DE3685656T2 - Verfahren zur herstellung eines voellig dichten gegenstandes. - Google Patents
Verfahren zur herstellung eines voellig dichten gegenstandes.Info
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Description
- Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines völlig dichten Gegenstandes aus einer Permanentmagnetlegierung.
- Für verschiedene Anwendungsfälle von Permanentmagneten ist es bekannt, einen völlig dichten Stab oder eine völlig dichte Stange aus einer Permanentmagnetlegierung herzustellen, der bzw. die dann zerteilt und auf andere Weise durch Bearbeitung in die gewünschte Magnetkonfiguration gebracht wird. Es ist auch bekannt, ein Produkt dieser Art durch die Verwendung von Magnetpartikeln bzw. -teilchen herzustellen, bei denen es sich um vorlegierte Teilchen der gewünschten Permanentmagnetverbindung handeln kann. Diese Teilchen werden beispielsweise entweder durch Gießen und Zerkleinern eines festen Gegenstandes oder durch Gaszerstäubung einer geschmolzenen Legierung hergestellt. Durch Gaszerstäubung erzeugte Teilchen werden typischerweise zerkleinert, um äußerst kleine Teilchengrößen zu erzielen. Idealerweise sollten die Teilchengrößen derart sein, daß jedes Teilchen eine einzelne Kristalldomäne bildet. Die zerkleinerten Teilchen werden zu dem im wesentlichen vollständig dichten Gegenstand durch Gesenkpressen oder isostatisches Pressen verdichtet, worauf ein Hochtemperatur-Sintern folgt. Um die gewünschte magnetische Anisotropie zu erzielen, werden die Kristallteilchen vor dem Verdichtungsschritt einer Ausrichtung in einem Magnetfeld unterworfen.
- Bei Permanentmagnetlegierungen haben die Kristalle im allgemeinen eine Richtung einer optimalen Magnetisierung und somit einer optimalen magnetischen Kraft. Folglich werden während der Ausrichtung die Kristalle in der Richtung orientiert, die eine optimale Magnetkraft in einer Richtung liefert, die für die beabsichtigte Verwendung des Magneten erwünscht ist. Um einen Magneten mit optimalen magnetischen Eigenschaften zu schaffen, wird daher magnetische Anisotropie so erzielt, daß die Kristalle mit ihrer Richtung der optimalen Magnetisierung in der gewünschten und ausgewählten Richtung orientiert sind.
- Dieses herkömmliche Verfahren wird verwendet, um Magnetlegierungen zu erzeugen, die seltene Erden enthalten und insbesondere Legierungen mit Neodym-Eisen-Bor. Die für diesen Zweck verwendeten herkömmlichen Verfahren leiden unter verschiedenen Nachteilen. Insbesondere während der Zerkleinerung der zerstäubten Teilchen findet ein hohes Maß von Kaltverformung statt, die zu Kristalldefekten führt und es ergibt sich eine Oxidation, die den effektiven Gehalt der Legierung an seltenen Erden vermindert. Folglich müssen zusätzlich seltene Erden in der Schmelze, aus der der Gießling oder die zerstäubten Teilchen hergestellt werden sollen, oder in der Pulvermischung vor dem Sintern in einer Menge verwendet werden, die die in dem Endprodukt erwünschte Menge übersteigt, um die Oxidation zu kompensieren. Darüber hinaus ist das Verfahren teuer, was auf den komplexen und vielfachen Arbeitsschritten vor und während der Verfestigung beruht, wobei diese Arbeitsschritte die Zerkleinerung, das Ausrichten und das Sintern umfassen. Die für diese Zwecke erforderlichen Geräte sind teuer sowohl hinsichtlich ihres Aufbaues als auch ihres Betriebs.
- Durch derartige Verfahren hergestellte Permanentmagneten werden herkömmlicherweise für verschiedene Arten von Elektromotoren, Haltevorrichtungen und Übertrager einschließlich Lautsprechern und Mikrofonen verwendet. Für viele dieser Anwendungsfälle haben die Permanentmagnete einen kreisförmigen Querschnitt, der eine Vielzahl von Bogensegmenten bildet, die eine kreisförmige Permanentmagnetbaugruppe bilden. Andere Querschnittsformen einschließlich quadratischer, fünfeckiger und ähnlicher Formen können verwendet werden. Bei Magnet-Baugruppen dieser Art und insbesondere solchen, die einen kreisförmigen Querschnitt besitzen, ist der Magnet typischerweise durch eine anisotrope Kristallausrichtung gekennzeichnet.
