WO2018202242A1 - Verfahren zur herstellung eines gesinterten magneten - Google Patents

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Definitions

  • the invention relates to a method for producing a sintered magnet, wherein the magnetizable starting material is pressed in a magnetic field into a compact, sintered in an oven and magnetized in a further magnetic field.
  • Sintered, anisotropic magnets are produced in a multi-stage process.
  • the magnetizable starting material is pressed into a compact, during which pressing a magnetic field is applied, which serves to align the magnetic domains in the starting material, thus to produce a magnetic preferred direction. This means that the magnetizations of the domains within the Weiss districts defines the direction of the external
  • Magnetic field following are aligned and a magnetic preferred direction is impressed.
  • the compact which has, for example, a cubic shape, is sintered and compacted in an oven at elevated temperature and optionally elevated pressure, so that pore spaces are filled up and a dense, solid sintered body results.
  • the sintered body is magnetized in a further magnetic field, wherein this magnetization then remains remanent.
  • an external magnetic field for impressing a magnetic preferred direction.
  • the magnetic field and the field lines in this case run linearly through the compact.
  • the magnetic moments follow this linear magnetic field respectively along the linear field lines.
  • shrinkage sets in as a result of the compaction process in the material during sintering.
  • the shrinkage condition causes the preferred direction to be varied slightly within the lattice of the magnetic material.
  • the magnet is then magnetized, the magnetic moments set in the direction of the impressed preferred direction. For the total magnetization, however, only the vector components which lie in the direction of the external further magnetic field contribute.
  • the invention is thus based on the problem of specifying an improved method for producing a sintered magnet.
  • the shape of the magnetic field applied during pressing is selected as a function of the geometry change of the compact occurring during sintering.
  • the shrinkage behavior that is to say the change in geometry, which the compact undergoes during sintering, which is very precisely predeterminable, is taken into account in the design or the design of the magnetic field applied during pressing.
  • the design of the applied during pressing magnetic field or the course of the field lines is therefore chosen so that the resulting by the shrinkage during sintering geometry change, resulting in a local change of the local preferred directions, is compensated. Accordingly, there is a setting of the preferred direction via the magnetic field during pressing, which, as seen over the entire compact, is not homogeneous or parallel, but rather has a defined angular error or angular offset over the width of the compact.
  • This angle error or angular offset is then compensated by the shrinkage which occurs during sintering, so that, due to shrinkage, the preferred directions or domains, which formerly run at an angle to one another after carrying out the sintering process almost parallel to each other. In the finished sintered body is thus a uniform preferred direction, along which then the magnetization takes place. This results in a homogeneous magnetization over the entire magnet, that is, that the magnetizations of the domains and the Weiss districts over the magnetic cross section is almost completely parallel to each other. Any angular errors that may adversely affect the magnet, as described, in particular when using the magnet can be as far as possible reduce or exclude.
  • the compact itself may have a cubic or cylindrical or barrel shape prior to sintering.
  • a cubic compact all six outer surfaces fall during sintering, in a cylindrical or barrel-shaped compact falls on the lateral surface.
  • the corresponding geometry changes are, as stated, very precisely predictable, so that, depending on the geometry change, the shape of the external magnetic field applied during pressing can also be adjusted.
  • This domed magnetic field is at least slightly curved in a plane outwards, that is, that the field lines from a parallel orientation in the field inside out slightly curved. There is an angle error correction in a plane. This is sufficient, for example, if the magnet is obtained from a longer compact by cutting to length, since the shrinkage process takes place only in the region of the outer sides.
  • a barrel-shaped magnetic field is applied in order to compensate for any shrinkage occurring along the lateral surface of the cylindrical or barrel-shaped compact.
  • the magnet is machined out of the sintered compact by removal of material.
  • the desired geometry of the finished magnet can thus be worked out after sintering by appropriate material removal of the magnet, for example, a cubic compact, a cylindrical magnet or the like.
  • the sintered compact itself forms the magnet despite its shrinkage-related geometry change.
