WO2015051986A1 - Method for producing a permanent magnet and permanent magnet and electric machine having such a permanent magnet - Google Patents
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Definitions
- the invention relates to a method for producing a permanent magnet, in particular a method for producing a powder of the magnetic starting material for magnet production.
- the invention further relates to a method produced by the method
- Permanent magnet and an electric machine comprising at least one such permanent magnet.
- Typical manufacturing processes include the process steps of pulverizing the magnetic starting material, pressing / solidifying the powder into a green part with or without external magnetic field to form a desired shape, sintering the green part for further densification (high temperature treatment), optionally tempering (heat or
- Magnetic body and magnetization in a magnetic field Sometimes different process stages are combined with each other and the order is varied.
- the pulverization of the magnetic starting material usually comprises several stages. For example, a melt of the alloy is poured into ingots (so-called ingots), mechanically broken and subjected to one or more milling stages. It is also known to process the alloy melt with the method of strip casting to a rapidly cooled band with a polycrystalline structure, which is subsequently further broken and ground. Furthermore, the method of the Hydrogen embrittlement (English: Hydrogen Decrepitation, HD process) is known, in which the material is pressurized with hydrogen, so that it interstitially penetrates into the material and leads to the formation of microcracks in the material during its subsequent release. As a result, the subsequent grinding time can be reduced. (A different method - the so-called HDDR process (for Hydrogenation
- Disproportionation desorption recombination uses the temporary formation of metal hydrides and their subsequent desorption to the structural phases of the
- Rare earth magnet material for example Nd 2 Fei 4 B, in a single roll or
- a two-roll process is used to produce a rapidly cooled (“quenched") polycrystalline ribbon which, through the cooling process, forms an Nd-rich phase on either or both sides having a lower melting point than Nd 2 Fe-i 4 B.
- the ribbon is pulverized and sintered at low temperature This is to prevent coarsening of the crystallites contained in the polycrystalline phase and having an average particle size of 10 to 200 nm at a temperature corresponding to the melting temperature of the Nd-rich phase.
- EP 0 416 595 A2 describes a production method for rare earth magnets in which a solidified melt of the magnetic material is first broken and then ground with the supply of liquid nitrogen in a disc or impact mill, particle sizes of at most 400 ⁇ m being formed. This is followed by a hydrogenation of the material and a new grinding in a liquid hydrocarbon to obtain particle sizes of at most 40 ⁇ , typically 2.7 to 3.5 ⁇ .
- the powder thus obtained becomes the purpose its passivation is controlled oxidized, shaped, oriented in a magnetic field, pressed and sintered.
- US 5,382,303 describes a method for producing a magnet in which a magnetic material of the Sm-Co type is melted, cast and broken, and
- a fine grinding step is carried out, in which the powder is milled together with a liquid hydrocarbon in a friction or ball mill up to a maximum particle size of 40 ⁇ m, in particular from 3.8 to 4.6 ⁇ m. After removal of the hydrocarbon and passivation of the powder, it is compressed in a magnetic field and the green part thus obtained is sintered.
- particle sizes of 3 to 5 ⁇ m can be achieved with jet mills.
- agglomerates are formed, which in the following
- the use of additives during milling, for example of lubricants, may cause contamination of the magnet, which may adversely affect its mechanical and magnetic properties.
- the invention is based on the object, a method for producing a
- a powder of a magnetic material is produced and processed into a permanent magnet.
- Processing the powder produced into a permanent magnet typically involves molding, densification, solidification, and magnetization.
- the preparation of the powder of the magnetic material comprises the steps:
- the invention thus comprises a combination of cryogenic grinding (also referred to below as cryogenic grinding) and cryogenic separation (also referred to below as cryogenic separation) of the magnetic material.
- cryogenic grinding also referred to below as cryogenic grinding
- cryogenic separation also referred to below as cryogenic separation
- the magnetic material is in the form of a suspension in liquid nitrogen.
- the cryogenic grinding in liquid nitrogen avoids heating of the millbase due to the low temperature of the liquid nitrogen (77 K). As a result, agglomeration and welding of the particles is prevented and thus enables the production of particularly small particle sizes.
- the presence of liquid nitrogen thus allows an extension of the grinding time to achieve the desired extremely small particle size.
- the subsequent step of separating (classifying) also takes place in liquid nitrogen. Thus, also in this step one
- Separating is understood to mean a process in which a particulate starting material having a certain particle size distribution (Usually, according to a Gaussian distribution) a fraction is obtained, which has a smaller (narrower) particle size distribution than the starting material. In other words, a particle fraction is separated and precipitated at the upper and / or lower end of the original particle size distribution.
- the separation comprises at least one separation of a particle fraction with particle sizes above the predetermined maximum particle size so that the target fraction contains exclusively particles whose particle sizes are smaller than or equal to the maximum particle size.
- particle size refers to the so-called equivalent diameter, which takes into account the fact that the particles generally do not have an exactly spherical shape, for example, a particle which, regardless of its geometric shape, just has a square hole in a sieve with an edge length of 1 ⁇ can happen, an equivalent diameter ("particle size") of 1 ⁇ on.
- Particle sizes are separated, for example, particle sizes ⁇ 4 ⁇ .
- particle sizes ⁇ 4 ⁇ are desirable in order to obtain better magnetic properties.
- particles are separated which have a predetermined maximum particle size of ⁇ 500 nm, in particular of ⁇ 400 nm, preferably of ⁇ 350 nm and more preferably of ⁇ 300 nm. This is, for example, due to the use of sieves with corresponding mesh sizes of 500 nm, 400 nm, 350 nm and 300 nm, respectively. For example, particles separated with a sieve of 350 nm mesh become 100 mass%
- Particle size of ⁇ 350 nm Due to the small particle size of at most 500 nm, the particles have sizes in the range of magnetic domains, that is to say they are so-called single-domain particles. The limitation of particle sizes on the size
- magnetic domains leads to permanent magnets with a particularly high coercive force.
- the lower particle size of the separated particles is limited in the step of cryomilling, so that, for example, particles with a particle size in the range of> 2 to 4 ⁇ m are separated.
- Grain size distribution also leads to a high packing density and especially regular packing of the particles in the finished permanent magnet, whereby particularly high mechanical strength and high coercive field strengths are achieved.
