AT511919A1 - Verfahren zur herstellung eines sinterbauteils - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Sinterbauteils mit weichmagnetischen Eigenschaften, nach dem aus einem, metallische Partikel aufweisenden Pulver in einer Pressform durch Pressen ein Grünling hergestellt wird und der Grünling danach gesintert wird, wobei zumindest ein Teil des Pulvers vor dem Pressen zur Ausbildung einer oxidischen Phase oxidiert wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Sinterbauteils mit weichmagnetischen Eigenschaften, nach dem aus einem, metallische Partikel aufweisenden Pulver in einer Pressform durch Pressen ein Grünling hergestellt wird und der Grünling danach gesintert wird, eine Pulvermischung zur Herstellung eines Sinterbauteils mit weichmagnetischen Eigenschaften umfassend metallische Partikel sowie zumindest ein Metalloxid, sowie einen Sinterbauteil mit weichmagnetischen Eigenschaften umfassend metallische Partikel sowie zumindest ein Metalloxid. SMC- Werkstoffe (soft magnetic composite) sind aufgrund der erreichbaren magnetischen Performance insbesondere bei hohen Frequenzen, wie sie beispielsweise bei hochpoligen Elektromotorkonzepten oder hochdrehenden Motoren verwendet werden, sehr interessant. Im Stand der Technik sind bereits verschiedenste Verfahren zur Herstellung von so genannten SMC-Werkstoffen beschrieben worden.

Beispielsweise beschreibt die EP 1 236 808 B1 ein Verfahren zum Herstellen eines Metallpulver-Verbundwerkstoffs mit hohem spezifischem elektrischen Widerstand, wobei ausgegangen wird von einem Ausgangsmaterial, welches ein Gemisch aus Metallpulver und mindestens zwei bei einer Pyrolyse oxidische Pyrolyserückstände bildenden Trennmittel oder mindestens einem bei der Pyrolyse einen oxidischen Pyroiyserückstand bildendes Trennmittel sowie einem oxidischen Feinpulver bildet, wobei das Ausgangsmaterial zu Formkörpern gepresst wird, wobei weiter bei einem Ausgangsmaterial, welches mindestens zwei bei einer Pyrolyse oxidische Pyrolyserückstände bildenden Trennmittel enthält, die mindestens zwei Trennmittel und bei einem Ausgangsmaterial, welches ein bei der Pyrolyse N2011/03100 *· ·· ·· »· • · * β · · φ • · i « · · Ο· • · « »· I - einen oxidischen Pyrolyserückstand bildendes Trennmittel sowie ein oxidisches Feinpulver beinhaltet, das mindestens eine Trennmittel durch Erhitzen bei einer Temperatur deutlich unterhalb der Sintertemperatur des Metallpulvers in einer nicht reduzierenden Atmosphäre zu einem Oxid pyrolysiert und die dann vorliegenden Oxide unter Bildung mindestens einer gemeinsamen Phase miteinander zur Reaktion gebracht werden.

In vielen Anwendungen muss jedoch auf die Verwendung von SMC-Werkstoffen verzichtet werden, da die mechanischen Eigenschaften zu gering sind. Insbesondere in Fahrzeugen sind die Motoren zahlreichen Vibrationen ausgesetzt, die zur Zerrüttung üblicher SMC-Werkstoffe führen können.

Die Aufgabe vorliegender Erfindung bestand darin, einen verbesserten SMC-Werkstoff zu schaffen.

Diese Aufgabe wird jeweils eigenständig durch das voranstehend genannte Verfahren, die Pulvermischung sowie das Sinterbauteil gelöst, wobei nach dem Verfahren zumindest ein Teil des Pulvers vor dem Pressen zur Ausbildung einer oxidischen Phase oxidiert wird, das Metalloxid der Pulvermischung aus zumindest einem Teil der metallischen Partikel gebildet ist und eine Oxidschicht auf zumindest einem Teil der Oberfläche dieser Partikel bildet, und das Metalloxid des Sinterbauteils aus zumindest einem Teil der metallischen Partikel gebildet ist und eine Oxidschicht auf zumindest einem Teil der Oberfläche dieser Partikel bildet.

Von Vorteil ist dabei, dass das Oxid direkt aus den metallischen Partikeln erzeugt und nicht gesondert zugegeben wird. Es ist damit eine bessere Haftung des Oxids an den metallischen Partikeln erreichbar, wodurch die mechanische Festigkeit des Sinterbauteils verbessert werden kann. Darüber hinaus ist im Vergleich zur extra Zugabe eines oxidischen Pulvers eine homogenere Verteilung des Oxids in der gesamten Pulvermischung erreichbar, wodurch die weich mag netischen Eigenschaften des Sinterbauteils isotroper gestaltet werden können, insbesondere in Hinblick auf die Dreidimensionalität dieser Eigenschaften. Ungewollte Kurzschlüsse im Betrieb des Sinterbauteils können damit besser vermieden werden, wodurch die Effizienz des Sinterbauteils verbessert werden kann. Es ist damit aber auch N2011/03100 * » t I I # *· u

die Verfahrensweise einfacher gestaltbar, wodurch die Sinterbauteile kostengünstiger herstellbar sind.

