EP3414768A1 - Hybridmagnet und verfahren zu dessen herstellung - Google Patents

Hybridmagnet und verfahren zu dessen herstellung

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EP3414768A1
EP3414768A1 EP17700819.0A EP17700819A EP3414768A1 EP 3414768 A1 EP3414768 A1 EP 3414768A1 EP 17700819 A EP17700819 A EP 17700819A EP 3414768 A1 EP3414768 A1 EP 3414768A1
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EP
European Patent Office
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layer
soft magnetic
hybrid magnet
hard magnetic
layers
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EP17700819.0A
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EP3414768B1 (de
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Branislav Zlatkov
Zoran Djinovic
Matthias Katter
Ana Maria Racu
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Vacuumschmelze GmbH and Co KG
Volkswagen AG
Original Assignee
Vacuumschmelze GmbH and Co KG
Volkswagen AG
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Publication date
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Publication of EP3414768B1 publication Critical patent/EP3414768B1/de
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    • H01F41/0253—Apparatus or processes specially adapted for manufacturing or assembling magnets, inductances or transformers; Apparatus or processes specially adapted for manufacturing materials characterised by their magnetic properties for manufacturing cores, coils, or magnets for manufacturing permanent magnets
    • H01F41/0273—Imparting anisotropy
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Definitions

  • the invention relates to a hybrid magnet comprising at least one soft magnetic and at least one hard magnetic material. Furthermore, the invention relates to a manufacturing method of such a hybrid magnet.
  • Magnetic materials can be produced by a melt metallurgy process (as cast magnet materials) or a powder metallurgy process (as sintered magnet materials or powder magnet composites).
  • powder metallurgy methods which include a sintering, magnetic components can be produced whose shape is melt metallurgically unrealizable. This applies z. B. in particular for magnetic materials with crystal anisotropy (NdFeB, SmCo, etc.).
  • Powder metallurgy manufacturing processes may include the following process steps: pulverization of a magnetic starting material, pressing the resulting powder into a green part to form a desired shape, sintering the green part, optional thermal stressing and microstructural optimization, and optionally magnetizing in an external magnetic field.
  • magnets produced in this way can be mechanically post-treated if necessary, for example by grinding or polishing.
  • metallic crystalline, metallic amorphous and oxidic materials are classified by their coercivity (often abbreviated as HcJ) into magnetically hard (having a high coercivity), semi-hard (having a mean coercive force), and soft (having a small coercive force) type.
  • HcJ coercivity
  • magnetically hard having a high coercivity
  • semi-hard having a mean coercive force
  • soft having a small coercive force
  • hybrid magnets are known.
  • a hybrid magnet is meant a component comprising at least two different magnetic materials, in particular at least one hard magnetic material and at least one soft magnetic material.
  • hybrid magnets are known in which the hard magnetic and the soft magnetic material are integrated into a matrix body made of plastic.
  • a disadvantage of hybrid magnets of this kind is that their magnetic properties are less than desired, that due to the plastic material, the temperature stability and the mechanical strength may be limited, and / or that such hybrid magnets can not be exposed to media that can damage the plastic. could attack fabric material.
  • US Pat. No. 6,972,046 B2 discloses a method for producing hybrid magnets. In this case, a coating of powder particles is used, which serves to avoid agglomeration.
  • US 2014/0072470 A1 describes a process for the production of hybrid magnesia in which a powder mixture is molded with a squeeze die having an angled channel.
  • process step C) is carried out in each case once after each execution of process step A) and in each case once after each execution of process step B).
  • one (individual) separating layer is formed between two adjacent layers of hard magnetic material and / or soft magnetic material.
  • Hybrid magnets with a layer structure can be produced in which the hard magnetic layers and the soft magnetic layers are combined in any desired layer sequence.
  • hard magnetic layers and soft magnetic layers are formed alternately or in a different regular way.
  • a hybrid magnet can have a pronounced effect as a permanent magnet (large remanent magnetization), which is difficult to destroy due to external influences (high coercivity).
  • the soft magnetic layers Due to the layer structure of the hybrid magnet, it can be achieved, in particular when the magnetization is oriented perpendicular to the layer structure, that the soft magnetic layers are always located in a support field of the hard magnetic layers and thus contribute to the overall magnetization of the hybrid magnet. Soft magnetic regions are placed next to hard magnetic regions, e.g. in the extreme case that the hard magnetic layers are magnetized along their layer plane, the soft magnetic layers act as a magnetic short circuit and the hybrid magnet can not produce any usable outside magnetic flux.
  • a hard magnetic layer is to be understood as meaning a region of the hybrid magnet which consists predominantly or exclusively of a hard magnetic material.
  • a hard magnetic layer does not necessarily have to be a contiguous area of hard magnetic material.
  • a hard magnetic layer can be formed of partial areas of hard magnetic material which are (partially) separated from one another in the layer plane by the matrix material.
  • all hard magnetic layers are made of the same hard magnetic material.
  • various hard magnetic materials may be used in a hybrid magnet.
  • Various hard magnetic materials can be processed in one layer. However, it is also possible for different layers to be present, each consisting of different hard-magnetic materials.
  • martensitic steels As the hard magnetic material, preferred are: martensitic steels; Alloys based on CuNiFe [copper, nickel, iron], CuNiCo [copper, nickel, cobalt], FeCoVCr [iron, cobalt, vanadium, chromium], MnAlC [manganese, aluminum, carbon], or AINiCo [aluminum, nickel, cobalt ]; Hard magnets based PtCo [platinum, cobalt]; Rare earth magnets such.
  • NdFeB neodymium, iron, boron
  • SmCo samarium, cobalt
  • SmFeN samarium, iron, nitrogen
  • oxidic permanent magnets hard ferrites
  • novel hard magnets such.
  • MnBi manganesese, bismuth] or Fei 6 N 2 [iron, nitrogen].
  • a soft magnetic layer is to be understood as meaning a region of the hybrid magnet which consists predominantly or exclusively of a soft magnetic material.
  • a soft magnetic layer does not necessarily have to be a contiguous area of soft magnetic material.
  • a soft-magnetic layer can be formed by partial regions of soft-magnetic material which are (partially) separated from one another in the layer plane by the matrix material.
  • all soft magnetic layers are made of the same soft magnetic material.
  • various soft magnetic materials may be used in a hybrid magnet.
  • Various soft magnetic materials can be processed in one layer. However, it is also possible for different layers to be present, each consisting of different soft magnetic materials.
  • Preferred soft magnetic materials are: soft iron, carbon steels, alloys based on FeAl [iron, aluminum], FeAlSi [iron, aluminum, silicon], FeNi [iron, nickel], FeCo [iron, cobalt]; amorphous soft magnetic materials such. FeNiBSi [iron, nickel, boron, silicon], FeBSi [iron, boron, silicon]; soft magnetic ferrite materials such. MnZn ferrites [manganese, zinc], MgZn ferrites [magnesium, zinc]; Spinel materials such. MnMgZn [manganese, magnesium, zinc], NiZn [nickel, zinc]; or garnet materials such. B. BiCa [bismuth, calcium], YGd [yttrium, gadollinium].
  • a magnetically hard material may be used. the. If a magnetically semi-hard material is used, the explanations for the hard magnetic materials or the soft magnetic materials apply analogously.
  • Preferred magnetically semi-hard materials are: alloys based on FeNi [iron, nickel], FeMn [iron, manganese], FeNiMn [iron, nickel, manganese], CoFe [cobalt, iron], or FeCu [iron, copper]; Co 4 Fe 4 8V 3 [cobalt, iron, vanadium; also known as Remendur]; CossNiFe [cobalt, nickel, iron; also known as Vacozet], and Kovar.
  • the magnetically passive material may in particular be a diamagnetic material or a paramagnetic material.
  • a paramagnetic or diamagnetic metal may be used, such as Dy [dysprosium], Tb [terbium], Al [aluminum], Pt [platinum], Ti [titanium], Cu [copper], Pb [lead], Zn [zinc ], Sn [tin], Ga [gallium], Ge [germanium], Au [gold], Ag [silver], Mg [magnesium], Mo [molybdenum], Mn [manganese], Zr [zirconium], Li [lithium ].
  • alloys or oxides of the specified materials can be used. Further preferred materials are listed below.
  • the same magnetically passive material is used for all separation layers.
  • an electrically non-conductive or poorly conductive magnetically passive material is used.
  • a changing magnetic field may generate electrical currents (eddy currents) due to electromagnetic induction. These can lead to heating of the extended electrical conductor and / or adversely affect its magnetic properties. If separation layers of an electrically non-conductive or only poorly conductive material interrupt the electrical conductivity of the hybrid magnet, eddy currents can be reduced and / or locally restricted. Eddy currents can be effectively suppressed, in particular in hybrid magnets with a matrix body, since in such cases the individual magnetic layers are formed from partial regions of magnetic material which are also (partially) separated from one another in the layer plane by the matrix material.
  • coating technology is used in at least one of method steps A), B) and C).
  • the coating technology is preferably a wet technique, such.
  • a physical vapor deposition (PVD) process is a vacuum-based coating process in which a starting material is converted into the gas phase and deposited on a substrate to be coated.
  • CVD are similar to the processes of physical vapor deposition, with the difference that here takes place during the deposition of the starting material on the substrate, a chemical reaction.
  • the coating technologies in particular have in common that the material is supplied in small particles to the substrate and can be connected to the substrate so that a firmly bonded to the substrate surface layer is formed.
  • a coating technology that is, in particular a coating method of the above type
  • the same coating technology is used for all process steps.
  • Method step A) comprises at least the following partial step: AI) providing a hard magnetic powder having hard magnetic particles of the hard magnetic material.
  • Process step B) comprises at least the following substep:
  • Process step C) comprises at least the following substep:
  • the method further preferably comprises the following method steps:
  • Partial step AI) may comprise a recipe preparation, mixing and / or portioning of the hard magnetic material used. Furthermore, in substep AI) a powder of the hard magnetic material can be obtained. be witnessed, for. B. by crushing a solid from this hard magnetic material.
  • sub-step AI can also be used for the provision of the soft magnetic material in sub-step Bl).
  • the coating of the particles is preferably carried out with one of the following coating methods: PVD such as. Eg “vacuum deposition”, “plasma deposition”, “sputtering”, “molecular beam epitaxy (MBE)", “vapor phase epitaxy”, or “liquid phase epitaxy”; CVD such. B. “sol-gel deposition”, or “metallo-organic chemical vapor deposition (MOCVD)". These methods are well known to a person skilled in the art.
  • a single coating layer is applied to the particles in sub-step Cl).
  • two coating layers of different materials are applied in partial step Cl).
  • the particles By coating the particles can be avoided that adjacent particles agglomerate. This can facilitate the manufacturing process. Furthermore, the coating of the particles can reduce a magnetic exchange interaction of adjacent particles, in particular of adjacent particles of different materials. Likewise, the coating of the particles can lead to a passivation of the surfaces of the particles. This can reduce the risk of spontaneous combustion of the particles upon contact with air. This can facilitate the implementation of the method because an inert gas atmosphere can be dispensed with. In particular, eddy currents can be reduced and / or locally restricted by the electrically insulating coating of the particles.
  • the body is formed by applying the soft magnetic powder and the hard magnetic powder in the desired sequence of the layer structure one above the other.
  • the distribution of the powder forming this layer can be improved.
  • the separating layers are formed by the coating of the particles, so that only layers of the hard magnetic powder and layers of the soft magnetic powder have to be layered together, with exactly one (uniform and / or coherent) separating layer being formed between adjacent layers.
  • method step C) is additionally carried out with each execution of method step A) and with each execution of method step B).
  • a hybrid magnet is formed from the body formed in method step D) by sintering.
  • Sintering means that the body is exposed to an elevated temperature, wherein the coating of the particles is transformed into a matrix body surrounding the particles.
