[0001] Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Permanentmagneten, insbesondere
ein Verfahren zur Herstellung eines Pulvers des magnetischen Ausgangsmaterials für
die Magnetherstellung. Die Erfindung betrifft ferner einen mit dem Verfahren hergestellten
Permanentmagneten sowie eine elektrische Maschine, umfassend zumindest einen solchen
Permanentmagneten.
[0002] Die Nachfrage an leistungsfähigen Permanentmagneten, die beispielsweise in elektrischen
Maschinen eingesetzt werden, steigt beständig. Insbesondere werden Permanentmagnete
in Elektromotoren für die Traktion von Kraftfahrzeugen eingesetzt, die im Zuge zunehmender
Elektromobilität an Interesse gewinnen. Als magnetische beziehungsweise magnetisierbare
Legierungen mit hohen Koerzitivkräften kommen vorwiegend Seltenerdlegierungen des
Typs SE-TM-B oder SE-TM zum Einsatz, wobei SE ein Element der Seltenen Erden ist,
TM ein Übergangsmetall der Eisengruppe (Fe, Co, Ni) und B Bor ist.
[0003] Typische Herstellungsverfahren umfassen die Prozessstufen Pulverisierung des magnetischen
Ausgangsmaterials, Pressen/Verfestigen des Pulvers zu einem Grünteil mit oder ohne
externem Magnetfeld unter Ausformung einer gewünschten Gestalt, Sintern des Grünteils
zur weiteren Verdichtung (Hochtemperaturbehandlung), optional Tempern (Wärme- oder
Niedertemperaturbehandlung) zum Spannungsabbau und zur Gefügestabilisierung im Magnetkörper
sowie Magnetisierung in einem Magnetfeld. Teilweise werden verschiedene Prozessstufen
auch miteinander kombiniert sowie die Reihenfolge variiert.
[0004] Die Pulverisierung des magnetischen Ausgangsmaterials umfasst üblicherweise mehrere
Stufen. Beispielsweise wird eine Schmelze der Legierung zu Gussblöcken (so genannte
Ingots) gegossen, mechanisch gebrochen und einer oder mehreren Mahlstufen unterworfen.
Bekannt ist ferner, die Legierungsschmelze mit dem Verfahren des Bandgießens (englisch:
strip casting) zu einem schnell abgekühlten Band mit polykristalliner Struktur zu verarbeiten,
welches nachfolgend weiter gebrochen und gemahlen wird. Ferner ist das Verfahren der
Wasserstoffversprödung (englisch:
Hydrogen Decrepitation, HD-Prozess) bekannt, bei dem das Material mit Wasserstoff unter Druck beaufschlagt
wird, so dass dieser interstitiell in das Material eindringt und bei seiner nachfolgenden
Freisetzung zur Entstehung von Mikrorissen im Material führt. Hierdurch kann die anschließende
Mahldauer reduziert werden. (Ein hiervon abweichendes Verfahren - der so genannte
HDDR-Prozess (für
Hydrogenation Disproportionation Desorption Recombination) - nutzt hingegen die temporäre Bildung von Metall-Hydriden und deren nachfolgende
Desorption, um die Gefügephasen des Magnetmaterials und die magnetischen Eigenschaften
zu verbessern.
[0005] Es ist ferner bekannt, dem Seltenerdmagnetmaterial beim Mahlvorgang ein Schmiermittel
zuzusetzen, um im anschließenden Magnetisierungsschritt eine stärkere Orientierung
der magnetischen Domänen zu erzielen. So beschreibt
EP 1 760 734 A1, ein Seltenerdmagnetmaterial in Gegenwart eines Schmiermittels zu mahlen, dessen
Teilchengröße größer als die des Magnetmaterials ist. Um die gewünschten Partikelgrößen
des Schmiermittels (z.B. ein Stearat) zu erzeugen, wird dieses mittels flüssigem Stickstoff
verfestigt und in gefrorenem Zustand gemahlen. Es werden Teilchengrößen des erhaltenen
Magnetpulvers von 2,5 bis 10 µm offenbart.
[0006] Aus
DE 11 2010 004 576 T5 ist ein Verfahren zur Herstellung eines gesinterten Seltenerdmagneten bekannt, bei
dem zunächst aus einer Schmelze des Seltenerdmagnetmaterials, beispielsweise Nd
2Fe
14B, in einem Einwalzen- oder Zweiwalzenverfahren ein schnell abgekühltes ("gequenchtes")
polykristallines Band hergestellt wird, das durch den Abkühlvorgang ein- beziehungsweise
beidseitig eine Nd-reiche Phase ausbildet, die einen niedrigeren Schmelzpunkt als
Nd
2Fe
14B aufweist. Das Band wird pulverisiert und einem Niedertemperatursintern bei einer
Temperatur entsprechend der Schmelztemperatur der Nd-reichen Phase unterzogen. Hierdurch
soll eine Vergröberung der Kristallite, die in der polykristallinen Phase enthalten
sind und eine mittlere Teilchengröße von 10 bis 200 nm aufweisen, verhindert werden.
[0007] EP 0 416 595 A2 beschreibt ein Herstellungsverfahren für Seltenerdmagnete, bei dem eine erstarrte
Schmelze des Magnetmaterials zunächst gebrochen und dann unter Zufuhr von flüssigem
Stickstoff in einer Scheiben- oder Stoßmühle gemahlen wird, wobei Teilchengrößen von
höchstens 400 µm entstehen. Anschließend erfolgt eine Hydrogenierung des Materials
und ein erneutes Mahlen in einem flüssigen Kohlenwasserstoff unter Erhalt von Teilchengrößen
von höchstens 40 µm, typischerweise 2,7 bis 3,5 µm. Das so erhaltene Pulver wird zum
Zwecke seiner Passivierung kontrolliert oxidiert, geformt, in einem Magnetfeld orientiert,
gepresst und gesintert.
