CN102165540A - 用于制造可磁化的金属成型体的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于使用粉末状的并且以颗粒形式存在的铁磁性原材料制造一种可磁化的金属成型体的方法，具有下列步骤：-第一次压实原材料(S3)，以使相邻的颗粒通过形状配合式连接和/或材料接合式连接在形成空腔的情况下区段性地在其外周表面上相互连接，-在颗粒的外周表面上在连接区段以外的区域内形成电绝缘的表面涂层(S4)并且-第二次压实带有表面涂层的颗粒(S5)，从而缩小或去除空腔。

Description

用于制造可磁化的金属成型体的方法
本发明涉及一种用于制造可磁化的金属成型体的方法、一种通过该方法制造的成型体以及这种成型体的应用。
由现有技术已知很多用在实现各种最为不同的电磁设备，如电磁致动器、变压器之类的可磁化的金属体。所有这些应用的共同之处是，制造可磁化的组成部分或组件所使用的材料一方面应该具有良好的磁性特性，即在激励较小和矫顽磁场强度较低时具有尽可能高的(饱和)磁通密度，其中，鉴于这种磁性特性，纯铁(或由铁或由硅铁合金制成的材料)特别有利。
另一方面，尤其在用交流电流控制的磁体中(材料在此随着交流电流的频率去磁化)，产生尤其为涡流损耗形式的损耗；这些损耗是由交变磁场感应的电压造成的，该电压促成了垂直于交变磁场的涡旋电流并且削弱磁场(因此造成能量损耗)。为了减少这种涡流损耗，又已知的是，影响可磁化的材料，使其电阻升高，例如以变压器中的铁板的形式或通过在磁性材料中形成混合晶体(例如铁化镍)。这种(比)电阻的升高减少了所述的涡流损耗，但同时减弱了饱和磁通密度，并且还影响了机械性能，如强度。
在使用直流电流时也不能完全忽略涡旋电流的负面影响；与开关过程相关联的充磁造成涡旋电流，该涡旋电流抵消磁性并且使用直流驱动的磁体限制了致动器等的动力或可达到的运动速度。
此外，涡流损耗与频率密切相关，使得尤其在高频应用中也已知的是，使用由金属粉末制成的粉末复合材料提高比电阻，该金属粉末由例如聚合的粘结剂压实而成。除了例如相对于铁板具有较高的电阻外，这种操作方法还具有这样的优点，即可以三维地抑制涡旋电流。然而，这种粉末复合材料的磁性性能通常不充足，因此金属的典型的饱和磁通密度大约比这种在塑料中粘结的金属粉末的饱和磁通密度高1.5至大约5倍。在此，这样制造的成型体也具有不完善的机械性能，例如表现为机械强度的形式。
由此，从已知的现有技术中可知的挑战是，通过恰当地选择和形成可磁化的材料，根据各自的应用优化所述存在潜在相互冲突的性能，也就是在必要的机械性能，如可接受的强度下，使尽可能良好的磁性性能与尽可能低的涡流损耗相协调。
因此本发明所要解决的技术问题在于，创造一种可磁化的金属成型体以及一种制造该成型体的方法，对此一方面可以有效地抑制在能量方面不利的涡旋电流或将其减至最小，另一方面可以一如既往地确保良好的磁性性能，尤其是较高的(饱和)磁通密度和较低的矫顽磁场强度，其中，这种成型体也应该具有(如相对于已知的粉末材料或烧结材料)改善了的机械性能。此外，应实现对这种方法或由此制造的成型体的恰当的应用。
该技术问题由带有独立权利要求的特征的方法、通过该方法制造的成型体以及该成型体的应用方案解决；本发明有利的扩展设计在从属权利要求中描述。
