DE10310572A1

DE10310572A1 - Permanentmagnet und Motor

Info

Publication number: DE10310572A1
Application number: DE10310572A
Authority: DE
Inventors: Matahiro Komuro; Katsuhiro Komuro
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2002-08-22
Filing date: 2003-03-11
Publication date: 2004-03-11
Anticipated expiration: 2023-03-12
Also published as: DE10310572B4; US7064642B2; CN100346427C; US20040036566A1; US7399368B2; JP4422953B2; CN101183594A; JP2004079922A; US20060238282A1; CN101183594B; CN1477654A

Abstract

Ein Permanentmagnet umfaßt ein hartmagnetisches Material (22) mit einem Seltenerdelement und ein antiferromagnetisches Material (21), wobei das hartmagnetische Material (22) und das antiferromagnetische Material (21) magnetisch gekoppelt sind. Der Volumenanteil des antiferromagnetischen Materials (21) beträgt, auf den ganzen Permanentmagneten bezogen, 20% oder weniger.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein permanentmagnetisches Material mit Seltenerdelementen, ein Herstellungsverfahren dafür und einen Motor mit einem solchen Material.
In der japanischen Patent-Offenlegungsschrift 2002-64009 ist ein Verfahren zum Herstellen eines permanentmagnetischen Materials mit Seltenerdelementen beschrieben. Die Druckschrift beschreibt Zusammensetzungen mit Seltenerdelementen, Kohlenstoff und Bor und die Kristallstruktur, die Größe der Kristalle, die Struktur, die Zusammensetzung, die Form, die mittlere Teilchengröße, die Koerzitivkraft, die magnetische Restflußdichte von Borid und ein Herstellungsverfahren mit einem schnellen Abkühlschritt sowie ein Herstellungsverfahren mit einem Heizschritt.

In Physical Review B, Bd. 65, Seiten 174420 (2002) ist ein Verfahren zum Verbessern der Koerzitivkraft von magnetischem Material durch Mahlen von SmCo₅ und NiO in einer Kugelmühle beschrieben.

Die genannte Druckschrift 2002-64009 beschreibt Verfahren zum Herstellen des Materials und zeigt dessen Koerzitivkraft auf, die nur 360 Oe (290 A/cm) beträgt. In dieser Druckschrift wird erwähnt, daß, wenn V, Cr etc. als Feststoff in Fe gelöst sind, deren Spins in der Gegenrichtung zur Magnetisierungsrichtung des Fe ausgerichtet sind; als Folge davon wird die magnetische Restflußdichte geringer bzw. die Rechteckigkeit kleiner.

Das Temperaturverhalten und die magnetische Restflußdichte der in der Physical Review B genannten hartmagnetischen Materialien sind gering und nicht ausreichend.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein permanentmagnetisches Material zu schaffen, das als hartmagnetisches Material eine verbesserte Koerzitivkraft, eine erhöhte Restflußdichte und ein vergrößertes Energieprodukt aufweist. Es soll auch ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Materials und ein Motor mit einem solchen magnetischen Material geschaffen werden.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit dem in den Patentansprüchen genannten permanentmagnetischen Material, dem Herstellungsverfahren dafür und dem Motor gelöst.

Der wesentliche Punkt der vorliegenden Erfindung liegt darin, daß ein Permanentmagnet aus einem hartmagnetischen Material mit Seltenerdelementen und einem antiferromagnetischen Material besteht, wobei dem zwischen dem hartmagnetischen Material und dem antiferromagnetischen Material eine magnetische Kopplung besteht, und wobei das antiferromagnetische Material weniger als 20 Vol.-% ausmacht.

Die magnetische Kopplung ergibt sich durch das Verbinden des hartmagnetischen Materials mit dem antiferromagnetischen Material im Magnet, wodurch die Koerzitivkraft des hartmagnetischen Materials ansteigt und der Temperaturkoeffizient der Koerzitivkraft kleiner wird. Im Ergebnis wird, wenn der Magnet für Motoren verwendet wird, die bei Temperaturen über der Raumtemperatur benutzt werden, auch bei hohen Temperaturen eine hohes Drehmoment erhalten. Die Motoren können für industrielle Zwecke verwendet werden, etwa bei der Kraftfahrzeugherstellung, dem Transport von Halbleitervorrichtungen usw. und in Generatoren.