[0008] Aus
US 5,609,695 ist bekannt, eine magnetische Legierung mittels des oben genannten HD-Verfahrens
zu Partikelgrößen von höchstens 150 µm zu pulverisieren und anschließend das Material
in einer Stickstoffgasatmosphäre zu nitrogenisieren, beispielsweise um SM
2Fe
17 in Sm
2Fe
17N
x zu überführen. Anschließend wird das nitrogenierte Material in flüssigem Stickstoff
in einer Kugelmühle gemahlen, wobei Partikelgrößen von 1 bis 2 µm erhalten werden.
Es wird festgestellt, dass bei der niedrigen Temperatur flüssigen Stickstoffs die
erforderliche Mahlzeit aufgrund der Materialversprödung reduziert werden kann.
[0009] Auch
US 5,382,303 beschreibt ein Verfahren zur Herstellung eines Magneten, bei dem ein Magnetmaterial
des Sm-Co-Typs erschmolzen, gegossen und gebrochen wird und anschließend in flüssigem
Stickstoff einem Grobmahlprozess unter Erhalt von Partikelgrößen von höchstens 600
µm unterworfen wird. Schließlich erfolgt ein Feinmahlschritt, bei dem das Pulver zusammen
mit einem flüssigen Kohlenwasserstoff in einer Reib- oder Kugelmühle bis zu einer
maximalen Partikelgröße von 40 µm, insbesondere von 3,8 bis 4,6 µm weiter gemahlen
wird. Nach Entfernung des Kohlenwasserstoffs und Passivierung des Pulvers wird dieses
in einem Magnetfeld verpresst und das so erhaltenen Grünteil gesintert.
[0010] In
EP 0 350 781 A2 werden ein Magnetpulver und ein mit Harz gebundener Magnet beschrieben. Das Magnetpulver
wird durch Mahlen bei Umgebungstemperatur oder kryogenen Temperaturen, beispielsweise
mittels flüssigem Stickstoff oder flüssigem Argon erzielt, in einer inerten Atmosphäre
als nanostrukturiertes Material hergestellt. Das gemahlene Pulver wird bei Raumtemperatur
kalt mit einem Binderharz gepresst. Es folgt eine Wärmebehandlung zur Aushärtung des
Binderharzes.
[0011] In
CN 1 479 326 A wird in einem Beispiel das kryogene Mahlen eines Magnetpulvers in flüssigem Stickstoff
beschrieben. Nach Beenden des Mahlens wird der Stickstoff entfernt. Ein Block eines
magnetischen Materials wird hergestellt, indem das Magnetpulver in einer Ammoniakgas-Atmosphäre
bei 600° C gesintert wird.
[0012] Bei der Pulverisierung des Ausgangsmaterials sind grundsätzlich möglichst kleine
Korngrößen im fertigen Magneten wünschenswert, idealerweise in der Dimension magnetischer
Domäne, so dass der kompakte Magnet sich im Idealfall aus Eindomänenteilchen zusammensetzt,
wodurch besonders hohe Magnetfeldstärken erzielt werden. Mit den derzeitigen Mahltechniken
unter Schutzgas (Kugelmühle, Strahlmühle) werden Partikelgrößen von 2 bis 5 µm erzielt.
Beispielsweise lassen sich mit Strahlmühlen (
jet mills) Partikelgrößen von 3 bis 5 µm erzielen. Durch Verlängerung der Mahldauer entstehen
Agglomerate, die bei der nachfolgenden Magnetherstellung miteinander kaltverschweißen
und zu einem unerwünschten Kornwachstum führen. Auf der anderen Seite kann die Verwendung
von Additiven während des Mahlens, beispielsweise von Schmiermitteln, eine Verunreinigung
des Magneten verursachen, welche sich nachteilig auf seine mechanischen und magnetischen
Eigenschaften auswirken können.
[0013] Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Herstellung eines
Permanentmagneten bereitzustellen, bei dem ein Magnet mit verbesserten magnetischen
Eigenschaften, insbesondere höherer Koerzitivfeldstärke, sowie einer erhöhten mechanischen
Festigkeit erhalten wird.
[0014] Diese Aufgabe wird durch ein Herstellungsverfahren eines Permanentmagneten mit den
Merkmalen der unabhängigen Ansprüche gelöst.
[0015] Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Herstellung eines Permanentmagneten wird
ein Pulver eines magnetischen Materials hergestellt und zu einem Permanentmagneten
verarbeitet. Das Verarbeiten des erzeugten Pulvers zu einem Permanentmagneten schließt
typischerweise das Formen, Verdichten, Verfestigen und Magnetisieren ein. Erfindungsgemäß
umfasst das Herstellen des Pulvers des magnetischen Materials die Schritte:
- Mahlen einer Suspension von Partikeln des magnetischen Materials einer ersten mittleren
Teilchengröße in flüssigem Stickstoff unter Erhalt von Partikeln des magnetischen
Materials einer zweiten mittleren Teilchengröße, die kleiner als die erste mittlere
Teilchengröße ist, sowie
- Separieren einer Suspension des gemahlenen magnetischen Materials in flüssigem Stickstoff,
wobei Partikel mit einer Teilchengröße unterhalb einer vorbestimmten oberen Teilchengröße
separiert werden.