- the representation of particle fractions with defined upper and lower particle sizes can be done in a simple manner by successive use of two (or more) sieves.
- a particle fraction whose particle size is 100% by mass in the range of> 200 nm to ⁇ 300 nm first carried out a screening with a sieve with a mesh size of 300 nm, with particles> 300 nm retained on the screen and be separated. Subsequently, the fraction passed through the first sieve with a
- retained fraction has only particle sizes in the range of> 200 nm to ⁇ 300 nm.
- the particles retained in the separation step with a particle size above the predetermined upper and / or lower particle size are returned to the preceding milling step.
- the particle sizes obtained in the step of cryomilling are freely adjustable via the process parameters, in particular by the selected milling time. It is preferably provided that at least 50% by mass, in particular at least 70% by mass and particularly preferably at least 80% by mass, of the particles obtained by the milling have a particle size of at most 500 nm, in particular of at most 400 nm, preferably of at most 350 nm and preferably at most 300 nm. This has the advantage that a large part of the material used in the separation step already has the desired maximum particle size and passes through the subsequent separation step.
- Particle sizes can be adjusted but also other grinding parameters.
- the steps of grinding and separating are linked together in such a way that the suspension of the magnetic material subjected to the grinding step is fed to the separation step.
- the suspension of ground magnetic material and liquid nitrogen obtained from the milling step is passed without further material preparation into a device used for the separation step.
- the cryogenic grinding is carried out in a ball mill.
- the balls of the mill provide a high surface through which efficient heat removal occurs, thereby further suppressing the agglomeration of the particles.
- other grinding devices in which suspensions can be processed are also usable within the scope of the invention.
- the separation preferably takes place in a vibrating screen device.
- Schwingsiebvorraumen comprise at least one horizontally arranged sieve, which is set on a swing axis in vibration. Vibrating screen devices are particularly well suited for the processing of suspensions.
- the separation comprises the use of several serially connected screening stages with screens which have smaller mesh sizes.
- particles with comparatively large particle sizes are removed in the upstream screening stages, and smaller particle diameters are sorted out by the downstream screening stages.
- the invention further relates to a produced by the method according to the invention
- Permanent magnets This is characterized by the structure of particles of the magnetic material having a particle size of at most 500 nm, in particular of at most 400 nm, preferably of at most 300 nm, and a defined particle size distribution.
- the permanent magnet according to the invention therefore has a high packing density, high mechanical stability and high coercive force.
- the present invention relates to an electrical machine comprising at least one permanent magnet according to the invention, in particular a plurality of such.
- the electric machine is designed as an electric motor, in which the permanent magnets are typically part of the rotor, for example, embedded in a laminated core of the rotor or are mounted on the surface thereof. Further preferred embodiments of the invention will become apparent from the remaining, mentioned in the dependent claims characteristics.
- Figure 1 Process for preparing a powder of a magnetic material according to a first embodiment of the invention
- FIG. 2 illustrates the HD process
- FIG. 3 process step of cryogenic milling in a ball mill
- FIG. 4 shows a process step of cryogenic separation in a vibrating screen device
- Figure 6 further process flow for the production of a permanent magnet.
- FIG. 1 shows a flow chart for visualizing a method sequence for producing a powder of a magnetic material according to a first embodiment of the invention.
- Starting material of the process is a magnetic material (hereinafter also
- Called magnetic material having at least one element of rare earths (also called rare earths) and at least one element of the iron group (Fe, Co, Ni).
- it is a rare earth alloy of the type SE-TM-A or SE-TM type, wherein SE is a rare earth element, TM is an iron group transition metal (Fe, Co, Ni) and A is an element of III.
- B boron
- an Nd-Fe-B alloy or an Sm-Co alloy is used.
- step S1 of FIG. 1 first, a melt of the magnetic material is processed into a thin strip by a tape casting method.
- the melt is poured onto a rotating cooled roller, the melt solidifies abruptly.
- the obtained thin tape of the magnetic material has a polycrystalline nano-structure. This is shown on the left side of FIG. 2 using the example of the rare earth alloy Nd 2 Fei 4 B. It is It can be seen that the crystals of this alloy are enclosed by a neodymium-rich alloy phase, which is formed by the quenching of the alloy.
- step S2 of the process with the known method of hydrogen embrittlement the material obtained by the strip casting is treated.
- the polycrystalline magnetic material is exposed to a hydrogen atmosphere under high pressure, wherein the hydrogen is absorbed by the alloy material.
- an alloy of the Nd-Fe-B type absorbs about 2.5% hydrogen.
- the pressure under which the material is suddenly released whereby the hydrogen escapes.
- Microcracks develop which embrittle the material.
- the cryogenic grinding of the brittle magnet material according to the invention takes place in step S3 of the method.
- the process of cryogenic milling is shown in a ball mill in FIG.
- the ball mill 10 has a double-walled container 1 1, in the interior of which a stirrer 12 is rotatably arranged. Inside the vessel 1 1 are also balls 13 made of a hard metal, such as stainless steel or Zr 2 o-
- the embrittled magnetic material from step S2 which has a first average particle size is in the form of a suspension 20 in liquid nitrogen in the Vessel 1 1 of the ball mill 10 given.
- the liquid nitrogen has a temperature of about 77 K.
- the liquid nitrogen wets the powder particles 21 of the magnetic material during milling and dissipates the resulting heat. This prevents agglomeration of the particles. Furthermore, the liquid nitrogen protects the powder surface Impurities and prevents in-contact of the pyrophoric magnetic material with atmospheric oxygen.
- the grinding process is preferably carried out until at least 90% by mass of the powder material has a particle size of at most 500 nm, preferably of at most 300 nm.
- the milling process parameters are chosen so that the desired particle size is obtained. They depend on the system used and the size of the system. For example, a speed of the stirrer is set from 150 to 1000 rpm and a grinding time of 1 to 12 hours.
- step S4 the cryogenic separation (classification) takes place in step S4 following the cryogenic grinding. This process is shown in FIG.
- the separation device 30 shown here has a double-walled housing 31, which is charged with the suspension 20 obtained from the cryogenic grinding, consisting of the powder of the magnetic material and liquid nitrogen.
