Gesinterte Magnete werden üblicherweise reine Metalle oder Vorlegierungen als Ausgangsstoffe verwendet, und es wird das Prinzip der elektromagnetischen Induktionserwärmung mit alternierenden Magnetfeldern genutzt, um Wirbelströme in den Ausgangsstoffen zu erzeugen. Die Ausgangsstoffe werden durch Induktionsschmelzen in einer Vakuum- oder Inertgasumgebung erhitzt und geschmolzen. Die Schmelze wird gerührt, um sie zu homogenisieren. Der Schmelzpunkt von Seltenerdmetallen liegt zwischen 800 °C und 1500 °C, der von Fe und Co bei 1536 °C bzw. 1495 °C und der von reinem Bor bei bis zu 2077 °C. Einige hochschmelzende Metalle, die als Zusatzstoffe verwendet werden, wie beispielsweise Ti, Cr, Mo oder Nb, haben Schmelzpunkte von 1600–3400 °C. Um die Verflüchtigung von Seltenerdelementen zu verhindern, wird die Schmelztemperatur üblicherweise auf 1000–1600 °C geregelt. Die Elemente mit hohem Schmelzpunkt werden durch den Legierungseffekt der Schmelze der Seltenen Erden geschmolzen, oder Legierungen aus Elementen mit hohem Schmelzpunkt (normalerweise Eisenlegierungen) werden direkt als Rohstoffe verwendet, wie etwa B-Fe-Legierungen (Schmelzpunkt ~1500°C) oder Nb-Fe-Legierungen (Schmelzpunkt ~1600°C). Um eine sauerstoffarme Umgebung für das Schmelzen und Gießen zu gewährleisten, muss der Schmelz- und Gießofen abgesaugt und alle Teile und Rohstoffe im Ofen vollständig entlüftet werden. Das Vakuumniveau erreicht normalerweise 10-2 bis 10-3 und der Ofen heizt auf. Die vorherige Druckanstiegsrate (interne Entlüftung und externe Leckage) muss ebenfalls auf einem niedrigeren Niveau gehalten werden. Beispielsweise sollte bei einem Schmelzofen mit einer Kapazität von 1 t die Druckanstiegsrate weniger als 5 × 10-4 bis 1 × 10-3 l/s betragen. Durch Vakuumschmelzen kann die Schmelze vollständig entgast, niedrigsiedende Verunreinigungen und schädliche Gaselemente entfernt und die Reinheit der Legierung verbessert werden. Aufgrund des niedrigen Dampfdrucks von Seltenerdmetallen (weniger als 1 Pa) ist der Verflüchtigungsverlust jedoch sehr beträchtlich und wird daher normalerweise während des Schmelzprozesses korrigiert. Der Ofenkörper wird mit Inertgas gefüllt und der Umgebungsdruck wird erhöht, um die Verflüchtigung der Seltenen Erden zu unterdrücken. Es ist praktischer, hochreines Argongas zu verwenden, das üblicherweise auf einen Pegel von 50 kPa aufgeladen wird. Nachdem die Homogenisierung der Legierungsschmelze, die Abgase und die Schlackenbildung vollständig abgeschlossen sind, kann der Guss durchgeführt werden. Das Gießen von Legierungen ist ein sehr kritischer Prozess, da die Phasenzusammensetzung, der kristalline Zustand und die räumliche Verteilung entscheidend für die Leistung des gesinterten Magneten sind. Der Legierungsbarren wird schweren „Kanonenkugeln“, 20 mm dicken „Büchern“ und 5 mm dicken „Pfannkuchen“ unterzogen. „Derzeit hat es sich zu einer schnellhärtenden Platte mit einer Dicke von nur 0,3 mm entwickelt. Die Industrie hat viele Anstrengungen unternommen, um eine Komponentenseigerung und die Entstehung von Verunreinigungsphasen zu vermeiden und die neodymreiche Phasenverteilung rational zu verteilen.