[0016] Die Erfindung umfasst somit eine Kombination aus kryogenem Mahlen (nachfolgend auch
Kryo-Mahlen genannt) sowie kryogenem Separieren (nachfolgend auch Kryo-Separieren
genannt) des magnetischen Materials. In beiden Schritten liegt das magnetische Material
in Form einer Suspension in flüssigem Stickstoff vor. Durch das Kryo-Mahlen in flüssigem
Stickstoff wird ein Erwärmen des Mahlguts durch die niedrige Temperatur des flüssigen
Stickstoff (77 K) vermieden. Hierdurch wird eine Agglomeration und ein Verschweißen
der Partikel verhindert und somit die Herstellung besonders geringer Teilchengrößen
ermöglicht. Die Gegenwart von flüssigem Stickstoff erlaub somit eine Verlängerung
der Mahldauer zur Erzielung der gewünschten äußerst geringen Teilchengröße. Auch der
nachfolgende Schritt des Separierens (Klassierens) erfolgt in flüssigem Stickstoff.
Somit wird auch in diesem Schritt einer Agglomeration der Partikel entgegengewirkt.
Ferner ermöglicht das Separieren den Erhalt einer geringeren Korngrößenverteilung,
wobei Partikel mit Teilchengrößen oberhalb der vorbestimmten oberen Teilchengröße
ausgeschlossen und entfernt werden. Durch die geringe Korngrößenverteilung wird eine
dichtere und gleichmäßigere Kugelpackung im fertigen Magneten erzielt. Hierdurch wird
eine höhere mechanische Festigkeit sowie eine höhere Koerzitivfeldstärke des Magneten
erlangt.
[0017] Unter Separieren (auch als Klassieren bezeichnet) wird ein Prozess verstanden, bei
dem aus einem partikulären Ausgangsmaterial mit einer gewissen Teilchengrößenverteilung
(üblicherweise entsprechend einer Gaußverteilung) eine Fraktion erhalten wird, die
eine kleinere (engere) Teilchengrößenverteilung als das Ausgangsmaterial aufweist.
Mit anderen Worten wird am oberen und/oder unteren Ende der ursprünglichen Teilchengrößenverteilung
eine Partikelfraktion abgetrennt und ausgeschieden. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung
umfasst das Separieren zumindest eine Abtrennung einer Partikelfraktion mit Teilchengrößen
oberhalb der vorbestimmten maximalen Teilchengröße, sodass die Zielfraktion ausschließlich
Partikel enthält, deren Teilchengrößen kleiner oder gleich der maximalen Teilchengröße
ist. Dabei wird mit dem Begriff "Teilchengröße" der so genannte Äquivalentdurchmesser
bezeichnet, welcher der Tatsache Rechnung trägt, dass die Partikel in der Regel keine
exakt kugelförmige Gestalt aufweisen. Beispielsweise weist ein Teilchen, das unabhängig
von seiner geometrischen Gestalt gerade noch ein quadratisches Loch eines Siebes mit
einer Kantenlänge von 1 µm passieren kann, einen Äquivalentdurchmesser ("Teilchengröße")
von 1 µm auf.
[0018] Grundsätzlich können im Schritt des Kryo-Separierens beliebige untere oder obere
Teilchengrößen separiert werden, beispielsweise Teilchengrößen ≤ 4 µm. Für die Herstellung
von Permanentmagneten sind jedoch kleinere Teilchengrößen, insbesondere im Nanometer-Bereich
wünschenswert, um bessere magnetische Eigenschaften zu erhalten. In einer Ausführung
der Erfindung werden im Schritt des Kryo-Separierens solche Partikel separiert, die
eine vorbestimmte maximale Teilchengröße von ≤ 500 nm aufweisen, insbesondere von
≤ 400 nm, vorzugsweise von ≤ 350 nm und besonders bevorzugt von ≤ 300 nm. Dies ist
etwa durch die Verwendung von Sieben mit entsprechenden Maschengrößen von 500 nm,
400 nm, 350 nm beziehungsweise 300 nm darstellbar. Beispielsweise weisen Partikel,
die mit einem Sieb mit einer Maschenweite von 350 nm separiert wurden, zu 100 Massen-%
eine Teilchengröße von ≤ 350 nm auf. Durch die geringe Teilchengröße von maximal 500
nm weisen die Partikel Größen im Bereich magnetischer Domänen auf, das heißt es handelt
sich um so genannte Eindomänenteilchen. Die Begrenzung der Teilchengrößen auf die
Größe magnetischer Domänen führt zu Permanentmagneten mit besonders hoher Koerzitivfeldstärke.