  • the temperature selected for sintering is preferably selected such that no sintering of the hard magnetic and the soft magnetic materials takes place. This means in particular that the temperature selected for sintering preferably corresponds at most to the melting temperature of the magnetically passive material, or, if such a melting temperature is not well-defined for the relevant material, the transformation temperature.
  • the latter relates to such amorphous materials, such as. As glass, in which a melt does not occur at a certain melting temperature. Instead, the mechanical properties of these materials change continuously over a range of temperatures.
  • the sintering temperature is preferably selected depending on all the materials used.
  • the transformation temperature of many glasses is in the range up to 900 ° C.
  • a preferred temperature range for sintering is 400 ° C to 800 ° C at normal pressure (1013 hPa [hectopascal]), especially 550 ° C to 650 ° C.
  • the body Before step E) the body becomes generally referred to as pressed. After the sintering has been carried out in step E), the body is commonly referred to as a sintering.
  • the entire process is carried out under conditions in which no (significant or widespread) sintering of the hard magnetic or soft magnetic material used occurs.
  • the sintering temperature of a material can be pressure-dependent.
  • the temperature during the entire process is significantly smaller, in particular at least 50 ° C. smaller and preferably at least 100 ° C. lower than the sintering temperature of any hard-magnetic or soft-magnetic material used.
  • the coating has a coating thickness which lies in the range from 1 nm to 300 nm [nanometer], in particular in the range from 2 nm to 50 nm.
  • the coating thickness is to be understood regularly as the spatial extent of the coating. which has the smallest dimension.
  • the body is compressed between process step D) and E) to form an intermediate product, a so-called compact.
  • an increased, externally discontinued, pressure can lead to a compaction of the particles. This can lead to the improvement of the sintering activity and thus to the increase of the stability of the finished sintered hybrid magnet.
  • Under a compact here is a body to be understood, which is produced by pressing powder, in particular a die press can be used.
  • the pressing takes place in an external magnetic field.
  • the external magnetic field can be generated for example by an electrical coil.
  • the external magnetic field has an extent that encloses the entire compact.
  • the external magnetic field is a homogeneous magnetic field pointing in the direction of the magnetization desired for the hybrid magnet.
  • the method is particularly preferred when the external magnetic field is aligned perpendicular to the layer plane.
  • the external magnetic field may cause the magnetization of the magnetic particles to align along the external magnetic field.
  • the external magnetic field applied during pressing may favorably affect the properties of the hybrid magnet. Particularly in the case of magnetic materials with pronounced crystal anisotropy, an external magnetic field applied during the pressing can orient the particles in such a way that a preferred direction of magnetization is the same for all particles. After pressing, the orientation of the particles can be fixed.
  • the hard-magnetic particles and the soft-magnetic particles are acted upon at least temporarily by ultrasound. Exposure to ultrasound can increase the packing density of the powder. This can improve the stability of the hybrid magnet.
  • the ultrasound is generated by an ultrasound probe in the vicinity of the hybrid magnet. The action of ultrasound preferably takes place before and / or during the pressing.
  • the separating layer has a separating layer thickness which lies in the range from 1 nm to 300 nm [nanometer], in particular in the range from 2 nm to 50 nm.
  • the separating layer thickness is to be understood as meaning the spatial extent which is the lowest Dimension has, which also regularly affects the extent of the separation layer perpendicular to the layer structure.
  • the separating layer thickness depends in particular on the coating thickness described above. In any case, ie also for hybrid magnets which are produced in a different way, the advantages described above in connection with the choice of the coating thickness apply correspondingly to the choice of the separating layer thickness.
  • the hybrid magnet is magnetized in an external magnetic field.
  • the magnetization is preferably carried out when the hybrid magnet is already finished sintered.
  • the method is particularly preferred when the external magnetic field is oriented perpendicular to the layer plane.
  • the magnetizing can optionally be carried out.
  • the magnetizing can be done in a z. B. generated by an electric coil, external magnetic field are performed, which is preferably homogeneous and encloses the entire hybrid magnet.
  • This external magnetic field may deviate from the external magnetic field described above in both orientation and strength.
  • the external magnetic field could also be referred to herein as a second external magnetic field to distinguish it from the previously described magnetic field.
  • the external magnetic field used here is preferably sufficiently strong to be parallel Alignment of the magnetization of the particles to achieve, which persists even without external magnetic field (remanent magnetization).
  • the method may comprise an (additional) thermal treatment in another external magnetic field (material-specific, for example in Alnico alloys.
  • Another aspect of the invention relates to a hybrid magnet comprising a layered structure of layers, wherein at least one of the layers is a hard magnetic layer and at least one of the layers is a soft magnetic layer, and adjacent layers are separated by a magnetically passive material.
  • such a hybrid magnet is made by the method proposed herein.
  • the explanations described in connection with the method can be used individually or in combination also for explanations on the structure, the properties and advantages of the proposed hybrid magnet.
  • each hard magnetic layer of hard magnetic particles and each soft magnetic layer of soft magnetic particles is formed, wherein the hard magnetic particles and the soft magnetic particles are surrounded by a matrix body.
  • Such a hybrid magnet is preferably produced by the method according to the invention in an embodiment comprising the use of powder. In that case, the particles in the hybrid magnet correspond to the particles of the powder.
  • the hard magnetic particles and the soft magnetic particles have a (mean) diameter (or grain size) in the range from 0.2 ⁇ m to 250 ⁇ m [micrometers].
  • the magnetically passive material forming the matrix body is one of the following materials, in particular: glass, glass ceramic, metallic glass or ceramic.
  • the embodiment of the matrix body with one of these materials can be achieved, for example, by sintering a body formed from powder with a corresponding coating.
  • Glasses are understood in particular to be amorphous substances which structurally exist as an irregular structure (network). In contrast, in particular crystalline substances that are present in an ordered lattice structure.
  • Metallic glasses are primarily understood to mean metal alloys which, unlike ordinary metals or metal alloys, are amorphous, i. H. have no ordered lattice structure. Glasses, glass ceramics or ceramics are characterized by a particularly high corrosion protection and protection against ignition.
  • each layer has a layer thickness and a (spatial) width, wherein for each layer the width corresponds to at least ten times the layer thickness.
  • the width is then the extent of the layer perpendicular to the direction in which the layer thickness is measured. This means in particular that with an arbitrarily shaped layer in each direction perpendicular to the layer structure, the width must be greater than ten times the layer thickness.
  • the layers are aligned perpendicular to the magnetization of the hybrid magnet.
  • the soft magnetic layers are always located in a supporting field of the hard magnetic layers and thus contribute to the overall magnetization of the hybrid magnet.
  • the described advantages of a hybrid magnet with layer structure can be maximally utilized with a hybrid magnet with magnetization aligned perpendicular to the layer structure.
  • hybrid magnet or of the production method for producing the hybrid magnet will be described below by way of example.
  • a production method in a recipe preparation corresponding to component and material requirements (in particular with respect to magnetic properties such as a remanent magnetization and a coercive force, as well as with respect to temperature properties such as a transformation temperature), starting materials for the production process are selected and provided , Subsequently, in a powder The starting materials are pulverized. This happens z. B. with conventional techniques. In a subsequent coating powder particles are coated, for. B. with a single or multiple coating. Furthermore, a green body is built up in layers in a construction of a layer structure made of powder. Optionally, pressing (with or without a magnetic field) results in a compact. This is followed by sintering of the green body, optional tempering, optional aftertreatment and optionally magnetization. Three examples of this first embodiment of the manufacturing method will be described below.
  • a second embodiment of a manufacturing method the recipe preparation described above is performed first. This is followed by building up a layer structure and layering with coating technologies, which can optionally be performed in a magnetic field. Finally, as before, sintering, optional tempering, optional post-treatment and optional magnetization follow. Two examples of this second embodiment of the manufacturing method will be described below.
  • a first example of a hybrid magnet relates to a hybrid magnet made of powder consisting of NdFeB [neodymium, iron, boron] as a hard magnetic material.
  • the particles of this material have 90% of a diameter of less than 3 ⁇ [micrometers], 50% of less than 1 ⁇ and 30% of 0.2 to 0.5 ⁇ .
  • the hybrid magnet is made of pure iron [Fe] as a soft magnetic material.
  • the particles of this material have 90% of a diameter of less than 2 ⁇ and 30% of 0.2 to 0.8 ⁇ .
  • the coating is formed from an oxide composition comprising the following molar proportions: 30 to 60 mol% [mol%] Bi 2 0 3 [bismuth oxide], 30 to 40 mol% B 2 0 3 [boron oxide], 10 to 20 mol% ZnO [zinc oxide] and 5 to 10 mol% of Si0 2 [silica].
  • the layer structure alternately has one hartmagneti- see and one soft magnetic layer, wherein adjacent layers are each separated from a separating layer (indirectly through the coating of the Powder given).
  • the body is 100 mm by 300 mm wide and has a height of 8 mm [millimeter].
  • the individual layers (together with one separating layer each) have a layer thickness of 2.5 ⁇ [micrometers] each.
  • the layer structure comprises 3200 layers, ie 1600 layers per material.
  • the NdFeB particles are aligned by means of an external magnetic field with a strength of 1200 kA / m generated by an electromagnet. No pressing takes place.
  • the sintering (“no-press sintering" or "in-mold") is carried out over a period of one hour at 400 to 500 ° C in an argon atmosphere.
  • the body is then cut into pieces by cutting with a width of 20 mm by 10 mm and a height of 5 mm [millimeters].
  • another magnetization follows.
  • a second example of a hybrid magnet is a hybrid magnet made of powder consisting of NdFeB [neodymium, iron, boron] as a hard magnetic material.
  • the particles of this material have 90% of a diameter of less than 3 ⁇ [microns], 50% of less than 2 ⁇ and 30% of 0.2 to 1 ⁇ .
  • the hybrid magnet is composed of a composition of 90% Fe [iron], 5% Ni [nickel], 2% Co [cobalt], and 3% Si [silicon] as a soft magnetic material.
  • the particles of this composition have 90% of a diameter of less than 2 ⁇ and 30% of 0.2 to 0.1 ⁇ .
  • the coating is formed from an oxide composition comprising the following molar proportions: 40 to 60 mol% [mol%] PbO [lead oxide], 30 to 40 mol% B 2 0 3 [boron oxide], 5 to 10 mol% ZnO [zinc oxide].
  • the layer structure alternately has one hard magnetic and two soft magnetic layers.
  • the body is 100 mm by 300 mm wide and has a height of 9.9 mm [millimeter].
  • the individual layers have a layer thickness (each with a separating layer) of 3 ⁇ [microns].
  • the layer structure comprises 3300 layers, ie 1100 layers of the hard magnetic material and 2200 layers of the soft magnetic material. Pressing takes place in the form of masticating.
  • the sintering is carried out for one hour at 400 to 500 ° C in an argon atmosphere. Subsequently, the body is divided into parts cut by cutting with a width of 20 mm by 10 mm and with a height of 9 mm [millimeters].
  • another magnetization follows.
  • a third example of a hybrid magnet is a hybrid magnet made of powder consisting of NdFeB [neodymium, iron, boron] as a hard magnetic material with a layer thickness of 300 nm [nanometer] and 90% Fe [iron], 5% Ni [nickel ], 2% Co [cobalt], 3% Si [silicon] as a soft magnetic material with a layer thickness of 350 nm.
  • the separation layers are formed from an oxide composition comprising the following molar proportions: 40 to 60 mol% [mol%] PbO [lead oxide], 30 to 40 mol% B 2 O 3 [boron oxide], 5 to 10 mol% SiO 2 [silicon dioxide] with a separation layer thickness of 10 nm.
  • the layer structure alternately has one hard magnetic layer and one soft magnetic layer.
  • the body is 10 mm [millimeter] by 25 mm wide and has a height of 6 mm.