- the housing 31 a plurality of vibrating screens 33 are arranged horizontally one above the other. It takes the
- the sieves 33 are mechanically connected to a vertical swing axle 32.
- the oscillating axis 32 is offset by a drive, not shown, in a vertical vibration, which is thus transmitted to the vibrating screens 33.
- screens may be used which have sintered metallic wire nets.
- MEMS sieves for micro-electro-mechanical structure, which are produced by wet or dry etching processes.
- the powder of the magnetic material fed in the form of the suspension 20 first reaches the uppermost, coarsest sieve on which particles above the corresponding one
- Mesh size of the screen for example above 500 nm, are retained.
- Particles with particle sizes ⁇ 500 nm reach the next below sieve arranged, which has a slightly smaller mesh size than the top sieve, for example of 400 nm. On the second sieve thus particles in the range of> 400 nm to ⁇ 500 nm are retained. This process continues to the bottom sieve, which defines the desired maximum particle size, for example of 300 nm.
- Particle sizes preferably ⁇ 300 nm contains, drained and collected.
- the fractions retained on the screens 33 become the above process step S3 of FIG returned cryogenic milling.
- a cooling stage can be interposed.
- step S4 the generated frictional heat is dissipated by the liquid nitrogen, thereby preventing agglomeration of the magnetic particles. Furthermore, the use in the form of the suspension in liquid N 2 allows the particle fractions retained on the sieves 33 to be returned to the step of cryogenic grinding without media breakage.
- FIG. 5 shows a flow chart of a method sequence for producing the magnetic powder according to a second embodiment of the invention.
- the method differs from the method shown in Figure 1 only in the first two steps, while the inventive steps S3 and S4 are the same and will not be explained again.
- the alloy melt is first poured into small-sized castings and solidified. These are then broken mechanically under protective gas, with particles having an average particle size of, for example, 500 ⁇ m.
- a further mechanical pulverization of the material takes place by conventional grinding in a protective gas atmosphere, for example in gaseous nitrogen or argon.
- FIG. 6 shows by way of example a further process sequence in which the powder obtained in step S4 (from FIG. 1 or 5) is further processed into a permanent magnet.
- step S5 compacting and shaping of the powder of the magnetic material takes place, for example, by pressing.
- the pressing may be anisostatic in a mechanical pressing tool, with mechanical pressure being applied to the compact from one or two opposite spatial directions.
- the pressing may be carried out isostatically by subjecting the powder to a high pressure of an inert gas atmosphere. In both cases, the pressing can be done in an external magnetic field, so that a magnetically anisotropic compact arises.
- Result of the Compaction step S5 is a (magnetically isotropic or anisotropic) compact, which is also referred to as a green part.
- step S6 a sintering of the green part takes place.
- the green part is solidified at a temperature which is lower or the melting temperature of the magnetic material.
- the type NdFeB for example Nd 2 Fei 4 B,
- an optional tempering process follows, in which the magnet is subjected to a further thermal treatment (low-temperature treatment).
- the aim of annealing is the reduction of residual stresses in the crystal structure.
- a shaping treatment and / or surface treatment of the magnet takes place in order to give it a desired shape and dimension.
- cutting techniques are used, such as grinding,
- the final shape of the magnet is already determined in the compression step S5, for example, a corresponding pressing tool, so that dispenses with a machining or this can be at least reduced.
- the magnet may be coated with a surface coating, such as a
- Epoxy resin or a metallic coating be provided.
- step S9 the magnet is magnetized in an external magnetic field in which the magnetic dipoles are magnetized, that is to say aligned.
- the permanent magnet produced by the method according to the invention is characterized by small particle sizes on the order of magnetic domains, that is, it consists of so-called single-domain particles. He also has a uniform
- the magnet is characterized by a high coercive force and high temperature stability. Its good magnetic properties are not impaired by increased levels of rare earths, for example in the form of Dy or Tb, which are introduced by conventional processing steps (eg GBDP for grain boundary diffusion process).
- processing steps eg GBDP for grain boundary diffusion process.
- the sensitive steps of the powder preparation are carried out in liquid nitrogen, other impurities in the form of carbon or oxygen are reduced. Disturbing effects, such as recrystallization, thermal stress and
- the method is also characterized by a high level of safety, since the liquid nitrogen insulates the tendency of the magnet powder to ignite spontaneously.
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Abstract
Description
Beschreibung description
Verfahren zur Herstellung eines Permanentmagneten sowie Permanentmagnet und elektrische Process for producing a permanent magnet and permanent magnet and electric
Maschine mit einem solchen Machine with such a
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 The invention relates to a method for producing a permanent magnet, in particular a method for producing a powder of the magnetic starting material for magnet production. The invention further relates to a method produced by the method
Permanentmagneten sowie eine elektrische Maschine, umfassend zumindest einen solchen Permanentmagneten. Permanent magnet and an electric machine, comprising at least one such permanent magnet.
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. Demand for high-performance permanent magnets, which are used, for example, in electric machines, is constantly increasing. In particular, permanent magnets are used in electric motors for the traction of motor vehicles, which are gaining in interest in the wake of increasing electric mobility. As magnetic or magnetizable alloys with high coercive forces, rare earth alloys of the type SE-TM-B or SE-TM are predominantly used, SE being a rare-earth element, TM being an iron-group transition metal (Fe, Co, Ni) and B is boron ,
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 Typical manufacturing processes include the process steps of pulverizing the magnetic starting material, pressing / solidifying the powder into a green part with or without external magnetic field to form a desired shape, sintering the green part for further densification (high temperature treatment), optionally tempering (heat or
Niedertemperaturbehandlung) zum Spannungsabbau und zur Gefügestabilisierung im Low temperature treatment) for stress relief and microstructure stabilization in the
Magnetkörper sowie Magnetisierung in einem Magnetfeld. Teilweise werden verschiedene Prozessstufen auch miteinander kombiniert sowie die Reihenfolge variiert. Magnetic body and magnetization in a magnetic field. Sometimes different process stages are combined with each other and the order is varied.