[0019] Nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung wird im Schritt des Kryo-Mahlens
neben der oberen Teilchengröße auch die untere Teilchengröße der separierten Partikel
begrenzt, so dass beispielsweise Partikel mit einer Teilchengröße im Bereich von >
2 bis 4 µm separiert werden. In einer für Permanentmagnete bevorzugten Ausgestaltung
werden im Schritt des Separierens Partikel mit einer Teilchengröße im Bereich von
> 100 nm bis ≤ 500 nm, insbesondere im Bereich von > 100 nm bis ≤ 400 nm, vorzugsweise
im Bereich von > 150 nm bis ≤ 350 nm und besonders bevorzugt im Bereich von > 200
nm bis ≤ 300 nm separiert. Die geringe Korngrößenverteilung führt zudem zu einer hohen
Packungsdichte und besonders regelmäßigen Packung der Partikel im fertigen Permanentmagnet,
wodurch besonders hohe mechanische Festigkeiten und hohe Koerzitivfeldstärken erzielt
werden. Die Darstellung von Partikelfraktionen mit definierten oberen und unteren
Teilchengrößen kann in einfacher Weise durch aufeinanderfolgende Verwendung von zwei
(oder mehr) Sieben erfolgen. Um beispielsweise eine Partikelfraktion, deren Teilchengrößen
zu 100 Massen-% im Bereich von > 200 nm bis ≤ 300 nm liegt, zu separieren, erfolgt
zunächst eine Siebung mit einem Sieb mit einer Maschenweite von 300 nm, wobei Partikel
> 300 nm auf dem Sieb zurückgehalten und abgetrennt werden. Anschließend wird die
das erste Sieb passierte Fraktion mit einer Teilchengröße von ≤ 300 nm durch ein zweites
Sieb mit einer Maschenweite von 200 nm gesiebt, wobei Partikel ≤ 200 nm das zweite
Sieb passieren. Die von diesem Sieb zurückgehaltene Fraktion weist ausschließlich
Teilchengrößen im Bereich von > 200 nm bis ≤ 300 nm auf.
[0020] Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung werden die im Separationsschritt
zurückgehaltenen Partikel mit einer Teilchengröße oberhalb der vorbestimmten oberen
und/oder unteren Teilchengröße dem vorausgehenden Mahlschritt zurückgeführt. Hierdurch
wird das wertvolle magnetische Material praktisch verlustfrei verarbeitet und eine
hohe Materialausbeute sichergestellt.
[0021] Die im Schritt des Kryo-Mahlens erhaltenen Teilchengrößen sind über die Prozessparameter,
insbesondere durch die gewählte Mahldauer, frei einstellbar. Es ist bevorzugt vorgesehen,
dass zumindest 50 Massen-%, insbesondere zumindest 70 Massen-% und besonders bevorzugt
zumindest 80 Massen-% der durch das Mahlen erhaltenen Partikel eine Teilchengröße
von höchstens 500 nm, insbesondere von höchstens 400 nm, vorzugsweise von höchstens
350 nm und vorzugsweise von höchstens 300 nm aufweisen. Dies hat den Vorteil, dass
ein Großteil des im Separationsschritt eingesetzten Materials bereits die gewünschte
maximale Teilchengröße aufweist und den nachfolgenden Separierungsschritt passiert.
Die gewünschten Teilchengrößen lassen sich aber auch andere Mahlparameter einstellen.
[0022] In besonders bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Schritte
des Mahlens und Separierens dergestalt miteinander verkettet sind, dass die dem Mahlschritt
unterworfene Suspension des magnetischen Materials dem Separierungsschritt zugeführt
wird. Mit anderen Worten wird die aus dem Mahlschritt erhaltene Suspension aus gemahlenem
magnetischen Material sowie flüssigem Stickstoff ohne weitere stoffliche Aufbereitung
in eine für den Separierungsschritt verwendete Vorrichtung geleitet. Durch den Verzicht
auf einen Wechsel oder Entfernung des flüssigen Mediums (flüssiger Stickstoff) wird
die Verfahrensdauer verkürzt sowie Material- und Energiekosten reduziert.
[0023] Vorzugsweise erfolgt das kryogene Mahlen in einer Kugelmühle. Durch die Kugeln der
Mühle wird eine hohe Oberfläche bereitgestellt, über die eine wirkungsvolle Wärmeabfuhr
erfolgt, wodurch eine weitere Unterdrückung der Agglomeration der Partikel erzielt
wird. Andere Mahlvorrichtungen, in denen Suspensionen verarbeitet werden können, sind
im Rahmen der Erfindung jedoch ebenfalls einsetzbar.
[0024] Das Separieren erfolgt vorzugsweise in einer Schwingsiebvorrichtung.
[0025] Schwingsiebvorrichtungen umfassen zumindest ein horizontal angeordnetes Sieb, welches
über eine Schwingachse in Schwingung versetzt wird. Schwingsiebvorrichtungen eignen
sich besonders gut für die Verarbeitung von Suspensionen.
[0026] Vorzugsweise umfasst das Separieren die Anwendung mehrerer hintereinander geschalteter
Siebstufen mit Sieben, die kleiner werdende Maschenweiten aufweisen. Auf diese Weise
werden in den vorgeschalteten Siebstufen Partikel mit vergleichsweise großen Teilchengrößen
entfernt und durch die nachgeschalteten Siebstufen kleinere Teilchendurchmesser aussortiert.
Der Einsatz mehrerer Siebstufen unterschiedlicher Maschenweite, insbesondere in kontinuierlicher
Verfahrensführung, ermöglicht eine Verkürzung der Siebdauern. Die Hintereinanderschaltung
mehrerer Siebstufen lässt sich besonders einfach in einer Schwingsiebvorrichtung realisieren.
[0027] Weitere bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den übrigen, in
den Unteransprüchen genannten Merkmalen.
[0028] Die Erfindung wird nachfolgend in Ausführungsbeispielen anhand der zugehörigen Zeichnungen
erläutert. Es zeigen:
- Figur 1
- Verfahrensablauf zur Herstellung eines Pulvers eines magnetischen Materials nach einer
ersten Ausgestaltung der Erfindung;
- Figur 2
- Veranschaulichung des HD-Prozesses;
- Figur 3
- Prozessschritt des kryogenen Mahlens in einer Kugelmühle;
- Figur 4
- Prozessschritt des kryogenen Separierens in einer Schwingsiebvorrichtung;
- Figur 5
- Verfahrensablauf zur Herstellung eines Pulvers eines magnetischen Materials nach einer
zweiten Ausgestaltung der Erfindung und
- Figur 6
- weiterer Verfahrensablauf zur Herstellung eines Permanentmagneten.