Gemäß einer Ausführungsvariante ist vorgesehen, dass die oxidische Phase im Bereich der Oberfläche der Partikel bis zu einer Schichtdicke von maximal 6 pm hergestellt wird, da bet höheren Schichtdicken die Isolationseigenschaften des Oxids und die mechanische Festigkeit des Sinterbauteils kaum bzw. nicht mehr verbessert werden und somit der höhere Oxidanteil nur zu Lasten des Wirkungsgrades des Sinterbauteils geht ohne einen entsprechenden Vorteil durch den höheren Oxidanteil zu erreichen.

Nach einer bevorzugten Verfahrensvariante ist vorgesehen, dass die Oxidation der Partikel mit Luft oder Wasserdampf bei einer Temperatur zwischen 100 °C und 723 °C durchgeführt wird. Abgesehen von der umweltfreundlichen Verfahrensweise wird damit eine rasche Oxidation der Oberfläche der metallischen Partikel erreicht, wobei gleichzeitig eine zu hohe Temperaturbelastung der Partikel während der Oxidation und damit auch mögliche unerwünschte Phasenumwandlungen besser vermieden werden können, insbesondere in Hinblick auf die bei der Oxidation frei werdende Energie.

Nach einer anderen Ausführungsvariante des Verfahrens ist vorgesehen, dass auf den Grünling vor dem Sintern ein Glaspulver aufgebracht wird. Es wird damit erreicht, dass dieses Glaspulver während des Sinterns des Grünlings diesen infiltriert, also in dessen Poren zumindest in oberflächennahen Bereichen eindringt. Über dieses zusätzliche Glaspulver kann ein Sinterbauteil mit einem verbesserten Partikelverbund, und damit mit verbesserten mechanischen Eigenschaften hergestellt werden, wodurch dessen Belastbarkeit verbessert werden kann, da das Glaspulver in weiterer Folge nach dem Sintern eine harte „Matrix“ bildet, in der die Partikel des Pulvers zumindest teilweise eingeschlossen sind.

Es ist aber auch möglich, dass das Glaspulver auf den Grünling und/oder in die Pulvermischung vor dem Verpressen, durch Ersetzen von metallischer Pulverfraktionen eingebracht wird. N2011/03100

Dabei ist es von Vorteil, wenn ein Glaspulver mit einer Korngröße von maximal 450 pm verwendet wird. Einerseits kann damit die Infiltration des Sinterbauteils beschleunigt werden, andererseits kann damit auch verhindert werden, dass die Poren zur Gänze geschlossen werden, sodass zumindest teilweise offenporige Sinterbauteile mit einer verbesserten Belastbarkeit hergestellt werden können, die sich insbesondere für nasse Anwendungen eignen, beispielsweise flüssig gekühlte Sinterbauteile.

Es ist dabei weiter von Vorteil, wenn als Glas ein Glas ausgewählt aus einer Gruppe umfassend oder bestehend aus Quarzglas Recyclingglas, Glasschleifstaub, Glasflussmittel (z. B. Na2CC>3), Porzellanstaub, niedrig schmelzende Keramikpulver, Dekorkeramik, verwendet wird. Insbesondere Quarzglas und Recyclingglasstaub haben sich in Hinblick auf die gewünschte Verbesserung der Belastbarkeit des Sinterbauteils, insbesondere die Druckfestigkeit, als besonders geeignet herausgestellt.

Nach einer anderen Ausführungsvariante ist vorgesehen, dass vordem Pressen eine Pulvermischung aus Pulverfraktionen mit unterschiedlicher Partikelgrößenverteilung hergestellt wird, wodurch eine bessere Vernetzung der Pulverpartikel miteinander erreicht werden kann, und damit in der Folge auch eine höhere mechanische Belastbarkeit des Sinterbauteils.

Aus demselben Grund hat es sich dabei als vorteilhaft erwiesen, wenn die Pulvermischung zumindest Partikel mit einer Partikelgröße zwischen 45 pm und 100 pm und Partikel mit einer Partikelgröße zwischen 100 pm und 500 pm aufweist, wodurch die mechanische Belastbarkeit durch bessere Verpressbarkeit durch geringeres Hohlraumvolumen weiter verbessert werden konnte, ohne damit die magnetischen Eigenschaften des Sinterbauteils negativ zu beeinflussen.

Bevorzugt werden für die Oxidation Partikel des metallischen Pulvers verwendet, die eine Partikelgröße zwischen 50 pm und 500 pm, insbesondere zwischen 100 pm und 250 pm, aufweisen. Es kann damit eine einfachere und schnellere Verfahrensweise zur Oxidation der metallischen Partikel erreicht werden. N2011/03100

Nach einer weiteren Ausführungsvariante ist vorgesehen, dass ein Anteil ausgewählt aus einem Bereich von 10 Gew-% bis 90 Gew.-% an teilweise oxidierten Partikeln mit einem Anteil ausgewählt aus einem Bereich von 90 Gew.-% bis 10 Gew.-% an nicht oxidierten Partikeln des metallischen Pulvers vor dem Verpres-sen vermischt wird. Insbesondere bei einem derartigen Verhältnis an teilweise oxidierten zu nicht oxidierten Partikeln konnte beobachtet werden, dass Sinterbauteile hergestellt werden können, die sowohl hinsichtlich der mechanischen Belastbarkeit als aus der magnetischen Eigenschaften Verbesserungen aufweisen.