  • the invention further relates to a magnet made according to the method described above.
  • the invention further relates to a sensor comprising at least one magnet produced according to the method.
  • step S1 a compact 1 is pressed by means of a press not shown in detail from a magnetizable starting material.
  • the dashed line shows the magnet 2 to be worked out of the compact after sintering, or the compact volume which forms the magnet 2 after sintering.
  • the pressing takes place with applied external magnetic field, which is represented by B ⁇ ⁇ .
  • the magnetic field is cambered in at least one plane, that is to say that the field lines 3 can be seen to be increasingly curved or arched towards the outside from a course parallel in the region of the field means.
  • step S2 the compact 1 is shown after pressing in the magnetic field.
  • the course of the local preferred directions is also shown, represented by the lines 4.
  • the lines 4, that is to say the local preferred directions follow the course of the field lines 3, ie they are also linear and parallel to one another in the region of the center of the compact 1 and increasingly curved towards the outside.
  • step S3 the compact 1 is then sintered. Obviously, it comes to a shrinkage, in which case the shrinkage ungsvorgang is shown on the four circumferential outer surfaces of the cubic compact 1. The outer surfaces 5 are visible. It comes to a total shrinkage, even the magnet 2 representing volume decreases due to the sintering and the associated compression.
  • step S1 cambered in a plane magnetic field imposes a deliberate "faulty" preferred direction, which is compensated by the subsequent inevitable onset of shrinkage again.
  • step S4 the actual magnet 2 is then machined out of the sintered compact 1 by removal of material.
  • the preferred directions, represented by the lines 4 extend parallel to one another even after being worked out over the cross section of the magnet 2.
  • step S5 the magnetization of the magnet 2 is then magnetized via a second external magnetic field J 2, that is, it is magnetized to saturation, whereby it then retains this magnetization remanently.
  • Magnetic field is used, it would be equally conceivable to carry out the magnetic field in a second, orthogonal to the first plane level. This means that a shrinkage-related geometry change in the region of the front and rear surfaces of the cubic compact 1 can be compensated.
  • the external magnetic field can likewise be crowned in the form of a barrel, in which case the degree of crowning, of course, is chosen such that the induced angular error of the preferred direction returns almost to the predetermined shrinkage during sintering or completely compensated.
  • the geometric design of the external magnetic field during pressing or the specific field line course is determined as a function of the previously determinable shrinkage behavior of the respective compact.

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Abstract

Verfahren zur Herstellung eines gesinterten Magneten, wobei das magnetisierbare Ausgangsmaterial in einem Magnetfeld (I) zu einem Presskörper (1) gepresst, in einem Ofen gesintert und in einem weiteren Magnetfeld (II) aufmagnetisiert wird, wobei die Form des beim Pressen anliegenden Magnetfelds (I) in Abhängigkeit der beim Sintern erfolgenden Geometrieänderung des Presskörpers (1) gewählt wird.

Description

Verfahren zur Herstellung eines gesinterten Magneten
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines gesinterten Magneten, wobei das magnetisierbare Ausgangsmaterial in einem Magnetfeld zu einem Presskörper gepresst, in einem Ofen gesintert und in einem weiteren Magnetfeld aufmagnetisiert wird. Gesinterte, anisotrope Magneten werden in einem mehrstufigen Verfahren hergestellt. Zunächst wird das magnetisierbare Ausgangsmaterial zu einem Presskörper ver- presst, wobei während dieses Pressvorgangs ein Magnetfeld anliegt, das dazu dient, die magnetischen Domänen im Ausgangsmaterial auszurichten, mithin also eine magnetische Vorzugsrichtung zu erzeugen. Das heißt, dass die Magnetisierungen der Domänen innerhalb der Weiss'schen Bezirke definiert der Richtung des externen
Magnetfelds folgend ausgerichtet werden und eine magnetische Vorzugsrichtung aufgeprägt wird.