- Während der mechanischen Bearbeitung zeigen die Kristalle die Tendenz, sich in der Richtung des leichtesten Kristallflusses auszurichten. Dies hat eine mechanische Kristallanisotropie zur Folge. Die bevorzugte Orientierung vom Standpunkt der optimalen Richtungsmagneteigenschaften wird wünschenswerterweise in der optimalen Kristallmagnetisierungsrichtung durch diese mechanische Kristallanisotropie hergestellt.
- EP 133 758 beschreibt einen magnetisch anisotropen Permanentmagneten, der dadurch hergestellt wird, daß überabgeschreckte oder feinkörnige Schmelzspinnmaterialien heiß bearbeitet werden, um einen völlig verdichteten, feinkörnigen Körper herzustellen.
- Die Patentabstracts of Japan, Band 8, No. 213, (E-269) [1650] vom 28. September 1984 beschreiben die Herstellung eines Magneten mit radialer Anisotropie.
- Die Patentabstracts of Japan, Band 10, No. 209, Juli 1986 beschreiben einen dünn geformten Magneten, der durch grobes und feines Mahlen eines Barren, Kompressionsformen des Materials in einem Magnetfeld, Einhülsen und Heißextrudieren hergestellt wird.
- Es ist ein Hauptziel der vorliegenden Erfindung, ein wirksames, mit niedrigen Kosten durchführbares Verfahren zur Herstellung eines völlig dichten Gegenstandes aus einer Permanentmagnetlegierung zu schaffen, der eine mechanisch anisotrope Kristallausrichtung aufweist.
- Ein zusätzliches Ziel der Erfindung ist es, ein Verfahren zur Herstellung eines derartigen Permanentmagnet-Gegenstandes zu schaffen, bei dem Kaltverformung, die sich aus der Zerkleinerung ergibt, und Oxidation der Magnetteilchen mit dem entsprechenden übermäßigen Verlust an effektiven Legierungselementen wie z.B. seltene Erde-Elementen, einschließlich Neodym, vermieden werden können.
- Ein weiteres Ziel der Erfindung ist es, ein Verfahren zur Herstellung von Permanentmagnetlegierungsgegenständen dieser Art zu schaffen, bei dem die Schritte der Zerkleinerung der zerstäubten Teilchen und der Ausrichtung in einem magnetischen Feld aus dem Herstellungsverfahren eliminiert werden können, um die Herstellungskosten entsprechend zu vermindern.
- Allgemein gesprochen schafft die Erfindung gemäß einem Aspekt ein Verfahren zur Herstellung eines vollständig dichten Gegenstandes aus einer Permanentmagnetlegierung, das durch die folgenden Schritte gekennzeichnet ist: Herstellung durch Gaszerstäubung einer Teilchenmenge aus einer Permanentmagnetlegierungs-Verbindung, aus der der Gegenstand hergestellt werden soll, Einbringen der Menge in einen Behälter ohne Zerkleinerung und magnetische Ausrichtung der Teilchenmenge, Evakuieren und Abdichten des Behälters, Erhitzen des Behälters und der Menge auf eine erhöhte Temperatur, und Extrudieren des Behälters und der Teilchenmenge, um eine mechanisch anisotrope radiale Kristallausrichtung und eine entsprechende anisotrope radiale magnetische Ausrichtung zu erzielen und die Teilchenmenge auf volle Dichte zu verdichten, um den völlig dichten Gegenstand zu erzeugen.
- Die Extrusion kann bei einer Temperatur von 1400ºF bis 2000ºF (760ºC bis 1093ºC) durchgeführt werden.