  • alignment takes place in the magnetic field.
  • the sintering is carried out over a period of one hour at 400 to 900 ° C in an argon atmosphere.
  • another magnetization follows.
  • a layer structure with coating technologies is produced by first growing a thin hard magnetic layer in a first step, e.g. From Nd 2 Fei 4 B [neodymium, iron, boron] with a thickness of 250 to 300 nm [nanometer]. This layer thickness corresponds to a single domain particle diameter of Nd 2 Fei 4 B.
  • ALD atomic layer deposition
  • MOCVD metal-organic chemical vapor deposition
  • chemical vapor deposition the following organometallic compounds can be used: tris- [N, N-bis- (trimethylsilyl) -amido] -neodymium (III) for neodymium [Nd], iron (III) tris (2,2, 6,6-tetramethyl-3,5-heptanedionate) for iron [Fe] and triisopropyl borate for boron [B]
  • a 5 to 10 nm [nanometer] thin separating layer is applied by means of CVD
  • oxides may be used: SiO 2 [silica], B 2 O 3 [Boron oxide], Na 2 O [sodium oxide], KO [potassium oxide], Al 2 O 3 [aluminum oxide].
  • TEOS tetraethyl or- thosilicate
  • TEB triethyl borate
  • PbO [lead oxide] Bi 2 O 3 [bismuth oxide]
  • P 2 O 5 [phosphorus oxide] ZnO [zinc oxide]
  • SnO [tin oxide] SnO [tin oxide]
  • the following precursors are possible: lead (II) acetate trihydrate for PbO [lead oxide], bismuth (III) acetates for Bi 2 O 3 [bismuth oxide], phosphorus trichloride for P 2 O 5 [phosphorus oxide], zinc acetate for ZnO [zinc oxide] , Tin (II) acetate for SnO [tin oxide].
  • lead (II) acetate trihydrate for PbO [lead oxide] bismuth (III) acetates for Bi 2 O 3 [bismuth oxide]
  • phosphorus trichloride for P 2 O 5 [phosphorus oxide]
  • zinc acetate for ZnO [zinc oxide] zinc acetate for ZnO [zinc oxide]
  • Tin (II) acetate for SnO [tin oxide Tin
  • a separating layer of binary, ternary or quaternary oxide mixtures is applied again, from which forms a glass, a glass ceramic or a ceramic phase in the further course of the process.
  • the sequence of the layer structure is repeated until the desired total thickness is reached. This results in a layer structure in which alternating hard magnetic layers and soft magnetic layers follow each other, which are separated from each other by separating layers.
  • a fifth example is a hybrid magnet similar to that previously described in the fourth example. The only difference is the sequence and the number of different layers ... Instead of alternating hard magnetic layers and soft magnetic layers, several soft magnetic layers can be used. netic layers or more hard magnetic layers follow each other, each of which may also be separated from each other by a separating layer. Adjacent layers of the same material are grouped together.
  • FIGS. show particularly preferred embodiments, to which the invention is not limited.
  • the figures and in particular the illustrated proportions are only schematic.
  • the particles and the layers are shown only in such a small number that are sufficient for clear visualization of the inventive concepts. Show it:
  • FIG. 1 shows a schematic representation of a cross section of an intermediate product of a hybrid magnet produced from already coated powder before sintering
  • FIG. 2 shows a schematic representation of a cross section of the hybrid magnet from FIG. 1 after sintering
  • FIG. 3 shows a schematic representation of a hybrid magnet produced using coating technologies
  • FIG. 4 shows a schematic representation of a cross section of a further hybrid magnet produced using coating technologies
  • FIG. 5 shows a flowchart of a first embodiment of a production method
  • FIG. 6 shows a flowchart of a second embodiment of a production method.
  • 1 shows an intermediate product of a hybrid magnet 1, comprising hard magnetic layers 13 and soft magnetic layers 14.
  • the hard magnetic layers 13 are (substantially) formed by hard magnetic particles 2.
  • the hard magnetic particles 2 are formed (only) of a hard magnetic material 5.
  • the soft magnetic layers 14 are (substantially) formed of soft magnetic particles 3, which themselves are formed (only) of a soft magnetic material 6.
  • the soft magnetic material 6 is represented by hatching.
  • the hard magnetic particles 2 and the soft magnetic particles 3 each have a coating 4 of a magnetically passive material 7.
  • the hard coating 4 has a coating thickness 8.
  • the hard magnetic particles 2 and the soft magnetic particles 3 each have approximately a diameter 12, which in this embodiment is the same for all hard magnetic particles 2 and all soft magnetic particles 3.
  • a layer thickness 19 is also shown as the distance between adjacent layers.
  • hard magnetic layers 13 have a hard magnetic layer thickness 33 and soft magnetic layers 14 a soft magnetic layer thickness 16, which need not be identical to the hard magnetic layer thickness 33.
  • a width 20 is here indicated as an extension of the hybrid magnet 1 perpendicular to the direction in which the layer thickness 19 is measured.
  • the hybrid magnet 1 is shown in this FIG. 1 as a cross section through the layer structure, wherein a situation before the sintering of the hybrid magnet semi-finished product is shown, so that the hard magnetic particles 2, the soft magnetic particles 3 and the coating 4 still recognize as such are.
  • an applied external magnetic field 11 which leads to the orientation of the hard magnetic particles 2 and to the magnetization of the soft magnetic particles 3.
  • Fig. 2 shows the hybrid magnet 1 of Fig. 1 after pressing and sintering.
  • a matrix body 9 formed from the magnetically passive material 7.
  • the matrix body 9 and the hard magnetic particles 2 and the soft magnetic particles 3 together now form a sintered compact 10.
  • the sintered compact 10 is formed from the hard magnetic particles 2 and the soft magnetic particles 3 and the coating 4 by pressing and sintering.
  • the sintered compact 10 forms the body 17 of the hybrid magnet 1.
  • the hard magnetic particles 2 of the hard magnetic material 5 form the hard magnetic layers 13.
  • the hard magnetic particles 2 represent subregions of the hard magnetic layers 13 which form the matrix body 9 in the layer plane magnetically passive material 7 are separated from each other.
  • the soft magnetic particles 3 made of the soft magnetic material 6 form the soft magnetic layers 14.
  • Fig. 3 shows a hybrid magnet 1 resulting from a manufacturing process using a coating technology.
  • the hybrid magnet 1 comprises a body 17 comprising hard magnetic layers 13 of a hard magnetic material 5, soft magnetic layers 14 of a soft magnetic material 6 and separating layers 15 of a magnetically passive material 7.
  • the soft magnetic material 6 is represented by hatching.
  • the separating layers 15 have a separating layer thickness 18.
  • the hard magnetic layers 13 and the soft magnetic layers 14 have a layer thickness 19, which in this embodiment is the same for all layers.
  • an external magnetic field 11 which can be applied during the production of the hybrid magnet 1.
  • FIG. 3 relates in particular to the fourth example of a hybrid magnet explained above. 4 shows a hybrid magnet 1 in a further embodiment. In comparison to FIG.
  • FIG. 4 relates in particular to the fifth example of a hybrid magnet explained above.
  • the matched layer structure with grouped layers of the same material shown in FIG. 4 is also applicable to hybrid magnets according to the first three examples. Even with such hybrid magnets grouped layers can be provided.
  • Fig. 5 shows the above-described first embodiment of a manufacturing method.
  • starting materials for the production process are selected and provided in accordance with component and material requirements (in particular with regard to magnetic properties such as a remanent magnetization and a coercive force, as well as with respect to temperature properties such as, for example, a transformation temperature).
  • the starting materials are pulverized in a powder supply 23. This happens z. B. with conventional techniques.
  • powder particles are coated, for. B. with a single or multiple coating.
  • a green compact is built up layer by layer in a build up of a layer structure of powder 25.
  • pressing 26 (with or without a magnetic field) results in a compact.
  • sintering 27 of the green body applies in particular to the first three examples of a hybrid magnet.
  • Fig. 6 shows the above-described second embodiment of a manufacturing method.
  • the recipe preparation 22 previously described for FIG. 5 is performed.
  • This is followed by building up a layer structure 31 and layering with coating technologies 32, which can optionally be performed in a magnetic field.
  • sintering 27, optional tempering 28, optional aftertreatment 29 and the optional mag- net 30.
  • the second embodiment of a manufacturing method applies in particular for the fourth and the fifth example of a hybrid magnet.

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Abstract

Verfahren zur Herstellung eines Hybridmagneten (1), umfassend zumindest die folgenden Verfahrensschritte: A) Erzeugen einer hartmagnetischen Schicht (13) aus einem hartmagnetischen Material (5), B) Erzeugen einer weichmagnetischen Schicht (14) aus einem weichmagnetischen Material (6), und C) Erzeugen einer Trennschicht (15) aus einem magnetisch passiven Material (7), wobei durch jeweils mehrfaches Anwenden der Verfahrensschritte A), B) und C) ein Hybridmagnet (1) geformt wird, der einen Schichtaufbau aufweist.

Description

Hybridmagnet und Verfahren zu dessen Herstellung
Die Erfindung betrifft einen Hybridmagneten, der mindestens ein weichmagnetisches und mindestens ein hartmagnetisches Material umfasst. Weiterhin bezieht sich die Erfindung auf ein Herstellungsverfahren eines solchen Hybridmagneten.
Magnetische Werkstoffe können mittels eines schmelzmetallurgischen Verfahrens (als Gußmagnetwerkstoffe) oder eines pulvermetallurgischen Verfahrens (als Sintermagnetwerkstoffe oder Pulvermagnetverbundwerkstoffe) hergestellt werden. Mit pulvermetallurgischen Verfahren, die eine Sinterung umfassen, können magnetische Bauteile hergestellt werden, deren Form schmelzmetallurgisch nicht realisierbar ist. Dies gilt z. B. insbesondere für Magnetwerkstoffe mit Kristallanisotropie (NdFeB, SmCo, etc.). Pulvermetallurgische Herstellungsverfahren können die folgenden Prozessstufen umfassen: Pulverisierung eines magnetischen Aus- gangsmaterials, Pressen des dabei entstehenden Pulvers zu einem Grünteil unter Ausformung einer gewünschten Gestalt, Sintern des Grünteils, optionale thermische Behandlung zum Spannungsabbau und zur Gefügeoptimierung, sowie optional Magnetisierung in einem externen Magnetfeld. Weiterhin können auf diese Art hergestellte Magnete erforderlichenfalls mechanisch nachbehandelt werden, zum Beispiel durch Schleifen oder Polieren.
Es wird insbesondere zwischen metallisch kristallinen, metallisch amorphen und oxidischen Werkstoffen unterschieden. Weiterhin werden magnetische Werkstoffe nach der Größe ihrer Koerzitivfeldstärke (oft als HcJ abgekürzt) unterteilt in mag- netisch harte (eine große Koerzitivfeldstärke aufweisende), halbharte (eine mittlere Koerzitivfeldstärke aufweisende) und weiche (eine kleine Koerzitivfeldstärke aufweisende) Werkstofftypen.
Weiterhin sind so genannte Hybridmagnete bekannt. Unter einem Hybridmagne- ten wird ein Bauteil verstanden, das mindestens zwei verschiedene magnetische Materialien umfasst, insbesondere mindestens ein hartmagnetisches Material und mindestens ein weichmagnetisches Material. Insbesondere sind Hybridmagnete bekannt, bei denen das hartmagnetische und das weichmagnetische Material in einen Matrixkörper aus Kunststoff eingebunden sind. Bei Hybridmagneten dieser Art kann nachteilig sein, dass deren magnetische Eigenschaften geringer ausge- prägt sind als erwünscht, dass aufgrund des Kunststoffmaterials die Temperaturstabilität sowie die mechanische Festigkeit begrenzt sein kann, und/oder dass solche Hybridmagnete keinen Medien ausgesetzt werden können, die das Kunst- stoffmaterial angreifen könnten. In der US 6,972,046 B2 ist ein Verfahren zur Herstellung von Hybridmagneten offenbart. Dabei wird eine Beschichtung von Pulverpartikeln eingesetzt, die zur Vermeidung von Agglomeratbildung dient.
