Verfahren zur Herstellung eines Werkstoffes mit einer hartmagnetischen Phase aus pulverförmigen Ausgangskomponenten

Beschreibung

[0001] Verfahren zur Herstellung eines Werkstoffes mit einer hart­magnetischen Phase aus pulverförmigen Ausgangskomponenten

[0002] Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung eines Werkstoffes mit einer hartmagnetischen Phase, bei dem ein Pulvergemisch aus den elementaren und/oder als Verbindungen oder Legierungen vorliegenden pulverförmigen Komponenten des Werkstoffes einem Mahlprozeß nach Art des mechanischen Legie­rens unterzogen wird und die hartmagnetische Phase in den so entstandenen Pulverpartikeln mittels einer Wärmebehandlung ausgebildet wird. Ein derartiges Verfahren geht aus der EP-A-0 243 641 hervor.

[0003] Seit einiger Zeit sind Magnetwerkstoffe bekannt, die hinsicht­lich der wichtigsten hartmagnetischen Größe, nämlich des Energieproduktes, alle bisher bekannten Materialien weit über­treffen. Besonderes Interesse gilt dabei einem Werkstoff, der zumindest weitgehend eine hartmagnetische tetragonale Phase der Zusammensetzung Nd₂Fe₁₄B aufweist. Hierbei sind eine partielle Substitution der einzelnen Elemente des Werkstoffes und/oder leichte Abweichungen von der Stöchiometrie der tetragonalen Phase möglich, um so die Mikrostruktur des Werkstoffes zu opti­mieren. Da die magnetischen Werte wie die Remanenz und insbe­sondere das Energieprodukt für magnetisch anisotrope Werkstoffe wesentlich besser sind als für magnetisch isotrope Werkstoffe, ist man bestrebt, Verfahren zu entwickeln, mit denen das herge­stellte Pulver magnetisch anisotrop gemacht werden oder aus diesem Pulver ein magnetisch anisotroper kompakter Körper her­gestellt werden kann.

[0004] Für eine großtechnische Herstellung entsprechender Magnetwerk­ stoffe kommen insbesondere zwei Verfahren zur Anwendung:
Gemäß einem aus der EP-A-0 126 802 bekannten Verfahren wird zunächst eine Legierung der gewünschten Zusammensetzung erschmolzen, anschließend zu feinem Pulver zerkleinert, in einem Magnetfeld magnetisch ausgerichtet und schließlich durch eine Druck- und Sinterbehandlung kompaktiert.

[0005] Bei einem weiteren, aus der EP-A-0 144 112 bekannten Ver­fahren wird zunächst ein Zwischenprodukt durch schnelles Abschrecken aus der Schmelze der Ausgangskomponenten her­gestellt, das dann durch Heißpressen kompaktiert und schließlich in einem weiteren Verfahrensschritt, dem sogenannten "Die-Upsetting", einem Stauchpressen, in der magnetischen Vorzugsrichtung ausgerichtet wird (vgl.z.B. "Appl.Phys.Lett.", Vol. 46, No. 8, 15.6.1985, Seiten 790 und 791). Bei diesem letzteren Verfahren wird zunächst in einer Heißpresse das Pulver bei hoher Temperatur kom­paktiert. Der Preßling wird dann wiederum bei hoher Temperatur von etwa 700°C in einer aufgeweiteten Matrize verformt, wobei sich eine magnetische Anisotropie mit der leichten Richtung parallel zur Preßrichtung einstellt.

[0006] Allerdings sind diese beiden Verfahren verhältnismäßig aufwendig. Denn mit ihnen werden jeweils kompakte Blöcke aus dem Werkstoff mit der hartmagnetischen Phase ausge­bildet, die zerkleinert werden müssen, um ein magnetisch anisotropes Pulver zu erhalten.

