DE69720206T2

DE69720206T2 - Verbundmagnet mit niedrigen Verlusten und leichter Sättigung

Info

Publication number: DE69720206T2
Application number: DE69720206T
Authority: DE
Inventors: Viswanathan Panchanathan
Original assignee: Magnequench International LLC
Current assignee: Magnequench International LLC
Priority date: 1996-04-10
Filing date: 1997-04-09
Publication date: 2004-02-05
Anticipated expiration: 2017-04-10
Also published as: CN1221513A; EP0898778B1; KR20000005296A; EP0898778A4; EP0898778A1; DE69720206D1; TW400526B; JP2000508476A; US5725792A; CN1132197C; WO1997038426A1

Description

Hintergrund:
Es gibt einen großen Bedarf für gebundene Magnete, die aus Zusammensetzungen leichter Seltenerdmetalle hergestellt sind. Sie können für die Büroautomatisierung, Computer-Peripherie-Geräte und Anwendungen der Verbrauchelektronik eingesetzt werden. Das Verfahren zu ihrer Herstellung kann durch Schmelzspinnen stattfinden, das aus der Schmelze ein Pulver mit der gewünschten Mikrostrukturform erzeugt.
Magnete leiden an irreversiblen Verlusten nach dem Altern bei einer bestimmten Temperatur. Die Magnetverluste nehmen mit zunehmender Zeit und höherer Temperatur zu. Es war in der Vergangenheit allgemein anerkannt, dass die Anfangs-Koerzivität eines Magneten bei Raumtemperatur das Verlustverhalten des Magneten bestimmt. Man hatte gedacht, dass im Großen und Ganzen gilt, daß je niedriger die Koerzivität ist, desto höher die Verluste sind, und andersherum. Somit sollte die Koerzivität des Magneten hoch sein, um die Verluste zu reduzieren; jedoch führt dies zu einer Schwierigkeit bei der Sättigung. Viel Arbeit wurde aufgewendet, die genaue Legierung zu finden, die einen Magneten mit den offensichtlich widersprechenden Eigenschaften des leichten Sättigungsverhaltens, der niedrigen Koerzivität und den niedrigen Alterungsverlusten ergibt. Derartige Magneten würden Anwendungen als Multipolmagnete finden, wo die Sättigung schwierig ist.
Die US-A-5022939 betrifft ein Permanentmagnetmaterial mit einer hohen Koerzivität, einem Produkt hoher Energie, einer verbesserten Magnetisierung, einer hohen Korrosionsbeständigkeit und einer stabilen Leistung. Es gibt keine Offenbarung, wie ein Magnet mit niedriger Koerzivität zu machen ist.
Kurzzusammenfassung:
Gemäß einem ersten Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung wird ein gebundener isotroper Magnet angegeben, der ein Bindemittel und magnetische Pulver umfasst, die von einer Zusammensetzung gebildet werden, die, auf Gewichtsbasis, von 10 bis 20% Seltenerdmetall, von 0,5 bis 4,5% Bor, wobei die Gesamtmenge aus dem seltenen Erdmetall und dem Bor im Bereich von 12 bis 22% liegt, von 0,5 bis 3,0% Niob und einen Rest, der hauptsächlich aus Eisen besteht, umfaßt.
Gemäß einem zweiten Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zur Bildung eines gebundenen isotropen Magneten angegeben, das die folgenden Schritte umfasst:
Schmelzen einer Zusammensetzung, die, auf Gewichtsbasis, von 10 bis 20% Seltenerdmetall, von 0,5 bis 4,5% Bor, wobei die Gesamtmenge aus dem seltenen Erdmetall und dem Bor im Bereich von 12 bis 22% liegt, von 0,5 bis 3,0% Niob und einen Rest, der hauptsächlich aus Eisen besteht, umfasst;
Schmelzspinnen der geschmolzenen Zusammensetzung, unter Bildung von Bändern;
Mahlen der Bänder zu einem Pulver;
Wärmebehandeln des Pulvers;
Mischen des wärmebehandelten Pulvers mit einem Bindemittel, um Formstücke zu bilden;
Aushärten der genannten Formstücke, um den resultierenden gebundenen Magneten zu bilden.
