DE69733926T2

DE69733926T2 - Magnetostriktives Verbundmaterial und Verfahren zu dessen Herstellung

Info

Publication number: DE69733926T2
Application number: DE69733926T
Authority: DE
Inventors: Tohru 4-1 Chuo 1-chome Sukigara; Teruyoshi 4-1 Chuo 1-chome Kita; Jun 4-1 Chuo 1-chome Takizawa
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 1996-08-30
Filing date: 1997-08-29
Publication date: 2006-06-01
Anticipated expiration: 2017-08-30
Also published as: EP0827219A2; DE69733926D1; EP0827219A3; JPH1072637A; US6017402A; EP0827219B1; JP3751084B2

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein magnetostriktives Verbundmaterial und ein Verfahren zu dessen Herstellung.
Es gibt allgemein bekanntes magnetostriktives Material, welches aus einer Legierung auf SmFe-Basis zusammengesetzt ist. Dieses magnetostriktive Material weist hervorragende magnetostriktive Leistungsmerkmale auf, aber es erweist sich als problematisch, dass es nur eine geringe physikalische Festigkeit aufweist. Weitere Beispiele für Permanentmagneten auf Seltene Erden-Eisen-Basis sind aus EP 0386286 bekannt. WO 95/04996 betrifft speziell permanentmagnetische Eigenschaften einer mit Ta dotierten SmFe-Legierung. Reinsch et al. (IEEE Transactions on Magnetics, B. 28, Nr. 5, September 1992) offenbart aus Fe, Sm und Ti bestehende ferromagnetische und nicht-ferromagnetische Legierungen.
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein magnetostriktives Verbundmaterial bereitzustellen, welches magnetostriktive, für die praktische Anwendung benötigte Leistungsmerkmale und eine höhere physikalische Festigkeit aufweist.
Um die obige Aufgabe zu lösen, wird erfindungsgemäß ein magnetostriktives Verbundmaterial bereitgestellt, umfassend eine Matrix, die aus einem aus einer Legierung auf SmFe-Basis hergestelltem magnetostriktivem Material gebildet ist, und Dispersionsphasen, die in der Matrix verteilt sind, wobei jede Dispersionsphase aus einer Legierung auf SmCu-Basis gebildet ist, und der Cu-Gehalt größer als null ist, aber nicht mehr als 15 Volumen-% beträgt, oder wobei jede Dispersionsphase aus SmNi gebildet ist und der Ni-Gehalt größer als null ist, aber nicht mehr als 18 Volumen-% beträgt, oder wobei. jede Dispersionsphase aus Sm gebildet ist.
Mit dem oben genannten erfindungsgemäßen Merkmal weist die Dispersionsphase ein den Verbund stärkendes Potential auf und infolgedessen wird eine Steigerung der physikalischen Festigkeit des magnetostriktiven Verbundmaterials erreicht. In diesem Fall werden die magnetostriktiven Leistungsmerkmale des magnetostriktiven Verbundmaterials vermindert, da die Zahl der Dispersionsphasen erhöht wird. Jedoch können die magnetostriktiven Leistungsmerkmale durch Anpassen der Anzahl der Dispersionsphasen auf einem für die praktische Verwendung geeignetem Niveau gehalten werden.
Es ist eine andere Aufgabe der Erfindung ein Herstellungsverfahren, welches zur einfachen Herstellung eines magnetostriktiven Verbundmaterials des oben beschriebenen Typs in großen Mengen geeignet ist, bereitzustellen.
Um die obige Aufgabe zu lösen, wird erfindungsgemäß ein Verfahren zur Herstellung eines magnetostriktiven Verbundmaterials bereitgestellt, welches die Schritte umfasst, in Kontakt Bringen eines Diffusionsmaterials mit einem aus einer Legierung auf SmFe-Basis gebildeten magnetostriktiven Material, wobei das Diffusionsmaterial, aus wenigstens einem aus Sm, Cu und Ni gebildet ist, und Anwenden einer Wärmebehandlung auf das Diffusionsmaterial und das magnetostriktive Material, um eine Flüssigphasen-Diffusion zu erzeugen.