In der US 2014/0072470 AI ist ein Verfahren zur Herstellung von Hybridmagne- ten beschrieben, bei dem eine Pulvermischung mit einer Pressmatrize mit einem gewinkelten Kanal abgeformt wird.
Hiervon ausgehend ist es Aufgabe der hier vorliegenden Erfindung, die im Zusammenhang mit dem Stand der Technik geschilderten technischen Probleme zu lösen bzw. zumindest zu lindern. Es soll insbesondere ein Hybridmagnet mit verbesserten magnetischen, mechanischen und/oder thermischen Eigenschaften vorgestellt werden. Weiterhin soll ein geeignetes Verfahren zu dessen Herstellung angegeben werden. Diese Aufgaben werden gelöst mit einem Hybridmagneten und einem Verfahren zur Herstellung eines Hybridmagneten gemäß den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des Hybridmagneten und des Verfahrens sind in den abhängigen Patentansprüchen angegeben. Die in den Patentansprüchen einzeln aufgeführten Merkmale sind in beliebiger, technolo- gisch sinnvoller Weise miteinander kombinierbar und können durch erläuternde Sachverhalte aus der Beschreibung ergänzt werden, wobei weitere Ausführungsvarianten der Erfindung aufgezeigt werden.
Hierzu trägt ein Verfahren zur Herstellung eines Hybridmagneten bei, umfassend zumindest die folgenden Verfahrensschritte:
A) Erzeugen einer hartmagnetischen Schicht aus einem hartmagnetischen Material,
B) Erzeugen einer weichmagnetischen Schicht aus einem weichmagnetischen Material, und
C) Erzeugen einer Trennschicht aus einem magnetisch passiven Material, wobei durch jeweils mehrfaches Anwenden der Verfahrensschritte A), B) und C) ein Hybridmagnet geformt wird, der einen Schichtaufbau aufweist.
Vorzugsweise wird Verfahrensschritt C) jeweils einmal durchgeführt nach jeder Durchführung von Verfahrensschritt A) und jeweils einmal nach jeder Durchführung von Verfahrensschritt B). Dadurch entsteht zwischen zwei benachbarten Schichten aus hartmagnetischem Material und/oder weichmagnetischem Material jeweils eine (einzelne) Trennschicht. Es können Hybridmagnete mit einem Schichtaufbau hergestellt werden, bei denen die hartmagnetischen Schichten und die weichmagnetischen Schichten in beliebiger Schichtfolge kombiniert werden. Bevorzugt werden hartmagnetische Schichten und weichmagnetische Schichten abwechselnd oder auf eine andere regelmäßige Art ausgebildet.
Viele weichmagnetische Materialien haben im Vergleich zu hartmagnetischen Materialien eine höhere Sättigungsmagnetisierung. Demgegenüber ist für hartmagnetische Materialien definitionsgemäß eine größere Koerzitivfeldstärke zu dessen Ummagnetisierung (Umkehrung der Richtung der Magnetisierung) erforderlich. Bei einem Hybridmagneten können diese Vorteile kombiniert werden, d.h. ein Hybridmagnet kann eine ausgeprägte Wirkung als Dauermagnet haben (große remanente Magnetisierung), die nur schwer durch äußere Einflüsse zerstört werden kann (große Koerzitivfeldstärke).
Durch den Schichtaufbau des Hybridmagneten kann insbesondere bei einer Aus- richtung der Magnetisierung senkrecht zu dem Schichtaufbau erreicht werden, dass sich die weichmagnetischen Schichten immer in einem Stützfeld der hartmagnetischen Schichten befinden und somit zur Gesamtmagnetisierung des Hybridmagneten beitragen. Werden weichmagnetische Bereiche neben hartmagnetischen Bereichen angeordnet, z.B. im Extremfall, dass die hartmagnetischen Schichten entlang ihrer Schichtebene magnetisiert werden, wirken die weichmagnetischen Schichten als magnetischer Kurzschluss und der Hybridmagnet kann keinen im Außenraum nutzbaren Magnetfluss produzieren.
Unter einer hartmagnetischen Schicht ist ein Bereich des Hybridmagneten zu ver- stehen, der überwiegend bzw. ausschließlich aus einem hartmagnetischen Material besteht. Eine hartmagnetische Schicht muss nicht notwendigerweise ein zusammenhängender Bereich hartmagnetischen Materials sein. Insbesondere bei Hybridmagneten mit einem Matrixkörper kann eine hartmagnetische Schicht von Teilbereichen hartmagnetischen Materials gebildet werden, die in der Schichtebe- ne durch das Matrixmaterial voneinander (teilweise) getrennt sind. Vorzugsweise, aber nicht notwendigerweise, bestehen alle hartmagnetischen Schichten aus dem gleichen hartmagnetischen Material. Alternativ können in einem Hybridmagneten verschiedene hartmagnetische Materialien verwendet werden. Es können verschiedene hartmagnetische Materialien in einer Schicht verarbeitet sein. Es kön- nen aber auch verschieden aufgebaute Schichten vorhanden sein, die jeweils aus unterschiedlichen hartmagnetischen Materialien bestehen.
Als hartmagnetisches Material sind bevorzugt: martensitische Stähle; Legierungen auf Basis von CuNiFe [Kupfer, Nickel, Eisen], CuNiCo [Kupfer, Nickel, Kobalt], FeCoVCr [Eisen, Kobalt, Vanadium, Chrom], MnAlC [Mangan, Aluminium, Kohlenstoff], oder AINiCo [Aluminium, Nickel, Kobalt]; Hartmagnete auf Basis von PtCo [Platin, Kobalt]; Seltenerdmagneten wie z. B. NdFeB [Neodym, Eisen, Bor], SmCo [Samarium, Kobalt], oder SmFeN [Samarium, Eisen, Stickstoff]; oxydische Dauermagnete (Hartferrite); oder neuartige Hartmagnete wie z. B. MnBi [Mangan, Bismut] oder Fei6N2 [Eisen, Stickstoff].
Unter einer weichmagnetischen Schicht ist ein Bereich des Hybridmagneten zu verstehen, der überwiegend bzw. ausschließlich aus einem weichmagnetischen Material besteht. Eine weichmagnetische Schicht muss nicht notwendigerweise ein zusammenhängender Bereich weichmagnetischen Materials sein. Insbesondere bei Hybridmagneten mit einem Matrixkörper kann eine weichmagnetische Schicht von Teilbereichen weichmagnetischen Materials gebildet werden, die in der Schichtebene durch das Matrixmaterial voneinander (teilweise) getrennt sind. Vorzugsweise, aber nicht notwendigerweise, bestehen alle weichmagnetischen Schichten aus dem gleichen weichmagnetischen Material. Alternativ können in einem Hybridmagneten verschiedene weichmagnetische Materialien verwendet werden. Es können verschiedene weichmagnetische Materialien in einer Schicht verarbeitet sein. Es können aber auch verschieden aufgebaute Schichten vorhanden sein, die jeweils aus unterschiedlichen weichmagnetischen Materialien bestehen.
Als weichmagnetisches Material sind bevorzugt: Weicheisen, Kohlenstoffstähle, Legierungen auf Basis von FeAl [Eisen, Aluminium], FeAlSi [Eisen, Aluminium, Silizium], FeNi [Eisen, Nickel], FeCo [Eisen, Kobalt]; amorphe weichmagnetische Werkstoffe wie z. B. FeNiBSi [Eisen, Nickel, Bor, Silizium], FeBSi [Eisen, Bor, Silizium]; weichmagnetische Ferritwerkstoffe wie z. B. MnZn-Ferrite [Mangan, Zink], MgZn-Ferrite [Magnesium, Zink]; Spinellwerkstoffe wie z. B. MnMgZn [Mangan, Magnesium, Zink], NiZn [Nickel, Zink]; oder Granatwerkstoffe wie z. B. BiCa [Bismut, Calcium], YGd [Yttrium, Gadollinium].
Zusätzlich oder alternativ zu dem hartmagnetischen Material und/oder dem weichmagnetischen Material kann ein magnetisch halbhartes Material eingesetzt wer- den. Wird ein magnetisch halbhartes Material eingesetzt, gelten die Erklärungen für die hartmagnetischen Materialien bzw. die weichmagnetischen Materialien jeweils in analoger Weise. Als magnetisch halbhartes Material bevorzugt sind: Legierungen auf Basis von FeNi [Eisen, Nickel], FeMn [Eisen, Mangan], FeNiMn [Eisen, Nickel, Mangan], CoFe [Kobalt, Eisen], oder FeCu [Eisen, Kupfer]; Co4 Fe48V3 [Kobalt, Eisen, Vanadium; auch bekannt als Remendur]; CossNiFe [Kobalt, Nickel, Eisen; auch bekannt als Vacozet], und Kovar.
Das magnetisch passive Material kann insbesondere ein diamagnetisches Material oder ein paramagnetisches Material sein. Beispielsweise kann ein paramagnetisches oder diamagnetisches Metall verwendet werden, wie beispielsweise Dy [Dysprosium], Tb [Terbium], AI [Aluminium], Pt [Platin], Ti [Titan], Cu [Kupfer], Pb [Blei], Zn [Zink], Sn [Zinn], Ga [Gallium], Ge [Germanium], Au [Gold], Ag [Silber], Mg [Magnesium], Mo [Molybdän], Mn [Mangan], Zr [Zirkonium], Li [Lithium]. Auch können Legierungen oder Oxide der angegebenen Materialien verwendet werden. Weitere bevorzugte Materialien werden nachfolgend noch angeführt. Vorzugsweise, aber nicht notwendigerweise, wird für alle Trennschichten das gleiche magnetisch passive Material verwendet. Bevorzugt wird ein elektrisch nicht oder nur schlecht leitendes magnetisch passives Material verwendet.
In einem ausgedehnten elektrischen Leiter kann ein sich änderndes magnetisches Feld aufgrund von elektromagnetischer Induktion elektrische Ströme (Wirbel- ströme) erzeugen. Diese können zu einer Erwärmung des ausgedehnten elektrischen Leiters führen und/oder dessen magnetische Eigenschaften nachteilig beeinflussen. Unterbrechen Trennschichten aus einem elektrisch nicht oder nur schlecht leitenden Material die elektrische Leitfähigkeit des Hybridmagneten, können Wirbelströme reduziert und/oder lokal eingeschränkt werden. Wirbelströme können insbesondere in Hybridmagneten mit einem Matrixkörper effektiv unterdrückt werden, da in solchen die einzelnen magnetischen Schichten aus Teilbereichen magnetischen Materials gebildet werden, die auch in der Schichtebene durch das Matrixmaterial voneinander (teilweise) getrennt sind.
In einer Ausführungsform des Verfahrens wird in mindestens einem der Verfahrensschritte A), B) und C) eine Beschichtungstechnologie angewendet.
Die Beschichtungstechnologie ist bevorzugt eine Nasstechnik, wie z. B. ein Sol-Gel- Verfahren, ein trockener Abscheidungsprozess, und/oder ein chemisches oder ein physikalisches Gasphasenabscheidungsverfahren. Dabei wird unter einem physikalischen Gasphasenabscheidungsverfahren („physical vapor depositi- on", PVD) ein vakuumbasiertes Beschichtungsverfahren verstanden, bei dem ein Ausgangsmaterial in die Gasphase überführt und auf einem zu beschichtenden Substrat abgeschieden wird. Verfahren der chemischen Gasphasenabscheidung („chemical vapor deposition", CVD) sind den Verfahren der physikalischen Gasphasenabscheidung ähnlich, mit dem Unterschied, dass hier bei der Abscheidung des Ausgangsmaterials auf dem Substrat eine chemische Reaktion abläuft. Den Beschichtungstechnologien ist insbesondere gemein, dass das Material in kleinen Teilchen zu dem Substrat zugeführt wird und dort mit diesem so verbunden werden kann, dass eine fest mit dem Substrat verbundene Oberflächenschicht gebildet wird.