Ausführungsformen der Erfindung werden im folgenden anhand der Zeichnungen beispielhaft beschrieben. Es zeigen:
1 graphisch die Beziehung zwischen der als antiferromagnetischen Material hinzugefügten Menge an NiO und der Koerzitivkraft.
2 graphisch die Beziehung zwischen der hinzugefügten Menge an antiferromagnetischen Material NiFe/Ru/NiFe und der Koerzitivkraft.
3 graphisch die Beziehung zwischen der hinzugefügten Menge an NiMn und der Koerzitivkraft.
4 graphisch die Beziehung zwischen der hinzugefügten Menge an NiMn und Hk/iHc.
5 graphisch die Beziehung zwischen der hinzugefügten Menge an NiMn und dem Temperaturkoeffizienten der Koerzitivkraft.
6 graphisch die Beziehung zwischen der hinzugefügten Menge an NiMn und der thermischen Entmagnetisierung.
7 graphisch die Beziehung zwischen der hinzugefügten Menge an NiMn und dem Energieprodukt.
8, 9 und 10 sind perspektivische Ansichten von erfindungsgemäßen Rotoren.
11 ist eine perspektivische Ansicht eines Rotors vom Oberflächenmagnettyp.
12, 13 und 14 sind Ansichten der Struktur von Magneten mit antiferromagnetischen Materialien.
15 ist eine Mikrophotographie, die die Struktur eines Magnets zeigt, der dadurch hergestellt wurde, daß 5 Gew.-% an MiN zu 15 Gew.-% Nd₂Fe₁₄B hinzugefügt wurden, gefolgt von einem Sintern bei niedriger Temperatur und dem Abkühlen in einem Magnetfeld.
Bei den Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung zeichnet sich der Permanentmagnet dadurch aus, daß er ein hartmagnetisches Material und ein antiferromagnetischen Material enthält, wobei das antiferromagnetische Material 20 Vol.-% oder weniger umfaßt. Im Ergebnis werden Verbindungen mit Seltenerdelementen magnetisch mit dem antiferromagneti schen Material gekoppelt. Seltenerdelemente sind die Elemente, die die Ordnungszahlen von 57 (La) bis 71 (Lu) und Sc und Y der Gruppe 3a im Periodensystem umfassen.
Die Verbindungen der Seltenerdelemente R sind zum Beispiel R₂Fe₁₄B, R2Co₁₇ RCo₅ etc . Die Verbindungen sind pul-verförmige Materialien für Sinterkörper und zum Verbinden mit magnetischen Materialien. Die pulverförmigen Verbindungen der hartmagnetischen Materialien weisen vorzugsweise eine Teilchengröße von 1 bis 100 nm auf. Antiferromagnetisches Material wird in der Nähe der Kristallkörner nur in RCo₅ und NiO ausgebildet.
Das Energieprodukt von RCo₅ und NiO, das bei Raumtemperatur 11 MGOe beträgt, ist so klein, daß solche Magneten bei verschiedenen Arten von sich drehenden Maschinen, bei medizinischen Instrumenten, Audiogeräten, Informationsverarbeitungsvorrichtungen wie HDDs (Festplattenlaufwerken), industriellen Geräten, Kraftfahrzeugen usw. verwendet werden.
Im vorliegenden Fall sind die antiferromagnetischen Materialien Legierungen, die Mangan und Laminate daraus enthalten, um ein hohes Energieprodukt (von 12 MGOe bis 70 MGOe) zu erhalten, wobei das Volumenverhältnis des antiferromagnetischen Materials so eingestellt wird, daß es 20% oder weniger beträgt.
Um das antiferromagnetische Material magnetisch mit den Kristallkörnern des hartmagnetischen Materials zu verbinden (die beiden Materialien liegen gegebenenfalls in verschiedenen Phasen vor), ist es wichtig, daß zwischen dem antiferromagnetischen Material und dem hartmagnetischen Material keine Verunreinigungen vorliegen, daß die Kristalle der Materialien orientiert sind, und daß ein Wachstum des antiferromagnetischen Materials in den Körnern verhindert wird.
Wenn die obigen Bedingungen erfüllt sind, steuert das Wachstum des antiferromagnetischen Materials in der Umgebung der Kristallkörner des hartmagnetischen Materials die Magnetisierungsrichtung des antiferromagnetischen Materials durch die Magnetisierung des antiferromagnetischen Materials beim Abkühlen in einem Magnetfeld und bewirkt dadurch eine magnetische Kopplung zwischen dem antiferromagnetischen Material und dem hartmagnetischen Material.
Das antiferromagnetische Material ist eine Mischung aus NiO, Fe₂O₃, NiO und CoO etc. Wenn das Volumen der Oxide 20 Vol.-% oder weniger beträgt (das Verhältnis von hartmagnetischem Material zu antiferromagnetischem Material sollte 4 zu 1 oder kleiner sein), ist es möglich, das Energieprodukt so zu maximieren, daß es 12 MGOe oder mehr beträgt.
Im Falle von Manganlegierungen können reguläre Phasen oder irreguläre Phasen von NiMn, PtMn, IrMn, FeMn, PdMn etc. verwendet werden. Bei einem Laminatmaterial werden um magnetisches Pulver lamellare Materialien aus Fe/Cr/Fe, Fe/Ru/Fe, NiFe/Ru/NiFe etc. aufwachsen gelassen, wodurch die Koerzitivkraft des hartmagnetischen Materials durch eine Austauschkopplung mit dem hartmagnetischen Material in der Form einer magnetischen Kopplung ansteigt. Die Austauschkopplung tritt zwischen dem hartmagnetischen Material und dem antiferromagnetischen Material durch Ausbilden der genannten verschiedenen Materialien auf.