1. Schmelzen
Seltene Erden als Rohstoffe liegen üblicherweise in Form reiner Metalle vor. Seltenerdlegierungen werden oft aus Kostengründen ausgewählt, wie z. B. Praseodym-Neodym-Metall, Lanthan-Cer-Metall, gemischte Seltenerd-Dysprosium-Eisen-Legierungen usw.; hochschmelzende Elementkomponenten (wie B, Mo, Nb usw.) werden meist in Form von Ferrolegierungen zugesetzt. Nd-Fe-B-Magnete weisen die Eigenschaften einer Multimetallphase auf. Eine Nd-reiche Phase ist eine notwendige Voraussetzung für eine hohe Koerzitivfeldstärke, und eine B-reiche Phase muss ebenfalls vorhanden sein. Daher ist es üblicherweise erforderlich, dass der Seltenerd- und B-Gehalt in der ursprünglichen Formulierung höher ist als die positiven Komponenten von R2Fe14B. Manchmal kann der B-Gehalt jedoch etwas niedriger sein als der normale Anteil, um die Zusammensetzung der Korngrenzenphase anzupassen (insbesondere bei der Zugabe von Cu, Al und Ga). Aufgrund der Reaktion von Seltenerdmetallen und Tiegelmaterialien sowie der Verflüchtigung beim Schmelzen und Sintern muss bei der Formulierung ein gewisser Verlust an Seltenerdmetallen berücksichtigt werden. Um den Verunreinigungsgehalt der Legierung zu reduzieren, muss die Reinheit der Rohstoffe streng kontrolliert und die Oxidschicht und Anhaftungen auf der Oberfläche vollständig entfernt werden. Die Wärmequelle beim Mittel- und Niederfrequenz-Induktionsschmelzen ist der induzierte Wirbelstrom, der durch das magnetische Wechselfeld im Rohstoff entsteht. Der Skin-Effekt des Wirbelstroms führt dazu, dass sich der Strom an der Oberfläche des Rohstoffs konzentriert. Ist der Rohstoffblock zu groß, kann der Wirbelstrom nicht bis zum Zentrum des Blocks vordringen. Das Schmelzen des Kerns durch Wärmeleitung ist in der realen Produktion kaum realisierbar. Daher sollte die Rohstoffgröße entsprechend der gewählten Frequenz angepasst und auf das 3- bis 6-fache der Skin-Tiefe kontrolliert werden. Die folgende Abbildung zeigt die Beziehung zwischen Netzfrequenz, Skin-Tiefe und Rohstoffgröße. Es ist ersichtlich, dass der Skin-Effekt umso ausgeprägter und die Rohmaterialgröße umso kleiner ist, je höher die Frequenz ist.
Die Wahl der Schmelzfrequenz hängt von einer weiteren wichtigen Funktion des Induktionsschmelzens ab: dem elektromagnetischen Rühren. Dieses nutzt die Kraftwirkung zwischen geschmolzenem Metall und magnetischem Wechselfeld, um das Schmelzen ungeschmolzener Feststoffe und die Homogenisierung des geschmolzenen Metalls zu fördern. Die Größe ist umgekehrt proportional zur Quadratwurzel der Stromfrequenz. Eine zu hohe Frequenz schwächt die elektromagnetische Rührwirkung der Wechselstromversorgung. Das in der realen Produktion verwendete Frequenzband liegt bei etwa 1000–2500 Hz, und die Rohmaterialgröße muss unter 100 mm gehalten werden.
