DE102013200229A1

DE102013200229A1 - Weichmagnetischer Verbundwerkstoff und Verfahren zum Herstellen eines solchen

Info

Publication number: DE102013200229A1
Application number: DE102013200229.7A
Authority: DE
Inventors: Martin Koehne; Jens Burghaus
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2013-01-10
Filing date: 2013-01-10
Publication date: 2014-07-10
Also published as: JP6444033B2; CN103928207B; CN103928207A; JP2014135491A

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft einen weichmagnetischen Werkstoff. Um diesen bei einer guten Magnetisierbarkeit besonders stabil zu gestalten, ist der Werkstoff ausgebildet aus Metallpartikeln und einer zumindest teilweise auf der Oberfläche der Metallpartikel angeordneten elektrisch isolierenden Schicht, wobei die elektrisch isolierende Schicht als Phosphornitridschicht ausgebildet ist und wobei die Metallpartikel durch die elektrisch isolierende Schicht miteinander verbunden sind. Die vorliegende Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zum Herstellen eines weichmagnetischen Werkstoffs.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen weichmagnetischen Verbundwerkstoff. Die vorliegende Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zum Herstellen eines derartigen weichmagnetischen Verbundwerkstoffs mit verbesserten mechanischen Eigenschaften.
Stand der Technik
Weichmagnetische Werkstoffe werden in einer Vielzahl von Anwendungen eingesetzt. Moderne Benzin- und Dieselmotoren, beispielsweise, benötigen immer leistungsfähigere Magnet-Einspritzventile, um beispielsweise die Forderung nach Verbrauchsreduzierung und Schadstoffreduzierung zu erfüllen. Schnell schaltende Magneteinspritzventile werden dabei oftmals aus weichmagnetischen Werkstoffen hergestellt. Weichmagnetische Verbundwerkstoffe (WMV) werden dabei aus einem hochreinen Eisenpulver hergestellt, welches mit einer Phosphat- oder Magnesiumoxidschicht ummantelt ist. Nach einem Kompaktieren des Materials erfolgt eine Oxidation an Luft unter Ausbildung von Oxiden an der Korngrenze und so eine Verbindung der Eisenpartikel.
Aus dem Dokument DE 102 25 154 A1 ist ein weichmagnetischer Pulververbundwerkstoff und ein Verfahren zu seiner Herstellung bekannt. Ein derartiger weichmagnetischer Pulververbundwerkstoff besteht aus einem Reineisenpulver, einem phosphatierten Eisenpulver oder einem Eisenlegierungspulver und einem Weichferritpulver. Zur Herstellung dieses Verbundwerkstoffs werden die vorgenannten Pulverbestandteile gemischt, verdichtet, entbindert und einer Wärmebehandlung unterworfen.
Aus dem Dokument DE 102 25 154 A1 ist ebenfalls ein weichmagnetischer Pulververbundwerkstoff und ein Verfahren zu seiner Herstellung bekannt. Ein derartiger weichmagnetischer Pulververbundwerkstoff umfasst ein metallisches Pulver, welches mit einer hochohmigen Oberflächenschicht versehen ist. Ein derartiger Verbundwerkstoff wird dabei nach einem Versehen des Pulvers mit der Oberflächenbeschichtung kompaktiert.
Offenbarung der Erfindung
Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein weichmagnetischer Werkstoff, ausgebildet aus Metallpartikeln und einer zumindest teilweise auf der Oberfläche der Metallpartikel angeordneten elektrisch isolierenden Schicht, wobei die elektrisch isolierende Schicht als Phosphornitridschicht ausgebildet ist und wobei die Metallpartikel durch die elektrisch isolierende Schicht miteinander verbunden sind.