Es ist auch möglich, dass bei Auftreten von Agglomerationen der zumindest teilweise oxidierten Partikel nach der Oxidation diese zerkleinert werden..

Bevorzugt weisen die teilweise oxidierten Partikel der Pulvermischung eine Partikelgröße zwischen 100 pm und 500 pm auf. Es wird damit erreicht, dass insbesondere in Verbindung mit einem metallischen Feinpulver, das beim Verpressen das Hohlraumvoiumen reduziert, größere gegeneinander isolierte Bereiche bzw. Zonen erzeugt werden können,

Aus bereits voranstehend erläuterten Gründen ist es von Vorteil, wenn der Anteil der metallischen Partikel mit der zumindest teilweise ausgebildeten Oxidschicht am Sinterbauteil zwischen 50 Gew.-% und 90 Gew.-% beträgt.

Zum besseren Verständnis der Erfindung wird diese anhand der nachfolgenden Figuren näher erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1 ein Schliffbüd einer ersten Ausführungsvariante eines Sinterbauteils;

Fig. 2 ein Schliffbild der ersten Ausführungsvariante eines Sinterbauteils mit größerer Vergrößerung;

Fig. 3 ein Schliffbild eines Grünlings der ersten Ausführungsvariante eines Sinterbauteils;

Fig. 4 ein Schliffbild einer zweiten Ausführungsvariante eines Sinterbauteils; N2011/03100

Fig. 5 ein Schliffbild der zweiten Ausführungsvariante eines Sinterbauteils mit größerer Vergrößerung;

Fig. 6 ein Schliffbild eines Grünlings einer dritten Ausführungsvariante eines Sinterbauteils;

Fig. 7 ein Schliffbild des Grünlings der dritten Ausführungsvariante eines Sinterbauteils mit größerer Vergrößerung;

Fig. 8 ein Schliffbild einer vierten Ausführungsvariante eines Sinterbauteils;

Fig. 9 ein Schliffbild einer fünften Ausführungsvariante eines Sinterbauteils;

Fig. 10 ein Schliffbild der fünften Ausführungsvariante eines Sinterbauteils mit größerer Vergrößerung.

Einführend sei festgehalten, dass die in der Beschreibung gewählten Lageangaben, wie z.B. oben, unten, seitlich usw. auf die unmittelbar beschriebene sowie dargestellte Figur bezogen und sind bei einer Lageänderung sinngemäß auf die neue Lage zu übertragen.

Unter Oxidation wird im Sinne der Erfindung die Bildung eines Oxids aus einem Metall oder Halbmetall verstanden.

Unter dem Begriff „weichmagnetische Werkstoffe“ werden, entsprechend dem technischen Sprachgebrauch, Werkstoffe mit niedriger Remanenz verstanden.

Allgemeine Prozessbeschreibung:

Wie bereits erwähnt betrifft die Erfindung unter anderem ein Verfahren zur Herstellung von Sinterbauteilen bzw. Formkörpern mit weichmagnetischen Eigenschaften, beispielsweise für Automotive-Anwendungen, aus einem Pulver bzw. Pulvergemisch. Dazu kann das Pulver bzw. Pulvergemisch falls erforderlich in einem ersten Schritt nach Partikelgrößen separiert werden. Insbesondere werden Partikelgrößen in Fraktionen von 45 pm bis 100 pm und 100pm bis 250 pm separiert und für die weitere Verarbeitung eingesetzt, N2011/03100

Als Pulver bzw. Pulvergemisch wird insbesondere ein Reineisenpulver verwendet. Es sind aber auch andere verpressbare Metalle und Metalllegierungen einsetzbar, wie z.B. Eisen-Phosphor- oder Eisen-Phosphor-Silizium-Legierungen. 1. Voroxidation des Pulvers:

Zur Vorbereitung der Pulvers für das Verpressen wird zumindest ein Teil des einzusetzenden Pulvers teilweise voroxidiert. Der Begriff „teilweise“ bezieht sich dabei auf eine Oxidation der metallischen oder halbmetallischen Partikel in oberflächennahen Bereichen der Partikel, sodass die Partikel im Kern nach der Oxidation zumindest annähernd unverändert vorliegen. Bevorzugt wird durch die Oxidation die gesamte Oberfläche der Partikel mit einer Oxidschicht überzogen. Im Rahmen der Erfindung besteht aber auch die Möglichkeit, dass die Oberfläche lediglich bis zu einem Ausmaß von zumindest 80 %, insbesondere zumindest 90 %, der gesamten Oberfläche des jeweiligen Partikels mit einer Oxidschicht versehen wird.

Die Schichtdicke der Oxidschicht kann kontrolliert durch entsprechende Steuerung der Prozessparameter, wie z.B. den Dampfgehalt der Atmosphäre bei der Oxidation, die Geschwindigkeit des Bandes, auf dem die zu behandelnden Bauteile durch die Anlage befördert werden, die Temperatur bei der Oxidation, der Stickstoffgehalt der Atmosphäre, die Dampfmenge, generelle atmosphärische Bedingungen (Luft versus Dampf), eingestellt und auf die jeweiligen erforderlichen Isolationseigenschaften abgestimmt werden. Insbesondere wird die Oxidschicht, d.h. die oxidische Phase, im Bereich der Oberfläche der Partikel bis zu einer Schichtdicke von maximal 6 pm, insbesondere maximal 2 pm, vorzugsweise zwischen 0,1 pm und 1 pm, hergestellt.