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 The pulverization of the magnetic starting material usually comprises several stages. For example, a melt of the alloy is poured into ingots (so-called ingots), mechanically broken and subjected to one or more milling stages. It is also known to process the alloy melt with the method of strip casting to a rapidly cooled band with a polycrystalline structure, which is subsequently further broken and ground. Furthermore, the method of the Hydrogen embrittlement (English: Hydrogen Decrepitation, HD process) is known, in which the material is pressurized with hydrogen, so that it interstitially penetrates into the material and leads to the formation of microcracks in the material during its subsequent release. As a result, the subsequent grinding time can be reduced. (A different method - the so-called HDDR process (for Hydrogenation
Disproportionation Desorption Recombination) - nutzt hingegen die temporäre Bildung von Metall-Hydriden und deren nachfolgende Desorption, um die Gefügephasen des Disproportionation desorption recombination) - uses the temporary formation of metal hydrides and their subsequent desorption to the structural phases of the
Magnetmaterials und die magnetischen Eigenschaften zu verbessern. Magnetic material and improve the magnetic properties.
Es ist ferner bekannt, dem Seltenerdmagnetmatenal 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 It is also known to add a lubricant to the rare earth magnet material during the grinding process in order to achieve a stronger orientation of the magnetic domains in the subsequent magnetization step. Thus, EP 1 760 734 A1, a
Seltenerdmagnetmatenal 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 μηη offenbart. To grind rare earth magnetomalace in the presence of a lubricant whose particle size is larger than that of the magnetic material. To produce the desired lubricant particle size (e.g., stearate), it is solidified by liquid nitrogen and ground in the frozen state. Particle sizes of the obtained magnetic powder of 2.5 to 10 μm are disclosed.
Aus DE 1 1 2010 004 576 T5 ist ein Verfahren zur Herstellung eines gesinterten From DE 1 1 2010 004 576 T5 is a method for producing a sintered
Seltenerdmagneten bekannt, bei dem zunächst aus einer Schmelze des Seltenerdmagneten known in the first of a melt of the
Seltenerdmagnetmaterials, beispielsweise Nd2Fei4B, in einem Einwalzen- oder Rare earth magnet material, for example Nd 2 Fei 4 B, in a single roll or
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 Nd2Fe-i4B 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. A two-roll process is used to produce a rapidly cooled ("quenched") polycrystalline ribbon which, through the cooling process, forms an Nd-rich phase on either or both sides having a lower melting point than Nd 2 Fe-i 4 B. The ribbon is pulverized and sintered at low temperature This is to prevent coarsening of the crystallites contained in the polycrystalline phase and having an average particle size of 10 to 200 nm at a temperature corresponding to the melting temperature of the Nd-rich phase.
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 μηη entstehen. Anschließend erfolgt eine Hydrogenierung des Materials und ein erneutes Mahlen in einem flüssigen Kohlenwasserstoff unter Erhalt von Teilchengrößen von höchstens 40 μηη, typischerweise 2,7 bis 3,5 μηη. Das so erhaltene Pulver wird zum Zwecke seiner Passivierung kontrolliert oxidiert, geformt, in einem Magnetfeld orientiert, gepresst und gesintert. EP 0 416 595 A2 describes a production method for rare earth magnets in which a solidified melt of the magnetic material is first broken and then ground with the supply of liquid nitrogen in a disc or impact mill, particle sizes of at most 400 μm being formed. This is followed by a hydrogenation of the material and a new grinding in a liquid hydrocarbon to obtain particle sizes of at most 40 μηη, typically 2.7 to 3.5 μηη. The powder thus obtained becomes the purpose its passivation is controlled oxidized, shaped, oriented in a magnetic field, pressed and sintered.
Aus US 5,609,695 ist bekannt, eine magnetische Legierung mittels des oben genannten HD- Verfahrens zu Partikelgrößen von höchstens 150 μηη zu pulverisieren und anschließend das Material in einer Stickstoffgasatmosphäre zu nitrogenisieren, beispielsweise um Sm2Fei7 in Sm2Fei7Nx zu überführen. Anschließend wird das nitrogenierte Material in flüssigem Stickstoff in einer Kugelmühle gemahlen, wobei Partikelgrößen von 1 bis 2 μηη erhalten werden. Es wird festgestellt, dass bei der niedrigen Temperatur flüssigen Stickstoffs die erforderliche Mahlzeit aufgrund der Materialversprödung reduziert werden kann. From US Pat. No. 5,609,695 it is known to pulverize a magnetic alloy by means of the abovementioned HD process to particle sizes of at most 150 μm and then to nitrogenize the material in a nitrogen gas atmosphere, for example to convert Sm 2 Fe 7 into Sm 2 Fe 7 N x . Subsequently, the nitrogenated material is ground in liquid nitrogen in a ball mill, wherein particle sizes of 1 to 2 μηη are obtained. It is noted that at the low temperature of liquid nitrogen, the required meal can be reduced due to material embrittlement.
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 Also, US 5,382,303 describes a method for producing a magnet in which a magnetic material of the Sm-Co type is melted, cast and broken, and
anschließend in flüssigem Stickstoff einem Grobmahlprozess unter Erhalt von Partikelgrößen von höchstens 600 μηη 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 μηη, insbesondere von 3,8 bis 4,6 μηη weiter gemahlen wird. Nach Entfernung des Kohlenwasserstoffs und Passivierung des Pulvers wird dieses in einem Magnetfeld verpresst und das so erhaltenen Grünteil gesintert. then subjected to a Grobmahlprozess in liquid nitrogen to obtain particle sizes of at most 600 μηη. Finally, a fine grinding step is carried out, in which the powder is milled together with a liquid hydrocarbon in a friction or ball mill up to a maximum particle size of 40 μm, in particular from 3.8 to 4.6 μm. After removal of the hydrocarbon and passivation of the powder, it is compressed in a magnetic field and the green part thus obtained is sintered.
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 μηη erzielt. In the pulverization of the starting material as small as possible particle sizes in the finished magnet are basically desirable, ideally in the dimension of magnetic domain, so that the compact magnet is ideally composed of Eindomänenteilenteilchen, whereby particularly high magnetic field strengths are achieved. With the current grinding techniques under inert gas (ball mill, jet mill) particle sizes of 2 to 5 μηη are achieved.
