WO2015003850A1

WO2015003850A1 - Hochgefüllte matrixgebundene anisotrope hochleistungspermanentmagnete und verfahren zu deren herstellung

Info

Publication number: WO2015003850A1
Application number: PCT/EP2014/060835
Authority: WO
Inventors: Caroline Cassignol; Michael Krispin; Inga ZINS
Original assignee: Siemens Aktiengesellschaft
Priority date: 2013-07-12
Filing date: 2014-05-26
Publication date: 2015-01-15
Also published as: DE102013213645A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Permanentmagneten, und einen entsprechender Permanentmagneten, mit den Schritten: mittels einer hochenergetischen Hybridisierungseinrichtung (H), insbesondere unter einer Schutzgasatmosphäre, bei einer eingestellten Betriebstemperatur, in einem trockenen Zustand ausgeführtes mechanischen Mischen (MI) eines aus magnetischen anisotropen Partikeln (1) bestehenden und eine kristalline Struktur aufweisenden Magnetpulvers mit Partikeln eines Matrixpulvers (3); Orientieren und Formgeben der in ein externes Magnetfeld (M) und in eine Form eingebrachten matrixbeschichteten Partikel (5). Es können hohe Füllgrade geschaffen werden.

Description

Patentanmeldung

Hochgefüllte matrixgebundene anisotrope Hochleistungspermanentmagnete und Verfahren zu deren Herstellung

Die Erfindung betrifft ein Verfahren gemäß dem Oberbegriff des Hauptanspruchs und ein entsprechendes Erzeugnis.

Permanenterregte Motoren und Generatoren stellen große Anforderungen an die magnetischen Eigenschaften der verwendeten Permanentmagnete. Diese werden im gängigen Aufbau nur von anisotropen gesinterten Seltenerdmagnetwerkstoffen auf Basis von Neodym-Eisen-Bor erreicht. Die hartmagnetischen Eigenschaften von Magnetmaterialien werden neben einer Legierungszusammensetzung entscheidend durch das Gefüge bzw. die Mikrostruktur bestimmt. Entsprechend der mikromagnetischen Theorie sowie experimenteller Befunde ist bekannt, dass in sogenannten keimbildungsgehärteten Magneten mittels eines mikrostrukturellen Aufbaus aus eindomäniqen, nanoskaligen Kornstrukturen hohe Koerzitivfeidstärken erzielt werden. Erfindungsgemäß ist erkannt worden, dass dies prinzipiell den Verzicht auf eine Zulegierung weiterer teurer Additivelemente, beispielsweise Dysprosium oder Terbium, ermöglicht.

In Magnetpulver auf Basis einer Rascherstarrungstechnik wird diese nanokristalline Mikrostruktur mittels Unterkühlung in den amorphen oder nanokristallinen Bereich erzielt, und zwar isotrop. In einem nachgeschalteten Umformungsprozess ist es möglich eine magnetokristalline Vorzugsrichtung in Plättchen auszubilden, was zu einer Anisotropie führt, die als Ausgangsmaterial für kompakte Magnete mit hoher Orientierung der Kristallitachsen, was eine hohe Remanenz bewirkt, verwendet werden können .

Aufgrund des intrinsisch niedrigen spezifischen Widerstands von Permanentmagneten auf Basis von Seltenerdmetallen bewirkt die Rotationsbewegung im Betrieb von permanenterregten Motoren und Generatoren eine Induktion von Wirbelströmen in den Magneten, die zum einen dem äußeren magnetischen Moment entgegenwirken und zusätzlich zu einer Erwärmung eines Motors bzw. Generators führen. Beide Effekte bewirken eine effektive Reduzierung des Koerzitivfeldes der betroffenen Permanentmagnete und damit eine Leistungsminderung oder gar ein Versagen eines Produkts.

Herkömmliche Permanentmagneten werden beispielsweise mittels einer Sintertechnik (1) oder mittels einer Kunststoffbindung (2) hergestellt.

Das herkömmliche Verfahren der Sintertechnik erlaubt eine Herstellung anisotroper Magnete mittels Ausrichtung der magnetischen Pulverteilchen im Magnetfeld vor einem Press- und Sintervorgang. Die Koerzitivfeidstärke ist jedoch durch die mikrokristalline Korngröße, die im Bereich von einigen ym liegt, begrenzt und muss durch Zulegierung von sehr teuren und knappen schweren Seltenerdmetallen wie beispielsweise Dy oder Tb ausgeglichen werden. Aufgrund des ungünstigen Temperaturkoeffizienten des Koerzitivfeldes muss dieser Anteil zunächst erhöht werden, je größer die Arbeitstemperatur ist. Eine Wärme infolge Wirbelstromverluste erfordert demnach die Berücksichtigung eines größeren Anteils an teuren schweren Seltenerdmetallen. Ein herkömmliches Verfahren zur Reduktion von Wirbelstromverlusten ist eine Segmentierung von Sintermagneten. Bei einem derartigen teuren und zeitaufwändigen Arbeitsschritt werden die Magnete parallel zur magnetischen Hauptfeldrichtung zerteilt und anschließend mit einer dünnen elektrisch isolierenden Zwischenschicht verbunden. Diese erhöht den Wechselstromwiderstand des Werkstoffs und reduziert den Stromfluss und damit die Wirbelstromverluste. Allerdings bewirkt das Segmentieren nachteiliger weise Materialverluste.

