DE102008048839A1

DE102008048839A1 - Weichmagnetischer Werkstoff

Info

Publication number: DE102008048839A1
Application number: DE102008048839A
Authority: DE
Inventors: Silvio Dr. Gablenz; Marko Kloucek
Original assignee: Tridelta Weichferrite GmbH
Current assignee: Tridelta Weichferrite GmbH
Priority date: 2008-09-25
Filing date: 2008-09-25
Publication date: 2010-04-01

Abstract

Die Erfindung betrifft einen weichmagnetischen Werkstoff mit einer Mikro-Fraktion aus Teilchen eines weichmagnetischen Materials mit einer Teilchengröße im Bereich von 1 bis 100 µm und einer Nano-Fraktion aus Teilchen eines weichmagnetischen Materials mit einer Teilchengröße im Bereich von 100 bis 200 nm, wobei der Anteil der Nano-Fraktion an der Gesamtmasse von Mikro-Fraktion und Nano-Fraktion 5 bis 70 Masse-% beträgt, wobei die Teilchen der Mikro-Fraktion und die Teilchen der Nano-Fraktion optional aus dem gleichen Material bestehen, sowie ein Verfahren zur Herstellung eines Gegenstandes aus dem weichmagnetischen Werkstoff.

Description

Die Erfindung betrifft einen weichmagnetischen Werkstoff zur Herstellung beispielsweise von Abschirmungsmaterialien gegen elektromagnetische Wellen, Gehäusen für elektronische und elektrische Geräte und zum Einsatz in elektronischen Bauteilen, wie etwa Drosselspulen und Transformatoren.
Materialien, um elektromagnetische Felder abzuschirmen, werden in der industriellen Anwendung zunehmend wichtig. Elektromagnetische Wellen können etwa beim Einsatz hochgetakteter elektronischer Bauteile zu Störungen benachbarter Bauteile führen. Darüber hinaus gibt es ein allgemeines Bestreben die elektromagnetische Strahlung zu verringern.
In den letzten Jahren haben sich insbesondere Kompositwerkstoffe für diese Zwecke bewährt. Derartige Kompositwerkstoffe weisen regelmäßig ein magnetisch aktives Material, meistens ein Ferrit, in einer Kunststoffmatrix auf. So zeigt beispielsweise die deutsche Patentanmeldung DE 102 22 459 A1 einen derartigen Kompositwerkstoff mit einem modifizierten Ferritpulver, elektrisch leitfähigen Nichtmetallpartikeln und einem magnetischen Bindemittel in einer Polymermatrix. Ein bevorzugtes Ferrit in diesem Zusammenhang ist Mangan-Zink-Ferrit.
Ähnliche Materialien sind inzwischen auch käuflich erhältlich und werden beispielsweise von der Firma EPCOS AG unter dem Namen C350 oder C351 (”Ferrites and Accessoires”; EPCOS AG; Edition 09/2006), von der Firma Vogt (Produktkatalog ”Inductive Component and Modules”; Vogt Elektronic Components GmbH; Edition 2005) und von der Firma Kerafol GmbH (Sicherheitsdatenblatt ”Keratherm Typ 86/XX”; 6 2000) vertrieben.
Die bekannten Materialien weisen jedoch eine Reihe von Nachteilen auf. Ein wesentlicher Aspekt ist, dass die Dichte der bekannten Materialien aufgrund eines sehr hohen Kunststoffanteils regelmäßig unter 2,5 g/cm³ liegt. Insoweit ist für eine effektive Abschirmung ein beachtliches Volumen nötig.
Ein weiterer Nachteil besteht darin, dass diese bekannten Materialien mit Spritzgusstechnik verarbeitet werden müssen, und meist eine sehr geringe mechanische Festigkeit haben. So liegen die Zugfestigkeiten regelmäßig unter 2,5 N/mm².
Bei den bekannten Kompositwerkstoffen dieser Art werden vorwiegend Ethylen/Vinyl-Copolymerisat bzw. Polyamid für die Kunststoffmatrix verwendet. Dies begrenzt die Einsatztemperatur auf Bereiche deutlich unter 200°C, was dazu führt, dass die Materialien nicht für alle Zwecke eingesetzt werden können.
Auch hinsichtlich der magnetischen Eigenschaften waren die Materialien noch nicht völlig zufriedenstellend. Zwar war es möglich, mit diesen Materialien Anfangspermeabilitätswerte μ_i von 7 bis 20 zu verwirklichen, aber weder war es möglich, Werte unter diesem Bereich zu erreichen, noch eine gezielte Einstellung des Wertes im Voraus festzulegen. Auch hinsichtlich der erreichbaren Sättigungsmagnetisierung bzw. des Koerzitivfeldes H_c waren die Materialien noch unbefriedigend.