[0029] Figur 1 zeigt ein Fließdiagramm zur Visualisierung eines Verfahrensablaufs zur Herstellung
eines Pulvers eines magnetischen Materials gemäß einer ersten Ausgestaltung der Erfindung.
[0030] Ausgangsmaterial des Verfahrens ist ein magnetisches Material (nachfolgend auch Magnetmaterial
genannt), das wenigstens ein Element der seltenen Erden (auch Seltenerden genannt)
sowie wenigstens ein Element der Eisengruppe (Fe, Co, Ni) aufweist. Insbesondere handelt
es sich um eine Seltenerdlegierung des Typs SE-TM-A oder des Typs SE-TM, wobei SE
ein Element der Seltenen Erden, TM ein Übergangsmetall der Eisengruppe (Fe, Co, Ni)
ist und A ein Element der III. Hauptgruppe des Periodensystems der Elemente ist, insbesondere
Bor (B). Beispielsweise wird eine Nd-Fe-B-Legierung oder eine Sm-Co-Legierung eingesetzt.
[0031] In Schritt S1 der Figur 1 wird zunächst eine Schmelze des Magnetmaterials mittels
eines Bandgießverfahrens zu einem dünnen Band verarbeitet. Hierbei wird die Schmelze
auf eine rotierende gekühlte Rolle gegossen, wobei die Schmelze schlagartig erstarrt.
Das erhaltene dünne Band des Magnetmaterials weist eine polykristalline Nano-Struktur
auf. Diese ist auf der linken Seite der Figur 2 am Beispiel der Seltenerdlegierung
Nd
2Fe
14B dargestellt. Es ist erkennbar, dass die Kristalle dieser Legierung von einer Neodym-reichen
Legierungsphase eingeschlossen werden, welche sich durch das Abschrecken der Legierung
ausbildet.
[0032] Um die Sprödigkeit des Ausgangsmaterials weiter zu erhöhen, wird in Schritt S2 des
Verfahrens mit dem bekannten Verfahren der Wasserstoffversprödung (HD-Prozess für
hydrogen decrepitation) das durch das Bandgießen erhaltene Material behandelt. Hierzu wird das polykristalline
Magnetmaterial einer Wasserstoffatmosphäre unter hohem Druck ausgesetzt, wobei der
Wasserstoff durch das Legierungsmaterial aufgenommen wird. Beispielsweise absorbiert
eine Legierung des Nd-Fe-B-Typs ca. 2,5 % Wasserstoff. Anschließend wird der Druck,
unter dem das Material steht, schlagartig entspannt, wobei der Wasserstoff entweicht.
Dieser Vorgang ist auf der rechten Seite der Figur 2 verdeutlicht. Es ist insbesondere
erkennbar, dass in der Neodym-reichen Phase, welche die Nd
2Fe
14B-Kristalle umgibt, Mikrorisse entstehen, welche das Material verspröden. Es entstehen
mittlere Teilchengrößen von beispielsweise 5 bis 10 µm.
[0033] Im Anschluss an den HD-Prozess findet in Schritt S3 des Verfahrens das erfindungsgemäße
kryogene Mahlen des versprödeten Magnetmaterials statt. Der Vorgang des kryogenen
Mahlens ist in einer Kugelmühle in Figur 3 dargestellt. Die Kugelmühle 10 weist einen
doppelwandigen Behälter 11 auf, in dessen Inneren ein Rührer 12 drehbar angeordnet
ist. Im Inneren des Gefäßes 11 befinden sich ferner Kugeln 13 aus einem Hartmetall,
beispielsweise aus Edelstahl oder Zr
20. Das versprödete magnetische Material das aus Schritt S2, das eine erste mittlere
Teilchengröße aufweist, wird in Form einer Suspension 20 in flüssigem Stickstoff in
das Gefäß 11 der Kugelmühle 10 gegeben. Der flüssige Stickstoff weist eine Temperatur
von ca. 77 K auf.
[0034] Durch die Rotation des Rührers 12 der Kugelmühle werden die Kugeln 13 in Bewegung
versetzt. Die rechte Seite der Figur 3 zeigt eine vergrößerte Ansicht zweier Kugeln
13, zwischen denen Partikel 21 des magnetischen Ausgangsmaterials durch die zwischen
zwei Kugeln 13 herrschenden Kräfte zerrieben werden. Es entstehen somit Partikel des
magnetischen Materials mit einer zweiten mittleren Teilchengröße, die kleiner ist
als die erste mittlere Teilchengröße des der Kugelmühle zugeführten Materials.
[0035] Der flüssige Stickstoff benetzt die Pulverpartikel 21 des magnetischen Materials
während des Mahlens und führt die dabei entstehende Wärme ab. Hierdurch wird eine
Agglomeration der Partikel verhindert. Ferner schützt der flüssige Stickstoff die
Pulveroberfläche vor Verunreinigungen und verhindert ein In-Kontakt-kommen des pyrophoren
magnetischen Materials mit Luftsauerstoff.
