DE102006032517A1

DE102006032517A1 - Verfahren zur Herstellung von Pulververbundkernen und Pulververbundkern

Info

Publication number: DE102006032517A1
Application number: DE102006032517A
Authority: DE
Inventors: Markus Brunner; Georg Werner Reppel
Original assignee: Vaccumschmelze GmbH and Co KG
Current assignee: Vaccumschmelze GmbH and Co KG
Priority date: 2006-07-12
Filing date: 2006-07-12
Publication date: 2008-01-24
Anticipated expiration: 2026-07-13
Also published as: GB2454823B; SG173351A1; HK1130114A1; GB2454823A; GB2484435B8; HK1165081A1; GB2481936B; GB2484435B; US20100237978A1; GB2484435A; WO2008007346A2; GB0900272D0; GB2481936A; WO2008007346A3; US8216393B2; GB201118003D0; GB201200817D0; DE102006032517B4

Abstract

Ein Pulververbundkern soll besonders dicht und fest und aus weichmagnetischen Legierungen hergestellt sein. Insbesondere soll ein Auffedern des wärmebehandelten Kerns vermieden werden. Dazu wird zu seiner Herstellung zunächst ein aus einer weichmagnetischen Legierung hergestelltes Band zu Partikeln zerkleinert. Die Partikel werden mit einem ersten Bindemittel, das eine Aushärtetemperatur T1,Härt und eine Zersetzungstemperatur T1,Zersetz aufweist, und mit einem zweiten Bindemittel, das eine Aushärtetemperatur T2,Härt und eine Zersetzungstemperatur T2,Zersetz aufweist, gemischt, wobei T1,Härt < T2,Härt <= T1,Zersetz < T2,Zersetz gilt. Die Mischung wird zu einem Magnetkern gepresst und das erste Bindemittel wird ausgehärtet. Anschließend wird der Magnetkern einer Wärmebehandlung unterzogen unter Aushärtung des zweiten Bindemittels bei einer Wärmebehandlungstemperatur Tanneal >= T2,Härt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von magnetischen Pulververbundkernen, die aus einer Mischung aus Legierungspulver und Bindemittel gepresst werden. Sie betrifft weiter einen Pulververbundkern.
Bei solchen Pulververbundkernen werden geringe Hysterese- und Wirbelstromverluste angestrebt. Typischerweise wird das Pulver beispielsweise in Form von Flakes bereitgestellt, die aus einem in Schmelzspinntechnologie hergestellten, weichmagnetischen Band durch Zerkleinern gewonnen werden, oder durch Wasserverdüsen hergestellt. Diese Flakes weisen beispielsweise die Form von Plättchen auf. Während Flakes aus Reineisen oder Eisen-Nickel-Legierungen so duktil sind, dass sie sich unter dem Einfluss des Pressdruckes plastisch verformen und Presskerne größer Dichte und Festigkeit ergeben, müssen bei Flakes oder Pulvern aus verhältnismäßig harten und steifen Materialien Bindemittel eingesetzt werden, um Kerne von ausreichender Festigkeit zu erhalten. Wenn die Flakes in einem Presswerkzeug bei hohen Drücken zu einem Magnetkern verdichtet werden, kann es notwendig sein, ein Auffedern des Kerns bei der anschließenden Druckentspannung durch die Zugabe eines Bindemittels zu verhindern. Ein solches Auffedern hätte nämlich eine unerwünschte Verringerung der Dichte des Kerns oder sogar seine Zerstörung durch Auseinanderbrechen zur Folge.
Neigen die Magnetkerne kaum zum Auffedern, wie das z.B. bei duktilen kristallinen Legierungen der Fall ist, können mineralische Binder, beispielsweise auf der Basis wasserlöslicher Silikate, eingesetzt werden. Diese Bindemittel entfalten ihre volle Wirkung erst nach einer Trocknung der Magnetkerne außerhalb des Presswerkzeugs. Erst dann erreicht der Magnetkern seine endgültige Festigkeit.
Neigen die Magnetkerne jedoch zum Auffedern, wie es für Kerne aus rascherstarrten, amorphen oder nanokristallinen Legierungen typisch ist, so muss das Bindemittel seine Wirkung schon vor dem Herausnehmen des Presslings aus dem Presswerkzeug entfalten. Es werden daher typischerweise Duroplaste als Bindemittel eingesetzt, die bereits im Presswerkzeug aushärten. Diese haben allerdings den Nachteil, dass sie nicht ausreichend wärmebeständig sind, um eine Wärmebehandlung des Magnetkerns zur Einstellung seiner magnetischen Eigenschaften zu erlauben.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein Verfahren zur Herstellung eines Pulververbundkerns anzugeben, das die Herstellung besonders dichter und fester Magnetkerne aus im Rascherstarrungsverfahren erzeugten Legierungen ermöglicht. Zudem soll ein Pulververbundkern mit besonders guten magnetischen Eigenschaften angegeben werden.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe mit dem Gegenstand der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche.
Ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Herstellung eines Magnetkerns umfasst folgende Schritte: Zunächst werden Partikel aus einer weichmagnetischen Legierung bereitgestellt. Die Partikel können aus im Rascherstarrungsverfahren gewonnenen Bändern oder Bandstücken durch Zerkleinerung gewonnen oder auch durch Wasserverdüsung hergestellt sein. Die Partikel werden mit einem ersten Bindemittel, das eine erste Aushärtetemperatur T_1,Härt und eine erste Zersetzungstemperatur T_1,Zersetz aufweist, und mit einem zweiten Bindemittel, das eine zweite Aushärtetemperatur T_2,Härt und eine zweite Zersetzungstemperatur T_2,Zersetz aufweist, gemischt. Die Bindemittel werden dabei so ausgewählt, dass T_1,Härt < T_2,Härt ≤ T_1,Zersetz < T_2,Zersetz gilt. Anschließend wird die Mischung in einem Presswerkzeug zu einem Magnetkern gepresst, das erste Bindemittel bei einer Tem peratur T ≥ T_1,Härt ausgehärtet und der Magnetkern aus dem Presswerkzeug entnommen. Danach wird eine Wärmebehandlung des Magnetkerns zur Einstellung seiner magnetischen Eigenschaften unter Aushärtung des zweiten Bindemittels bei einer Wärmebehandlungstemperatur T_anneal > T_2,Härt durchgeführt.
Einem Grundgedanken der Erfindung zufolge kann auf eine Warmebehandlung zur Einstellung der magnetischen Eigenschaften des Kerns nicht verzichtet werden. Jedoch ist dafür ein Bindemittel erforderlich, das eine hohe Temperaturbeständigkeit aufweist. Ein solches Bindemittel benötigt wiederum Bedingungen zum Aushärten, die innerhalb des Presswerkzeugs kaum realisierbar sind. Es ist jedoch bei der Verwendung von Flakes, die zum Auffedern neigen, notwendig, bereits bei der Entnahme des Presslings aus dem Presswerkzeug eine große Festigkeit des Magnetkerns sicherzustellen. Somit widersprechen sich die Anforderungen an die hohe Temperaturbeständigkeit und die einfachen Aushärtebedingungen des Bindemittels.
Beide Anforderungen lassen sich jedoch gleichzeitig erfüllen, wenn nicht nur ein Bindemittel, sondern mindestens zwei eingesetzt werden. Das erste Bindemittel ist bereits im Presswerkzeug aushärtbar und gewährleistet die Stabilität des Presslings bei der Entnahme aus dem Presswerkzeug und zu Be ginn der anschließenden Wärmebehandlung. Dafür wird auf eine hohe Temperaturbeständigkeit dieses ersten Bindemittels verzichtet. Das zweite Bindemittel kann nicht im Presswerkzeug ausgehärtet werden. Es wird erst bei der Wärmebehandlung ausgehärtet und übernimmt auch erst dann seine Funktion als Bindemittel. Das zweite Bindemittel löst das erste in seiner Funktion also gewissermaßen bei einer bestimmten Temperatur ab. Dabei ist es prinzipiell auch denkbar, mehr als zwei Bindemittel einzusetzen.
Damit dabei sichergestellt ist, dass der Kern zu jeder Zeit eine ausreichende Festigkeit aufweist, muss das zweite Bindemittel aushärten, bevor das erste sich zersetzt und seine Bindewirkung verliert, was zum Auffedern des Presslings führen würde.
Das erste Bindemittel kann beispielsweise aus der Gruppe Epoxyde, Phenole und epoxydierte Cyanurate ausgewählt werden. Sie sind im Presswerkzeug beispielsweise bei Temperaturen von 20 bis 250 °C, vorzugsweise von 100 bis 220 °C, besonders bevorzugt von 150 bis 200 °C, innerhalb kurzer Zeit aushärtbar und weisen eine ausreichende Bindewirkung auf, um ein Auffedern des Presslings zu verhindern.
Als zweites Bindemittel ist beispielsweise ein oligomeres Polysiloxanharz wie Methylpolysiloxan, Phenylpolysiloxan und Methyl-Phenylpolysiloxan oder auch ein Polyimid oder Polybenzimidazol, vorzugsweise in nicht voll imidisierter Form, denkbar. Binder wie oligomere Polysiloxanharze härten bei Temperaturen zwischen etwa 250 und 300 °C durch Polykondensation aus und keramisieren bei Temperaturen ab etwa 400 °C zu einem mineralischen Silikat. Dabei ist der Binder so auszuwählen, dass sein Glührückstand bei der höchsten für die Wär mebehandlung erforderlichen Temperatur mehr als 85% seiner Ausgangsmasse beträgt. Dies ist notwenig um sicherzustellen, dass nach der Wärmebehandlung eine ausreichende Stabilität des fertigen Magnetkerns gewährleistet ist.
Das Mischungsverhältnis des ersten und zweiten Bindemittels beträgt vorteilhafterweise zwischen 1:5 und 3:1. Das Mischungsverhältnis muss so ausgewogen sein, dass der Magnetkern ständig eine ausreichende Festigkeit aufweist, obwohl bis auf gegebenenfalls eine kurze Zeitspanne lang jeweils nur ein Bindemittel seine Funktion als Binder wahrnimmt, während das andere "inaktiv" ist.