Ein weichmagnetischer Werkstoff kann im Sinne der vorliegenden Erfindung insbesondere ein Werkstoff sein, der eine gute Magnetisierung in einem Magnetfeld aufweist. Insbesondere kann ein weichmagnetischer Werkstoff ein solcher sein, der ferromagnetische Eigenschaften aufweist und dabei seine Magnetisierung etwa durch einen elektrischen Strom in einer stromdurchflossenen Spule oder durch Anwesenheit eines Permanentmagneten erhalten kann.
Unter einer elektrisch isolierenden Schicht kann im Sinne der vorliegenden Erfindung insbesondere eine Schicht verstanden werden, die aus einem Material gebildet ist, das einen spezifischen Widerstand aufweist, der in einem Bereich von größer oder gleich 3 µΩm liegt.
Ein vorbeschriebener weichmagnetischer Werkstoff bietet den Vorteil einer guten Magnetisierung bei einer gleichzeitig sehr hohen Festigkeit. Dadurch lässt sich ein besonders breites Anwendungsgebiet ermöglichen. Darüber hinaus ist ein derartiger Werkstoff einfach und kostengünstig herstellbar.
Im Detail ist ein vorbeschriebener weichmagnetischer Werkstoff ausgebildet aus Metallpartikeln. Die Metallpartikel sind in ihrer Art im Sinne der vorliegenden Erfindung grundsätzlich nicht begrenzt, insoweit sie als Bestandteil für einen weichmagnetischen Werkstoff Verwendung finden können. Dabei sind von dem Begriff Partikel gleichermaßen mit umfasst Feststoffkörper, die nicht als einzelne frei bewegliche Körper, etwa im Sinne eines Pulvers, vorliegen, sondern miteinander verbunden beziehungsweise aneinander befestigt sein können und somit einen kompakten Körper ausbilden können. Dabei sind von dem Begriff Metall im Sinne der vorliegenden Erfindung ferner gleichermaßen Legierungen aus zwei oder mehreren Metallen sowie intermetallische Verbindungen mit umfasst.
Ferner weist der weichmagnetische Werkstoff eine zumindest teilweise auf der Oberfläche der Metallpartikel angeordnete elektrisch isolierende Schicht auf. Dabei kann die elektrisch isolierende Schicht beispielsweise vollständig auf der Oberfläche der Metallpartikel vorliegen, und diese somit vollständig ummanteln. Alternativ kann es vorgesehen sein, dass die elektrisch isolierende Schicht nur teilweise auf der Oberfläche der Metallpartikel vorliegt, und somit Bereiche der Metallpartikel überdeckt, wobei jedoch weitere Bereiche der Metallpartikel oder ganze Metallpartikel vorgesehen sein können, welche frei liegen und somit nicht unmittelbar von elektrisch isolierenden Schicht überdeckt sind. Somit kann die elektrisch isolierende Schicht gleichermaßen lokal begrenzt vorliegen. Bei dem vorbeschriebenen weichmagnetischen Werkstoff sind die Partikel ferner durch die elektrisch isolierende Schicht miteinander verbunden beziehungsweise durch die elektrisch isolierende Schicht aneinander befestigt.
Aus dem Vorstehenden wird ersichtlich, dass der weichmagnetische Werkstoff nicht nur aus einem Metall beziehungsweise einer metallischen Verbindung ausgebildet ist, sondern zusätzlich zumindest ein weiteres Material aufweist, welches als elektrisch isolierende Schicht auf den Metallpartikeln ausgebildet ist. Somit kann der vorbeschriebene weichmagnetische Werkstoff als Verbundwerkstoff beziehungsweise Kompositwerkstoff bezeichnet werden. Dabei ist die vorliegende Erfindung jedoch nicht auf einen Werkstoff begrenzt, der nur aus Metallpartikeln und einem elektrisch isolierende Material beziehungsweise einer elektrisch isolierenden Schicht besteht, sondern es können, ohne den Gegenstand der Erfindung zu verlassen, weitere Materialien, wie beispielsweise Metalle, weitere elektrisch isolierende Materialien oder sonstige Verbindung, von dem Werkstoff umfasst sein.