Nach dem Pressen wird der Presskörper, der beispielsweise eine kubische Form auf- weist, in einem Ofen bei erhöhter Temperatur und gegebenenfalls erhöhtem Druck gesintert und verdichtet, so dass Porenräume aufgefüllt werden und sich ein dichter, fester Sinterkörper ergibt.
Um sodann die gewünschte Stärke des Magneten einzustellen, wird der gesinterte Körper in einem weiteren Magnetfeld aufmagnetisiert, wobei diese Magnetisierung sodann remanent verbleibt.
Während des Pressvorgangs liegt wie beschrieben ein externes Magnetfeld zur Aufprägung einer magnetischen Vorzugsrichtung an. Das Magnetfeld respektive die Feld- linien verlaufen hierbei linear durch den Presskörper. Die magnetischen Momente richten sich diesem linearen Magnetfeld folgend respektive entlang der linearen Feldlinien aus. Wird nachfolgend der Presskörper gesintert, so setzt eine Schwindung ein, resultierend aus dem Verdichtungsvorgang im Material während des Sinterns. Auf- grund der Geometrieänderung kommt es dazu, dass schrumpfungsbedingt die Vorzugsrichtung lokal innerhalb des Gitters des Magnetwerkstoffs geringfügig variiert wird. Wird nun der Magnet aufmagnetisiert, so stellen sich die magnetischen Momente in Richtung der aufgeprägten Vorzugsrichtung ein. Zur Gesamtmagnetisierung tragen jedoch nur die Vektoranteile bei, die in Richtung des externen weiteren Magnetfelds liegen. Ist also ein gewisser Winkelversatz zwischen der Richtung des externen Magnetfelds respektive dessen Feldlinien und der lokalen, domänenbezogenen Vorzugsrichtung gegeben, liegt also ein Winkelfehler vor, so können hieraus Nachteile resultieren, insbesondere bei Verwendung eines solchen gesinterten anisotropen Magne- ten im Rahmen einer Messsensorik, da sich Nachteile in der Messgenauigkeit ergeben können, ebenso für die Auslegung des magnetischen Kreises.
Der Erfindung liegt damit das Problem zugrunde, ein verbessertes Verfahren zur Herstellung eines gesinterten Magneten anzugeben.
Zur Lösung dieses Problems ist bei einem Verfahren der eingangs genannten Art erfindungsgemäß vorgesehen, dass die Form des beim Pressen anliegenden Magnetfelds in Abhängigkeit der beim Sintern erfolgenden Geometrieänderung des Presskörpers gewählt wird.
Erfindungsgemäß wird bei der Auslegung respektive dem Design des beim Pressen anliegenden Magnetfelds das Schwindungsverhalten, also die Geometrieänderung, die der Presskörper während des Sinterns erfährt, und die sehr genau vorbestimmbar ist, berücksichtigt. Das Design des beim Pressen anliegenden Magnetfelds respektive der Verlauf der Feldlinien wird demzufolge so gewählt, dass die durch die Schwindung beim Sintern erfolgende Geometrieänderung, die in einer lokalen Änderung der lokalen Vorzugsrichtungen resultiert, kompensiert wird. Es erfolgt demzufolge über das Magnetfeld beim Pressen eine Einstellung der Vorzugsrichtung, die, gesehen über den gesamten Presskörper, nicht homogen respektive parallel verläuft, sondern die einen definierten Winkelfehler respektive Winkelversatz über die Breite des Presskörpers aufweist. Dieser Winkelfehler oder Winkelversatz wird sodann durch die im Sintern einsetzende Schwindung kompensiert, so dass schwindungsbedingt die vormals unter einem Winkel zueinander verlaufenden Vorzugsrichtungen respektive Domänen nach Durchführung des Sintervorgangs nahezu parallel zueinander verlaufen. Im fertig gesinterten Körper liegt somit eine einheitliche Vorzugsrichtung vor, längs welcher sodann die Aufmagnetisierung erfolgt. Es ergibt sich demzufolge eine homogene Magnetisierung über den gesamten Magneten, das heißt, dass die Magnetisierungen der Domänen respektive der Weiss'schen Bezirke über den Magnetquerschnitt nahezu vollständig parallel zueinander verläuft. Etwaige Winkelfehler, die sich wie beschrieben nachteilig insbesondere bei Verwendung des Magneten als Magnetsensor auswirken können, lassen sich damit soweit als möglich reduzieren respektive ausschließen.