Die Partikel können vor dem Pressen mit mindestens einem der Bindemittel beschichtet werden, das beispielsweise in einem Lösungsmittel gelöst ist. Dabei können auch beide Bindemittel gemeinsam oder nacheinander als Beschichtung aufgebracht werden. Es ist jedoch auch möglich, mindestens eines der Bindemittel der Mischung vor dem Pressen in Pulverform zuzugeben.
Vorteilhafterweise liegt das zweite Bindemittel bei der Temperatur T_1,Härt im geschmolzenen Zustand vor. Es kann in diesem Fall zusätzlich als Schmiermittel während es Pressvorgangs genutzt werden.
Verarbeitungshilfsstoffe wie Schmiermittel können der Mischung zusätzlich zugegeben werden. Dazu werden beispielsweise organische oder anorganische Gleitmittel wie Wachse, Paraffin, Metallstearate, Bornitrid, Graphit oder MoS₂ zugegeben. Außerdem kann mindestens eines der Bindemittel einen mineralischen, feinteiligen Füllstoff enthalten, der als elektrisch isolierender Abstandshalter zwischen den einzelnen Flakes wirkt. Damit kann eine Verbesserung des Frequenzganges, insbesondere eine Verringerung der Wirbelstromverluste des Kerns, erzielt werden.
Als weichmagnetische Legierung ist in einer Ausführungsform der Erfindung eine amorphe Eisenbasislegierung vorgesehen. Dafür kann die Legierung die Zusammensetzung M_αY_βZ_γ aufweisen, worin M mindestens ein Element aus der Gruppe Fe, Ni, Co ist, Y mindestens ein Element aus der Gruppe B, C, P und Z mindestens ein Element aus der Gruppe Si, Al und Ge ist und α, β und γ in Atomprozent angegeben sind und den folgenden Bedingungen genügen: 70 ≤ α ≤ 85; 5 ≤ β ≤ 20; 0 ≤ γ ≤ 20, wobei bis zu 10 Atomprozent der Komponente M durch mindestens ein Element aus der Gruppe Ti, V, Cr, Mn, Cu, Zr, Nb, Mo, Ta, und W und bis zu 10 Atomprozent der Komponente (Y + Z) durch min destens ein Element aus der Gruppe In, Sn, Sb und Pb ersetzt werden können.
Bei einem Kern aus einem solchen Legierungspulver wird die Wärmebehandlung vorteilhafterweise bei einer Wärmebehand lungstemperatur T_anneal von maximal 500 °C durchgeführt. Bei diesem Temperaturen findet keine Kristallisation der Legierung statt und das amorphe Gefüge bleibt erhalten. Die Temperaturen sind jedoch ausreichend, um Presspannungen aus dem Kern zu entfernen.
In einer alternativen Ausführungsform ist als weichmagnetische Legierung eine nanokristallisierbare Legierung vorgesehen. Dazu kann die Legierung die Zusammensetzung (Fe_1-a-bCo_aNi_b)_100-x-y-zM_xB_yT_z aufweisen, worin M mindestens ein Element aus der Gruppe Nb, Ta, Zr, Hf, Ti, V und Mo ist; T mindestens ein Element aus der Gruppe Cr, W, Ru, Rh, Pd, Os, Ir, Pt, Al, Si, Ge, C und P ist und a, b, x, y, und z in Atomprozent an gegeben sind und den folgenden Bedingungen genügen: 0 ≤ a ≤ 0,29; 0 ≤ b ≤ 0,43; 5 ≤ x ≤ 20; 10 ≤ y ≤ 22; 0 ≤ z ≤ 5.
In einer alternativen Ausführungsform weist die nanokristallisierbare Legierung die Zusammensetzung (Fe_1-aM_a)_{100-x-y-z-α-βγ}Cu_xSi_yB_zM'_αM''_βX_γ auf, worin M Co und/oder Ni ist, M' mindestens ein Element aus der Gruppe Nb, W, Ta, Zr, Hf, Ti und Mo ist; N'' mindestens ein Element aus der Gruppe V, Cr, Mn, Al, Elementen der Platingruppe, Sc, Y, seltenen Erden, Au, Zn, Sn, und Re ist, X mindestens eine Element aus der Gruppe C, Ge, P, Ga, Sb, In, Be, und As ist, und a, x, y, z, α, β und γ in Atomprozent angegeben sind und den folgenden Bedingungen genügen: 0 ≤ a ≤ 0,5; 0,1 ≤ x ≤ 3; 0 ≤ y ≤ 30; 0 ≤ z ≤ 25; 0 ≤ y + z ≤ 35; 0,1 ≤ α ≤ 30; 0 ≤ β ≤ 10; 0 ≤ γ ≤ 10.
Zur Erzielung eines nanokristallinen Gefüges wird die Wärmebehandlung bei einer Wärmebehandlungstemperatur T_anneal von 480 bis 600 °C durchgeführt. Die Wärmebehandlung kann zum Schutz des Magnetkerns vor Korrosion unter Schutzgasatmosphäre durchgeführt werden.
Vorteilhafterweise wird der Magnetkern bei 150 bis 200 °C unter Aushärten des ersten Bindemittels heißgepresst, wobei Drücke von 5 bis 25 t/cm² angewendet werden.