[0007] Ferner ist es aus der eingangs erwähnten EP-A-0 243 641 be­kannt, Pulver mit der hartmagnetischen Phase Nd₂Fe₁₄B herzu­stellen. Hierzu werden zunächst Pulver der jeweils beteiligten Elemente, die auch in Form von Vorlegierungen oder als Verbin­dungen vorliegen können, durch Mahlen in einer Pulvermühle in ein Mischpulver überführt. Dieses Mischpulver reagiert dann in einer nachfolgenden Glühbehandlung zu der gewünschten NdFeB-­Legierung mit hoher Koerzitivkraft. Das so entstandene Pulver ist allerdings magnetisch isotrop, da jedes Pulverpartikel aus einer Vielzahl von Körnern mit willkürlicher Kristallorientie­rung besteht.

[0008] Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es deshalb, das Verfah­ren der eingangs genannten Art dahingehend auszugestalten, daß mit ihm auf verhältnismäßig einfache Weise auch magnetisch an­isotrope Pulver hergestellt werden können.

[0009] Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Wärmebehandlung zur Ausbildung der hartmagnetischen Phase während des Mahlprozesses vorgesehen wird und daß die dabei entstandenen Pulverpartikel der hartmagnetischen Phase dem Mahlprozeß weiterhin bei erhöhter Temperatur derart unterzogen werden, daß sich in ihnen ein magnetisch anisotropes Gefüge ergibt.

[0010] Der Erfindung liegt zum einen die Erkenntnis zugrunde, daß sich bei dem bekannten Mahlprozeß in-situ die gewünschte hartmagne­tische Phase erzeugen läßt, wenn man für eine gleichzeitige Wärmebehandlung sorgt. Zum anderen kann durch Fortsetzung des Mahlprozesses bei hoher Temperatur eine Verformung der Pul­verpartikel mit der hartmagnetischen Phase hervorgerufen wer­den, die zu einer magnetischen Anisotropie des Materials mit der leichten Richtung der Magnetisierung parallel zur Ver­formungsrichtung führt. Die Erwärmung der einzelnen Pulver­partikel während des erfindungsgemäßen Verfahrens kann ent­weder direkt aufgrund von Stoßprozessen der Mahlkugeln und/­oder durch eine externe Heizung erfolgen. Selbstverständlich müssen dabei die Mindesttemperaturen zur Ausbildung der hart­magnetischen Phase bzw. der Texturierung in den Pulverparti­keln berücksichtigt werden. Die mit dieser Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens verbundenen Vorteile sind demnach in der Kompaktheit des Verfahrensablaufes zur Ausbildung der gewünschten hartmagnetischen Phase und deren gewünschter Anisotropie zu sehen.

[0011] Vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens gehen aus den Unteransprüchen hervor.

[0012] Die Erfindung wird nachfolgend noch weiter anhand eines Aus­führungsbeispieles zur Herstellung der ternären hartmagneti­schen NdFeB-Legierung erläutert. Dabei sind nicht näher be­schriebene Verfahrensschritte allgemein bekannt und können ins­besondere gemäß der eingangs genannten EP-A-0 243 641 durchge­führt werden.

[0013] Zur Herstellung von Pulvern aus der gewünschten NdFeB-Legierung wird von Pulvern der beteiligten Ausgangskomponenten ausgegan­gen. Vorteilhaft werden elementare Pulver verwendet. Daneben können aber auch die beteiligten Elemente in Form von Legie­rungen und/oder Verbindungen vorliegen. Die pulverförmigen Aus­gangskomponenten werden mit gehärteten Stahlkugeln in eine ge­eignete Mahlvorrichtung gegeben, wobei das Mengenverhältnis der drei Pulversorten des Pulvergemisches durch die vorbestimmte resultierende atomare Konzentration des aus diesen Pulvern her­zustellenden hartmagnetischen Materials bestimmt ist. Diese drei Pulver mit vorbestimmten, allgemein geläufigen Partikel­größen werden dann einem Mahlprozeß unterzogen, wie er von Verfahren des mechanischen Legierens her prinzipiell bekannt ist. Die Dauer des Mahlprozesses hängt insbesondere von den Mahlparametern ab. Wichtige Parameter sind der Kugeldurch­messer, die Kugelanzahl sowie die verwendeten Materialien der Mahlvorrichtung. Auch die Mahlgeschwindigkeit und das Ver­hältnis der Stahlkugeln zur Pulvermenge sind weitere Parame­ter, welche die notwendige Mahldauer bestimmen. Für das erfindungsgemäße Verfahren ist außerdem von entscheidender Bedeutung, daß es bei dem Mahlprozeß zu einer erheblichen Erwärmung der Pulver kommt. Es sollten für die zunächst an­gestrebte Ausbildung der hartmagnetischen Phase Temperaturen von mindestens 500°C, vorzugsweise mindestens 600°C vorhanden sein. Entsprechende Temperaturen können beispielsweise aufgrund von Stoßprozessen der Mahlkugeln mittels hinreichender Mahl­intensität hervorgerufen werden. Die Erwärmung auf die ge­nannten Temperaturen kann aber auch durch eine externe Heiz­vorrichtung unterstützt bzw. gewährleistet werden. So kann z.B. die Mahlvorrichtung auf etwa 300°C aufgeheizt werden. Die erforderlichen höheren Temperaturen am Mahlgut werden dann auf­grund der Stoßprozesse der Mahlkugeln erreicht.

