WO2015078619A1 - Dauermagnet mit erhöhter koerzitivfeldstärke - Google Patents

Dauermagnet mit erhöhter koerzitivfeldstärke Download PDF

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Gottfried Suppan
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    • H01F1/0577—Alloys characterised by their composition containing rare earth metals and magnetic transition metals, e.g. SmCo5 and IIIa elements, e.g. Nd2Fe14B in the form of particles, e.g. rapid quenched powders or ribbon flakes pressed, sintered or bonded together sintered

Definitions

  • the invention relates to a method for producing a permanent magnet and the correspondingly produced permanent magnets.
  • HRE are abbreviated resulting in increased Kristallanisot ⁇ ropie .. Disadvantages are a poor availability, ho ⁇ he price of HRE materials, and a reduction of the saturation magnetization and the coercive field as a result of this substi- tution.
  • the object is achieved by a method according to the main claim and a corresponding permanent magnet according to the independent claim.
  • a method for producing a permanent magnet that has the following steps.
  • process steps such as painting, aligning, pressing and sintering, a generation of a RFeB permanent magnet is carried out, where R is
  • Rare earth element and its hard magnetic Kompo ⁇ nente consists essentially of a R 2 Fei 4 B phase. Thereafter, successive coating of at least one surface of the permanent magnet with a first and a second additional material; along the grain boundaries within the substrate, inferring the first and second additional materials and partially substituting the rare earth element R in the region of the grain boundaries by the first and second additional materials, wherein the first additional material is free of rare earth metal material and the second additional material is at least one heavy material Sel ⁇ tenerdmetallmaterial (HRE) has.
  • HRE Sel ⁇ tenerdmetallmaterial
  • Layer combination can also be used for an increase in coercive feid strength.
  • a further advantage is that the first additional material as a protective layer protects the permanent magnet or its substrate physically, chemically and / or mechanically.
  • the rare earth element R may be equal to Pr or Nd.
  • the first additional material may be copper or aluminum.
  • the second additional material may be an element of the so-called heavy rare earth (HRE) metals - preferably Dy or Tb
  • HRE heavy rare earth
  • a heat treatment of the coated substrate at a temperature T and for a time t be selected such that the dif ⁇ substantiate the first additional material and then the second additional material in the substrate is executable.
  • the coating with the first and the second additional material can be carried out by means of electrolysis.
  • an anhydrous electrolyte can be used for the electrolysis.
  • an ionic liquid can be used as the electrolyte.
  • Figure 1 shows an embodiment of an inventive
  • Figure 2 shows an embodiment of an inventive
  • FIG. 1 shows an exemplary embodiment of a method according to the invention for producing a permanent magnet 1.
  • An RFeB is produced by means of alignment and sintering, wherein R represents a rare earth element having substrate 3 with a surface. This is done in a first step Sl. With a subsequent step S2, a successive coating of the surface of the substrate 3 takes place with a first and then with a second additional material 5, 7. With a third step S3, the first and second additional materials 5, 7 are diffused along grain boundaries within the substrate 3, where the RFeB in the region of the grain boundaries is formed by the first and the second additional material 5, 7 is set.
  • the first additional material 5 used is a material, in particular a metal, which is free of rare earth metal.
  • the second additional material 7 comprises at least one heavy rare earth metal material. When diffusing, a phase equilibrium forms.
  • Figure 2 shows an embodiment of a permanent magnet according to the invention 1.
  • a substrate 3 is provided with a Oberflä ⁇ che.
  • the substrate consists for example of a hard magnetic d 2 Fei 4 B-phase, in principle, an alternative rare earth element, Pr example ⁇ example may be used instead of the Nd.
  • the substrate 3 has a surface that has been coated with a first additional material 5 and a second additional material 7.