Bei einem vorbeschriebenen weichmagnetischen Werkstoff ist weiterhin die elektrisch isolierende Schicht als Phosphornitridschicht ausgebildet. Als eine Phosphornitridschicht im Sinne der vorliegenden Erfindung kann dabei eine Schicht verstanden werden, die zumindest teilweise oder insbesondere vollständig aus einem Phosphornitrid oder mehreren Phosphornitriden (z.B. PN (CAS 17739-47-8), P₃N₅ (CAS 61361-50-0) und/oder N₅P₃ (CAS 12136-91-3)) ausgebildet ist.
Insbesondere dadurch, dass die elektrisch isolierende Schicht als Phosphornitridschicht ausgebildet ist, lassen sich eine Vielzahl von Vorteilen beziehungsweise besonders vorteilhafte Eigenschaften des vorbeschriebenen weichmagnetischen Materials erreichen.
Im Detail weist insbesondere eine Phosphornitridschicht eine sehr gute elektrische Isolierung auf. Dadurch können beispielsweise, was in vielen technischen Anwendungen notwendig oder zumindest vorteilhaft sein kann, Wirbelstromverluste signifikant reduziert werden. Dadurch lässt sich der vorbeschriebene weichmagnetische Werkstoff besonders vorteilhaft bei derartigen Anwendungen einsetzen, bei denen gerade Wirbelstromverluste minimiert werden sollten.
Darüber hinaus ist es durch die Verwendung von Phosphornitrid für die elektrisch isolierende Schicht möglich, sowohl eine gute elektrische Isolation als auch eine besonders stabile Verbindung der ummantelten Metallpartikel zu erzielen. Somit kann ein sehr stabiler Werkstoff erhalten werden, der für eine Vielzahl von Anwendungen geeignet ist. Dabei sind sowohl Hochtemperaturanwendungen als auch Anwendungen unter hohem Druck durch den vorbeschriebenen Werkstoff problemlos möglich. Somit kann durch das Verwenden von Phosphornitrid in der elektrisch isolierenden Schicht der aus dem Stand der Technik bekannte Nachteil einer für manche Anwendungsgebiete zu geringen Festigkeit beziehungsweise Stabilität aufgrund von Materialien, wie beispielsweise Oxiden, welche sich an den Korngrenzen der Metallpartikel befinden, überwunden werden.
Weiterhin bietet der vorbeschriebene weichmagnetische Werkstoff den Vorteil, dass er eine besonders gute Korrosionsresistenz aufweisen kann. Somit ist ein Einsatz unter harschen Bedingungen auch unter oxidativer Atmosphäre problemlos möglich, was das Anwendungsgebiet weiter vergrößert. Ein vorteilhaftes, jedoch nicht beschränkendes Anwendungsgebiet des vorbeschriebenen weichmagnetischen Werkstoffs kann dabei bei der Herstellung eines Magnetventils für einen Benzin- oder Dieselmotor gesehen werden.
Somit kann gemäß der vorliegenden Erfindung zusammenfassend ein weichmagnetischer Werkstoff geschaffen werden, welcher bezüglich Korrosionsresistenz und Stabilität beziehungsweise mechanischen Eigenschaften gegenüber aus dem Stand der Technik bekannten weichmagnetischen Werkstoffen Vorteile aufweist, und dabei ferner insbesondere aufgrund einer zusätzlich sehr guten elektrisch isolierenden Schicht, welche die Metallpartikel zumindest teilweise ummantelt, ein besonders breites technisches Anwendungsgebiet ermöglichen kann.