Die Oxidation selbst kann entweder mit (Luft)Sauerstoff oder durch Überleiten von Wasserdampf erfolgen, wobei auch andere Verfahren, wie z.B. Sprühtrocknungsverfahren, einsetzbar sind.

Bevorzugt erfolgt die Oxidation bei erhöhter Temperatur. Dazu können das Oxidationsmittel und/oder die Pulverpartikel auf die entsprechende Reaktionstemperatur erhitzt werden. Insbesondere wird die Oxidation der Partikel bei einer Temperatur N2011/03100

zwischen 100 °C und 723 °C, vorzugsweise zwischen 400 °C und 600 °C, durch-geführt.

Je nach verwendetem Pulver entstehen bei der Oxidation reine Oxide oder Mischoxide. Beispielsweise wird bei der Verwendung von Reineisenpulver eine Schicht aus Magnetit erzeugt.

Nach einer bevorzugten Ausführungsvariante werden für die (Vor)Oxidation Partikel des metallischen Pulvers verwendet werden, die eine Partikelgröße zwischen 50 pm und 500 pm, insbesondere zwischen 100 pm und 250pm, aufweisen.

Die Oxidation kann in einem entsprechenden Reaktor, beispielsweise einem Dünnbettreaktor, einem Drehrohrofen oder einem Dampfofen, erfolgen.

Die (Vor)oxidation kann mehrmals mit den selben Partikeln durchgeführt werden, beispielsweise zweimal, dreimal, viermal, fünfmal, etc., um damit die Schichtdicke der Oxidschicht besser an die Anforderungen des Sinterbauteils anpassen zu können. 2. Separieren von Pulverfraktionen:

Es ist auch möglich, dass nach der Oxidation bestimmte Partikelfraktionen hinsichtlich ihres Partikeldurchmessers mit üblichen Verfahren, wie z.B. Sichten, Windsichten, oder dgl., separiert werden, und in dem weiteren Verfahrensablauf nur bestimmte Korngrößenfraktionen verwendet werden, wie dies nachfolgend noch ausgeführt wird.

Dieser Schritt der Separation bestimmter Partikelgrößen kann anstelle des vor der Oxidation bedarfsweise durchgeführten Separationsschritts oder zusätzlich zu diesem erfolgen. Erfolgt die Korngrößenseparation bereits vorder Oxidation, sodass also nur bestimmte Korngrößen bzw. eine bestimmte Korngrößenfraktion zur Oxidation gelangen, erübrigt sich unter Umständen die Separation nach der Oxidation. N2011/03100 • · 4 * * : -*9:-3, Pulvermischen

Beim Pulvermischen wird das oxidierte Pulver mit zumindest einem Hilfsstoff oder werden verschiedene Pulver, die sich auch nur hinsichtlich der Partikeldurchmesser unterscheiden können, mit zumindest einem Hilfsstoff vermischt. Prinzipiell entspricht der Schritt des Pulvermischens selbst dem Stand der Technik zu Sinterverfahren.

In einer bevorzugten Ausführungsvariante wird ein Pulvergemisch hergestellt umfassend oder bestehend aus einem groben voroxidierten Pulver mit einem feinerem, reinen Metallpulver, beispielsweise Eisenpulver und einem Glas- bzw. Keramikpulver der bereits genannten Möglichkeiten, anstatt des feineren reinen Metallpulvers. Das grobe voroxidierte Metallpulver kann dabei eine Partikelgrößenverteilung zwischen 100 pm und 500 pm, das feinere Metallpulver eine Partikelgrößenverteilung zwischen 30 pm und 100 pm.

Selbstverständlich können auch mehr als zwei Fraktionen unterschiedlicher Partikeldurchmesser eingesetzt werden, wobei mehr als eine Partikelgrößenfraktion an voroxidiertem Pulver und/oder mehr als eine Partikelgrößenfraktion an Reinmetallpulver oder Legierungspulver eingesetzt werden können.

Als Hilfsstoffe werden insbesondere in der Sintertechnik übliche Schmiermittel, beispielsweise Wachse, Stearate, Silane, Amide, Polymere, und optional Bindemittel, beispielsweise Harze, Silane, Öle, Polymere oder Kleber, verwendet. Der Anteil der Schmiermittel bzw. Presshilfsmittel an der Gesamtpulvermischung kann bis zu 3 Gew.-%, jener des Bindemittels bis zu 1 Gew.-% betragen.

Werden anstelle von Reinmetallen Legierungen eingesetzt können diese entweder als sog, Muttermischung in hochkonzentrierter Form evtl, auch unter Einsatz von Temperatur und Lösungsmitteln vorgemischt und anschließend mit dem Reinmet-lallpulver, z.B. Eisenpulver, vermengt oder durch Zugabe der einzelnen zusätzlichen Legierungsbestandteile direkt ins Metallpulver vermischt werden.