  • the coating of the first and second additional material 5, 7 is diffused into the substrate 3 along grain boundaries or across grain boundaries of the substrate. In the area of the grain boundaries, the first additional material 5 and / or the second additional material 7 has at least partially replaced the R portion of the original RFeB component.
  • OF INVENTION ⁇ dung was not used in accordance with Sel ⁇ tenerdmetall material as the first additional material 5, but also metals, such as there are in ⁇ game as copper Cu or aluminum Al.
  • the coating can be carried out, for example, electrolytically.
  • the diffusing can be assisted by means of additional heat treatment.
  • the layer was coated consisting of the first zusharm ⁇ union material 5 with a second additional material.
  • the first coating can for example serve as a protective layer for the substrate 3.
  • the second coating with the second additional material 7 can also be used to further increase the coercive field strength.
  • the first additional material 5 is made of a metal.
  • the second additional material 7 may in particular have heavy rare earth metals, which further increase the coercive field strength and / or act as a further protective layer for the substrate 3.
  • the first layer becomes advantageous formed from an electrically highly conductive material 5, in ⁇ particular, when the deposition of the second additional material 7 is carried out galvanically (electrolytically).

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Abstract

Es ist Aufgabe der Erfindung einen Dauermagneten (1) derart bereitzustellen, dass dieser kostengünstig mit einer großen Koerzitivfeldstärke erzeugt werden kann. Es erfolgt ein Beschichten eines beispielsweisen Nd2Fe14B- Dauermagneten (1) mittels Kupfer oder Aluminium und danach mittels Dy und ein entsprechendes Diffundieren entlang Korngrenzen in das Dauermagnetsubstrat (3).

Description

Beschreibung
Dauermagnet mit erhöhter Koerzitivfeidstärke Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Dauermagneten und die entsprechend erzeugten Dauermagnete.
Die Koerzitivfeidstärke eines Dauermagneten ist für viele An¬ wendungen, bei denen es auf eine Gegenfeldstabilität ankommt, die entscheidende Materialgröße. Dies betrifft insbesondere die Gegenfeldstabilität bei erhöhten Temperaturen. Für NdFeB sind verschiedene Verfahren bekannt, die Koerzitivfeidstärke zu erhöhen. Dabei wird ein Teil des Nd in der hartmagneti¬ schen d2Fei4B-Phase durch Dy oder Tb ersetzt. Der Ersatz durch diese sogenannten schweren Seltenerdmetalle, die mit
HRE abgekürzt werden führt zu einer erhöhten Kristallanisot¬ ropie.. Nachteilig sind eine schlechte Verfügbarkeit, der ho¬ he Preis der HRE-Materialien, sowie eine Reduktion der Sättigungsmagnetisierung bzw. der Remanenz infolge dieser Substi- tution.
Herkömmlicherweise erfolgt eine Eindiffusion von zusätzlichem Material über Korngrenzen durch eine Beschichtung als Diffusionsquelle bei NdFeB-Magneten . Dieses Verfahren heißt im Englischen „grain boundary diffusion process", dass mit GBDP abgekürzt wird. Dabei wird als Beschichtungsmaterial ein Ma¬ terial verwendet, dass im Magneten eine Legierung bildet, die eine höhere intrinsische Kristallanisotropie aufweist, als das Grundmaterial. Üblicherweise werden dazu schwere Selten- erdmetalle, wie z.B. Dy oder Tb, verwendet. Ebenso zeigen Le¬ gierungen von Dy mit AI und Ni positive Effekte. Der Vorteil des GBDP ist, dass die Substitution auf dem Bereich der Korngrenzen beschränkt bleibt und damit das Grundmaterial unver¬ ändert bleibt. Auf diese Weise wird der nachteilige Nebenef- fekt der Abnahme der Magnetisierung des Grundmaterials unter¬ drückt. Mittels der Erhöhung der Anisotropie an den Korngrenzen wird dort die Ummagnetisierung der Körner, mittels Keim- bildung von sogenannten „reverse domains", erschwert, was zu einer Erhöhung der Koerzitivfeidstärke führt.
