted in an induction furnace and to Formation of stem zones poured into a mold. To Performing the hot working with a degree of deformation of about 50% or more (pressing in this example) was the ingot at a temperature of 1000 ° C for 24 Heat treated for a few hours to magnetically harden it. After Heat treatment was the average grain diameter of the sample included about 15 μm.
Die Eigenschaften der erhaltenen Magnete sind in Tabelle 2 aufgeführt.The properties of the obtained magnets are shown in Table 2 listed.
Was den Gußmagneten anbelangt, werden (BH)max und iHc durch die Warmbearbeitung stark vergrößert. Dies liegt daran, daß die Körner durch die Warmbearbeitung ausgerichtet werden und die Quadratform der BH-Kurve erheblich verbessert wird.As far as the casting magnet is concerned, (BH) max and iHc pass through the hot working greatly increased. This is because the grains are aligned by the hot working and the square shape of the BH curve is significantly improved.
Claims (1)
- (a) Herstellen einer Schmelze einer Legierung
aus einer der folgenden Zusammensetzungen:
Pr₈Fe₈₈B₄
Pr₁₄Fe₈₂B₄
Pr₂₀Fe₇₆B₄
Pr₂₅Fe₇₁B₄
Pr₁₄Fe₈₄B₂
Pr₁₄Fe₈₀B₆
Pr₁₄Fe₇₈B₈
Pr₁₄Fe₇₂Co₁₀B₄
Pr₁₄Fe₅₇Co₂₅B₄
Pr₁₄Fe₄₂Co₄₀B₄
Pr₁₄Dy₂Fe₈₁B₄
Pr₁₄Fe₈₀B₄Si₂
Pr₁₄Fe₇₈Al₄B₄
Pr₁₄Fe₇₄Al₈B₄
Pr₁₄Fe₇₀Al₁₂B₄
Pr₁₄Fe₆₇Al₁₅B₄
Pr₁₄Fe₇₈Mo₄B₄
Nd₁₄Fe₈₂B₄
Ce₃Nd₃Pr₈Fe₈₂B₄
Nd₁₄Fe₇₆Al₄B₄ - (b) Gießen der Schmelze zur Bildung von Stengelzonen in eine Form zum Erhalt eines Gußblocks, unter Ausschluß eines Gußblocks, dessen kleinste Abmessung kleiner ist als 11 mm,
- (c) Warmbearbeiten des Gußblocks mit einem Umformungsgrad von etwa 50% oder mehr zur Erzielung eines feinen Kristallkorns des Gußblocks und zur Ausrichtung der Kornachsen in eine spezielle Richtung, und
- (d) Wärmebehandlung des Gußblocks bei einer Temperatur von 1000°C für 24 h, wonach der Gußblock einen mittleren Korndurchmesser von etwa 15 µm aufweist.
- (a) preparing a melt of an alloy of one of the following compositions: Pr₈Fe₈₈B₄
Pr₁₄Fe₈₂B₄
Pr₂₀Fe₇₆B₄
Pr₂₅Fe₇₁B₄
Pr₁₄Fe₈₄B₂
Pr₁₄Fe₈₀B₆
Pr₁₄Fe₇₈B₈
Pr₁₄Fe₇₂Co₁₀B₄
Pr₁₄Fe₅₇Co₂₅B₄
Pr₁₄Fe₄₂Co₄₀B₄
Pr₁₄Dy₂Fe₈₁B₄
Pr₁₄Fe₈₀B₄Si₂
Pr₁₄Fe₇₈Al₄B₄
Pr₁₄Fe₇₄Al₈B₄
Pr₁₄Fe₇₀Al₁₂B₄
Pr₁₄Fe₆₇Al₁₅B₄
Pr₁₄Fe₇₈Mo₄B₄
Nd₁₄Fe₈₂B₄
Ce₃Nd₃Pr₈Fe₈₂B₄
Nd₁₄Fe₇₆Al₄B₄ - (b) pouring the melt to form stem zones into a mold to obtain a ingot, excluding a ingot whose smallest dimension is less than 11 mm,
- (c) hot working the ingot having a degree of deformation of about 50% or more to obtain a fine crystal grain of the ingot and aligning the grain axes in a particular direction, and
- (d) heat treating the ingot at a temperature of 1000 ° C for 24 hours, after which the ingot has an average grain diameter of about 15 μm.
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