Gemäß einem dritten Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zur Bildung eines gebundenen Eisen-Seltenerdmetall-Permanentmagneten angegeben, wobei das Ver fahren die folgenden Schritte umfasst:
Bereitstellung einer Menge von isotropen Eisen-Seltenerdmetall-Teilchen mit einer Korngröße von nicht mehr als 500 nm, wobei die genannte Menge an isotropen Eisen-Seltenerdmetall-Teilchen aus einer Zusammensetzung gebildet wird, die, auf Gewichtsbasis von 10 bis 20% Seltenerdmetall, wobei die Hauptmenge des Seltenerd-Bestandteils Neodym ist und von 0,5 bis 4,5% Bor, von 0,5 bis 3,0% Niob umfasst, und wobei die Gesamtmenge des Seltenerdmetalls und des Bors im Bereich von 12 bis 22% liegt, und der Rest hauptsächlich Eisen ist; und
Mischen der genannten Mengen isotropen Eisen-Seltenerdmetall-Teilchen mit einem Bindemittel, um Formstücke zu bilden; und
Härten des Formstücks, um einen gebundenen isotropen Eisen-Seltenerdmetall-Permanentmagneten zu bilden, bei dem sowohl die hartmagnetischen NNd₂Fe₁₄B und die weichen Phasen Fe₃B und/oder α-Fe eine gleichförmige Verteilung aufweisen.
Die vorliegende Erfindung schafft gebundene Magnete mit einer Zusammensetzung leichter Seltenerdmetalle, die ein leichtes Sättigungsverhalten, eine niedrige Koerzivität (<796 kA/m(<10 kOe), vorzugsweise <637 kA/m(<8 kOe)), und niedrige Alterungsverluste aufweisen. Diese Erfindung überwindet hohe Alterungsverluste, die mit der niedrigen Koerzivität verbunden sind, durch die Zugabe von Niob, das die Verluste beim Altern reduziert. Die gebundenen Magnete, die nach dem Erwärmen, Mischen mit Epoxy und dem Härten erzeugt wurden, haben Alterungsverluste von weniger als 4% nach dem Erwärmen auf 80°C für 2000 Stunden und weniger als 6% bei 100°C nach 2000 Stunden.
Die Magnete sind aus einer Legierung mit den folgenden Bestandteilen auf Gewichtsbasis hergestellt: von ungefähr 10 bis ungefähr 20% Gesamtmenge Seltenerdmetall (TRE), wobei zumindest 95% dieses Bestandteils Neodym ist, und der Rest im wesentlichen Praseodym ist, von ungefähr 0,5 bis ungefähr 4,5% Bor, wobei die Gesamtmenge aus dem Seltenerdmetall und dem Bor im Bereich von ungefähr 12 bis ungefähr 22% liegt, von ungefähr 0,5% bis ungefähr 3,0% Niob und einen Rest, der hauptsächlich aus Eisen besteht. Die bevorzugten Bereiche sind B ungefähr 0,8 bis ungefähr 4,0%, Nb ungefähr 1 bis ungefähr 2,5% und der Rest hauptsächlich aus Eisen. Höhere Mengen von TRE werden nicht bevorzugt, weil Hci hoch und die Sättigung schwierig sein wird. Niedrigere Mengen von TRE werden auch nicht bevorzugt, weil die Hci-Werte niedrig und nicht von kommerzieller Bedeutung sind. Die richtigen B- und TRE-Werte helfen beim Erhalten der richtigen Mikrostruktur der hartmagnetischen 2-14-1-Phase mit der weichen Phase aus α-Fe und/oder Fe₃B. Kobalt reduziert sowohl B_r und Hci; jedoch wird es für einige Anwendungen empfohlen, wo ein niedriger Temperaturkoeffizient von B_r erwünscht ist. Die Legierung kann bis zu 16% Kobalt umfassen.
Andere Metalle können auch in kleineren Mengen bis zu zwei Gew.% vorliegen, entweder alleine oder in Kombination. Diese Metalle umfassen Wolfram, Chrom, Nickel, Aluminium, Kupfer, Magnesium, Mangan, Gallium, Vanadium, Molybden, Titan, Tantal, Zirkonium, Kohlenstoff, Zinn und Kalzium. Silizium kommt auch in kleinen Mengen vor, ebenso wie Sauerstoff und Stickstoff.