首先，本发明基于这样的认知，即如果涡旋电流已经被限制在微观范围内(也就是在粉末状的铁磁性原材料的颗粒大小范围内)，则达到了产生的成型体的良好的磁性性能。相应地，按本发明的方法实现了，通过形式为第一次压实原材料这一步骤的预压实，通过在相邻颗粒之间的形状配合式连接或材料接合式连接(例如以桥键的形式)已经形成一种(机械稳定)的坯体，其中，按照本发明，在接下来在颗粒上形成电绝缘的表面涂层的步骤中使用空腔(按照扩展设计，通过引入一种相应的反应气体)，以便为在连接到各自相邻颗粒的连接区段(桥键)之外的颗粒的表面区段设置一个(相对于颗粒大小而言)极薄的局部涂层。然后，接着的第二次压实致使空腔被消除或剧烈减小，使得最终形成了一种强烈压实的、带有绝缘的(表面)涂层的涂层区段的颗粒结构，这种涂层区段—以微观尺寸分布在坯体内--在微观尺寸范围内产生了按本发明追求的、阻挡涡旋电流的效果。换而言之，本发明可以制造一种作为成型体的可磁化的金属材料，在其中(三维地)分布有不导电的、薄的(层厚通常只在纳米范围内)、用作有效的涡旋电流阻挡层的涂层区段。
这样产生的成型体不仅具有所期待的高磁性功率密度(其潜在地可与纯铁材料匹敌)，而且也通过三维地分布在坯体内的涂层区段的作用显著地减少了涡流损耗。因此例如产生了这种可能性，即，设计电磁单元，例如致动器具有改善的能量效率(节省资源)，其中，在较小激励时实现的高磁通密度使紧凑的、相应节省构造空间的并且带来其它优点的设备成为可能。
本发明的另一个优点在于，按本发明实现的成型体具有突出的机械性能，尤其在稳定性、抗拉和断裂强度方面，特别是相对于传统已知的、用于将涡流损耗减至最小的材料和材料结构来说。因此看上去大约可以轻易地实现的是，按照本发明达到了按本发明实现的成型体的电磁性能，该性能具有相应于一种典型的参考材料，例如FeSi3，但在机械方面相对于该参考材料有显著改善的性能。这看上去在这种前提下是可信的，即，在本发明的有利的实施形式中，在于压实原材料的第一步骤中将彼此相邻的颗粒通过桥键等互相连接并且相应地形成坯体的适宜的基本强度之后，产生绝缘的表面涂层。
通过按照本发明的相宜的方式，在实际操作中，在第一次压实步骤之后引入空腔内(一种相连接的孔隙)的反应气体是一种使连接区段(桥键)以外的颗粒表面氧化或硝化的气体，其中这种气体也可以是一种含碳、氮、氧、硫和/或硼的气体。在本发明的范围内，也可以不用特意输入这种气体，而是使用(剩余的)已经存在于粉末状原材料中的和/或在第一次压实过程中产生或形成的气体作为反应气体，其中，在这种情况下，形成电绝缘的表面涂层的步骤伴随着第一次压实同时进行。
此外，在本发明的优选实施形式中，在第一次压实的步骤中以大于300bar，典型地大于1000bar或更大的第一挤压力进行(优选为等静压的和/或冷流体静压的)挤压，而在形成绝缘的表面涂层之后的第二次压实是一个典型的、以明显升高直到约4000bar的挤压力进行热流体静压的挤压的过程。在高于1000℃的典型温度下，这种挤压力致使材料流动，结果是使(在气孔显著减少或完全消失时)绝缘的表面涂层的涂层区段(当厚度在通常的纳米范围内时，该区段分别具有大致相当于原材料颗粒大小的长度)分布在产生的成型体内，并且在微观层面上实现了预期的阻挡涡旋电流的作用。
按照本发明的扩展设计包括，在第二次压实之后对金属成型体进行机械成型步骤和/或进行切削加工再处理，以便此时按照计划的使用目的使成型体成型。此外，合适的是，为此也可以使用例如轧制、深冲等的成型步骤，从而可以有针对性地改变分布在成型体内的涂层区段的各向同性。
本发明一方面包括使用未涂层的铁磁性颗粒，例如纯铁颗粒作为铁磁性原材料，而本发明的一种可选的实施形式规定，将呈粉末状的颗粒输入按本发明的工序中，这些颗粒自身作为已涂层的颗粒存在，例如带(其它的)金属涂层或半导体涂层的铁颗粒(例如通过事先置入的等离子涂层)。因此，一方面可以在第一次压实的步骤之后影响机械连接性能(例如烧结桥键的质量)，另一方面，通过有针对性地形成有待引入孔隙中的反应气体，颗粒的这种预涂层可以产生良好的绝缘表面(例如通过借助涂层工艺氧化已用铝预涂层的铁颗粒而形成氧化铝表面涂层)。
