DE6943845U - Dauermagnet. - Google Patents

Description

Dauermagnet

In der Technik besteht ein laufender Bedarf an verbesserten Dauermagneten, die eine höhere Feldstärke liefern, eine bessere Permanenz aufweisen, leichter und weniger kostspielig sind. l.üt der Verkleinerung elektri= scher und elektronischer Bauteile ist dieser Bedarf sprunghaft angestiegen und es ist heute mehr denn je erforderlich, äußerst kräftige Dauermagnete mit geringen Platzbedi.rC und Gewicht zu erzeugen· Der Bedarf besteht auf

solch verschiedenen Anwendungsgebieten wie der elektronischen Ausrüstung für die Luft- und Raumfahrt, bei der boi3pioisv;eiae für Wanderfeldrühren und dergl. loistur.ijofähigere, weniger Platz beanspruchende und leichtere Dauermagnete benötigt werden, und bei Handelserzeugnis.jer., z.B. bei Spezialmotoren, Kreiseln, behältern, Hörhilfen und anderen extrem kleinen elektrischen Apparaten, wie z.B. elektrischen Uhren und dergleichen. Zum Beispiel gibt es heute immer noch keinen zufriedenstellenden Dauermagneten für kleine Damenunren, der zu einem lccna.;erziell konkurrenzfähigen Preis erhältlich ist.

Von heutigen Dauermagnetwerkatoffen werden vielerlei Eigenschaften gefordert, die z.B. die Koerzitivkraft, die Reuanenz, die thermische Stabilität, die Curie-Temperatur, die I.iaterialf3Stigkeit und dergl. betreten. Unter der Annahme, daß für die anderen Eigenschaften die erwünschten V/erte erreicht werden, ist eine besonder wertvolle Kombination eine hohe Remanenz bei glei,. zeitiger großer Koerzitivkraft, so daß das Produkt, dieser beiden Größen, dao auch als Energieinhalt bekannt ist, so groß wie nur möglich ist· Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Dauermagneten mit einem hohen Energieinhalt zu schaffen.

Die Erfindung besteht darin, daß der Dauermagnet aus eir.ora Samarium und Kobalt enthaltenden Werkstoff besieht, dessen Samariumanteil bezogen auf das Gesamtgewicht von Samarium und ^obalt zwischen etwa 34 und 42 Gew./o beträgt.

Die magnetischen Eigenschaften eines Dauermagneten nach •der Erfindung im Vergleich zu Dauermagneten aus bekannten Magnetwerkstoffen zeigt das beigefügte Diagramm, das die Beziehung zwischen

Kcmanenz und. Koerzitivkraft für einen V/erkstoff nach dor vorliegenden Erfindung und für verschiedene bekannte Y/erkstoffe wiedergibt. Das Diagraiam enthält eine Kurve 11, die die Eigenschaften von Platin-Kobalt, einen sehr begehrten Magnetwerkstoff, darstellt, eine für Ferritmagnetwerkstoffe charakteristische Kurve 12 und eine für die Klasse der Alnico-Lagnetv.orkatof fe typische Kurve 13» diese drei Iuagnetwerkotoffe sind bekannt» Die Kurve 14 veranschaulicht die gleichen Eigenschaften eines für einen Dauermagneten nach der Erfindung gegenwärtig bevorzugten Magnetwerkstoff. Ir. der Kur\e 15 sind die gleichen Eigenschaften für die Verbindung SmCOc- ohne Anwesenheit von Sm^COr₇ dargestellt.

Der Platin-Xobalt-V/erkstolf ist z.Zt· der Gütemaßstab für Dauermagnetwerkstoffe. Er besitzt eine sehr große Koerzitivkraft von annähernd 4-000 Oersted, eine Remanenz von ungefähr 6000 Gauss und einen Energieinhalt von annähernd 9 x 10 Gauss.Oersted· Vq der Bedarf an großer Leistungsfähigkeit der Dauermagnetwerkstoffe die Kosten rechtfertigt, wie z.B. bei Ausrüstungen ν für Luft- und Raumfahrt, ist Platin-Kobalt tatsächlich

z.Zt. der bevorzugte Werkstoff und er bildet den Leistungsmaßstab, an dem neue, vielversprechende Werk stoffe gemessen werden sollten.