Die Austauschkopplung unterdrückt eine Bewegung der magnetischen Grenzen und das Entstehen von Grenzen des hartmagnetischen Materials. Diese Unterdrückung hat den Vorteil, daß sich die Koerzitivkraft des hartmagnetischen Materials erhöht, die Temperaturabhängigkeit der Koerzitivkraft und der Restflußdichte verringert und die Rechteckigkeit der Entmagnetisierungskurve zunimmt.
Es wird nun ein Verfahren zur Herstellung des Magneten beschrieben. Mit dem Verfahren werden die Temperatureigenschaften des hartmagnetischen Materials verbessert, wobei die Austauschkopplung mit dem antiferromagnetischen Material ausgenutzt wird. Da die Austauschkopplung im allgemeinen ein lokaler Effekt ist und von der Oberflächenstruktur abhängt, wird sie durch Verunreinigungen wie Sauerstoff, Kohlenstoff und Stickstoff, die nicht die Hauptphase bilden, drastisch herabgesetzt.
Die Kristallkörner des hartmagnetischen Materials sollten so klein wie möglich sein. Vorzugsweise beträgt die Korngröße 1 bis 10 Mikrometer. Durch eine Reduktionsbehandlung sollten Verunreinigungen wie Sauerstoff von den Grenzflächen der Kristallkörner entfernt werden.
Eine Phase mit niedrigem Schmelzpunkt wie R₂Fe₁₄B beginnt bei etwa 850°C zu schmelzen, wobei an den Grenzflächen der Körner eine Nd-reiche Phase gefunden wird. Wenn das Mangan enthaltende antiferromagnetische Material mit der Ndreichen Phase reagiert, wächst sie um die Körner weiter. Bei der Bildung der antiferromagnetischen Phase ordnen sich die Spins der antiferromagnetischen Phase bei einer Temperatur unter der des Néel-Punktes nichtparallel an und lassen sich hinsichtlich der Energie stabilisieren.
Wenn während der Abkühlperiode nach dem Sintern des Materials von außen ein magnetisches Feld angelegt wird, tritt in der Richtung des Magnetfeldes eine Austauschkopplung zwischen dem antiferromagnetischen Material und dem hartmagnetischen Material auf.
Auch wenn die Zusammensetzung des antiferromagnetischen Materials außerhalb der oben genannten Legierungszusammensetzung liegt, tritt in den Körnern im antiferromagnetischen Material mit dem hartmagnetischen Material eine Austauschkopplung auf, wodurch die Ausbildung einer magnetischen Barriere und die Bewegung von magnetischen Grenzen unterdrückt wird. Wenn die Korngröße von R₂Fe₁₄B klein ist, kann es mit dem antiferromagnetischen Material bei einer Temperatur unterhalb von 850°C eine magnetische Verbindung ausbilden.
Die erwähnte Wärmebehandlung erfolgt, nachdem das Pulver des antiferromagnetischen Materials mit dem Pulver des ferromagnetischen Materials vermischt wurde. Die Korngröße des antiferromagnetischen Materials in der Mischung ist vorzugsweise kleiner als die Korngröße des anderen Materials.
Ein anderes Verfahren ist ein mechanisches Legierungsverfahren oder ein Kugelmühlenverfahren zum Mischen des antiferromagnetischen Materials mit dem hartmagnetischen Material derart, daß eine magnetische Wirkung (statische Magnetisierung, Austauschkopplung) auf das antiferromagnetische Material und das hartmagnetische Material ausgeübt wird.
Um das Energieprodukt zu erhöhen, sollte das Volumen des antiferromagnetischen Materials vorzugsweise 20 % oder weniger betragen. Das Anlegen eines Magnetfeldes während oder nach dem Mahlen in der Kugelmühle, um das hartmagnetische Material mit dem antiferromagnetischen Material anisotrop zu machen, ergibt ein Magnetmaterial mit einem hohen Energieprodukt.
Beispiel 1
In diesem Beispiel wurde Nd als Seltenerdelement gewählt und aus den entsprechenden Rohmaterialien Nd₂Fe₁₄B hergestellt. Die Rohmaterialien wurden mittels einer Hochfrequenz-Induktionsheizung aufgeschmolzen und zusammenlegiert. Es wurde in diesem Fall Nd mit 5 Gew.-% Überschuß zu der Rohmaterialzusammensetzung hinzugegeben, um den Verlust von Nd beim Aufheizen auszugleichen.
Dann wurde die Legierung in einer Stampfmühle oder einem Backenbrecher gebrochen, um ein grobes Pulver mit einer mittleren Korngröße von 100 Mikrometern zu erhalten. Danach wurde das Pulver weiter zu einem Pulver mit einer mittleren Teilchengröße von 3 bis 5 Mikrometer vermahlen. Das abschließende Mahlen kann in einer Kugelmühle erfolgen. Das erhaltene Pulver wurde bei 400 bis 850°C einer Wasserstoffbehandlung unterzogen, um Oxide von der Oberfläche der Partikel zu entfernen.
Bei einem anderen Verfahren wird magnetisches Pulver, das wenigstens ein Seltenerdelement enthält, bei einer Temperatur von 400°C oder höher in einer Wasserstoffatmosphäre gehalten und dann der Wasserstoff entfernt. Das erhaltene Pulver wird weiter gemahlen, um ein feines magnetisches Pul-ver zu erhalten. Das feine Pulver wird mit dem antiferromagnetischen Material vermischt.