用所述方式按本发明产生的成型体原则上适用于大量的磁性应用，其中，前述的在效率、磁性性能、机械坚固性和稳定性方面的优点可以分别恰当地仪器化(instrumentalisiert)--因此本发明的潜在使用范围从磁性致动器或驱动设备(如电磁执行机构和电动机)延伸至在变压器中和功率电子学的其它领域中的使用直到电磁轴承和高频技术中的课题。
本发明其它的优点、特征和细节由以下借助附图对优选实施例的说明中得出。在附图中：
图1是用于实施按本发明第一种实施形式的方法的、带有工艺步骤S1至S7的流程图，以及
图2是多个示意性图解的总览，该图解按着图1中步骤S1至S6的顺序讲解了成型体或原材料颗粒按着工艺变化的成型过程。
按照第一工艺步骤制备一种粉末状的、典型平均颗粒大小在约10μm至500μm范围内的铁原材料；附图标记10说明在工艺步骤S1中存在这种处于未涂层状态的粉末颗粒。典型的市面上常见的、具有相对较小的颗粒大小的粉末材料例如是颗粒大小小于30μm的纯铁粉末(Fe2)，生产商ThyssenKrupp Metallurgie的平均颗粒大小在9μm至11μm的D50，较大的颗粒大小例如可参考产品Ampersint(HC Starck GmbH公司的雾化的铁基粉末)，在此至少99.5％(质量比)的铁的颗粒大小小于350μm。该生产商的备选的铁基粉末是带有相应颗粒大小的FeSi3或FeSi6。
工艺步骤S2作为可选的工艺步骤规定了这样的可能性，即，在接下来的第一次压实(S3)之前，例如借助等离子涂层等为原材料的粉状颗粒设置金属涂层或半导体涂层。这种在步骤S2中可选地待施加的涂层相对于相关的颗粒直径而言很薄，并且典型地在5至50nm的范围内。
在接下下来的工艺步骤S3中，进行(涂层的或未涂层的)原材料的第一次压实，典型地以大约1000bar的挤压力进行冷流体静压的压实。形成了在图2中(对于未涂层的原材料)示出的预压实的坯体的图像，在该坯体中，颗粒10借助烧结桥键机械地相互固定粘结。
在接下来的工艺步骤S4中，将一种氧化的气体，在本实施形式中是氧气，在压力为0.01bar并且温度为350℃时这样引入成型体，使得该气体进入空腔14并且相应地为颗粒10在不是与各自的相邻颗粒连接的连接区段的所有外周区域内设置(电绝缘的)薄的氧化层14。气体处理步骤S4之后(在所述的实施例中持续30min)在颗粒上形成的典型涂层厚度是约10nm。例如通过改变压力或温度或作用时间可以改变这个层厚。
接下来的第二次压实步骤S5(所谓的加固)通常作为高温下的挤压过程，尤其借助热流体静压的挤压进行；典型的过程参数是在温度为1200℃时不超过约4000bar的挤压力。参照图2中对S5的图解，这致使孔(间隙)12消失或显著减小，使得在工艺步骤S5结束时在最终压实的材料中基本上只保留有分布在材料中的氧化层区段14，该氧化层区段14相应于在颗粒外周表面上的原有涂层区段或压实的孔。因此这种非常扁平的氧化层区段具有约为颗粒原始大小的10％至150％范围内的典型长度，并且相对颗粒原始大小而言非常薄，即又在纳米范围内(通常为5至约30nm)。
这些氧化层区段通过其在最终压实的材料中的分布起到按本发明在微观范围内有效的涡旋电流阻挡层的作用，同时这样形成的最终压实的材料(在示出的实施例中该材料还在接下来的步骤S6中通过轧制成型为所追求的最终形状以及在接下来的步骤S7中还经过切削加工再处理)实现了在高饱和磁通密度和低矫顽磁场强度方面的非常良好的磁性性能，其中，在已知的、通常为直流电应用而形成的易切削钢(例如1.0715)的尺寸上实现了良好的性能。此外，这样制造的材料明显优于用于交流电应用的典型参考材料(如FeSi3)。

Claims (20)

