DE3729361A1

DE3729361A1 - Optimierung der gefuegestruktur des fe-nd-b-basis sintermagneten

Info

Publication number: DE3729361A1
Application number: DE19873729361
Authority: DE
Inventors: Waldemar Draxler; Friedrich J Esper; Adolf Meller; Klaus-Dieter Dr Durst; Ernst Theo Dr Henig; Helmut Prof Dr Kronmueller; Guenter Prof Dr Petzow; Gerhard Dipl Ing Schneider
Original assignee: Robert Bosch GmbH; Max Planck Gesellschaft zur Foerderung der Wissenschaften eV
Current assignee: Robert Bosch GmbH; Max Planck Gesellschaft zur Foerderung der Wissenschaften eV
Priority date: 1987-09-02
Filing date: 1987-09-02
Publication date: 1989-03-16
Also published as: CN1032262A; WO1989002156A1

Description

Die Erfindung betrifft einen Sintermagneten auf Basis Fe-Nd-B mit verbesserten Eigenschaften und seine Herstellung.

Seit M. Sagawa in J. Appl. Phys. 55, 2083 (1984) erstmals über ein neues Permanentmagnet-Material auf Basis Nd-Fe-B berichtet hat, wurden viele Untersuchungen vorgenommen, um die Eigenschaften dieses Materials weiterhin zu verbessern. Diese Versuche beruhten auf der Tatsache, daß Magnete vom Typ Fe-Nd-B, insbesondere Sintermagnete dieser Zusammensetzung, sich bei Raumtemperatur durch besonders hohe magnetische Kennwerte auszeichnen. Diesem Vorteil steht jedoch als Nachteil gegenüber, daß ihre Temperaturbeständigkeit, hauptsächlich die Temperaturbetändigkeit der Koerzitivfeldstärke H _CJ unbefriedigend ist und die Anwendung dieser Magnete in temperaturbelasteten Maschinen verhindert. Für die technische Brauchbarkeit auf diesen Gebieten ist es daher erforderlich, diese Magnete so zu verbessern, daß sie bis 200°C auch bei starken Gegenfeldern eingesetzt werden können.

Eine der wesentlichen Ursachen für die unbefriedigenden Eigenschaften, insbesondere die niedrige Koerzitivfeldstärke im Vergleich zu der theoretisch zu erwartenden, liegt in der Existenz nicht ferromagnetischer Gefügebestandteile. Sie verursachen hohe magnetische Streufelder, durch die eine Keimbildung von unmagnetischen Domänen in der Nachbarschaft dieser unmagnetischen Einflüsse erleichtert wird. Dieser Selbstentmagnetisierungseffekt wirkt sich bei steigender Temperatur immer stärker aus, da die intrinsische Koerzitivfeldstärke mit der Temperatur stärker abnimmt als die Streufeldeffekte.

In herkömmlichen Sintermagneten mit beispielsweise der Zusammensetzung Fe₇₇Nd₁₅B₈ treten hauptsächlich 3 Phasen auf, nämlich

1. Fe₁₄Nd₂B, nachstehend als Φ-Phase bezeichnet, als Träger der magnetischen Eigenschaften,
2. Eine Nd-reiche Phase (im wesentlichen aus Nd, Nd₂O₃ und Poren bestehend) im folgenden als L-Phase bezeichnet, die oberhalb 655°C flüssig ist und sowohl eine gute Verdichtung durch Flüssigphasensintern, als auch eine magnetische Entkopplung benachbarter Φ -Körner bewirkt und
3. Fe₄NdB₄, im folgenden als η -Phase bezeichnet, die oberhalb 13 K paramagnetisch ist und daher als wesentliche Ursache für die oben erläuterten Nachteile angesehen wird.

In einem typischen bekannten Magneten der angegebenen Art beträgt beispielsweise der Volumenanteil der η -Phase 5 bis 8%, der Anteil der L -Phase etwa 10% und der Rest besteht aus der ferromagnetischen Φ -Phase.

Nach Ansicht der Fachwelt läßt sich die Bildung der unerwünschten η -Phase bei der Herstellung von Fe-Nd-B- Magneten nicht verhindern, muß also das unvermeidbar in Kauf genommen werden (R. K. Mishra, J. Appl. Phys. 59, 2244 (1986)).

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, die magnetischen Eigenschaften von Sintermagneten vom Fe-Nd-B-Typ zu verbessern und insbesondere die Koerzitivfeldstärke als solche und deren Temperaturabhängigkeit zu verbessern und auch die Remanenz zu steigern.