Bezogen auf die Masse der metallischen Partikel beträgt die Masse der Bindemittel zusammengenommen vorteilhafterweise 2-8 Gewichtsprozent. So ist sichergestellt, dass eine ausreichende Bindewirkung erzielt wird, aber gleichzeitig eine hohe Dichte des Kerns durch einen hohen Anteil an Flakes erzielt werden kann.
Das Verfahren lässt sich besonders vorteilhaft für Partikel einsetzen, die die Gestalt von Flakes aufweisen, insbesondere bei Flakes mit einem Aspektverhältnis von mindestens 2, da diese besonders stark zum Auffedern neigen können.
Die Flakes weisen vorteilhafterweise einen Durchmesser d von höchstens 500 μm, bevorzugt höchstens 300 μm auf. Besonders vorteilhaft ist ein Größenbereich der Flakes von 50 μm ≤ d 200 μm.
Vor dem Pressen werden die Partikel zur Verringerung von Wirbelstromverlusten vorteilhafterweise zum Aufbringen einer elektrische isolierenden Beschichtung in einer wässrigen oder alkoholhaltigen Lösung gebeizt und anschließend getrocknet.
Die Partikel werden typischerweise aus einem rascherstarrten Band, wobei unter Band auch eine Folie oder ähnliches verstanden wird, hergestellt. Vor der Verarbeitung zu Partikeln wird das Band dabei vorteilhafterweise durch eine Wärmebe handlung vorversprödet und dann in einer Schneidmühle zerkleinert.
Das erfindungsgemäße Verfahren hat den Vorteil, dass es die Herstellung von Verbundkernen auch aus federsteifen Flakes und gleichzeitig die Einstellung der magnetischen Eigenschaften durch eine Wärmebehandlung erlaubt. Durch die Verwendung zweier Bindemittel, die sich in ihren Eigenschaften, insbesondere in ihrer Reaktivität und ihrer Wärmebeständigkeit so ergänzen, dass zu jedem Zeitpunkt der Herstellung der Magnet kern eine ausreichende Stabilität besitzt und vor einer Zerstörung durch Auffedern der Flakes geschützt ist, sind komplizierte Verfahrensschritte oder der Einsatz teurer Materialien unnötig. Es können vielmehr bewährte Bindemittel verwen det werden, die während des Heißpressens bzw. während der Wärmebehandlung aushärten, so dass keine zusätzlichen Verfahrensschritte erforderlich sind.
Ein erfindungsgemäßer Pulververbundmagnetkern weist eine der beschriebenen weichmagnetischen Legierungen auf und ist wärmeformbeständig bis zu Temperaturen von über 600 °C. Unter Wärmeformbeständigkeit wird dabei die Eigenschaft des Magnetkerns verstanden, auch bei den genannten hohen Temperaturen seine Geometrie und seine Pressdichte nicht durch Auffedern zu verändern.
Der erfindungsgemäße Magnetkern weist Zersetzungsprodukte eines Polymers auf Epoxydharz- oder Phenolbasis und bezogen auf seine Gesamtmasse 1-5 Gewichtsprozent des Glührückstandes eines Polysiloxanpolymers in keramisierter Form als Bindemittel auf.
In einer alternativen Ausführungsform weist er bezogen auf seine Gesamtmasse 1-5 Gewichtsprozent des Glührückstandes eines Polyimidpolymers in keramisierter Form auf.
In einer weiteren alternativen Ausführungsform weist er bezogen auf seine Gesamtmasse 1-5 Gewichtsprozent des Glührückstandes eines Polyimidpolymers in voll imidisierter Form auf.
Der erfindungsgemäße Magnetkern kann vorteilhaft in induktiven Bauelementen wie beispielsweise Drosseln zur Leistungsfaktorkorrektur (PFC-Drosseln), Speicherdrosseln, Filterdrosseln oder Glättungsdrosseln eingesetzt werden.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im folgenden näher erläutert.
Beispiel 1
Flakes aus einer Legierung der Zusammensetzung Fe_balCu₁Nb₃Si_15,5B₇C_0,12 mit einem Durchmesser d zwischen 0,04 und 0,08 mm, die mit einer Phosphatschicht überzogen waren, wurden in einer Menge von 95,9 Gewichtsprozent mit jeweils 2 Gewichtsprozent eines Phenolharzes (Bakelite SP 309) als erstem Bindemittel und eines Siloxanharzes (Silres MK) als zweitem Bindemittel und mit 0,1 Gewichtsprozent Isostearinsäure als Gleitmittel vermischt. Die Mischung wurde bei Drücken von 8 t/cm² und Temperaturen von 180 °C zu Ringkernen verpresst. Im Anschluss wurden die Presslinge bei Temperaturen von 560 °C zwischen 1 und 4 Stunden unter Schutzgasatmosphäre einer Wärmebehandlung unterzogen, um ein nanokristallines Gefüge zu erzielen.
Der fertige Magnetkern wies bei 100 kHz und einer Aussteuerung von 0,1T eine Permeabilität von 62 und Ummagnetisierungsverluste von 754 mW/cm³ auf.