[0036] Der Mahlprozess wird vorzugsweise solange durchgeführt, bis zumindest 90 Massen-%
des Pulvermaterials eine Teilchengröße von höchstens 500 nm, vorzugsweise von höchstens
300 nm aufweisen. Die Mahlprozessparameter werden so gewählt, dass die gewünschte
Teilchengröße erhalten wird. Sie hängen von der eingesetzten Anlage und Anlagegröße
ab. Beispielsweise wird eine Drehzahl des Rührers von 150 bis 1000 U/min eingestellt
und eine Mahldauer von 1 bis 12 Stunden.
[0037] Gemäß Figur 1 erfolgt in Schritt S4 im Anschluss an das kryogene Mahlen das kryogene
Separieren (Klassieren). Dieser Vorgang ist in Figur 4 dargestellt.
[0038] Die hier dargestellte Separierungsvorrichtung 30 weist ein doppelwandiges Gehäuse
31 auf, welches mit der aus dem kryogenen Mahlen erhaltenen Suspension 20, bestehend
aus dem Pulver des magnetischen Materials und flüssigem Stickstoff, beschickt wird.
In dem Gehäuse 31 sind mehrere Schwingsiebe 33 horizontal übereinander angeordnet.
Dabei nimmt die Maschenweite der Siebe 33 von oben nach unten ab. Die Siebe 33 sind
mit einer vertikalen Schwingachse 32 mechanisch verbunden. Die Schwingachse 32 wird
über einen nicht dargestellten Antrieb in eine vertikale Schwingung versetzt, die
somit auf die Schwingsiebe 33 übertragen wird. Beispielsweise können Siebe eingesetzt
werden, die gesinterte metallische Drahtnetze aufweisen. Ebenso sind so genannte MEMS-Siebe
(für micro-electro-mechanicalstructure) geeignet, die durch nasse oder trockene Ätzverfahren
hergestellt werden.
[0039] Das in Form der Suspension 20 zugeführte Pulver des magnetischen Materials gelangt
zunächst auf das oberste, gröbste Sieb, auf dem Partikel oberhalb der entsprechenden
Maschenweite des Siebs, beispielsweise oberhalb von 500 nm, zurückgehalten werden.
Partikel mit Teilchengrößen ≤ 500 nm gelangen auf das nächste darunter angeordnete
Sieb, welches eine etwas geringere Maschenweite als das oberste Sieb aufweist, beispielsweise
von 400 nm. Auf dem zweiten Sieb werden somit Partikel im Bereich von > 400 nm bis
≤ 500 nm zurückgehalten. Dieser Vorgang setzt sich bis zum untersten Sieb fort, welches
die gewünschte maximale Teilchengröße, beispielsweise von 300 nm definiert.
[0040] Über ein Ventil 34 wird somit die gefilterte und separierte Suspension 20, die nur
noch Teilchengrößen vorzugsweise ≤ 300 nm enthält, abgelassen und aufgefangen. Die
auf den Sieben 33 zurückgehaltenen Fraktionen werden dem vorstehenden Prozessschritt
S3 des kryogenen Mahlens zurückgeführt. Gegebenenfalls kann eine Kühlstufe zwischengeschaltet
sein.
[0041] Während des Separierens in Schritt S4 wird die entstehende Reibungswärme durch den
flüssigen Stickstoff abgeführt, wodurch eine Agglomeration der Magnetpartikel verhindert
wird. Ferner ermöglicht der Einsatz in Form der Suspension in flüssigem N
2, dass die auf den Sieben 33 zurückgehaltenen Partikelfraktionen ohne Medienbruch
dem Schritt des kryogenen Mahlens zurückgeführt werden können.
[0042] Figur 5 zeigt ein Fließdiagramm eines Verfahrensablaufs zur Herstellung des Magnetpulvers
gemäß einer zweiten Ausgestaltung der Erfindung. Das Verfahren unterscheidet sich
von dem in Figur 1 dargestellten Verfahren lediglich in den beiden ersten Schritten,
während die erfindungsgemäßen Schritte S3 und S4 gleich sind und nicht noch einmal
erläutert werden.
[0043] Gemäß Figur 5 wird in dem ersten Schritt S1' die Legierungsschmelze zunächst in kleinteilige
Gussstücke (Ingots) gegossen und erstarrt. Diese werden sodann mechanisch unter Schutzgas
gebrochen, wobei Partikel mit einer mittleren Teilchengröße von beispielsweise 500
µm entstehen.
[0044] Im anschließenden Schritt S2' erfolgt eine weitere mechanische Pulverisierung des
Materials durch herkömmliches Mahlen in einer Schutzgasatmosphäre, beispielsweise
in gasförmigem Stickstoff oder Argon. Der Grobmahlschritt S2' kann beispielsweise
in einer Strahlmühle (
jet milling) oder auch in einer Kugelmühle erfolgen. Es werden Partikelgrößen von beispielsweise
3 bis 5 µm erhalten. Diese werden in den bereits erläuterten Schritten S3 und S4 weiter
pulverisiert, um Teilchengrößen von vorzugsweise höchstens 300 nm zu erhalten.
[0045] Figur 6 zeigt beispielhaft einen weiteren Verfahrensablauf, bei dem das in Schritt
S4 (aus Figur 1 oder 5) erhaltene Pulver zu einem Permanentmagnet weiter verarbeitet
wird.