Gelöst wird diese Aufgabe erfindungsgemäß durch einen Sintermagneten auf Basis Fe-Nd-B, der dadurch gekennzeichnet ist, daß sein Gefüge frei ist von Fe₄NdB₄-Körnern (η -Phase), die größer als 0,5 µm sind und seine Zusammensetzung bei Sintertemperatur im 2-Phasengebiet Fe₁₄Nd₂B (Φ-Phase) und Nd-reiche, oberhalb 655°C flüssige Phase (L -Phase) liegt.

Durch das Fehlen größerer η -Körper im erfindungsgemäßen Sintermagneten gelingt es, die oben angegebenen magnetischen Eigenschaften wesentlich zu verbessern.

Nach dem bisher bekannten ternären Phasendiagramm des Fe-Nd-B-Systems (K. H. J. Buschow et al., Philips J. Res. 40, 230 (1985)) konnte ein 2-Phasen-Gebiet L + Φ bei Sintertemperatur nicht existieren. Nunmehr wurde jedoch überraschenderweise gefunden und hierauf beruht die Erfindung, daß tatsächlich ein 2-Phasen-Gebiet bei Sintertemperatur auftritt und es möglich ist, die Zusammensetzung für die Magnetlegierung so zu wählen, daß sie bei Sintertemperatur von etwa 1000 bis 1080°C in diesem 2-Phasen-Gebiet liegt. Fig. 1 zeigt dieses neue Phasendiagramm in Form eines isothermen Schnitts bei 1060°C, wobei das erwähnte 2-Phasen-Gebiet gestrichelt eingezeichnet ist. Bei einer Sintertemperatur von 1060°C müssen demzufolge zweiphasige Legierungen in ihrer Zusammensetzung in dem Dreieck liegen, das von folgenden Punkten aufgespannt wird:
Fe₈₂,₃Nd₁₁,₈B₅,₉,
Fe₅₈,₅Nd₃₈B₃,₅,
Fe₆₀,₅Nd₂₇B₁₂,₅.

Erfindungsgemäße Sintermagnete dieser Zusammensetzung werden daher bevorzugt.

Erfindungsgemäße, im 2-Phasen-Gebiet bei Sintertemperatur liegende Magnete bilden beim Abkühlen von der Sintertemperatur nur sehr kliene η-Körner im Gefüge. Durch das Fehlen der bisher unvermeidlichen großen η -Körner werden die verbesserten Eigenschaften erzielt. Die Fig. 2a und 2b zeigen den Unterschied in der Gefügestruktur zwischen den bekannten Magneten (2 a) und den erfindungsgemäßen Magneten (2 b). Die Zusammensetzung des Magneten von Fig. 2a entspricht der Formel Fe₇₇Nd₁₅B₈. Die Φ -Phase ist hell, die η -Phase ist grau, die L -Phase ist schwarz wiedergegeben. Der Magnet von Fig. 2b entspricht der Zusammensetzung Fe₇₅Nd₁₈,₅B₆,₅. Hier ist das Auftreten der grauen η -Phase nicht mehr erkennbar. Dieser Sintermagnet der Zusammensetzung Fe₇₅Nd₁₈,₅B₆,₅ weist bei Raumtemperatur typisch folgende Eigenschaften auf:
Remanenz B _r = 1,1 T
Koerzitivfeldstärke H _CJ = 1040 kA/m.

Diese Werte sind typisch für die erfindungsgemäßen Sintermagneten und weichen von den für die oben angegebene spezielle Zusammensetzung in der Regel nicht mehr als 5% nach oben und unten ab.

Der besondere Vorteil der erfindungsgemäßen Sintermagnete liegt in einem wesentlich verbesserten Temperaturkoeffizienten der Koerzitivfeldstärke der magnetischen Polarisation H _CJ. So liegt dieser Koeffizient bei den bekannten Magneten über -0,7 bis -0,9%/K, bei den erfindungsgemäßen Magneten dagegen bei -0,5%/K, wobei mit einer Abweichung von 0,1%/K nach oben und unten gerechnet werden kann je nach Zusammensetzung.

Die erfindungsgemäßen Sintermagnete können außer den essentiellen Bestandteilen Fe-Nd-B auch noch weitere Elemente zulegiert enthalten. Insbesondere kann als Legierungsbestandteil eines oder mehrere der Elemente Co, Al, Dy, Tb und C in den aus der Literatur bekannten Mengen vorliegen, um Eigenschaften wie Kristallanisotropie, Curie-Temperatur und magnetisches Moment zu beeinflussen. Bevorzugt kann der erfindungsgemäße Sintermagnet 0 bis 20 At.-% Co, 0 bis 15 At.-% Al, 0 bis 20 At.-% Dy, 0 bis 20 At.-% Tb und 0 bis 12,5 At.-% C enthalten.