Alternativ zur Sintertechnik wird seltenerdbasiertes Magnetpulver in einer Kunststoffmatrix eingebettet. Mit herkömmlichen Verfahren, wie sie beispielsweise Spritzguss oder Formpressen sind, können Volumenfüllgrade von 60 Vol.-% bzw. 80 Vol.-% erreicht werden. Eine Zugabe von Matrixmaterial be- wirkt eine Reduktion der magnetischen Dichte des Magneten und führt zu einer erheblichen Reduktion der Magnetisierung des Magneten. Jedoch wirkt sich die Matrix vorteilhaft in einer Erhöhung des elektrischen Widerstandes aus. Des Weiteren können die mechanischen Eigenschaften des Produkts verbessert werden .

Es ist bekannt, dass in kunststoffgebundenen Seltenerdmagneten aufgrund der isolierenden Wirkung des Polymers Wirbelströme verringert sind. Hierfür werden mehrere zehn bis mehrere hundert Mikrometer große magnetische Partikel auf Basis seltener Erden in eine duroplastische oder thermoplastische Matrix eingebettet. Dabei wird ein Komposit aus möglichst hohem Anteil an magnetischen Partikeln und der Matrix erzeugt, das anschließend mittels Spritzgießens oder Formpressens zu einem Volumenmagnet verarbeitet wird. Mittels Spritzgießen, das ebenso injection molding genannt wird, kann ein Magnetanteil von bis zu ca. 60 Vol.-% erreicht werden. Mittels Formpressen, das ebenso compression molding genannt wird, kann ein Magnetanteil von bis zu ca. 80 Vol.-% erreicht werden. Nachteiliger weise sind diese Magnete für viele Anwendungen jedoch aufgrund einer im Vergleich zu Sintermagneten reduzierten magnetischen Energiedichte infolge der Verdünnung durch das verwendete Polymer nicht geeignet. Abhängig von der Anwendungstemperatur des Permanentmagneten können zudem Beschränkungen in Folge einer eingeschränkten Temperaturbeständigkeit des Polymers auftreten.

Die EP1752994A1 offenbart Herstellungsverfahren von selbst zusammenfügendem Seltenerd-Eisenmagneten für Motoren, mit den Schritten Mischen eines Polymer-Granulats und des Magneten mit einem Aushärtungsagens, Verdichten der Mischung, Reagieren eine Oligomers oder Präpolymers mit dem Polymer sowie Umformen des gebondeten Magnetens.

Es ist Aufgabe der Erfindung hochwirksame Permanentmagnete mit nanokristalliner Struktur auf einfache Weise zuverlässig herzustellen. Es sollen insbesondere magnetisch und elekt- risch optimierte Volumenmagnete hergestellt werden können, die insbesondere folgende Kriterien erfüllen: einen hohen Füllgrad, eine homogene Partikelverteilung mit paralleler Ausrichtung entlang der magnetischen Achse, eine ortsfeste Bindung der Magnetpartikel nach einer Ausrichtung sowie eine magnetische und elektrische Entkopplung.

Es soll ein Magnet aus magnetisch anisotropen Pulver mit na- nokristalliner Struktur, dessen Pulverpartikel durch eine elektrisch isolierende Schicht verbunden sind hergestellt werden. Zudem soll der Volumenanteil des magnetischen Pulvers am Gesamtvolumen eines Magneten so groß wie möglich sein. Es soll der Anteil an seltenen Erden in Permanentmagneten wirksam verringert werden. Es soll ein Aufbau, ein Verfahren zur Mischung sowie Herstellungsverfahren für Kompositmagnete beschrieben werden. Bei einer Herstellung von Kompositmagneten mit hohen magnetischen Füllgraden soll eine homogene und dünne Benetzung von magnetischen Partikeln mit einer Matrixkomponente geschaffen sein.

Die Aufgabe wird durch ein Verfahren gemäß dem Hauptanspruch und einen entsprechenden Permanentmagneten gemäß dem Nebenanspruch gelöst.