Vor- oder Anlegierungselemente können z.B. Silizium und/oder Phosphor sein, insbesondere zur Erhöhung des elektrischen Widerstandes. N2011/03100

Der Anteil an teilweise oxidierten Partikeln an der gesamten fertigen Pulvermischung kann ausgewählt aus einem Bereich von 10 Gew.-% bis 90 Gew.-%, insbesondere aus einem Bereich von 30 Gew.-% bis 90 Gew.-%, vorzugsweise aus einem Bereich von 50 Gew.-% bis 90 Gew.-%.

Den Rest auf 100 Gew.-% Pulvermischung bilden neben den Hilfsstoffen, deren Anteil in Summe maximal 5 Gew.-% beträgt, insbesondere maximal 4 Gew.-%, die nicht oxidierten Partikeln des metallischen bzw. halbmetallischen Pulvers und optional auch die bereits genannten Glas- bzw. Keramikpulver.

Es ist aber auch möglich, dass das metallische Pulver bzw. die Pulvermischung aus den metallischen und gegebenenfalls halbmetallischen Pulver(n) zur Gänze (vor)oxidiert eingesetzt wird.

Optional können Agglomerationen der teilweise (vor)oxidierten Partikel nach der Oxidation und vor dem Pulvermischen aufgelöst werden. Es können hierzu übliche Brecher und/oder Mühlen verwendet werden. 4. Pressen

Die nach oben beschriebenem Verfahren vorbehandelten metallischen Pulvermischungen werden z.B. durch koaxiale Pressverfahren verdichtet und in Form gebracht. Hierbei ist daraufzu achten, dass die während der nachfolgenden Prozessschritte entstehenden Form- und Gestaltsänderungen bei der Herstellung der Presswerkzeuge bereits berücksichtigt sind. Die Verwendung entsprechender Schmiermittel und Bindemittel wirken in Hinblick auf die Verdichtung der Pulvermischung unterstützend. Je nach Schüttdichte und theoretischer Dichte der Pulvermischungen werden Pressdrücke von 600 MPa bis 1200 MPa hierfür angewandt.

Die auf diese Weise gewonnenen Presslinge (auch Grünling genannt) sind Ausgang für die anschließenden Prozessschritte.

Anstelle der koaxialen Pressverfahren können auch andere Pressverfahren angewandt werden, wie sie in der Sintertechnoiogie üblich sind, also z.B. auch isostatische Pressverfahren, etc., N2011/03100

Die Pulvermischungen können mittels dem Pulverpressverfahren auf Dichten > 6,5 g/cm3, vorzugsweise >7,1 g/cm3, verdichtet werden. 5. Optional Entwachsen + Vorsintern

Abweichend von der üblichen Prozessroute für pulvermetallurgisch hergestellte Formteile können die Presslinge durch thermische Behandlung unter Einwirkung reduzierender Atmosphärengase vorgesintert werden. Hierzu können oxidierende, inerte oder reduzierende Atmosphären durch Verwendung von Luft, Stickstoff oder Stickstoff-Wasserstoff-Gemische mit bis zu 30 Vol.-% Wasserstoffanteil verwendet werden.

Die Temperatur beim Vorsintern kann zwischen 750 °C und 1050°C, die Sinterzeit zwischen 10 Minuten und 2 Stunden betragen.

Durch das Vorsintern können organische Binde- und Schmiermittel ausgebrannt werden.

Durch die Wahl der Prozessparameter in den angegebenen Grenzen kann eine massive Oxidbildung von besonders sauerstoff-affinen (Legierungs)Elementen während dem Vorsintern zumindest großteils vermieden werden, sodass sich diese nicht negativ auf die Umformbarkeit auswirken. Während des Vorsintems kommt es nur beschränkt zur Versinterung der Pulverkörner, was zur Ausbildung eines eher schwachen Sinterverbundes führt.

Die auf diese Weise hergestellten vorgesinterten Grünlinge werden als „Bräunling“ bezeichnet. 6. Optional Nachpressen/ Kalibrieren

Mittels koaxialen Pressverfahren können die Bräunlinge nach verdichtet werden.

Je nach Bauteilanforderung können Höhenänderungen bis zu etwa 30% der gesamt Bauteilhöhe umgeformt werden. Bei Pressdrücken bis zu 1400 MPa - lokal sind sogar höhere Stempelbelastungen möglich - kann eine Dichtesteigerung auf >7,2 g/cm3 erreicht (lokal sind höhere Dichten möglich). N2011/03100

Die ggfs, erforderlichen Schmiermittel können entweder mit konventionellen Tauchmethoden oder bevorzugt mittels Sprühverfahren vor oder während dem Pressen auf das Bauteil aufgebracht werden.

Eine Steigerung der Dichte auf >7,2 g/cm3 ist mit diesem Verfahren möglich auch für Pulver deren theoretische Dichte <7,4 g/cm3 liegt, da beim Vorsintern alle nichtmetallischen Mischungsbestandteile verbrennen und somit die theoretisch, erreichbare Dichte gesteigert wird. 7. Sintern / Sinterhärten

Die Grünlinge oder verdichteten Bräunlinge werden mit oxidierender, inerter oder reduzierender Atmosphäre durch Verwendung von Luft, Stickstoff oder Stickstoff-Wasserstoff-Gemische mit bis zu 30 Vol.-% Wasserstoffanteil gesintert.

