- VACUUMSCHMELZE GmbH & Co. KG

Duroplastgepresste Magnete – Werkstoffe, Verfahren und Eigenschaften
G. W. Reppel
Vacuumschmelze GmbH & Co. KG, Postfach 2253, 63412 Hanau
Das Pressverfahren ermöglicht als Formgebungsverfahren für gebundene Magnete hohe Packungsdichten bis zu 84%. Die höchsten Packungsdichten werden durch Warmpressen erreicht, aber bei geeigneter Wahl des duroplastischen Binders können durch Kaltpressen mit nachfolgender Aushärtung
ähnlich hohe Werte erzielt werden. Die hohe Verdichtung in Verbindung mit guter Ausrichtung der
Partikel in hohen Magnetfeldern führt mit den jüngst nach dem HDDR (Hydrogenation Disproportionation Desorption Recombination)-Verfahren entwickelten anisotropen Nd-Fe-B-Pulvern zu gebundenen Pressmagneten mit 1,0 T Remanenz und 1060 kA/m Koerzitivfeldstärke HcJ. Das hohe Energieprodukt der neuartigen Verbundmagnete und die gute Maßhaltigkeit werden neue Anwendungen, z.B.
in Servomotoren, erschließen. Für Temperaturen über 120°C und für Sensoranwendungen, bei denen
ein geringer Temperaturkoeffizient erforderlich ist, stehen anisotrope gebundene Sm-Co Magnete zur
Verfügung.
1. Einleitung
Kunststoffgebundene Magnete sind aufgrund ihrer vielfältigen Formgebungsmöglichkeiten äußerst attraktiv: während gesinterte Magnete in der Regel noch durch
Trennenschleifen, Erodieren oder Schleifen zu einem maßgenauen Formteil bearbeitet werden müssen, ermöglicht die Herstellung der gebundenen Magnete durch
Spritzgießen, Pressen oder Extrudieren Toleranzen, die eine weitere Bearbeitung –
obwohl möglich— überflüssig machen. Zusätzlich bieten die Kunststofftechniken ohne wesentlichen Mehraufwand eine größere Vielfalt an Gestaltungsmöglichkeiten, so
dass konstruktive Elemente Berücksichtigung finden oder andere Bauteile bereits bei
der Herstellung integriert werden können, beispielsweise durch MehrkomponentenSpritzgießen von Schrittmotor-Rotoren.
Beim Pressverfahren verringern sich zwar die Freiheitsgrade in der Teilegestaltung
gegenüber dem Spritzguss, allerdings werden mittels Pressen die besten Magneteigenschaften erreicht; außerdem gilt das Pressen aufgrund möglicher kurzer Taktzeiten als sehr produktives Verfahren. Die Einschränkungen in der Teilegeometrie, wie
sie aus der Pulvermetallurgie bekannt sind, gelten auch hier: da die Teile aus dem
Werkzeug ausgestoßen werden müssen, sind parallele Seitenflächen erforderlich;
Hinterschneidungen oder Querbohrungen sollten vermieden werden. Da es für hochwertige Magnete meist nicht sinnvoll ist, teures Material für nicht-magnetische Funktionen zu „verschwenden“, sind hier in den meisten Fällen die Geometriebeschränkungen nicht schwerwiegend.
Daher ist es verständlich, dass bei kunststoffgebundenen Seltenerd (SE)-Magneten
das Pressverfahren eine größere Verbreitung gefunden hat als das Spritzgießen.
Diese Magnete finden überwiegend in Motoren Anwendung, z.B. in Geräten der Unterhaltungselektronik, der Automation und in PC- Laufwerken, der Automobiltechnik,
in Haushaltsgeräten, in batteriegespeisten Werkzeugen etc. . Häufigste Bauformen
sind Ringe, Schalen oder Scheiben, die sich günstig presstechnisch herstellen lassen.
In jüngster Zeit, seit etwa 2002, haben Fortschritte bei der Materialherstellung (insbesondere bei Nd-Fe-B) große Impulse ausgelöst, die zu noch leistungsfähigeren gebundenen Magneten und zu einer weiteren Verbreitung führen werden. Die z. T.
schon realisierte wesentliche Steigerung der Energiedichte gegenüber den bisher
bekannten Verbundmagneten ermöglicht neue Anwendungsfelder: so wird erwartet,
dass die neuen Magnete verstärkt neue Applikationen im Automobilbau in Servomotoren und Sensoren erschließen [1], s. Bild 1. Die Leistungsstärke dieser Magnete
kann als größere Motorenleistung oder in einer weiteren Miniaturisierung, der Einsparung von Volumen und Gewicht, genutzt werden. Durch optimierte Konstruktion lassen sich häufig höhere Wirkungsgrade erreichen.
In Japan [2] ist es bereits gelungen, einen Lüftermotor, der bisher 2 Ferritschalen
bestückt war, konstruktiv angepasst auf die neuartigen gepressten Nd-Fe-B-Magnete
so zu gestalten, dass der Motor bei gleicher Leistung nur noch ca. 50% des Gewichts
und des Volumens benötigt, s. Bild 2. Der Motor wird jetzt mit einem anisotropen
4poligen Ringmagneten, der ein hohes Energieprodukt von ca. 180 kJ/m³ aufweist,
ausgerüstet.