[0014] Während des Mahlprozesses bilden sich zunächst Pulverpartikel eines Mischpulvers. Diese Pulverpartikel bestehen aus einer innigen Vermengung von Fe und Nd mit eingelagerten B-Teilchen, deren Teilchengröße deutlich kleiner als 1 µm ist. Die Pulver­partikel selbst haben dabei einen Durchmesser von etwa 1 bis 200 µm. Mit fortschreitendem Mahlprozeß werden dann aufgrund der erfindungsgemäßen Temperaturverhältnisse diese Pulverpar­tikel des Mischpulvers durch eine Diffusionsreaktion in Pul­verpartikel mit der gewünschten hartmagnetischen Nd₂Fe₁₄B-Phase überführt. Die hierfür erforderliche Mahldauer läßt sich ohne weiteres durch Untersuchung der Pulverpartikel ermitteln.

[0015] Gemäß der Erfindung ist vorgesehen, daß die Pulverpartikel der so entstandenen hartmagnetischen Phase weiter bei hoher Tempe­ratur mittels des Mahlprozesses so lange verformt werden, bis sich aufgrund von Verformungs- und/oder Rekristallisations­effekten das gewünschte anisotrope Gefüge (bzw. Texturierung) einstellt. Die hierbei wirkenden Ausrichtungsmechanismen sind ähnlich denen bei dem sogenannten "Die-Upsetting" (vgl. "Appl.Phys.Lett.", Vol. 46, No. 8, 15.6.85, Seiten 790 und 791 oder Vol. 53, No. 4, 25.7.88, Seiten 342 und 343). Die für diesen Teil des Mahlprozesses vorzusehenden Temperaturver­hältnisse brauchen nicht unbedingt mit denen während der vor­angegangenen Ausbildung der hartmagnetischen Phase überein­zustimmen. Die zur Ausbildung der angestrebten Texturierung der Pulverpartikel erforderliche Mindesttemperatur liegt nämlich vielfach höher als die Mindesttemperatur zur Ausbildung der hartmagnetischen Phase. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren kann deshalb eine entsprechende Steigerung der Temperatur vor­gesehen werden. Es ist jedoch ebensogut möglich, bereits die hartmagnetische Phase bei der jeweils höheren Temperatur aus­zubilden. Im allgemeinen liegt die Mindesttemperatur zur Aus­bildung des anisotropen Gefüges bei etwa 650°C. Auch hier kann man die erforderliche Mahldauer durch experimentelle Unter­suchung der entstandenen Pulverpartikel ohne weiteres er­mitteln.

[0016] Es kann davon ausgegangen werden, daß der Verfahrensschritt zur Ausbildung der hartmagnetischen Phase und der Verfahrensschritt zur Ausbildung des anisotropen Gefüges nicht sukzessive nach­einander ablaufen müssen. Vielmehr ist ein fließender Übergang zwischen diesen beiden Verfahrensschritten zu beobachten. Dies ist insbesondere dann der Fall, wenn der Maßprozeß so geführt wird, daß die Pulverteilchen während der Stoßprozesse Tempe­raturen oberhalb der Mindesttemperatur von beispielsweise 650°C zur Ausbildung des anisotropen Gefüges erreichen.