- Der Permanentmagnet-Gegenstand, der sich bei dem erfindungsgemäßen Verfahren ergibt, kann durch mechanische anisotrope Kristallausrichtung gekennzeichnet werden, die radial sein kann. Der Magnetgegenstand hat vorzugsweise eine gekrümmte Umfangsoberfläche und eine gekrümmte innere Oberfläche und ist durch eine magnetisch anisotrope radiale Kristallausrichtung und eine entsprechende anisotrope radiale magnetische Ausrichtung gekennzeichnet. Der Magnetgegenstand kann eine kreisförmige Umfangsoberfläche und eine axiale Öffnung besitzen, die eine kreisförmige innere Oberfläche definiert. Auch kann der Magnetgegenstand ein Bogensegment umfassen, das eine gekrümmte Umfangsoberfläche und eine im wesentlichen koaxiale gekrümmte innere Oberfläche besitzt. Die Legierung des Magneten kann Neodym-Eisen- Bor umfassen.
- Gemäß der Erfindung hat die mechanische radiale Ausrichtung des extrudierten Magneten zur Folge, daß die Kristalle für optimale magnetische Eigenschaften in der radialen statt einer axialen Richtung ausgerichtet sind. Bei einem zylindrischen Magneten befindet sich bei der Magnetisierung dann, wenn das Zentrum oder die Achse offen ist, ein Pol auf der inneren Oberfläche und der andere Pol befindet sich auf der äußeren Oberfläche in einem radialen Magnetisierungsmuster. Bei dem erfindungsgemäßen Magneten können sich die Kristallausrichtung und die magnetischen Pole in radialer Richtung erstrecken. Daher ist das Magnetfeld um den gesamten Umfang des Magneten herum gleichförmig.
- Durch die Verwendung von zerstäubtem Pulver und insbesondere gaszerstäubtem Pulver wird eine Zerkleinerung vermieden und demgemäß wird eine zusätzliche oder übermäßige Oxidation und ein Verlust an Legierungselementen wie z.B. Neodym vermieden und es wird eine Kaltbearbeitung oder -verformung eliminiert, die zu Kristalldefekten führt. Durch den Extrusionsvorgang gemäß der Erfindung wird die gewünschte mechanische radial anisotrope Kristallausrichtung durch das Extrusionsverfahren erreicht, ohne daß es erforderlich ist, daß die Teilchengrößen kleiner sind als sie im zerstäubten Zustand erreicht werden, und ohne daß ein Magnetisierungsfeld verwendet wird, das von einer hohe Kosten verursachenden Magnetisierungsquelle stammt. Folglich wird durch den Extrusionsschritt gemäß der Erfindung sowohl eine Verdichtung zur Erzielung der gewünschten vollen Dichte als auch die anisotrope Kristallausrichtung durch einen einzigen Arbeitsgang erzielt, wodurch das herkömmliche Verfahren einer Ausrichtung in einem Magnetfeld vor der Verdichtung eliminiert wird. Die Kristallausrichtung kann sowohl radial als auch anisotrop für Magnetgegenstände sein, die eine gebogene oder kreisförmige Struktur besitzen.
- Die Erfindung wird genauer unter Bezugnahme auf die Zeichnung beschrieben; in dieser zeigt:
- Fig. 1 eine schematische Darstellung eines anisotropen quer ausgerichteten und anisotropen, quer magnetisierten Magnetgegenstandes gemäß einem dem Stand der Technik entsprechenden Verfahren,
- Fig. 2 eine schematische Darstellung einer Ausführungsform eines anisotropen, radial ausgerichteten und anisotropen radial magnetisierten Magnetgegenstandes gemäß der Erfindung, und
- Fig. 3 eine schematische Darstellung einer zusätzlichen Ausführungsform von anisotrop radial ausgerichteten und anisotrop radial magnetisierten bogenabschnittsförmigen Gegenständen, die eine Magnetbaugruppe gemäß der Erfindung bilden.