Beispielsweise lassen sich mit Strahlmühlen (jet mills) Partikelgrößen von 3 bis 5 μηη erzielen. Durch Verlängerung der Mahldauer entstehen Agglomerate, die bei der nachfolgenden For example, particle sizes of 3 to 5 μm can be achieved with jet mills. By extending the grinding time agglomerates are formed, which in the following
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. Magnetic manufacture cold weld together and lead to unwanted grain growth. On the other hand, the use of additives during milling, for example of lubricants, may cause contamination of the magnet, which may adversely affect its mechanical and magnetic properties.
Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Herstellung eines The invention is based on the object, a method for producing a
Permanentmagneten bereitzustellen, bei dem ein Magnet mit verbesserten magnetischen Eigenschaften, insbesondere höherer Koerzitivfeldstärke, sowie einer erhöhten mechanischen Festigkeit erhalten wird. Diese Aufgabe wird durch ein Herstellungsverfahren, einen Permanentmagneten sowie eine elektrische Maschine mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche gelöst. To provide permanent magnet, wherein a magnet having improved magnetic properties, in particular higher coercive force, and an increased mechanical strength is obtained. This object is achieved by a manufacturing method, a permanent magnet and an electric machine having the features of the independent claims.
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: In the method according to the invention for producing a permanent magnet, a powder of a magnetic material is produced and processed into a permanent magnet. Processing the powder produced into a permanent magnet typically involves molding, densification, solidification, and magnetization. According to the invention, the preparation of the powder of the magnetic material comprises the steps:
- 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 Grinding a suspension of particles of the magnetic material of a first mean particle size in liquid nitrogen to obtain particles of the magnetic material of a second average particle size smaller than the first mean particle size, and
- Separieren einer Suspension des gemahlenen magnetischen Materials in flüssigem Stickstoff, wobei Partikel mit einer Teilchengröße unterhalb einer vorbestimmten oberen Teilchengröße separiert werden. - Separating a suspension of the ground magnetic material in liquid nitrogen, wherein particles are separated with a particle size below a predetermined upper particle size.
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 The invention thus comprises a combination of cryogenic grinding (also referred to below as cryogenic grinding) and cryogenic separation (also referred to below as cryogenic separation) of the magnetic material. In both steps, the magnetic material is in the form of a suspension in liquid nitrogen. The cryogenic grinding in liquid nitrogen avoids heating of the millbase due to the low temperature of the liquid nitrogen (77 K). As a result, agglomeration and welding of the particles is prevented and thus enables the production of particularly small particle sizes. The presence of liquid nitrogen thus allows an extension of the grinding time to achieve the desired extremely small particle size. The subsequent step of separating (classifying) also takes place in liquid nitrogen. Thus, also in this step one
Agglomeration der Partikel entgegengewirkt. Ferner ermöglicht das Separieren den Erhalt einer geringeren Korngrößenverteilung, wobei Partikel mit Teilchengrößen oberhalb der Agglomeration of the particles counteracted. Furthermore, the separation allows obtaining a smaller particle size distribution, wherein particles with particle sizes above the
vorbestimmten oberen Teilchengröße ausgeschlossen und entfernt werden. Durch die geringe Korngrößenverteilung wird eine dichtere und gleichmäßigere Kugelpackung im fertigen predetermined upper particle size excluded and removed. Due to the small particle size distribution, a denser and more uniform spherical packing is produced
Magneten erzielt. Hierdurch wird eine höhere mechanische Festigkeit sowie eine höhere Koerzitivfeldstärke des Magneten erlangt. Achieved magnets. As a result, a higher mechanical strength and a higher coercive force of the magnet is obtained.
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 μηη passieren kann, einen Äquivalentdurchmesser („Teilchengröße") von 1 μηη auf. Separating (also referred to as classifying) is understood to mean a process in which a particulate starting material having a certain particle size distribution (Usually, according to a Gaussian distribution) a fraction is obtained, which has a smaller (narrower) particle size distribution than the starting material. In other words, a particle fraction is separated and precipitated at the upper and / or lower end of the original particle size distribution. In the context of the present invention, the separation comprises at least one separation of a particle fraction with particle sizes above the predetermined maximum particle size so that the target fraction contains exclusively particles whose particle sizes are smaller than or equal to the maximum particle size. In this case, the term "particle size" refers to the so-called equivalent diameter, which takes into account the fact that the particles generally do not have an exactly spherical shape, for example, a particle which, regardless of its geometric shape, just has a square hole in a sieve with an edge length of 1 μηη can happen, an equivalent diameter ("particle size") of 1 μηη on.
Grundsätzlich können im Schritt des Kryo-Separierens beliebige untere oder obere In principle, in the step of cryogenic separation, any lower or upper
Teilchengrößen separiert werden, beispielsweise Teilchengrößen < 4 μηη. Für die Herstellung von Permanentmagneten sind jedoch kleinere Teilchengrößen, insbesondere im Nanometer- Bereich wünschenswert, um bessere magnetische Eigenschaften zu erhalten. In einer Particle sizes are separated, for example, particle sizes <4 μηη. For the production of permanent magnets, however, smaller particle sizes, especially in the nanometer range, are desirable in order to obtain better magnetic properties. In a
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 According to an embodiment of the invention, in the step of cryo-separation, particles are separated which have a predetermined maximum particle size of <500 nm, in particular of <400 nm, preferably of <350 nm and more preferably of <300 nm. This is, for example, due to the use of sieves with corresponding mesh sizes of 500 nm, 400 nm, 350 nm and 300 nm, respectively. For example, particles separated with a sieve of 350 nm mesh become 100 mass%
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 Particle size of <350 nm. Due to the small particle size of at most 500 nm, the particles have sizes in the range of magnetic domains, that is to say they are so-called single-domain particles. The limitation of particle sizes on the size
magnetischer Domänen führt zu Permanentmagneten mit besonders hoher Koerzitivfeldstärke. magnetic domains leads to permanent magnets with a particularly high coercive force.