Ein weiterer Kompositwerkstoff ist in der Patentanmeldung EP 1 564 767 A2 gezeigt. Diese Patentanmeldung schlägt vor, ein magnetisches Pulvermaterial zu sieben, um zwei Fraktionen zu bilden. Die eine Fraktion, die am Sieb hängen bleibt, wird anschließend mit einem isolierenden und bindenden dielektrischen Material beschichtet. Die feine Fraktion, die durch das Sieb gelangt, wird mit dem beschichteten magnetischen Pulver anschließend wieder vermischt und das Gemisch bei einer Temperatur unterhalb der Glastemperatur verpresst. Das komprimierte Produkt wird erwärmt und mit einem thermoplastischen Harz verbacken. Die magnetische Permeabilität μ_i stellt sich bei Werten um 350 ein. Die Entgegenhaltung geht von Teilchengrößen im Bereich von 0,1 mm bis 0,125 mm aus.
Schließlich zeigt die europäische Patentanmeldung EP 1 669 408 einen Kompositwerkstoff und ein Verarbeitungs- bzw. Herstellungsverfahren für dieses Material. Diese Druckschrift zeigt, dass bei geeigneter Mischung von Wasser, Kunststoff und dem magnetischen Pulver, beispielsweise Mangan-Zink-Ferrit, eine Verarbeitung mit Sprühtrocknung möglich ist. Die in den Beispielen gezeigten Mischungsverhältnisse zwischen den magnetischen Teilchen und dem Kunststoff führen zu einer Dichte, die unter 3 g/cm³ liegt. Die eingesetzten Ferrite hatten Teilchengrößen im Bereich von 1,6 bis 8,5 μm. Bei dieser Patentanmeldung wird als Kunststoffmaterial ein Harz, mit ungesättigten Vinyleinheiten verwendet. Dies führt dazu, dass nach dem Sprühtrocknen harte und relativ spröde Teilchen erhalten werden. Diese können dann unverarbeitet als Pulver, gelöst als Anstrich oder mittels Gusstechnik weiter verwendet werden. Aufgrund der Sprödigkeit der Teilchen ist jedoch ein Trockenpressen ausgeschlossen.
Aufgabe der Erfindung ist es, einen neuen Werkstoff bereitzustellen, der sowohl hinsichtlich seiner mechanischen als auch magnetischen Eigenschaften verbessert ist, und der sich leicht und sicher verarbeiten lässt.
Gelöst wird die Aufgabe durch einen Werkstoff nach Anspruch 1. Die abhängigen Ansprüche beziehen sich auf weitere vorteilhafte Aspekte der Erfindung.
Außerdem betrifft die Erfindung einen weichmagnetischen Werkstoff mit einer Dichte von 2,9 g/cm³ oder mehr, bevorzugt mehr als 3,1 g/cm³ und insbesondere bevorzugt mehr als 4 g/cm³.
Die Erfindung betrifft auch einen weichmagnetischen Werkstoff mit einer Zugfestigkeit von mehr als 3 N/mm², bevorzugt mehr als 9 N/mm² und insbesondere bevorzugt von 14 N/mm².
Letztlich betrifft die Erfindung auch einen weichmagnetischen Werkstoff mit einer Anfangspermeabilität μ_i von 5 bis 200, einer Sättigungsmagnetisierung von 100 mT oder mehr und einem Wert für den relativen Verlustfaktor von tan δ/μ_i kleiner 3000·10^–6, bevorzugt kleiner 1700 × 10^–6, noch besser kleiner 400 × 10^–6.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand bevorzugter Beispiele und der beiliegenden Figuren beschrieben.
1 zeigt schematisch einen Schnitt durch einen Kompositwerkstoff des Stands der Technik;
2 zeigt die selbe Ansicht für einen erfindungsgemäßen weichmagnetischen Kompositwerkstoff;
3 zeigt ein Verfahrensdiagramm für die Verarbeitung und Herstellung des erfindungsgemäßen weichmagnetischen Kompositwerkstoffs;
4 und 5 zeigen Elektronen-Mikroskopaufnahmen von Teilen des erfindungsgemäßen weichmagnetischen Kompositwerkstoffs;
6 zeigt eine Elektronen-Mikroskopaufnahme des Gemischs, und
7 zeigt eine Elektronen-Mikroskopaufnahme eines Schliffs des Werkstoffs nach Beispiel 4 ohne Binder.
In 1 ist ein bekannter Kompositwerkstoff gezeigt. In einer Kunststoffmatrix sind magnetisch aktive Teilchen, vorzugsweise Mangan-Zink-Ferrit-Teilchen, aufgenommen. Diese Teilchen werden in üblicher Weise durch Zermahlen eines größeren gesinterten Mangan-Zink-Ferrit-Blocks oder -Kerns erhalten. Der Durchmesser der Teilchen bewegt sich zwischen einigen wenigen und 100 μm.
Das so zermahlene bzw. granulierte Material wird zusammen mit dem Kunststoffbindemittel im Spritzgussverfahren verarbeitet und als Folie bereitgestellt.
Aufgrund der Sprödigkeit der Mangan-Zink-Ferrit-Kristalle hat das Material allerdings eine schlechte Kompressibilität, und es verbleiben große Poren, was zu einer sehr geringen Enddichte führt. Die zwischen den einzelnen Mangan-Zink-Ferrit-Teilchen verbleibenden Hohlräume, die entweder mit Luft oder mit der Kunststoffmatrix gefüllt sind, beeinflussen darüber hinaus negativ die magnetischen Eigenschaften des Gesamtmaterials.
2 zeigt eine zur 1 ähnliche Darstellung bezogen auf den erfindungsgemäßen weichmagnetischen Werkstoff. Das Verfahren zur Herstellung dieses weichmagnetischen Werkstoffs ist in 3 skizziert.
