Verbundmagnete sind Verbundwerkstoffe aus Magnetpulvern, Bindemitteln und geeigneten Additiven. Die magnetischen Eigenschaften von Verbundmagneten werden hauptsächlich durch den Durchschnittswert der Leistung jedes Magnetpulvers bei vernachlässigbarer Wechselwirkung bestimmt. Obwohl in einigen Studien versucht wurde, niedrigschmelzende Metalle oder Legierungen als Klebstoffe zu verwenden, bestehen die in massenproduzierten Verbundmagneten verwendeten Klebstoffe ausnahmslos aus Polymermaterialien.
Der Unterschied zwischen gebundenen Magneten und gesinterten Magneten
Im Gegensatz zu Sintermagneten müssen die einzelnen Pulverpartikel gebundener Magnete eine ausreichend hohe Koerzitivfeldstärke aufweisen. Werden die für eine hohe Koerzitivfeldstärke erforderliche Phasenzusammensetzung und Mikrostruktur während des Pulverisierungsprozesses stark beschädigt, kann dies nicht mehr wiederhergestellt werden. Bei gebundenen Magneten ist die Koerzitivfeldstärke aufgrund der Schädigung der Korngrenzenphase und der Partikeloxidation stark reduziert.
Ein weiterer wesentlicher Unterschied zwischen gebundenen und gesinterten Magneten besteht in der deutlich reduzierten magnetischen Leistung. Bekanntlich ist das maximale magnetische Energieprodukt eines Magneten proportional zum Quadrat seiner Remanenz, und die Remanenz steht in Beziehung zur Sättigungsflussdichte, der Orientierung und dem Volumen des Magnetpulvers im Magneten. Der Füllgrad ist proportional. Klebstoff und Additive nehmen im gebundenen Magneten ein beträchtliches Volumen (ca. 20%) ein, und viele gebundene Magnete sind nicht orientiert. Selbst bei orientierten Magneten ist der Orientierungsgrad schwer zu erreichen. Gesinterte Magnete weisen das gleiche Niveau auf, sodass die Leistung gebundener Magnete bei gleichem Volumen deutlich unter der von gesinterten Magneten liegt.
Vorteile von gebundenen Magneten
Verbundmagnete nehmen im Bereich der Seltenerd-Permanentmagnete eine wichtige Stellung ein und zeichnen sich durch hohe Leistungskonsistenz, präzise Größe, komplexe Form, hohe Materialausnutzung und einfache Integration mit Metall-/Kunststoffteilen aus. Die wichtigste Variante ist der isotrope Verbundmagnet aus schnell abgeschrecktem NdFeB-Magnetpulver.
Der Herstellungsprozess sowie Vor- und Nachteile von gebundenen Magneten
Aufgrund der unterschiedlichen Verarbeitungseigenschaften von Polymermaterialien kann die Herstellung gebundener Magnete in vier Verfahrensarten unterteilt werden: Pressen, Spritzgießen, Extrudieren und Kalandrieren. Die folgende Abbildung zeigt schematisch den Ablauf der vier Formgebungsprozesse.
Isotropes, schnell abschreckendes Seltenerd-Permanentmagnetpulver
Die Herstellungsmethode für gebundenes NdFeB-Magnetpulver unterscheidet sich grundlegend von der für gesintertes NdFeB, da der Legierungsbarren oder Sinterkörper aus gesintertem NdFeB nach dem Zerkleinern auf die für gebundene Magnete geeignete Partikelgröße keine praktische Koerzitivfeldstärke aufweist. Die Herstellungsmethode für die Massenproduktion ist inert. In einer Gasumgebung kondensiert die geschmolzene Legierung bei einer Abkühlrate von 10 zu einer mikrokristallinen oder sogar amorphen Struktur.5~106℃/s und wird dann einer Kristallisationswärmebehandlung unterzogen, um die Kristallkörner auf Dutzende oder Hunderte von Nanometern wachsen zu lassen, was weniger ist als die kritische Größe der einzelnen Domäne von Nd2Fe14B. In den submikrongroßen Körnern wird eine hohe intrinsische Koerzitivfeldstärke erreicht.