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 μηη 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 According to a further embodiment of the invention, in addition to the upper particle size, the lower particle size of the separated particles is limited in the step of cryomilling, so that, for example, particles with a particle size in the range of> 2 to 4 μm are separated. In a preferred embodiment for permanent magnets, particles having a particle size in the range of> 100 nm to <500 nm, in particular in the range of> 100 nm to <400 nm, preferably in the range of> 150 nm to <350 nm, and in the separation step particularly preferably separated in the range of> 200 nm to <300 nm. The low
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 Grain size distribution also leads to a high packing density and especially regular packing of the particles in the finished permanent magnet, whereby particularly high mechanical strength and high coercive field strengths are achieved. The representation of particle fractions with defined upper and lower particle sizes can be done in a simple manner by successive use of two (or more) sieves. Around
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 For example, to separate a particle fraction whose particle size is 100% by mass in the range of> 200 nm to <300 nm, first carried out a screening with a sieve with a mesh size of 300 nm, with particles> 300 nm retained on the screen and be separated. Subsequently, the fraction passed through the first sieve with a
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 Particle size of <300 nm through a second sieve with a mesh size of 200 nm sieved, with particles <200 nm pass through the second sieve. The one from this sieve
zurückgehaltene Fraktion weist ausschließlich Teilchengrößen im Bereich von > 200 nm bis < 300 nm auf. retained fraction has only particle sizes in the range of> 200 nm to <300 nm.
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 According to a preferred embodiment of the invention, the particles retained in the separation step with a particle size above the predetermined upper and / or lower particle size are returned to the preceding milling step. As a result, the valuable magnetic material is virtually lossless processed and a high
Materialausbeute sichergestellt. Material yield ensured.
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 The particle sizes obtained in the step of cryomilling are freely adjustable via the process parameters, in particular by the selected milling time. It is preferably provided that at least 50% by mass, in particular at least 70% by mass and particularly preferably at least 80% by mass, of the particles obtained by the milling have a particle size of at most 500 nm, in particular of at most 400 nm, preferably of at most 350 nm and preferably at most 300 nm. This has the advantage that a large part of the material used in the separation step already has the desired maximum particle size and passes through the subsequent separation step. The desired
Teilchengrößen lassen sich aber auch andere Mahlparameter einstellen. Particle sizes can be adjusted but also other grinding parameters.
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. In a particularly preferred embodiment of the invention, it is provided that the steps of grinding and separating are linked together in such a way that the suspension of the magnetic material subjected to the grinding step is fed to the separation step. In other words, the suspension of ground magnetic material and liquid nitrogen obtained from the milling step is passed without further material preparation into a device used for the separation step. By giving up one Changing or removing the liquid medium (liquid nitrogen) shortens the process time and reduces material and energy costs.
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. Preferably, the cryogenic grinding is carried out in a ball mill. The balls of the mill provide a high surface through which efficient heat removal occurs, thereby further suppressing the agglomeration of the particles. However, other grinding devices in which suspensions can be processed are also usable within the scope of the invention.
Das Separieren erfolgt vorzugsweise in einer Schwingsiebvorrichtung. The separation preferably takes place in a vibrating screen device.
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. Schwingsiebvorrichtungen comprise at least one horizontally arranged sieve, which is set on a swing axis in vibration. Vibrating screen devices are particularly well suited for the processing of suspensions.
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 Preferably, the separation comprises the use of several serially connected screening stages with screens which have smaller mesh sizes. In this way, particles with comparatively large particle sizes are removed in the upstream screening stages, and smaller particle diameters are sorted out by the downstream screening stages. The use of several screening stages of different mesh size, especially in
kontinuierlicher Verfahrensführung, ermöglicht eine Verkürzung der Siebdauern. Die continuous process, allows a shortening of the sieving time. The
Hintereinanderschaltung mehrerer Siebstufen lässt sich besonders einfach in einer Connecting several screening stages in series is particularly easy in one
Schwingsiebvorrichtung realisieren. Realize vibrating screen device.
Die Erfindung betrifft ferner einen, mit dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten The invention further relates to a produced by the method according to the invention
Permanentmagneten. Dieser zeichnet sich durch den Aufbau aus Partikeln des magnetischen Materials mit einer Teilchengröße von höchstens 500 nm, insbesondere von höchstens 400 nm, vorzugsweise von höchstens 300 nm, sowie einer definierten Korngrößenverteilung aus. Der erfindungsgemäße Permanentmagnet weist daher eine hohe Packungsdichte, eine hohe mechanische Stabilität und hohe Koerzitivfeldstärke auf. Permanent magnets. This is characterized by the structure of particles of the magnetic material having a particle size of at most 500 nm, in particular of at most 400 nm, preferably of at most 300 nm, and a defined particle size distribution. The permanent magnet according to the invention therefore has a high packing density, high mechanical stability and high coercive force.
Schließlich betrifft die vorliegende Erfindung eine elektrische Maschine, umfassend zumindest einen erfindungsgemäßen Permanentmagneten, insbesondere eine Mehrzahl von solchen. In besonderer Ausführung ist die elektrische Maschine als Elektromotor ausgebildet, bei dem die Permanentmagnete typischerweise Teil des Rotors sind, beispielsweise in ein Blechpaket des Rotors eingebettet sind oder auf dessen Oberfläche befestigt sind. Weitere bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den übrigen, in den Unteransprüchen genannten Merkmalen. Finally, the present invention relates to an electrical machine comprising at least one permanent magnet according to the invention, in particular a plurality of such. In a particular embodiment, the electric machine is designed as an electric motor, in which the permanent magnets are typically part of the rotor, for example, embedded in a laminated core of the rotor or are mounted on the surface thereof. Further preferred embodiments of the invention will become apparent from the remaining, mentioned in the dependent claims characteristics.
Die Erfindung wird nachfolgend in Ausführungsbeispielen anhand der zugehörigen The invention is described below in embodiments with reference to the associated
Zeichnungen erläutert. Es zeigen: Drawings explained. Show it:
Figur 1 Verfahrensablauf zur Herstellung eines Pulvers eines magnetischen Materials nach einer ersten Ausgestaltung der Erfindung; Figure 1 Process for preparing a powder of a magnetic material according to a first embodiment of the invention;
Figur 2 Veranschaulichung des HD-Prozesses; Figure 2 illustrates the HD process;
Figur 3 Prozessschritt des kryogenen Mahlens in einer Kugelmühle; FIG. 3 process step of cryogenic milling in a ball mill;
Figur 4 Prozessschritt des kryogenen Separierens in einer Schwingsiebvorrichtung; FIG. 4 shows a process step of cryogenic separation in a vibrating screen device;
Figur 5 Verfahrensablauf zur Herstellung eines Pulvers eines magnetischen Materials nach einer zweiten Ausgestaltung der Erfindung und Figure 5 Process for preparing a powder of a magnetic material according to a second embodiment of the invention and
Figur 6 weiterer Verfahrensablauf zur Herstellung eines Permanentmagneten. Figure 6 further process flow for the production of a permanent magnet.
