DE69010974T2 - Hartmagnetwerkstoff und aus diesem Werkstoff hergestellter Magnet. - Google Patents
Hartmagnetwerkstoff und aus diesem Werkstoff hergestellter Magnet.Info
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Description
- Die Erfindung bezieht sich auf einen Magnetwerkstoff, der eine hauptsächlich aus kristallinem RE&sub2;Fe&sub1;&sub7; bestehende magnetische Phase aufweist. Die Erfindung bezieht sich ebenfalls auf einen Magneten, der aus diesem magnetischen Werkstoff hergestellt ist.
- Magnetwerkstoff der obengenannten Art ist u.a. aus "Ferromagnetic Materials" Ausgang E.P. Wohlfarth und K.H.J. Buschow, Elsevier Science Publishers B.V., Heft 4 Seiten 131-209, 1988 bekannt. Insbesondere werden auf Seite 150 dieses Bezugsmaterials elf RE&sub2;Fe&sub1;&sub7;-Verbindungen dargestellt (Fig. 1, x = 1), wobei RE für die Seltenerdmetalle Ce, Pr, Nd, Sm, Gd, Dy, Er, Tm, Yb, Th und Y steht. Diese Verbindungen haben eine hexagonale Kristallstruktur von dem Th&sub2;Ni&sub1;&sub7;-Typ oder eine derselben sehr ähnliche rhomboederförmige Struktur von dem Th&sub2;Zn&sub1;&sub7;-Typ. Wegen des relativ hohen Fe-Gehalts sind diese Verbindungen im Grunde interessant zum Gebrauch als Hartmagnetwerkstoffe für Dauermagneten. Aus der genannten Figur geht jedoch hervor, daß diese RE&sub2;Fe&sub1;&sub7;-Verbindungen keine einachsige magnetische Anisotropie aufweisen. Dadurch eignen sie sich nicht zum Gebrauch als Dauermagnetwerkstoff.
- Die Erfindung hat u.a. zur Aufgabe, einen Magnetwerkstoff auf Basis von RE&sub2;Fe&sub1;&sub7;-Verbindungen mit einer relativ hohen einachsigen Anisotropie bei Raumtemperatur zu schaffen. Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, einen dauermagneten zu schaffen, der aus diesem Werkstoff hergestellt ist.
- Diese Aufgabe wird erfüllt mit einem Werkstoff der eingangs erwähnten Art, die nach der Erfindung das Kennzeichen aufweist, daß in der magnetischen Phase zwischengitterartig C gelöst ist, und zwar in einer Menge, die ausreicht um dem Magnetwerkstoff eine einachsige magnetische Anisotropie zu erteilen und daß RE zu wenigstens 70 Atom% das Seltenerdmetall Sm ist.
- Es wurde ermittelt, daß die Kristallinstruktur des RE&sub2;Fe&sub1;&sub7;-Werkstoffes sich kaum ändert, wenn darin zwischengitterartig C gelöst wird. Auf diese Weise haben auch RE&sub2;Fe&sub1;&sub7;Cx-Verbindungen eine hexagonale Kristallstruktur von dem Th&sub2;Ni&sub1;&sub7;- oder von dem Th&sub2;Zn&sub1;&sub7;-Typ. Weiterhin ist das Volumen der Einheitszelle von RE&sub2;Fe&sub1;&sub7;C nur etwa 2% größer als das der Einheitszelle von RE&sub2;Fe&sub1;&sub7;. Eine wichtige Folge davon ist daß dabei keine nennenswerte magnetische Verdünnung auftritt. Magnetische Verdünnung ist nachteilig, weil diese zu einer Verringerung der Sättigungsmagnetisierung führt. Magnetische Verdünnung würde namentlich dann auftreten, wenn in dem RE&sub2;Fe&sub1;&sub7;- Gitter C an der Stelle eines oder mehrerer Fe-Atomen steht. Anmelderin verfügt über Hinweise, daß das gelöste C gerade eine Steigerung der Sättigungsmagnetisierung verursacht.
- Weiterhin hat es sich herausgestellt, daß bei Raumtemperatur die einachsige magnetische Anisotropie derjenigen C-haltigen RE&sub2;Fe&sub1;&sub7;-Verbindungen, die keine wesentliche Menge Sm aufweisen, vernachlässigbar klein ist. Derartige Verbindungen, wie beispielsweise Gd&sub2;Fe&sub1;&sub7;C oder Y&sub2;Fe&sub1;&sub7;C weisen meistens eine sog. gleichflächige Anisotropie auf. Das heißt, daß die Anisotropierichtung des Werkstoffs nicht einachsig ist, sondern senkrecht auf der kristallographischen C-Achse steht. Dies macht sie zum Gebrauch als Hartmagnetwerkstoff für Dauermagneten ungeeignet. Es sei bemerkt, daß in J. Less-Common Met. 142 349-357 (1988) eine Anzahl Nd&sub2;Fe&sub1;&sub7;C- Verbindungen beschrieben worden sind. Diese Verbindungen haben eine gleichflächige Anisotropie, die noch größer ist als die gleichflächige Anisotropie von Nd&sub2;Fe&sub1;&sub7;.