Bevorzugt wird in jedem der Verfahrensschritte A), B) und C) eine Beschich- tungstechnologie (also insbesondere ein Beschichtungsverfahren der vorstehenden Art) angewendet. Insbesondere wird die gleiche Beschichtungstechnologie für alle Verfahrensschritte angewendet.
Bevorzugt ist folgende Ausgestaltung des Herstellungsverfahrens: Verfahrensschritt A) umfasst zumindest den folgenden Teilschritt: AI) Bereitstellen eines hartmagnetischen Pulvers aufweisend hartmagnetische Partikel aus dem hartmagnetischen Material.
Verfahrensschritt B) umfasst zumindest den folgenden Teilschritt:
Bl) Bereitstellen eines weichmagnetischen Pulvers aufweisend weich- magnetische Partikel aus dem weichmagnetischen Material.
Verfahrensschritt C) umfasst zumindest den folgenden Teilschritt:
Cl) Beschichten zumindest eines der hartmagnetischen Partikel oder der weichmagnetischen Partikel mit mindestens einer Beschich- tung aus dem magnetisch passiven Material, Das Verfahren umfasst weiterhin bevorzugt die folgenden Verfahrensschritte:
D) Formen eines den Hybridmagneten bildenden Körpers gemäß den Verfahrensschritten A), B) und C); und
E) Sintern des Körpers, wobei eine Temperatur verwendet wird, die hinreichend groß ist, um die Beschichtung in einen die hartmagnetischen Partikel und die weichmagnetischen Partikel umgebenden Matrixkörper umzuformen, wobei während des gesamten Verfahrens eine Sintertemperatur für das hartmagnetische Material und eine Sintertemperatur für das weichmagnetische Material nicht überschritten werden, und wobei in Verfahrensschritt E) eine Sinter- temperatur des magnetisch passiven Materials überschritten wird.
Das Formen des Hybridmagneten in Verfahrensschritt D) kann optional in einem externen Magnetfeld erfolgen. Die Verfahrensschritte D) und E) werden vorzugsweise in der angegebenen Reihenfolge durchlaufen. Teilschritt AI) kann eine Rezepturherstellung, Mischung und/oder Portionierung des verwendeten hartmagnetischen Materials umfassen. Weiterhin kann in Teilschritt AI) ein Pulver des hartmagnetischen Materials er- zeugt werden, z. B. durch Zerkleinerung eines Festkörpers aus diesem hartmagnetischen Material.
Die vorstehenden Erläuterungen zu Teilschritt AI) können ebenso für die Bereit- Stellung des weichmagnetischen Materials in Teilschritt Bl) herangezogen werden.
In Teilschritt Cl) wird das Beschichten der Partikel bevorzugt mit einem der folgenden Beschichtungsverfahren durchgeführt: PVD wie z. B.„vacuum depositi- on",„plasma deposition",„sputtering",„molecular beam epitaxy (MBE)",„vapor phase epitaxy", oder„liquid phase epitaxy"; CVD wie z. B.„sol-gel deposition", oder„metallo-organic chemical vapor deposition (MOCVD)". Diese Verfahren sind einem Fachmann auf diesem Gebiet gut bekannt. Vorzugsweise wird in Teilschritt Cl) eine einzige Beschichtungsschicht auf die Partikel aufgebracht. In ei- ner alternativen Ausführungsform des Verfahrens werden in Teilschritt Cl) bevorzugt zwei Beschichtungsschichten aus verschiedenen Materialien aufgebracht.
Durch die Beschichtung der Partikel kann vermieden werden, dass benachbarte Partikel agglomerieren. Dies kann den Herstellungsprozess erleichtern. Weiterhin kann die Beschichtung der Partikel eine magnetische Austausch Wechselwirkung benachbarter Partikel, insbesondere benachbarter Partikel unterschiedlicher Materialien, reduzieren. Ebenso kann die Beschichtung der Partikel zu einer Passivierung der Oberflächen der Partikel führen. Dies kann die Gefahr einer Selbstentzündung der Partikel bei Kontakt mit Luft reduzieren. Dies kann die Durchfüh- rung des Verfahrens erleichtern, weil auf eine Inertgasatmosphäre verzichtet werden kann. Durch die elektrisch isolierende Beschichtung der Partikel können insbesondere Wirbelströme reduziert und/oder lokal eingeschränkt werden.
In Verfahrensschritt D) wird der Körper dadurch geformt, dass das weich- magnetische Pulver und das hartmagnetische Pulver in der gewünschten Reihenfolge des Schichtaufbaus übereinander aufgetragen werden. Optional kann nach dem Auftragen einer Schicht durch ein Abstreifen die Verteilung des diese Schicht bildenden Pulvers verbessert werden. Die Trennschichten werden durch die Beschichtung der Partikel gebildet, so dass lediglich Schichten aus dem hartmagnetischen Pulver und Schichten aus dem weichmagnetischen Pulver überei- nander geschichtet werden müssen, wobei zwischen benachbarten Schichten jeweils genau eine (einheitliche und/oder zusammenhängende) Trennschicht entsteht. Das bedeutet insbesondere, dass bei jeder Durchführung von Verfahrensschritt A) und bei jeder Durchführung von Verfahrensschritt B) Verfahrensschritt C) zusätzlich mit ausgeführt wird.
In Verfahrensschritt E) entsteht aus dem in Verfahrensschritt D) geformten Körper durch Sintern ein Hybridmagnet. Dabei bedeutet Sintern, dass der Körper einer erhöhten Temperatur ausgesetzt wird, wobei die Beschichtung der Partikel in einen die Partikel umgebenden Matrixkörper umgeformt wird. Die zum Sintern gewählte Temperatur ist vorzugsweise derart gewählt, dass kein Sintern der hartmagnetischen und der weichmagnetischen Materialien stattfindet. Dies bedeutet insbesondere, dass die zum Sintern gewählte Temperatur vorzugsweise höchstens der Schmelztemperatur des magnetisch passiven Materials entspricht, bzw., sofern eine solche Schmelztemperatur für das betreffende Material nicht wohldefiniert ist, der Transformationstemperatur. Letzteres betrifft solche amorphen Materialien, wie z. B. Glas, bei denen eine Schmelze nicht bei einer bestimmten Schmelztemperatur eintritt. Stattdessen verändern sich bei diesen Materialien die mechanischen Eigenschaften kontinuierlich über einen Temperaturbereich. Dieser wird durch die Angabe einer Transformationstemperatur charakterisiert. Die zum Sin- tern verwendete Temperatur wird vorzugsweise in Abhängigkeit von allen verwendeten Materialien gewählt. Beispielsweise liegt die Transformationstemperatur vieler Gläser im Bereich bis 900 °C. Wird ein solches Glas als magnetisch passives Material verwendet, beträgt ein bevorzugter Temperaturbereich für die Sinterung (werkstoffspezifisch) 400 °C bis 800 °C bei Normaldruck (1013 hPa [Hektopascal]), insbesondere 550 °C bis 650 °C. Vor Schritt E) wird der Körper im Allgemeinen als Pressling bezeichnet. Nachdem in Schritt E) die Sinterung durchgeführt wurde, wird der Körper im üblicherweise als Sinterling bezeichnet.
Vorzugsweise wird das gesamte Verfahren, umfassend sämtliche Verfahrens- schritte, unter Bedingungen durchgeführt, bei denen keine (signifikante oder verbreitete) Sinterung des verwendeten hartmagnetischen oder weichmagnetischen Materials eintritt. Dabei ist zu berücksichtigen, dass die Sintertemperatur eines Materials druckabhängig sein kann. Vorzugsweise ist die Temperatur während des gesamten Verfahrens deutlich kleiner, insbesondere mindestens 50 °C kleiner und vorzugsweise mindestens 100 °C kleiner, als die Sintertemperatur jedes verwendeten hartmagnetischen oder weichmagnetischen Materials.
In einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens weist die Beschichtung eine Beschichtungsdicke auf, die im Bereich von 1 nm bis 300 nm [Nanometer] liegt, insbesondere im Bereich von 2 nm bis 50 nm. Unter der Beschichtungsdicke ist regelmäßig die räumliche Ausdehnung der Beschichtung zu verstehen, die die geringste Abmessung hat. Durch die Wahl der Schichtdicke in dem vorgeschlagenen Bereich können einerseits die beschriebenen Vorteile der Beschichtung in ausreichendem Maße erzielt werden. Andererseits ist die Schichtdicke klein ge- nug, um magnetische Eigenschaften des Hybridmagneten nicht wesentlich zu reduzieren.
In einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens wird der Körper zwischen Verfahrensschritt D) und E) zu einem Zwischenprodukt, einem sogenannten Pressling verpresst. Nachdem der Schichtaufbau durch Aufbringen der bzw. aller gewünschter Schichten aus Pulver aufgebaut wurde, kann ein erhöhter, von außen aufgegebener, Druck zu einer Verdichtung der Partikel führen. Dies kann zur Verbesserung der Sinteraktivität und damit zur Erhöhung der Stabilität des fertig gesinterten Hybridmagneten führen. Unter einem Pressling ist hier ein Körper zu verstehen, der durch Pressen von Pulver erzeugt wird, wobei insbesondere eine Matrizenpresse eingesetzt werden kann. In einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens findet das Pressen in einem externen Magnetfeld statt. Das externe Magnetfeld kann beispielsweise durch eine elektrische Spule erzeugt werden. Vorzugsweise hat das externe Magnetfeld eine Ausdehnung, die den gesamten Pressling umschließt. Ebenso vorzugsweise ist das externe Magnetfeld ein homogenes Magnetfeld, das in die Richtung der für den Hybridmagneten gewünschten Magnetisierung zeigt. Besonders bevorzugt ist das Verfahren, wenn das externe Magnetfeld senkrecht zur Schichteben ausgerichtet ist. Das externe Magnetfeld kann bewirken, dass die Magnetisierung der magnetischen Partikel sich entlang des externen Magnetfelds ausrichtet. Abhängig von den verwendeten Materialien kann das während des Pressens anliegende externe Magnetfeld die Eigenschaften des Hybridmagneten vorteilhaft beeinflussen. Insbesondere bei magnetischen Werkstoffen mit ausgeprägter Kristallanisotropie kann ein während des Pressens anliegendes externes Magnetfeld die Partikel derart ausrichten, dass eine bevorzugte Magnetisierungsrichtung für alle Partikel gleich ausgerichtet ist. Nach dem Pressen kann die Ausrichtung der Partikel fixiert sein. Auch wenn in einem späteren Verfahrensschritt die Magnetisierung (insbesondere durch Tempe- ratureinwirkung) wieder verloren geht, kann die Ausrichtung der Partikel bestehen bleiben. Damit kann bei einem späteren Magnetisieren von der allen Partikeln gemeinen bevorzugten Richtung der Magnetisierung profitiert werden.
In einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens wird zumindest zeitweise mit Ultraschall auf die hartmagnetischen Partikel und die weichmagnetischen Partikel eingewirkt. Die Einwirkung mit Ultraschall kann die Packungsdichte des Pulvers erhöhen. Dies kann die Stabilität des Hybridmagneten verbessern. Vorzugsweise wird der Ultraschall durch eine Ultraschallsonde in der Nähe des Hybridmagneten erzeugt. Das Einwirken mit Ultraschall findet bevorzugt vor und/oder während des Pressens statt. In einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens weist die Trennschicht eine Trennschichtdicke auf, die im Bereich von 1 nm bis 300 nm [Nanometer] liegt, insbesondere im Bereich von 2 nm bis 50 nm. Unter der Trennschichtdicke ist die räumliche Ausdehnung zu verstehen, die die geringste Abmessung hat, wobei dies regelmäßig auch die Ausdehnung der Trennschicht senkrecht zu dem Schichtaufbau betrifft. Wird der Hybridmagnet aus Pulver hergestellt, hängt die Trennschichtdicke insbesondere von der oben beschriebenen Beschichtungsdicke ab. In jedem Fall, d. h. auch für Hybridmagnete, die auf eine andere Weise hergestellt werden, gelten die oben im Zusammenhang mit der Wahl der Beschichtungsdicke beschriebenen Vorteile in entsprechender Weise für die Wahl der Trennschichtdicke.
In einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens wird der Hybridmagnet in einem externen Magnetfeld magnetisiert.
Die Magnetisierung erfolgt vorzugsweise, wenn der Hybridmagnet bereits fertig gesintert ist.
Besonders bevorzugt ist das Verfahren, wenn das externe Magnetfeld senkrecht zur Schichtebene ausgerichtet ist.
Nach dem Sintern bzw. nach der Nachbearbeitung kann optional das Magnetisie- ren durchgeführt werden. Das Magnetisieren kann in einem z. B. von einer elektrischen Spule erzeugten, externen Magnetfeld durchgeführt werden, das vor- zugsweise homogen ist und den gesamten Hybridmagneten umschließt. Dieses externe Magnetfeld kann von dem zuvor beschriebenen externen Magnetfeld sowohl in der Orientierung als auch in der Stärke abweichen. Das externe Magnetfeld könnte hier auch als ein zweites externes Magnetfeld bezeichnet werden, um es von dem zuvor beschriebenen Magnetfeld zu unterscheiden. Das hier verwen- dete externe Magnetfeld ist vorzugsweise hinreichend stark, um eine parallele Ausrichtung der Magnetisierung der Partikel zu erreichen, die auch ohne externes Magnetfeld bestehen bleibt (remanente Magnetisierung).
Weiterhin kann das Verfahren eine (zusätzliche) thermische Behandlung in einem weiteren externen Magnetfeld umfassen (werkstoffspezifisch, z.B. bei Alnico Legierungen.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft einen Hybridmagneten, aufweisend einen Schichtaufbau aus Schichten, wobei mindestens eine der Schichten eine hartmagnetische Schicht und mindestens eine der Schichten eine weichmagnetische Schicht ist, und wobei benachbarte Schichten durch ein magnetisch passives Material getrennt sind.
Vorzugsweise, aber nicht notwendigerweise, wird ein solcher Hybridmagnet mit dem hier vorgeschlagenen Verfahren hergestellt. Jedenfalls können die im Zusammenhang mit dem Verfahren beschriebenen Erläuterungen einzeln oder in Kombination auch für Erläuterungen zum Aufbau, zu den Eigenschaften und hinsichtlich Vorteilen des vorgeschlagenen Hybridmagneten herangezogen werden. In einer weiteren Ausführungsform des Hybridmagneten ist jede hartmagnetische Schicht aus hartmagnetischen Partikeln und jede weichmagnetische Schicht aus weichmagnetischen Partikeln gebildet, wobei die hartmagnetischen Partikel und die weichmagnetischen Partikel von einem Matrixkörper umgeben sind. Ein solcher Hybridmagnet wird vorzugsweise durch das erfindungsgemäße Verfahren in einer Ausführungsform hergestellt, die die Verwendung von Pulver umfasst. In dem Fall entsprechen die Partikel in dem Hybridmagneten den Partikeln des Pulvers.
In einer weiteren Ausführungsform des Hybridmagneten weisen die hartmagneti- sehen Partikel und die weichmagnetischen Partikel einen (mittleren) Durchmesser (bzw. eine Korngröße) im Bereich von 0,2 μιη bis 250 μιη [Mikrometer] auf. In einer weiteren Ausfuhrungsform des Hybridmagneten ist das den Matrixkörper bildende magnetisch passive Material eines der folgenden Materialien insbesondere: Glas, Glas-Keramik, metallisches Glas oder Keramik.
Die Ausführung des Matrixkörpers mit einer dieser Materialien kann beispielsweise dadurch erreicht werden, dass ein aus Pulver mit entsprechender Beschich- tung gebildeter Körper gesintert wird. Unter Gläsern werden insbesondere amorphe Substanzen verstanden, die strukturell als ein unregelmäßiges Gefüge (Netz- werk) vorliegen. Im Gegensatz dazu stehen insbesondere kristallinen Substanzen, die in einer geordneten Gitterstruktur vorliegen. Unter metallischen Gläsern werden vorrangig Metalllegierungen verstanden, die anders als gewöhnliche Metalle oder Metalllegierungen amorph sind, d. h. keine geordnete Gitterstruktur aufweisen. Gläser, Glaskeramiken oder Keramiken zeichnen sich durch einen besonders hohen Korrosionsschutz sowie Schutz vor Entzündung aus.
In einer weiteren Ausführungsform des Hybridmagneten weist jede Schicht eine Schichtdicke und eine (räumliche) Weite auf, wobei für jede Schicht die Weite mindestens der zehnfachen Schichtdicke entspricht.
Unter der Schichtdicke ist regelmäßig die Ausdehnung einer Schicht senkrecht zu dem Schichtaufbau zu verstehen. Die Weite ist dann die Ausdehnung der Schicht senkrecht zu der Richtung, in die die Schichtdicke gemessen wird. Dies bedeutet insbesondere, dass bei einer beliebig geformten Schicht in jeder Richtung senk- recht zu dem Schichtaufbau die Weite größer sein muss als die zehnfache Schichtdicke.
An den seitlichen Rändern einer hartmagnetischen Schicht gibt es immer eine Tendenz, dass sich die Magnetfeldlinien auf kürzestem Weg kurzschließen wol- len. Dieser Effekt wird noch verstärkt, wenn in diesem Bereich auch weichmagnetisches Material vorhanden ist. Dieser Anteil an kurzgeschlossenen Magnetfeld- nien steht für die eigentliche Aufgabe eines Dauermagneten, nämlich in seinem Außenraum ein Magnetfeld zu erzeugen, nicht mehr zur Verfügung. Die Forderung, dass die räumliche Weite der magnetischen Schichten mindestens 10 mal so groß sein muss wie die Dicke der einzelnen Schichten kann den Einfluss der magnetischen Kurzschlüsse an den Rändern der Schichten minimieren.
In einer weiteren Ausführungsform des Hybridmagneten sind die Schichten senkrecht zur Magnetisierung des Hybridmagneten ausgerichtet.
Wie oben beschrieben, kann durch die Ausrichtung der Magnetisierung senkrecht zu dem Schichtaufbau erreicht werden, dass sich die weichmagnetischen Schichten immer in einem Stützfeld der hartmagnetischen Schichten befinden und somit zur Gesamtmagnetisierung des Hybridmagneten beitragen. Damit können mit einem Hybridmagneten mit senkrecht zum Schichtaufbau ausgerichteter Magnetisierung die beschriebenen Vorteile eines Hybridmagneten mit Schichtaufbau maximal genutzt werden.
Die für den beschriebenen Hybridmagneten dargestellten besonderen Vorteile und Ausgestaltungsmerkmale sind in beliebiger, technologisch sinnvoller Weise auf das beschriebene Verfahren anwendbar und übertragbar.
Im Folgenden sollen beispielhaft konkrete Ausführungsformen des Hybridmagneten bzw. des Herstellungsverfahrens zur Herstellung des Hybridmagneten beschrieben werden.
In einer ersten Ausführungsform eines Herstellungsverfahrens werden in einem Rezepturherstellen entsprechend Bauteil- und Werkstoffanforderungen (insbesondere bezüglich magnetischer Eigenschaften wie z. B. einer remanenten Magnetisierung und einer Koerzitivfeldstärke, sowie bezüglich Temperatureigenschaften wie z. B. einer Transformationstemperatur) Ausgangsstoffe für das Herstellungsverfahren ausgewählt und bereitgestellt. Anschließend werden in einem Pulverbe- reitstellen die Ausgangsstoffe pulverisiert. Dies geschieht z. B. mit konventionellen Techniken. In einem anschließenden Beschichten werden Pulverpartikel beschichtet, z. B. mit einer einfachen oder mehrfachen Beschichtung. Weiterhin wird ein Grünling schichtweise in einem Aufbauen eines Schichtaufbaus aus Pul- ver aufgebaut. Optional folgt ein Pressen (mit oder ohne Magnetfeld) zu einem Pressling. Abschließend folgen ein Sintern des Grünkörpers, ein optionales Tempern, ein optionales Nachbehandeln und optional ein Magnetisieren. Nachfolgend werden drei Beispiele für diese erste Ausführungsform des Herstellungsverfahrens beschrieben.
In einer zweiten Ausführungsform eines Herstellungsverfahrens wird zuerst das zuvor beschriebene Rezepturherstellen durchgeführt. Darauf folgt ein Aufbauen eines Schichtaufbaus und ein Schichtenerzeugen mit Beschichtungstechnologien, das optional in einem Magnetfeld durchgeführt werden kann. Abschließend folgen wie zuvor das Sintern, das optionale Tempern, das optionale Nachbehandeln und das optionale Magnetisieren. Nachfolgend werden zwei Beispiele für diese zweite Ausführungsform des Herstellungsverfahrens beschrieben.
Ein erstes Beispiel für einen Hybridmagneten betrifft einen aus Pulver hergestell- ten Hybridmagneten, bestehend aus NdFeB [Neodym, Eisen, Bor] als hartmagnetisches Material. Die Partikel dieses Materials haben zu 90 % einen Durchmesser von weniger als 3 μιη [Mikrometer], zu 50 % von weniger als 1 μιη und zu 30 % von 0,2 bis 0,5 μιη. Weiterhin besteht der Hybridmagnet aus reinem Eisen [Fe] als weichmagnetisches Material. Die Partikel dieses Materials haben zu 90 % einen Durchmesser von weniger als 2 μιη und zu 30 % von 0,2 bis 0,8 μιη. Die Beschichtung ist aus einer Oxidzusammensetzung gebildet, umfassend folgende Stoffmengenanteile: 30 bis 60 mol % [Molprozent] Bi203 [Bismutoxid], 30 bis 40 mol % B203 [Boroxid], 10 bis 20 mol % ZnO [Zinkoxid] und 5 bis 10 mol % Si02 [Siliziumdioxid]. Der Schichtaufbau weist abwechselnd je eine hartmagneti- sehe und eine weichmagnetische Schicht auf, wobei benachbarte Schichten jeweils von einer Trennschicht getrennt sind (indirekt durch die Beschichtung des Pulvers gegeben). Der Körper ist 100 mm mal 300 mm weit und hat eine Höhe von 8 mm [Millimeter]. Die einzelnen Schichten haben (zusammen mit je einer Trennschicht) eine Schichtdicke von je 2,5 μιη [Mikrometer]. Der Schichtaufbau umfasst 3200 Schichten, also 1600 Schichten pro Material. Nach Erzeugung der Schichten erfolgt ein Ausrichten der NdFeB Partikel durch ein mit einem Elektromagneten erzeugtes externes Magnetfeld mit einer Stärke von 1200 kA/m.. Ein Pressen findet nicht statt. Das Sintern („pressloses Sintern" oder„Schüttsintern") wird über eine Zeit von einer Stunde bei 400 bis 500°C in einer Argon- Atmosphäre durchgeführt. Anschließend wird der Körper in Teile durch Schnei- den zerteilt mit einer Weite von 20 mm mal 10 mm und mit einer Höhe von 5 mm [Millimeter]. Optional folgt ein weiteres Magnetisieren.