Das antiferromagnetische Material ist NiO, dessen Néel-Temperatur bei 155°C liegt. Die Teilchengröße des NiO-Pulvers sollte kleiner sein als die des magnetischen Nd₂Fe₁₄B-Pulvers, um die Grenzflächen zwischen dem magnetischen Pulver und dem NiO zu vergrößern. Nach dem Zumischen des NiO in einem Mischer wurde die Mischung in eine mit Elektromagneten versehene Form gefüllt und dann ein magnetisches Feld angelegt, um die Kristallachsen des Nd₂Fe₁₄B in der Richtung des Magnetfeldes auszurichten.
Der Formdruck betrug mindestens 10⁸ N/m², um ein Formteil mit einer Erscheinungsdichte von etwa 60% zu erhalten. Wenn als antiferromagnetisches Material NiO gewählt wird, können Ni und O in die Mutterphase oder Matrix eindiffundieren, wenn eine Sintertemperatur von 1100°C oder höher verwendet wird. Das Sintern sollte daher bei 850°C oder darunter ausgeführt werden.
In diesem Beispiel wurde das Ausformen mit Joulescher Wärme durchgeführt, die in einem Formverfahren mit elektrischem Strom erzeugt wurde, wobei der Form ein Gleichstrom von etwa 1500 A zugeführt wurde.
Während des Abkühlens nach dem Zuführen des Stroms wurde in anisotroper Richtung ein Magnetfeld angelegt, um dem antiferromagnetischen Material und dem Nd₂Fe₁₄B eine unidirektionale magnetische Anisotropie zu erteilen. Die Beziehung zwischen der Koerzitivkraft des Magneten aus dem so hergestellten Mischpulver aus Nd₂Fe₁₄B und NiO und der Zugabemenge des antiferromagnetischen Materials ist in der 1 gezeigt.
Wenn NiO hinzugefügt wird, weist der Magnet eine erhöhte Koerzitivkraft auf. Der Anstieg in der Koerzitivkraft wird durch die Austauschkopplung zwischen dem NiO und dem hartmagnetischen Material, d.h. dem Nd₂Fe₁₄B, herbeigeführt.
Beispiel 2
Im zweiten Beispiel wurden als Seltenerdelemente Nd und Dy ausgewählt, um eine Rohmaterialmischung aus (Nd,Dy)₂Fe₁₄B zu erzeugen. Die Rohmaterialmischung wurde mit einer Induktionsheizung aufgeschmolzen und zusammenlegiert.
Die hinzugefügte Menge an Dy betrug, bezogen auf das Nd, 0,5 bis 1,0 Gew.-%. Nd und Dy wurden mit einer Überschußmenge von etwa 5 Gew.-% hinzugefügt, um den Verlust beim Aufheizen zu kompensieren.
Dann wurde die Legierung in einer Stampfmühle oder einem Backenbrecher gebrochen, um ein grobes Pulver mit einer mittleren Teilchengröße von 100 Mikrometern zu erhalten. Danach wurde das Pulver in einer Gasstrahlmühle weiter zermahlen, um ein feines Pulver einer mittleren Teilchengröße von 3 bis 5 Mikrometer zu erhalten. Das abschließende Mahlen kann auch in einer Kugelmühle erfolgen.
Das erhaltene Feinpulver wurde bei 600 bis 850°C in einer Wasserstoffatmosphäre behandelt, um Oxide an der Oberfläche der Körner zu entfernen. Dann wurde das Pulver mit dem antiferromagnetischen Pulver vermischt. Das antiferromagnetische Material war NiFe/Ru/NiFe.
Mit einem Zerstäubungsverfahren wurde ein Laminat hergestellt. Die Materialien wurde in der Reihenfolge NiFe, Ru und NiFe in einer Argonatmosphäre oder im Vakuum verdampft bzw. zerstäubt. Das zerstäubte Material bildete die aus NiFe, Ru und NiFe bestehenden Laminatstruktur aus. Die Verdampfungsmenge des NiFe wurde so gesteuert, daß sich eine NiFe-Schicht mit einer Dicke von 2 bis 50 nm ausbildete, und die Verdampfungsmenge des Ru wurde so gesteuert, daß sich eine Schicht mit einer Dicke ausbildete, die kleiner war als die der NiFe-Schicht.
Das magnetische Pulver mit der Laminatstruktur wurde in einem Mischer mit dem magnetischen (Nd,Dy)₂Fe₁₄B-Pulver vermischt. Nach dem Vermischen wurde das Mischpulver in eine mit Elektromagneten versehene Form gefüllt, und an die Form wurde ein magnetisches Feld so angelegt, daß sich die Kristallachse des (Nd, Dy)₂Fe₁₄B in der Richtung des magnetischen Feldes ausrichtete.
Die Teilchengröße des NiFe/Ru/NiFe war kleiner als die des (Nd,Dy)₂Fe₁₄B, um die Chancen für einen Kontakt der (Nd,Dy)₂Fe₁₄B-Körner mit dem antiferromagnetischen Material zu vergrößern. Der Formdruck betrug bei einer Temperatur von 850°C oder kleiner mindestens 10⁸ N/m², um eine Erscheinungsdichte von etwa 60% zu erhalten.
Wenn die Temperatur 850°C übersteigt, kann die Struktur des Laminats nicht aufrechterhalten werden, und die Austauschkopplung mit dem antiferromagnetischen Material verringert sich. Das Pulver sollte daher mit einer Temperatur in Form gebracht werden, die so niedrig wie möglich ist. Im vorliegenden Beispiel wurde ein Stromflußformen mit einem elektrischen Strom von 1000 bis 1500 A zum Erzeugen von Joulescher Wärme verwendet. Während des Abkühlens nach dem Aufheizen wurde in der Richtung der Anisotropie ein magnetisches Feld an die Form angelegt, um dem antiferromagnetischen Material und dem (Nd,Dy)₂Fe₁₄B eine unidirektionale magnetische Anisotropie zu erteilen.
