DE3850011T2

DE3850011T2 - Verfahren zur Herstellung von magnetisch anisotropem Magnetmaterial aus Nd-Fe-B.

Info

Publication number: DE3850011T2
Application number: DE3850011T
Authority: DE
Inventors: Katsunori Iwasaki; Yasuto Nozawa; Shigeho Tanigawa
Original assignee: Hitachi Metals Ltd
Current assignee: Proterial Ltd
Priority date: 1987-09-10
Filing date: 1988-03-08
Publication date: 1994-10-06
Anticipated expiration: 2008-03-09
Also published as: JPS6469006A; DE3850011D1; EP0306599A2; EP0306599B1; EP0306599A3; JPH07105301B2; US4985086A

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Herstellung eines magnetisch anisotropen Nd-Fe-B-Magnetmaterials mit einer großen Koerzitivkraft und magnetischem Energieprodukt durch Verdichten eines Rohlings und dessen Behandlung, so daß er eine magnetische Anisotropie aufweist, wobei der Rohling durch Kaltformung von Flocken bzw. Schuppen oder Pulvern erhalten wird, die dadurch erhalten werden, daß man ein magnetisches Nd-Fe-B- Band pulverisiert, das durch eine Schnellabschreckmethode gebildet wurde.
Es ist, wie in JP-C-61-34242 offenbart, bekannt, einen gesinterten Nd-Fe-B-Magneten dadurch herzustellen, daß man einen Barren durch Schmelzen eines Gemischs aus Nd, Fe, B und erforderlichenfalls zusätzlichen Elementen herstellt, ihn zur Bildung von Pulver pulverisiert, sintert und wärmebehandelt. Es ist ferner bekannt, daß ein Nd-Fe-B-Magnet dadurch mit einer hohen Koerzitivkraft versehen werden kann, daß man die Kristallkörner verkleinert, beispielsweise bis auf eine mittlere Korngröße von etwa 0,01 bis 0,5 um. Dieser feinkristalline Nd-Fe-B-Magnet ist beispielsweise in EP-A-0 133 758 offenbart. Es ist auch offenbart, daß das Gesenkstauchen den Magneten mit einer magnetischen Anisotropie versehen kann, aber es ist nicht offenbart, wie ein gepreßter Pulverkörper mit feinkristallinen Körnern wirksam zu einem verdichteten Körper mit magnetischer Anisotropie umgeformt werden kann, und welche Verformung durch Stauchen die magnetischen Eigenschaften des verdichteten Körpers erhöhen kann.

ZIEL UND ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Die vorliegende Erfindung zielt darauf ab, ein Verfahren zum wirksamen Herstellen eines magnetisch anisotropen Nd- Fe-B-Magneten der im wesentlichen feinkristallinen Art bereitzustellen. Genauer gesagt, sie zielt darauf ab, ein magnetisch anisotropes Nd-Fe-B-Magnetmaterial mit hoher Koerzitivkraft und magnetischer Energie vorzusehen, indem man die Verdichtung eines gepreßten Pulverkörpers ausführt und dieser magnetische Anisotropie verleiht, und zwar wirksamer als mit herkömmlichen Verfahren. Ein anderes Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, eine Vorrichtung zum Herstellen eines magnetisch anisotropen Nd-Fe-B-Magneten durch Stauchen auf eine solche Weise vorzusehen, daß man eine solche endgültige Form bildet, wie einen Feldmagneten für Sprech- bzw. Schwingspulen (voice coils) (meist fächerförmig), einen Feldmagneten für Generatoren (meist bogensegmentförmig), einen Feldmagneten für Lautsprecher (meist kringelförmig) oder einen Feldmagneten für flache Motoren (meist kreisförmig).
Um die obigen Ziele zu erreichen, sieht die vorliegende Erfindung das Verfahren vor, das in Anspruch 1 umrissen ist.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Fig. 1 ist eine Ansicht, die die Schritte gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung zeigt;
Fig. 2 ist ein Diagramm, das den Einfluß der Verdichtungstemperatur auf die Koerzitivkraft zeigt;
Fig. 3 ist ein Diagramm, das die Zuordnung zwischen der Spannungsgeschwindigkeit und magnetischen Eigenschaften zeigt;
Fig. 4 ist ein Diagramm, das Zuordnungen ähnlich denen der Fig. 3 für einen Magneten aus Nd&sub1;&sub4;Fe&sub8;&sub0;B&sub6; zeigt;
Fig. 5 ist ein Diagramm, das die Entmagnetisierungskurven für die gestauchten Magneten (Nd&sub1;&sub4;Fe&sub8;&sub0;B&sub6;) der vorliegenden Erfindung zeigt;
Fig. 6 ist ein Diagramm, das die Entmagnetisierungskurven des Magneten "a" (Nd&sub1;&sub4;Fe&sub7;&sub7;B&sub8;Ga&sub1;) der vorliegenden Erfindung zeigt;
Fig. 7 ist eine Ansicht, die ein der Art nach gesondertes Gesenk zeigt, um einen gestauchten Magneten gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung zu entnehmen; und
Fig. 8 ist eine Ansicht, die eine Gesenkvorrichtung mit einem der Art nach getrennten oberen Stößel gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung zeigt.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG

In Hinsicht auf die Zusammensetzung des magnetischen Materials haben Pr und Nd im wesentlichen dieselben Wirkungen, so daß ein Teil des Nd oder das gesamte durch Pr ersetzt werden kann. Ein Ersatz eines Teils des Nd durch Dy oder Tb liefert einen feinkristallinen Magneten mit besonders hoher Koerzitivkraft und hervorragender thermaler Stabilität. Insbesondere ist x 0 bis 0,3, wenn A Dy oder Tb ist.
Wenn die Gesamtheit aus Nd und dem A-Element kleiner ist als 11 Atom-%, kann keine ausreichende eigene Koerzitivkraft iHc erhalten werden, und wenn sie 18 Atom-% überschreitet, dann nimmt das Br ab. Deshalb beträgt sie 11 bis 18 Atom-%.
Wenn B kleiner ist als 4 Atom-%, dann kann eine R&sub2;Fe&sub1;&sub4;B- Phase, eine Hauptphase der Legierung der vorliegenden Erfindung, nicht voll ausgebildet werden, was eine niedrige magnetische Restflußdichte Br und eigene Koerzitivkraft iHc ergibt. Wenn andererseits B 11 Atom-% überschreitet, tritt eine magnetisch unerwünschte Phase auf, die zu der Abnahme in Br führt. Deshalb beträgt B 4 bis 11 Atom-%.
Durch Ersetzen eines Teiles des Fe durch Co kann die Curie-Temperatur der Legierung gesteigert werden, was die Temperaturänderung der Rest-Magnetflußdichte hiervon verringert.
Wenn die Menge an Co, die den Ersatz für Fe bildet (y), 0,3 überschreitet, dann ist die Curie-Temperatur erhöht, aber die Anisotropiekonstante der Hauptphase nimmt ab, was es schwierig macht, ein hohes iHc zu erreichen. Deshalb beträgt y 0,3 oder weniger.
M ist eines oder mehrere Elemente, die sich unterscheiden von Nd, Dy, Pr, Fe, Tb, Co und B und ist bevorzugt Ga, Zr, Hf, Nb, Ta, Si, Zn, Al oder Ti. Wenn die Menge (z) des zusätzlichen Elements M 3 Atom-% überschreitet, dann findet eine hohe Abnahme in Br statt. Somit beträgt z 3 oder weniger. Im übrigen kann die Legierung der vorliegenden Erfindung Nb enthalten, das von Ferrobor abstammt.
In der vorliegenden Erfindung nimmt, wenn die mittlere Größe der Feinkristallkörner in der Legierung 0,5 um überschreitet, die iHc der Legierung ab und ihr irreversibler Verlust des Flusses bei 160ºC wird 10% oder größer, was ihre thermale Stabilität außerordentlich senkt. Wenn andererseits die mittlere Größe kleiner als 0,01 um ist, dann ist die iHc ebenfalls gering und außerstande, den gewünschten Permanentmagneten zu ergeben. Deshalb ist die mittlere Größe der feinkristallinen Körner in der Legierung begrenzt auf 0,01 bis 0,5 um.
Bei der vorliegenden Erfindung kann das flockige oder puderige Ausgangsmaterial durch die folgenden Verfahren hergestellt werden.
Als erstes wird eine Legierung mit einer vorbestimmten Zusammensetzung hergestellt durch Hochfrequenzschmelzen oder Lichtbogenschmelzen usw., und die Legierung wird rasch abgeschreckt, um Flocken bzw. Schuppen zu bilden. Das rasche Abschrecken kann entweder durch ein Einzelwalzverfahren oder ein Doppelwalzverfahren ausgeführt werden, und die Materialien für die Walze können Fe, Cu usw. sein. Wenn Cu für die Walze benutzt wird, ist es bevorzugt mit Cr plattiert. Das rasche Abschrecken wird in einer Inertgasatmosphäre, wie etwa Ar, He usw., durchgeführt, um die Oxidation der Legierung zu verhindern. Die resultierenden Flocken bzw. Schuppen werden bis auf 100 bis 200 um oder dergleichen pulverisiert. Das somit gebildete grobe Pulver wird bei Raumtemperatur gepreßt, um einen Rohling zu liefern.