1.一种用于使用粉末状的并且以颗粒形式存在的铁磁性原材料(10)制造一种可磁化的金属成型体的方法，具有下列步骤：
-第一次压实所述原材料(S3)，以使相邻的颗粒通过在其外周表面上局部区段性的形状配合和/或材料接合在形成空腔(12)的情况下相互连接，
-在所述颗粒的在连接区段以外的外周表面区域上形成电绝缘的表面涂层(14)(S4)并且
-第二次压实所述带有表面涂层的颗粒(S5)，从而缩小或去除所述空腔。
2.按权利要求1所述的方法，其特征在于，通过将一种通过与外周表面发生反应产生表面涂层的气体引入所述空腔来形成所述电绝缘的表面涂层(S4)。
3.按权利要求1或2所述的方法，其特征在于，通过这样一种气体形成所述电绝缘的表面涂层，该气体在所述第一次压实所述原材料的步骤中已经存在于该原材料中或与该原材料共同存在或在第一次压实中产生。
4.按权利要求2或3所述的方法，其特征在于，所述气体是一种含碳、氮、氧、硫和/或硼的气体和/或这样引起一种化学反应，使得在所述连接区段以外的外周表面上形成电绝缘的表面涂层。
5.按权利要求1至4之一所述的方法，其特征在于，所述电绝缘的表面涂层具有2nm至50nm范围内的层厚。
6.按权利要求1至5之一所述的方法，其特征在于，所述第一次压实(S3)以大于50bar，优选大于300bar，进一步优选大于1000bar的第一挤压力挤压所述原材料。
7.按权利要求6所述的方法，其特征在于，所述第一次压实通过冷流体静压的挤压或等静压挤压进行。
8.按权利要求1至7之一所述的方法，其特征在于，通过烧结和/或预烧结通过振动被压实的、作为铁磁性原材料的粉末来完成所述第一次压实。
9.按权利要求8所述的方法，其特征在于，所述烧结或预烧结通过热处理进行，并且不进行挤压。
10.按权利要求1至9之一所述的方法，其特征在于，所述第二次压实(S5)以第二挤压力挤压通过第一次压实过程压实的并且带有电绝缘的表面涂层的颗粒，该第二挤压力高于所述第一挤压力，尤其高出至少10％，优选高出至少200％。
11.按权利要求6、8至10之一所述的方法，其特征在于，所述第一压实和/或第二压实通过热流体静压的挤压或等静压挤压进行。
12.按权利要求11所述的方法，其特征在于，在所述第二压实(S5)过程中的所述热流体静压的挤压或等静压挤压在这样一个温度和挤压力下进行，该温度和挤压力致使颗粒和/或绝缘的表面涂层的涂层区段流动。
13.按权利要求1至12之一所述的方法，其特征在于，设有成型的步骤(S6)，尤其是在所述第二次压实之后轧制或深冲所述成型体的步骤。
14.按权利要求13所述的方法，其特征在于，所述成型改变和/或消除了在所述第二次压实之后存在于所述成型体内的绝缘表面涂层的涂层区段的各向同性。
15.按权利要求1至14之一所述的方法，其特征在于，所述铁磁性原材料具有未涂层的铁颗粒。
16.按权利要求1至15之一所述的方法，其特征在于，所述铁磁性原材料具有用金属材料或半导体材料涂层的铁颗粒。
17.按权利要求16所述的方法，其特征在于，所述原材料中的铁颗粒的涂层具有小于1000nm，优选小于100nm，进一步优选小于10nm的厚度。
18.按权利要求15至17之一所述的方法，其特征在于，所述铁磁性原材料的粉末状颗粒的平均颗粒大小在5μm至1000μm的范围内。
19.按权利要求1至18之一所述的方法，其特征在于，所述金属成型体用于制造电磁的执行设备和/或驱动设备的，尤其是电磁的执行机构或电动机的，磁性轴承或变压器的可磁化的部件。
20.按权利要求1至18之一所述的方法，其特征在于，所述成型体用于制造高频构件或高频组件。
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