Mit dem obigen Verfahren kann ein magnetostriktives Verbundmaterial einfach in großen Mengen hergestellt werden. In diesem Fall ist es möglich, die Diffusion der flüssigen Phasen und die magnetostriktiven Leistungsmerkmale des magnetostriktiven Materials durch Anpassen der Heiztemperatur und der Dauer gleichzeitig zu steigern.
Zu den beigefügten Zeichnungen:
1 ist eine bildliche Darstellung einer metallographischen Struktur eines magnetostriktiven Verbundmaterials gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
2 ist eine Seitenansicht, die die Beziehung zwischen magnetostriktivem Material und Diffusionsmaterialen zeigt.
3 ist eine Mirkoaufnahme, die die metallographische Struktur eines magnetostriktiven Materials zeigt.
4A ist eine Mikroaufnahme, die die metallographische Struktur eines magnetostriktiven Verbundmaterials zeigt und 4B ist eine Zeichnungskopie eines wesentlichen, in 4A gezeigten Teils davon.
5 ist ein Diagramm, welches die Beziehung zwischen dem Ni-Gehalt, dem Wert der Magnetostriktion und der Druckfestigkeit darstellt.
6A ist eine Mikroaufnahme, die die metallographische Struktur eines magnetostriktiven Verbundmaterials zeigt und 6B ist eine Zeichnungskopie eines wesentlichen, in 6A gezeigten Teils davon.
7 ist ein Diagramm, welches die Beziehung zwischen dem Sm-Gehalt, dem Wert der Magnetostriktion und der Druckfestigkeit darstellt.
8A ist eine Mikroaufnahme, die die metallographische Struktur eines magnetostriktiven Verbundmaterials zeigt und 8B ist eine Zeichnungskopie eines wesentlichen, in 8A gezeigten Teils davon.
1 stellt die metallographische Struktur des magnetostriktiven Verbundmaterials 1 dar. Die metallographische Struktur besteht aus einer Matrix 2, die aus magnetostriktivem Material einer Legierung auf RM-Basis gebildet ist (worin R ein Seltenerdelement ist und M aus der aus Übergangsmetallen und Aluminium bestehenden Gruppe ausgewählt ist), und in der Matrix 2 verteilten Dispersionsphasen 3, wobei die Dispersionsphasen 3 aus wenigstens einem aus einer RM-Legierung, R und M gebildet sind.
Das Seltenerdelement R, welches verwendet werden kann, ist ein beliebiges der 17 Seltenerdelemente wie zum Beispiel Sm, Tb, Dy und der gleichen. Ein geeignetes Übergangsmetall M ist ein beliebiges Metallelement, welches eine Ordnungszahl von 22 bis 30, d.h. von Ti bis Zn, aufweist.
Wenn das magnetostriktive Verbundmaterial 1 in der obigen Weise gebildet wird, weist die Dispersionsphase 3 ein den Verbund stärkendes Potential auf und deshalb wird eine Steigerung der physikalischen Festigkeit des magnetostriktiven Verbundmaterials 1 erreicht.
Bei der Herstellung des magnetostriktiven Verbundmaterials 1 werden wie in 2 gezeigt, blechartige Diffusionsmaterialien 5, die jeweils aus wenigstens einem von einer Legierung auf RM-Basis, R und M gebildet sind, mit den Gegenseiten eines blechartigen magnetostriktiven Materials 4 in Kontakt gebracht, bei welchem es sich um ein Gussformprodukt handelt, das aus einer Legierung auf RM-Basis gebildet ist. Das blechartige magnetostriktive Material 4 und die blechartigen Diffusionsmaterialien 5 werden durch ein Paar von Spannelementen 6 verspannt und anschließend einer Wärmebehandlung unterzogen, wobei sie teilweise geschmolzen werden, um so zur Diffusion der Flüssigphasen zu führen.
Die Temperatur T der Wärmebehandlung ist eine Temperatur, bei welcher ein partielles Schmelzen hervorgerufen wird. Diese Temperatur wird bestimmt aus Zustandsdiagrammen des magnetostriktiven Materials 4 und des blechartigen Diffusionsmaterials 5 und liegt abhängig von den Materialien in einem Bereich von etwa 500°C ≤ T ≤ etwa 900°C. Die Dauer der Wärmebehandlung t wird durch einen Flüssigphasen-Diffusionskoeffizienten des Diffusionsmaterials 5 bestimmt und liegt abhängig vom Diffusionsmaterial in einem Bereich von etwa 0.5 h ≤ t ≤ etwa 9 h.