Ein wesentlicher Unterschied des erfindungsgemäßen Werkstoffs gegenüber dem Stand der Technik besteht darin, dass neben den magnetisch aktiven Teilchen mit einem Teilchengrößenspektrum von 1 bis 350 μm, im Folgenden als Mikro-Fraktion bezeichnet, noch zusätzlich eine Nano-Fraktion des gleichen oder eines ähnlichen Materials vorhanden ist. Die mittlere Teilchengröße dieser zweiten Nano-Fraktion liegt im Bereich von 10 bis 200 nm, vorzugsweise im Bereich im Bereich zwischen 30 und 60 nm, weiter bevorzug bei 50 nm.
Da die Teilchen der Nano-Fraktion um etwa drei Größenordnungen kleiner als die Teilchen der Mikro-Fraktion sind, werden die Spalten zwischen Mikro-Teilchen sehr dicht ausgefüllt, so dass insgesamt ein Material mit einer sehr hohen Dichte entsteht.
Im Folgenden wird kurz das Herstellungsverfahren anhand von 3 beschrieben.
In einem ersten Schritt wird ein Block oder Kern aus einem magnetisch aktiven Material, vorzugsweise einem Ferrit, besonders bevorzugt einem gesinterten Mangan-Zink-Ferrit, bereitgestellt. Die Erfindung ist nicht auf weichmagnetische Materialien beschränkt. Auch hartmagnetische Ferrite können als Ausgangsstoff verwendet werden, was dann zu einem hartmagnetischen Werkstoff führt.
Mangan-Zink-Ferrit ist ein bekannter weichmagnetischer Werkstoff mit der allgemeinen Formel Mn_aZn_bFe_2+cO_4+δ, wobei die Größen a, b, c und δ in folgendem Bereich nach Wunsch eingestellt werden können,
0,05 < a < 0,8;
0,05 < b < 0,6;
0,02 < c < 0,9;
–0,05 < δ < 0,05,
wobei a + b + c = 1 ist.
In einem zweiten Schritt wird dieser Kern erst zerkleinert, beispielsweise mit einem Backenbrecher, wobei Teilchen in der Größenordnung von einigen mm, beispielsweise 3 mm, erhalten werden. Diese Teilchen werden dann einem zweiten Zerkleinerungsvorgang, beispielsweise einem Trockenmahlen oder Nassmahlen, unterzogen, wobei Teilchen im Bereich von einigen 10 μm bis 400 μm, vorzugsweise im Bereich von 50 μm erhalten werden. Ein Teil dieser Teilchen wird als Mikro-Fraktion entnommen.
Der verbleibende Teil wird einem weiteren Zerkleinerungsvorgang, beispielsweise einem weiteren Trockenmahlen unterzogen, bis Teilchen in der Größenordnung von 10 μm erhalten werden. In zwei darauf folgenden Nassmahlschritten werden die Teilchen weiter zerkleinert, bis schließlich Teilchen im Bereich von einigen 10 nm erhalten werden. Elektronen-Mikroskopaufnahmen der Mikro-Fraktion und der Nano-Fraktion sind jeweils in den 4 bzw. 5 gezeigt. 6 zeigt eine entsprechende Aufnahme des Gemischs.
Die Teilchen der Nano-Fraktion können auch durch andere bekannte Technologien erhalten werden, z. B. durch eine Fällung aus geeigneter Lösung (etwa Oxalatfällung), durch ein Sol-Gel-Verfahren, durch ein Mikroemulsionsverfahren oder durch eine Polyolsynthese.
Die beiden Fraktionen werden in einem vorgegebenen Verhältnis gemischt. Bevorzugte Mischungsverhältnisse liegen etwa bei einem Anteil von 5 bis 70 Masse-% der Nano-Fraktion bezogen auf die Gesamtmasse aus Mikro-Fraktion und Nano-Fraktion. Weiter bevorzugt ist ein Mischungsverhältnis von mindestens 10 Masse-%, weiter bevorzugt von mindestens 30 Masse-% der Nano-Fraktion bezogen auf die Gesamtmasse aus Mikro-Fraktion und Nano-Fraktion. Weiter bevorzugt ist ein Mischungsverhältnis von höchstens 50 Masse-%, noch weiter bevorzugt von höchstens 40 Masse-% der Nano-Fraktion bezogen auf die Gesamtmasse aus Mikro-Fraktion und Nano-Fraktion.
Wenn der Anteil der Nano-Fraktion zu klein wird, verbleiben zu viele Leerräume zwischen den Teilchen der Mikro-Fraktion, was zu einer Verringerung der Gesamtdichte führt und nachteilig für die Gesamteigenschaften des Werkstoffs ist. Ein zu hoher Anteil der Nano-Fraktion, die hinsichtlich ihrer magnetischen Eigenschaften weniger vorteilhaft ist als die Mikro-Fraktion, beeinträchtigt ebenfalls nachteilhaft die Eigenschaften des Werkstoffs.
Der Mischung der beiden Teilchenfraktionen kann dann noch ein Bindemittel, vorzugsweise ein Polyethylentetrafluorid (PTFE) oder ein Polyetheretherketon (PEEK) hinzugegeben werden.
PTFE ist ein voll-fluoriertes Polymer, das umgangssprachlich auch gelegentlich unter dem Namen Teflon bezeichnet wird. PTFE ist ein thermoplastischer Kunststoff mit einer Dichte von 2,16 g/cm³ und ausgezeichneter chemischer Beständigkeit. Der Schmelzpunkt liegt bei ca. 327°C.