- In der Zeichnung zeigt Fig. 1 einen dem Stand der Technik entsprechenden Kreismagneten, der mit dem Bezugszeichen 10 bezeichnet und axial ausgerichtet und magnetisiert ist, wobei die Pfeile die Ausrichtungs- und Magnetisierungs-Richtung und die Buchstaben N und S die Nord- bzw. Südpole bezeichnen. Wegen der axialen Ausrichtung ist das von diesem Magneten erzeugte Magnetfeld um seinen Umfang herum nicht gleichförmig. Fig. 2 zeigt einen Magneten, der mit dem Bezugszeichen 12 bezeichnet ist und eine zentrale Öffnung 14 besitzt. Dadurch, daß der Magnet gemäß der Erfindung radial ausgerichtet und radial magnetisiert ist, wie dies durch die Pfeile angezeigt wird, ist das von diesem Magneten erzeugte Magnetfeld um den Umfang des Magneten herum gleichförmig. Fig. 3 zeigt eine Magnetbaugruppe, die mit dem Bezugszeichen 16 bezeichnet ist und zwei identische Bogensegmente 18 und 20 umfaßt. Wie man aus der Richtung der Pfeile sieht, sind die Magnetsegmente 18 und 20 in entsprechender Weise wie der in Fig. 2 gezeigte Magnet radial ausgerichtet und magnetisiert. Dieser Magnet erzeugt also ebenfalls ein Magnetfeld, das um den Umfang der Magnetbaugruppe herum gleichförmig ist.
- Wie im folgenden gezeigt wird, ist die Extrusionstemperatur von Bedeutung. Wenn die Temperatur zu hoch ist, so bewirkt dies ein ungünstiges Kristallwachstum, wodurch die magnetischen Eigenschaften des Magnetlegierungsgegenstandes, insbesondere das Energieprodukt verschlechtert werden. Wenn andererseits die Extrusionstemperatur zu niedrig ist, wird sowohl vom Standpunkt der Verdichtung zur Erzielung der vollen Dichte als auch der mechanisch anisotropen Kristallausrichtung keine wirksame Extrusion erzielt.
- Es wurden Teilchenmengen der folgenden Permanentmagnetlegierungs-Verbindungen zur Verwendung bei der Herstellung von Magnetmustern für Prüfzwecke vorbereitet. Alle Muster bestanden aus der Permanentmagnetlegierung (in Gewichtsprozent) 33 Ne, 66 Fe, 1 B, die unter der Verwendung von Argon gaszerstäubt wurde, um die Teilchenmengen bzw. -chargen zu erzeugen. Die Legierung wird als 45H bezeichnet. Die Teilchenchargen wurden in zylindrische Stahlbehälter eingebracht und auf volle Dichte extrudiert, um Magneten zu erzeugen. Tabelle I. Magnetische Eigenschaften der extrudierten Magnete Material: Legierung 45H -10 Siebfeinheits-Pulver Matrize Größe Inch (mm) Extrusions-Temperatur ºF (ºC) Meßrichtung (wie extrudiert) BR Gauss axial radial axial radial * Probe zerspant ** Wie gegossen 30B-Legierung extrudiert bei 2000ºF (1093ºC)
- Die Proben wurden im Temperaturbereich von 1600ºF bis 2000ºF (871ºC bis 1093ºC) extrudiert.
- Wie man aus den in Tabelle I wiedergegebenen Daten entnehmen kann, werden die Remanenz (Br) und das Energieprodukt (BHmax) durch die Extrusionstemperatur beeinflußt. Insbesondere erzeugten die tieferen Extrusionstemperaturen verbesserte Remanenz- und Energieprodukt-Werte. Bei jeder Temperatur wurde eine drastische Verbesserung in diesen Eigenschaften mit einer radialen Ausrichtung im Gegensatz zu einer axialen Ausrichtung erzielt. Es wird angenommen, daß dies aus der Tatsache resultiert, daß bei einer Extrusion bei diesen niedrigeren Temperaturen die Rekristallisation minimiert ist. Folglich kann bei dem nachfolgenden Anlassen die Kristallgröße vollständig gesteuert werden, um optimale magnetische Eigenschaften zu erzielen. Tabelle II. Magnetische Eigenschaften von nicht extrudierten Magneten längs axialer und radialer Richtungen Material: Legierung 45H -10 Siebfeinheits-Pulver Verdichtung Temp ºF (ºC) Meßrichtung Br Gauss Dichte gm/cc axial radial