Gemäß einem ersten Aspekt wird ein Verfahren zur Herstellung eines Permanentmagneten mit den folgenden Schritten beansprucht. Mittels einer hochenergetischen Hybridisierungsein- richtung, insbesondere unter einer Schutzgasatmosphäre, bei einer eingestellten Betriebstemperatur, in einem trockenen Zustand ausgeführtes mechanisches Mischen eines aus magnetischen anisotropen Partikeln bestehenden und eine nanokristal- line Struktur aufweisenden Magnetpulvers mit Partikeln eines Matrixpulvers . Orientieren und Formgeben der in ein externes Magnetfeld und in eine Form eingebrachte matrixbeschichteten Partikel . Gemäß einem zweiten Aspekt wird ein Permanentmagnet beansprucht, der mittels eines erfindungsgemäßen Verfahrens erzeugt worden ist.

Ein Beispiel für eine hochenergetische Hybridisierungsein- richtung ist in der WO2012126600 A2 mit Bezug auf die EP 0 523 372 AI und die JP62083029 A als ein Hybridizer einer Firma Nara beschrieben. Entsprechend beschrieben ist eine Oberflächenmodifizierungseinrichtung, die als Hybridizer bezeichnet ist und beispielsweise einen Hochgeschwindigkeitsrotor, einen Stator und ein kugelförmiges Gefäß vorzugsweise aufweisend innenliegende Messer aufweist.

Auf den magnetischen Partikeln wird eine vorteilhaft dünne Matrixschicht abgeschieden. Die Dicke der Matrixschicht liegt insbesondere im Nanometerbereich .

Für eine Herstellung eines Volumenmagneten ist es notwendig die magnetischen Einzelpartikel geeignet zu verbinden und zu verdichten und zugleich die magnetischen Grundeigenschaften zu erhalten.

Ein Komposit ist insbesondere eine Zusammenstellung aus zwei oder mehr verbundenen Materialien.

Ferromagnetisch heißt insbesondere eine sehr große Permeabilitätszahl und eine positive magnetische Suszeptibilität aufweisend und ein Magnetfeld erheblich verstärkend.

Anisotrop bedeutet insbesondere eine richtungsabhängige Eigenschaft aufweisend.

Nanopartikel weisen insbesondere Abmessungen oder laterale Ausdehnungen auf, die nanoskalig sind oder im Nanometerbereich liegen. Magnetische Nanopartikel sind insbesondere einphasig und erzwingen ein ein-domäniges Verhalten. Nanopartikel können insbesondere einkristallin sein. Mikropartikel weisen mikroskalige Abmessungen oder laterale Ausdehnungen im Mikrometerbereich auf. Die erfindungsgemäßen Mikropartikel weisen eine nanokristalline Unterstruktur oder Mikrostruktur auf, das heißt insbesondere eine Vielzahl von Nanokristallen bilden jeweils ein Mikropartikel aus.

Insbesondere bezeichnet die Größenordnung einer physikalischen Größe, beispielsweise einer Länge, die Zehnerpotenzen bezüglich deren Basiseinheit. Ein Unterschied um eine Größenordnung bedeutet insbesondere einen Unterschied bei einem Verhältnis von 1:10.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen werden in Verbindung mit den Unteransprüchen beansprucht.

Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung können die Partikel des Magnetpulvers Mikropartikel sein, insbesondere Pulver- plättchen sein und insbesondere aus einem Rascherstarrungsverfahren erzeugt worden sein. Die Verwendung von anisotropen magnetischen Plättchen aus einem Rascherstarrungsverfahren in Permanentmagneten, der magnetische Kennwerte denen von Sintermagneten gleichen, ermöglicht eine Reduktion des Anteils an sehr teuren schweren Seltenerdmetallen.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung können die Partikel des Magnetpulvers seltenerdfreie ferromagnetische anisotrope Nanopartikel sein, die insbesondere synthetisch hergestellt worden sind. Auf diese Weise können alternativ seltenerdfreie anisotrope permanentmagnetische Nanopartikel verwendet werden, deren hartmagnetische Eigenschaften aufgrund der idealen nanokristallinen Struktur besser sind als herkömmliche seltenerdfreie Magnetwerkstoffe, wie dies beispielsweise Hartferrite sind.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung können die Partikel des Matrixpulvers Mikropartikel oder Nanopartikel sein und insbesondere um mindestens eine Größenordnung kleiner als die Partikel des Magnetpulvers sein. Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann das Matrixpulver aus organischen oder anorganischen Partikeln bestehen .