Der Rohling wird in den Hohlraum eines Gesenks 3 zur Verdichtung eingesetzt, wie in Fig. 1 gezeigt, und wird durch Hochfrequenzbeheizung bei Temperaturen zwischen 600ºC und 850ºC gehalten. Er wird durch Anheben eines unteren Stößels 4 verdichtet und bis zu einer Stauchposition durch Anheben des unteren Stößels 4 angehoben, während er durch eine Hochfrequenz-Heizeinrichtung 2 erhitzt wird, und dann bei Temperaturen von 600 bis 850ºC durch Absenken eines oberen Stößels 1 gestaucht, während der untere Stößel 4 ortsfest gehalten wird. Wenn die Verdichtung des Rohlings unzulänglich ist, dann kann keine magnetische Anisotropie durch Gesenkstauchen in vollem Umfang erhalten werden. Es ist somit wesentlich, die Verdichtung bei 600 bis 850ºC durchzuführen, um einen gepreßten Körper zu erzeugen, der eine verhältnismäßig kleine Kristallkorngröße hat. Wenn die Verdichtungstemperatur niedriger ist als 600ºC, dann hat der zu pressende Rohling gegenüber der Verformung einen zu hohen Widerstand, was die Verdichtung schwierig macht. Wenn sie andererseits 850ºC überschreitet, dann wachsen die Kristallkörner zu sehr, was zu einer außerordentlichen Abnahme in der eigenen Koerzitivkraft iHc führt. Fig. 2 zeigt, wie die Koerzitivkraft sich in Abhängigkeit von der Verdichtungstemperatur im gepreßten Pulverkörper aus Nd&sub1;&sub4;Fe&sub8;&sub0;B&sub6; ändert. Für Legierungen, bei denen die vorliegende Erfindung angewandt wird, werden die Verdichtung und das Gesenkstauchen bevorzugt bei 700 bis 760ºC durchgeführt. Wie in Fig. 1(c) und (d) gezeigt ist, kann das Stauchen des gepreßten Körpers bei 600 bis 850ºC, insbesondere bei 700 bis 760ºC, eine anisotrope flache Platte liefern. In diesem Fall beeinflußt die Absenkgeschwindigkeit des oberen Stößels, wie schnell nämlich Spannung auf den gepreßten Körper aufgebraucht wird, in hohem Umfang die magnetischen Eigenschaften der resultierenden Magnetlegierung.
Die Spannungsgeschwindigkeit ist hier als h/h&sub0; definiert, wobei h die Strecke des oberen Stößels ist, um die dieser in der Sekunde abgesenkt wird, und h&sub0; die Höhe des gepreßten Körpers ist. Die magnetischen Eigenschaften hängen von der Spannungsgeschwindigkeit ab, wie in Fig. 3 gezeigt. Wenn die Spannungsgeschwindigkeit zu klein ist, dann wird ein Zyklus des Stauchvorganges zu lang. Sie beträgt somit bevorzugt etwa 1·10&supmin;&sup5;/s oder mehr. Wenn sie andererseits zu schnell ist, dann folgt eine außerordentliche Abnahme in der Rest-Magnetflußdichte Br(4πIr). Somit beträgt sie bevorzugt etwa 1·10&supmin;¹/s oder weniger. Noch weiter bevorzugt kann bei einer Spannungsgeschwindigkeit von zwischen etwa 4·10&supmin;&sup4;/s und etwa 4x10&supmin;²/s ein magnetisch anisotropes Magnetmaterial mit großem magnetischen Energieprodukt durch Stauchen erreicht werden.
Falls erforderlich, kann die resultierende flache Platte einer Wärmebehandlung mit einer raschen Abschreckung nach dem Erwärmen auf 600 bis 800ºC unterzogen werden, um ihre iHc zu erhöhen.
Durch Auswählen einer geeigneten Form des Gesenkhohlraums zum Bewirken des Stauchens kann ein magnetisch anisotroper, gestauchter Magnet in Form einer Scheibe, eines Kringels oder eines Fächers erzeugt werden.
Die flache Platte kann pulverisiert werden, um Pulver für anisotrope, mit Harz verkittete Magneten zu bilden.
Die vorliegende Erfindung wird im einzelnen durch die folgenden Beispiele noch näher beschrieben.