Die Beziehung zwischen der Koerzitivkraft des Magnets aus dem (Nd,Dy)₂Fe₁₄B und der hinzugefügten Menge des antiferromagnetischen Materials, d.h. des NiFe/Ru/NiFe, ist in der 2 gezeigt. Die Zugabe des antiferromagnetischen Materials erhöht die Koerzitivkraft des Magnets. Der Anstieg in der Koerzitivkraft wird durch die Austauschkopplung zwischen dem antiferromagnetischen Material und dem hartmagnetischen Material, d.h. dem (Nd,Dy)₂Fe₁₄B, herbeigeführt.
Beispiel 3
Im dritten Beispiel wurden für das antiferromagnetische Material Manganlegierungen gewählt. Zur Herstellung des Manganlegierungspulvers wurden Gaszerstäubungsverfahren oder Flüssigkeitsabschreckverfahren angewendet. Die Manganlegierungen sind zum Beispiel NiMn, FeMn, PdMn, IrMn oder PtMn. Im Falle von NiMn bildet sich eine reguläre Phase aus, während in den anderen Fällen irreguläre Phasen entstehen.
Die mittlere Teilchengröße betrug bei den genannten Manganlegierungen 1 bis 5 Mikrometern. Je kleiner die Teilchengröße ist, um so größer kann die Koerzitivkraft sein.
Es wird der Fall beschrieben, daß als Manganlegierung NiMn verwendet wird. Mit einem Gaszerstäubungsverfahren zum Zerstäuben der NiMn-Legierung läßt sich ein NiMn-Legierungspulver erhalten, bei dem der Ni-Gehalt im Mn 50 Vol.-% (± 1 %) bei einer mittleren Teilchengröße von 1 bis 5 Mikrometern beträgt. Das sich ergebende Pulver wurde mit magnetischem Pulver vermischt, das wenigstens ein Seltenerdelement enthält und eine mittlere Teilchengröße von 5 bis 100 Mikrometern besitzt.
Zum Vermischen der Pulver im Vakuum (1 × 10^–2 Pa oder weniger) wurde ein V-Mischer oder eine Kugelmühle verwendet. Das Mischpulver wurde in einem magnetischen Feld zusammengedrückt. Die Stärke des magnetischen Feldes betrug mindestens 0,5 MA/m und der Formdruck mindestens 10⁷ N/m². Der Vorgang wurde in einer Inertgasatmosphäre wie einer Stickstoffatmosphäre oder in Vakuum (1 × 10^–2 Pa oder weniger) ausgeführt.
Zwischen den Teilchen des hartmagnetischen Materials sind in dem Formteil NiMn-Pulverteilchen verteilt, aber es tritt keine Austauschkopplung zwischen dem ferromagnetischen Material und dem antiferromagnetischen Material auf. Die Austauschkopplung tritt erst dann auf, wenn das Formprodukt der folgenden Wärmebehandlung unterzogen wird. Im Inneren des Ofens befindet sich dabei ein reduzierendes Gas, das Wasserstoff enthält, um die Oberfläche des Pulvers mit dem Seltenerdelement zu reduzieren, bevor das Formteil in den Wärmebehandlungsofen eingeführt und wärmebehandelt wird.
Das Aufheizen des Formteils in der reduzierenden Atmosphäre entfernt die Oxide von der Oberfläche des Pulvers mit dem Seltenerdelement. Die Wärmebehandlung wird in der reduzierenden Atmosphäre bei 850°C für 2 Stunden ausgeführt, woraufhin ein Magnetfeld angelegt wird, wenn das Formteil abkühlt. Die Richtung des Magnetfeldes ist die gleiche wie zum Zeitpunkt des Ausformens des Formteils. Das Magnetfeld kann in Abhängigkeit von der Form und der Größe des Formteils unterschiedlich sein, die Stärke des Magnetfeldes sollte jedoch wenigstens 0,1 MA/m betragen.
Die Abkühlgeschwindigkeit im Magnetfeld beträgt vorzugsweise 2°C/min oder weniger. Bei einer solchen Abkühlgeschwindigkeit wird die Ausbildung der regulären Phase des NiMn begünstigt. Beim Abkühlen ist keine reduzierende Atmosphäre erforderlich.
Der Nd₂Fe₁₄B-Magnet, der mit dem beschriebenen Verfahren hergestellt wird, beinhaltet eine Nd-reiche primäre Nd₂Fe₁₄B-Phase und eine NiMn-Phase, wobei die NiMn-Phase als reguläre Phase in der Nähe der Körner des Nd₂Fe₁₄B vorliegt, die sich magnetisch mit dem Nd2Fe₁₄B verbindet.
Die NiMn-Phase ist antiferromagnetisch, und das Nd₂Fe₁₄B ist ferromagnetisch. An den Grenzen der Phasen verbinden sich Teile der NiMn-Spins und der Nd₂Fe₁₄B-Spins magnetisch miteinander und koppeln die Bewegung der Nd₂Fe₁₄B-Spins mit den NiMn-Spins. Da ein Teil der Nd₂Fe₁₄B-Spins fixiert ist, wird eine Drehung und Bewegung der magnetischen Segmente der Nd₂Fe₁₄B-Spins unterdrückt .
Die Bereiche, in denen sich die magnetische Kopplung zwischen der antiferromagnetischen Phase und der hartmagnetischen Phase ausbildet, liegen innerhalb etwa 0,1 μm an den Grenzen des NiMn. Die Abnahme der magnetischen Barriere, die sich in der Umgebung der magnetischen Körner ausbildet, oder die Homogenisierung der Störungen der Magnetisierung in der Umgebung der Körner führt zu den folgenden Vorteilen:

1. Erhöhung der Koerzitivkraft.
2. Verringerung des Temperaturkoeffizienten der Koerzitivkraft.
3. Erhöhung der Rechteckigkeit der Entmagnetisierungskurve.
4. Abnahme der thermischen Entmagnetisierung.

Diese Vorteile sind mit Bezug zu den hinzugefügten Mengen an NiMn in den 3 bis 7 gezeigt. Die 3 zeigt die Tatsache, daß die Koerzitivkraft linear ansteigt, bis die hinzugefügte Menge 10 Gew-% beträgt, und die 4 zeigt, daß das Verhältnis von Hk zu iHc (Hk/iHc) linear ansteigt, bis die hinzugefügte Menge 5 Gew.-% beträgt. Da die 1 einen Anstieg von iHc zeigt, ist offensichtlich, daß auch der Hk-Wert ansteigt. Das heißt, daß sich die Rechteckigkeit der Entmagnetisierungskurve verbessert.
Aus der 5 geht hervor, daß der Absolutwert des Temperaturkoeffizienten der Koerzitivkraft mit der Zugabe von NiMn kleiner wird. Die Abnahme des Temperaturkoeffizienten hängt von der Unterdrückung der Magnetisierung oder der magnetischen Wände aufgrund der Austauschkopplung zwischen dem antiferromagnetischen Material und dem hartmagnetischen Material ab bzw. von der Unterdrückung der Bewegung der magnetischen Wände.
Aufgrund der Unterdrückung der Magnetisierung und der Bewegung der magnetischen Wände wird die thermische Entmagnetisierung klein, wie es in der 6 gezeigt ist. Das hartmagnetische Material kann daher auch bei Teilen verwendet werden, die bei Temperaturen betrieben werden, die über der Raumtemperatur liegt, insbesondere bei Teilen, bei denen eine Stabilität des Temperaturkoeffizienten (hohe magnetische Flußdichte an der Oberfläche des Magnets und niedrige Entmagnetisierung) erforderlich ist und die nicht so teuer sind wie SmCo-Magnete.
Wie in der 7 gezeigt, erhöht die Zugabe von NiMn das Energieprodukt (BHmax), da die Rechteckigkeit der Entmagnetisierung besser ist. Das Hinzufügen des antiferromagnetischen Materials verringert jedoch die Restflußdichte, so daß das Energieprodukt ab einer Zugabe von etwa 15 Vol.-% wieder abnimmt. Wenn die hinzugefügte Menge 20 Vol.-% übersteigt, wird das Energieprodukt kleiner als es ohne Zugabe ist.
Deshalb sollte die Zugabemenge an antiferromagnetischem Material oder die Menge an antiferromagnetischem Material, die im Magnet ausgebildet wird, bei 20 Vol.-% oder weniger liegen. Wenn das antiferromagnetische Material aus NiO, Fe₂O₃, IrMn, PtMn, CrMnPt, CoO etc. besteht, übersteigt die Abnahme in der Restflußdichte den Anstieg in der Rechteckigkeit, wenn die Zugabemenge an antiferromagnetischem Material oder die Menge an antiferromagnetischem Material, die im Magnet ausgebildet wird, etwa 20 Vol.-% oder mehr beträgt.
Wenn zu dem hartmagnetischen Material das antiferromagnetische Material und ein weichmagnetisches Material hinzugefügt werden und das weichmagnetische Material im hartmagnetischen Material ausgebildet wird, steigt die Restflußdichte des weichmagnetischen Materials weiter an, wenn die Flußdichte des weichmagnetischen Materials hoch ist. Im Ergebnis wird ein Hochenergieprodukt erhalten, auch wenn der Volumenanteil des antiferromagnetischen Materials ansteigt.
Wenn zusammen mit dem antiferromagnetischen Material eine dünne Schicht oder feine Teilchen aus Eisen oder einer Legierung der Eisenreihe, die kein antiferromagnetisches Material wie NiMn etc. ist, ausgebildet wird bzw. werden, wird ein Anstieg der Restflußdichte und der Rechteckigkeit erhalten, der das Energieprodukt erhöht, da die Sättigungsflußdichte von Materialien der Eisenreihe hoch ist und durch die magnetische Verbindung zwischen dem weichmagnetischen Material und dem hartmagnetischen Material ein Verbesserung der Rechteckigkeit erhalten wird.
Beispiel 4
Im folgenden wird ein Beispiel beschrieben, bei dem IrMn, PdMn oder FeMn, die alle irreguläre Phasen sind, als antiferromagnetisches Material verwendet wird. Es wird ein Verfahren zur Herstellung eines hartmagnetischen Materials mit Legierungen mit 10 bis 30 Vol.-% Ir, Rest Mn, 10 bis 30 Vol.-% Pd, Rest Mn, oder 30 bis 60% Fe, Rest Mn, oder tertitären Legierungen aus CrMnPt, IrMnPd etc. beschrieben.
Hartmagnetische Materialien sind solche, bei denen die Hauptphase aus Verbindungen besteht, die wenigstens ein Seltenerdelement, Fe, Co, B, C und/oder N enthalten. Die Materialien wurden im Vakuum (1 × 10^–2 Pa oder weniger) aufgeschmolzen, um eine feste Lösung zu bilden, gefolgt von einer chemischen Analyse und vom Zerbrechen. Das Zerbrechen erfolgte in einer Stickstoff- oder Argonatmosphäre. Die Körner wurden des weiteren mit einer Gasstrahlmühle oder einer Kugelmühle vermahlen, um ein feines Pulver mit einer Teilchengröße von 1 bis 5 μm zu erhalten. Der Magnet wurde durch eine Dampfabscheidung des antiferromagnetischen Materials auf dem hartmagnetischen Material hergestellt. Das hartmagnetische Material wurde in einer Vakuumkammer auf einem Transfertisch plaziert und das antiferromagnetische Material aus der Mn-Reihe verdampft. Die Dicke des auf das hartmagnetische Material aufgebrachten antiferromagnetischen Mn-Materials betrug 10 bis 100 nm.
Vor dem Aufdampfen des antiferromagnetischen Materials wurde die Oberfläche des Pulvers des hartmagnetischen Materials in einer Wasserstoffatmosphäre aufgeheizt, um Oxide auf der Oberfläche zu reduzieren, wodurch sich die magnetischen Eigenschaften verbessern. Wenn der Oberflächenbereich des aufgedampften hartmagnetischen Materials, der mit dem antiferromagnetischen Material in Kontakt steht, etwa 10 oder mehr beträgt, verbessert sich der Temperaturkoeffizient.
Aufdampfverfahren sind zum Beispiel das Vakuumaufdampfen und das Sputtern. Das Sputterverfahren unter Verwendung von Argongas ist für die Massenproduktion besser geeignet, da sich die damit erzeugte Zusammensetzung kaum ändert. Wenn zur Ausbildung des antiferromagnetischen Materials ein Auf dampfverfahren angewendet wird, sollte vor dem Aufbringen des antiferromagnetischen Materials auf dem hartmagnetischen Material eine 1 bis 10 nm dicke Schicht aus einem weichmagnetischen Material wie Fe, NiFe etc. abgeschieden werden, um Fluktuationen in der Zusammensetzung gering zu halten.
Das sich ergebende Pulver des hartmagnetischen Materials, auf das das antiferromagnetische Material aufgebracht wurde, wurde in einem magnetischen Feld mit einer Stärke von wenigstens 0,6 MA/cm und einem Druck von 10⁷ N/m² oder mehr zusammengedrückt, um ein Formteil mit Anisotropie herzustellen. Das sich ergebende Formteil wies eine spezifische Dichte von etwa 7 g/cm³ auf. Das Formteil wurde in einen Heizofen gebracht und in einem Wasserstoffgasfluß auf 850 bis 1100°C aufgeheizt. Die Abkühlgeschwindigkeit ist nicht beschränkt. Wenn das Formteil in einem magnetischen Feld abgekühlt wird, ergibt sich eine magnetische Verbindung zwischen dem antiferromagnetischen Material und dem hartmagnetischen Material.
Die magnetische Verbindung erhöht die Koerzitivkraft des hartmagnetischen Materials. Es wird so ein hartmagnetisches Material mit hoher Koerzitivkraft erhalten, das gegen eine thermische Entmagnetisierung bei hohen Temperaturen unempfindlich ist.
Die folgende Tabelle 1 zeigt die Zusammensetzung, die Art des antiferromagnetischen Materials und die magnetischen Eigenschaften des hartmagnetischen Materials der oben genannten Beispiele.
Tabelle 1