Der Presskörper selbst kann vor dem Sintern eine kubische oder zylindrische oder tonnenförmige Form aufweisen. Bei einem kubischen Presskörper fallen sämtliche sechs Außenflächen beim Sintern ein, bei einem zylindrischen oder tonnenförmigen Presskörper fällt die Mantelfläche ein. Die entsprechenden Geometrieänderungen sind wie ausgeführt sehr genau vorherbestimmbar, so dass je nach Geometrieänderung auch die Form des beim Pressen anliegenden externen Magnetfelds eingestellt werden kann.
Zweckmäßig ist es, wenn ein zumindest in einer Ebene bombiertes Magnetfeld beim Pressen angelegt wird, resultierend aus dem Einfallen der Presskörperflächen. Dieses bombierte Magnetfeld ist zumindest in einer Ebene quasi geringfügig nach außen gewölbt, das heißt, dass die Feldlinien aus einer parallelen Ausrichtung im Feldinneren nach außen hin leicht gewölbt verlaufen. Es erfolgt eine Winkelfehlerkorrektur in einer Ebene. Dies ist beispielsweise ausreichend, wenn der Magnet aus einem längeren Presskörper durch Ablängen gewonnen wird, da der Schwindungsvorgang nur im Bereich der Außenseiten stattfindet.
Daneben ist es natürlich auch möglich, ein in zwei orthogonal zueinander stehenden Ebenen bombiertes Magnetfeld anzulegen. Wird bei einem kubischen Presskörper ein in zwei orthogonalen Ebenen bombiertes Magnetfeld angelegt, so kann die Geometrieänderung an vier Seitenflächen kompensiert werden. Lediglich im Bereich der Ober- und Unterseite kann ein geringfügiger Winkelfehler aufgrund der dortigen Schwindung gegeben sein, was aber durch einen geringfügigen Materialabtrag wiederum ausgeglichen werden kann.
Insbesondere bei einem zylindrischen oder tonnenförm igen Presskörper ist es zweckmäßig, wenn ein tonnenförmiges Magnetfeld angelegt wird, um etwaige entlang der Mantelfläche des zylindrischen oder tonnenförm igen Presskörpers eintretende Schwindungen zu kompensieren.
Ferner kann vorgesehen sein, dass nach dem Sintern der Magnet aus dem gesinter- ten Presskörper durch Materialabtrag herausgearbeitet wird. Je nach gewünschter Geometrie des fertigen Magneten kann also nach dem Sintern durch entsprechenden Materialabtrag der Magnet herausgearbeitet werden, beispielsweise aus einem kubischen Presskörper ein zylindrischer Magnet oder dergleichen. Alternativ dazu ist es auch denkbar, dass der gesinterte Presskörper selbst trotz seiner schwindungsbe- dingten Geometrieänderung den Magneten bildet.
Neben dem Verfahren selbst betrifft die Erfindung ferner einen Magneten, der gemäß dem vorstehend beschriebenen Verfahren hergestellt ist. Schließlich betrifft die Erfindung des Weiteren einen Sensor, umfassend wenigstens einen verfahrensgemäß hergestellten Magneten.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnung erläutert.
In der Figur ist ein Ablaufdiagramm zur Herstellung eines erfindungsgemäßen Magneten im Rahmen eines erfindungsgemäßen Verfahrens gezeigt.