Gegebenenfalls können der Sinteratmosphäre aufkohlende Gasen (Endogas, Methan, Propan, u. dgl.) zugesetzt werden.

Das Sintern erfolgt bevorzugt in kontinuierlich arbeitenden Sinteröfen. Die Temperaturen beim Sintern können zwischen 800 0C und 1350°C betragen. Die Sinter-formteite können zwischen 10 Minuten und 2 Stunden auf dieser Temperatur gehalten werden.

Anschließend wird durch entsprechende Kühlaggregate am Ofenauslauf mit einer Abkühlgeschwindigkeit zwischen 0,2 K/s und 1,2 K/s aus der Sinterhitze abgekühlt.

In diesem Prozessablauf ist es möglich, dass der Grünling, der Bräunling oder das fertige Sinterbauteil einer aus dem Stand der Technik bekannten, mechanischen Bearbeitung unterzogen oder das gesinterte Sinterbauteil beschichtet wird.

Sollte das Entwachsen nicht bereits über den optionalen Verfahrensschritt Vorsintern erfolgt sein, kann dies gegebenenfalls in einem eigenen Aggregat in z.B. oxidierender Atmosphäre bzw. während des Sinterns erfolgen. N2011/03100

Optional besteht weiter die Möglichkeit, dass vor dem Sintern auf den Grünling oder den Bräunling aus voranstehend genannten Gründen ein Glaspulver aufgebracht wird. Das Glaspulver wird dabei vorzugsweise mit einer Korngröße von maximal 450 pm, insbesondere maximal 200 pm, eingesetzt. Als Glas wird vorzugsweise Quarzglas Recyclingglas, Glasschlelfstaub, Glasflussmittel (z. B. Na2C03), Porzellanstaub, niedrig schmelzende Keramikpulver, Dekorkeramik verwendet, wobei auch andere Glassorten einsetzbar sind.

Durch diese allgemein beschriebene Verfahrensroute wird ein Sinterbauteil mit weichmagnetischen Eigenschaften aus metallischen Partikeln sowie zumindest einem Metalloxid hergestellt. Dabei ist das Metalloxid aus zumindest einem Teil der metallischen Partikel gebildet. Die Oxidschicht wird auf zumindest einem Teil der Oberfläche dieser Partikel gebildet.

Andererseits wird durch einen Teil der Verfahrensschritte eine Pulvermischung zur Herstellung eines Sinterbauteils mit weichmagnetischen Eigenschaften aus metallischen Partikeln sowie zumindest einem Metalloxid hergestellt, wobei das Metalloxid aus zumindest einem Teil der metallischen Partikel gebildet wird und eine Oxidschicht auf zumindest einem Teil der Oberfläche dieser Partikel bildet.

Im Folgenden sind einige spezielle Ausführungsbeispiele von Sinterbauteilen in Form von Probekörpern und anhand der Fig. 1 bis 12 wiedergegeben, die nach diesem Verfahren hergestellt wurden.

Als Ausgangsmaterial wurde für sämtliche Proben reines Eisenpulver mit einem Reinheitsgrad von >99,9% verwendet. Als Presshilfsmittel wurde jeweils 0,8 Gew.-% eines Amidwaches zugesetzt. Diese Angabe des Mengenanteils bezieht sich auf die gesamte Pulvermischung die verpresst wurde. Die in den Beispielen angegebene Zusammensetzung bezieht sich hingegen auf die Pulvermischung aus dem voroxidierten und dem reinem Eisenpulver. Sämtliche Schliffbilder wurden mithilfe von 5 % Nital als Ätzmittel hergestellt.

Probe 1: N2011/03100 14

Es wurde eine Pulvermischung aus 16 Gew.-% voroxidiertem Eisenpulver mit 84 Gew.-% reinem Eisenpulver hergestellt. Die Voroxidation erfolgte dabei mit einem Dampfbandofen bei einer Temperatur von ca. 500 °C, wobei die Voroxidation zweimal durchgeführt wurde, also ein voroxidiertes Pulver noch einmal voroxidiert wurde. Das voroxidierte Eisenpulver mit der Magnetitschicht bestand aus Partikeln mit einer minimalen Partikelgröße von 150 pm, also Partikeln die zum überwiegenden Teil größer als 150 pm sind. Das nicht voroxidierte Eisenpulver bestand aus Partikeln mit einem maximalen Durchmesser von kleiner 150 pm. Die fertige Pulvermischung wurde auf eine Presslingsdichte von 7,2 g/cm3 verdichtet. Vor dem Sintern wurde auf den Grünling (Pressling) ein Quarzglas aufgestreut, wobei der Mengenanteil 2 Gew.-% bezogen auf den Pressling ohne Glaspulver betrug. Das Glaspuiver wies eine Partikelgröße von 260 pm auf. Die Infiltration des Presslings erfolgte während des Sinterns unter Luftatmosphäre bei einer Temperatur von 1100 °C für eine Zeit von 15 Minuten. Nach dem Sintern wurde das Sinterbauteil mit einer Kühlrate von 0,7 K/s auf Raumtemperatur abgekühlt. Es erfolgte keine weitere mechanische Nachbearbeitung.