Figur 1 zeigt ein Fließdiagramm zur Visualisierung eines Verfahrensablaufs zur Herstellung eines Pulvers eines magnetischen Materials gemäß einer ersten Ausgestaltung der Erfindung. FIG. 1 shows a flow chart for visualizing a method sequence for producing a powder of a magnetic material according to a first embodiment of the invention.
Ausgangsmaterial des Verfahrens ist ein magnetisches Material (nachfolgend auch Starting material of the process is a magnetic material (hereinafter also
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. Called magnetic material) having at least one element of rare earths (also called rare earths) and at least one element of the iron group (Fe, Co, Ni). In particular, it is a rare earth alloy of the type SE-TM-A or SE-TM type, wherein SE is a rare earth element, TM is an iron group transition metal (Fe, Co, Ni) and A is an element of III. Main group of the Periodic Table of the Elements, in particular boron (B). For example, an Nd-Fe-B alloy or an Sm-Co alloy is used.
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 Nd2Fei4B dargestellt. Es ist erkennbar, dass die Kristalle dieser Legierung von einer Neodym-reichen Legierungsphase eingeschlossen werden, welche sich durch das Abschrecken der Legierung ausbildet. In step S1 of FIG. 1, first, a melt of the magnetic material is processed into a thin strip by a tape casting method. In this case, the melt is poured onto a rotating cooled roller, the melt solidifies abruptly. The obtained thin tape of the magnetic material has a polycrystalline nano-structure. This is shown on the left side of FIG. 2 using the example of the rare earth alloy Nd 2 Fei 4 B. It is It can be seen that the crystals of this alloy are enclosed by a neodymium-rich alloy phase, which is formed by the quenching of the alloy.
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 Nd2Fe14B-Kristalle umgibt, In order to further increase the brittleness of the starting material, in step S2 of the process with the known method of hydrogen embrittlement (HD process for hydrogen decrepitation), the material obtained by the strip casting is treated. For this purpose, the polycrystalline magnetic material is exposed to a hydrogen atmosphere under high pressure, wherein the hydrogen is absorbed by the alloy material. For example, an alloy of the Nd-Fe-B type absorbs about 2.5% hydrogen. Subsequently, the pressure under which the material is suddenly released, whereby the hydrogen escapes. This process is illustrated on the right side of FIG. In particular, it can be seen that in the neodymium-rich phase surrounding the Nd 2 Fe 14 B crystals,
Mikrorisse entstehen, welche das Material verspröden. Es entstehen mittlere Teilchengrößen von beispielsweise 5 bis 10 μηη. Microcracks develop which embrittle the material. There are average particle sizes of, for example, 5 to 10 μηη.
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 1 1 auf, in dessen Inneren ein Rührer 12 drehbar angeordnet ist. Im Inneren des Gefäßes 1 1 befinden sich ferner Kugeln 13 aus einem Hartmetall, beispielsweise aus Edelstahl oder Zr2o- 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 1 1 der Kugelmühle 10 gegeben. Der flüssige Stickstoff weist eine Temperatur von ca. 77 K auf. Subsequent to the HD process, the cryogenic grinding of the brittle magnet material according to the invention takes place in step S3 of the method. The process of cryogenic milling is shown in a ball mill in FIG. The ball mill 10 has a double-walled container 1 1, in the interior of which a stirrer 12 is rotatably arranged. Inside the vessel 1 1 are also balls 13 made of a hard metal, such as stainless steel or Zr 2 o- The embrittled magnetic material from step S2, which has a first average particle size is in the form of a suspension 20 in liquid nitrogen in the Vessel 1 1 of the ball mill 10 given. The liquid nitrogen has a temperature of about 77 K.
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. By the rotation of the stirrer 12 of the ball mill, the balls 13 are set in motion. The right side of Figure 3 shows an enlarged view of two balls 13, between which particles 21 of the magnetic starting material are crushed by the forces prevailing between two balls 13 forces. This results in particles of the magnetic material having a second average particle size, which is smaller than the first average particle size of the material fed to the ball mill.
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. The liquid nitrogen wets the powder particles 21 of the magnetic material during milling and dissipates the resulting heat. This prevents agglomeration of the particles. Furthermore, the liquid nitrogen protects the powder surface Impurities and prevents in-contact of the pyrophoric magnetic material with atmospheric oxygen.
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. The grinding process is preferably carried out until at least 90% by mass of the powder material has a particle size of at most 500 nm, preferably of at most 300 nm. The milling process parameters are chosen so that the desired particle size is obtained. They depend on the system used and the size of the system. For example, a speed of the stirrer is set from 150 to 1000 rpm and a grinding time of 1 to 12 hours.
Gemäß Figur 1 erfolgt in Schritt S4 im Anschluss an das kryogene Mahlen das kryogene Separieren (Klassieren). Dieser Vorgang ist in Figur 4 dargestellt. According to FIG. 1, the cryogenic separation (classification) takes place in step S4 following the cryogenic grinding. This process is shown in FIG.
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 The separation device 30 shown here has a double-walled housing 31, which is charged with the suspension 20 obtained from the cryogenic grinding, consisting of the powder of the magnetic material and liquid nitrogen. In the housing 31 a plurality of vibrating screens 33 are arranged horizontally one above the other. It takes the
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-mechanical- structure) geeignet, die durch nasse oder trockene Ätzverfahren hergestellt werden. Mesh size of the sieves 33 from top to bottom. The sieves 33 are mechanically connected to a vertical swing axle 32. The oscillating axis 32 is offset by a drive, not shown, in a vertical vibration, which is thus transmitted to the vibrating screens 33. For example, screens may be used which have sintered metallic wire nets. Also suitable are so-called MEMS sieves (for micro-electro-mechanical structure), which are produced by wet or dry etching processes.