Im Rahmen einer Ausgestaltung können die Metallpartikel zumindest teilweise Eisen aufweisen. Beispielsweise können Reineisen-Partikel verwendet werden oder Basiskörper aus Eisen, welche zusätzlich weitere Metalle aufweisen. Beispielsweise kann eine Eisen-Basis Legierung verwendet werden, die neben Eisen, etwa in einem Anteil von größer oder gleich 47 Gew.-%, weitere Elemente wie Silizium (Si), Aluminium (Al), Chrom (Cr), Nickel (Ni), Cobalt (Co), Molybdän (Mo), Kupfer (Cu), Mangan (Mn), Vanadium (V), Phosphor (P) und/oder Kohlenstoff (C) enthalten kann. Insbesondere unter Verwendung derartiger Metallpartikel, insbesondere Eisenpartikel, können besonders vorteilhafte weichmagnetische Eigenschaften erzeugt werden. Somit können insbesondere in dieser Ausgestaltung besonders leistungsfähige und anwendungsbreite weichmagnetische Werkstoffe möglich sein. Darüber hinaus konnte gefunden werden, dass Phosphornitride als Bestandteil der elektrisch isolierenden Schicht insbesondere an den vorgenannten Metallpartikeln besonders gut haften können, so dass ein besonders stabiler weichmagnetischer Werkstoff realisierbar sein kann.
Im Rahmen einer weiteren Ausgestaltung können die Metallpartikel, insbesondere die Eisenpartikel, eine Korngröße in einem Bereich von größer oder gleich 1 µm bis kleiner oder gleich 500 µm aufweisen. In dieser Ausgestaltung kann ein besonders stabiles Gefüge erhalten werden, so dass sich der weichmagnetische Werkstoff insbesondere in dieser Ausgestaltung unter besonders harschen Bedingungen, wie beispielsweise Temperatur, Druck oder korrosiver Atmosphäre, einsetzen lässt. Dadurch ist sind vielfältige Anwendungsgebiete des weichmagnetischen Werkstoffs möglich.
Im Rahmen einer weiteren Ausgestaltung kann die Phosphornitridschicht an den Korngrenzen der Metallpartikel vorliegen. In dieser Ausgestaltung kann ein besonders stabiles und korrosionsresistentes Gefüge erhalten werden, so dass sich der weichmagnetische Werkstoff insbesondere in dieser Ausgestaltung unter besonders harschen Bedingungen, wie beispielsweise Temperatur, Druck oder korrosiver Atmosphäre, einsetzen lässt. Ferner kann so eine besonders gute Isolationswirkung erzeugt werden, so dass beispielsweise Wirbelstromverluste insbesondere in dieser Ausgestaltung besonders effektiv reduziert werden können. Dadurch sind vielfältige Anwendungsgebiete des weichmagnetischen Werkstoffs möglich.
Hinsichtlich weiterer technischer Merkmale und Vorteile des erfindungsgemäßen Werkstoffs wird hiermit explizit auf die Erläuterungen im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren verwiesen.
Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ferner ein Verfahren zum Herstellen eines wie vorstehend beschrieben ausgestalteten weichmagnetischen Werkstoffs, aufweisend die Verfahrensschritte:

a) Bereitstellen eines Metallpulvers aufweisend Metallpartikel;
b) Aufbringen von Phosphornitrid oder eines Phosphornitrid-Precursors auf zumindest einen Teil der Oberfläche der Metallpartikel;
c) Gegebenenfalls Trocknen des in Verfahrensschritt b) erzeugten Produkts;
d) Gegebenenfalls Hinzufügen eines Presshilfsmittels;
e) Verdichten des in Verfahrensschritt b) oder c) oder d) erzeugten Produkts unter erhöhtem Druck; und
f) Behandeln des in Verfahrensschritt b) oder c) oder d) oder e) erhaltenen Produkts mit erhöhter Temperatur.

Das vorbeschriebene Verfahren zeichnet sich dadurch aus, dass in situ, also im Wesentlichen in einem einfachen kontinuierlichen Herstellungsverfahren, ein weichmagnetischer Werkstoff mit Metallpartikeln und einer auf den Metallpartikeln aufgebrachten elektrisch isolierenden Phosphornitridschicht als elektrisch isolierende Schicht entstehen kann. Dabei kann eine gute elektrische Isolation mit einer besonders hohen Stabilität des erzeugten Werkstoffs realisiert werden.