Beispiel 2
Flakes aus einer Legierung der Zusammensetzung Fe_balCu₁Nb₃Si_15,5B₇ mit einem Durchmesser d von weniger als 0,04 mm, die mit einer Phosphatschicht überzogen waren, wurden in einer Menge von 95,9 Gewichtsprozent mit jeweils 2 Gewichtsprozent eines Phenolharzes (Bakelite SP 309) als erstem Bindemittel und eines Siloxanharzes (Silres MK) als zweitem Bindemittel und mit 0,1 Gewichtsprozent Zinkstearat als Gleitmittel vermischt. Die Mischung wurde bei Drücken von 8 t/cm² und Temperaturen von 180 °C zu Ringkernen verpresst. Im Anschluss wurden die Presslinge bei Temperaturen von 560°C zwischen 1 und 4 Stunden unter Schutzgasatmosphäre einer Wär mebehandlung unterzogen, um ein nanokristallines Gefüge zu erzielen.
Der fertige Magnetkern wies bei 100 kHz und einer Aussteuerung von 0,1T eine Permeabilität von 55 und Ummagnetisierungsverluste von 1230 mW/cm³ auf.
Beispiel 3
Flakes aus einer Legierung der Zusammensetzung Fe_balCu₁Nb₃Si_15,5B₇ mit einem Durchmesser d zwischen 0,08 und 0,12 mm, die mit einer Phosphatschicht überzogen waren, wurden in einer Menge von 96,4 Gewichtsprozent mit 1,5 Gewichtsprozent eines Phenolharzes (Bakelite SP 309) als erstem Bindemittel, mit 2 Gewichtsprozent eines Siloxanharzes (Silres MK) als zweitem Bindemittel und mit 0,1 Gewichtsprozent Paraffin als Gleitmittel vermischt. Die Mischung wurde bei Drücken von 8 t/cm² und Temperaturen von 180 °C zu Ringkernen verpresst. Im Anschluss wurden die Presslinge bei Temperaturen von 560 °C zwischen 1 und 4 Stunden unter Schutzgasatmo sphäre einer Wärmebehandlung unterzogen, um ein nanokristallines Gefüge zu erzielen.
Der fertige Magnetkern wies bei 100 kHz und einer Aussteuerung von 0,1T eine Permeabilität von 71 und Ummagnetisie rungsverluste von 590 mW/cm³ auf.
Beispiel 4
Flakes aus einer Legierung der Zusammensetzung Fe_balCu₁Nb₃Si_15,5B₇ mit einem Durchmesser d zwischen 0,106 und 0,160 mm, die mit einer Phosphatschicht überzogen waren, wurden in einer Menge von 96,9 Gewichtsprozent mit einem Gewichtsprozent eines Epoxydharzes (Epicote1055 und Härter) als erstem Bindemittel, mit 2 Gewichtsprozent eines Siloxanharzes (Silres 604) als zweitem Bindemittel und mit 0,1 Gewichtsprozent Bornitrid als Gleitmittel vermischt. Die Mischung wurde bei Drücken von 8 t/cm² und Temperaturen von 180 °C zu Ringkernen verpresst. Im Anschluss wurden die Presslinge bei Temperaturen von 560°C zwischen 1 und 4 Stunden unter Schutzgasatmosphäre einer Wärmebehandlung unterzogen, um ein nanokristallines Gefüge zu erzielen.
Der fertige Magnetkern wies bei 100 kHz und einer Aussteue rung von 0,1T eine Permeabilität von 110 und Ummagnetisierungsverluste von 480 mW/cm³ auf.
Beispiel 5
Flakes aus einer Legierung der Zusammensetzung Fe_balCu₁Nb₃Si_15,5B₇ mit einem Durchmesser d zwischen 0,04 und 0,16 mm, die mit einer Phosphatschicht überzogen waren, wurden in einer Menge von 95,9 Gewichtsprozent mit 1,5 Gewichtsprozent eines Phenolharzes (Bakelite SP 309) als erstem Bindemittel, mit 2,5 Gewichtsprozent Polybenzimidazol Oligomer als zweitem Bindemittel und mit 0,1 Gewichtsprozent MoS₂ als Gleitmittel vermischt. Die Mischung wurde bei Drücken von 8 t/cm² und Temperaturen von 180 °C zu Ringkernen verpresst. Im Anschluss wurden die Presslinge bei Temperaturen von 560°C zwischen 1 und 4 Stunden unter Schutzgasatmosphäre einer Wär mebehandlung unterzogen, um ein nanokristallines Gefüge zu erzielen.
Der fertige Magnetkern wies bei 100 kHz und einer Aussteuerung von 0,1T eine Permeabilität von 120 und Ummagnetisie rungsverluste von 752 mW/cm³ auf.
Beispiel 6
Flakes aus einer Legierung der Zusammensetzung Fe_balSi₁₂B₁₂ mit einem Durchmesser d zwischen 0,06 und 0,2 mm, die mit einer Phosphatschicht überzogen waren, wurden in einer Menge von 96,3 Gewichtsprozent mit 1,5 Gewichtsprozent eines Phenolharzes (Bakelite SP 309) als erstem Bindemittel, mit 2,0 Gewichtsprozent eines Siloxanharzes (Silres MK) als zweitem Bindemittel und mit 0,2 Gewichtsprozent Hydroxistearinsäure als Gleitmittel vermischt. Die Mischung wurde bei Drücken von 9 t/cm² und Temperaturen von 190 °C zu Ringkernen verpresst. Im Anschluss wurden die Kerne bei Temperaturen von 460°C zwischen 1 und 4 Stunden unter Schutzgasatmosphäre einer Wärmebehandlung zum Abbau mechanischer Spannungen unterzogen.
