DE4026796A1 - Anisotroper permanentmagnet und verfahren zu dessen herstellung - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft im allgemeinen einen Permanentmagneten mit einer magnetischen Anisotropie und insbesondere einen anisotropen Permanentmagneten, der aus einem Seltenerden und Eisen enthaltenen flockigen Legierungspulver als Ausgangsstoff hergestellt ist, den man durch Anwendung eines Flüssigkeitsabkühlverfahrens (liquid quenching) erhält, und eine hohe Restmagnet­ flußdichte und eine hohe thermische Stabilität aufweist.

Die vorliegende Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zur Herstellung des anisotropen Permanentmagneten der zuvor beschriebenen Art.

Einige verschiedene Verfahren zur Herstellung von aniso­ tropen Permanentmagneten mit derselben Zusammensetzung sind bereits veröffentlicht worden. Eines dieser Verfah­ ren ist beispielsweise in der japanischen Offenlegungs­ schrift 61-34 242, veröffentlicht in 1986, offenbart worden und ist im allgemeinen als pulvermetallurgisches Verfahren bekannt. Ein anderes dieser Verfahren ist beispielsweise in der japanischen Offenlegungsschrift 60-1 00 402, veröffentlicht in 1985, offenbart worden und ist im allgemeinen als Heißpreß- und Form-Stauch-Verfah­ ren (die-upset-method) bekannt, wobei ein Flüssigkeits­ abkühlverfahren als erster Verfahrensschritt verwendet wird. Mit Hilfe dieser beiden Verfahren kann ein aniso­ troper Permanentmagnet mit einem BHmax in einem Bereich von 30 bis 40 MGOe hergestellt werden.

Was die temperaturabhängige Demagnetisierung des Perm­ anentmagneten angeht, gibt es im allgemeinen zwei Arten: eine reversible Demagnetisierung und eine nicht-reversi­ ble Demagnetisierung. Die reversible Demagnetisierung wird ausgedrückt durch die Temperatureigenschaft ΔBr/Br×1/ΔT der Restmagnetflußdichte Br und ist dem Curie-Punkt der zugehörigen Legierung zugeordnet. Wäh­ rend beispielsweise ein anisotroper Magnet der Sm-Co- Art-0,04%/°C aufweist, weist der herkömmliche aniso­ trope Magnet der Nd-Art -0,19%/°C bei einer Nd-Fe-B- Legierung auf, die bei -0,18%/°C liegt, einem Wert, den der Ferritmagnet aufweist. Der Curie-Punkt dieser Nd- Fe-B-Legierung liegt bei 310°C. Deshalb sind Versuche erfolgt, die Temperatureigenschaft des anisotropen Mag­ neten der Nd-Art durch Erhöhung des Curie-Punktes der darin enthaltenen Legierung zu verbessern. Beispielswei­ se wurde gefunden, daß der Curie-Punkt erhöht werden kann, wenn ein Teil des Fe durch Co ersetzt wird. Das Verhältnis zwischen der Menge an Co und dem Curie-Punkt ist in Fig. 7 dargestellt. Somit führt der Austausch eines Teils des Fe durch Co zu einer Verbesserung der reversiblen Demagnetisierung, die ausreicht, um eine relativ gute Möglichkeit zu schaffen, eine hohe Tempera­ tur innerhalb des Bereiches von beispielsweise 100 bis 120°C anzulegen.