V/o ein Bedarf für einen hochwertigen, zu einem kommerziell annehmbaren Freie erhältlichen Magnetwerkstoff besteht, werden im wesentlichen Perritmagnetwerkstoffe verwendet· Obwohl sie hinsichtlich ihrer Leistungsfähigkeit wesentlich weniger befriedigend sind als Platin-Kobalt,

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iOrritmagnetwerkstoffe haben einen Bnergieinhalt bis

C.

zu 5ϊ5 x 10 Gaus3.Oersted, werden sie trotzdem realistisch als Hocüleistungs-Werkstöffe angesehen, die zu Preisen erhältlich sind, die nur einen kleinen Bruchteil der Kosten von Platin-Kobalt betragen. Wo eine hohe Permeabilität bei geringer Stabilität auoreicht, bildet ein Material wie ζ·Β· Alnico-9 (Kurve 13) einen sehr zufriedenstellenden Magnetwerkstoff.

Die Entwicklung neuer und besserer Magnetwerkstoffe, die zu kommerziell annehmbaren Preisen produziert werden können, kann für Dauermagnete bei Verbrauchsgütern neue Anwendungsmöglichkeiten erschließen, wie z.B. bei verbesserten Hörapparaten, bei neuen und kleineren elektronischen Armbanduhren, bei Lliniaturmotoren und dergleichen· Außerdem können verbesserte Hochleistungs-Dauermagnete in der neuzeitlichen Technologie eine zusätzliche Verbesserung elektronischer Geräte ermöglichen· Es ist zu erwarten, daß erfinderische Verbesserungen auf dem Energiesektcr möglich werden, wenn ein besserer Magnetwerkstoff für solche Zwecke zur Verfügung steht.

Gewisse Kobalt und ein Seltenerdmetall enthaltende Stoffe haben magnetische Eigenschaften und erreichen eine Remanenz von 5000 Gauss und mehr sowie Koerzitivkraft e von 5000 Oersted und mehr und damit einen großen Energie^nhalt. Im einzelnen wurde festgestellt, daß jeder der folgenden, Kobalt und ein Seltenerdmetall enthaltenden Stoffe einen hohen Energieinhalt besitzt:

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Yttrium-Kobalt, Lanthan-Kobalt, Cer-Kobalt, Praseodym-Kobalt, Neodym-Kobalt, Samarium-Kobalt, Gadoliniuia-Kobalt, Terbium-Kobalt, Dysprosium-Kobalt, Holmium-Kobalt, Europium-Kobalt und Erbium-Kobalt. Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf die Tatsache, daß mit Hilfe eines metallurgischen Sinterung3prozesses gewonnene Stoffe aus Kobalt und Samarium, die aus etwa 34 bis 42 Gew.yo Samarium und im übrigen im wesentlichen aus Kobalt bestehen, Energieinhalte, die diejenigen der bisherigen Magnetwerkstoffe übertreffen, und eine hohe Curie-Temperatur oder hohe Temperaturbeständigkeit besitzen. Es handelt sich um ausgezeichnete Dauermagnetwerkstoffe, die im Verhältnis zu ihrer Größe und zu ihrem Gewicht extrem leistungsstark 3ind und sogar die Eigenschaften der Platin-Kobalt-V/erkstoffe übertrefi .n. Sie sind genügend billig, um ihre Anwendung in konkurrenzfähigen HandelGprodukten zu ermöglichen, und ausreichend leistungsstark, um zu verbesserten Ergebnissen in höchste Anforderungen stellenden Anwendungsgebieten zu führen, wie demjenigen der neuzeitlichen Elektronik-Technologie, in der das Verhältnis von Leistung zu Größe oder von Leistung zu Gewicht entscheidend ist.