Bild 1: Verwendung von Dauermagneten in Motoren und Sensoren im Automobil
nach [1].
Bild 2: Neukonstruktion und Ersatz eines Motors mit 2 Ferritschalen durch einen
4poligen Nd-Fe-B Ringmagneten nach [2].
Die derzeitige Bedeutung der kunststoffgebundenen Magnete kann aus folgenden
Daten ersehen werden: nach Angaben von Harada [3] betrug der Produktionsmarkt
dieser Magnete 2002 etwa 1095 Mio $ weltweit, davon haben die gebundenen SEMagnete einen Anteil von 415 Mio $, der Rest sind gebundene Ferritmagnete (einschließlich flexibler Ferritmagnete). Mengenmäßig übertreffen die kunststoffgebundenen Ferritmagnete die SE-Magnete bei weitem: von der Gesamtmenge 146.000 t in
2002 rechnet man 3.660 t den gebundenen SE-Magneten zu. Der größte Anteil innerhalb der SE-Magnetmenge wiederum sind isotrope Nd-Fe-B- Pressmagnete (s.u.).
Im folgenden werden die am Markt verfügbaren Magnetwerkstoffe unter besonderer
Berücksichtigung der anisotropen SE-Legierungen und die verschiedenen presstechnischen Herstellverfahren behandelt. Die Eigenschaften von duroplastgebundenen
SE-Magneten werden berichtet und weitere Entwicklungen aufgezeigt.
2. Anforderungen an einen kunststoffgebundenen Magneten
Die Entwicklung hochwertiger kunststoffgebundener Magneten zielt darauf ab
•
die magnetischen Eigenschaften bei Raumtemperatur wie Remanenz Br, Koerzitivfeldstärke HcJ der magnetischen Polarisation und Energiedichte (BH)max zu
steigern,
•
eine bzgl. Handhabung und der Anwendung angemessene Festigkeit zu gewährleisten, und
•
auch für die Arbeitsbedingungen unter erhöhter Temperatur und evtl. korrosiven
Bedingungen die ausreichende Funktion in magnetischer und mechanischer Hinsicht sicherzustellen.
Obwohl für Anforderungen im Detail sehr stark durch die jeweilige Applikation bestimmt werden und weitere Eigenschaften wie z.B. Klebefähigkeit hohe Bedeutung
haben können, wurde in Tabelle 1 versucht, die wesentlichen Beeinflussungsmöglichkeiten durch die pulverförmigen Magnetwerkstoffe, die Kunststoffbinder oder die
Formgebung zu gewichten. Danach ist die Wahl und Weiterentwicklung des Magnetpulvers für nahezu alle Eigenschaften von großer Bedeutung, aber auch die Formgebung kann z.B. auf die Remanenz einen starken Einfluss ausüben. Mit geschickter
Wahl und Optimierung der Binderzusammensetzung werden nicht nur die Herstellung
hochgefüllter Magnete ermöglicht, sondern auch die Festigkeitseigenschaften und die
Korrosionsbeständigkeit wesentlich beeinflusst.
Tabelle 1: Wesentliche Einflüsse auf die Eigenschaften der Verbundmagnete
X = hohe , O = mittlerer, -- = geringe Beeinflussung
Eigenschaft
Bez.
Einheit
Remanenz
Br
Koerzitivfeldstärke
Energiedichte
Spezifischer elektrischer
Widerstand
Festigkeit
Temperaturbeständigkeit
(Magnetik)
Temperaturbeständigkeit
(Mechanik)
Korrosionsbeständigkeit
Binder
Formgebung
T
Magnetpulver
X
X
X
HcJ
kA/m
X
--
--
(BH)max
kJ/m³
X
O
X
ρ
Ωm
O
X
O
σb
N/mm²
X
X
O
∆Jr’
%
X
X
O
σb
N/mm²
X
X
O
µg/cm²
X
X
O
…..
Magnetpulver aus bestimmten Seltenerdlegierungen sind aufgrund intrinsischer Eigenschaften, z.B. aufgrund hoher Sättigungspolarisation Js, prädestiniert für hochwertige gebundene Magnete. Im Unterschied zu Magnetpulvern für Sintermagnete müssen diese Pulver ein mikro- bzw. nanostrukturiertes Gefüge aufweisen [4], um unter
üblichen Einsatzbedingungen ausreichend alterungsstabil zu sein. Im Falle eines
isotropen Magnetpulvers sind die magnetischen Momente der Kristallite regellos verteilt, bei anisotropen Pulvern dagegen in einer Vorzugsrichtung orientiert, s. Bild 3.
Diese Orientierung ermöglicht bei anisotropen Pulvern die Ausrichtung der Pulverteilchen in einem Magnetfeld, sofern die Partikel noch beweglich sind und ein magnetisches Moment besitzen.