Ein zweites Beispiel für einen Hybridmagneten stellt ein aus Pulver hergestellter Hybridmagnet dar, bestehend aus NdFeB [Neodym, Eisen, Bor] als hartmagneti- sches Material. Die Partikel dieses Materials haben zu 90 % einen Durchmesser von weniger als 3 μιη [Mikrometer], zu 50 % von weniger als 2 μιη und zu 30 % von 0,2 bis 1 μιη. Weiterhin besteht der Hybridmagnet aus einer Zusammensetzung von 90% Fe [Eisen], 5% Ni [Nickel], 2% Co [Kobalt] und 3% Si [Silizium] als weichmagnetisches Material. Die Partikel dieser Zusammensetzung haben zu 90 % einen Durchmesser von weniger als 2 μιη und zu 30 % von 0,2 bis 0,1 μιη. Die Beschichtung ist aus einer Oxidzusammensetzung gebildet, umfassend folgende Stoffmengenanteile: 40 bis 60 mol % [Molprozent] PbO [Bleioxid], 30 bis 40 mol % B203 [Boroxid], 5 bis 10 mol % ZnO [Zinkoxid]. Der Schichtaufbau weist abwechselnd je eine hartmagnetische und zwei weichmagnetische Schichten auf. Der Körper ist 100 mm mal 300 mm weit und hat eine Höhe von 9,9 mm [Millimeter]. Die einzelnen Schichten haben eine Schichtdicke (zusammen mit je einer Trennschicht) von je 3 μιη [Mikrometer]. Der Schichtaufbau umfasst 3300 Schichten, also 1100 Schichten des hartmagnetischen Materials und 2200 Schichten des weichmagnetischen Materials. Ein Pressen findet statt in Form eines Mat- rizenpressens. Das Sintern wird über eine Zeit von einer Stunde bei 400 bis 500°C in einer Argon- Atmosphäre durchgeführt. Anschließend wird der Körper in Teile durch Schneiden zerteilt mit einer Weite von 20 mm mal 10 mm und mit einer Höhe von 9 mm [Millimeter]. Optional folgt ein weiteres Magnetisieren.
Ein drittes Beispiel für einen Hybridmagneten stellt ein aus Pulver hergestellter Hybridmagnet dar, bestehend aus NdFeB [Neodym, Eisen, Bor] als hartmagnetisches Material mit einer Schichtdicke von 300 nm [Nanometer] und aus 90% Fe [Eisen], 5% Ni [Nickel], 2% Co [Kobalt], 3% Si [Silizium] als weichmagnetisches Material mit einer Schichtdicke von 350 nm. Die Trennschichten sind aus einer Oxidzusammensetzung gebildet, umfassend folgende Stoffmengenanteile: 40 bis 60 mol % [Molprozent] PbO [Bleioxid], 30 bis 40 mol % B203 [Boroxid], 5 bis 10 mol % Si02 [Siliziumdioxid] mit einer Trennschichtdicke von 10 nm. Der Schichtaufbau weist abwechselnd je eine hartmagnetische und eine weichmagnetische Schicht auf. Der Körper ist 10 mm [Millimeter] mal 25 mm weit und hat eine Höhe von 6 mm. Vor dem Sintern findet ein Ausrichten im Magnetfeld statt. Das Sintern wird über eine Zeit von einer Stunde bei 400 bis 900°C in einer Argon-Atmosphäre durchgeführt. Optional folgt ein weiteres Magnetisieren.
In einem vierten Beispiel für einen Hybridmagneten wird ein Schichtaufbau mit Beschichtungstechnologien dadurch hergestellt, dass in einem ersten Schritt zuerst eine dünne hartmagnetische Schicht gewachsen wird, z. B. aus Nd2Fei4B [Neodym, Eisen, Bor] mit einer Dicke von 250 bis 300 nm [Nanometer]. Diese Schichtdicke entspricht einem Eindomänenteilchendurchmesser von Nd2Fei4B. Dabei kann eine der folgenden, oben eingeführten Beschichtungstechnologien verwendet werden: „atomic layer deposition" (ALD), „metal-organic chemical vapor deposition" (MOCVD) oder„chemical vapor deposition" (CVD). Für diese Beschichtungstechnologien können folgende metallorganische Verbindungen verwendet werden: Tris-[N,N-bis-(trimethylsilyl)-amido]-neodym(III) für Neodym [Nd], Eisen(III) tris(2,2,6,6-tetramethyl-3,5-heptanedionate) für Eisen [Fe] und Triisopropylborate für Bor [B]. In einem zweiten Schritt wird z. B. mittels CVD eine 5 bis 10 nm [Nanometer] dünne Trennschicht aufgebracht. Dabei können z. B. die folgenden Oxide verwendet werden: Si02 [Siliziumoxid], B203 [Boroxid], Na20 [Natriumoxid], KO [Kaliumoxid], A1203 [Aluminiumoxid]. Dafür können verschiedene Präkursoren verwendet werden, wie z. B. Tetraethyl or- thosilicate (TEOS) für Si02 [Siliziumoxid], Triethyl-borat (TEB) für B203 [Boroxid], Natriumethoxid für Na20 [Natriumoxid], Aluminiumisopropoxidfür A1203 [Aluminiumoxid], Kaliumethanolat für KO [Kobaltoxid]. Es können hier auch Oxidmischungen mit PbO [Bleioxid], Bi203 [Bismutoxid], P205 [Phosphoroxid], ZnO [Zinkoxid] oder SnO [Zinnoxid] verwendet werden, um niedrig schmelzende Gläser herstellen zu können. Dafür sind z. B. folgende Präkursoren möglich: Blei(II)-acetat-Trihydrat für PbO [Bleioxid], Bismuth (III) Acetate für Bi203 [Bismutoxid], Phosphortrichlorid für P205 [Phosphoroxid], Zinkacetat für ZnO [Zinkoxid], Zinn(II)-acetat für SnO [Zinnoxid]. In die Trennschicht können auch Seltene-Erden-Oxide eingebaut werden, die wiederum aus Präkursoren wie Neodym(III)-isopropoxid und Dysprosium(III) acetate hydrate hervorgehen. In einem dritten Schritt wird mittels CVD eine dünne Schicht einer weichmagneti- sehen Phase, z. B. FeCo [Eisen, Kobalt], FeSi [Eisen, Silizium] oder FeNi [Eisen, Nickel] aufgebracht, die sich aus Präkursoren wie z.B. Eisen(III) tris(2,2,6,6- tetramethyl-3,5-heptanedionate) für Eisen [Fe], Siliciumtetrachlorid für Silizium [Si], (Co)bis(cyclopentadienyl)cobalt(II) für Kobalt [Co] und (Ni)bis(cyclopentadienyl)nickel(II) für Nickel [Ni]. Im Anschluss wird wieder eine Trennschicht aus binären, ternären oder quaternären Oxidmischungen aufgetragen, aus der sich im weiteren Prozessverlauf ein Glas, eine Glaskeramik oder eine keramische Phase bildet. Die Abfolge des Schichtaufbaus wird solange wiederholt, bis die gewünschte Gesamtdicke erreicht ist. Dabei entsteht ein Schichtaufbau, bei welchem immer abwechselnd hartmagnetische Schichten und weich- magnetische Schichten aufeinander folgen, die jeweils durch Trennschichten voneinander getrennt sind.
Ein fünftes Beispiel stellt ein Hybridmagnet ähnlich dem zuvor im vierten Beispiel beschriebenen dar. Der einzige Unterschied ist die Abfolge und die Zahl der verschiedenen Schichten... Anstatt hartmagnetische Schichten und weichmagnetische Schichten immer abwechselnd anzuordnen können auch mehrere weichmag- netische Schichten oder mehrere hartmagnetische Schichten aufeinander folgen, die untereinander jeweils ebenfalls von einer Trennschicht getrennt sein können. Benachbarte Schichten aus demselben Material liegen also gruppiert vor.
Die Erfindung sowie das technische Umfeld werden nachfolgend anhand der Figuren näher erläutert. Die Figuren zeigen besonders bevorzugte Ausführungsbeispiele, auf die die Erfindung jedoch nicht begrenzt ist. Insbesondere ist darauf hinzuweisen, dass die Figuren und insbesondere die dargestellten Größenverhältnisse nur schematisch sind. Insbesondere sind die Partikel und die Schichten nur in einer solchen geringen Anzahl gezeigt, die zur deutlichen Visualisierung der erfindungsgemäßen Konzepte ausreichen. Es zeigen:
Fig. 1 : eine schematische Darstellung eines Querschnitts eines Zwischenproduktes eines aus bereits beschichtetem Pulver hergestellten Hybridmagneten vor dem Sintern,
Fig. 2: eine schematische Darstellung eines Querschnitts des Hybridmagneten aus Fig. 1 nach dem Sintern,
Fig. 3: eine schematische Darstellung eines mit Beschichtungstechnologien hergestellten Hybridmagneten,
Fig. 4: eine schematische Darstellung eines Querschnitts eines mit Beschichtungstechnologien hergestellten weiteren Hybridmagneten,
Fig. 5: ein Flussdiagramm einer ersten Ausführungsform eines Herstellungsverfahrens, und
Fig. 6: ein Flussdiagramm einer zweiten Ausführungsform eines Herstellungsverfahrens. Fig. 1 zeigt ein Zwischenprodukt eines Hybridmagneten 1, aufweisend hartmagnetische Schichten 13 und weichmagnetische Schichten 14. Die hartmagnetischen Schichten 13 sind (im Wesentlichen) durch hartmagnetische Partikel 2 gebildet. Die hartmagnetischen Partikel 2 sind (nur) aus einem hartmagnetischen Material 5 gebildet. Die weichmagnetischen Schichten 14 sind (im Wesentlichen) aus weichmagnetischen Partikeln 3 gebildet, die selbst (nur) aus einem weichmagnetischen Material 6 gebildet sind. Das weichmagnetische Material 6 ist durch eine Schraffur dargestellt. Die hartmagnetischen Partikel 2 und die weichmagnetischen Partikeln 3 weisen jeweils eine Beschichtung 4 aus einem magnetisch passiven Material 7 auf. Die Beschichtung 4 hat eine Beschichtungsdicke 8. Die hartmagnetischen Partikel 2 und die weichmagnetischen Partikel 3 haben jeweils annäherungsweise einen Durchmesser 12, der in dieser Ausführungsform für alle hartmagnetischen Partikel 2 und alle weichmagnetischen Partikel 3 gleich groß ist. Weiterhin eingezeichnet ist eine Schichtdicke 19 als Abstand benachbarter Schichten. Dabei haben hartmagnetische Schichten 13 eine hartmagnetische Schichtdicke 33 und weichmagnetische Schichten 14 eine weichmagnetische Schichtdicke 16, die nicht mit der hartmagnetischen Schichtdicke 33 identisch sein muss. Eine Weite 20 ist hier als Ausdehnung des Hybridmagneten 1 senkrecht zu der Richtung, in die die Schichtdicke 19 gemessen wird, ausgewiesen. Der Hybridmagnet 1 ist in dieser Fig. 1 als ein Querschnitt durch den Schichtaufbau gezeigt, wobei eine Situation vor dem Sintern des Hybridmagnet-Halbzeugs dargestellt ist, so dass die hartmagnetischen Partikel 2, die weichmagnetischen Partikeln 3 und die Beschichtung 4 noch als solche zu erkennen sind. Ebenfalls eingezeichnet ist ein angelegtes externes Magnetfeld 11 das zur Ausrichtung der hartmagnetischen Partikel 2 und zur Aufmagnetisierung der weichmagnetischen Partikel 3 führt. Die Pfeile 34 in den Partikeln 2 und 3 deuten dabei die Richtung der Magnetisierung an. Das externe Magnetfeld 11 ist homogen und umschließt das Volumen des gesamten Körpers 17. Fig. 2 zeigt den Hybridmagneten 1 aus Fig. 1 nach dem Pressen und Sintern. Aus der Beschichtung 4 der hartmagnetischen Partikel 2 und der weichmagnetischen Partikeln 3 ist ein Matrixkörper 9 aus dem magnetisch passiven Material 7 entstanden. Der Matrixkörper 9 sowie die hartmagnetischen Partikel 2 und die weichmagnetischen Partikeln 3 formen gemeinsam nunmehr einen Sinterling 10. Der Sinterling 10 ist aus den hartmagnetischen Partikeln 2 und den weichmagneti- sehen Partikeln 3 sowie der Beschichtung 4 durch Pressen und Sintern entstanden. Der Sinterling 10 bildet den Körper 17 des Hybridmagneten 1. Die hartmagnetischen Partikel 2 aus dem hartmagnetischen Material 5 bilden die hartmagnetischen Schichten 13. Die hartmagnetischen Partikel 2 stellen Teilbereiche der hartmagnetischen Schichten 13 dar, die in der Schichtebene durch das den Mat- rixkörper 9 bildende magnetisch passive Material 7 voneinander getrennt sind. Die weichmagnetischen Partikel 3 aus dem weichmagnetischen Material 6 bilden die weichmagnetischen Schichten 14. Dazwischen liegen Trennschichten 15, die in dieser Ausführungsform als Teil des Matrixkörpers 9 gebildet werden. Das betrifft insbesondere die ersten drei Beispiele eines Hybridmagneten.