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann das organische Material ein Kunststoff, insbesondere

Polyphenylensulfid, Polyamid oder Epoxid, und das anorganische Material ein Glaspulver sein.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann der Kunststoff ein Thermoplast oder ein Duroplast sein.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung können fer- romagnetische anisotrope Nanopartikel synthetisiert worden sein. Anisotropie ist insbesondere hinsichtlich der Form oder der Kristallstruktur.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung können die Nanopartikel einen Kern oder einen Kern-/Schalenaufbau, insbesondere eine Schutzschicht aufweisen. Die Schale kann weichmagnetisch sein. Die möglichst dünne, insbesondere im Nanometerbereich sich erstreckende, Schutzhülle schützt die Nanopartikel vor Korrosion und Oxidation. Zudem reduziert die Hülle die Agglomeration der einzelnen Partikel wodurch einerseits für das Koerzitivfeld ungünstige Kontakte zwischen den Partikeln reduziert werden und andererseits die zu erreichende Anisotropie des Volumenmagneten erhöht wird. Die Schutzhülle kann beispielsweise aus C und/oder Si02 bestehen.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann nach dem Mischen ein Komposit in Pulverform vorliegen.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann das Orientieren und Formgeben gleichzeitig ausgeführt werden. Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann beim oder nach dem Formgeben die Matrix erstarren und/oder aushär- ten .

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann das Aushärten und/oder Vernetzen aktiviert, insbesondere thermisch aktiviert, werden.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung können die Nanopartikel Co, Fe, Ni oder Mn aufweisen. Die Nanopartikel können nasschemisch, aus der Gasphase oder mittels Millings synthetisiert werden.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann der Kern der anisotropen Nanopartikel aus einem weichmagnetischen und die Schale aus einem hartmagnetischen Material bestehen oder umgekehrt.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann die Schutzschicht aus Kohlenstoff bestehen und mittels Lagerung der Nanopartikel für einen Zeitraum von einigen Stunden und Temperaturen im Bereich von ca. 250°C bis 350°C in einer organischen Flüssigkeit erzeugt worden sein.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann die Schutzschicht aus Siliziumdioxid bestehen und mittels Hydrolyse und Polykondensation von Silan- erbindungen in einem polaren Lösungsmittel erzeugt worden sein.

Die Erfindung wird anhand von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit den Figuren näher beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 Ausführungsbeispiele von erfindungsgemäßen Ausgangsmaterialien ;

Fig. 2 ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen

Verfahrens ; Fig . 3 Ausführungsbeispiele von erfindungsgemäßen Zwischenprodukten;

Fig . 4 ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen

Weiterverarbeitung;

Fig . 5 ein Ausführungsbeispiel eines herkömmlichen Endprodukts;

Fig . 6 ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen

Endprodukts .

Figur 1 zeigt Ausführungsbeispiele erfindungsgemäßer Ausgangsmaterialien. Figur 1 zeigt auf der linken Seite Pulverplättchen als Ausführungsform von Mikropartikeln 7, die Partikel des Magnetpulvers sind. Derartige Mikropartikel 7 können beispielsweise aus einem herkömmlichen Rascherstarrungs- prozess erzeugt worden sein. Oben ist ein Querschnitt eines derartigen Plättchens dargestellt. Darunter ist eine Aufsicht auf ein derartiges Plättchen, das aus einem Rascherstarrungs- prozess gewonnen worden ist, dargestellt. Pfeil und Kreis zeigen die magnetische Vorzugsrichtung. Alternativ zu Mikropartikeln 7 können als Ausgangsmaterial seltenerdfreie ferro- magnetische anisotrope Nanopartikel 9 verwendet werden. Derartige anisotrope, magnetische, nanoskalige

Eindomänenteilchen bilden die Partikel des Magnetpulvers als eine Alternative zu den Mikropartikeln 7 aus. Verfahren zur Synthetisierung dieser Nanopartikel 9 sind bekannt. Bezugszeichen 3 stellt Partikel eines Matrixpulvers 3 dar. Mikropartikel 7 und Nanopartikel 9 sind Alternativen für ein aus magnetischen anisotropen Partikeln 1 bestehendes und eine kristalline Struktur aufweisendes Magnetpulver. Figur 1 zeigt, dass ein Komposit aus einem anisotropen magnetischen Pulver mit nanokristalliner Struktur erzeugt werden kann. Ein derartiges Pulver kann beispielsweise aus dem im Rascherstar- rungsverfahren erzeugten anisotropen Pulverplättchen 7 mit einer lateralen Ausdehnung von mehreren zehn bis einigen hundert Mikrometern bestehen. Alternativ kann ein derartiges Pulver aus seltenerdfreien nanoskaligen Eindomänenteilchen 9 bestehen, die Nanopartikel, einkristallin sind und ebenso eine Kern-Schale-Struktur und/oder eine Schutzhülle gegen Umwelteinflüsse aufweisen können.