Das in Form der Suspension 20 zugeführte Pulver des magnetischen Materials gelangt zunächst auf das oberste, gröbste Sieb, auf dem Partikel oberhalb der entsprechenden The powder of the magnetic material fed in the form of the suspension 20 first reaches the uppermost, coarsest sieve on which particles above the corresponding one
Maschenweite des Siebs, beispielsweise oberhalb von 500 nm, zurückgehalten werden. Mesh size of the screen, for example above 500 nm, are retained.
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. Particles with particle sizes <500 nm reach the next below sieve arranged, which has a slightly smaller mesh size than the top sieve, for example of 400 nm. On the second sieve thus particles in the range of> 400 nm to <500 nm are retained. This process continues to the bottom sieve, which defines the desired maximum particle size, for example of 300 nm.
Über ein Ventil 34 wird somit die gefilterte und separierte Suspension 20, die nur noch Via a valve 34 is thus the filtered and separated suspension 20, which only
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. Particle sizes preferably <300 nm contains, drained and collected. The fractions retained on the screens 33 become the above process step S3 of FIG returned cryogenic milling. Optionally, a cooling stage can be interposed.
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 N2, dass die auf den Sieben 33 zurückgehaltenen Partikelfraktionen ohne Medienbruch dem Schritt des kryogenen Mahlens zurückgeführt werden können. During the separation in step S4, the generated frictional heat is dissipated by the liquid nitrogen, thereby preventing agglomeration of the magnetic particles. Furthermore, the use in the form of the suspension in liquid N 2 allows the particle fractions retained on the sieves 33 to be returned to the step of cryogenic grinding without media breakage.
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. FIG. 5 shows a flow chart of a method sequence for producing the magnetic powder according to a second embodiment of the invention. The method differs from the method shown in Figure 1 only in the first two steps, while the inventive steps S3 and S4 are the same and will not be explained again.
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 μηη entstehen. According to FIG. 5, in the first step S1 'the alloy melt is first poured into small-sized castings and solidified. These are then broken mechanically under protective gas, with particles having an average particle size of, for example, 500 μm.
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 μηη erhalten. Diese werden in den bereits erläuterten Schritten S3 und S4 weiter pulverisiert, um Teilchengrößen von vorzugsweise höchstens 300 nm zu erhalten. In the subsequent step S2 ', a further mechanical pulverization of the material takes place by conventional grinding in a protective gas atmosphere, for example in gaseous nitrogen or argon. The coarse grinding step S2 'can take place, for example, in a jet mill or in a ball mill. Particle sizes of, for example, 3 to 5 μm are obtained. These are further pulverized in the already explained steps S3 and S4 in order to obtain particle sizes of preferably at most 300 nm.
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. FIG. 6 shows by way of example a further process sequence in which the powder obtained in step S4 (from FIG. 1 or 5) is further processed into a permanent magnet.
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. In step S5, compacting and shaping of the powder of the magnetic material takes place, for example, by pressing. The pressing may be anisostatic in a mechanical pressing tool, with mechanical pressure being applied to the compact from one or two opposite spatial directions. Alternatively, the pressing may be carried out isostatically by subjecting the powder to a high pressure of an inert gas atmosphere. In both cases, the pressing can be done in an external magnetic field, so that a magnetically anisotropic compact arises. Result of the Compaction step S5 is a (magnetically isotropic or anisotropic) compact, which is also referred to as a green part.
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 Nd2Fei4B, In the following step S6, a sintering of the green part takes place. In this case, the green part is solidified at a temperature which is lower or the melting temperature of the magnetic material. For example, for alloys of the type NdFeB, for example Nd 2 Fei 4 B,
Temperaturen im Bereich von 1000 bis 1 150 °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. Temperatures in the range of 1000 to 1 150 ° C applied. Through the process of sintering, the particles of the powder are further compressed and solidified, and enter into mechanical, in some cases materially bonded, bonds. After sintering, a non-magnetized (isotropic or anisotropic, depending on whether or not pressed in magnetic field) body is present since the Curie remains during sintering.
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. In the subsequent step S7, an optional tempering process follows, in which the magnet is subjected to a further thermal treatment (low-temperature treatment). The aim of annealing is the reduction of residual stresses in the crystal structure.
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, In a further optional step S8, a shaping treatment and / or surface treatment of the magnet takes place in order to give it a desired shape and dimension. In particular, cutting techniques are used, such as grinding,
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 Cutting, milling, etc. Preferably, however, the final shape of the magnet is already determined in the compression step S5, for example, a corresponding pressing tool, so that dispenses with a machining or this can be at least reduced. Furthermore, the magnet may be coated with a surface coating, such as a
Epoxidharz oder einer metallischen Beschichtung, versehen werden. Epoxy resin or a metallic coating, be provided.
Schließlich erfolgt in Schritt S9 ein Magnetisieren des Magneten in einem externen Magnetfeld, bei dem die magnetischen Dipole aufmagnetisiert, das heißt ausgerichtet werden. Finally, in step S9, the magnet is magnetized in an external magnetic field in which the magnetic dipoles are magnetized, that is to say aligned.
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 The permanent magnet produced by the method according to the invention is characterized by small particle sizes on the order of magnetic domains, that is, it consists of so-called single-domain particles. He also has a uniform
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. 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 Particle size distribution preferably in the range of 200 to 300 nm. As a result, the magnet is characterized by a high coercive force and high temperature stability. Its good magnetic properties are not impaired by increased levels of rare earths, for example in the form of Dy or Tb, which are introduced by conventional processing steps (eg GBDP for grain boundary diffusion process). The fact that the sensitive steps of the powder preparation are carried out in liquid nitrogen, other impurities in the form of carbon or oxygen are reduced. Disturbing effects, such as recrystallization, thermal stress and
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. Agglomeration is eliminated in the cryogenic milling. The method is also characterized by a high level of safety, since the liquid nitrogen insulates the tendency of the magnet powder to ignite spontaneously.
Bezugszeichenliste LIST OF REFERENCE NUMBERS
Kugelmühle ball mill
Gefäß vessel
Rührer stirrer
Kugeln roll
Suspension suspension
Partikel particle
Separiervorrichtung separating
Gehäuse casing
Schwingachse swing axle
Schwingsiebe vibrating screens
Ventil Valve
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