Hierzu erfolgt in einem Verfahrensschritt a) ein Bereitstellen eines Metallpulvers aufweisend Metallpartikel. Die Metallpartikel können insbesondere Eisenpartikel sein und dabei eine mittlere Korngröße in einem Bereich von größer oder gleich 1 µm bis kleiner oder gleich 500 µm aufweisen. Ein Beispiel für ein hochreines Eisenpulver ist das kommerziell erhältliche Eisenpulver mit der Bezeichnung ABC 100.30 von der Firma Höganäs AB. Grundsätzlich sind jedoch auch andere Pulver und Pulvermischungen aus Metall und Metalllegierungen möglich.
Um eine elektrisch isolierende Schicht auf die Metallpartikel aufzubringen, erfolgt in einem Verfahrensschritt b) ein Aufbringen von Phosphornitrid, wie etwa Triphosphorpentanitrid (P₃N₅) oder Phosphormononitrid (PN), oder eines Phosphornitrid-Precursors auf zumindest einen Teil der Oberfläche der Metallpartikel. Somit kann beispielsweise unmittelbar Phosphornitrid aufgebracht werden, oder ein Phosphornitrid-Precursor. Unter letzterem kann dabei im Sinne der vorliegenden Erfindung insbesondere eine Substanz oder ein Substanzgemisch verstanden werden, aus welchem bei einem nachfolgenden Verfahrensschritt Phosphornitrid erhältlich sein kann. Beispielsweise kann als Precursor eine kostengünstige organische Phosphor-Stickstoffverbindung dienen oder ein Gemisch aus einer Stickstoffverbindung und einer Phosphorverbindung, wodurch eine Phosphorquelle und eine Stickstoffquelle an die Oberfläche der Metallpartikel gebracht werden kann. Diese kann dabei insbesondere so gewählt werden, dass eine vollständige und einfache Umschließung der Metallpartikel und damit eine Vernetzung der Metallpartikel ermöglicht werden kann.
Dadurch, dass somit neben einer Phosphorquelle auch eine Stickstoffquelle insbesondere unmittelbar an der Korngrenze der Metallpartikel platziert wird, ist kein Oxidationsgradient oder Nitridierungsgradient zu erwarten, wodurch besonders homogene Produkte beziehungsweise weichmagnetische Werkstoffe mit besonders homogenen Eigenschaften erzeugt werden können.
Insbesondere für den Fall, dass Phosphornitrid beziehungsweise der Phosphornitrid-Precursor bei einem Aufbringen auf die Metallpartikel beispielsweise mit einem Lösungsmittel versehen ist, kann in einem folgenden Verfahrensschritt c) ein Trocknen des in Verfahrensschritt b) erzeugten Produkts stattfinden.
In einem weiteren Verfahrensschritt d) kann dem in Verfahrensschritt b) erzeugten und gegebenenfalls getrockneten Produkt optional ein Presshilfsmittel hinzugefügt werden. Ein Presshilfsmittel kann dabei insbesondere eine Substanz sein, die den Pressvorgang positiv beeinflussen kann. Insbesondere kann ein Presshilfsmittel die Formgebung verbessern, etwa durch das Einstellen verbesserter Fließeigenschaften unter Ausbilden einer sehr homogenen Formgebung und unter Reduzierung von Gefügespannungen. Als Presshilfsmittel kann beispielsweise ein Zink-Stearat beziehungsweise ein Fettsäureamid wie etwa Acrawax C oder Microwax C eingesetzt werden. Eine Entbinderung und damit ein Entfernen des Presshilfsmittels kann insbesondere nach dem Kompaktieren und beispielsweise vor der abschließenden Temperaturbehandlung, wie später erläutert, üblicherweise in einem Temperaturbereich von größer oder gleich 300°C bis kleiner oder gleich 450°C, durchgeführt werden.