Beispiel 1

Eine Nd&sub1;&sub4;Fe&sub8;&sub0;B&sub6;-Legierung wurde durch Lichtbogenschmelzung hergestellt und durch ein Einzelwalzverfahren in einer Ar- Atmosphäre zu Flocken bzw. Schuppen verformt. Die Flocken, die bei einer Walzen-Umfangsgeschwindigkeit von 30 m/s erhalten wurden, wiesen eine unregelmäßige Gestalt mit einer Dicke von etwa 30 um auf. Durch Röntgenstrahlbeugung hat sich herausgestellt, daß sie aus einem Gemisch aus einer amorphen Phase und einer feinkristallinen Phase zusammengesetzt waren. Diese Flocken wurden bis auf 32 mesh oder weniger pulverisiert und durch Gesenkpressen zu einem Rohling geformt. Der Preßdruck betrug 0,6 kbar und es wurde kein Magnetfeld angelegt. Der Rohling hatte einen Durchmesser von etwa 15 mm und eine Höhe von etwa 30 mm, und die Dichte des Rohlings betrug 8,5 g/cm³. Dieser Rohling 51 wurde in einen Hohlraum 80 eingesetzt, wie in Fig. 1 gezeigt, und bei 700ºC unter Druck (etwa 0,2 kbar) mittels des unteren Stößels 4 gepreßt, um einen gepreßten Körper 52 mit etwa 15 mm Durchmesser und etwa 20 mm Höhe zu liefern. Dieser gepreßte Körper 52 hatte eine Dichte von 7,4 g/cm³, die ausreichend hoch war, verglichen mit der theoretischen Dichte von 7,5 g/cm³. Während man die Hochfrequenzbeheizung fortsetzte, wurde er durch Anheben des unteren Stößels 4 angehoben, und nachdem die obere Oberfläche 89 des unteren Stößels die obere Fläche der Bohrung 90 erreicht hatte, wurde der obere Stößel 1 abgesenkt, um diesen gepreßten Körper 53 bei 700ºC zu verdichten, um seine Stauchung durchzuführen, um ein scheibenförmiges, magnetisch anisotropes Magnetmaterial 54 mit einem Durchmesser von etwa 40 mm zu liefern. Durch Veränderung der Absenkgeschwindigkeit des oberen Stößels wurden Zuordnungen zwischen der Spannungsgeschwindigkeit und den magnetischen Eigenschaften untersucht. Die Ergebnisse sind in Fig. 4 gezeigt, worin der Ausdruck "H.T." die magnetischen Eigenschaften der Legierung bezeichnet, die mit Wasser nach dem Gesenkstauchen bei 690ºC 30 Minuten lang abgekühlt wurde.
Als Ergebnis der Untersuchung der Herstellungsbedingungen wurden zwei Arten von Magnetmaterialien mit den Magnetisierungskurven, wie sie in Fig. 5 gezeigt sind, durch ordnungsgemäße Arbeitsbedingungen erhalten. Das Verdichtungsverhältnis h&sub0;/h wurde bei 3,5 oder mehr festgesetzt.