[0046] In Schritt S5 erfolgt ein Verdichten und Formen des Pulvers des magnetischen Materials
beispielsweise durch Pressen. Das Pressen kann anisostatisch in einem mechanischen
Presswerkzeug erfolgen, wobei ein mechanischer Druck auf den Pressling aus einer oder
zwei entgegengesetzten Raumrichtungen ausgeübt wird. Alternativ kann das Pressen isostatisch
unter Beaufschlagung des Pulvers mit einem hohen Druck einer Schutzgasatmosphäre durchgeführt
werden. In beiden Fällen kann das Pressen in einem externen Magnetfeld erfolgen, so
dass ein magnetisch anisotroper Pressling entsteht. Resultat des Verdichtungsschritts
S5 ist ein (magnetisch isotroper oder anisotroper) Pressling, der auch als Grünteil
bezeichnet wird.
[0047] Im folgenden Schritt S6 erfolgt ein Sintern des Grünteils. Dabei wird das Grünteil
bei einer Temperatur, die kleiner oder der Schmelztemperatur des magnetischen Materials
ist, verfestigt. Beispielsweise werden bei Legierungen des Typs NdFeB, zum Beispiel
Nd
2Fe
14B, Temperaturen im Bereich von 1000 bis 1150 °C angewandt. Durch den Vorgang des Sinterns
werden die Partikel des Pulvers weiter verdichtet und verfestigt und gehen mechanische,
teilweise auch stoffschlüssige Bindungen ein. Nach dem Sintern liegt ein nicht magnetisierter
(isotroper oder anisotroper, je nach dem ob in Magnetfeld gepresst wurde oder nicht)
Körper vor, da die Curie-bleibt während des Sinterns erhalten.
[0048] Im anschließenden Schritt S7 schließt ein optionaler Temperprozess an, bei dem der
Magnet einer weiteren thermischen Behandlung (Niedertemperaturbehandlung) unterzogen
wird. Ziel des Temperns ist der Abbau von Restspannungen im Kristallgefüge.
[0049] In einem weiteren optionalen Schritt S8 erfolgt eine formgebende Bearbeitung und/oder
Oberflächenbehandlung des Magneten, um diesem eine gewünschte Form und Abmessung zu
verleihen. Es kommen insbesondere spanende Techniken zum Einsatz, wie Schleifen, Schneiden,
Fräsen etc. Vorzugsweise wird jedoch die endgültige Form des Magneten bereits im Verdichtungsschritt
S5, beispielsweise einem entsprechenden Presswerkzeug, festgelegt, so dass auf eine
spanende Bearbeitung verzichtet oder diese zumindest reduziert werden kann. Ferner
kann der Magnet mit einer Oberflächenbeschichtung, beispielsweise aus einem Epoxidharz
oder einer metallischen Beschichtung, versehen werden.
[0050] Schließlich erfolgt in Schritt S9 ein Magnetisieren des Magneten in einem externen
Magnetfeld, bei dem die magnetischen Dipole aufmagnetisiert, das heißt ausgerichtet
werden.
[0051] Der mit dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellte Permanentmagnet zeichnet sich
durch geringe Partikelgrößen in der Größenordnung von magnetischen Domänen aus, das
heißt er besteht aus so genannten Eindomänenteilchen. Zudem besitzt er eine uniforme
Teilchengrößenverteilung vorzugsweise im Bereich von 200 bis 300 nm. Im Ergebnis zeichnet
sich der Magnet durch eine hohe Koerzitivfeldstärke und eine hohe Temperaturstabilität
aus. Seine guten magnetischen Eigenschaften werden nicht durch erhöhte Gehalte seltener
Erden beeinträchtigt, beispielsweise in Form von Dy oder Tb, die durch im Stand der
Technik übliche Bearbeitungsschritte (z.B. GBDP für grain boundary diffusion process)
eingebracht werden.
[0052] Dadurch, dass die sensiblen Schritte der Pulveraufbereitung in flüssigem Stickstoff
durchgeführt werden, werden auch weitere Verunreinigungen in Form von Kohlenstoff
oder Sauerstoff vermindert. Störende Effekte, wie Rekristallisation, thermische Belastung
und Agglomeratbildung werden bei dem kryogenen Mahlen eliminiert. Das Verfahren zeichnet
sich ferner durch eine hohe Sicherheit aus, da der flüssige Stickstoff die Selbstentzündungsneigung
des Magnetpulvers dämmt.
Bezugszeichenliste
[0053]
- 10
- Kugelmühle
- 11
- Gefäß
- 12
- Rührer
- 13
- Kugeln
- 20
- Suspension
- 21
- Partikel
- 30
- Separiervorrichtung
- 31
- Gehäuse
- 32
- Schwingachse
- 33
- Schwingsiebe
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- Ventil
1. Verfahren zur Herstellung eines Permanentmagneten, bei dem ein Pulver eines magnetischen
Materials hergestellt wird und das Pulver des magnetischen Materials zu einem Permanentmagneten
verarbeitet wird,
wobei das Herstellen des Pulvers des magnetischen Materials die Schritte umfasst:
- Mahlen einer Suspension von Partikeln des magnetischen Materials einer ersten mittleren
Teilchengröße in flüssigem Stickstoff unter Erhalt von Partikeln des magnetischen
Materials einer zweiten mittleren Teilchengröße, die kleiner als die erste mittlere
Teilchengröße ist,
gekennzeichnet durch
- Separieren einer Suspension des gemahlenen magnetischen Materials in flüssigem Stickstoff,
wobei Partikel mit einer Teilchengröße unterhalb einer vorbestimmten oberen Teilchengröße
separiert werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass im Schritt des Separierens Partikel mit einer Teilchengröße von ≤ 500 nm separiert
werden.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass im Schritt des Separierens Partikel mit einer Teilchengröße von ≤ 400 nm separiert
werden.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass im Schritt des Separierens Partikel mit einer Teilchengröße von ≤ 300 nm separiert
werden.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Schritt des Separierens Partikel mit einer Teilchengröße im Bereich von > 100
nm bis ≤ 500 nm separiert werden.