Im Großen und Ganzen werden permamente magnetische Körper der bevorzugten Zusammensetzungen gebildet, indem man mit Legierungsblocks beginnt, die durch Induktion von Wärme unter einer trockenen, im wesentlichen sauerstofffreien inerten Argonatmosphäre oder unter Vakuum geschmolzen werden, um eine gleichförmig geschmolzene Zusammensetzung zu bilden. Vorzugsweise wird dann die geschmolzene Zusammensetzung schnell in einer inerten Atmosphäre oder unter einem Vakuum verfestigt, um ein amorphes Material oder ein fein kristallines Material zu erzeugen, bei dem die Korngröße nicht mehr als ungefähr 500 nm, vorzugsweise weniger als 400 nm bei ihren größten Abmessungen beträgt. Es ist am meisten bevorzugt, dass das schnell verfestigte Material eine Korngröße von weniger als ungefähr 20 nm aufweist. Ein derartiges Material kann z. B. durch herkömmliche Schmelzspinnverfahren erzeugt werden. Die Legierungen der bevorzugten Zusammensetzung werden bei 22 m/s schmelzgesponnen, ein Schritt, der Bänder entweder einer amorphen oder mikrokristallinen Struktur über die Dicke des Bandes erzeugt.
Die Bänder werden zu einem feinen Pulver gemahlen, vorzugsweise mit einer mittleren Teilchengröße von 200 μm (200 Micron) unter Verwendung eines Walzenzerkleinerers.
Das resultierende Pulver wird wärmebehandelt, vorzugsweise bei 700°C für eine Dauer von ungefähr 4 Minuten unter Argon. Nach dem Wärmebehandeln liegt die Korngröße in dem Bereich von ungefähr 20 bis ungefähr 500 nm, vorzugsweise zwischen 20 und 100 nm.
Das wärmebehandelte Pulver wird dann mit einem Bindemittel gemischt, das später gehärtet werden kann, um selbsttragende, unmagnetisierte aber magnetisierbare rohe Formstücke zu bilden. Das Bindemittel kann eine härtbare harzhaltige Substanz, wie z. B. Epoxy mit 2% Gewicht für Formpressen sein. Da das Pulver isotrop ist, ist kein Ausrichtungsfeld während des Binden notwendig, was schnellere Zykluszeiten ermöglicht. Die fertigen Magneten können in einer beliebigen Richtung magnetisiert werden, was eine größere Konstruktionsflexibilität ermöglicht.
Die rohen Formstücke werden gehärtet, vorzugsweise bei einer Temperatur von 170°C für eine Dauer von 30 Minuten Das Epoxy wird gehärtet, und der auf diese Weise gebundene Magnet kann für weitere Verwendungen eingesetzt werden. Die rohen Formstücke können pressgeformt werden.
Gebundene Magnete können auch mit anderen Verfahren als Pressformen hergestellt werden. Diese umfassen Spritzgießen, Kalendrieren, Extrudieren usw.. Während die Erfindung gebundene Magneten betrifft, die durch Pressformen hergestellt sind, sind ähnliche oder bessere Ergebnisse für gebundene Magnete zu erwarten, die durch andere Verfahren hergestellt sind, insbesondere wenn derartige Magneten höhere Bindermengen enthalten.
Um die Verlusteigenschaften des resultierenden Magneten zu testen, wird er vorzugsweise bei einer Temperatur von 80°C für eine Dauer von 2 Stunden gealtert.
Detaillierte Beschreibung und Beispiele:
Beispiel 1:
Die Legierungen der folgenden Zusammensetzung wurden mit 22 m/s. schmelzgesponnen. Die Legierungen sind aus Seltenerde, Bor und einem Rest Eisen zusammengesetzt. Zumindest 95% des gesamten Seltenerd-Bestandteils ist Neodym und der Rest ist im wesentlichen Praseodym. Die Bänder werden in Pulver mit einer mittleren Teilchengröße von 200 μm gemahlen. Es wurde bei 700°C für 4 Minuten wärmebehandelt. Das Pulver wurde mit Epoxy (2 Gew.%) gemischt, und rohe Formstücke wurden durch ein Pressformverfahren hergestellt. Sie wurden bei 170°C für 30 Minuten gehärtet. Die auf diese Weise hergestellten gebundenen Magnete wurden bei 80°C für 2 Stunden gealtert. Die Verluste wurden für die Beispiele A bis G gemessen. Sie sind in der Tabelle unten angegeben:
TRE% verweist auf den Prozentsatz der Gesamtmenge Seltenerdmetall, B% verweist auf den Prozentsatz von Bor und Hci verweist auf die Koerzivität.