- Eine günstige Ausführungsform des erfindungsgemäßen Magnetwerkstoffs weist das Kennzeichen auf, daß die Zusammensetzung der hartmagnetischen Phase der Formel RE&sub2;Fe&sub1;&sub7;Cx entspricht, wobei 0,5 < x < 3,0 ist. Bei sehr geringen Mengen gelöstes C, d.h. x < 0,5, ist die einachsige Anisotropie relativ klein. Für mehrere Verbindungen vom Typ Sm&sub2;Fe&sub1;&sub7;Cx, mit x > 0,5, wurde durch Röntgen-Diffraktion der magnetisch ausgerichteten Pulver dargelegt, daß die einfache Magnetisierungsachse sich parallel zu der C-Achse erstreckt. Es hat sich herausgestellt, daß wenn mehr als 3 C Atome je RE&sub2;Fe&sub1;&sub7;-einheit gelöst worden sind, mehrphasiger Werkstoff erhalten wird. In einem solchen Werkstoff ist nicht nur die erwünschte kristalline Phase mit der Th&sub2;Zn&sub1;&sub7;-Struktur, sondern es sind auch unerwünschte kristalline Phasen in einer beträchtlichen Menge vorhanden. Dadurch nimmt die einachsige Anisotropie ab. Wenn weniger als zwei C-Atome je Einheit RE&sub2;Fe&sub1;&sub7; gelöst sind, wird reiner einphasiger Werkstoff erhalten.
- Weiterhin wurde gefunden, daß bei RE&sub2;Fe&sub1;&sub7;Cx-Verbindungen die Teilgittermagnetisierung von Sm und Fe parallel ausgerichtet sind (ferromagnetische Kopplung), und daß folglich die Gesamtmagnetisierung der Summe der Teilgittermagnetisierungen entspricht. Dadurch weisen die erfindungsgemäßen RE&sub2;Fe&sub1;&sub7;Cx-Verbindungen, in denen RE aus im wesentlichen beispielsweise über 70 Atom% aus Sm besteht, einen relativ hohen Sättigungsmagnetisierungswert auf. Die höchsten Wert werden erreicht bei Verwendung von Sm&sub2;Fe&sub1;&sub7;Cx-Verbindungen. Es wurde gefunden, daß Sm&sub2;Fe&sub1;&sub7;Cx-Verbindungen mit 1,0 < x < 1,5 die größte einachsige Anisotropie aufweisen. Ein ebenfalls wichtiges Phänomen ist, daß die Lösung von C in RE&sub2;Fe&sub1;&sub7;- Verbindungen einen wesentlichen Einfluß auf den Wert der Curie-Temperatur (Tc) hat. Die Hinzufügung von 1 C-Atom je RE&sub2;Fe&sub1;&sub7;-Einheit kann zu einer Zunahme von Tc um 200 K führen. Wenn die Tc (Curie-Temperatur) des erfindungsgemäßen Magnetwerkstoffs für die beabsichtigte Anwendung dennoch zu niedrig ist, läßt sich durch Ersatz einer geringen Menge Fe (maximal 20 Atom%) durch Co ein weiterer Anstieg erzielen. Ersatz von Fe durch Ga, Ni, Si und/oder Al führt ebenfalls zu einem Anstieg der Ct. Aber der Effekt der letztgenannten Elemente auf die Tc ist weniger als der Effekt von Co.
- Ersatz von Fe durch eine geringe Menge Ni, Cu, Mn, Al, Ga und/oder Si kann zur Steigerung der Korrosionsbeständigkeit der RE&sub2;Fe&sub1;&sub7;Cx-Verbindungen erwünscht sein. Das Vorhandensein einer geringen Menge der Seltenerdmetalle Pr und/oder Nd steigert die Sättigungsmagnetisierung der RE&sub2;Fe&sub1;&sub7;Cx-Verbindungen.
- Die erfindungsgemäßen Magnetwerkstoffe lassen sich auf bekannte Weise dadurch herstellen, daß die zusammenstellen Elemente RE, Fe, ggf. Co und C zu einem Gießling zerschmolzen werden (beispielsweise durch Bogenschmelzen). Wenn hauptsächlich Sm verwendet wird, ist es wegen der relativ niedrigen Verdampfungstemperatur erwünscht, ein Übermaß (10-15 % gegenüber Sm) dieses Seltenerdmetalls zu verwenden. Der Gießling wird danach mindestens 5 Tage lang in einer Schutzatmosphäre (Schutzgas oder Vakuum) bei 900 - 1100ºC einer Glühbehandlung ausgesetzt. Der geglühte Werkstoff wird danach schnell auf Raumtemperatur gekühlt. Die geglühten Verbindungen haben dann die erwünschte hexagonale Kristallstruktur vom Th&sub2;Zn&sub1;&sub7;-Typ sowie die beabsichtigte einachsige Anisotropie.