Es ist Aufgabe der Erfindung einen Dauermagneten kostengünstig mit einer großen Koerzitivfeidstärke, einer großen Rema- nenz und leicht verfügbaren Materialien bereit zu stellen.
Die Aufgabe wird durch ein Verfahren gemäß dem Hauptanspruch und einem entsprechenden Dauermagneten gemäß dem Nebenanspruch gelöst.
Gemäß einem ersten Aspekt wird ein Verfahren zur Herstellung eines Dauermagneten vorgeschlagen, dass folgende Schritte aufweist. Mittels herkömmlicher Verfahrensschritte, wie es beispielsweise Malen, Ausrichten, Pressen und Sintern sind, erfolgt ein Erzeugen eines RFeB Dauermagneten wobei R ein
Seltenerd-Element darstellt und dessen hartmagnetische Kompo¬ nente im wesentlichen aus einerR2Fei4B-Phase besteht. Danach erfolgt ein aufeinanderfolgendes Beschichten von mindestens einer Oberfläche des Dauermagneten mit einem ersten und einem zweiten zusätzlichen Material; entlang Korngrenzen innerhalb des Substrats erfolgendes Eindiffundieren des ersten und des zweiten zusätzlichen Materials und teilweises Substituieren des Seltenerdelements R im Bereich der Korngrenzen durch das erste und das zweite zusätzliche Material, wobei das erste zusätzliche Material frei von Seltenerdmetallmaterial ist und das zweite zusätzliche Material mindestens ein schweres Sel¬ tenerdmetallmaterial (HRE) aufweist .
Gemäß einem zweiten Aspekt wird ein entsprechend hergestell- ter Dauermagnet vorgeschlagen.
Es wird als Alternative zu einer bekannten Beschichtung mit HRE-Metallen bzw. deren Legierungen vorgeschlagen, die Koerzitivfeidstärke von, insbesondere NdFeB, Sintermagneten mit- tels einer dünnen Beschichtung erhöhen. Dazu wird zunächst ein erstes Seltenerd-freies Metall abgeschieden, welches eine leitfähige Schutzschicht für die Abscheidung der zweiten Me¬ tallschicht bildet, welche das schwere Seltenerdmetall be- inhaltet. Dies ist insbesondere dann vorteilhaft, wenn die Abscheidung der Metallschichten mittels Elektrolyse durchgeführt wird. Es ist erkannt worden, dass eine derartige
Schichtkombination ebenso für eine Erhöhung der Koerzitiv- feidstärke verwendet werden kann.
Vorteilhaft ist es, wenn im Legierungssystem, das aus erstem Schichtmaterial und zweitem Schichtmaterial gebildet wird, niedrig schmelzende (sogenannte eutektische) Zusammensetzun- gen erzeugt werden. Insbesondere ist es vorteilhaft, falls die Schmelztemperaturen dieser eutektischen Zusammensetzungen in einem Bereich liegen, der während der beschriebenen
Eindiffussion entlang der Korngrenzen verwendet wird. Der Vorteil der Beschichtung mit Seltenerdmetall-freien Materialien oder Metallen liegt darin, dass diese im Gegensatz zu HRE-Metallen gut verfügbar sind, dass die Ausgangsmaterialien relativ kostengünstig sind und dass die Beschichtung mit die¬ sen Materialien zu Teil industriell gut beherrschbare Prozes- se sind.