Bild 3: Schematische Darstellung (a) isotroper , bzw. (b) anisotroper Pulverteilchen
mit nanostrukturiertem Gefüge. Pfeil: Vorzugs- bzw. Magnetfeldrichtung
Mit isotropen Pulvern ist die maximal erreichbare Remanenz auf die halbe Sättigungspolarisation der Legierung begrenzt, im Falle Nd2Fe14B sind es ca. 0,8T:
Jr =
JS
(1)
2
Bei anisotropen Pulvern hängt es von der Güte des Pulverherstellprozesses in Bezug
auf die Perfektion der Textur und den Anteil der hartmagnetischen Phase ab, wie weit
die Remanenz der Pulverteilchen sich der Sättigungspolarisation nähert. Im Falle anisotroper Nd-Fe-B-Pulver, die nach dem HDDR-Verfahren (s.u.) hergestellt werden,
wird derzeit eine Remanenz von ca. 0,85 Js erzielt.
In die Energiedichte (BH)max geht die Remanenz quadratisch ein, aber auch die
Rechteckigkeit der Entmagnetisierungskurve J(H), die sich in der reversiblen Permeabilität µrev ausdrückt, spielt eine wesentliche Rolle:
( BH ) max =
J r2
4 ⋅ µ o ⋅ µ rev
(2)
Die in der vorliegenden Untersuchung für Pressmagnete verwendeten Nd-Fe-B Pulver weisen Kristallitgrößen zwischen 10 und 300 nm auf. Die mittlere Teilchengröße
liegt dagegen bei 80….150 µm, s. Teilchengrößenverteilung in Bild 4. Im Falle der
Hartferritpulver liegt die Primärteilchengröße bei ca. 1-2 µm.
100
Kumulierte Häufigkeit [%]
75
Nd-Fe-B anisotrop
(MFP-12)
50
25
Nd-Fe-B isotrop (MQP-B)
Sm-Co (VX 240AK)
0
10
100
Teilchengröße [µm]
1000
Bild 4: Teilchengrößenverteilung von SE-Pulvern für Pressmagnete
Um einen leistungsstarken kunststoffgebundenen Magneten herzustellen, ist es weiterhin erforderlich, eine möglichst hohe Packungsdichte PD und eine gute Ausrichtung, die als Orientierungsgrad OG gemessen werden kann, einzustellen:
B
R
= OG ⋅ PD ⋅ J S , P
(3)
Der Orientierungsgrad des Magneten wird einerseits durch den Anisotropiegrad
γ
des Pulvers, andererseits durch den Orientierungsgrad der Formgebung γ
be-
M
P
stimmt. Weiterhin sollte bei der Herstellung möglichst noch keine magnetische Schädigung (Alterung) auftreten, die man mit einem Alterungsfaktor δ beschreiben kann:
B = γ ⋅γ
R
P
M
⋅ PD ⋅ δ ⋅ J S , P = PM ⋅ J r , P
Somit kann die Remanenz als Produkt einer Prozessgüte
(4)
P
M
=γ
Formgebung (Magnetherstellung) und der Pulverremanenz
M
⋅ PD ⋅ δ
J
r ,P
der
= γ ⋅ J S ,P
P
beschrieben werden (der Index P soll auf die Pulvereigenschaft, im Unterschied zur
Magneteigenschaft, hinweisen). Durch entsprechende Messverfahren für die einzelnen Größen können die Einflussfaktoren auf die Magnetremanenz Br analysiert und
optimiert werden.
3. Magnetpulver: Legierungen, Herstellverfahren, Eigenschaften
Die wesentlichen Herstellverfahren für isotrope und anisotrope SE-Pulver sind in den
beiden folgenden Bildern 5 und 6 zusammengefasst.
Rascherstarrung
Verdüsung
Mechanisches
Legieren
Weitere:
Schmelze
Direktreduktion
Gas
Chem. Reduktion mit Ca
HD-Verfahren
Hydrogen Decripitation
Pulver
Bild 5:
Verfahren zur Herstellung von isotropen SE-Pulvern für Pressmagnete:
(a) Rascherstarrung, (b) Verdüsung , (c) Mechanisches Legieren bzw. Intensivmahlen.
HDDR-Verfahren
Hydrogenation
Disproportionation
Desorption
Recombination
Magnetzerkleinerung
Nitrierung
Heißumformung
H
N
2= Nd-Fe-B bei H-Aufnahme
25= Nd-Fe-B bei der Rekombination
Nd-Fe-B
Sm-Co
Sm-Fe-N
Bild 6:
Verfahren zur Herstellung von anisotropen SE-Pulvern für Pressmagnete:
(a) HDDR Verfahren, (b) Heißumformung , (c) Magnetzerkleinerung, (d) Nitrierung
Unter den derzeit gefertigten gebundenen SE-Magneten dominieren eindeutig NdFe(Co)-B-Legierungen, die durch Rascherstarrung (melt spinning) hergestellt werden
(Bild 5). Durch Steuerung der hohen Abkühlgeschwindigkeit von etwa 106 K/s, ggf.
mit nachfolgender Wärmebehandlung, kann ein relativ gleichmäßiges nanokristallines
Gefüge (ca. 200 nm) eingestellt werden. Man erhält ein Band von ca. 30 µm Dicke,
das nach Mahlen ein plättchenförmiges Pulver ergibt, s. Bild 5. Durch Hochdruckverdüsung mit Helium ist es gelungen, mit modifizierter Zusammensetzung ein kugeliges
feines Pulver zu erzeugen, das sich besonders gut für den Spritzguss eignet [5]. Mit
Hilfe des Mechanischen Legierens bzw. Intensivmahlens [6], einer Direktreduktion
aus den SE-Oxiden mit Kalzium oder über den HD-Prozess (Hydrogen Decripitation),
einer thermischen Wasserstoffbehandlung, gelingt ebenfalls die gewünschte Kornfeinung, jedoch haben sich diese Verfahren nicht durchgesetzt.