- Aus dem gesinterten Werkstoff werden auf bekannte Weise Magneten hergestellt. Dazu wird der gesinterte Werkstoff nacheinander zu einem Pulver gemahlen, in einem Magnetfeld ausgerichtet und zu einem Magnetkörper gepreßt. Es ist ebenfalls möglich, das Magnetpulver in einem flüssigen Kunststoff zu dispergieren, die Pulverteilchen mit einem äußeren Magnetfeld auszurichten und sie daraufhin in dem Kunststoff zu fixieren.
- Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden im folgenden näher beschrieben. Es zeigen:
- Fig. 1 die Magnetisierung und &sub1;&sub1; als Funktion des zugeführten Feldes H von Sm&sub2;Fe&sub1;&sub7;C bei Raumtemperatur,
- Fig. 2 die Curie-Temperatur (Tc) als Funktion von x der hartmagnetischen Sm&sub2;Fe&sub1;&sub7;Cx-Verbindung.
- Im Bogenschmelzverfahren wurden eine Anzahl Sm&sub2;Fe&sub1;&sub7;Cx-Verbindungen zubereitet. Der Wert x lag zwischen 0,0 und 2,0. Dabei wurden die Zusammenstellungselemente in den der Strukturformel entsprechenden Mengen zusammengefügt. Wegen der schnellen Verdampfung wurde eine geringe Menge (10 Gew. %) Sm zusätzlich hinzugefügt. Die Gemische wurden mit einem Argon-Lichtbogen geschmolzen. Die zerschmolzenen Werkstoffe wurden 14 Tage lang bei 1050ºC in Vakuum geglüht. Die geglühten Werkstoffe wurden zu Pulver zermahlen. Mit Hilfe von Röntgenaufnahmen an in einem Magnetfeld ausgerichteten Pulverteilchen wurde dargelegt, daß die erhaltenen kristallinen Werkstoffe einphasig sind und daß sie eine einachsige Anisotropie aufweisen, die sich parallel zu der C-Achse der hexagonalen Kristallstruktur erstreckt.
- Die Pulverteilchen der jeweiligen Zusammensetzungen wurden nacheinander in einem Kunststoff auf Basis von Polyester dispergiert, gelöst, magnetisch ausgerichtet und fixiert. An diesen Magneten wurden die senkrechte ( ) und parallele ( &sub1;&sub1;) Magnetisierung als Funktion des angelegten Feldes H gemessen. Fig. 1 zeigt die Meßergebnisse an Sm&sub2;Fe&sub1;&sub7;C. Unter Berücksichtigung der Tatsache, daß die Ausrichtung der Magnetteilchen nicht vollständig ist und unter Berücksichtigung des Vorhandenseins von Fehlausrichtungen folgt aus einer Extrapolierung, daß das Anisotropiefeld von Sm&sub2;Fe&sub1;&sub7;C etwa 3200 kA/m (40 kOe) beträgt. Andere Meßergebnisse haben gezeigt, daß das Anisotropiefeld dieser Verbindung bei Raumtemperatur bis 53 kOe beträgt.
- Weiterhin wurde gefunden, daß bei dieser Verbindung die einfache Magnetisierungsachse über den ganzen Temperaturbereich von 4,2 K bis Tc vorhanden ist.
- Es wurden eine Anzahl RE&sub2;Fe&sub1;&sub7;Cx-Verbindungen, wobei RE für Ho, Dy, Er, Tm, Gd, Y, Yb und Nd steht und wobei 0 ≤ x ≤ 2,0 ist, auf die in den Ausführungsbeispielen beschriebene erfindungsgemäße Art und Weise hergestellt. In diesen Fällen wurde kein Übermaß RE hinzugefügt. Durch Röntgen-Diffraktion zeigt sich, daß die hergestellten Verbindungen eine hexagonale Kristallstruktur haben. Die Verbindungen haben bei Raumtemperatur keine oder keine nennenswerte einachsige Anisotropie.
Claims (4)
1. Magnetwerkstoff, der eine hauptsächlich aus kristallinem RE&sub2;Fe&sub1;&sub7;
bestehende magnetische Phase aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß in der
magnetisehen Phase zwischengitterartig C gelöst ist, und zwar in einer Menge, die ausreicht um
dem Magnetwerkstoff bei Raumtemperatur eine einachsige magnetische Anisotropie zu
erteilen und daß RE zu wenigstens 70 Atom% das Seltenerdmetall Sm ist.
2. Magnetwerkstoff nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die
Zusammensetzung der hartmagnetischen Phase der Formel RE&sub2;Fe&sub1;&sub7;Cx entspricht,
wobei 0,5 < x < 3,0 ist.
3. Magnetwerkstoff nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, daß maximal 20 % des Fe der magnetischen Phase durch Co ersetzt ist.
4. Dauermagnet mit Magnetwerkstoff nach einem der vorstehenden
Ansprüche.
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