Beispiel 2

Bei der Legierungszusammensetzung von Nd&sub1;&sub4;Fe&sub7;&sub7;B&sub8;M&sub1; wurde das Beispiel 1 wiederholt, um einen gestauchten Magneten mit magnetischen Eigenschaften zu erzeugen, wie er in der folgenden Tabelle gezeigt ist. Tabelle Wirkungen verschiedenartiger Zusatzelemente Zusatzelement
Der Ga enthaltende Magnet wurde ferner hinsichtlich der Zusammensetzung, der Arbeitsbedingungen und der Wärmebehandlungsbedingungen untersucht. Der Nd&sub1;&sub4;Fe79,25B&sub6;Ga0,75- Magnet mit der Magnetisierungskurve "a", der durch Heißpressen bei 620ºC, Stauchen bei 675ºC und Wärmebehandlung eine Stunde lang bei 650ºC und dann Abkühlen in Wasser erhalten wurde, ist in Fig. 6 gezeigt. Die Kurve "b" zeigt den Magneten, der durch Pulverisieren des Magneten "a" in einer Scheibenmühle bis auf 105 bis 250 um und dessen Verdichtung hergestellt wurde.

Beispiel 3

Wie in Fig. 7 gezeigt ist, kann mit einem konzentrisch teilbaren Gesenk 3' der gestauchte Magnet 54 mühelos durch gleichzeitiges Anheben des unteren Stößels 4 und eines inneren Gesenks 1 entfernt werden. Bei einem konzentrisch teilbaren oberen Stößel 1', der in Fig. 8 gezeigt ist, kann der gebildete Magnet der Seite nach nach Anheben des oberen Stößels entnommen werden. Als ein weiteres Ausführungsbeispiel kann das Gesenk eine Anzahl von Stufen an der Oberseite aufweisen, um ein mehrstufiges Stauchen auszuführen.
Wie oben im einzelnen beschrieben wurde, kann die vorliegende Erfindung ein magnetisch anisotropes Nd-Fe-B-Magnetmaterial mit einer hohen Koerzitivkraft und einem hohen magnetischen Energieprodukt liefern. Es werden auch die folgenden Wirkungen erreicht:
(1) Verglichen mit einem Verfahren, bei dem das Stauchen nach dem Ersetzen eines Gesenks nach dem Verdichten während des Erwärmens durchgeführt wird, ist der Arbeitswirkungsgrad sehr hoch, was Zeit und Energie spart.
(2) Im Fall der Durchführung des Stauchens durch Auswechseln eines Gesenks nach dem Verdichtungsschritt wird unvermeidlich die Temperatur des gepreßten Körpers gesenkt, was zur Abnahme in den magnetischen Eigenschaften führt, insbesondere der eigenen Koerzitivkraft iHc des resultierenden Magnets, und zwar aus unbekannten Gründen, aber eine solche Verschlechterung der magnetischen Eigenschaften findet bei der vorliegenden Erfindung im wesentlichen nicht statt.
(3) Bei einer Gesenkanordnung der gesonderten Art kann das gestauchte Magnetmaterial mit guten Eigenschaften mit höherem Wirkungsgrad erzeugt werden.