PEEK ist ein hochtemperaturbeständiger thermoplastischer Kunststoff mit einem Schmelzpunkt bei ca. 335°C und mit einer Dichte im Bereich von ca. 1,3 g/cm³.
Andere bekannte Kunststoffbinder können ebenfalls verwendet werden, wobei allerdings der Einsatz von PEEK und PTFE bevorzugt ist, da diese aufgrund ihrer Temperaturstabilität und guten Bindungseigenschaften sich positiv auf die Gesamteigenschaften des Werkstoffs auswirken. Insbesondere in Kombination mit Mangan-Zink-Ferrit, der eine Curietemperatur im Bereich von ca. 120–300°C hat, ermöglichen diese Kunststoffbinder den Einsatz des Werkstoffs fast im gesamten Temperaturbereich. Der Kunststoffbinder wird bezogen auf die Gesamtmasse der Mikro-Fraktion und der Nano-Fraktion in einem Verhältnis von 5 bis 20%, bevorzugt 8 bis 12% und weiter bevorzugt 9% zugefügt.
Der Mischung aus Mikro-Fraktion, Nano-Fraktion und optional Binder wird ein Sprühhilfsmittel, beispielsweise ein Polyvinylalkohol (PVA), beigegeben. Schließlich wird als weitere Komponente ein Schlickermedium zugefügt, dies ist vorzugsweise Wasser. Der Anteil PVA an der Miscxhung liegt bei unter 1%, bevorzugt bei 0,7%.
Diese auch als Schlicker bezeichnete Mischung dieser Komponenten wird mit einem Quirl verrührt, um eine Entmischung zu vermeiden, so dass sich eine Suspension der Mikro-Teilchen, Nano-Teilchen, optional des Kunststoffbinders, des Polyvinylalkohols in Wasser als Schlickermedium bildet. Der Feststoffanteil des Schlickers liegt zwischen 30 und 65 Masse-%, bevorzugt zwischen 40 und 60 Masse-% und besonders bevorzugt bei ca. 55 Masse-%.
Der Schlicker kann einer Sprühgranulierung bzw. Sprühtrocknung unterzogen werden. Sprühgranulierung oder Sprühtrocknung ist ein kontinuierlich oder diskontinuierlich durchgeführtes Verfahren zur Trocknung von Lösungen, Suspensionen oder pastösen Massen.
Mittels einer Düse (durch Flüssigkeitsdruck oder Pressluft bzw. Inertgas betrieben) oder rotierende Zerstäuberscheiben (4000 bis 50000 Umdrehungen/Minute) wird das zu trocknende Gut in einem Heißluftstrom eingebracht, der es in Bruchteilen von Sekunden zu einem feinen Pulver trocknet. Die Heißluft kann in Richtung mit dem Sprühmittel oder gegen den Sprühstrahl strömen.
Die Sprüheinrichtung befindet sich regelmäßig an einem oberen Teil eines Sprühturms, so dass das anfallenden Trockengut durch einen Zyklonenabscheider vom Luftstrom getrennt und entnommen werden kann. Durch das schnelle Überführen in den trockenen Zustand via Sprühgranulierung wird die Verteilung der Teilchen konserviert. Es bildet sich hierbei ein rieselfähiges sphärisches Granulat.
Zur Weiterverarbeitung zum letztendlich herzustellenden Werkstück kann dieses Granulat, ggf. zusammen mit einem Presshilfsmittel, z. B. einem Kunststoffharz, einem Trockenpressprozess unterzogen werden, wobei es verdichtet wird.
In einem letzten Schritt, wie es in 3 gezeigt ist, wird das Material noch einer Wärmebehandlung unterzogen. Hierzu wird das Material ”angelassen”, d. h. der gepresste Körper wird schnell- und kurzzeitig erwärmt, wobei die beim Pressen entstandenen Spannungen abgebaut werden. Bei Verwendung eines Materials, das einen Kunststoffbinder umfasst, wird dieser beim Anlassen auf eine Temperatur oberhalb des Schmelzpunktes des gewählten Binders erwärmt, wobei dann ein Verkleben der keramischen Komponenten durch das Schmelzen und Erstarren des Binders erfolgt. Bei Verwendung eines Materials ohne Binder wird dieses beim Anschmelzen auf deutlich höhere Temperaturen erwärmt, wobei unter verminderten Sauerstoffpartialdruck gearbeitet wird, wodurch die keramischen Komponenten beispielsweise über ”Sinterhälse” verfestigt werden. Hierbei werden Temperaturen angesteuert, bei denen die nanoskaligen Teilchen partiell erst Sinterhälse untereinander und in der Peripherie zur Mikro-Fraktion ausbilden. Die Korngrenzen der Mikroteilchen werden hierbei lediglich angelöst, verschmelzen mit der nanoskaligen Matrix und tragen so zur Erhöhung der Dichte und Festigkeit bei, wie dies in 7 gezeigt ist.
