DE19521218C1 - Production of hard magnetic parts from samarium-iron-gallium-carbon based materials - Google Patents

Abstract

A process for producing hard magnetic parts from Sm2(Fe,M)17Cy-based materials (M = Ga and/or at least one metal serving to stabilise a rhombohedric 2:17 structure; and y <= 3) comprises (a) mixing Sm with Fe, M and C or Sm with an Fe-C alloy and M in a finely-distributed form in a ratio corresponding to the composition Sm2Fe17-xMxCy with x > 0.1 and y >1; (b) intensively fine grinding the mixture in a ball mill; (c) heat treating the finely-ground mixture at 650-900 deg C to cause part or total recrystallisation; (d) pressing the thus-produced ultrafine grain Sm2Fe17-xMxCy magnetic powder to magnet bodies using a hot pressing process at 650-900 deg C; and (e) finally providing the magnet body with a magnetic privileged direction using a hot forming process at 650-900 deg C and 200 MPa.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der metallurgischen Verfahrenstechnik und betrifft ein Verfahren zur Herstellung hartmagnetischer Teile aus Sm₂-(Fe,M)₁₇-C_y-Basis-Werkstoffen mit interstitiellen Einlagerungen, wobei M = Gallium und/oder mindestens ein zur Stabilisierung einer rhomboedrischen 2 : 17-Struktur dienendes metallisches Element ist.The invention relates to the field of metallurgical process engineering and relates to a process for the production of hard magnetic parts from Sm₂- (Fe, M) ₁₇-C _y base materials with interstitial inclusions, where M = gallium and / or at least one for stabilizing one is a rhombohedral 2:17 structure serving metallic element.

Das Verfahren ist beispielsweise zur Herstellung von hartmag­ netischen Teilen auf der Basis von interstitiellen Sm₂Fe₁₇C_y- Verbindungen anwendbar.The method can be used, for example, for the production of hard magnetic parts based on interstitial Sm₂Fe₁₇C _y compounds.

Sm₂Fe₁₇X_y-Verbindungen mit interstitiellen Einlagerungen X = Kohlenstoff oder Stickstoff besitzen durch ihre günstigen intrinsischen Eigenschaften (große Werte von Curietemperatur, Sättigungspolarisation und Anisotropiefeldstärke) sehr gute Voraussetzungen für die Anwendung als Dauermagnetwerkstoffe (J.M.Coey and H.Sun, J. Magn. Magn. Mater. 87 (1990) L 251).Due to their favorable intrinsic properties (large values of Curie temperature, saturation polarization and anisotropy field strength), Sm₂Fe₁₇X _y compounds with interstitial inclusions X = carbon or nitrogen have very good preconditions for use as permanent magnet materials (JMCoey and H.Sun, J. Magn. Magn. Mater. Mater 87 (1990) L 251).

Während bei solchen Werkstoffen Stickstoff nur über eine Gas- Festkörper-Reaktion bis y=3 eingelagert werden kann, läßt sich Kohlenstoff über diese Reaktion oder mit schmelzmetallurgischen Verfahren einlagern. Dabei sind die über eine Gasphasenreaktion hergestellten Sm₂Fe₁₇X_y-Verbindungen bei Temperaturen über 600°C instabil (B.-H. Hu and G.-C. Lin, Solid State Commun. 79 (1991) 785; C. Kuhrt, M. Katter, K. Schutzke and L. Schultz, Appl. Phys. Letters 60 (1992) 2029). Daher ist die Anwendung von Wärmebehandlungen zum Erreichen einer höheren Dichte, wie z. B. das bei Nd-Fe-B-Dauermagneten angewandte Pulversintern, nicht möglich.While nitrogen can only be stored in such materials using a gas-solid reaction up to y = 3, carbon can be stored using this reaction or using a metallurgical process. The Sm₂Fe₁₇X _y compounds produced via a gas phase reaction are unstable at temperatures above 600 ° C (B.-H. Hu and G.-C. Lin, Solid State Commun. 79 (1991) 785; C. Kuhrt, M. Katter , K. Schutzke and L. Schultz, Appl. Phys. Letters 60 (1992) 2029). Therefore, the application of heat treatments to achieve a higher density, such as B. the powder sintering applied to Nd-Fe-B permanent magnets is not possible.