Weiterhin ist es wünschenswert, dass die Wärmebehandlung in einer Schutzgasatmosphäre oder im Vakuum ausgeführt wird, um die Degradation des magnetostriktiven Materials 4 zu verhindern.
In diesem Fall ist es möglich, die magnetostriktiven Leistungsmerkmale des magnetostriktiven Materials 4 und damit die der Matrix 2 gleichzeitig mit der Diffusion der flüssigen Phasen durch Anpassen der Heiztemperatur und der Dauer zu steigern.
Beispiele A
Unter Verwendung eines Hochfrequenzschmelzofens wurde ein geschmolzenes Metall, welches eine Zusammensetzung einer SmFe_1.7-Legierung (die Einheit eines Zahlenwerts ist die Anzahl der Mole des Atoms) aufwies, unter reduziertem Druck (600 Torr) in einer Argonatmosphäre hergestellt und bei einer Gusstemperatur von 1200°C in eine Gussform aus Kupfer gegossen, wobei ein magnetostriktives Material 4 in einer Gussweise gebildet wurde.
3 ist eine Mirkoaufnahme, welche die metallographische Struktur des magnetostriktiven Materials 4 zeigt. In 3 werden eine graue SmFe₂-Phase, eine schwarze SmFe₃-Phase und eine weiße Sm-Phase beobachtet.
Wie in 2 gezeigt wurden blechartige Diffusionsmaterialen 5 aus einer Fe-Ni-Legierung mit den entsprechenden Gegenseiten des blechartigen magnetostriktiven Materials 4 in Kontakt gebracht. Die blechartigen Diffusionsmaterialien 5 und das blechartige magnetostriktive Material 4 wurden durch ein Paar von aus Eisen hergestellten Spannelementen 6 verspannt und anschließend einer Wärmebehandlung im Vakuum bei 800°C für 6 Stunden unterzogen, um ein magnetostriktives Verbundmaterial 1 herzustellen, wobei gleichzeitig die magnetostriktiven Leistungsmerkmale des magnetostriktiven Materials 4 gesteigert wurden.
4A ist eine Mikroaufnahme, welche die metallographische Struktur des magnetostriktiven Verbundmaterials 1 zeigt und 4B ist eine Zeichnungskopie eines wesentlichen, in 4A gezeigten Teils davon. In 4A und 4B sind eine graue Fe₇Ni₃-Phase und eine schwarze FeNi-Phase in einer aufeinander folgenden mehrschichtigen Weise auf der Oberfläche des magnetostriktiven Verbundmaterials 1 ausgebildet. Im magnetostriktiven Verbundmaterial 1 werden eine Matrix 2, die aus einer hellgrauen SmFe₂-Phase des magnetostriktiven Materials und dunkelgrauen Sm₂Fe₁₇-Phasen besteht, und in der Matrix verteilte SmNi-Dispersionsphasen 3, beobachtet. In diesem Fall war der Ni-Gehalt "C" im magnetostriktiven Verbundmaterial 1 gleich 20 Volumen-%.
Vier weitere, verschiedene Ni-Gehalte aufweisende magnetostriktive Verbundmaterialien 1 wurden unter Verwendung veränderter Wärmebehandlungsdauern hergestellt. Anschließend wurde der Wert der Magnetostriktion und die Druckfestigkeit von jedem der Beispiele 1 bis 5 der magnetostriktiven Verbundmaterialien 1 gemessen. Der Wert der Magnetostriktion wurde durch Anlegen eines Magnetfelds bei 1.5/π·10⁶ A/m (1.5 kOe) unter Verwendung eines Kraftsensors gemessen. Die Druckfestigkeit wurde durch ein herkömmliches Verfahren gemessen. Diese Messverfahren wurden ebenfalls für die Beispiele verwendet, welche nachstehend beschrieben werden.