Die nicht-reversible Demagnetisierung wird ausgedrückt durch die Temperatureigenschaft der Eigenkoerzitivkraft. Da eine bloße Verbesserung des Curie-Punktes nicht aus­ reichend ist und sie sich auf den absoluten Wert der Eigenkoerzitivkraft Hcj bezieht (ein Beispiel hierfür ist in Fig. 8 gezeigt), ist der Curie-Punkt je höher oder der Anfangswert der Eigenkoerzitivkraft je größer, desto besser die Temperatureigenschaft ΔHcj/HcJ×1/ΔT der Eigenkoerzitivkraft ist. (Es sei angemerkt, daß diese Schlußfolgerung zutrifft, wenn der Magnet als flockiges Magnetpulver ausgebildet ist, das durch Anwen­ dung eines Flüssigkeitsabkühlverfahrens schnell gehärtet und anschließend durch Anwendung einer geeigneten Hitze­ behandlung auf eine Kristallpartikelgröße innerhalb eines Bereiches von 40 bis 400 nm gebracht worden ist.) Wenn ein anisotroper Magnet aus dem zuvor beschriebenen Pulvermaterial durch Anwendung des Heißpreß-Verfahrens oder des Form-Stauch-Verfahrens hergestellt worden ist, wird dennoch die Eigenkoerzitivkraft von 17 kOe, einem Wert, den das isotropische Pulver, das als Ausgangsstoff für den anisotropen Magneten verwendet wurde, vor der Herstellung des Magneten aufwies, auf einen Wert von 10 kOe nach dessen Herstellung reduziert, und in ähnlicher Weise wird das Verhältnis ΔHcj/Hcj×1/ΔT von -0,35 bis 0,4%/°C vor der Herstellung auf -0,58 bis 0,6%/°C nach der Herstellung reduziert. Die Herstellung des anisotro­ pen Magneten bewirkt demnach sowohl die Reduzierung der Koerzitivkraft als auch die Reduzierung der Temperatur­ eigenschaft. Trotz der Tatsache, daß bei Raumtemperatur der herkömmliche anisotropische Magnet der Nd-Art dem anisotropischen Magneten der Sm-Co-Art überlegen ist, kann der anisotrope Magnet der Nd-Art seine Überlegen­ heit nicht länger behalten und wird schlechter als der anisotrope Magnet der Sm-Co-Art, wenn er bei einer hohen Temperatur von 100 bis 120°C verwendet wird. Deshalb ist der anisotropische Magnet der Nd-Art in seiner Verwen­ dung eingeschränkt.

Deshalb ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die zuvor beschriebenen Probleme zu überwinden und einen verbesserten anisotropischen Permanentmagneten der Nd- Art zu schaffen, welcher preiswert ist und exzellente Temperatureigenschaften aufweist. Ferner ist es Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zur Herstellung eines sol­ chen anisotropen Permanentmagneten der Nd-Art zu schaf­ fen.

Der erfindungsgemäße anisotropische Permanentmagnet besitzt eine Legierung aus R-Fe-Co-B, wobei R mindestens eines der Nd enthaltenden Seltenerden-Elemente reprä­ sentiert. Die Legierung enthält 13 bis 15 Atom-% von R, 10 bis 20 Atom-% von Co, 5 bis 7 Atom-% von B und Fe als Rest.

Vorzugsweise ist die R-Fe-Co-B-Legierung in flockiger oder pulveriger Form ausgebildet, die kristallisiert ist.

Um den anisotropen Permanentmagneten der zuvor beschrie­ benen Art herzustellen, wird die flockige oder pulver­ förmige Legierung erhitzt, indem sie einer elektrischen Entladung unterworfen oder eine elektrische Spannung an sie angelegt wird, während einseitig wirkender Druck gleichzeitig mit der Erhitzung angelegt wird, um das Material zu verfestigen.

Der durch das erfindungsgemäße Verfahren hergestellte anisotrope Permanentmagnet ist dadurch gekennzeichnet, daß die Relativdichte 95% oder mehr, die Restmagnet­ flußdichte mindestens 9,5 kG oder mehr, die Eigenkoer­ zitivkraft mindestens 10 kOe oder mehr, der Temperatur­ koeffizient der Restmagnetflußdichte -0,09%/°C oder weniger und der Temperaturkoeffizient der Eigenkoerzi­ tivkraft -0,5%/°C oder weniger beträgt.

Vorzugsweise ist ein Mechanismus für die Koerzitivkraft des erfindungsgemäßen anisotropen Permanentmagneten von einer Nadelbildungs-Art (pinning type).