Beispiel 2:
Legierungen der folgenden Zusammensetzung wurden schmelzgesponnen, wärmebehandelt und gebundene Magneten wurden, wie in Beispiel 1 angegeben, hergestellt. Die Legierungen sind aus Seltenerd-Metallen, Bor und dem Rest Eisen zusammengesetzt, wobei sie optional Co oder Nb enthalten. Zumindest 95% des gesamten Selten-Erd-Bestandteils ist Neodym und der Rest ist im wesentlichen Praseodym. Die Eigenschaften sind wie folgt für die Beispiele H bis N:
Wie man sehen kann, vermindert die Co-Zugabe B_r und Hci. Die Niobzugabe vermindert B_r; jedoch wird Hci vergrößert.
Beispiel 3:
Gebundene Magneten wurden für die Proben H und N wie in Beispiel 1 angegeben, hergestellt. Sie wurden bei 80°C und 100°C für bis zu 2000 Stunden gealtert. Die Verluste wurden gemessen.
Die Verluste nach dem Altern bei 80 und 100°C für 2 Stunden sind geringer als 0,5% bzw. 1% für die Probe N. Ähnliche Werte für die Probe H sind 5% bzw. 8% bei 80 und 100°C. Somit zeigt der Niob enthaltende Magnet viel kleinere Verluste nicht nur nach der Kurzzeitalterung von 2 Stunden, sondern auch nach dem Altern bis zu 2000 Stunden.
Beispiel 4:
Gebundene Magnetproben H und N von Beispiel 3 wurden bei verschiedenen Feldern gesättigt. Die Tabelle unten zeigt das Sättigungsverhalten für die beiden Magnete:
Man beachte, dass der in Nb enthaltene Magnet mit dem höheren Hci viel besser als der ohne Nb gesättigt werden kann, der eine niedrigere Hci hat.
Somit betrifft diese Erfindung Magnete, die unter Verwendung der Zusammensetzung TRE 5–25%, B 0.05–4.5%, TRE + B 9 bis 26%,.Nb 0.5–3.0%, Rest Eisen, hergestellt wurden und die niedrigere Verluste und ein besseres Sättigungsverhalten haben.
Das folgende legt die Verfahren dar, die bei den Beispielen eingesetzt wurden, um die Alterungsverluste und den Sättigungsgrad der gebundenen Magnete zu messen.
Alterungsuntersuchung:
Der Magnet wurde puls-magnetisiert bei 3185 kA/m (40 kOe). Die Demagnetisierungskurve wurde gemessen. Der Anfangsflusswert, der der Belastungslinie des Magneten entspricht, wurde bestimmt. Er wurde bei 3185 kA/m (40 kOe) magnetisiert und in einem Ofen auf der gewünschten Temperatur für die gewünschte Zeit gehalten. Danach wurde der Magnet aus dem Ofen entfernt, auf Raumtemperatur gekühlt, und die Demagnetisierungskurve wurde gemessen. Der Flusswert wurde bestimmt. Der Verlust ist in Prozent des Ursprungswerts ausgedrückt.
Der Magnet wurde mit veränderlichen Feldern von 796 kA/m (10 kOe) bis 3185 kA/m (40 kOe) magnetisiert. Für jedes Feld wurde die Demagnetisierungskurve gemessen. Über 2181 kA/m (35 kOe) gibt es keine weitere Zunahme bei den Magneteigenschaften. Das Verhältnis von B3 zu B1 gibt die prozentuale Sättigung bei 1194 kA/m (15 kOe) an, und B2/B1 gibt die Sättigung bei 1592 kA/m (20 kOe) an, usw..

Claims

Gebundener isotroper Magnet, der ein Bindemittel und magnetische Pulver umfaßt, die von einer Zusammensetzung gebildet werden, die, auf Gewichtsbasis, von 10 bis 20% Seltenerdmetall, von 0,5 bis 4,5% Bor, wobei die Gesamtmenge aus Seltenerdmetall und Bor im Bereich von 12 bis 22% liegt, von 0,5 bis 3,0 Gew.-% Niob und einen Rest, der hauptsächlich aus Eisen besteht, umfaßt.
Magnet nach Anspruch 1, der eine Koerzitiv-Feldstärke von weniger als 796 kA/m (l0 kOe) aufweist.
Magnet nach Anspruch 1, wobei die Zusammensetzung bis zu 16% Co umfaßt.
Magnet nach Anspruch 1, wobei die Zusammensetzung, auf Gewichtsbasis, von 0,8 bis 4,0% Bor, von 1,0 bis 2,5% Niob und einen hauptsächlich aus Eisen bestehenden Rest umfaßt.
Magnet nach Anspruch 1, wobei die Hauptmenge des genannten Seltenerdmetalls Neodym und/oder Praseodym ist.