Es ist offensichtlich, daß in Abhängigkeit von der Zusammensetzung des antiferromagnetischen Materials und des hartmagnetischen Materials die optimale Zugabemenge des antiferromagnetischen Materials zwischen 3 und 20 Vol.-% liegt. Wenn die Zugabemenge 20 Vol.-% übersteigt, nimmt die Restflußdichte des Magneten ab, und das Energieprodukt läßt sich kaum halten, auch wenn die Koerzitivkraft zunimmt.
Wenn eine Diffusion von Komponenten des antiferromagnetischen Materials in die Kristallkörner des hartmagnetischen Materials verhindert wird und wenn eine Zersetzung des antiferromagnetischen Materials vermieden wird, kann das Verhalten des Temperaturkoeffizienten des hartmagnetischen Materials auch dann verbessert werden, wenn nur eine geringe Menge des antiferromagnetischen Materials zugegeben wird. Um die Eigenschaften des Temperaturkoeffizienten von Magneten aus der NdFeB-Reihe zu verbessern, wird im allgemeinen Dy hinzugefügt. Da Dy teuer ist, steigen die Kosten für die Magneten an, wodurch nicht nur die Magnete, sondern auch die Vorrichtungen, die solche Magnete enthalten, teurer werden.
Aus der Tabelle 1 geht hervor, daß auch dann, wenn kein Dy hinzugefügt wird, das Hinzufügen des antiferromagnetischen Materials die Eigenschaften des Temperaturkoeffizienten verbessert, weshalb die vorliegende Erfindung Vorteile hinsichtlich der Kosten und des Preises hat.
Die 15 zeigt eine Schnittansicht eines Magneten, der durch ein Niedertemperatursintern hergestellt wurde, gefolgt von einem Abkühlen in einem Magnetfeld, wobei zu dem Nd₂Fe₁₄B 5 Vol.-% NiMn hinzugefügt worden waren.
An den Korngrenzen lassen sich Ni und Mn feststellen, so daß eine NiMn-Legierung ausgebildet wurde. Die Ausbildung der NiMn-Legierung an den Korngrenzen bringt die Austauschkopplung zwischen dem antiferromagnetischen Material NiMn und dem hartmagnetischen Material Nd₂Fe₁₄B hervor. Es wird daher angenommen, daß eine Drehung der Magnetisierung und die Entstehung von magnetischen Barrierenwänden sowie eine Bewegung der Wände vermieden werden konnte.
Beispiel 5
Ein Pulver für ein hartmagnetisches Materials, das wenigstens ein Seltenerdelement enthielt, wurde in einem reduzierenden Gas wie Wasserstoff zu Pulver mit einer Teilchengröße von 1 bis 5 μm zerkleinert . Dann wurde an das Pulver, das auf Kunstharz aufgebracht wurde, ein magnetisches Feld angelegt.
Auf das magnetische Pulver auf dem Kunstharz wurde dann antiferromagnetisches Material aufgedampft, während ein magnetisches Feld angelegt wurde, woraufhin dann das beschichtete magnetische Pulver mit Kunstharz abgedeckt wurde. Das antiferromagnetische Material ist eine Legierung in einer irregulären Phase, die Mn enthält, ihre Dicke betrug 1 bis 50 nm. Die Temperatur an der Oberfläche des magnetischen Pulvers betrug beim Aufdampfen 50 bis 100°C.
Das antiferromagnetische Material wurde durch das magnetische Feld in einer Richtung magnetisiert, wenn die Temperatur von der obigen Temperatur auf Raumtemperatur absinkt. Bei diesem Verfahren wird ein dünnes, blattartiges hartmagnetisches Material hergestellt.
Das Blatt aus dem hartmagnetischen Material kann dazu verwendet werden, an den Stellen für die Magneten in einem Rotor eingesetzt und angebracht zu werden. Das Blatt aus dem hartmagnetischen Material kann auch zerbrochen werden, um ein Verbundmaterial herzustellen. Das Verbundmaterial kann dann als Material zum Spritzgießen eines anisotropen Magneten verwendet werden.
Beispiel 6
Im folgenden wird ein Beispiel beschrieben, bei dem das hartmagnetische Material und das antiferromagnetische Material in einer Kugelmühle vermischt werden.
Als Kugelmühle wurde eine Zentrifugal-Kugelmühle mit einer Drehzahl von 200 Umdrehungen pro Minute für eine vorgegebene Zeitspanne verwendet. Das Ergebnis ist in der Tabelle 2 dargestellt.
Tabelle 2
Wie in der Tabelle 2 gezeigt, wird der Absolutwert des Temperaturkoeffizienten der Koerzitivkraft klein, wenn das antiferromagnetische Material hinzugefügt wird. Durch Mischen des magnetischen Pulvers mit einem thermoplastischen Kunstharz kann ein anisotropes oder isotropes Verbundmaterial für das Spritzgießen hergestellt werden. Das magnetische Pul-ver kann auch mit einem sich thermisch verfestigenden Kunstharz vermischt werden, um eine Verbundmasse für ein Druckgießen herzustellen, das in einem magnetischen Feld für verschiedene Arten von Motoren vergossen wird.
Die 12 bis 14 zeigen schematisch die Mikrostrukturen on Magneten, die in diesem Beispiel hergestellt wurden. Die Magneten bestehen aus dem antiferromagnetischen Material 21 und dem hartmagnetischen Material 22, wobei eine seltenerdelementreiche Phase oder ferromagnetische Phase 23 ausgebildet werden kann.
Die 12 zeigt die Mikrostruktur mit dem antiferromagnetischen Material 21, das außerhalb des hartmagnetischen Materials 22 ausgebildet wird. Auch wenn zwischen dem antiferromagnetischen Material 21 und dem hartmagnetischen Material 22 nur eine dünne Diffusionsschicht oder hoch beanspruchte Phase ausgebildet wird, gibt es eine magnetische Kopplung.
Wie in der 13 gezeigt, gibt es eine magnetische Kopplung auch dann, wenn sich außerhalb des hartmagnetischen Materials 22 antiferromagnetisches Material und weichmagnetisches Material befindet, und auch dann, wenn es eine seltenerdelementreiche Phase 23 gibt. Die 13 zeigt auch, daß zwischen den Körnern des hartmagnetischen Materials Lücken (Zwischenräume) entstehen; durch die magnetische Kopplung verbessert sich jedoch die Rechteckigkeit der Entmagnetisierungskurve.
Die 14 zeigt außerhalb der Körner 22 des hartmagnetischen Materials antiferromagnetisches Material 21 und weichmagnetisches Material oder eine seltenerdelementreiche Phase 23. Dieser Magnet weist ein verbessertes Energieprodukt auf, und auch die magnetische Restflußdichte wird durch das weichmagnetische Material verbessert. Außerdem wird die Rechteckigkeit durch das antiferromagnetische Material besser.
Beispiel 7
Im folgenden wird die Herstellung von Rotoren für Motoren beschrieben. Die 8 bis 11 zeigen perspektivische Ansichten von Rotoren. Im Falle eines Innenrotors sind um eine Welle 11 Magneten angeordnet. Wenn die oben genannten Verbindungen verwendet werden, werden diese durch Spritzgießen oder durch thermisches Extrusionsgießen an den Stellen 12 für die Magneten ausgebildet.
Die Welle 11 besteht aus Kohlenstoffstahl. Um die Welle sind laminatförmig elektromagnetische Stahlplatten 13 angeordnet, wobei schon beim Ausformen der Stahlplatten 13 die Stellen 12 für die Magneten ausgespart werden.
Eine der obigen Verbindungen mit einem antiferromagnetischen Material, wenigstens einem Seltenerdelement und einem Kunstharz-Bindemittel (thermoplastisches oder thermisch sich verfestigendes Harz) wird durch Spritzgießen oder Druckgießen ausgeformt, wobei eine Form verwendet wird, die den laminierten elektromagnetischen Stahlplatten entspricht. Zum Zeitpunkt des Gießens wird ein magnetisches Feld von 0,7 MA/m angelegt, um dem Magnetpulver eine Anisotropie zu verleihen.
Die Tabelle 2 zeigt die Zusammensetzungen der Magnete für die 8 bis 11 und verschiedene magnetische Eigenschaften der Magnete. Die auf die Art und unter den Bedingungen der Tabelle 2 hergestellten Magnete wurden an den Stellen 12 für die Magnete angeordnet. Die Magnete wurden bearbeitet und mechanisch an den entsprechenden Stellen eingesetzt, um die Rotoren auszubilden.
Die in den 8 bis 11 gezeigten Rotoren zeigten auch bei hohen Temperaturen ein stabiles Ausgangsverhalten, sind gegen magnetische Gegenfelder unempfindlich und weisen einen kleinen Temperaturkoeffizienten für die Induktionsspannung auf. Die obigen Rotoren können unter Verwendung von hartmagnetischem Material hergestellt werden, das weniger entmagnetisierbar ist und das einen kleinen Temperaturkoeffizienten für die Koerzitivkraft aufweist.
Mit der vorliegenden Erfindung lassen sich Permanentmagneten mit hoher Koerzitivkraft, einer hohen Restflußdichte und einem verbesserten Energieprodukt des hartmagnetischen Materials erhalten. Mit diesen Magneten können Motoren hergestellt werden.