Die Sm₂Fe₁₇C_y-Kohlenstoffverbindungen sind bei y<1 instabil. Der Kohlenstoffgehalt von Sm₂Fe₁₇C_y kann durch eine Substitution von Eisen durch Gallium auf y<1 als Voraussetzung für die Verbesse­ rung der intrinsischen Eigenschaften erhöht werden, da der Gallium-Zusatz die für gute magnetische Eigenschaften notwen­ dige rhomboedrische 2 : 17-Struktur der Verbindung stabili­ siert (B.-G. Shen, L.-S. Kong, F.-W. Wang and L. Cao, Appl. Phys. Letters 63 (1993) 2288).The Sm₂Fe₁₇C _y carbon compounds are unstable at y <1. The carbon content of Sm₂Fe₁₇C _y can be increased by substituting iron with gallium to y <1 as a prerequisite for improving the intrinsic properties, since the addition of gallium stabilizes the necessary rhombohedral 2:17 structure of the compound for good magnetic properties (B.-G. Shen, L.-S. Kong, F.-W. Wang and L. Cao, Appl. Phys. Letters 63 (1993) 2288).

Aus der DE 41 33 214 A1 ist eine hartmagnetische Eisen- Seltenerdmetall-Legierung mit einer ThMn₁₂-Struktur bekannt. Bei der Herstellung dieser Legierung muß zum Erhalt der hartmagnetischen Phase das Ausgangspulver in N₂-Gas oder in sticktoffhaltigen Gasen wärmebehandelt werden. Die dabei entstehenden Nitride weisen eine unzureichende Wärmestabilität auf, so daß die Pulver nach einer Magnetfeldausrichtung in der Regel in Wachs fixiert werden müssen, um eine Verdichtung bei höheren Temperaturen zu umgehen.DE 41 33 214 A1 describes a hard magnetic iron Rare earth metal alloy with a ThMn₁₂ structure known. In the manufacture of this alloy, the hard magnetic phase the starting powder in N₂ gas or in gases containing nitrogen are heat-treated. The one there The resulting nitrides have insufficient heat stability on, so that the powder after a magnetic field alignment in the Usually need to be fixed in wax to aid compaction to handle higher temperatures.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zu schaffen, das eine technologisch beherrschbare und kostengün­ stige Herstellung hartmagnetischer Teile aus Sm₂-(Fe,M)₁₇-C_y-Basis-Werkstoffen mit interstitiellen Einlagerungen ermöglicht, wobei M = Gallium und/oder mindestens ein zur Stabilisierung einer rhomboedrischen 2 : 17-Struktur dienendes metallisches Element sein soll.The invention has for its object to provide a method that enables a technologically controllable and inexpensive Stün production of hard magnetic parts from Sm₂- (Fe, M) ₁₇-C _y -based materials with interstitial inclusions, where M = gallium and / or should be at least one metallic element used to stabilize a rhombohedral 2:17 structure.

Diese Aufgabe wird nach der Erfindung mit dem in den Patentan­ sprüchen beschriebenen Herstellungsverfahren gelöst.This object is achieved according to the invention with that in the patent manufacturing process described.