Bei der Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die pulverförmige R-FE-Co-B-Legierung mit Hilfe des jouleschen Effektes, welcher durch die Entladung oder die Anlegung der elektrischen Spannung verstärkt wird, auf eine bestimmte Temperatur erhitzt, bei welcher sie weich wird. Durch Anwendung des einseitig wirkenden Druckes wird die erhitzte Legierung auf eine hohe Dichte zusammengepreßt, wobei sie plastisch deformiert wird, wodurch sie eine magnetische Anisotropie erhält. Da die Mittel zur Erhitzung der pulverförmigen Legierung die Gleichstromquelle aufweisen, kann die pulverförmige Legierung bereits auf die bestimmte Temperatur in einer relativ kurzen Zeitdauer erhitzt werden, wobei das Kristallwachstum konsequenterweise eingeschränkt wird. Deshalb findet während der Magnetisierung ein Nadelbil­ dungs-Phänomen (pinning phenomenon) statt, wodurch der sich daraus ergebende anisotrope Permanentmagnet eine nadelförmige Koerzitivkraft (pinned coercive force) erhält. Es ist darauf hinzuweisen, daß, wenn die Rela­ tivdichte des Permanentmagneten geringer als 95% ist, die plastische Deformation während des Erhitzens und des Zusammendrückens kaum stattfinden und der sich daraus ergebende Permanentmagnet eine magnetische Anisotropie nicht besitzen würde. Dementsprechend wird gemäß der Erfindung eine Relativdichte ausgewählt, die nicht niedriger als 95% ist.

Co ist eine der wichtigen Komponenten der Legierung, welche bei Anwendung der Erfindung eingesetzt wird, wodurch der Curie-Punkt der Legierung erhöht werden kann und ebenfalls die Temperatureigenschaft der Restmagnet­ flußdichte und die der Koerzitivkraft verbessert werden können. Im Hinblick darauf, daß sich die Erfindung zum Ziel gesetzt hat, einen Permanentmagneten mit exzellen­ ten Temperatureigenschaften zu schaffen, bildet die Hinzufügung von Co einen der wichtigen Faktoren der Erfindung.

Obwohl die Temperatureigenschaft des erfindungsgemäßen Permanentmagneten verbessert werden kann, falls eine relativ große Menge an Nd verwendet wird oder der Curie- Punkt relativ hoch ist (d.h., eine relativ große Menge an Co verwendet wird), kann eine Vergrößerung der Menge von Nd und Co zu einer entsprechenden Reduzierung der Menge von Fe führen und die Restmagnetflußdichte Br wird schließlich herabgesenkt werden. Deshalb sollte bei Anwendung der Erfindung verwendete Menge von Nd und Co sorgfältig bestimmt werden.

Soweit es im Hinblick auf das zuvor Gesagte die Menge des verwendeten Nd betrifft, wird Hcj einen Maximalwert erreichen, wenn die Menge von Nd 13,5 Atom-% beträgt. In Hinblick auf die Eigenkoerzitivkraft und die Bearbeit­ barkeit ist die Verwendung von Nd mit einer Menge von nicht weniger als 13 Atom-% erforderlich, während im Hinblick auf die Restmagnetflußdichte die Verwendung von Nd mit einer Menge von nicht größer als 15 Atom-% erfor­ derlich ist.

Was die Menge an Co angeht, ist ein Wert von nicht klei­ ner als 10 Atom-% im Hinblick auf den Curie-Punkt erfor­ derlich, wie in Fig. 7 gezeigt ist, während ein Wert von nicht größer als 20 Atom-% im Hinblick auf Hcj erforder­ lich ist.

Bezüglich der Menge an B ist die Verwendung von nicht weniger als 5 Atom-% und nicht mehr als 7 Atom-% im Hinblick auf die magnetischen Eigenschaften und die Bearbeitbarkeit erforderlich.

Ferner ist der erfindungsgemäße Permanentmagnet gekenn­ zeichnet durch eine mikrokristalline Struktur, die durch die Steuerung von Kristallpartikeln entstanden ist; und deshalb ist die Struktur der Koerzitivkraft auf eine Nadelbildungs-Art (pinning type) begrenzt. Da ebenfalls die Erhitzung in einer relativ kurzen Zeitdauer bei Anwendung der Erfindung durchgeführt wird, kann der Ausgangsstoff entweder als flockiges Pulver mit einer feinkristallinen Struktur, die teilweise einen amorphen Stoff enthält, oder als flockiges Pulver ausgebildet sein, das kritallisiert worden ist. Im Hinblick auf die Aufgabe der Erfindung, einen preiswerten Permanentmagne­ ten zu schaffen, erfordert ferner die Verwendung von amorphen Stoff enthaltendem flockigem Pulver eine rela­ tiv lange Zeitdauer zur Kristallisation während der Herstellung des Permanentmagneten, wobei die Verarbei­ tungszeit verlängert wird, was zu einem Ansteigen der Herstellungskosten führt; und deshalb wird die Anwendung von kristallisiertem flockigen Pulver empfohlen.

Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 einen Graph, der die Demagnetisie­ rungseigenschaften eines Perma­ nentmagneten zeigt, der gemäß Beispiel 1 hergestellt worden ist;

Fig. 2 schematisch ein Verfahren zur Herstellung eines Permanentmagne­ ten;

Fig. 3 einen Graph, der die anfänglichen Demagnetisierungseigenschaften des Permanentmagneten zeigt, der gemäß Beispiel 1 hergestellt worden ist;

Fig. 4 einen Graph, der die Demagnetisie­ rungseigenschaften eines Perma­ nentmagneten zeigt, der gemäß einem Vergleichsbeispiel 1 herge­ stellt worden ist;

Fig. 5 einen Graph, der die anfänglichen Demagnetisierungseigenschaften eines Permanentmagneten zeigt, der gemäß dem Vergleichsbeispiel 1 hergestellt worden ist;

Fig. 6 einen Graph, der die Demagnetisie­ rungseigenschaften eines Perma­ nentmagneten zeigt, der gemäß einem Vergleichsbeispiel 2 herge­ stellt worden ist;

Fig. 7 einen Graph, der das Verhältnis zwischen der Menge an verwendetem Co und dem Curie-Punkt der verwen­ deten Legierung zeigt; und

Fig. 8 einen Graph, der das Verhältnis zwischen dem Curie-Punkt und der Temperatureigenschaft ΔHcj/Hcj×1/ ΔT der Koerzitivkraft zeigt.

Beispiel 1

Eine Legierung mit 13 Atom-% von Nd und/oder Pr, 17,8 Atom-% von Co und 5,8 Atom-% von B mit Eisen als Rest wurde, nachdem es geschmolzen worden ist, abgekühlt, um sich zu verfestigen, und anschließend verarbeitet, um als flockiges Pulver ausgebildet zu werden. Das flockige Pulver der Legierung wurde anschließend hitzebehandelt, um die Kristallgröße auf einen Wert innerhalb des Berei­ ches von 40 bis 400 nm zu bringen.