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass im Schritt des Separierens Partikel mit einer Teilchengröße im Bereich > 100 nm bis
≤ 400 nm separiert werden.
7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass im Schritt des Separierens Partikel mit einer Teilchengröße im Bereich von > 150
nm bis ≤ 350 nm separiert werden.
8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass im Schritt des Separierens Partikel mit einer Teilchengröße im Bereich von 200 nm
bis ≤ 300 nm separiert werden.
9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Partikel mit einer Teilchengröße oberhalb der vorbestimmten oberen Teilchengröße
aus dem Separationsschritt zu dem Mahlschritt zurückgeführt werden.
10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schritte des Mahlens und Separierens so miteinander verkettet sind, dass die
die dem Mahlschritt unterworfene Suspension des magnetischen Materials dem Separierungsschritt
zugeführt wird.
11. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Mahlen in einer Kugelmühle erfolgt.
12. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Separieren mittels einer Schwingsiebvorrichtung erfolgt.
13. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Separieren die Anwendung mehrerer hintereinandergeschalteter Siebstufen mit kleiner
werdenden Maschenweiten umfasst.
1. A method for producing a permanent magnet, in which a powder of a magnetic material
is produced and the powder of the magnetic material is processed into a permanent
magnet,
wherein the production of the powder of the magnetic material comprises the steps:
- Grinding a suspension of particles of the magnetic material of a first average particle
size in liquid nitrogen, obtaining particles of the magnetic material of a second
average particle size, which is smaller than the first average particle size,
characterized by
- separating a suspension of the ground magnetic material in liquid nitrogen, wherein
particles having a particle size smaller than a predetermined upper particle size
are separated.
2. The method according to Claim 1, characterized in that in the step of separation particles with a particle size of ≤ 500 nm are separated.
3. The method according to Claim 2, characterized in that in the step of separation particles with a particle size ≤ 400 nm are separated.
4. The method according to Claim 3, characterized in that in the step of separation particles with a particle size ≤ 300 nm are separated.
5. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that in the step of separation particles with a particle size in the range of > 100 nm
to ≤ 500 nm are separated.
6. The method according to Claim 5, characterized in that in the step of separation particles with a particle size in the range of > 100 nm
to ≤ 400 nm are separated.
7. The method according to Claim 6, characterized in that in the step of separation particles with a particle size in the range of > 150 nm
to ≤ 350 nm are separated.
8. The method according to Claim 7, characterized in that in the step of separation particles with a particle size in the range of 200 nm to
≤ 300 nm are separated.
9. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that particles with a particle size above the predetermined upper particle size are returned
from the separation step to the grinding step.
10. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that the steps of grinding and separating are interlinked such that the suspension of
the magnetic material subjected to the grinding step is fed to the separation step.
11. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that the grinding takes place in a ball mill.
12. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that the separation takes place by means of a vibratory screening apparatus.
13. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that the separation comprises the application of several series-connected screening stages
with decreasing mesh sizes.
1. Procédé de fabrication d'un aimant permanent, dans lequel une poudre d'un matériau
magnétique est fabriquée et la poudre de matériau magnétique est traité afin d'obtenir
un aimant permanent, la fabrication de la poudre de matériau magnétique comprenant
les étapes suivantes :
- broyage d'une suspension de particules de matériau magnétique d'une première taille
moyenne de particules dans de l'azote liquide afin d'obtenir des particules de matériau
magnétique d'une deuxième taille moyenne de particules, qui est inférieure à la première
taille moyenne de particules,
caractérisé par
- la séparation d'une suspension du matériau magnétique broyé dans de l'azote liquide,
les particules d'une taille inférieure à une taille de particules supérieure prédéterminée
étant séparées.
2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que, dans l'étape de séparation, les particules avec une taille ≤ 500 nm sont séparées.
3. Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce que, dans l'étape de séparation, les particules avec une taille ≤ 400 nm sont séparées.
4. Procédé selon la revendication 3, caractérisé en ce que, dans l'étape de séparation, les particules avec une taille ≤ 300 nm sont séparées.
5. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que, dans l'étape de séparation, les particules avec une taille > 100 nm à ≤ 500 nm sont
séparées.
6. Procédé selon la revendication 5, caractérisé en ce que, dans l'étape de séparation, les particules avec une taille > 100 nm à ≤ 400 nm sont
séparées.
7. Procédé selon la revendication 6, caractérisé en ce que, dans l'étape de séparation, les particules avec une taille > 150 nm à ≤ 350 nm sont
séparées.
8. Procédé selon la revendication 7, caractérisé en ce que, dans l'étape de séparation, les particules avec une taille de 200 nm à ≤ 300 nm
sont séparées.
9. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que les particules avec une taille supérieure à la taille de particules supérieure prédéterminée
sont retournées de l'étape de séparation vers l'étape de broyage.
10. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que les étapes de broyage et de séparation s'enchaînent entre elles de façon à ce que
la suspension de matériau magnétique soumise à l'étape de broyage soit introduite
dans l'étape de séparation.
11. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le broyage a lieu dans un broyeur à billes.
12. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la séparation a lieu à l'aide d'un dispositif de tamis vibrant.
13. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la séparation comprend l'utilisation de plusieurs étages de tamisage avec des tailles
de mailles de plus en plus petites.