Der fertige Magnetkern wies bei 100 kHz und einer Aussteue rung von 0,1T eine Permeabilität von 142 und Ummagnetisierungsverluste von 1130 mW/cm³ auf.
Beispiel 7
Flakes aus einer Legierung der Zusammensetzung Fe_balCo_18,1Si₁B₁₄C_0,06 mit einem Durchmesser d zwischen 0,06 und 0,125 mm, die mit einer Phosphatschicht überzogen waren, wurden in einer Menge von 95,9 Gewichtsprozent mit 1,5 Gewichtsprozent eines Phenolharzes (Bakelite SP 309) als erstem Bindemittel, mit 2,5 Gewichtsprozent eines Siloxanharzes (Silres 604) als zweitem Bindemittel und mit 0,1 Gewichtsprozent Zinkstearat als Gleitmittel vermischt. Die Mischung wurde bei Drücken von 9 t/cm² und Temperaturen von 190 °C zu Ringkernen verpresst. Im Anschluss wurden die Presslinge bei Temperaturen von 450°C zwischen 1 und 4 Stunden unter Schutzgasatmo sphäre einer Wärmebehandlung zum Abbau mechanischer Spannungen unterzogen.
Der fertige Magnetkern wies bei 100 kHz und einer Aussteuerung von 0,1T eine Permeabilität von 95 und Ummagnetisierungsverluste von 1060 mW/cm³ auf.
Zum Vergleich wurde eine Mischung wie im Beispiel 5 hergestellt, jedoch wurden anstelle der Mischung aus 1,5 Gewichtsprozent eines Phenolharzes (Bakelite SP 309) und 2,5 Gewichtsprozent Polybenzimidazol Oligomer 4 Gewichtsprozent Polybenzimidazol Oligomer zugegeben. Die Mischung enthielt somit kein bei niedrigen Temperaturen aushärtendes Bindemittel. Sie war bei Drücken zwischen 6 und 10 t/cm² und Temperaturen von 180 °C nicht zu Ringkernen pressbar.
Es wurde auch eine Mischung hergestellt, die 95,9 Gewichtsprozent phosphatierte Flakes der Legierung Fe_73,5Nb₃Cu₁Si_15,5B₇ mit Durchmessern zwischen 0,04 und 0,16 mm, 4 Gewichtsprozent Phenolharz (Bakelite SP 309) und 0,1 Gewichtsprozent MoS₂ als Gleitmittel enthielt. Die Mischung enthielt somit kein besonders temperaturbeständiges Bindemittel. Sie wurde bei Drücken 8 t/cm² und Temperaturen von 180 °C zu Ringkernen verpresst. Nach einer 1-4stündigen Wärmebehandlung bei 560 °C unter Schutzgasatmosphäre waren die Kerne aufgefedert und von so unzureichender Festigkeit, dass keine magnetischen Messungen möglich waren.
Aus den Beispielen ist erkennbar, dass sich mit dem erfindungsgemäßen Verfahren sehr stabile Magnetkerne mit niedrigen Permeabilitäten und Ummagnetisierungsverlusten auch aus federsteifen Flakes herstellen. Damit wird es möglich, auch solche Legierungen, die federsteife Flakes bilden, zu Verbundkernen zu verpressen und ihre magnetischen Eigenschaften zu nutzen.

Claims

Verfahren zur Herstellung eines Magnetkerns, das folgende Schritte umfasst: – Bereitstellen von Partikeln aus einer weichmagnetischen Legierung; – Mischen der Partikel mit einem ersten Bindemittel, das eine erste Aushärtetemperatur T_1,Härt und eine Zersetzungstemperatur T_1,Zersetz aufweist, und mit einem zwei ten Bindemittel, das eine Aushärtetemperatur T_2,Härt und eine Zersetzungstemperatur T_2,Zersetz aufweist, wobei T_1,Härt < T_2,Härt ≤ T_1,Zersetz < T_2,Zersetz gilt; – Pressen der Mischung zu einem Magnetkern; – Aushärten des ersten Bindemittels; – Wärmebehandlung des Magnetkerns unter Aushärtung des zweiten Bindemittels bei einer Wärmebehandlungstemperatur T_anneal > T_2,Härt.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Bindemittel aus der Gruppe Epoxyde, Phenole und epoxydierte Cyanurate ausgewählt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass als zweites Bindemittel ein oligomeres Polysiloxanharz gewählt wird.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Bindemittel aus der Gruppe Methylpolysiloxan, Phenylpolysiloxan und Methyl-Phenylpolysiloxan ausgewählt wird.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass als zweites Bindemittel ein Polyimid gewählt wird.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass als zweites Bindemittel ein Polybenzimidazol gewählt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Mischungsverhältnis des ersten und zweiten Bindemittels zwischen 1:5 und 3:1 beträgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Partikel vor dem Pressen mit mindestens einem der Bindemittel beschichtet werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eines der Bindemittel der Mischung vor dem Pressen in Pulverform zugegeben wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Bindemittel bei der Temperatur T₁ im geschmolzenen Zustand vorliegt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eines der Bindemittel einen mineralischen, feinteiligen Füllstoff enthält.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Mischung weitere Verarbeitungshilfsstoffe zugegeben werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass als weichmagnetische Legierung eine amorphe Legierung vorgesehen ist.
Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Legierung die Zusammensetzung M_αY_βZ_γ aufweist, worin M mindestens ein Element aus der Gruppe Fe, Ni, Co ist, Y mindestens ein Element aus der Gruppe B, C, P und Z mindestens ein Element aus der Gruppe Si, Al und Ge ist und α, β und γ in Atomprozent angegeben sind und den folgenden Bedingungen genügen: 70 ≤ α ≤ 85; 5 ≤ β ≤ 20; 0 ≤ γ ≤ 20, wobei bis zu 10 Atomprozent der Komponente M durch mindestens ein Element aus der Gruppe Ti, V, Cr, Mn, Cu, Zr, Nb, Mo, Ta, und W und bis zu 10 Atomprozent der Komponente (Y + Z) durch mindestens ein Element aus der Gruppe In, Sn, Sb und Pb ersetzt werden können.
Verfahren nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmebehandlung bei einer Wärmebehandlungstemperatur T_anneal von maximal 500 °C durchgeführt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass als weichmagnetische Legierung eine nanokristallisierbare Legierung vorgesehen ist.
Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Legierung die Zusammensetzung (Fe_1-a-bCo_aNi_b)_100-x-y-zM_xB_yT_z aufweist, worin M mindestens ein Element aus der Gruppe Nb, Ta, Zr, Hf, Ti, V und Mo ist; T mindestens ein Element aus der Gruppe Cr, W, Ru, Rh, Pd, Os, Ir, Pt, Al, Si, Ge, C und P ist und a, b, x, y, und z in Atomprozent angegeben sind und den folgenden Bedingungen genügen: 0 ≤ a ≤ 0,29; 0 ≤ b ≤ 0,43; 5 ≤ x ≤ 20; 10 ≤ y ≤ 22; 0 ≤ z ≤ 5.
Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Legierung die Zusammensetzung (Fe_1-aM_a)_{100-x-y-Z-α-β-γ}Cu_xSi_yB_zM'_αM''_βX_γ aufweist, worin M Co und/oder Ni ist, M' mindestens ein Element aus der Gruppe Nb, W, Ta, Zr, Hf, Ti und Mo ist; M'' mindestens ein Element aus der Gruppe V, Cr, Mn, Al, Elementen der Platingruppe, Sc, Y, seltenen Erden, Au, Zn, Sn, und Re ist, X mindestens eine Element aus der Gruppe C, Ge, P, Ga, Sb, In, Be, und As ist, und a, x, y, z, α, β und γ in Atomprozent angegeben sind und den folgenden Bedingungen genügen: 0 ≤ a ≤ 0,5; 0,1 ≤ x ≤ 3; 0 ≤ y ≤ 30; 0 ≤ z ≤ 25; 0 ≤ y + z ≤ 35; 0,1 ≤ α ≤ 30; 0 ≤ β ≤ 10; 0 ≤ γ ≤ 10.
Verfahren nach Anspruch 17 oder 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmebehandlung bei einer Wärmebehandlungstemperatur T_anneal von 480 bis 600 °C durchgeführt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmebehandlung unter Schutzgasatmosphäre durchgeführt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass der Magnetkern bei einer Temperatur von 20 bis 250 °C unter Aushärten des ersten Bindemittels gepresst wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 21, dadurch gekennzeichnet, dass der Magnetkern bei einer Temperatur von 100 bis 220 °C unter Aushärten des ersten Bindemittels gepresst wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 22, dadurch gekennzeichnet, dass der Magnetkern bei einer Temperatur von 150 bis 200 °C unter Aushärten des ersten Bindemittels gepresst wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 23, dadurch gekennzeichnet, dass der Magnetkern bei Drücken von 5 bis 25 t/cm² gepresst wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 24, dadurch gekennzeichnet, dass die Masse des Bindemittels bezogen auf die Masse der weichmagnetischen Legierung 2-8 Gewichtsprozent beträgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 25, dadurch gekennzeichnet, dass die Partikel die Gestalt von Flakes aufweisen.
Verfahren nach Anspruch 26, dadurch gekennzeichnet, dass die Flakes ein Aspektver hältnis von mindestens 2 aufweisen.
Verfahren nach Anspruch 26 oder 27, dadurch gekennzeichnet, dass die Flakes einen Durchmesser d von höchstens 500 μm auf weisen.
Verfahren nach Anspruch 26 oder 27, dadurch gekennzeichnet, dass die Flakes einen Durchmesser d von höchstens 300 μm auf weisen.
Verfahren nach Anspruch 26 oder 27, dadurch gekennzeichnet, dass für den Durchmesser d der Flakes gilt 50μm ≤ d ≤ 200μm
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 30, dadurch gekennzeichnet, dass die Partikel vor dem Pressen zum Aufbringen einer elektrische isolierenden Beschichtung in einer wässrigen oder alkoholhaltigen Lösung gebeizt und anschließend getrocknet werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 31, dadurch gekennzeichnet, dass die Partikel durch Zerkleinerung eines Bandes oder einer Folie hergestellt werden, wobei das Band oder die Folie vor der Zerkleinerung durch eine Wärmebehandlung vorversprödet und dann in einer Schneidmühle gemahlen wird.