Beim Stapeln der Rohstoffe im Tiegel müssen das induzierte Magnetfeld und die räumliche Temperaturverteilung während des Schmelzprozesses berücksichtigt werden. Normalerweise ist die Induktionsspule um die Außenseite des Tiegels gewickelt. Die Innenseite des Tiegels hat das stärkste Magnetfeld und schwächt sich zur Mitte hin allmählich ab, aber die Seiten-, Boden- und Oberseite des Tiegels sind die Hauptquelle für den Wärmeabfluss. Daher ist die Temperatur der Unterseite des Tiegels in der Mitte, die Temperatur in der Mitte der Ober- und Unterseite niedrig und die Temperatur in der Mitte am höchsten. Daher ist es ratsam, beim Befüllen kleine Stücke niedrigschmelzender Materialien dicht auf den Boden des Tiegels zu legen; hochschmelzende Materialien und Schüttgüter in die Mitte und den unteren Teil zu legen; große Stücke niedrigschmelzender Materialien lockerer auf den oberen Teil zu legen, um eine Brückenbildung zu vermeiden. Heutzutage ist die kontinuierliche Schmelzgusstechnologie weit verbreitet. Die Rohstoffe werden dem Tiegel bei hoher Temperatur nach und nach durch die Zuführkammer hinzugefügt. Um die Verflüchtigung von Seltenerdmaterialien zu kontrollieren, wird üblicherweise zuerst reines Eisen zur Schmelze hinzugefügt, dann werden nacheinander die Metalle oder Legierungen mit hohem Schmelzpunkt hinzugefügt und schließlich werden die Seltenen Erden hinzugefügt.
2. Gießen
Binäre oder ternäre Seltenerdlegierungen bilden unter langsamen (nahe dem Gleichgewichtszustand) Abkühlungsbedingungen zwangsläufig α-Co- oder α-Fe-Phasen. Ihre weichmagnetischen Eigenschaften bei Raumtemperatur beeinträchtigen die permanentmagnetischen Eigenschaften der Magnete erheblich und müssen schnell abgekühlt werden, um ihre Bildung zu unterdrücken.
Um den gewünschten Abschreckeffekt zu erzielen, wurde im traditionellen Kokillengussverfahren intensiv an der Reduzierung der Legierungsblockdicke gearbeitet. Die Vorteile des Kokillengusses liegen in den niedrigen Anlagenkosten und der einfachen Handhabung, wodurch die allgemeinen Produktionsanforderungen für Magnete erfüllt werden können. Der Nachteil besteht in der ungleichmäßigen Kristallkorngröße und der häufigen Ausscheidung von α-Co- oder α-Fe-Phasen. Eine langfristige Wärmebehandlung des Legierungsblocks bei einer Temperatur unterhalb des Schmelzpunkts der Legierung trägt zwar zur Eliminierung der α-Co- oder α-Fe-Phase bei, führt jedoch zur Ansammlung der Nd-reichen Phase, was einer optimalen Verteilung der Korngrenzenphase des Sintermagneten entgegenwirkt.
Um die Dicke der Legierungsblöcke weiter zu reduzieren, wurde eine pfannkuchenartige „Scheibenschaber“-Struktur entwickelt, mit der die Dicke der Legierung etwa 1 cm erreichen konnte. Die Vergrößerung der Legierungsfläche brachte jedoch viele Probleme bei der Materialsammlung in Schmelzöfen mit großer Kapazität mit sich. Ein anderer effektiver Weg der Technologieentwicklung ist der umgekehrte. Ausgehend von der extrem hohen Abkühlrate zur Herstellung schnell abschreckender Nd-Fe-B-Legierungen versucht man, die Abkühlrate zu reduzieren, um schnell abkühlende kristalline Legierungen, sogenannte Streifen, herzustellen. Die Technologie des Gießens oder Streifengießens (Streifengießen oder SC) entstand. Dabei wird die geschmolzene Legierung durch eine Führungsrinne auf ein sich schnell drehendes wassergekühltes Metallrad gegossen, um Legierungsflocken mit idealer Dicke von 0,2 bis 0,6 mm, Phasenzusammensetzung und Textur zu erhalten. In der Legierungsstruktur des Bandgusses verringern die gleichmäßige Verteilung der Nd-reichen Phase und die Unterdrückung von α-Fe den Gesamtgehalt an Seltenen Erden, was sich positiv auf die Herstellung von Hochleistungsmagneten und die Senkung der Magnetkosten auswirkt; der Nachteil besteht darin, dass der Volumenanteil der Nd-reichen Phase im Vergleich zu dem durch Kokillenguss hergestellten Magneten reduziert ist, was zu einer erhöhten Sprödigkeit des Magneten und einer erschwerten Nachbearbeitung führt.