Der auf diese Art hergestellte weichmagnetische Werkstoff hat eine Reihe von vorteilhaften Eigenschaften, die ihn gegenüber dem Stand der Technik auszeichnen. Darüber hinaus ergibt sich aufgrund der Steuerbarkeit verschiedener Einflussparameter leicht die Möglichkeit, spezielle Eigenschaften in einem gewissen Bereich zu optimieren. Beispielsweise ist es möglich, die Anfangspermeabilität μ_i fast beliebig auf Werte zwischen 5 und 200 einzustellen. Dies geschieht beispielsweise durch die Auswahl des magnetischen Materials, etwa des Mangan-Zink-Ferrits, durch das Mischungsverhältnis der Mikro-Fraktion und der Nano-Fraktion, sowie durch die Größe der Teilchen der Mikro-Fraktion und durch das Hinzufügen bzw. Weglassen des Binders.
Auch die mechanischen Eigenschaften des Materials lassen sich in einem großen Bereich variieren. Beispielsweise lässt sich die Zugfestigkeit durch die Auswahl des Binders, durch den Pressdruck bei dem Trockenpressschritt sowie durch die jeweiligen Teilchengrößen der Mikro- und Nano-Fraktion und deren Mischungsverhältnis beeinflussen. Es lassen sich beachtliche Zugfestigkeiten erreichen, die deutlich über 10 N/mm², beispielsweise bei 14 N/mm² liegen können. Zum Vergleich sei angemerkt, dass der gesinterte Mangan-Zink-Ferrit eine Zugfestigkeit von etwa 20 N/mm² hat. Bekannte Kompositwerkstoffe erreichen Werte von etwa 2 bis 2,5 N/mm².
Auch die Dichte des Materials, die für die magnetischen Eigenschaften ebenfalls von ausschlaggebender Bedeutung ist, lässt sich in großem Bereich variieren. Das Mischungsverhältnis der Mikro-Fraktion und der Nano-Fraktion ist hierfür von großer Bedeutung. Mit dem erfindungsgemäßen Werkstoff lassen sich Dichten größer als 4 kg/cm³ für einen Mangan-Zink-Ferrit erreichen. Im Vergleich hierzu hat ein kompakt-gesinterter Mangan-Zink-Ferrit-Kern eine Dichte von 4,9 g/cm³, bekannte Kompositwerkstoffe erreichen Werte von weniger als 2,9 g/cm³.
Beim Einsatz von Mangan-Zink-Ferrit als Werkstoff, anstelle des noch vielfach verwendeten Nickel-Zink-Ferrits im Bereich von Weichferriten ergibt sich darüber hinaus der Vorteil, dass der neue Werkstoff nicht toxisch ist und daher unbedenklich eingesetzt werden kann. Auch bei der Entsorgung entstehen keine umweltbedingten Probleme.
Durch die Verarbeitbarkeit des erfindungsgemäßen weichmagnetischen Werkstoffs mittels einer Sprühgranulierung, Trockenpressen und eines thermischen Aushärtens, z. B. einem Anlassen bzw. ”Anschmelzen”, ist eine schnelle, effektive und kostengünstige Herstellung verschiedenster Gegenstände möglich, was gegenüber dem bisher meist eingesetzten Spritzgussverfahren für Kompositwerkstoffe beachtliche Kostenvorteile hat.
Der relative Verlustfaktor tan δ/μ_i gemessen bei 10 MHz, 0,25 mT und 20°C ist kleiner 3000 × 10^–6, bevorzugt kleiner 1700 × 10^–6, noch besser kleiner 400 × 10^–6. Das Koerzitivfeld ist beachtlich hoch, wobei Werte für Hc im Bereich von 1200 A/m erreicht werden können.
Durch das Mischen von Mikro-Fraktion und Nano-Fraktion lassen sich große Volumenfüllfaktoren erreichen. Bei den Aufnahmeformen mit Binder sind Werte von etwa 80% und mehr möglich. Klassische Kompositwerkstoffe haben Volumenfüllfaktoren im Bereich von 50 bis höchstens 60%.
Insgesamt ergibt sich ein weichmagnetischer Werkstoff mit hervorragenden Eigenschaften und vielseitiger Einsetzbarkeit, die zudem gezielt durch das Herstellungsverfahren steuerbar und auf gewünschte Werte einstellbar sind.
Im Folgenden werden vier erfindungsgemäße Beispiele detailliert beschrieben.
Beispiel 1
Zunächst wird die magnetische Komponente ausgewählt. Für dieses Beispiel werden gesinterte Kerne vorgelegt, die die für Leistungsferrite typischen Qualitätsansprüche erfüllen. Die Ausgangspermeabilität μ_i liegt zwischen 1800 und 3000, gemessen bei einer Flussdichte von B = 0,25 mT und bei einer Frequenz f von 10 kHz. Die Flussdichte B₂₅₀ betrug 330 bis 380 mT, gemessen bei einer Feldstärke H = 250 A/m und bei einer Frequenz von f = 16 kHz, sowie bei einer Temperatur von 100°C.
In Beispiel 1 wird ein Mangan-Zink-Ferrit verwendet, mit der Formel Mn_aZn_bFe_2+cO_4+d. Bei dem gewählten Beispiel ist a = 0,71, b = 0,18, c = 0,11 und δ = –0,05.
Die Kerne werden durch einen Backenbrecher gebrochen und über geeignete Aggregate gemahlen. Anschließend wird das Mahlprodukt klassiert, z. B gesiebt, um die Teilchenfraktion von 40 μm und 70 μm für die magnetische Komponente zu erhalten.
Die beim Klassieren abgetrennte Fraktion mit einer Größe kleiner 40 μm wird anschließend einem zweistufigen Nassmahlprozess in Wasser unterzogen. Bei dem erfindungsgemäßen Beispiel werden Steelschot-Kugeln mit folgenden Größenverteilungen eingesetzt:

1. Mahlgang: 100% < 0,850 mm, 90% < 0,710 mm, 15% < 0,425 mm, 3% < 0,355 mm.
2. Mahlgang: 100% < 0,425 mm, 90% < 0,355 mm, 20% < 0,180 mm, 10% < 0,125 mm.

Der Feststoffgehalt bei diesem Nassmahlvorgang wird auf 40 Masse-% eingestellt.
Mittels Elektronenmikroskop ergibt sich eine mittlere Teilchengröße nach dem Nassmahlen im Bereich zwischen 50 und 100 nm. Die mittels BET-Oberfläche ermittelte Teilchengröße lag bei 42 nm.
In Beispiel 1 wird als Bindermaterial pulverförmiges Polyetheretherketon (PEEK) verwendet.
Bei dem Ausführungsbeispiel hat das pulverförmige PEEK eine Größenverteilung von 100% < 50 μm; 50% < 18 μm und 10% < 4 μm.
In der Mischung aus Mikro-Fraktion, Nano-Fraktion und PEEK wird ein Sprühhilfsmittel in Form eines Polyvinylalkohols (PVA) zuzugeben. Dieser Polyvinylalkohol wird mittels Wasserdampf in Wasser gelöst, so dass sich eine 12 Masse-%ige wässrige PVA-Suspension ohne Segregationseffekt bildet.
Alle Komponenten zusammen wurden mit Wasser durch schnelles Rühren in Suspension gebracht. Die Suspension enthielt ca. 63,2 Masse-% der magnetischen Komponente, der Mikro-Fraktion, 27,1 Masse-% der Nano-Fraktion, 9 Masse-% des PEEK und 0,7 Masse-% PVA (bezogen auf die PVA-Trockenmasse) in einer adäquaten Wassermenge. Insgesamt betrug der Feststoffgehalt 56,5 Masse-%.
Die so gebildete Suspension oder Schlicker wird einer Sprühgranulierung zugeführt.
Bei dem erfindungsgemäßen Beispiel wird ein Sprühdruck von 12 bar eingestellt, der Düsen-Durchmesser lag bei 0,9 mm. Die Größe des Drallkörpers war 1 mm und die Temperatur wurde auf 140 bis 160°C eingestellt.
Das so gefertigte Sprühgranulat hatte eine Schüttdichte von 1,24 g/cm. Die Auslaufzeit betrug 47 Sekunden. Die Restfeuchte betrug 0,1 Masse-%.
Das Sprühgranulat wurde einer Siebanalyse unterzogen, wobei sich folgende Größenverteilung ergab: 0% > 315 μm; 1% > 250 μm; 23% > 200 μm; 72% > 125 μm, 95% > 71 μm; 98% > 45 μm. 2% waren Staub.
Das so erhaltene Sprühgranulat eignet sich hervorragend zum Trockenpressen. Hierzu wurde das Sprühgranulat mit 0,5 Masse-% Wasser und 1 Masse-% Oxidharz gewälzt und uniaxial mit 350 MPa zu einem Ringkern verpresst.
In einem letzten Schritt wurde der so erhaltene Kern angelassen, d. h. er wurde mit 100 Kelvin/Minute auf 380°C erhitzt, dort für 4 Minuten belassen und mit einer Rate von 100 Kelvin/Minute wieder abgekühlt wobei der gesamte thermische Prozess bei einem Sauerstoffpartialdruck von P_O2 = 20% (Luft) erfolgt.
Die Abmessungen des Ringkerns betrugen 29 mm Außendurchmesser, 21 mm Innendurchmesser und 8 mm Höhe. Der Ringkern wurden mit 5 Windungen bewickelt, um die Anfangspermeabilität μ_i und weitere magnetische Kenngrößen, wie tan δ/μi zu messen. Die Messungen wurden mit 10 MHz, einer Flussdichte B = 0,25 mT und bei 20°C durchgeführt. Der Wert der Anfangspermeabilität μ_i ergab 22. Der Wert für tan δ/μi war kleiner als 3000 × 10^–6.
Auch hinsichtlich seiner mechanischen Eigenschaften war das so hergestellte Material ausgezeichnet. Die Zugfestigkeit lag bei 9 N/mm². Die Dichte des Materials lag bei über 2,9 g/cm³.
Beispiel 2
Das zweite Beispiel entsprach in der Herstellung und Zusammensetzung dem ersten Beispiel, mit der Ausnahme, dass der Pressdruck beim Trockenpressen bei 700 MPa lag.
Bei Beispiel 2 stellte sich ein Wert für die Anfangspermeabilität μ_i von 25 ein. Der Wert für tan δ/μi war kleiner als 1700 × 10^–6.
Der erhöhte Pressdruck wirkte sich in einer Steigerung der Zugfestigkeit auf 14 N/mm² und einer Erhöhung der Dichte auf 3,1 g/cm³ aus.
Beispiel 3
Beispiel 3 unterscheidet sich von Beispiel 2 dadurch, dass anstelle des PEEK-Kunststoffs ein Polyethylentetrafluorid (PTFE) eingesetzt wurde.
Zur Herstellung der Suspension wurde eine Größenverteilung von 100% < 40 μm; 50% < 5 μm und 10% < 0,7 μm vorgelegt.
Der Pressdruck wurde wieder auf 700 MPa eingestellt.
Bei dem Beispiel 3 wurde das Anlassverfahren leicht modifiziert, wobei die Aufheizrate bei 10 Kelvin/Minute lag, und eine Endtemperatur von 360°C erzielt wurde. Der Kern wurde über 10 Minuten bei dieser Temperatur belassen und dann wieder mit einer Rate von 10 Kelvin/Minute abgekühlt.
Der so hergestellte Ringkern hatte eine Anfangspermeabilität μ_i von 33, und der Wert von tan δ/μi lag bei weniger als 3000 × 10^–6. Mit diesem Kunststoff lässt sich eine Dichte von 4,1 g/cm³ und eine Zugfestigkeit von 9 N/mm² erreichen.
Beispiel 4
Beispiel 4 unterscheidet sich von Beispiel 2 dadurch, dass bei der Mischung der Komponenten kein Kunststoffbinder verwendet wird und ferner die Stufe des thermischen Aushärtens unter veränderten Bedingungen durchgeführt wird Bei dieser Ausführungsform wird beim thermischen Aushärten der erhaltene Kern mit 5 K/Minute bei einem Sauerstoffpartialdruck von p_O2 = 0,001 Volumen-% auf 1020°C erhitzt, dann 2 Stunde bei p_O2 = 0,2 Volumen-% belassen und mit einer Rate von 5 K/Minute wieder abgekühlt. Beim Abkühlen erfolgt ein gradueller Abfall des Sauerstoffpartialdrucks bis auf einen Wert von p_O2 = 0,0001 Volumen-%, der bei 700°C erreicht ist und bis zum vollständigen Abkühlen auf Raumtemperatur konstant anliegt. Die Wertepaare aus Temperatur T und Sauerstoffpartialdruck p_O2 stehen während der Abkühlphase in folgendem logarithmischen Zusammenhang: lg(p_O2) = 6,7 – (12240/T [K]).
7 zeigt eine Elektronen-Mikroskopaufnahme eines Schliffs dieser Werkstoff. Hierbei sind beim thermischen Aushärten entstehende Sinderhälse zwischen den Teilchen des Nano-Fraktion und den Teilchen der Mikro-Fraktion erkennbar. Der so hergestellte Ringkern hatte eine Anfangspermeabilität μ_i von 120 und der Wert von tan δ/μ_i lag bei weniger als 400 × 10^–6. Es wurde eine Dichte von 4,0 g/cm³ und eine Zugfestigkeit von 14 N/mm² erreicht. Tabelle 1 fasst die Ergebnisse der Beispiele 1, 2, 3 und 4 noch einmal zusammen. Tabelle 1