Figur 2 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Verfahrens. Ausgangsprodukte sind ein Magnetpulver, das aus magnetischen anisotropen Partikeln 1 besteht und eine kristalline Struktur aufweist, und ein ebenso Partikel aufweisen- des Matrixpulver 3. Die magnetischen anisotropen Partikel 1 können wie in Verbindung mit Figur 1 dargestellt beispielsweise Mikropartikel 7 oder Nanopartikel 9 sein. Ein erfindungsgemäßes Komposit besteht aus einem anisotropen magnetischen Pulver mit nanokristalliner Struktur und einem organi- sehen oder anorganischen Matrixmaterial. Das organische Material kann beispielsweise Polyphenylensulfid (PPS) , Polyamid (PA) oder ein Epoxid (EP) sein. Das anorganische Material kann beispielsweise ein Glaspulver sein. Mittels einer hochenergetischen Hybridisierungseinrichtung H, die ebenso als ein Hybridizer bezeichnet werden kann, können unter Schutzgasatmosphäre bei einer durch ein integriertes Kühlsystem einstellbaren Betriebstemperatur magnetische Mikropartikel 7 oder magnetische Nanopartikel 9 mit Mikropartikeln 11 oder Nanopartikeln 13 einer geeigneten Matrix, die beispielsweise Polyamid, Polyphenylensulfid oder ein niedrigschmelzendes Glas aufweist, in einem trockenen Zustand gemischt werden. Ein Beispiel für eine hochenergetische Hybridisierungseinrichtung H sei ein herkömmliches Mischungsequipment genannt, die insbesondere von der Firma „Nara Machinery" angeboten wird. Beim Hybridization-Prozess werden Feinpartikel auf oder in die Oberfläche eines Kernmaterials appliziert. Das System arbeitet mit mechanischen Energien wie Prall, Druck und Scherung. Das (vorgemischte) Pulver wird im, durch den Rotor erzeugten Gasstrom, dispergiert. Aufgrund des mechanischen Energieeintrags haften die Matrixpartikel an den Magnetpartikeln. Die Partikeldispersion und Oberflächenmodifikation (der Magnetpartikel) erfolgt simultan. Die JP62083029 „METHOD AND APPARATUS FOR SURFACE MODIFICATION OF SOLID PARTICLE" beschreibt einen Hybridizer.

Folgende Patentliteratur beschreibt Partikelbeschichtungen, die Hybridizer verwenden: Die EP2462199 AI, die WO2012105060 AI und die WO2012126600 A2. Dabei werden große Teilchen (sogenannte Mutterpartikel ) mit kleinen Teilchen ( sogenannte Babypartikel) auf der Oberfläche beschichtet . Zu diesem Zweck wird vorzugsweise eine OberflächenmodifizierungsVorrichtung bzw . Hybridizer eingesetzt, die einen Hochgeschwindigkeitsrotor, einen Stator und ein kugelförmiges Gefäß , vorzugsweise umfassend innenliegende Messer, umfasst . Der Einsatz von ARA Hybridization Systemen, die vorzugsweise einen Rotor- Aussendurchmeser von 1 18 mm aufweisen, insbesondere von einem Hybridization System mit der Bezeichnung NHS-0 oder NHS-1 der Firma Nara Machinery Co . , Ltd . , hat sich in diesem Zusammenhang besonders bewährt . Die Mutterpartikel und die Babypartikel werden gemischt, vorzugsweise feinstverteilt und in den Hybridizer eingebracht . Dort wird die Mischung vorzugsweise weiter feinstverteilt und vorzugsweise wiederholt mechanischen Kräften ausgesetzt, insbesondere Stoßkräften , Kompressionskräften, Reibungskräften und Scherkräften sowie den gegenseitigen Wechselwirkungen der Teilchen, um die Babyteilchen in den Mutterteilchen einheitlich einzubetten .