Ein weiterer Vorteil ist, dass das erste zusätzliche Material als eine Schutzschicht den Permanentmagneten beziehungsweise dessen Substrat physikalisch, chemisch und/oder mechanisch schützt.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen werden in Verbindung mit den Unteransprüchen beansprucht.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung kann das Seltenerd- Element R gleich Pr oder Nd sein.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann das erste zusätzliche Material Kupfer oder Aluminium sein. Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann das zweite zusätzliche Material ein Element der sogenannten schweren Seltenerd (HRE) metalle sein - bevorzugt Dy oder Tb Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann ein Wärmebehandeln des beschichteten Substrats bei einer Temperatur T und für eine Zeit t, derart gewählt sein, dass das Dif¬ fundieren des ersten zusätzlichen Materials und danach des zweiten zusätzlichen Materials in das Substrat ausführbar ist .
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann das Beschichten mit dem ersten und dem zweiten zusätzlichen Materi- al mittels Elektrolyse ausgeführt werden.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann für die Elektrolyse ein wasserfreier Elektrolyt verwendet werden. Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann als Elektrolyt eine ionische Flüssigkeit verwendet werden.
Die Erfindung wird anhand von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit den Figuren näher beschrieben. Es zeigen:
Figur 1 ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen
Verfahrens ;
Figur 2 ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen
Dauermagneten .
Figur 1 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung eines Dauermagneten 1. Es erfolgt ein mittels Ausrichten und Sintern erfolgendes Erzeugen eines RFeB, wobei R ein Seltenerd-Element darstellt, aufweisenden Substrats 3 mit einer Oberfläche. Dies wird in einem ersten Schritt Sl ausgeführt. Mit einem sich daran anschließenden Schritt S2 erfolgt ein aufeinanderfolgendes Beschichten der Oberfläche des Substrates 3 mit einem ersten und danach mit einem zweiten zusätzlichen Material 5, 7. Mit einem dritten Schritt S3 erfolgt ein Diffundieren des ersten und des zwei¬ ten zusätzlichen Materials 5, 7 entlang Korngrenzen innerhalb des Substrats 3, wobei das RFeB im Bereich der Korngrenzen durch das erste und das zweite zusätzliche Material 5, 7 er- setzt wird. Erfindungsgemäß wird als das erste zusätzliche Material 5 ein Material, insbesondere ein Metall, verwendet, dass Seltenerdmetallfrei ist. Das zweite zusätzliche Material 7 weist mindestens ein schweres Seltenerdmetallmaterial auf. Beim Eindiffundieren bildet sich ein Phasengleichgewicht.
Figur 2 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Dauermagneten 1. Dabei wird ein Substrat 3 mit einer Oberflä¬ che bereitgestellt. Das Substrat besteht beispielsweise aus einer hartmagnetischen d2Fei4B-Phase, wobei grundsätzlich anstelle des Nd ein alternatives Seltenerd-Element , beispiels¬ weise Pr, verwendet werden kann. Das Substrat 3 weist eine Oberfläche auf, die mit einem ersten zusätzlichen Material 5 und einem zweiten zusätzlichen Material 7 beschichtet worden ist. Die Beschichtung des ersten und zweiten zusätzlichen Materials 5, 7 ist entlang Korngrenzen oder über Korngrenzen des Substrats in das Substrat 3 eindiffundiert. Im Bereich der Korngrenzen hat das erste zusätzliche Material 5 und/oder das zweite zusätzliche Material 7 den R-Anteil der ursprüng- liehen RFeB Komponente zumindest teilweise ersetzt. Erfin¬ dungsgemäß wurde als erstes zusätzliches Material 5 kein Sel¬ tenerdmetall-Material verwendet, sondern Metalle, wie es bei¬ spielsweise Kupfer Cu oder Aluminium AI sind. Die Beschichtung kann beispielsweise elektrolytisch erfolgen. Das Diffun- dieren kann mittels zusätzlichen Wärmebehandeins unterstützt werden .