Im Schritt S1 wird ein Presskörper 1 mittels einer nicht näher gezeigten Presse aus einem magnetisierbaren Ausgangsmaterial gepresst. Gestrichelt dargestellt ist der aus dem Presskörper nach dem Sintern herauszuarbeitende Magnet 2 respektive das Presskörpervolumen, das nach dem Sintern den Magneten 2 bildet. Das Pressen erfolgt bei anliegendem externen Magnetfeld, das mit B<\ dargestellt ist. Ersichtlich ist das Magnetfeld in zumindest einer Ebene bombiert ausgeführt, das heißt, dass die Feldlinien 3 ersichtlich von einem im Bereich der Feldmittel parallelen Verlauf nach außen hin immer stärker gebogen oder gewölbt verlaufen.
Durch das Pressen im externen Magnetfeld wird den einzelnen Domänen eine magnetische Vorzugsrichtung aufgeprägt, die entlang der jeweiligen Feldlinie 3 verläuft. Im Schritt S2 ist der Presskörper 1 nach dem Pressen im Magnetfeld dargestellt. Gezeigt ist auch der Verlauf der lokalen Vorzugsrichtungen, dargestellt über die Linien 4. Er- sichtlich folgen die Linien 4, mithin also die lokalen Vorzugsrichtungen, dem Verlauf der Feldlinien 3, sie sind also ebenfalls im Bereich der Mitte des Presskörpers 1 linear und parallel zueinander und nach außen hin zunehmend gewölbt.
Im Schritt S3 wird sodann der Presskörper 1 gesintert. Ersichtlich kommt es dabei zu einem Schrumpfen, wobei hier der Schrumpf ungsvorgang an den vier umlaufenden Außenflächen des kubischen Presskörpers 1 dargestellt ist. Die Außenflächen 5 fallen ersichtlich ein. Es kommt insgesamt zu einer Schrumpfung, auch das den Magneten 2 darstellende Volumen nimmt aufgrund des Sinterns und der damit verbundenen Verdichtung ab.
Durch diesen Schrumpfungsvorgang kommt es gleichzeitig zu einer lokalen Veränderung der jeweiligen domänenspezifischen Vorzugsrichtungen. Ersichtlich richten sich durch den Schrumpfungsvorgang die lokalen Vorzugsrichtungen weitgehend parallel zueinander aus, wie durch die nunmehr parallel verlaufenden Linien 4 dargestellt ist. Das heißt, dass im gesinterten Presskörper 1 folglich eine Korrektur der unter verschiedenen Winkeln verlaufenden lokalen Vorzugsrichtungen dahingehend erfolgte, dass sie nach dem Sintern im Wesentlichen parallel zueinander verlaufen, mithin also der bewusst induzierte Winkelfehler kompensiert und korrigiert wurde. Dies ist möglich, nachdem das im Schritt S1 angelegte externe Magnetfeld B<\ in seiner Geometrie respektive hinsichtlich des Verlaufs der Feldlinien 3 in Abhängigkeit des vorbestimmbaren Schwindungsverhaltens des Presskörpers 1 beim Sintern gewählt wurde. Das heißt, dass die Geometrieänderung, die beim Sintern einsetzt, vor- her ermittelt und bestimmt wurde, wie sich die einzelnen Bereiche des Presskörpers 1 während des Sinterns aufgrund der Verdichtung bewegen bzw. verschieben und mit ihnen demzufolge auch die lokalen domänenspezifischen Vorzugsrichtungen aufgrund der Materialbewegung. Das heißt, dass das im Schritt S1 angelegte, in einer Ebene bombierte Magnetfeld eine bewusste„fehlerhafte" Vorzugsrichtung aufprägt, die durch die nachfolgend zwangsläufig einsetzende Schwindung wieder kompensiert wird.
Im Schritt S4 wird sodann der eigentliche Magnet 2 aus dem gesinterten Presskörper 1 durch Materialabtrag herausgearbeitet. Ersichtlich verlaufen die Vorzugsrichtungen, dargestellt über die Linien 4, auch nach dem Herausarbeiten über den Querschnitt des Magneten 2 parallel zueinander.