Das hochenergetische Mischungsverfahren MI bricht die Agglomerate von magnetischen Partikeln sowie von Matrixpartikeln auf und führt zu einer homogenen Mischung der magnetischen und nichtmagnetischen Partikel. Gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren werden die magnetischen Partikel 1 in einem ersten Schritt trocken und gegebenenfalls zur Vermeidung einer möglichen Selbstentzündung unter einer in Inertgasatmosphäre bzw. Schutzgasatmosphäre, mit Matrixpartikeln eines Matrixpulvers 3 mittels der herkömmlichen Hybridizer-Technik, wie sie beispielsweise von der Firma „Nara Machinery" angeboten wird, gemischt. Partikel des Matrixpulvers 3 können organisch oder anorganisch sein. Organische Materialien sind in bei- spielsweise PPS, PA oder EP. Anorganische Materialien sind beispielsweise niedrigschmelzende Glaspulver. Vorteilhaft erweist sich die Verwendung einer hochenergetischen Hybridisie- rungseinrichtung H in Form eines herkömmlichen Hybridizers ebenso in der Vereinzelung von Agglomeraten aus nanoskaligen magnetischen Partikeln während des Misch- und Beschichtungs- vorgangs . Dies ist von großer Bedeutung für das Erreichen einer homogenen Partikelmischung und eine wesentliche Herausforderung in der Beschichtung von Nanopartikeln 9. Das mit der vorgeschlagenen Technik hergestellte Gemisch ermöglicht, bei geeigneten Größen- und Mengenverhältnis von magnetischen Partikeln 1 zu Partikeln eines Magnetpulvers 3, Permanentmagnete mit hohen Füllgraden herzustellen, die eine große Magnetisierung bewirken. Die Funktion der Matrixmaterialien ist sowohl die elektrische Isolation einzelner magnetischer Partikel voneinander, als ebenso die Verbindung der magnetischen Partikel 1 zu einem Volumenkörper. Durch die Verwendung von organischen oder anorganischen Materialien der Partikel des Matrixpulvers 3 mit Prozesstemperaturen unterhalb der kriti- sehen Kristallitwachstumstempteratur der magnetischen Partikel bleibt die magnetisch vorteilhafte Mikrostruktur erhalten. Dies steht im Gegensatz zum Kristallitwachstum bei Verwendung herkömmlicher Sinterverfahren. Figur 2 zeigt wie ein vorab grob gemischtes Pulver aus magnetischen Partikeln 1 und Matrixpartikeln 3 in einer hochenergetischen Hybridisierungs- einrichtung H gemischt und damit hybridisiert werden. In der Hybridisierungseinrichtung H erfolgt eine Vereinzelung der Vormischung und eine Beschichtung der magnetischen Partikel 1 mit Partikeln des Matrixpulvers, die beispielsweise Mikropar- tikel 11 oder Nanopartikel 13 sein können.

Figur 3 zeigt Ausführungsbeispiele erfindungsgemäßer Zwischenprodukte. Ein erfindungsgemäßes mechanisches Mischen MI bewirkt eine homogene Mischung der magnetischen Partikel 1 und der nichtmagnetischen Partikel eines Matrixpulvers 3. Fi- gur 3 zeigt auf der linken Seite die vorteilhafte Ausführung der Mischung bei der die magnetischen Partikel 1 von einer Lage der wesentlich kleineren Partikel des Matrixpulvers 3 vollständig bedeckt sind. Die matrixbeschichteten Partikel 5 sind hier vollständig bedeckte Mikropartikel 7 oder Nanopar- tikel 9 des Magnetpulvers. Figur 3 zeigt alternativ eine weitere vorteilhafte Ausführung der Mischung, bei der magneti- sehe Partikel 1 von einer Lage der wesentlich kleineren Partikel des Matrixpulvers 3 teilweise bedeckt sind. Entsprechend sind die erzeugten Mikropartikel 7 und Nanopartikel 9 des Magnetpulvers von Mikropartikel oder Nanopartikel des Matrixpulvers bedeckt. Mittels des erfindungsgemäßen mechani- sehen Mischens werden beispielsweise um mindestens eine Größenordnung kleinere Partikel eines Matrixpulvers 3 auf der Oberfläche der magnetischen Partikel 1 angehaftet. Dabei bildet sich eine teilweise oder besonders vorteilhaft vollständig geschlossene einlagige Schicht von Partikeln des Matrix- pulvers 3 auf den magnetischen Partikeln 1 aus. Die Schichtdicke ist demnach durch den Durchmesser der Partikel des Matrixpulvers 3 bestimmt. Dieser Durchmesser kann beispielsweise wenige Nanometer bis einige 100 Nanometer sein. Für mikrometergroße Magnetpartikel bzw. Mikropartikel 7, die beispiels- weise mittels eines Rascherstarrungsverfahrens gewonnen worden sind, ist der Anteil der Matrix auf weniger als 10 Vol.-% beschränkt. Die homogenen Ummantelung von magnetischen Partikeln 1 mit Matrixpartikeln ermöglicht in den darauffolgenden Verfahrensschritten einen Volumenmagneten mit maximierten Wechselstromwiderstand und reduzierten Wirbelstromverlusten bei zugleich lediglich geringer Reduktion der magnetischen Eigenschaften im Vergleich zu herkömmlichen seltenerdbasier- ten Sintermagneten herzustellen. Figur 3 zeigt einmal eine geschlossene Lage von Matrixpartikeln um Magnetpartikel 1 bzw. Mikropartikel 7 oder Nanopartikel 9. Figur 3 zeigt alternativ eine teilweise geschlossene Lage von Matrixpartikeln um Magnetpartikel 1, die Mikropartikel 7 oder Nanopartikel 9 sind. Figur 3 zeigt Zwischenprodukte nach dem erfindungsgemäßen mechanischen Mischen insbesondere unter einer Schutzgas- atmosphäre und bei einer bevorzugten Mischtemperatur. Das Mischen kann zusätzlich bei gleichzeitigem Ausführen von Rotations- oder Schüttel-Bewegungen ausgeführt werden. Figur 4 zeigt Ausführungsbeispiele zusätzlicher Verfahrensschritte. Figur 4 zeigt wie eine Pulvermischung gemäß Figur 3 in eine Form umgefüllt, unter einem externen beispielsweise magnetischen Feld M, vorzugsweise transversal zu einer Press- richtung eines Druckes P, orientiert und insbesondere gleichzeitig gepresst wird. Es werden Drücke P von einigen MPa bis GPa erzeugt. Gleichzeitig zum Orientieren und Formpressen oder nachgeschaltet wird ein Erstarren oder Aushärten der Matrix 3 thermisch oder chemisch aktiviert. Hierbei ist da- rauf zu achten, dass die zugeführte thermische Energie unterhalb des kritischen Werts für das Kristallitwachstum der magnetischen Partikel 1 liegt, sodass der Vorteil der nanokris- tallinen Struktur erhalten bleibt. In Folge der Bearbeitung entstehen Volumenprobekörper mit einem hohen Füllgrad von orientierten, homogenverteilten magnetischen Mikropartikeln 7 bzw. Nanopartikeln 9 in einer Matrix. Das unter den Prozessbedingungen viskose Matrixmaterial ermöglicht es den Magnetpartikeln 1 sich unter dem angelegten Druck in einer möglichst dichten Packung anzuordnen.