- Tabelle II zeigt magnetische Eigenschaften von Magneten derselben Zusammensetzung, wie sie in Tabelle I getestet und beschrieben wurden mit der Ausnahme, daß diese Magneten nicht extrudiert sondern durch Heißpressen hergestellt wurden. Die magnetischen Eigenschaften sind schlechter im Vergleich zu den in Tabelle I für extrudierte Magneten wiedergegebenen Eigenschaften. Tabelle III. Magnetische Eigenschaften von extrudierten Magneten in radialen Richtungen gemessen Magnet Pulver Siebfeinheit Matrize Inch (mm) Temperaturen ºF (ºC) Br Gauss
- Man entnimmt den in Tabelle III wiedergegebenen Daten, daß die magnetischen Eigenschaften der extrudierten Proben von der Teilchengröße über den untersuchten und in Tabelle III wiedergegebenen Größenbereich nicht abhängen. Tabelle IV. Magnetische Eigenschaften von extrudierten Magneten gemessen in radialen Richtungen nach verschiedenen Hitzebehandlungen Legierung 45H, -10 + 60 Siebfeinheit Extrusionstemperatur 1600ºF (871ºC) Matrizenöffnung (inch)/Winkel (Grad): 0,875/50 Proben Hitzebehandlung ºC-Stunden Br Gauss wie extrudiert
- Tabelle IV zeigt den Einfluß der Hitzebehandlung nach der Extrusion auf die magnetischen Eigenschaften. Es ergibt sich aus diesen Daten, daß bei einer Wärmebehandlungstemperatur von 800ºC oder darüber sowohl die Remanenz als auch das Energieprodukt verbessert werden. Tabelle V. Magnetische Eigenschaften von extrudierten Magneten im nur extrudierten und im matrixgestauchten Zustand Probe: Ex-10, Legierung 45H, -10 Siebfeinheit Extrusionstemperatur 1600ºF (871ºC) Matrixöffnung (inch)/Winkel (Grad): 0,75/50 Bedingungen Richtung Br Gauss wie extrudiert matrixgestaucht axial radial
- Ein extrudiertes Magnetmuster (Muster EX-10) wurde getestet, um die magnetischen Eigenschaften im nur extrudierten Zustand zu bestimmen. Das Muster wurde dann durch Matrixstauchen geschmiedet und erneut getestet, um die magnetischen Eigenschaften zu bestimmen. Die in Tabelle V wiedergegebenen Daten zeigen die Signifikanz der "radialen Eigenschaften", die als Ergebnis des Extrusionsschrittes in Übereinstimmung mit dem erfindungsgemäßen Verfahren erzielt werden.
Claims (6)
1. Verfahren zur Herstellung eines völlig dichten
Gegenstandes (12, 16) aus einer Permanentmagnetlegierung,
wobei das Verfahren dadurch
gekennzeichnet ist, daß es folgende Schritte umfaßt: Herstellung
durch Gaszerstäubung einer Teilchenmenge aus einer
Permanentmagnetlegierungs-Verbindung, aus der der
Gegenstand hergestellt werden soll, Einbringen der Menge in
einen Behälter ohne Zerkleinerung und magnetische
Ausrichtung der Teilchenmenge, Evakuieren und Abdichten
des Behälters, Erhitzen des Behälters und der Menge
auf eine erhöhte Temperatur, und Extrudieren des
Behälters und der Menge, um eine mechanisch anisotrope
radiale Kristallausrichtung und eine entsprechende
anisotrope radiale magnetische Ausrichtung zu erzielen
und die Menge auf volle Dichte zu verdichten, um den
völlig dichten Gegenstand zu erzeugen.
2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die Extrusion bei
einer Temperatur von 1400 bis 2000ºF (760 bis 1093ºC)
durchgeführt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei dem die
Teilchenmenge eine Neodym-Eisen-Bor-Legierung umfaßt.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem
der völlig dichte Gegenstand (12, 16) aus einer
Permanentmagnetlegierung eine gekrümmte Umfangsoberfläche
und eine gekrümmte innere Oberfläche aufweist.
5. Verfahren nach einem der vorausgehenden Ansprüche, bei
dem der völlig dichte Gegenstand (12) aus einer
Permanentmagnetlegierung eine kreisförmige Umfangsoberfläche
und eine axiale Öffnung aufweist, die eine kreisförmige
innere Oberfläche definiert.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem der
völlig dichte Gegenstand (16) aus einer
Permanentmagnetlegierung ein Bogensegment (18, 20) umfaßt, das eine
gekrümmte Umfangsoberfläche und eine im wesentlichen
koaxiale gekrümmte innere Oberfläche besitzt.
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