Zusätzlich wurde die Schicht bestehend aus dem ersten zusätz¬ lichen Material 5 mit einem zweiten zusätzlichen Material 7 beschichtet. Die erste Beschichtung kann beispielsweise als Schutzschicht für das Substrat 3 dienen. Zusätzlich kann die zweite Beschichtung mit dem zweiten zusätzlichen Material 7 ebenso zur weiteren Erhöhung der Koerzitivfeidstärke genutzt werden. Das erste zusätzliche Material 5 besteht aus einemMe- tall. Das zweite zusätzliche Material 7 kann insbesondere schwere Seltenerdmetalle aufweisen, die die Koerzitiv- feldstärke weiter erhöhen und/oder als weitere Schutzschicht für das Substrat 3 wirken. Vorteilhaft wird die erste Schicht aus einem elektrisch gut leitenden Material 5 gebildet, ins¬ besondere dann, wenn die Abscheidung des zweiten zusätzlichen Materials 7 galvanisch (elektrolytisch) ausgeführt wird.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur Herstellung eines Dauermagneten (1), mit mittels Ausrichten und Sintern erfolgendes Erzeugen eines RFeB, wobei R ein Seltenerd-Element darstellt, insbesondere eine hartmagnetische d2Fei4B-Phase, aufweisenden Substrats (3) mit einer Oberfläche;
Beschichten der Oberfläche des Substrats mit einem ersten und einem zweiten zusätzlichen Material (5, 7);
entlang Korngrenzen innerhalb des Substrats erfolgendes Dif¬ fundieren des ersten und zweiten zusätzlichen Materials (5, 7) und Substituieren des RFeB im Bereich der Korngrenzen durch das erste und zweite zusätzliche Material (5, 7)1; wo¬ bei
das erste zusätzliche Material (5) frei von Seltenerdmetall- material ist und das zweite zusätzliche Material (7) mindes¬ tens ein schweres Seltenerdmetallmaterial aufweist.
2. Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, dass
das Seltenerd-Element R gleich Pr oder Nd ist.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, dass
das erste zusätzliche Material (5) ein Metall, vorzugsweise Kupfer oder Aluminium ist.
4. Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3,
dadurch gekennzeichnet, dass
das zweite zusätzliche Material ein Element der schweren Sel¬ tenen Erdmetalle, vorzugsweise Dy oder Tb, ist.
5. Verfahren nach Anspruch 1, 2, 3 oder 4,
gekennzeichnet durch
Wärmebehandeln des beschichteten Substrats bei einer Temperatur T und für eine Zeit t, die derart gewählt sind, dass das gemeinsame Diffundieren des ersten zusätzlichen Materials zu- sammen mit dem zweiten zusätzlichen Materials in das Substrat ausführbar ist.
6. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche,
gekennzeichnet durch
mittels Elektrolyse ausgeführtes Beschichten der Oberfläche des Substrats mit dem ersten und dem zweiten zusätzlichen Material ( 5 , 7 ) .
7. Verfahren nach Anspruch 6,
gekennzeichnet durch
Verwenden eines wasserfreien Elektrolyten.
8. Verfahren nach Anspruch 6 oder 7,
gekennzeichnet durch
Verwenden einer ionischen Flüssigkeit als Elektrolyt.
9. Dauermagneten (1), der nach einem der vorhergehenden Verfahren hergestellt ist und der
ein RFeB, wobei R ein Seltenerd-Element darstellt, aufweisen¬ des, magnetisch ausgerichtetes und gesintertes Substrat (3) mit einer Oberfläche aufweist, wobei die Oberfläche des Sub¬ strats (3) mit einem ersten und einem zweiten zusätzlichen Material (5, 7) beschichtet ist;
und entlang Korngrenzen innerhalb des Substrats (3) das erste und das zweite zusätzliche Material (5, 7) diffundiert ist und das RFeB im Bereich der Korngrenzen durch das erste und das zweite zusätzliche Material (5, 7) substituiert ist;
dadurch gekennzeichnet, dass
das erste zusätzliche Material (5) frei von Seltenerdmetall- material ist und das zweite zusätzliche Material (7) mindes¬ tens ein schweres Seltenerdmetallmaterial aufweist.
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