Unter Verwendung einer Formvorrichtung, die gemäß Fig. 2 eine einen Hohlraum bildende Form 1, die einen Hohlraum mit einem Innendurchmesser von 20 rm besitzt und aus Keramik hergestellt ist, und ein Paar von Elektroden­ stempeln 2 und 2′ aufweist, welche in den Hohlraum in der Form 1 bewegbar eingesetzt sind, um einen Formraum 3 zu bilden, wurde das wie zuvor beschrieben präparierte flockige Pulver in den Formraum 3 gefüllt. Anschließend wurde ein Druck von 50 kgf/cm² an die elektromagneti­ schen Stempel 2 und 2′ angelegt, und der Formraum 3 wurde auf 10^-1-10^-2 Torr evakuiert. Anschließend wurde eine Gleichspannung von 20 V für 60 s bei einer Impuls­ breite von 40 ms angelegt, direkt gefolgt von der Zufüh­ rung eines Gleichstroms von 1,5 kA für 40 bis 60 s; und gleichzeitig wurde der auf die elektromagnetischen Stem­ pel 2 und 2′ wirkende Druck auf 300 kgf/cm² erhöht. Dementsprechend hat die Temperatur des flockigen Pulvers innerhalb des Formraums 3 schließlich einen Wert von 700 bis 750°C erreicht. Nach Abkühlung konnte man einen Permanentmagneten mit einem Außendurchmesser von 20 rm und einer Permeanzkonstanten Pc von etwa 1 erhalten. Die Dichte dieses so erhaltenen Permanentmagneten betrug 7,70 g/cm³. Die Demagnetisierungseigenschaften dieses Permanentmagneten bei Raumtemperatur sind in dem Graph von Fig. 1 dargestellt, in dem eine Kurve 10 den Wert, der in einer Richtung parallel zu der Richtung gemessen ist, in der der Magnet zusammengedrückt worden ist, und eine Kurve 12 den Wert repräsentiert, der in einer Rich­ tung rechtwinklig zu der Richtung gemessen worden ist, in der der Magnet zusammengepreßt worden ist, und man eine Kurve 14 erhält, wenn durch Anwendung eines Vibra­ tions-Proben-Meßverfahren (Vibration Sample Measuring Method) der Magnet bei Pc ≈ 1 und 50 kOe magnetisiert worden ist, während dasselbe Ausgangsmaterial wie in diesem Beispiel verwendet wurde. Wenn die thermischen Demagnetisierungseigenschaften ΔBr/Br×1/ΔT und ΔHcj/Hcj×1/ΔT des bei diesem Beispiel erhaltenen Permanentmagneten mit Hilfe des Vibrations-Proben-Meß­ verfahrens gemessen wurden, wurde gefunden, daß der ΔBr/Br×1/ΔT-Wert 0,07%/°C und der ΔHcj/Hc×1/ΔT- Wert -0,48%/°C betrug. Ebenfalls betrug das bei Raum­ temperatur gemessene maximale Energieprodukt dieses Permanentmagneten 25,2 MGOe. Wenn eine anfängliche Mag­ netisierungskurve für diesen Permanentmagneten bestirmt wurde, konnte man solch eine Kurve erhalten, wie sie im Graph von Fig. 3 gezeigt ist. Aus dem Graph von Fig. 3 wird deutlich, daß der Mechanismus für die Koerzitiv­ kraft des Permanentmagneten gemäß diesem Beispiel sich von derjenigen eines herkömmlichen Magneten unterschei­ det, welche anhand eines Vergleichsbeispiels 1 noch diskutiert wird und in Fig. 1 gezeigt ist, jedoch gegen­ über der anfänglichen Magnetisierungskurve des in diesem Beispiel benutzten Ausgangsstoffes ähnlich ist; und deshalb wurde gefunden, daß der erfindungsgemäß herge­ stellte Permanentmagnet von einer Nadelbildungs-Art (pinning type) ist.

Beispiel 2

Ein flockiges Pulver, dessen einer Teil amorph ist, erhielt man durch Abkühlung einer Legierung mit dersel­ ben Zusammensetzung wie im vorangegangenen Beispiel 1. Das Vorhandensein einer amorphen Komponente in dem flo­ ckigen Pulver wurde nachgewiesen, als das Ausmaß, um das das flockige Pulver kristallisiert worden ist, durch Bestrahlung mit Röntgenstrahlen geprüft wurde. Durch Verwendung eines solchen flockigen Pulvers konnte man einen Permanentmagneten mit einem Außendurchmesser von 20 mm und einem Pc ≈ 1 wie bei dem vorangegangenen Bei­ spiel 1 erhalten.

Der gemäß Beispiel 2 hergestellte Permanentmagnet besaß eine Dichte von 7,69 g/cm³ und solche magnetischen Eigen­ schaften bei Raumtemperatur wie Br = 10,3 kG, Hcj = 14,7 kOe, H = 8,85 kOe und BHmax = 23,6 MG0e und solche Tem­ peratureigenschaften wie ΔBr/Br×1/ΔT = -0,07%/°C und ΔHcj/Hcj×1/ΔT = -0,47%/°C.