Fig. 3 zeigt einen Hybridmagneten 1, der aus einem Herstellungsverfahren unter Einsatz einer Beschichtungstechnologie hervorgegangen ist. Der Hybridmagnet 1 umfasst einen Körper 17, der hartmagnetische Schichten 13 aus einem hartmagnetischen Material 5, weichmagnetische Schichten 14 aus einem weichmagnetischen Material 6 und Trennschichten 15 aus einem magnetisch passiven Material 7 umfasst. Das weichmagnetische Material 6 ist durch eine Schraffur dargestellt. Die Trennschichten 15 weisen eine Trennschichtdicke 18 auf. Die hartmagnetischen Schichten 13 und die weichmagnetischen Schichten 14 weisen eine Schichtdicke 19 auf, die in dieser Ausführungsform für alle Schichten gleich groß ist. Ebenso gezeigt ist die Weite 20 des Hybridmagneten 1. Weiterhin eingezeichnet ist ein externes Magnetfeld 11 das während der Herstellung des Hybridmagneten 1 angelegt werden kann.. Fig. 3 betrifft insbesondere das weiter oben erläuterte vierte Beispiel eines Hybridmagneten. Fig. 4 zeigt einen Hybridmagneten 1 in einer weiteren Ausführungsform. Im Vergleich zu Fig. 3 ist lediglich beispielhaft eine andere Schichtfolge aufgezeigt. Hierbei können demnach auch benachbarte Schichten desselben Materials gruppiert vorliegen. Fig. 4 betrifft insbesondere das weiter oben erläuterte fünfte Beispiel eines Hybridmagneten. Der in Fig. 4 dargestellte angepasste Schichtaufbau mit gruppierten Schichten desselben Materials ist auch auf Hybridmagnete gemäß der ersten drei Beispiele anwendbar. Auch bei solchen Hybridmagneten können gruppierte Schichten vorgesehen sein.
Fig. 5 zeigt die oben beschriebene erste Ausführungsform eines Herstellungsverfahrens. In einem Rezepturherstellen 22 werden entsprechend Bauteil- und Werk- Stoffanforderungen (insbesondere bezüglich magnetischer Eigenschaften wie z. B. einer remanenten Magnetisierung und einer Koerzitivfeldstärke, sowie bezüglich Temperatureigenschaften wie z. B. einer Transformationstemperatur) Ausgangsstoffe für das Herstellungsverfahren ausgewählt und bereitgestellt. Anschließend werden in einem Pulverbereitstellen 23 die Ausgangsstoffe pulverisiert. Dies ge- schieht z. B. mit konventionellen Techniken. In einem anschließenden Beschichten 24 werden Pulverpartikel beschichtet, z. B. mit einer einfachen oder mehrfachen Beschichtung. Weiterhin wird ein Grünling schichtweise in einem Aufbauen eines Schichtaufbaus aus Pulver 25 aufgebaut. Optional folgt ein Pressen 26 (mit oder ohne Magnetfeld) zu einem Pressling. Abschließend folgen ein Sintern 27 des Grünkörpers, ein optionales Tempern 28, ein optionales Nachbehandeln 29 und ein optionales Magnetisieren 30. Die erste Ausführungsform eines Herstellungsverfahrens gilt insbesondere für die ersten drei Beispiele eines Hybridmagneten. Fig. 6 zeigt die oben beschriebene zweite Ausführungsform eines Herstellungsverfahrens. Zuerst wird das zuvor für Fig. 5 beschriebene Rezepturherstellen 22 durchgeführt. Darauf folgt ein Aufbauen eines Schichtaufbaus 31 und ein Schichtenerzeugen mit Beschichtungstechnologien 32, das optional in einem Magnetfeld durchgeführt werden kann. Abschließend folgen wie zuvor das Sintern 27, das optionale Tempern 28, das optionale Nachbehandeln 29 und das optionale Mag- netisieren 30. Die zweite Ausführungsform eines Herstellungsverfahrens gilt insbesondere für das vierte und das fünfte Beispiel eines Hybridmagneten.
Die vorstehenden Erläuterungen haben aufgezeigt, dass das vorgeschlagene Her- stellungsverfahren und/oder der Hybridmagnet die im Zusammenhang mit dem Stand der Technik geschilderten technischen Probleme wenigstens teilweise überwindet. Insbesondere wurde auch ein Hybridmagnet mit verbesserten magnetischen, mechanischen und/oder thermischen Eigenschaften vorgestellt.
Bezugszeichenliste
1 Hybridmagnet
2 hartmagnetisches Partikel
3 weichmagnetisches Partikel
4 Beschichtung
5 hartmagnetisches Material
6 weichmagnetisches Material
7 magnetisch passives Material
8 Beschichtungsdicke
9 Matrixkörper
10 Sinter ling
11 Externes Magnetfeld
12 Durchmesser
13 hartmagnetische Schicht
14 weichmagnetische Schicht
15 Trennschicht
16 weichmagnetische Schichtdicke
17 Körper
18 Trennschichtdicke
19 Schichtdicke
20 Weite
21 Schicht
22 Rezepturherstellen
23 Pulverbereitstellen
24 Beschichten
25 Aufbauen eines Schichtaufbaus aus Pulver
26 Pressen
27 Sintern
28 Tempern
29 Nachbehandeln Magnetisieren
Aufbauen eines Schichtaufbaus
Schichtenerzeugen mit Beschichtungstechnologien hartmagnetische Schichtdicke
Richtung der Magnetisierung

Claims

Patentansprüche
Verfahren zur Herstellung eines Hybridmagneten (1), umfassend zumindest die folgenden Verfahrensschritte:
A) Erzeugen einer hartmagnetischen Schicht (13) aus einem hartmagnetischen Material (5),
B) Erzeugen einer weichmagnetischen Schicht (14) aus einem weichmagnetischen Material (6), und
C) Erzeugen einer Trennschicht (15) aus einem magnetisch passiven Material (7), wobei durch jeweils mehrfaches Anwenden der Verfahrensschritte A), B) und C) ein Hybridmagnet (1) geformt wird, der einen Schichtaufbau aufweist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei in mindestens einem der Verfahrensschritte A), B) und C) eine Beschichtungstechnologie angewendet wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei
Verfahrensschritt A) zumindest den folgenden Teilschritt umfasst:
AI) Bereitstellen eines hartmagnetischen Pulvers aufweisend hartmagnetische Partikel (2) aus dem hartmagnetischen Material (5),
wobei Verfahrensschritt B) zumindest den folgenden Teilschritt umfasst: Bl) Bereitstellen eines weichmagnetischen Pulvers aufweisend weichmagnetische Partikel (3) aus dem weichmagnetischen Material (6), wobei Verfahrensschritt C) zumindest den folgenden Teilschritt umfasst: Cl) Beschichten zumindest eines der hartmagnetischen Partikel
(2) oder der weichmagnetischen Partikel
(3) mit mindestens einer Be- schichtung (4) aus dem magnetisch passiven Material (7), und wobei das Verfahren weiterhin die folgenden Verfahrensschritte um- fasst:
D) Formen eines den Hybridmagneten (1) bildenden Körpers (17) gemäß den Verfahrensschritten A), B) und C); und
E) Sintern des Körpers (17), wobei eine Temperatur verwendet wird, die hinreichend groß ist, um die Beschichtung
(4) in einen die hartmagnetischen Partikel (2) und die weichmagnetischen Partikel (3) umgebenden Matrixkörper (9) umzuformen,
wobei während des gesamten Verfahrens eine Sintertemperatur für das hartmagnetische Material
(5) und eine Sintertemperatur für das weichmagnetische Material
(6) nicht überschritten werden, und wobei in Verfahrensschritt E) eine Sintertemperatur des magnetisch passiven Materials
(7) überschritten wird.
Verfahren nach Anspruch 1 bis 3, wobei die Beschichtung (4) eine Be- schichtungsdicke (8) aufweist, die im Bereich von 1 nm bis 300 nm [Nano- meter] liegt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 3 oder 4, wobei der Körper (17) zwischen Verfahrensschritt D) und E) zu einem Pressling (10) verpresst wird.
Verfahren nach Anspruch 5, wobei das Pressen in einem externen Magnetfeld (11) stattfindet.
Verfahren nach einem der Ansprüche 5 oder 6, wobei zumindest zeitweise mit Ultraschall auf die hartmagnetischen Partikel (2) und die weichmagnetischen Partikel (3) eingewirkt wird.
8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Trennschicht (15) eine Trennschichtdicke (18) aufweist, die im Bereich von 1 nm bis 300 nm [Nanometer] liegt.
9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Hybridmagnet (1) in einem externen Magnetfeld (11) magnetisiert wird.
Hybridmagnet (1), aufweisend einen Schichtaufbau aus Schichten (21), wobei mindestens eine der Schichten (21) eine hartmagnetische Schicht (13) und mindestens eine der Schichten (21) eine weichmagnetische Schicht (14) ist, und wobei benachbarte Schichten (21) durch ein magnetisch passives Material (7) getrennt sind.
Hybridmagnet (1) nach Anspruch 10, wobei jede hartmagnetische Schicht (13) aus hartmagnetischen Partikeln (2) gebildet ist, wobei jede weichmagnetische Schicht (14) aus weichmagnetischen Partikeln (3) gebildet ist, und wobei die hartmagnetischen Partikel (2) und die weichmagnetischen Partikel (3) von einem Matrixkörper (9) umgeben sind.
Hybridmagnet (1) nach Anspruch 11, wobei die hartmagnetischen Partikel (2) und die weichmagnetischen Partikel (3) einen Durchmesser (12) aufweisen, der im Bereich von 0,2 μιη bis 250 μιη [Mikrometer] liegt.
Hybridmagnet (1) nach einem der Ansprüche 11 oder 12, wobei das den Matrixkörper (9) bildende magnetisch passive Material (7) eines der folgenden Materialien ist: Glas, Glas-Keramik, metallisches Glas oder Keramik.
Hybridmagnet (1) nach einem der Ansprüche 10 bis 13, wobei jede Schicht (21) eine Schichtdicke (19) und eine Weite (20) aufweist, und wobei für jede Schicht (21) die Weite (20) mindestens der zehnfachen Schichtdicke (19) entspricht. Hybridmagnet (1) nach einem der Ansprüche 10 bis 14, wobei die Schichten (21) senkrecht zu der Richtung der Magnetisierung (34) des Hybridmagneten (1) ausgerichtet sind.
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