Wie die Fig. 1 bis 3 zeigen, wurden in den Proben Inseln aus den groben voroxidierten Eisenpulverpartikeln gebildet, die von einer Oxidschicht umgeben sind, die als dunkle Umrandung ersichtlich ist. Ein Vergleich der Fig. 1 und 2 mit Fig. 3, die den Grünlingszustand zeigt, lässt deutlich erkennen, dass das aufgestreute Glaspulver die Oxidschicht verstärkt, sodass deren mittlere Dicke im Bereich zwischen 1 pm und 20 pm beträgt. mechanische Eigenschaften: • TRS (transverse rupture strength) 250 MPa bei Raumtemperatur magnetische Eigenschaften:

• 13 W/kg bei 100Hz und 1T

• 164 W/kg bei 1000Hz und 1T N2011/03100

Probe 2:

Im Wesentlichen wurde das Beispiel der Probe 1 wiederholt wobei aber eine Zusammensetzung von 32 Gew.-% voroxidiertes Eisenpulver und 68 Gew.-% Reineisenpulver verwendet wurde.

Die zugehörigen Schliffbilder sind in den Fig. 4 und 5 dargestellt. Ein Vergleich mit den Fig.1 und 2 zeigt, dass die „Inseistruktur“ deutlicher ausgebildet ist, wodurch aufgrund der besseren Isolationswirkung durch die Oxidschicht verbesserte magnetische Eigenschaften einerseits und eine gleichbleibende bzw. bessere mechanische Belastbarkeit trotz abnehmenden Sinterverbund aufgrund des geringeren Reineisenanteils andererseits erreicht werden. mechanische Eigenschaften: • TRS (transverse rupture strength) 300 MPa bei Raumtemperatur magnetische Eigenschaften:

• 12 W/kg bei 100Hz und 1T

• 152 W/kg bei 1000Hz und 1T

Probe 3:

Es wurde ein Pulver aus 100 Gew.-% voroxidiertem Eisenpulver verwendet. Die Voroxidation erfolgte dabei mit einem Dampfbandofen bei einer Temperatur von 500 °C, wobei die Voroxidation nur einmal durchgeführt wurde. Das voroxidierte Eisenpulver mit der Magnetitschicht bestand aus Partikeln mit einer kleinsten Partikelgröße von 63 pm. Die fertige Pulvermischung wurde auf eine Presslingsdichte von 6,7 g/cm3 verdichtet. Der Grünling wurde bei einer Temperatur von 1100 °C für eine Zeit von 15 Minuten unter Luft gesintert. Nach dem Sintern wurde das Sinterbauteil unter Luftkühlung mit einer Kühlrate von 0,7 K/s auf Raumtemperatur abgekühlt. Es erfolgte keine weitere mechanische Nachbearbeitung. N2011/03100 • * · « * * » * « ♦ · ψ « ·

• · «·

Die Fig. 6 und 7 zeigen jeweils Schliffbilder des Grünlings bei unterschiedlichen Vergrößerungen. Ein Vergleich mit den Fig. 4 und 5 zeigt eine sehr ähnliche Struktur auch ohne Glaspulver, wobei allerdings größere schwarze Bereich zwischen den Partikeln erkennbar sind, die durch eine höhere Porosität des Grünlings bedingt sind. Diese Porosität wird durch den fehlenden Feinanteil an Eisenpulver verursacht. Dementsprechend sind die mechanischen Eigenschaften des fertigen Sinterbauteils schlechter als jene der Proben 2.

Probe 4:

Es wurde das Beispiel nach Probe 1 wiederholt, wobei die Voroxidation allerdings nur einmal durchgeführt wurde und der Sinterbauteil abschließend bei 1100 °C gesintert wurde. Das fertige Bauteil, Fig. 8 zeigt dazu das Schliffbild, wies zwar eine verbesserte mechanische Belastbarkeit auf, allerdings sind die magnetischen Eigenschaften geringfügig schlechter ausgebildet. Es ist aus Fig. 8 ersichtlich, dass die Oxidschicht teilweise unterbrochen ist, woraus eine schlechtere Isolationswirkung resultiert. mechanische Eigenschaften: • TRS (transverse rupture strength) 270 MPa bei Raumtemperatur magnetische Eigenschaften:

* 14,5 W/kg bei 100Hz und 1T

♦ 170 W/kg bei 1000Hz und 1T

Probe 5:

Es wurde das Beispiel der Probe 3 wiederholt, allerdings mit zusätzlichen Aufstreuen von Quarzglaspulver auf den Grünling in einem Anteil von 2 Gew.-%. Die N2011/03100

Infiltration des Glaspulvers erfolgte bei 1100 °C während des Sinterns. Die Schliffbilder des gesinterten Sinterbauteils sind in den Fig. 9 und 10 wiedergegeben.

Aus den zugehörigen Schliffbildern der Fig. 9 und 10 ist erkennbar, dass die Oxidschicht stärker ausgeprägt ist. Zudem ist die Porosität im Vergleich zur Probe 3 geringer.