Magnet nach Anspruch 1, wobei die Magnetpulver eine mittlere Teilchengröße von 200 μm aufweisen.
Magnet nach Anspruch 1, wobei die Magnetpulver eine Mikrostruktur von 2-14-1 mit einer weichen Phase aus α-Fe und/oder Fe₃B aufweisen.
Magnet nach Anspruch 7, wobei die Zusammensetzung, auf Gewichtsbasis, von 0,8 bis 4,0% Bor, von 1,0 bis 2,5% Niob und einen hauptsächlich aus Eisen bestehenden Rest umfaßt.
Magnet nach Anspruch 1, wobei der Magnet in einem Magnetfeld von 796 kA/m (10 kOe) eine Sättigung von mehr als 60% aufweist.
Magnet nach Anspruch 9, wobei der Magnet nach dem Erhitzen des genannten Magneten auf eine Temperatur von 80°C für 2000 h Alterungsverluste von weniger als 4% aufweist.
Magnet nach Anspruch 9, wobei der Magnet nach dem Erhitzen des genannten Magneten auf eine Temperatur von 100°C für 2000 h Alterungsverluste von weniger als 6% aufweist.
Magnet nach Anspruch 9, wobei die Zusammensetzung, auf Gewichtsbasis, von 0,8 bis 4,0% Bor, von 1,0 bis 2,5% Niob und einen Rest, der hauptsächlich aus Eisen besteht, umfaßt.
Verfahren zur Bildung eines gebundenen isotropen Magneten, das die Schritte umfaßt: Schmelzen einer Zusammensetzung, die, auf Gewichtsbasis, von 10 bis 20% Seltenerdmetall, von 0,5 bis 4,5% Bor, wobei die Gesamtmenge aus Seltenerdmetall und Bor im Bereich von 12 bis 22% liegt, von 0,5 bis 3,0% Niob und einen Rest, der hauptsächlich aus Eisen besteht, umfaßt; Schmelzspinnen der geschmolzenen Zusammensetzung unter Bildung von Bändern; Mahlen der Bänder zu einem Pulver; Wärmebehandeln des Pulvers; Mischen des wärmebehandelten Pulvers mit einem Bindemittel, um Formstücke zu bilden; Aushärten der genannten Formstücke, um den resultierenden gebundenen Magneten zu bilden.
Verfahren nach Anspruch 13 , bei dem der Wärmebehandlungsprozeß bei einer Temperatur von 700°C für eine Dauer von etwa 4 min durchgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 13, wobei die wärmebehandelten Teilchen mit 2% eines Epoxy-Bindemittels gebunden werden.
Verfahren nach Anspruch 13, wobei die mit dem Bindemittel vermischten geglühten Teilchen bei einer Temperatur von etwa 170°C für eine Dauer von etwa 30 min gehärtet werden.
Verfahren zur Bildung eines gebundenen Eisen-Seltenerdmetall-Permanentmagneten, wobei das Verfahren die Schritte umfaßt Bereitstellung einer Menge von isotropen Eisen-Seltenerdmetall-Teilchen mit einer Korngröße von nicht mehr als 500 nm, wobei die genannte Menge an isotropen Eisen-Seltenerdmetall-Teilchen von einer Zusammensetzung gebildet wird, die, auf Gewichtsbasis, von 10 bis 20% Seltenerdmetall, wobei die Hauptmenge des Seltenerd-Bestandteils Neodym ist, und von 0,5 bis 4,5% Bor, von 0,5 bis 3,0% Niob umfaßt, wobei die Gesamtmenge des Seltenerdmetalls und des Bors im Bereich von 12 bis 22% liegt und der Rest hauptsächlich Eisen ist; und Mischen der genannten Menge an isotropen Eisen-Seltenerdmetall-Teilchen mit einem Bindemittel, um Formstücke zu bilden; und Härten des Formstücks bei einer Temperatur und für einen Zeitraum, die ausreichen, um einen gebundenen isotropen Eisen-Seltenerdmetall-Permanentmagneten zu bilden, bei dem sowohl die hartmagnetischen Nd₂Fe₁₄B und die weichen Phasen Fe₃B und/oder α-Fe eine gleichförmige Verteilung aufweisen.
Verfahren nach Anspruch 17, wobei die Zusammensetzung bis zu 16% Cobalt aufweist.
Verfahren nach Anspruch 17, wobei das Bor im Bereich von 0,8% bis 4,0% Bor liegt.