Das Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, daß manThe process is characterized in that

• a) Samarium mit Eisen, M und Kohlenstoff oder Samarium mit einer Eisen-Kohlenstoff-Legierung und M in fein verteilter Form in einem Verhältnis, das der Zusammensetzung von Sm₂Fe_17-xM_xC_y mit x<0,1 und 3y<1 entspricht, vermischt,a) Samarium with iron, M and carbon or samarium with an iron-carbon alloy and M in finely divided form in a ratio that the composition of Sm₂Fe _17-x M _x C _y with x <0.1 and 3y <1 corresponds, mixed,
• b) die Mischung einem intensiven Feinmahlprozeß in einer Kugel­ mühle unterwirft,b) the mixture an intensive fine grinding process in a ball mill subjects,
• c) die feingemahlene Mischung im Temperaturbereich von 650°C bis 900°C zur teilweisen oder vollständigen Rekristallisation wärmebehandelt, c) the finely ground mixture in the temperature range of 650 ° C. up to 900 ° C for partial or complete recrystallization heat treated,  
• d) das entstandene ultrafeinkörnige Sm₂Fe_17-xM_xC_y-Magnetpulver mittels eines Warmpreßprozesses im Temperaturbereich von 650°C bis 900°C zu Magnetkörpern verpreßt undd) the resulting ultrafine-grained Sm₂Fe _17-x M _x C _y magnetic powder is pressed into a magnetic body by means of a hot pressing process in the temperature range from 650 ° C to 900 ° C and
• e) schließlich die Magnetkörper durch einen Prozeß der Warmum­ formung im Temperaturbereich von 650°C bis 900°C und bei einem Druck über 200 MPa mit einer magnetischen Vorzugsrichtung ver­ sieht.e) finally the magnetic body through a process of warmum forming in the temperature range from 650 ° C to 900 ° C and at one Ver pressure above 200 MPa with a preferred magnetic direction sees.

Gemäß einer zweckmäßigen Ausgestaltung der Erfindung wird in der Verfahrensstufe a) für M statt oder zusammen mit Gallium mindestens ein Element aus der durch die Elemente Aluminium, Molybdän, Niob, Tantal, Titan und Zirkon gebildeten Gruppe zu­ mischt.According to an expedient embodiment of the invention, in process stage a) for M instead of or together with gallium at least one element made of aluminum by the elements, Molybdenum, niobium, tantalum, titanium and zircon formed group mixes.

Besonders hohe Remanenzwerte werden erreicht, wenn man er­ findungsgemäß die Ausgangsmischung mit einer solchen Menge Sa­ marium herstellt, die im Verfahrensendprodukt einen Samariumge­ halt unterhalb von 10 bis 3 At-% ergibt, wenn man ausgehend von dieser Ausgangsmischung in der Stufe b) durch Wahl der Mahl­ intensität und -dauer eine Korngröße <200 nm erzeugt und wenn man in den nachfolgenden Stufen c) bis e) durch Wahl der Wärme­ behandlungsparameter das Kornwachstum auf einen Wert <200 nm beschränkt.Particularly high retentive values are achieved when you according to the invention, the starting mixture with such an amount of Sa marium that produces a samarium in the end product of the process hold below 10 to 3 at% if you start from this starting mixture in stage b) by choice of the meal intensity and duration produces a grain size <200 nm and if one in the subsequent stages c) to e) by choosing the heat treatment parameters the grain growth to a value <200 nm limited.

Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren werden die Voraussetzungen geschaffen, um auf rationelle und kostengünstige Weise ver­ dichtete Magnete aus der interstitiellen Verbindung Sm₂(Fe,M)₁₇C_y herzustellen. Vorteilhaft ist dabei auch, daß das Verfahren mit den in der Dauermagnetproduktion herkömmlichen metallurgischen Anlagen durchführbar und einfach zu handhaben ist.With the method according to the invention, the prerequisites are created in order to produce, in a rational and inexpensive manner, sealed magnets from the interstitial compound Sm 2 (Fe, M) 1 C _y . It is also advantageous that the method can be carried out with the conventional metallurgical plants used in permanent magnet production and is easy to use.

Im Gegensatz zu den über Gasphasenreaktionen hergestellten Sm₂Fe₁₇X_y-Werkstoffen mit y3, die nur bis 600°C stabil sind, sind die auf die erfindungsgemäße Weise verarbeiteten Sm₂(Fe,M)₁₇C_y-Materialien bis zu Temperaturen von etwa 1000°C stabil. In contrast to the Sm₂Fe₁₇X _y materials with y3 produced via gas phase reactions, which are only stable up to 600 ° C, the Sm₂ (Fe, M) ₁₇C _y materials processed in the manner according to the invention are stable up to temperatures of about 1000 ° C.