Claims

Permanentmagnet mit einem hartmagnetischen Material (22), das ein Seltenerdelement enthält, dadurch gekennzeichnet, daß der Permanentmagnet des weiteren ein antiferromagnetisches Material (21) enthält, wobei das hartmagnetische Material (22) und das antiferromagnetische Material (21) magnetisch gekoppelt sind, und wobei der Volumenanteil des antiferromagnetischen Materials (21) auf der Basis des Permanentmagneten 20% oder weniger beträgt.
Permanentmagnet nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das hartmagnetische Material (22) und das antiferromagnetische Material (21) in verschiedenen Phasen vorliegen.
Permanentmagnet nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das antiferromagnetische Material (21) eine Schicht ist, die dünner ist als die Schicht des hartmagnetischen Materials (22).
Permanentmagnet nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das antiferromagnetische Material (21) eine Legierung ist, die Mangan in einer regulären oder einer irregulären Phase enthält.
Permanentmagnet nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das antiferromagnetische Material (21) eine Nickel-Mangan-Legierung in einem Volumenanteil von 3 bis 10% enthält.
Verfahren zur Herstellung eines Permanentmagneten, mit den Schritten: Herstellen eines Pulvers eines hartmagnetischen Materials, das ein Seltenerdelement enthält; Herstellen eines Pulvers eines antiferromagnetischen Materials; Vermischen des Pulvers des hartmagnetischen Materials und des Pulvers des antiferromagnetischen Materials; dichtes Einfüllen des Mischpulvers in eine Form mit einem Elektromagneten; Anlegen eines magnetischen Feldes an das in die Form gefüllte Pulver mit dem Elektromagneten; Aufheizen des Pulvers, um es zu sintern; und Abkühlen des Sinterprodukts in einem magnetischen Feld.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Volumenanteil des antiferromagnetischen Materials in der Mischung 20% oder kleiner ist.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Antiferromagnetismus des antiferromagnetischen Materials kleiner ist als der des hartmagnetischen Materials.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Schritt des Herstellens des Pulvers des hartmagnetischen Materials einen Schritt des Entfernen von Oxid von der Oberfläche des Pulvers des hartmagnetischen Materials in einer reduzierenden Gasatmosphäre umfaßt.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Schritt des Einfüllens des Mischpulvers in die Form einen Schritt des Entfernen von Oxid von der Oberfläche des hartmagnetischen Materials mit einem reduzierenden Gas umfaßt.
Permanentmagnet mit einem hartmagnetischen Material (22), das ein Seltenerdelement enthält, dadurch gekennzeichnet, daß der Permanentmagnet des weiteren ein antiferromagnetisches Material (21) enthält, das aus einem Oxid mit einer Néel-Temperatur besteht, die höher liegt als die Gebrauchstemperatur des Permanentmagneten.
Permanentmagnet nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß das hartmagnetische Material (22), das antiferromagnetische Material (21) und ein ferromagnetisches Material (23) im Permanentmagnet in verschiedenen Phasen vorliegen.
Permanentmagnet nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Phase des antiferromagnetischen Materials dünner ist als die Phase des ferromagnetischen Materials.
Rotor mit einen Stator, wobei der Rotor zum Stator drehbar gelagert ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Rotor einen Permanentmagneten mit einem hartmagnetischen Material (22) mit einem Seltenerdelement und mit einem antiferromagnetischen Material (21) umfaßt, wobei das hartmagnetische Material und das antiferromagnetische Material magnetisch gekoppelt sind, und wobei auf der Basis des Permanentmagneten der Volumenanteil des antiferromagnetischen Materials 20% oder weniger beträgt.
Motor, bei dem der Rotor des Anspruchs 14 verwendet wird.