Anisotrope SE-Pulver konnten seit langem durch Zerkleinerung von anisotropen Sintermagneten hergestellt werden. Für Sm-Co mit der hartmagnetischen Sm2Co17 Phase ist das ein praktikabler Weg, der auch im Verbundmagneten zu hervorragenden
Magneteigenschaften führen kann, s. u. Im Falle Nd-Fe-B kann eine Anisotropie
durch Heißumformprozesse wie Heißschmieden, -walzen oder Strangpressen erzeugt und anschließend durch Mahlen Pulver hergestellt werden [7]. Allerdings ist die
Alterungsstabilität solcherart gefertigter Magnete oft nicht befriedigend, da es Schwierigkeiten bereitet, die Korngröße ausreichend fein zu erzeugen.
Mishima et al. [8] ist es neuerdings gelungen, den so genannten HDDR-Prozess (
Hydrogenation Disproportionation Desorption Recombination) zu einem stabilen Fertigungsprozess zur Herstellung anisotroper nanokristalliner Nd-Fe-B-Pulver unterschiedlicher Koerzitivfeldstärken weiter zu entwickeln. Bei diesem thermischen Prozess in Vakuum bzw. in Wasserstoff findet ein vollständiger Zerfall des groben Gefüges eines erschmolzenen Materials mit anschließender Rekombination wiederum zur
hartmagnetischen Phase Nd2Fe14B statt, wobei allerdings ein feinstkörniges Gefüge
entsteht, in dem die Kristallorientierung des Ausgangskorns für alle neuen Kristallite
erhalten bleibt [8,9]. Bild 6a zeigt einen Röhrenofen, in dem abwechselnd exo- bzw.
endothermische Reaktionen in zwei getrennten Kreisläufen durchgeführt werden, um
so eine konstante Prozesstemperatur einhalten zu können [10]. Mit diesen HDDRNd-Fe-B-Pulvern werden z. Z. die höchsten Pulverremanenzen erzielt, s. Tabelle 2.
Tabelle 2:
Magnetwerkstoffe (Pulver) für gebundene Magnete
Werkstoffklasse
Typ
Ba-, SrHartferrit
Hartferrit
Werkstoffe
Basis
anisotrop
/ isotrop
Pulver Br [T]
Koerzitivfeldstärke HcJ
[kA/m]
TK (Br)
[%/K]
TK (HcJ)
[%/K]
6 Fe2O3 BaO
I
0,2
170…230
-0,2
0,2…0,5
6 Fe2O3 BaO
A
0,4
170…240
-0,2
0,2…0,5
0,44
400
1,05
720..1100
-0,045
-0,25
-0,035
-0,20
-0,07
-0,50
Sr1-xLaxFe12-yCoyO19
Sm-Co 1/5
SmCo5
Sm-Co 2/17
Sm (Co,Fe,Cu,Zr)
Sm-Fe-N
Sm2Fe17N3
A
A
1,2
640…960
2
17
7. Presstechnische
Formgebung
von kunststoffgebundenen
Magneten
A
1,2
740…900
Nd-Fe-B
0,75…0,95
640…1400
2Fe14B
Die
wesentlichen Nd
Herstellverfahren
fürI isotrope
und anisotrope
SE-Pulver sind
-0,07..-0,13
-0,4..-0,5
Lean Neo,
Nanocomposites
Nd2Fe14B/Fe3B
I
0,8..1,2
350...1100
-0,08
-0,32..0,4
Nd-Fe-B
Nd2Fe14B
A
1,2…1,4
920…1400
-0,11
-0,45
Die Tabelle 2 gibt eine Übersicht über einige Werkstoffkennwerte von isotropen und
anisotropen Magnetpulvern. Die Koerzitivfeldstärke HcJ und die Temperaturkoeffizienten TK können bei der Formgebung nicht mehr wesentlich geändert werden (es sei
denn, es tritt eine unerwünschte Schädigung durch Korrosionseffekte ein. U.U. sind
jedoch auch Mischungen zur Herstellung so genannter Hybridmagnete sinnvoll. In
diesem Fall lassen sich maßgeschneiderte Temperaturkoeffizienten in einem bestimmten Temperaturbereich einstellen [11]).
Das durch Nitrierung in Stickstoff oder Ammoniak hergestellte feine Sm-Fe-N-Pulver
eignet sich insbesondere für anisotrope Spritzgussmagnete [12]. In neueren Entwicklungen wird versucht, die magnetische Austauschkopplung der fein dispergierten
hartmagnetischen Nd2Fe14B Phase in einer Fe3B Matrix zu nutzen („lean Neo“, nanocomposites). Diese isotropen Pulver weise eine gute Korrosionsbeständigkeit auf
[13].