Vergleichsbeispiel 1

Unter Verwendung einer Legierung mit derselben Zusammen­ setzung wie beim Beispiel 1 erhielt man ein flockiges Pulver, das teilweise eine amorphe Komponente enthielt. Dieses flockige Pulver wurde verwendet, um einen Perma­ nentmagneten mit einem Außendurchmesser von 20 mm und einem Pc ≈ 1 gemäß dem herkörmlichen Verfahren herzu­ stellen, das in der zuvor erwähnten japanischen Offenle­ gungsschrift 60-1 00 402 offenbart ist. Die Demagneti­ sierungseigenschaften dieses Permanentmagneten bei Raum­ temperatur sind in dem Graph von Fig. 4 gezeigt, in dem eine Kurve 16 den Wert, der in einer Richtung parallel zur Richtung der Anisotropie gemessen worden ist, eine Kurve 18 den Wert, welcher in einer rechtwinkligen Rich­ tung gemessen worden ist, und eine Kurve 20 die Ergeb­ nisse der Messung des Ausgangsstoffes repräsentieren. Die Temperatureigenschaften dieses Permanentmagneten wurden mit ΔBr/Br×1/ΔT = -0,08%/°C und ΔHcj/Hcj×1/ΔT = -0,58%/°C gefunden und die Kurve der anfänglichen Magnetisierung ist in Fig. 5 gezeigt.

Vergleichsbeispiel 2

Bei Verwendung eines flockigen Pulvers von einer Legie­ rung mit derselben Zusammensetzung wie im Beispiel 1, welche vollständig kristallisiert war, wurde ein Perma­ nentmagnet nach demselben Verfahren und denselben Bedin­ gungen wie im Vergleichsbeispiel 1 hergestellt. Dieser Permanentmagnet besaß eine Dichte von 7,65 g/cm³ und eine solche Magnetisierungseigenschaft bei Raumtemperatur, wie im Graph von Fig. 6 gezeigt ist. Aus einem Vergleich mit dem Graph von Fig. 4 wird deutlich, daß Hcj deutlich verringert ist, was zeigt, daß die Kristallpartikel während der Heißpreß- und Form-Stauch-Verfahren grob geworden sind.

Aus der vorhergehenden Beschreibung wird deutlich, daß der erfindungsgemäße Permanentmagnet im Vergleich zu einem herkömmlichen anisotropischen Magnet der Sm-Co- Art aus ergiebigem Nd und/oder Pr und Fe als Hauptkompo­ nenten hergestellt ist und bei hohen Temperaturen ver­ wendet werden kann, bei welchen der herkömmliche aniso­ tropische Magnet der Nd-Art nicht arbeiten könnte. Gleichfalls wird deutlich, daß das erfindungsgemäße Verfahren in einer verkürzten Zeitdauer durchgeführt und als Ausgangsstoff kommerziell erhältliches Material zum Kleben mit Kunstharz verwendet werden kann.

Claims (4)

1. Anisotroper Permanentmagnet, der eine Legierung aus R-Fe-Co-B enthält, wobei R mindestens eines der Nd ent­ haltenden Seltenerden-Elemente repräsentiert und die Legierung 13 bis 15 Atom-% von R, 10 bis 20 Atom-% von Co, 5 bis 7 Atom-% von B und Fe als Rest enthält, dadurch gekennzeichnet, daß die Relativdichte 95% oder mehr, die Restmagnetflußdichte 9,5 kG oder mehr, die Eigenkoerzitivkraft 10 kOe oder mehr, der Temperaturko­ effizient der Restmagnetflußdichte -0,09%/°C oder weni­ ger und der Temperaturkoeffizient der Eigenkoerzitiv­ kraft -0,5%/°C oder weniger betragen.

2. Permanentmagnet nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Mechanismus für die Koerzitivkraft eine Nadelbildungs-Art ist.

3. Verfahren zur Herstellung eines anisotropen Perma­ nentmagneten, gekennzeichnet durch die Schritte,
eine flockige oder pulverförmige Komponente einer Legie­ rung aus R-Fe-Co-B herzustellen, wobei R mindestens eines der Nd enthaltenden Seltenerden-Elemente reprä­ sentiert und die Legierung 13 bis 15 Atom-% von R, 10 bis 20 Atom-% von Co, 5 bis 7 Atom-% von B and Fe als Rest enthält; und
die Komponente einer elektrischen Entladung zu unterwer­ fen oder elektrische Spannung an diese anzulegen, wäh­ rend ein einseitig wirkender Druck gleichzeitig mit der Erhitzung zum Zwecke einer Verfestigung angelegt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Komponente die R-Fe-Co- B-Legierung ist, die kristallisiert worden ist.