Beispiel Pressdruck [MPa] Zugfestigkeit [N/mm²] Dichte [g/cm3] μ_i tan δ/μ_i [× 10^–6]

1 350 9 2,9 22 <3000

2 700 14 3,1 25 <1700

3 700 9 4,1 33 <3000

4 700 14 4,0 120 <400
Die Anfangspermeabilität μ_i lässt sich beispielsweise durch das Verhältnis zwischen Mikro-Fraktion und Nano-Fraktion einstellen. Die Nano-Fraktion sollte zwischen 5 Masse-% und 70 Masse-% bezogen auf die Gesamtmasse der Mikro-Fraktion und der Nano-Fraktion gewählt werden. Auch die Größenverteilung der Mikro-Fraktion beeinflusst den Wert der Anfangspermeabilität μ_i beachtlich. Tendenziell gilt, dass sich bei kleineren Durchmessern der Mikro-Fraktion kleinere Werte für die Anfangspermeabilität μ_i einstellen lassen.
Mit der Erfindung ist es somit möglich, Werte der Anfangspermeabilität μ_i zwischen 5 und 200 vorzugeben.
Die mechanische Zugfestigkeit kann außer durch die Wahl des Pressdrucks beim Trockenpressschritt auch durch die Auswahl des Kunststoffbinders und das Mengenverhältnis zwischen Mikro-Fraktion und Nano-Fraktion beeinflusst werden.
Die für die magnetischen Verluste charakteristische Größe tan δ/μi lag bei allen erfindungsgemäß hergestellten Werkstoffen deutlich unter 3000 × 10^–6, zum Teil deutlich unter 1500 × 10^–6 und sogar unter 400 × 10^–6. Die Messungen wurden bei 20°C und 10 MHz durchgeführt.
Zu den wesentlichen Vorteilen des erfindungsgemäßen weichmagnetischen Werkstoffs gehört es, dass er im Gegensatz zu anderen bekannten Kompositwerkstoffen mit weichmagnetischem Ferritteilchen nicht in einem aufwendigen und teueren Spritzgussverfahren verarbeitet werden muss, sondern in dem wesentlich kostengünstigeren und einfacheren Sprühtrocknungsverfahren mit anschließendem Trockenpressen. Dies senkt beachtlich die Herstellungskosten.
Die Erfindung ist nicht auf den Einsatz von Mangan-Zink-Ferrit als magnetische Komponente beschränkt. Auch andere Ferrite, wie etwa Nickel-Zink-Ferrit können verwendet werden.
Die Erfindung ist darüber hinaus auch nicht darauf beschränkt, nur eine Mikro-Fraktion und eine Nano-Fraktion einzusetzen. In vorteilhafter Weise ist es auch möglich, zwei diskrete Mikro-Fraktionen zu wählen, beispielsweise eine mit einem Teilchendurchmesser im Bereich von 60 bis 70 μm und eine zweite in einem Teilchenbereich von 30 bis 40 μm. Ähnliches gilt für die Nano-Fraktion.
Erfindungsgemäß wird jedoch durch die Kombination zumindest einer Mikro-Fraktion und einer Nano-Fraktion ein sehr wirksamer weichmagnetischer Werkstoff erhalten.
Auch hinsichtlich des eingesetzten Kunststoffmaterials für den optional Binder ist die Erfindung nicht auf PTFE und PEEK beschränkt. Auch andere Kunststoffe, wie beispielsweise Ethylen/Vinyl-Copolymerisate oder Polyamide können verwendet werden. Jedoch eignen sich diese Stoffe nur bedingt zur Sprühtrocknung und dem beschriebenen Härtungsverfahren, weshalb PEEK und PTFE bevorzugt sind.
Während bei den dargestellten Beispielen die Mikro-Fraktion und die Nano-Fraktion hinsichtlich der chemischen Zusammensetzung identisch waren, ist dies keineswegs zwingend vorgegeben. Die magnetischen und mechanischen Eigenschaften lassen sich auch beeinflussen, indem verschiedene Materialien für die Mikro-Fraktion und die Nano-Fraktion verwendet werden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