4. Formgebungsverfahren für gebundene Pressmagnete
Da für gebundene Pressmagnete hohe Packungsdichten der Magnetpulverlkomponente angestrebt werden, ähnelt die presstechnische Herstellung der Verbundmagnete stark den pulvermetallurgischen Verfahren. Metallpulver, pulverförmiger Binder
und Presshilfsmittel werden trocken gemischt und in ein Werkzeug gefüllt. Es kann
vorteilhaft sein, beispielsweise um Entmischungen vorzubeugen, das Metallpulver mit
dem Kunststoffbinder zu beschichten, z. B. aus einer Lösung des Bindermittels, die
beim Mischen getrocknet wird, oder aus der schmelzflüssigen Phase des Kunststoffs.
Als duroplastische Binder haben sich Epoxidharze bewährt, die auf den Pressprozess
– Kalt- oder Warmpressen – abgestimmt sein müssen (Topfzeit, Härteverlauf, Festigkeit….). Als weitere Kunststoffbinder sind Phenol- und Polyimidharze eingesetzt worden. Der Volumenanteil der Binderkomponente einschließlich der Schmiermittel und
Zusätze im Pressmagneten beträgt typischerweise zwischen 8 und 25%.
Bei isotropen Magneten ist die Formgebung im Prinzip einfach, da kein Magnetfeld
benötigt wird. Beim Pressen anisotroper gebundener Magnete muss vor und während
der Verdichtung ein ausreichendes Magnetfeld auf die Magnetpartikel einwirken. Je
nach gewünschter Vorzugsrichtung unterscheidet man zwischen Axial-, Transversal-
oder Radialfeldpressen, s. Bild 7. Auch eine multipolare Orientierung, z. B. mit n
wechselnden Polen am Außenumfang eines Rings, ist möglich. Den höchsten Orientierungsgrad erhält man bei einer Ausrichtung des Pulvers quer zur Verdichtungsrichtung, da die von den Teilchen gebildete magnetischen Ketten dann beim Verdichten
am wenigsten gestört werden.
Spule1
Spule1
Spule1
Spule2
Stempel
Spule2
Stempel
Spule2
Dorn
Stempel
Bild 7: Magnetfeldpressen zur Herstellung anisotroper Magnete (a) im axialen Feld,
(b) im transversalen Feld, (c) im radialen Feld
Es haben sich zwei duroplastische Pressprozesse etabliert: das Kalt- und das Warmpressen. Beim Kaltpressen erfolgt die Verdichtung bei oder nahe Raumtemperatur,
anschließend wird das Formteil in einem Ofen, typischerweise zwischen 100 und
200°C, gehärtet. Beim Warmpressen wird die Härtung ganz oder teilweise im Presswerkzeug vorgenommen. Dies führt zwar zu besserer Festigkeit beim Entformen,
macht allerdings auch den Vorgang langsam. Um dem zu begegnen, wird fallweise
mit mehrstufigen Pressautomaten gearbeitet: in einer ersten Station wird das Compound im Magnetfeld orientiert und kalt vorgepresst, in einer weiteren bei erhöhter
Temperatur und hohem Druck ohne Feld fertig gepresst [14].
Vor dem Einsatz in einem Bauteil (fallweise auch nachher) werden die Pressmagnete
in einem Magnetfeld „aufmagnetisiert“.
Es können Maßtoleranzen von 0,3….0,6% des Nennmaßes, ähnlich wie bei Spritzgussteilen erreicht werden (in der Pressrichtung kann die Toleranz etwas größer als
für ein werkzeuggebundenes Maß sein), so dass i. a. keine Nachbearbeitung erforderlich ist. Eine bevorzugte Teilegeometrie für Motormagnete sind Ringmagnete, s.
Bild 8. Bei Ringmagneten sind Wandstärken von 0,8 mm aufwärts, abhängig von der
Presshöhe, realisierbar.
Im Folgenden werden die presstechnischen Randbedingungen für die Herstellung
anisotroper SE-Magnete näher untersucht.
Bild 8: Pressmagnete aus SE-Werkstoffen
5. Eigenschaften von gebundenen Pressmagneten
Für ein mittels HDDR hergestelltes anisotropes Nd-Fe-B-Pulver der mittleren Teilchengröße von 80 µm wurden zwei Binder „DB“ und „LB“ auf Expoxidharzbasis entwickelt. Die Verdichtungskurven bei RT der beiden Compounds mit gleichem Volumenanteil des Binders zeigt Bild 9. Mit dem Binder LB gelingt es, auch im Kaltpressverfahren ähnlich hohe Packungsdichten, bis zu 82% bei 980 MPa Pressdruck, zu
erzielen wie im Warmpressverfahren. Der Orientierungsgrad fällt für beide Compounds annähernd gleich aus und ist kaum pressdruckabhängig, s. Bild 10. Allerdings erhält man mittels Transversalfeldpressen eine um etwa 5% verbesserte Ausrichtung und damit 5% höhere Remanenz als mit Axialfeldpressen.
85
Transversales Feld TP
80
Orientierungsgrad [%]
LB
75
DB
70
65
DB
80
LB
75
Axiales Feld AP
DB
70
65
300
500
700
Preßdruck [MPa]
900
300
500
700
Preßdruck [MPa]
900
Bild 9:Verdichtungskurven von Nd-Fe-B
Bild 10: Preßdruckabhängigkeit der
Compounds DB und LB.
des Orientierungsgrads, Axialfeld
und Transversalfeld gepresst
Packungsdichte und Biegebruchfestigkeit verlaufen bei dem Compound DB gegenläufig, wenn man den Binderanteil betrachtet, s. Bild 11. Eine Biegebruchfestigkeit
80
90
79
80
78
70
77
60
76
50
75
40
74
30
73
20
72
71
Biegebruchfestigkeit [N/mm²]
größer als 30 N/mm2 gilt für die meisten Magnetanwendungen als ausreichend.