Tabelle 1 zeigt die Dauer der Wärmebehandlung, den Ni-Gehalt, den Wert der Magnetostriktion und die Druckfestigkeit für die Beispiele 1 bis 5. In Beispiel 6 in Tabelle 1 wurde das magnetostriktive Verbundmaterial 4 nach dem Guss einer Wärmebehandlung im Vakuum bei 800°C für 6 Stunden unterzogen, um so gesteigerte magnetostriktive Leistungsmerkmale ohne Anwendung eines Diffusionsmaterials 5 bereitzustellen.
Tabelle 1 Temperatur der Wärmebehandlung: 800°C
5 ist ein Diagramm, welches die Beziehung zwischen dem Ni-Gehalt, dem Wert der Magnetostriktion und der Druckfestigkeit darstellt, so wie diese aus Tabelle 1 entnommen werden können. Wie aus 5 offensichtlich, wird im magnetostriktiven Verbundmaterial die Festigkeit erhöht, aber der Wert der Magnetostriktion erniedrigt, wenn der Ni-Gehalt erhöht wird.
Für ein magnetostriktives Verbundmaterial zur praktischen Verwendung ist es erforderlich, dass das magnetostriktive Verbundmaterial einen Magnetostriktionswert von 600 ppm oder mehr aufweist. Hieraus folgt, dass der Ni-Gehalt C in einem Bereich C ≤ 18 Volumen-% festgelegt wird (wobei C > 0 Volumen-% ist).
Beispiele B
Wie in 2 gezeigt wurden blechartige Diffusionsmaterialen 5 aus Eisen mit den entsprechenden Gegenseiten des blechartigen magnetostriktiven Materials 4 in Kontakt gebracht. Diese Materialien 4 und 5 wurden durch ein Paar von aus Eisen hergestellten Spannelementen 6 verspannt und anschließend einer Wärmebehandlung im Vakuum bei 800°C für 4 Stunden unterzogen, um ein magnetostriktives Verbundmaterial 1 herzustellen, wobei gleichzeitig die magnetostriktiven Leistungsmerkmale des magnetostriktiven Materials 4 gesteigert wurden.
6A ist eine Mikroaufnahme, welche die metallographische Struktur des magnetostriktiven Verbundmaterials 1 zeigt und 6B ist eine Zeichnungskopie eines wesentlichen in 6A gezeigten Teils davon. In 6A und 6B wird eine Matrix 2, die aus einer grauen SmFe₂-Phase besteht, und Dispersionsphasen 3, die in der Matrix 2 verteilt sind, beobachtet. In diesem Fall ist der Sm-Gehalt C' im magnetostriktiven Verbundmaterial 1 gleich 5 Volumen-%.
Bei der Wärmebehandlung reagierte ein Teil der Sm-Phase im magnetostriktiven Material mit Fe, um eine SmFe₂-Phase zu ergeben und daher ist die Sm-Phase in 6 eine nicht umgesetzte, zurückbleibende Sm-Phase.
Anschließend wurde unter Verwendung veränderter Wärmebehandlungszeiten vier weitere magnetostriktive Verbundmaterialen 1, welche verschiedene Sm-Gehalte aufwiesen, in der gleichen Weise hergestellt. Anschließend wurde der Wert der Magnetostriktion und die Druckfestigkeit von jedem der Beispiele 1 bis 5 der magnetostriktiven Materialien 1 gemessen.
Tabelle 2 zeigt die Dauer der Wärmebehandlung, den Sm-Gehalt, den Wert der Magnetostriktion und die Druckfestigkeit für die Beispiele 1 bis 5. Beispiel 6 in Tabelle 2 ist dasselbe wie Beispiel 6 in Tabelle 1.
Tabelle 2 Temperatur der Wärmebehandlung: 800°C
7 ist ein Diagramm, welches die Beziehung zwischen dem Sm-Gehalt, dem Wert der Magnetostriktion und der Druckfestigkeit darstellt, so wie diese Tabelle 2 entnommen werden können. Wie aus 7 offensichtlich, wird im magnetostriktiven Verbundmaterial 1 die Festigkeit erhöht, während der Wert der Magnetostriktion erniedrigt wird, wenn der Sm-Gehalt erhöht wird.