- DE 10222459 A1 [0003]
- EP 1564767 A2 [0009]
- EP 1669408 [0010]

Claims

Weichmagnetischer Werkstoff, der umfasst: eine Mikro-Fraktion aus Teilchen eines weichmagnetischen Materials mit einer Teilchengröße im Bereich von 1 bis 350 μm; gekennzeichnet durch eine Nano-Fraktion aus Teilchen eines weichmagnetischen Materials mit einer Teilchengröße im Bereich von 10 bis 200 nm, wobei der Anteil der Nano-Fraktion an der Gesamtmasse von Mikro-Fraktion und Nano-Fraktion 5 bis 70 Masse-% beträgt.
Weichmagnetischer Werkstoff nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das weichmagnetische Material ein Ferrit, insbesondere Mangan-Zink-Ferrit, ist und wobei die Teilchen der Mikro-Fraktion und der Nano-Fraktion optional aus dem gleichen Material bestehen.
Weichmagnetischer Werkstoff nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Mangan-Zink-Ferrit der Formel Mn_aZn_bFe_2+cO_4+d entspricht, wobei die Größe a, b, c und d in folgendem Bereich liegen: 0,05 < a < 0,8; 0,05 < b < 0,6; 0,02 < c < 0,9; –0,05 < d < 0,05, wobei a + b + c = 1 ist.
Weichmagnetischer Werkstoff nach einem der Ansprüche 1–3, dadurch gekennzeichnet, dass der Anteil der Nano-Fraktion an der Gesamtmasse von Mikro-Funktion und Nano-Fraktion mindestens 10 Masse-%, weiter bevorzugt mindestens 30 Masse-% beträgt und ferner weniger als 50 Masse-%, weiter bevorzugt weniger als 40 Masse-% der Nano-Fraktion beträgt.
Weichmagnetischer Werkstoff nach einem der Ansprüche 1–4, dadurch gekennzeichnet, dass die Dichte 2,9 g/cm³ oder mehr, bevorzugt mehr als 3,1 g/cm³ und insbesondere bevorzugt 4 g/cm³ oder mehr beträgt, nachdem der Werkstoff einem Sprühtrocknungsschritt, einem Trockenpressschritt und einem Anlassschritt bzw. ein Anschmelzschritt unterzogen wurde.
Weichmagnetischer Werkstoff nach einem der Ansprüche 1–5, dadurch gekennzeicht, dass die Zugfestigkeit mehr als 3 N/mm², bevorzugt mehr als 9 N/mm² und insbesondere bevorzugt mehr als 14 N/mm² beträgt, nachdem der Werkstoff einem Sprühtrocknungsschritt, einem Trockenpressschritt und einem Anlassschritt bzw. ein Anschmelzschritt unterzogen wurde.
Weichmagnetischer Werkstoff nach einem der Ansprüche 1–6, dadurch gekennzeichnet, dass die Anfangspermeabilität μ_i bei 5 bis 200, die Sättigungsmagnetisierung bei 100 mT oder mehr und der Wert für tan δ/μ_i kleiner 3000 × 10^–6, bevorzugt kleiner 1700 × 10^–6, noch bevorzugter kleiner 400 × 10^–6 ist, nachdem der Kompositwerkstoff einem Sprühtrocknungsschritt, einem Trockenpressschritt und einem Anlassschritt bzw. Anschmelzschritt unterzogen wurde.
Weichmagnetischer Werkstoff nach einem der Ansprüche 1–7, dadurch gekennzeichnet, dass der Werkstoff ferner einen Kunststoffbinder umfasst.
Weichmagnetischer Werkstoff nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Kunststoffbinder Polyethylentetrafluorid (PZFE) oder ein Polyetheretherketon (PEEK) ist.
Weichmagnetischer Werkstoff nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Anteil des Binders, bezogen auf die Gesamtmasse von Mikro-Fraktion und Nano-Fraktion, im Bereich von 5 bis 20 Masse-%, bevorzugt bei 8 bis 12 Masse-% liegt.
Gegenstand aus einem weichmagnetischen Werkstoff nach einem er Ansprüche 1–10.
Verfahren zur Herstellung eines Gegenstandes aus einem weichmagnetischen Werkstoff nach einem der Ansprüche 1–10 umfassend: Bereitstellung eines Schlickers mit einer Mikro-Fraktion aus Teilchen eines weichmagnetischen Materials und einer Nano-Fraktion aus Teilchen eines weichmagnetischen Materials, einem Sprühhilfsmittel und einem Schlickermedium; Sprühtrocknen des Schlickers; Trockenpressen des durch die Sprühtrocknung erhaltenen Granulats zusammen mit einem Presshilfsmittel; und Anlassen bzw. Anschmelzen des gepressten Gegenstandes.
Verfahren nach Anspruch 12 zur Herstellung eines Gegenstandes aus einem weichmagnetischen Werkstoff nach einem der Ansprüche 8–10, dadurch gekennzeichnet, dass das Anlassen des gepressten Gegenstandes unter erwärmen auf eine Temperatur oberhalb des Schmelzpunkts des Kunststoffbinders durchgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 12 zur Herstellung eines Gegenstandes aus einem weichmagnetischen Werkstoff der kein Bindemittel umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass das Anschmelzen unter einem verminderten Sauerstoffpartialdruck durchgeführt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 12–14, wobei das Sprühtrocknen bei einer Temperatur von 140°C bis 160°C und einem Druck von 5 bis 15 bar durchgeführt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 12–14, wobei das Trockenpressen bei 350 Mpa bis 700 Mpa durchgeführt wird.