Packungsdichte [ % ]
Packungsdichte PD [%]
85
10
Packungsdichte
Biegebruchfestigkeit
70
0
0
5
10
15
20
Vol.-Anteil Binder [ % ]
Bild 11: Einfluß des Bindergehalts auf die Packungsdichte und Biegebruchfestigkeit
von Nd-Fe-B Compound DB, Pressdruck 780 MPa
Die zu einer guten Orientierung anisotroper Magnete erforderliche Feldstärke hängt
stark von dem verwendeten Magnetpulver ab. Während man beim Pressen von Hartferriten bereits mit 0,2 T eine gute Ausrichtung erzielt, benötigt man für
Sm2(Co,Cu,Fe,Zr)17 Feldstärken von mindestens 1,9 T, s. Bild 12 (a). Wenn man
jedoch das Pulver vor dem Ausrichten einem hohen Pulsfeld von
> 5 T aussetzt („vormagnetisiert“) und damit ein magnetisches Moment in den Teilchen erzeugt, gelingt die Ausrichtung auch bei niedrigeren Feldstärken. Bei einem
HDDR-Nd-Fe-B-Pulver mit HcJ von 1320 kA/m ist der Einfluss der Vormagnetisierung
nicht ganz so ausgeprägt, s. Bild 12 (b). Sofern man in diesem Fall ein Orientierungsfeld größer 0,6 T zur Verfügung hat, kann man einen Vorteil aus der Vormagnetisierung ziehen. Bei geringeren Ausrichtfeldern sind die magnetischen Anziehungskräfte in den magnetischen Agglomeraten größer als die Ausrichtkräfte des äußeren
Feldes.
Der Grund für das unterschiedliche Orientierungsverhalten ist in der Magnetisierverhalten der SE-Legierungen zu sehen: bei Sm2(Co,Cu,Fe,Zr)17 wird die Magnetisierung von Pinning-Prozessen bestimmt, während bei Nd-Fe-B der KeimbildungsMechanismus dominiert.
85
85
Sm-Co
80
AP
70
65
60
55
vormagnetisiert
75
Orientierungsgrad [ % ]
75
Orientierungsgrad [%]
80
vormagnetisiert
70
nicht vormagnetisiert
65
60
Nd-Fe-B
55
nicht vormagnetisiert
TP
50
50
45
45
0
0,5
1
Orientierungsfeld [T]
1,5
2
0
0,5
1
Orientierungsfeld [ T ]
1,5
Bild 12: Feldabhängigkeit des Orientierungsgrades von (a) im Axialfeld gepressten
Sm-Co-Magneten (HcJ = 760 kA/m), (b) im Transversalfeld gepressten Nd-Fe-B
(HDDR) Magneten (HcJ = 1320 kA/m), jeweils mit und ohne PulverVormagnetisierung im Pulsfeld 5 T
Mit dergestalt optimierten Bedingungen wird mit HDDR-Nd-Fe-B Pulver eine Remanenz von 1,0 T und eine Energiedichte (BH)max von 158 kJ/m³ bei einer Koerzitivfeldstärke HcJ von 1060 kA/m im transversalen Feld erreicht (Kaltpressverfahren, PD
= 82%), s. Bild 13. Bei Verwendung eines hochkoerzitiven Pulvers, HcJ = 1300 kA/m,
beträgt die Remanenz 0,89 T ((BH)max = 132 kJ/m³).
Zum Vergleich: mit der gleichen Pulverqualität hat man im Spritzgussverfahren eine
Packungsdichte von 65% und eine Remanenz von 0,71 T erhalten [15]. Die bisher
bzgl. der Energiedichte besten anisotropen (Nd-Fe-B-) Pressmagnete sind im Warmpressverfahren mit spezieller Pulverbehandlung erzielt worden: Br = 1,1 T, (BH)max =
212 kJ/m³ [16].
2
J,B[T]
1,2
Nd-Fe-B Pressmagnet
VACOBOND NCA 158/103
1
VACOBOND NCA 158/103
Br =
0,995 T
570 kA/m
HcB =
HcJ =
1060 kA/m
(BH)max =
158 KJ/m³
132/20
0,885 T
558 kA/m
1300 kA/m
132 kJ/m³
Nd-Fe-B Pressmagnet
VACOBOND NCA 132/120
0,8
0,6
Nd-Fe-B
Spritzgußmagnet
0,4
0,2
0
-1600
-1400
-1200
-1000
-800
-600
-400
-200
0
H [kA/m]
Bild 13: Entmagnetisierungskurven von Transversalfeld-gepressten Nd-Fe-B Magneten. Anisotroper Spritzguß-Werkstoff nach [15] zum Vergleich
Bild 13A zeigt das Gefüge des hochverdichteten
kaltgepressten Nd-Fe-B-Magneten.