Claims

1. Verfahren zur Herstellung von magnetisch anisotropem Nd-Fe-B-Magnetmaterial mit einer mittleren Kristallkorngröße von 0,01 bis 0,5 um, mit den folgenden Schritten:

Erzeugen eines Rohlings durch Pressen eines flockigen bzw. eines schuppigen oder pulverigen Materials, das aus einer amorphen Legierung und/oder einer feinkristallisierten Legierung besteht, die dargestellt ist durch die Formel

(Nd1-xAx)&sub1;&sub1;&submin;&sub1;&sub8;(Fe1-yCo)balB&sub4;&submin;&sub1;&sub1;Mz,

wobei 0 ≤ x ≤ 1; y ≤ 0,3; z ≤ 3; M mindestens ein Element mit Ausnahme von Nd, Dy, Pr, Fe, Tb, Co und B darstellt; und A mindestens eines der Elemente Dy, Pr und Tb darstellt,

Pressen des Rohlings bei einer Temperatur von 600 bis 850ºC unter Benutzung eines Gesenks (3), das eine Durchgangsbohrung aufweist, einen unteren Stößel (4), der in die Bohrung eingeführt ist, und einen oberen Stößel (1), und

Stauchen des gepreßten Körpers bei einer Temperatur von 600 bis 850ºC, um ihn mit magnetischer Anisotropie zu versehen, dadurch gekennzeichnet, daß ein Gesenk (3) benutzt wird, bei welchem der obere Stößel (1) einen größeren Durchmesser hat als die Bohrung im Gesenk;

daß der Schritt des Pressens durch Anheben des unteren Stößels (4) durchgeführt wird,

daß der gepreßte Körper nach dem Schritt des Pressens durch weiteres Anheben des unteren Stößels (4) angehoben wird, und

daß die Schritte des Pressens und Stauchens durchgeführt werden, während die Temperatur des Körpers ständig bei der genannten Temperatur von 600 bis 850ºC gehalten bleibt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, worin M eines oder mehrere Elemente darstellt, die ausgewählt sind aus Ga, Zr, Hf, Nb, Ta, Si, Zn, Al und Ti.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, worin die Preßtemperatur und die Stauchtemperatur jeweils im Bereich von 700 bis 760ºC liegen.

4. Verfahren nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 3, worin beim Schritt des Stauchens das genannte Magnetmaterial mit einer Spannungsgeschwindigkeit von etwa 1·10&supmin;&sup5;/s bis etwa 1·10&supmin;¹/s, bevorzugt etwa 4·10&supmin;&sup4;/s bis etwa 4·10&supmin;²/s, plastisch verformt wird.

5. Verfahren nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 4, worin sowohl der Schritt des Pressens als auch der Schritt des Stauchens unter verringertem Druck von 13 Pa oder weniger ausgeführt werden.

6. Verfahren nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 5, worin der Schritte des Stauchens mit einem geeigneten Gesenk mit einer solchen Form durchgeführt wird, daß ein fächerförmiges, bogensegmentförmiges oder kringelförmiges Magnetmaterial gebildet wird.

7. Verfahren nach irgendeinem der Ansprüche l bis 6, worin der genannte gepreßte Körper eine Dichte aufweist, die 95% oder mehr seiner theoretischen Dichte beträgt.

8. Vorrichtung zur Herstellung eines magnetisch anisotropen Nd-Fe-B-Magnetmaterials, mit

einem Gesenk (3) mit einer sich durch dieses erstreckenden Bohrung,

einem oberen Stößel (1) und einem unteren Stößel (4), die innerhalb der Bohrung des genannten Gesenks (3) axial beweglich sind,

einem vom Gesenk (3) sowie vom oberen und unteren Stößel (1, 4) festgelegten Hohlraum (80),

einer Einrichtung (2) zum Beheizen eines gepreßten Körpers aus Nd-Fe-B bei einer Temperatur von 600 bis 850ºC, und

einer luftdichten Einrichtung, um den gepreßten Körper unter verringertem Druck zu halten, dadurch gekennzeichnet, daß der obere Stößel (1) einen größeren Durchmesser hat als die Bohrung des genannten Gesenks (3) und bis in eine Lage beweglich ist, in welcher er die genannte Bohrung verschließt.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, worin das Gesenk und/oder der obere Stößel aus gesonderten, koaxialen, zylindrischen Teilen (3, 3'; 1, 1') hergestellt ist bzw. sind.

10. Vorrichtung nach Anspruch 8 oder 9, worin das Gesenk an seiner Oberseite eine Anzahl konzentrischer Abstufungen aufweist, und eine Anzahl oberer Stößel mit unterschiedlichen Durchmessern vorgesehen ist.