Für ein magnetostriktives Verbundmaterial zur praktischen Verwendung ist es erforderlich, dass das magnetostriktive Verbundmaterial einen Magnetostriktionswert von 600 ppm oder mehr aufweist. Hieraus folgt, dass der Sm-Gehalt C' in einem Bereich C' ≤ 15 Volumen-% festgelegt wird (wobei C' > 0 Volumen-% ist).
Beispiele C
Ein magnetostriktives Material 4 aus einer SmFe_1.5-Legierung (die Einheit eines Zahlenwerts ist die Anzahl der Mole des Atoms) wurde nach dem gleichen Verfahren wie oben beschrieben hergestellt. Das magnetostriktive Material 4 wies ebenfalls eine metallographische Struktur ähnlich der des magnetostriktiven Materials aus den obigen Beispielen A auf.
Wie in 2 gezeigt, wurden blechartige aus Kupfer (Cu) hergestellte Diffusionsmaterialen 5 mit den entsprechenden Gegenseiten des blechartigen magnetostriktiven Materials 4 in Kontakt gebracht. Diese Materialien 4 und 5 wurden durch ein Paar von aus Kupfer hergestellten Spannelementen 6 verspannt und anschließend einer Wärmebehandlung im Vakuum bei 800°C für 6 Stunden unterzogen, um ein magnetostriktives Verbundmaterial 1 herzustellen, wobei gleichzeitig die magnetostriktiven Leistungsmerkmale des magnetostriktiven Materials 4 gesteigert wurden.
8A ist eine Mikroaufnahme, welche die metallographische Struktur des magnetostriktiven Verbundmaterials 1 zeigt, und 8B ist eine Zeichnungskopie eines wesentlichen, in 8A gezeigten Teils davon. In 8A und 8B wird eine Matrix 2, die aus grauen SmFe₂-Phasen und einer schwarzen Sm₂Fe₁₇-Phase besteht, und hellgraue, in der Matrix verteilte Sm₇Cu₃-Dispersionsphasen 3 beobachtet. In diesem Fall war der Cu-Gehalt C'' im magnetostriktiven Verbundmaterial 1 gleich 20 Volumen-%.
Erfindungsgemäß ist es möglich, ein magnetostriktives Verbundmaterial bereitzustellen, welches magnetostriktive Leistungsmerkmale, die bei der praktischen Anwendung gewünscht sind, und sogar eine höhere Festigkeit aufweist. Erfindungsgemäß ist es außerdem möglich ein Verfahren zur einfachen Herstellung großer Mengen eines magnetostriktiven Verbundmaterials des oben beschriebenen Typs bereitzustellen.

Claims

Magnetostriktives Verbundmaterial umfassend eine Matrix, die aus einem magnetostriktivem, aus einer Legierung auf SmFe-Basis hergestelltem Material gebildet ist, dadurch gekennzeichnet, dass Dispersionsphasen in der Matrix verteilt sind, wobei jede Dispersionsphase aus einer Legierung auf SmCu-Basis gebildet ist, und der Cu-Gehalt größer als null ist, aber nicht mehr als 15 Volumen-% beträgt, oder wobei jede Dispersionsphase aus SmNi gebildet wird und der Ni-Gehalt größer als null ist, aber nicht mehr als 18 Volumen-% beträgt.
Magnetostriktives Verbundmaterial umfassend eine Matrix, die aus einem magnetostriktivem, aus einer Legierung auf SmFe-Basis hergestelltem Material gebildet ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Dispersionsphasen in der Matrix verteilt sind, wobei jede Dispersionsphase aus Sm gebildet ist.
Magnetostriktives Verbundmaterial gemäß Anspruch 2, worin der Sm-Gehalt größer als null ist, aber nicht mehr als 15 Volumen-% beträgt.
Verfahren zur Herstellung eines magnetostriktiven Verbundmaterials umfassend die Schritte in Kontakt Bringen eines Diffusionsmaterials mit einem aus einer Legierung auf SmFe-Basis gebildeten magnetostriktiven Material, wobei das Diffusionsmaterial, aus wenigstens einem aus Sm, Cu und Ni gebildet ist, und Anwenden einer zur Erzeugung einer Flüssigphasen-Diffusion effektiven Wärmebehandlung auf das Diffusionsmaterial und das magnetostriktive Material.