J)ie bevorzugten Werkstoffe für die Dauermagnete liegen hinsichtlich ihrer prozentualen Gewichtsanteile zwischen denen von Sn^COrp und SmCo^. SmCo₅ enthält annähernd 33,8 Gew.% und Sm₅Co₇ annähernd 42,2 Gew.% Samarium. Der für die Erfindung bevorzugte Werkstoff enthält zwischen etwa 37,5 und 40,5 Gew. % Samarium und entspricht einem Stoff mit ungefähr gleichen molekularen

Anteilen von ÜniCo,- und Sm-Co^. Während Platin-Kobalt-Verkstoffe, die z.Zt. als Gütemaßstab gölten, Unergieinhalte von etwa 9 x 10 Gauss.Oersted besitzen, ist für Samarium-Kobalt mit einem Gewichtsanteil von 39 Gew.% Samarium ein Energieinhalt von mehr als 15 x 10 Gaus3.Oersted e^einessen v/ordon. Da Werkstoffe aus Samarium und Kobalt ein wesentlich geringeres spezifisches Gewicht als Platin-Kobait-Werkstoffe besitzen, isb es offensichtlich, daß das Verhältnis der Magnetstärke zur Masse dasjenige der z.Zt. besten Ver-

gleichswerkstoffe in allen Anwendungsbereichen wext übertrifft und insbesondere dort, wo das Gewicht einen entscheidenden Faktor darstellt. Aus den Kurven 14 und 15 des Diagramms ist ersichtlich, daß die neuen Magnete den allein aus SmCOj- bestehenden deutlich überlegen sind.

für die Dauermagnete Der Magnetwerkstoff^!nach der Erfindung kann mittels

verschiedener Methoden und Verfahren, die einem Fachmann bekannt sind» hergestellt und zu einem Permanentmagneten verarbeitet werden. Die Verfahren zum Herstel- <" len eines Magnetwerkstoffes und eines Dauermagneten

können in vielfältiger V/eise abgewandelt werden, jedoch hat eich das folgende Verfahren zur Erzeugung von Magneten mit extrem wertvollen Eigenschaften und Merkmalen als besonders zweckmäßig und wirksam erwiesen.

Samarium und Kobalt werden in einem gewünschten Mischungsverhältnis von z.B. 59# Samarium und 61% Kobalt in einen Behälter oder in ein Gefäß aus einem Material gefüllt,

das nicht mit einem der "beiden Elemente reagiert. Ein solches Material ist z.B. Tonerde. Das Gemisch aus Samarium und Kobalt wird bis zum Schmelzpunkt erhitzt, wofür etwa 15ΟΟ C ausreichen, und wird einige Minuten in diesem flüssigen Zustand gehalten, um mit Sicherheit eine homogene Mischung zu erreichen. Vorzugsweise wird dieser Schritt unter kontrollierter Atmosphäre oder Edelgas wie Helium oder dergl. ausgeführt* Es hat sich als -befriedigend erwiesen, diesen Schritt bei atmosphärischem Druck auszuführen.

Das geschmolzene Gemisch wird auf Raumtemperatur abgekühlt und kann je nach Wunsch gegossen oder auch nicht gegossen werden. Die erstarrte Mischung aus Samarium und Kobalt wird dann au einem feinen Pulver vermählen. Das Material ist spröde und leicht zu mahlen. Das Vermählen kann in einer Aufschlämmung fortgesetzt werden» Das so erhaltene Samarium-Kobalt-Pulver wird unter hohem Dri ok zu der gewünschten Form gepreßt. Eine zufrieci5n~ -.teilende Verdichtung kann bei einem Druc^ von etwa 8 Mp/cm erreicht v/erden, obwohl natürlich auch höhere oder niedrigere Drücke verwendet werden können. Beim Pressen wird in einer vorbestimmten Richtung ein Magnetfeld angelegt, so daß der Stoff auf eine bevorzugte Magnetachse ausgerichtet wird. Ein Rütteln des Work- .^ stoffes während des Pressens scheint die mechanische Gleichförmigkeit des Materials zu verbessern, jedoch werden auch zufriedenstellende Magnete ohne Vibration erhalten© Der erhaltene Preßling ist bereits ein Dauermagnet«