Die generelle Überlegenheit der erfindungsgemäßen 2-phasigen Magnete auch bei Zulegierung eines oder mehrerer der oben genannten zusätzlichen Elemente ist aus Fig. 3 ersichtlich, wo die Temperaturabhängigkeit der Koerzitivfeldstärke von 3 Fe-Nd-B-Basismagnete nach dem Stand der Technik ohne Zusatzelement, bzw. mit Zusatz von Al oder Dy mit den entsprechend zusammengesetzten erfindungsgemäßen Magneten verglichen wird. Die 3phasigen Magnete des Standes der Technik haben die Zusammensetzung Nd₁₅Fe₇₇B₈, Nd₁₅(Fe₇₅Al₂)B₈ und Nd₁₃,₅Dy₁,₅Fe₇₇B₈. Die entsprechenden erfindungsgemäßen 2-phasigen Magnete besitzen die Zusammensetzung
Nd₁₈,₅Fe₇₅B₆,₅, Nd₁₈,₅(Fe₇₃Al₂)B₆,₅ und
Nd₁₆,₆₅Dy₁,₈₅Fe₇₅B₆,₅.

Die Herstellung der erfindungsgemäßen Sintermagneten erfolgt ausgehend von einer Vorlegierung, beispielsweise von einer Zusammensetzung der reinen Komponenten (Reinheit 99% oder besser) in an sich bekannter Weise aus pulvermetallurgischem Wege. Bevorzugt wird die Herstellung durchgeführt, indem man an eine Pulvermischung der Komponenten ein Magnetfeld senkrecht zur Preßrichtung anlegt, das Pulver axial zu einem Grünling verpreßt und den Grünling in Inertgasatmosphäre, vorzusgsweise Edelgasatmosphäre, bei einer Temperatur von 1040 bis 1080°C sintert und danach bei 500 bis 700°C anläßt.

Für die Herstellung der Pulvermischung der Komponenten eignet sich beispielsweise eine WC-CO-Vibrationskugelmühle in Edelgasatmosphäre. Durch Anlegen eines Magnetfelds von vorzugsweise 0,4 bis 0,6 T senkrecht zur Preßrichtung wird das Pulver ausgerichtet und dann axial verpreßt. Der Preßdruck beträgt vorzugsweise 500 bis 800 MPa, besonders bevorzugt 450 bis 550 MPa.

Das Sintern selbst erfolgt bevorzugt im Bereich 1050 bis 1070°C und dauert je nach den angewendeten Bedingungen dann etwa 0,5 bis 3 Stunden. Das abschließende Anlassen, welches im allgemeinen bei 500 bis 700°C und bevorzugt bei 550 bis 650°C durchgeführt wird, dauert in der Regel 0,2 bis 4 Stunden.

Claims

1. Sintermagnete auf Basis Fe-Nd-B, dadurch gekennzeichnet, daß ihr Gefüge frei ist von Fe₄NdB₄-Körnern (η-Phase), die größer als 0,5 µm sind und ihre Zusammensetzung bei Sintertemperatur im 2-Phasengebiet Fe₁₄Nd₂B (Φ-Phase) und Nd-reiche, oberhalb 655°C flüssige Phase (L-Phase) liegt.

2. Sintermagnete nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch Zusammensetzungen, die in dem Dreieck liegen, das von den Punkten Fe₈₂,₃Nd₁₁,₈B₅,₉,Fe₅₈,₅Nd₃₈B₃,₅ und Fe₆₀,₅Nd₂₇B₁₂,₅ aufgespannt wird.

3. Sintermagnet nach Anspruch 1 und 2, gekennzeichnet durch die Zusammensetzung Fe₇₅Nd₁₈,₅B₆,₅.

4. Sintermagnet nach einem der Ansprüche 1 bis 3, gekennzeichnet durch einen Temperaturkoeffizienten der Koerzitivfeldstärke der magnetischen Polarisation H _CJ im Bereich von 10 bis 110°C bei -0,5%/K.

5. Sintermagnet nach Anspruch 3, gekennzeichnet durch einen Remanenz B _R von 1,1 ± 5% T und eine Koerzitivfeldstärke H _CJ von 1040 ± 5% kA/m bei Raumtemperatur.

6. Sintermagnet nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß er wenigstens ein Element aus der Gruppe Co, Al, Dy, Tb und C enthält.

7. Sintermagnet nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, er 0 bis 20 At.-% Co, 0 bis 15 At.-% Al, 0 - 20 At.-% Dy, 0 bis 20 At.-% Tb und 0 bis 12,5 At.-% C enthält.