Es wurden im Rahmen der Erprobung der Erfindung noch weitere Versuche mit anderen Zusammensetzungen bzw. anderen Parametern durchgeführt, deren vollständige Wiedergabe den Rahmen dieser Beschreibung sprengen würde. Es haben sich dabei allerdings die voranstehend beschriebenen Bereiche als vorteilhaft hinsichtlich der gewünschten Eigenschaften des Sinterbauteils herausgestellt.

Die Ausführungsbeispiele zeigen mögliche Ausführungsvarianten des Verfahrens zur Herstellung eines Sinterbauteils mit weichmagnetischen Eigenschaften bzw. einer Pulvermischung zur Herstellung dieses Sinterbauteils, wobei an dieser Stelle bemerkt sei, dass die Erfindung nicht auf die speziell dargestellten Ausführungsvarianten derselben eingeschränkt ist, sondern vielmehr auch diverse Kombinationen der einzelnen Ausführungsvarianten untereinander möglich sind und diese Variationsmöglichkeit aufgrund der Lehre zum technischen Handeln durch gegenständliche Erfindung im Können des auf diesem technischen Gebiet tätigen Fachmannes liegt. N2011/03100

Claims (19)

1. Patentansprüche 1. Verfahren zur Herstellung eines Sinterbauteils mit weichmagnetischen Eigenschaften, nach dem aus einem, metallische Partikel aufweisenden Pulver in einer Pressform durch Pressen ein Grünling hergestellt wird und der Grünling danach gesintert wird, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Teil des Pulvers vor dem Pressen zur Ausbildung einer oxidischen Phase oxidiert wird.
2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die oxidische Phase im Bereich der Oberfläche der Partikel bis zu einer Schichtdicke von maximal 6 μιη hergestellt wird.
3. 3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Oxidation der Partikel mit Luft oder Wasserdampf bei einer Temperatur zwischen 100 °C und 723 °C durchgeführt wird.
4. 4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass auf den Grünling vor dem Sintern ein Glaspulver aufgebracht wird.
5. 5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Glaspulver auf den Grünling und/oder in die Pulvermischung vor dem Verpressen, durch Ersetzen von metallischer Pulverfraktionen eingebracht wird.
6. 6. Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass ein Glaspulver mit einer Korngröße von maximal 450 pm verwendet wird.
7. 7. Verfahren nach Anspruch 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass als Glas ein Glas ausgewählt aus einer Gruppe umfassend oder bestehend aus N2011/03100

   Quarzglas, Recyclingglas, Glasschleifstaub, Glasflussmittel, Porzellanstaub, niedrig schmelzende Keramikpulver, Dekorkeramik verwendet wird.
8. 8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass vor dem Pressen eine Pulvermischung aus Pulverfraktionen mit unterschiedlicher Partikelgrößenverteilung hergestellt wird.
9. 9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Pulvermischung Partikel mit einer Partikelgröße zwischen 45 pm und 100 pm und Partikel mit einer Partikelgröße zwischen 100 pm und 500 pm aufweist.
10. 10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass für die Oxidation Partikel des metallischen Pulvers verwendet werden, die eine Partikelgröße zwischen 50 pm und 500 pm aufweisen.
11. 11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass ein Anteil ausgewählt aus einem Bereich von 10 Gew.-% bis 90 Gew.-% an teilweise oxidierten Partikeln mit einem Anteil ausgewählt aus einem Bereich von 90 Gew.-% bis 10 Gew.-% an nicht oxidierten Partikeln des metallischen Pulvers vor dem Verpressen vermischt wird.
12. 12. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass bei Auftreten von Agglomerationen der zumindest teilweise oxidierten Partikel nach der Oxidation diese zerkleinert werden..
13. 13. Pulvermischung zur Herstellung eines Sinterbauteils mit weichmagnetischen Eigenschaften umfassend metallische Partikel sowie zumindest ein Metalloxid, dadurch gekennzeichnet, dass das Metalloxid aus zumindest einem Teil der metallischen Partikel gebildet ist und eine Oxidschicht auf zumindest einem Teil der Oberfläche dieser Partikel bildet. N2011/03100
14. 14. Pulvermischung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Oxidschicht eine Schichtdicke von maximal 6 pm aufweist.
15. 15. Pulvermischung nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass die teilweise oxidierten Partikel eine Partikelgröße zwischen 100 pm und 500 pm aufweisen.
16. 16. Pulvermischung nach einem der Ansprüche 13 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Teil der metallischen Partikel eine Partikelgröße zwischen 100 pm und 250 pm aufweist.
17. 17. Sinterbauteil mit weichmagnetischen Eigenschaften umfassend metallische Partikel sowie zumindest ein Metalloxid, dadurch gekennzeichnet, dass das Metalloxid aus zumindest einem Teil der metallischen Partikel gebildet ist und eine Oxidschicht auf zumindest einem Teil der Oberfläche dieser Partikel bildet.
18. 18. Sinterbauteil nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass der Anteil der metallischen Partikel mit der zumindest teilweise ausgebildeten Oxidschicht zwischen 50 Gew.-% und 90 Gew.-% beträgt.
19. 19. Sinterbauteil nach Anspruch 17 oder 18, dadurch gekennzeichnet, dass dieser Poren aufweist und die Poren zumindest teilweise mit einem Glas gefüllt sind. Miba Sinter Austria GmbH durch

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