Im Schritt S5 wird sodann über ein zweites externes Magnetfeld J?2 die Aufmagnetisierung des Magneten 2 vorgenommen, er wird also bis zur Sättigung magnetisiert, wo- bei er diese Magnetisierung sodann remanent beibehält. Der im Schritt S6 enthaltene fertige anisotrope Magnet 2 weist, wie durch die mehreren einzelnen Magnetisierungspfeile dargestellt, eine homogene, über seinen Querschnitt parallele Magnetisierung M auf. Wenngleich im gezeigten Ausführungsbeispiel ein nur in einer Ebene bombiertes
Magnetfeld verwendet wird, wäre es gleichermaßen denkbar, das Magnetfeld auch in einer zweiten, zur ersten Ebene orthogonalen Ebene bombiert auszuführen. Das heißt, dass auch eine schrumpfungsbedingte Geometrieänderung im Bereich der Vorder- und Rückfläche des kubischen Presskörpers 1 kompensiert werden kann.
Wird als Presskörper 1 ein zylindrischer oder tonnenförmiger Presskörper hergestellt, so kann das externe Magnetfeld seinerseits ebenfalls tonnenförmig bombiert sein, wobei auch in diesem Fall natürlich der Grad der Bombierung so gewählt wird, dass der induzierte Winkelfehler der Vorzugsrichtung durch die vorbestimmte Schwindung beim Sintern wieder nahezu oder vollständig ausgeglichen wird. Das heißt, dass auch hier die geometrische Auslegung des externen Magnetfelds beim Pressen respektive der konkrete Feldlinienverlauf in Abhängigkeit des vorher bestimmbaren Schwin- dungsverhaltens des jeweiligen Presskörpers bestimmt wird. Bezugszeichenliste
1 Presskörper
2 Magnet
3 Feldlinie
4 Linie
5 Außenfläche
B-[ Magnetfeld
82 Magnetfeld
M Magnetisierung

Claims

Patentansprüche
1 . Verfahren zur Herstellung eines gesinterten Magneten, wobei das magnetisier- bare Ausgangsmaterial in einem Magnetfeld zu einem Presskörper (1 ) ge- presst, in einem Ofen gesintert und in einem weiteren Magnetfeld ( 2) aufmag- netisiert wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Form des beim Pressen anlie- genden Magnetfelds in Abhängigkeit der beim Sintern erfolgenden Geometrieänderung des Presskörpers (1 ) gewählt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der Presskörper (1 ) vor dem Sintern eine kubische oder zylindrische oder tonnenförmige Form aufweist.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein zumindest in einer Ebene bombiertes Magnetfeld (B<\) beim Pressen angelegt wird.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass ein in zwei orthogonal zueinander stehenden Ebenen bombiertes Magnetfeld angelegt wird.
5. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass ein tonnenförmiges Magnetfeld (S-i ) angelegt wird.
6. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass nach dem Sintern der Magnet (2) aus dem gesinterten Presskörper (1 ) durch Materialabtrag herausgearbeitet wird, oder dass der gesinterte Presskörper (1 ) den Magneten (2) bildet.
7. Magnet, hergestellt nach dem Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche.
8. Sensor, umfassend wenigstens einen Magneten (2) nach Anspruch 7.
PCT/DE2018/100377 2017-05-03 2018-04-20 Verfahren zur herstellung eines gesinterten magneten Ceased WO2018202242A1 (de)

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Title
BYUN JONG MIN ET AL: "A Phenomenological Analysis on the Anisotropic Shrinkage of Nd-Fe-B Compacts During Sintering Process", IEEE TRANSACTIONS ON MAGNETICS, IEEE SERVICE CENTER, NEW YORK, NY, US, vol. 52, no. 7, 1 July 2016 (2016-07-01), pages 1 - 4, XP011615089, ISSN: 0018-9464, [retrieved on 20160623], DOI: 10.1109/TMAG.2016.2546940 *

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