Nachstehend ist die Erfindung an Hand von Ausführungsbeispielen näher erläutert.The invention is based on exemplary embodiments explained in more detail.

Beispiel 1example 1

Samarium, Eisen Gallium und Kohlenstoff werden in fein verteilter Form zu einem Metallpulver der Zusammensetzung Sm₂Fe₁₅Ga₂C₂ vermischt und in einer Kugelmühle intensiv gemahlen. Das danach erhaltene magnetisch isotrope Feinpulver mit einer Koerzitivfeldstärke von etwa 1000 kA/m wird einer Wärmebehandlung zur Rekristallisation bei 700°C bis 750°C unter Vakuum oder Inertgasatmosphäre unterzogen. Für die Herstellung eines Dauermagneten wird dieses Pulver in einer Heißpresse bei 700°C bis 750°C unter Vakuum oder Inertgasatmosphäre bei einem Druck von 300 MPa bis 500 MPa während einer Dauer von 2 bis 5 Minuten verdichtet.Samarium, iron gallium and carbon are fine distributed form to a metal powder of the composition Sm₂Fe₁₅Ga₂C₂ mixed and intense in a ball mill ground. The magnetically isotropic fine powder obtained thereafter with a coercive field strength of about 1000 kA / m one Heat treatment for recrystallization at 700 ° C to 750 ° C below Vacuum or inert gas atmosphere. For the production This powder is added to a permanent magnet in a hot press 700 ° C to 750 ° C under vacuum or inert gas atmosphere at one Pressure from 300 MPa to 500 MPa for a period of 2 to 5 Minutes condensed.

Im Ergebnis werden kompakte Dauermagnet mit einer Koerzitiv­ feldstärke erhalten, die der des gemahlenen Pulvers entspricht.As a result, compact permanent magnet with a coercive Get field strength that corresponds to that of the ground powder.

Beispiel 2Example 2

Das gemäß Beispiel 1 gemahlene, jedoch noch nicht wärmebehan­ delte Pulver wird in eine Heißpresse gegeben und bei 700°C bis 750°C unter Vakuum oder Inertgasatmosphäre bei einem Druck von 300 MPa bis 500 MPa über eine Zeit von 10 bis zu 60 Minuten verdichtet. Die Wärmebehandlung, die im Beispiel 1 als separa­ ter Verfahrens schritt vor dem Heißpressen ausgeführt wird, fin­ det gemäß Beispiel 2 während des Heißpreßvorganges statt.The ground according to Example 1, but not yet heat-treated Deleted powder is placed in a hot press and at 700 ° C to 750 ° C under vacuum or inert gas atmosphere at a pressure of 300 MPa to 500 MPa over a period of 10 to 60 minutes condensed. The heat treatment, which in Example 1 is separate ter process step is carried out before hot pressing, fin det takes place according to Example 2 during the hot pressing process.

Bei dieser Verfahrensweise werden kompakte Dauermagnete erhal­ ten, die eine Koerzitivfeldstärke von etwa 1000 kA/m besitzen. With this procedure, compact permanent magnets are obtained ten, which have a coercive force of about 1000 kA / m.  

Die im Resultat der Beispiele 1 und 2 erhaltenen Magnete, die durch ein isotropes magnetisches Verhalten charakterisiert sind, werden einer Warmverformung im Temperaturbereich zwischen 750°C und 800°C bei einem Druck von 300 MPa bis 500 MPa unter Vakuum oder Inertgasatmosphäre unterworfen. Im Ergebnis werden Magnete mit einer magnetischen Vorzugsrichtung erhalten.The magnets obtained in the result of Examples 1 and 2, the characterized by an isotropic magnetic behavior are a hot deformation in the temperature range between 750 ° C and 800 ° C at a pressure of 300 MPa to 500 MPa below Subjected to vacuum or inert gas atmosphere. As a result Obtain magnets with a magnetic preferred direction.