Magneto von höchster Güte werden durch die folgende Weiterführung des Herstellungsverfahrens erhalten. Zuerst wird der wie oben beschrieben hergestellte Magnet mittels eines umgekehrt gepolten Magnetfeldes entmagnetisiert« Palis beim Pressen ein Elektromagnet zum Aufprägen des Magnetfeldes verwendet worden ist, kann die Entmagnetisierung durch Umkehren des Elektromagneten in der Preßform erzielt werden· Anderenfalls ist ein separater Entmagnetisierungsschritt erwünscht. Wach der Entmagnetisierung werden die Teilchen des Stoffes bei einer Temperatur von 1100⁰C in einer neutralen Atmosphäre wie z.B. Stickstoff, Helium oder Argon gesintert« Für den Sinterungsprozeß darf das Material des Ofens und des Behälters, in dem der Magnetwerkstoff enthalten ist, nicht aus einem Material bestehen, das mit Samarium reagiert. Während des Sinterungsprozesses ist es vorteilhaft, die Temperatur langsam' zu erhöhen und zu verringern, um Temperaturstöße zu vermeiden. Nachdem der Werkstoff etwa eine Stunde auf einer '!S ratur von annähernd 1100⁰C gehalten worden ist, wird er langsam auf Raumtemperatur abgekühlt.

Nachdem er auf Raumtemperatur abgekühlt worden ist, wird der Magnetwerkstoff entlang der gleichen Achse wie zuvor beim Pressen magnetisiert, obwohl, falls es erwünscht ist, die Nord- und Südpol- des magneten umgekehrt -erden können,

Der so gebildete Dauermagnet besitzt eine ihm eigene Koerzitivkraft von etwa 25000 Oersbed oder mehr und einen Energ-Leinhalt, der größer ist als Ί6 χ 10 Gauss. Oersted. Im

Diagramm gibt die Kurve 14 die Koerzitivkraft und die Remanenz dieses Magneten im Vergleich zu den herkömmlichen Magnetwerkstoffen wieder, die von den Kuryen 11, 12 und 13 dargestellt werden·

Bei der mikroskopischen Untersuchung zeigt es sich, daß der Magnetwerkstoff aus zwei Phasen oder zwei ausgeprägten Kristallformen besteht. Es v/ird angenommen, daß die eine Kristallform im wesentlichen aus SmCo^ und die andere Kristallform im wesentlichen aus Sm-Co,-, besteht. Zwischen den Partikeln oder Kristallen bestehen praktisch keine Lücken. Daher werden nun die verbesserten Eigenschaften auf die Tatsache zurückgeführt, daß der Magnetwerkstoff aus miteinander vermischten und im wesentlichen lückenlos anoinandergrenzenden Teilchen besteht, von denen das eine Teilchen eine kristalline Verbindung ROo,- mit hohem Encrgieinhalt und das andere ein f erromagnetisches kristallisches Produkt mit wesentlich geringeren Energieinhalt ist, die Teilchen in fein verteilten» diskreten Kristallphasen gemischt sind und einen verwandten chemischen oder molekularen Aufbau haben·

Das hier beschriebene Verfahren wurde zur Herstellung einer Anzahl von LIagneten aus Werkstoffen verwendet, die einen Gewichtsanteil zwischen 34 und 42>i an Samarium enthielten. Die größten Energieinha] ¹^e zwischen 15 x und 20 χ 10 Gauss.Oersted sind mit 'werkstoffen erzielt v/orden, die zwischen 37»5 und 40,5 Gew.% Samarium enthielten, jedoch wurden verbesserte Eigenschaften im ganzen Bereich der möglichen Gewichtsanteile von bia SmCo₁- festgestellt;·

Claims (4)

Schutzansprüche

1. Dauermagnet, dadurch gekennzeichnet, daß er aus einem Samarium und Kobalt enthaltenden Werkstoff besteht, dessen Samariumanteil, bezogen auf das Gesamtgewicht von Saharium und Kobalt, zwischen etwa 34 und 42 Gew.% beträgt.

2. Dauermagnet nach Anspruch 1, dadurch gekennaeichf net, daß Samarium und Kobalt in Mengen vorliegen,

deren Verhältnis zwischen demjenigen von SmCo₁- und demjenigen von SnipCo™ liegt.

3. Dauermagnet nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Samariumanteil zwischen etwa 37 »5 und- 4-0,5 Gew.% des Gesamtgewichtes von Samarium und Kobalt liegt und vorzugsweise die Mengen an Samarium und Kobalt gleichen molekularen Anteilen von SmCo,- und SmoCoo entsprechen.

4. Dauermagnet nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß er aus Teilchen des Samarium und Kobalt enthaltenden Werkstoffes aufgebaut ist, die in einer der Achse eines Magnet-*

feldes folgenden Ausrichtung gesintert sind, und daß der Dauermagnet in Richtung der Ausrichtung der Teilchen magnetisiert ist.