Figur 5 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines herkömmlichen kunststoffgebundenen Magnetwerkstoffs .

Figur 6 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen matrixgebundenen Magnetwerkstoffs mit einem hohen Füllgrad, der erfindungsgemäß durch eine dünne Beschichtung mit Matrixpartikeln bewirkt wird. Der Füllgrad kann mittels Variation des Verhältnisses von magnetischen Partikeln 1 zu Partikeln der Matrix 3 eingestellt werden. Aufgrund des hohen Füllgrads ist das Energieprodukt eines erfindungsgemäßen Magneten signifikant größer als das von gängigen kunststoffgebundenen Magneten gemäß Figur 5. Ebenso sind im erfindungsgemäßen Permanentmagneten Wirbelstromverluste deutlich reduziert im Vergleich zu den herkömmlichen Sintermagneten auf

Seltenderdbasis . Ein weiterer Vorteil eines erfindungsgemäß hergestellten Kompositmaterials, bestehend aus matrixbeschichteten Magnetpartikeln 1, in Verbindung mit der beschriebenen Kompaktierungsmethode ist die Möglichkeit einer endformnahen Fertigung von Magneten. Diese kann ebenso als Near-Net-Shape bezeichnet werden. Ein kosten- und zeitintensives Zerteilen von Magneten und anschließendes Zusammenfügen der Segmente ist erfindungsgemäß nicht notwendig. Zudem führt das Segmentieren zu Materialverlusten, die bei der erfindungsgemäßen Material- und Verfahrenskombination vermieden werden können .

Figur 6 zeigt eine Ansicht von Endprodukten, zu deren Herstellung jedes magnetische Mikropartikel 7 bzw. Nanopartikel 9 zunächst mit einer Lage von mikroskaligen Matrixpartikeln 11 bzw. nanoskaligen Matrixpartikeln 13 beschichtet werden. Die einzelnen Magnetpartikel 1 werden in einem externen Magnetfeld M das vorzugsweise transversal zur Pressrichtung orientiert ist, ausgerichtet und verdichtet, bevor die Matrixpartikel 3 mittels einer Aktivierung verbunden werden. Die Matrix übernimmt zwei Funktionen. Erstens eine Verbindung der einzelnen Magnetpartikel 1 zu einem hochgefüllten Volumenmagneten und zweitens eine magnetische und elektrische Isolation zur Unterdrückung von Wirbelströmen. Figur 6 zeigt beispielsweise einen Magneten der aus mikrometergroßen Magnetpartikeln 7 besteht die aus einem Rascherstarrungsprozess erhalten worden sind, wobei der Magnet einen Volumenfüllgrad von mehr als 90 Vol.-% aufweist. Dies ist wesentlich größer als der herkömmliche Füllgrad von < 80 Vol.-% für dieses Material .