Claims (3)

1. Verfahren zur Herstellung hartmagnetischer Teile aus Sm₂-(Fe,M)_17-C_y-Basis-Werkstoffen, wobei M = Gallium und/oder mindestens ein zur Stabilisierung einer rhomboedrischen 2 : 17-Struktur dienendes metallisches Element ist und y3 beträgt, dadurch gekennzeichnet, daß man

• a) Samarium mit Eisen, M und Kohlenstoff oder Samarium mit einer Eisen-Kohlenstoff-Legierung und M in fein verteilter Form in einem Verhältnis, das der Zusammensetzung von Sm₂Fe_17-xM_xC_y mit x<0,1 und y<1 entspricht, vermischt,
• b) die Mischung einem intensiven Feinmahlprozeß in einer Kugel­ mühle unterwirft,
• c) die feingemahlene Mischung im Temperaturbereich von 650°C bis 900°C zur teilweisen oder vollständigen Rekristallisation wärmebehandelt,
• d) das entstandene ultrafeinkörnige Sm₂Fe_17-xM_xC_y-Magnetpulver mittels eines Warmpreßprozesses im Temperaturbereich von 650°C bis 900°C zu Magnetkörpern verpreßt und
• e) schließlich die Magnetkörper durch einen Prozeß der Warmum­ formung im Temperaturbereich von 650°C bis 900°C und bei einem Druck über 200 MPa mit einer magnetischen Vorzugsrichtung ver­ sieht.

1. A process for the production of hard magnetic parts from Sm 2 (Fe, M) ₁₇ C _y base materials, where M = gallium and / or at least one metallic element used to stabilize a rhombohedral 2:17 structure and is y3, characterized in that one

• a) Samarium with iron, M and carbon or samarium with an iron-carbon alloy and M in finely divided form in a ratio that the composition of Sm₂Fe _17-x M _x C _y with x <0.1 and y <1 corresponds, mixed,
• b) the mixture is subjected to an intensive fine grinding process in a ball mill,
• c) the finely ground mixture is heat-treated in the temperature range from 650 ° C to 900 ° C for partial or complete recrystallization,
• d) the resulting ultrafine-grained Sm₂Fe _17-x M _x C _y magnetic powder is pressed into a magnetic body by means of a hot pressing process in the temperature range from 650 ° C to 900 ° C and
• e) finally, the magnetic body through a process of hot forming in the temperature range from 650 ° C to 900 ° C and at a pressure above 200 MPa with a magnetic preferred direction ver

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man in der Verfahrensstufe a) für M statt oder zusammen mit Gallium mindestens ein Element aus der durch die Elemente Aluminium, Molybdän, Niob, Tantal, Titan und Zirkon gebildeten Gruppe zu­ mischt. 2. The method according to claim 1, characterized in that one in process stage a) for M instead of or together with gallium at least one element made of aluminum by the elements, Molybdenum, niobium, tantalum, titanium and zircon formed group mixes.   3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man bei der Verfahrensstufe a) die Ausgangsmischung mit einer solchen Menge Samarium herstellt, die im Verfahrensendprodukt einen Samariumgehalt unterhalb von 10 bis 3 At-% ergibt, daß man ausgehend von dieser Ausgangsmischung in der Stufe b) durch Wahl der Mahlintensität und -dauer eine Korngröße <200 nm erzeugt und daß man in den nachfolgenden Stufen c) bis e) durch Wahl der Wärmebehandlungsparameter das Kornwachstum auf einen Wert <200 nm beschränkt.3. The method according to claim 1, characterized in that one in process step a) the starting mixture with a the amount of samarium that is produced in the process end product a samarium content below 10 to 3 at% shows that starting from this starting mixture in stage b) by choice the grinding intensity and duration produces a grain size <200 nm and that in the subsequent stages c) to e) by choosing the Heat treatment parameters the grain growth to a value <200 nm limited.