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Im Allgemeinen ist es schwierig, magnetisches Pulver in so kleine Einkristallpartikel zu zerkleinern, und die Technologie für das gerichtete Wachstum von submikronischen Körnern durch Schnellabschrecken ist noch nicht ausgereift. Daher wird das Schmelzspinnen-Schnellabschreckverfahren aus polykristallinem Pulver hergestellt, und die leichte Magnetisierungsachse jedes Kristallkorns hat keine starke Ausrichtungstendenz, magnetisches Pulver ist isotrop. Eine derart hohe Abkühlrate wird erreicht, indem die heiße, geschmolzene Legierungsflüssigkeit auf ein wassergekühltes, rotierendes Kupferrad mit einer Lineargeschwindigkeit von 16 bis 30 m/s gegossen oder gesprüht wird. Die flüssige Legierung wird durch die Beschleunigung des rotierenden Kupferrads tangential herausgeschleudert. Sie verdichtet sich zu einem dünnen Band mit einer Dicke von ca. 100 μm, und die Abkühlrate bestimmt empfindlich die Korngröße des Legierungsbandes und beeinflusst dadurch empfindlich die Form der Entmagnetisierungskurve des magnetischen Pulvers und die intrinsische Koerzitivfeldstärke.
Da die Abkühlgeschwindigkeit von vielen Faktoren wie der Temperatur der Legierungsflüssigkeit, der Durchflussrate, der Geschwindigkeit und Temperatur des Kupferrads sowie der Argonatmosphäre abhängt, ist eine gleichzeitige, präzise Kontrolle und Optimierung schwierig. Bei der Massenproduktion mit optimal abgeschreckter nanokristalliner Metallstruktur kann es leicht zu einer zu breiten Korngrößenverteilung und damit auch zu einer zu breiten Verteilung der intrinsischen Kornkoerzitivkraft kommen, was zu einer ungünstigen Rechteckigkeit der Entmagnetisierungskurve des Magnetpulvers führt. Daher wird das Magnetpulver in der Praxis üblicherweise bei einer Radgeschwindigkeit, die deutlich über der optimalen Lineargeschwindigkeit liegt, schnell zu einem teilweise amorphen Zustand kondensiert und anschließend bei 630 °C kristallisiert, um den kristallinen Zustand auf eine durchschnittliche Korngröße von 40 nm einzustellen. Um stabile und gute Permanentmagneteigenschaften zu erreichen, verfolgt die American Magquesque Corporation, Marktführer im isotropen, schnell abgeschreckten Nd-Fe-B-Markt, diese Produktionsmethode.
Anisotropes, schnell abschreckendes Seltenerd-Permanentmagnetpulver, hergestellt im HDDR-Verfahren
Das HDDR-Verfahren ist ein sehr effektives technisches Verfahren zur Herstellung von anisotropem NdFeB-Magnetpulver. Es umfasst vier Schritte: Hydrierung-Disproportionierung-Desorption-Rekombination (HDDR). Der Kern des HDDR-Verfahrens besteht darin, dass die intermetallische Seltenerdverbindung Wasserstoff absorbiert und disproportioniert zersetzt. Im anschließenden forcierten Dehydrierungsprozess wird das Disproportionierungsprodukt zu einer feinkörnigen Ausgangsverbindung zusammengefügt. Dadurch werden die Materialkörner verfeinert und die Kristallstruktur der Hauptphase in C-Achsenrichtung erzeugt. Dadurch entsteht Magnetpulver mit hervorragenden magnetischen Eigenschaften und magnetischer Anisotropie.
Aichi Steel verwendet ein dynamisches HDDR-Verfahren (d-HDDR), das Temperatur- und Wasserstoffdruckänderungen im Laufe der Zeit angemessen steuert, um die anisotrope Textur des Magnetpulvers leichter zu realisieren und den Status einer industrialisierten und stabilen Produktion zu erreichen, wodurch das HDDR-Verfahren reduziert wurde. Anisotropes NdFeB-Magnetpulver wurde auf den Markt gebracht.