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Permanentmagneten, und einen entsprechenden Permanentmagnet, mit den Schritten:

mittels einer hochenergetischen Hybridisierungseinrichtung H, insbesondere unter einer Schutzgasatmosphäre, bei einer eingestellten Betriebstemperatur, in einem trockenen Zustand ausgeführtes mechanischen Mischen MI eines aus magnetischen anisotropen Partikeln 1 bestehenden und eine nanokristalline Struktur aufweisenden Magnetpulvers mit Partikeln eines Matrixpulvers 3 und Erzeugen einer Matrixbeschichtung auf den magnetischen Partikeln 1; Orientieren und Formgeben der in ein externes Kraftfeld M und in eine Form eingebrachten matrixbeschichteten Partikel 5. Es können hohe Füllgrade geschaffen werden.

Claims

Patentansprüche

1. Verfahren zur Herstellung eines Permanentmagneten, gekennzeichnet durch die Schritte:

mittels einer hochenergetischen Hybridisierungseinrichtung (H) , insbesondere unter einer Schutzgasatmosphäre, bei einer eingestellten Betriebstemperatur, in einem trockenen Zustand ausgeführtes mechanischen Mischen (MI) eines aus magnetischen anisotropen Partikeln (1) bestehenden und eine nanokristalli- ne Struktur aufweisenden Magnetpulvers mit Partikeln eines Matrixpulvers (3) und Erzeugen einer Matrixbeschichtung;

Orientieren und Formgeben der in ein externes Kraftfeld (M) und in eine Form eingebrachten matrixbeschichteten Partikel (5) .

2. Verfahren nach Anspruch 1,

dadurch gekennzeichnet, dass

die Partikel des Magnetpulvers Mikropartikel (7) sind, insbesondere Pulverplättchen sind und insbesondere aus einem Rascherstarrungsverfahren erzeugt wurden.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2,

dadurch gekennzeichnet, dass

die Partikel des Magnetpulvers seltenerdfreie ferromagneti- sehe anisotrope Nanopartikel (9) sind, die insbesondere synthetisiert wurden.

4. Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3,

dadurch gekennzeichnet, dass

die Partikel des Matrixpulvers Mikropartikel (11) oder Nanopartikel (13) sind und insbesondere um mindestens eine Größenordnung kleiner als die Partikel des Magnetpulvers sind.

5. Verfahren nach Anspruch 1, 2, 3 oder 4,

dadurch gekennzeichnet, dass

das Matrixpulver aus organischen oder anorganischen Partikeln besteht .

6. Verfahren nach Anspruch 5,

dadurch gekennzeichnet, dass

das organische Material ein Kunststoff, insbesondere Phenyl Sulfid, Polyamid oder Epoxid, und das anorganische Material ein Glaspulver, insbesondere Lotglas, ist.

7. Verfahren nach Anspruch 6,

dadurch gekennzeichnet, dass

der Kunststoff eine Thermoplast oder ein Duroplast ist.

8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 3 bis 7 ,

gekennzeichnet durch

Synthetisieren von ferromagnetischen anisotropen Nanoparti- kein.

9. Verfahren nach Anspruch 8,

dadurch gekennzeichnet, dass

die Nanopartikel einen Kern oder Kern-Schalenaufbau und ins- besondere eine Schutzschicht aufweisen.

10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass

nach dem Mischen ein Komposit in Pulverform vorliegt.

11. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass

das Orientieren und Formgeben gleichzeitig ausgeführt werden.

12. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass

beim oder nach dem Formgeben die Matrix erstarrt oder aushärtet.

13. Verfahren nach Anspruch 12,

dadurch gekennzeichnet, dass

das Erstarren und/oder Aushärten aktiviert, insbesondere thermisch aktiviert, wird.

14. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass

die Partikel des Magnetpulvers Co, Fe, Ni oder Mn aufweisen und/oder nasschemisch synthetisiert werden.

15. Verfahren nach Anspruch 9,

dadurch gekennzeichnet, dass

der Kern aus einem weichmagnetischen und die Schale aus einem hartmagnetischen Material bestehen oder umgekehrt ausgebildet sind .

16. Verfahren nach Anspruch 9,

dadurch gekennzeichnet, dass

die Schutzschicht aus Kohlenstoff besteht und mittels Lagerung der Nanopartikel für einen Zeitraum von einigen Stunde und Temperaturen im Bereich von circa 250°C bis 350°C in ei ner organischen Flüssigkeit erzeugt wurde.

17. Verfahren nach Anspruch 9,

dadurch gekennzeichnet, dass

die Schutzschicht aus Siliziumdioxid besteht und mittels Hydrolyse und Polykondensation von Silan-Verbindungen in einem polaren Lösungsmittel erzeugt wurde.

18. Permanentmagnet,

dadurch gekennzeichnet, dass

dieser mittels eines Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche erzeugt wurde.