Bild 13A
Sm-Co Pressmagnete, hergestellt aus dem Pulver VACOMAX 240AK, bestechen
durch die sehr gute Rechteckigkeit ihrer Entmagnetisierungskurve, s. Bild 14. Es
wurden 0,796 T Remanenz bei einer Koerzitivfeldstärke HcJ = 757 kA/m erreicht
((BH)max = 116 kJ/m³).
J[T]
0,9
Sm-Co Pressmagnet
VACOBOND SCA 116/76
0,8
0,7
VACOBOND SCA 116/76
Br = 0,796T
HcB = 530 kA/m
HcJ = 757 kA/m
(BH)max = 116 kJ/m³
0,6
0,5
0,4
0,3
Sm-Co Spritzgußmagnet
0,2
0,1
0
-1200
-1000
-800
-600
-400
-200
0
H [ kA/m ]
Bild 14: Entmagnetisierungskurve bei RT eines Transversalfeld-gepressten
Sm2(Co,Cu,Fe,Zr)17 Magneten. Anisotroper Spritzguß-Werkstoff zum Vergleich.
Einige typische physikalische Daten von SE-Press- und Spritzgussmagneten sind in
der Tabelle 3 aufgeführt. Der spezifische elektrische Widerstand liegt bei gebundenen SE-Magneten um mindestens eine Größenordnung höher als für die entsprechenden gesinterten Magnete, so dass Wirbelstromverluste hier nicht zu befürchten
sind.
Die angegebenen Festigkeitswerte bringen die vom Anwender geschätzte geringere
Empfindlichkeit von Kantenabbrüchen bei gebundenen Magneten gegenüber Sintermagneten nur unzureichend zum Ausdruck.
Tabelle 3: Typische physikalische Daten für Nd-Fe-B und Sm-Co Press- und Spritzgussmagnete
Curietemperatur
TK (Br)
20....100°C
TK (HcJ)
20....100°C
Nd-Fe-B Sm-Co
Preßmagnete
310..340 ca. 800
-0,11
-0,03
-0,45
-0,15
°C
%/K
%/K
Spez. elektr. Widerstand
mΩ cm
Therm. Ausdehungskoeffizient 10-6/K
20...100°C
E-Modul
MPa
Biegefestigkeit
MPa
Druckfestigkeit
MPa
Härte (Vickers)
HV
2
13
2
15
50-80
290000
65
Nd-Fe-B Sm-Co
Spritzgußmagnete
310
ca. 800
-0,13
-0,03
-0,50
-0,15
> 40
25
> 60
30
60
290000
35
100
110
Für eine vollständige Magnetisierung der gebundenen isotropen und anisotropen SEMagnete sind hohe Feldstärken erforderlich, s. Bild 15. Für einen hochkoerzitiven
gebundenen Nd-Fe-B Magneten (HcJ = 1360 kA/m) bzw. einen Sm-Co 2/17 Pressmagneten sollten möglichst 4 T bzw. 2,7 T bereitgestellt werden. Die Mindestfeldstärke hängt außer von der Koerzitivfeldstärke noch von dem Entmagnetisierzustand ab
(falls nach dem Pressen entmagnetisiert wurde): magnetisiert man in der gleichen
Richtung auf (DC+) wie bei der Herstellung, nachdem der Magnet durch einen Gegenpuls
(DC)
entmagnetisiert
wurde,
so
benötigt
man
geringere
Auf-
magnetisierfeldstärken als nach einer Wechsfeld- Entmagnetisierung (AC) oder einem Magnetisieren entgegensetzt zur eingeprägten Magnetisierungsrichtung (DC-).
Grad der Magnetisierung [ % ]
100
90
NdFeB aniso
NdFeB
gesintert
HcJ = 960kA/m
HcJ = 1360kA/m
DC+
NdFeB aniso
HcJ = 1360kA/m
80
AC
SmCo VX 240AK
70
HcJ = 780kA/m
DC+
B/µ0H =ca. -2,7
60
50
0
1
2
3
4
Aufmagnetisierungs-Feldstärke [ T ]
5
Bild 15: Aufmagnetisierungskurven einiger gebundener SE-Magnetwerkstoffe. Anisotroper Nd-Fe-B Sinterwerkstoff zum Vergleich. AC = Wechselfeld-, DC+ = Gleichfeldentmagnetisierung
Für die Anwendung in Motoren ist das Temperaturverhalten von großer Bedeutung.
Aufgrund der niedrigen Temperaturkoeffizienten sind Sm-Co 2/17 bei Temperaturen
größer 120°C den anisotropen Nd-Fe-B Verbundmagneten überlegen, sofern die Arbeitsgerade (Scherung) B/µ0H größer -3,2 ist, s. Bild 16.
Ähnlich der Entwicklung isotroper SE-Magnete kann man jedoch erwarten, dass dieses Verhalten anisotroper Nd-Fe-B Magnete noch verbessert werden wird.