Pulververbundmagnetkern aus einer weichmagnetischen Legierung, der eine Wärmeformbeständigkeit bei Temperaturen T mit T > 600 °C aufweist, wobei die weichmagnetische Legierung die Zusammensetzung M_αY_βZ_γ aufweist, worin M mindestens ein Element aus der Gruppe Fe, Ni, Co ist, Y mindestens ein Element aus der Gruppe B, C, P und Z mindestens ein Element aus der Gruppe Si, Al und Ge ist und α, β und γ in Atomprozent angegeben sind und den. folgenden Bedingungen genügen: 70 ≤ α ≤ 85; 5 ≤ β ≤ 20; 0 ≤ γ ≤ 20, wobei bis zu 10 Atomprozent der Komponente M durch mindestens ein Element aus der Gruppe Ti, V, Cr, Mn, Cu, Zr, Nb, Mo, Ta, und W und bis zu 10 Atomprozent der Komponente (Y + Z) durch mindestens ein Element aus der Gruppe In, Sn, Sb und Pb ersetzt werden können.
Pulververbundmagnetkern aus einer weichmagnetischen Legierung, der eine Wärmeformbeständigkeit bei Temperaturen T mit T > 600 °C aufweist, wobei die weichmagneti sche Legierung die Zusammensetzung (Fe_1-a-bCo_aNi_b)_100-x-y-zM_xB_yT_z aufweist, worin M mindestens ein Element aus der Gruppe Nb, Ta, Zr, Hf, Ti, V und Mo ist; T mindestens ein Element aus der Gruppe Cr, W, Ru, Rh, Pd, Os, Ir, Pt, Al, Si, Ge, C und P ist und a, b, x, y, und z in Atomprozent angegeben sind und den folgenden Bedingungen genügen: 0 ≤ a ≤ 0,29; 0 ≤ b ≤ 0,43; 5 ≤ x ≤ 20; 10 ≤ y ≤ 22; 0 ≤ z ≤ 5.
Pulververbundmagnetkern aus einer weichmagnetischen Legierung, der eine Wärmeformbeständigkeit bei Temperaturen T mit T > 600 °C aufweist, wobei die weichmagnetische Legierung die Zusammensetzung (Fe_1-aM_a)_{100-x-y-z-α-βγ}Cu_xSi_yB_zM'_αM''_βX_γ aufweist, worin M Co und/oder Ni ist, M' mindestens ein Element aus der Gruppe Nb, W, Ta, Zr, Hf, Ti und Mo ist; M'' mindestens ein Element aus der Gruppe V, Cr, Mn, Al, Elementen der Platingruppe, Sc, Y, seltenen Erden, Au, Zn, Sn, und Re ist, X mindestens eine Element aus der Gruppe C, Ge, P, Ga, Sb, In, Be, und As ist, und a, x, y, z, α, β und γ in Atomprozent angegeben sind und den folgenden Bedingungen genügen: 0 ≤ a ≤ 0,5; 0,1 ≤ x ≤ 3; 0 ≤ y ≤ 30; 0 ≤ z ≤ 25; 0 ≤ y + z ≤ 35; 0,1 ≤ α ≤ 30; 0 ≤ β ≤ 10; 0 ≤ γ ≤ 10.
Pulververbundmagnetkern nach einem der Ansprüche 33 bis 35, dadurch gekennzeichnet, dass er Zersetzungsprodukte eines Polymers auf Epoxydharz- oder Phenolbasis und bezogen auf seine Gesamtmasse 1-5 Gewichtsprozent des Glührückstandes eines Polysiloxanpolymers in keramisierter Form aufweist.
Pulververbundmagnetkern nach einem der Ansprüche 33 bis 35, dadurch gekennzeichnet, dass er Zersetzungsprodukte eines Polymers auf Epoxydharz- oder Phenolbasis und bezogen auf seine Gesamtmasse 1-5 Gewichtsprozent des Glührückstandes eines Polyimidpolymers in keramisierter Form aufweist.
Pulververbundmagnetkern nach einem der Ansprüche 33 bis 35, dadurch gekennzeichnet, dass er Zersetzungsprodukte eines Polymers auf Epoxydharz- oder Phenolbasis und bezogen auf seine Gesamtmasse 1-5 Gewichtsprozent des Glührückstandes eines Polyimidpolymers in voll imidisierter Form aufweist.
Induktives Bauelement mit einem Magnetkern nach einem der Ansprüche 33 bis 38.
Induktives Bauelement nach Anspruch 39, dadurch gekennzeichnet, dass das induktive Bauelement eine Drossel zur Leistungsfaktorkorrektur ist.
Induktives Bauelement nach Anspruch 39, dadurch gekennzeichnet, dass das induktive Bauelement eine Speicherdrossel ist.
Induktives Bauelement nach Anspruch 39, dadurch gekennzeichnet, dass das induktive Bauelement eine Filterdrossel ist.
Induktives Bauelement nach Anspruch 39, dadurch gekennzeichnet, dass das induktive Bauelement eine Glättungsdrossel ist.