[0017] Das erfindungsgemäß hergestellte hartmagnetische Pulver kann anschließend in bekannter Weise weiterverarbeitet werden. So läßt es sich z.B. nach einer magnetischen Ausrichtung kom­paktieren. Insbesondere kann auch ohne besonderen Kompaktie­rungsschritt aus dem hartmagnetischen Pulver durch Verguß mit einem Kunststoff ein kunststoffgebundener anisotroper Dauer­magnet erstellt werden.

[0018] Gemäß bekannten Verfahren kann die Zusammensetzung des dem Ausführungsbeispiel zugrundegelegten Materials bei der Ein­waage von der stöchiometrischen Zusammensetzung Nd₂Fe₁₄B ab­weichen. Darüber hinaus ist eine partielle oder sogar voll­ständige Substitution eines oder mehrerer der drei beteiligten Elemente möglich. So kann etwa Nd durch ein Element aus der Gruppe der schweren Seltenen Erden wie z.B. durch Dy oder Tb partiell oder auch durch Pr vollständig ersetzt werden. Statt Fe kann man ein anderes Element aus der Gruppe der spä­ten Übergangsmetalle wie z.B. Co oder Ni vorsehen. Auch eine Substitution des Fe durch Zr oder Ti kann vorteilhaft sein. Daneben ist auch eine partielle Ersetzung durch Al möglich. Schließlich kann B durch ein anderes Metalloid partiell sub­stituiert werden. Das erfindungsgemäße Verfahren ist jedoch nicht auf diese Materialien beschränkt. Es läßt sich ebensogut auch auf andere Typen von hartmagnetischen Materialien anwen­den, vorausgesetzt, daß sich diese ebenfalls durch mecha­nisches Legieren herstellen lassen. Ein entsprechendes Beispiel sind Materialien mit ThMn₁₂-Struktur wie etwa aus dem Stoff­system Fe-Mo-Sm (vgl. z.B. die EP-A-0 278 342).

Ansprüche

1. Verfahren zur Herstellung eines Werkstoffes mit einer hart­magnetischen Phase, bei dem ein Pulvergemisch aus den elemen­taren und/oder als Verbindung oder Legierung vorliegenden pul­verförmigen Komponenten des Werkstoffes einem Mahlprozeß nach Art des mechanischen Legierens unterzogen wird und die hart­magnetische Phase in den so entstandenen Pulverpartikeln mit­tels einer Wärmebehandlung ausgebildet wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmebehandlung zur Ausbildung der hartmagnetischen Phase während des Mahlprozesses vorgesehen wird und daß die dabei entstandenen Pulverpartikel der hartmagnetischen Phase dem Mahlprozeß weiterhin bei er­höhter Temperatur derart unterzogen werden, daß sich in ihnen ein magnetisch anisotropes Gefüge ergibt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekenn­zeichnet, daß der Mahlprozeß zur Ausbildung der hart­magnetischen Phase bei einer ersten Temperatur und zur Aus­bildung des magnetisch anisotropen Gefüges in den erzeugten hartmagnetischen Pulverpartikeln bei einer zweiten, vergleichs­weise höheren Temperatur durchgeführt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch ge­kennzeichnet, daß zur Ausbildung der hartmagne­tischen Phase der Mahlprozeß bei einer Temperatur von minde­stens 500°C, vorzugsweise mindestens 600°C durchgeführt wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Mahlprozeß zumindest zur Ausbildung des magnetisch anisotropen Gefüges in den erzeugten hartmagnetischen Pulverpartikeln bei einer Temperatur oberhalb von 650°C durchgeführt wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die erhöhten Temperaturver­hältnisse während des Mahlprozesses durch Stoßprozesse von Mahlkugeln einer entsprechenden Pulvermahlvorrichtung hervor­gerufen werden.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die erhöhten Temperatur­verhältnisse während des Mahlprozesses sowohl durch Stoßpro­zesse von Mahlkugeln einer entsprechenden Pulvermahlvorrich­tung wie auch durch eine externe Heizvorrichtung hervorgerufen werden.