SE-Pressmagnete bei T = 120 °C
Nd-Fe-B
TK (B R) = -0,13 % / °C
J,B[T]
1,2
1,0
Nd-Fe-B Pressmagnet
VACOBOND NCA 132/120
TK (H cJ) = -0,45 % / °C
Sm-Co
TK (B R) = -0,033 % / °C
0,8
TK (H cJ) =- 0,15 % / °C
0,6
Sm-Co Pressmagnet
VACOBOND SCA 116/76
0,4
0,2
0,0
-1600
-1400
-1200
-1000
-800
-600
-400
-200
0
H [ kA/m ]
Bild 16: Entmagnetisierungskurven bei 120°C je eines anisotropen gebundenen Nd-FeB und Sm-Co Pressmagneten.
Auch die irreversiblen Flussverluste, in Bild 17 für eine Scherung B/µ0H = -1,9
bei
120°C bis zu 1000h, fallen bei Sm-Co Pressmagneten günstiger aus; d.h. dieser
Werkstoff ist unempfindlicher als Nd-Fe-B gegen Gefügeänderungen.
Irreversible Jr' Verluste [%]
0
SmCo
HcJ=780kA/m
-10
DB-2
[15]
-20
NdFeB
HcJ=1290 kA/m
-30
-40
LB-2
120°C Luft
-50
B/µH= -1,9
-60
1
10
100
1000
Zeit [h]
Bild 17: Irreversible Verluste der scheinbaren Remanenz Jr’ bei 120°C an Luft von
anisotropen Nd-Fe-B und Sm-Co Pressmagneten. Nd-Fe-B DB-2 und LB-2 kaltgepresst, [15] warmgepresst.
Offenbar sind aber auch Oberflächenzustand des Pulvers bzw. Art und Compoundierung des duroplastischen Binders von Bedeutung: das Compound DB weist z. B.
nach 144h um 10% geringere Verluste auf als LB, s. Bild 17.
6. Zusammenfassung und Ausblick
Die Weiterentwicklung des HDDR-Pulverherstellungsprozesses hat zu Nd-Fe-BPulvern
mit
einem
hohen
Anisotropiegrad
geführt.
Die
hohe
Sättigungs-
magnetisierung dieses Werkstoffs zusammen mit einer optimierten MagnetfeldPresstechnik bietet die Grundlage zu einer neuen Generation von kunststoffgebundenen Dauermagneten mit bisher nicht erreichten Magneteigenschaften. In Bild 18
sind die wichtigsten Magnetwerkstoffe bzgl. ihrer Remanenz und Koerzitivfeldstärke
HcJ geordnet. Die gebundenen SE-Dauermagnete füllen das Feld zwischen den Hartferriten und den gesinterten SE-Dauermagneten aus; es stehen hochremanente (bis
1T) und hochkoerzitive Werkstoffe (bis 1400 kA/m) technisch zur Verfügung.
1,40
Nd-Fe-B gesintert
Remanenz Br (T)
1,20
1,00
Sm-Co gesintert
Sm-Co
Nd-Fe-B anisotrop
kunststoffgebunden
Pressen
kunststoffgebunden
0,80
Spritzguß
Pressen
0,60
Nd-Fe-B isotrop
kunststoffgebunden
Spritzguß
0,40
gesintert
k-gebunden
0,20
Ferrit
0,00
0
400
800
1200
1600
2000
2400
2800
3200
Koerzitivfeldstärke HcJ (kA/m)
Bild 18: Einordnung der kunststoffgebundenen SE-Magnete bzgl. Remanenz und
Koerzitivfeldstärke in die Landschaft technisch genutzter Magnetwerkstoffe.
Die presstechnische Herstellung mit geeigneten Duoplast-Bindersystemen führt zu
Packungsdichten bis zu 84% bei technisch vertretbaren Pressdrücken. Anisotrope
SE-Werkstoffe erfordern teilweise sehr hohe Magnetfelder von etwa 2 T, um eine gute Ausrichtung der Partikel zu bewirken. Die hohe Reaktivität der SE-Pulverwerkstoffe
mit der Umgebung (Atmosphäre, Kunststoff) darf nicht unterschätzt werden und erfordert besondere Schutzmaßnahmen. Beschichtungen von Magnetpulvern und
Pressmagneten können die irreversiblen Magnetflussverluste verbessern und somit
die Langzeitstabilität erhöhen. An einer weiteren Verbesserung der Rechteckigkeit
der Entmagnetisierungskurve von gebundenem anisotropen Nd-Fe-B wird weltweit
noch gearbeitet.
In dieser Hinsicht ist der anisotrope gebundene Sm-Co – Werkstoff ausgereift (isotrope Verbundmagnete sind bei Sm-Co wegen des relativ hohen Materialpreises wenig
sinnvoll). Die niedrigen Temperaturkoeffizienten und die bessere chemische Stabilität
von Sm-Co erlauben einen Einsatz bei höheren Temperaturen 120….200°C, abhängig vom duroplastischen Binder.
Über die optimale Wahl des Kunststoffbinders und der Compoundiertechnik können
Festigkeit, Füllgrad, Ausrichtung und magnetische Alterung beeinflusst werden.
Da sich gebundene Pressmagnete sehr wirtschaftlich „net shape“ herstellen lassen,
sollten neue Anwendungen oder auch Substitutionen mit Vorteil möglich sein. Für
Motorapplikationen hat sich eine Neudimensionierung des Magnetkreises, die die
Eigenschaften des neuen Magnetwerkstoffs ausreichend berücksichtigt, als unumgänglich erwiesen.
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