Weiterhin erfolgt in einem weiteren Verfahrensschritt e) ein Verdichten beziehungsweise Kompaktieren des in Verfahrensschritt b) oder c) oder d) erzeugten Produkts unter erhöhtem Druck und ferner in einem Verfahrensschritt e) ein Behandeln des in Verfahrensschritt b) oder c) oder d) oder e) erhaltenen Produkts mit erhöhter Temperatur. Dadurch kann der Verbundwerkstoff kompaktiert beziehungsweise gepresst und in seine abschließenden Form gebracht werden. Dabei führt die vorgenannte Kompaktierung und Wärmebehandlung insbesondere zu einer Ausbildung von kovalenten Phosphornitriden an der Korngrenze und so zu signifikant höheren Festigkeiten bei Beibehaltung der gewünschten magnetischen Eigenschaften. In anderen Worten erfolgt hier eine Einstellung der elektrisch isolierenden Schicht an/auf der Korngrenze beziehungsweise Partikeloberfläche. Ferner kann beispielsweise der Phosphornitrid-Precursor zu Phosphornitrid reagieren. Dabei kann der Verfahrensschritt e) nach oder zeitgleich mit dem Verfahrensschritt c) ablaufen. Eine Wärmebehandlung kann dabei in einem Temperaturbereich von beispielsweise größer oder gleich 400°C und/oderbis etwa kleiner oder gleich 900°C durchgeführt werden. Wie oben beschrieben kann ein Entfernen des Presshilfsmittels vor dem Kompaktieren, also vor dem Anwenden von Druck und der vorgenannten Temperatur durchgeführt werden. In diesem Fall kann eine zweistufige Erwärmung stattfinden. Jedoch ist dem Fachmann ersichtlich, dass nicht stets eine exakte definierte Trennung der Temperaturschritte und der hierzu verwendeten einzuhaltenden Temperaturen möglich ist, sondern dass die Temperaturschritt auch ineinander übergehen können und somit auch nur eine Temperaturbehandlung stattfinden kann.
Im Rahmen einer Ausgestaltung kann wenigstens einer der Verfahrensschritte e) und f) unter einer Inertgasatmosphäre durchgeführt werden. In dieser Ausgestaltung kann verhindert werden, dass die Metallpartikel, welche noch nicht mit einer Schutzschicht versehen sind, korrodieren beziehungsweise oxidiert werden. Somit kann sichergestellt werden, dass der weichmagnetische Werkstoff die gewünschten Eigenschaften aufweist und nicht durch eine zumindest teilweise Oxidation der Metallpartikel ein negativer Einfluss auf die gewünschten Eigenschaften erfolgt. Unter einer Inertgasatmosphäre kann dabei insbesondere eine solche verstanden werden, unter welcher die verwendeten Werkstoffe, insbesondere die Metallpartikel, stabil sind. Beispielsweise kann unter einer Inertgas-Atmosphäre eine Vakuumatmosphäre oder eine Stickstoffatmosphäre oder eine Argonatmosphäre oder eine Mischung der genannten Atmosphären, wie beispielsweise eine Mischung aus Argon und Stickstoff oder eine Unterdruck-Argon-Atmosphäre verstanden werden.
Im Rahmen einer weiteren Ausgestaltung kann wenigstens einer der Verfahrensschritte e) und f) unter einer Atmosphäre aufweisend Ammoniakgas und Wasserstoffgas durchgeführt werden. Insbesondere in dieser Ausgestaltung kann die Bildung von Nitriden begünstigt und der Eintrag von Sauerstoff vermieden werden. Dadurch kann ein besonders definiertes Produkt erhalten werden, welches besonders effektive weichmagnetische Eigenschaften und dabei eine besonders vorteilhaft ausgeprägte elektrisch isolierende Schicht aufweist. Dabei können beispielsweise Nitrierkennzahlen zwischen größer gleich 0.1 und kleiner gleich 20 eingestellt werden, wobei die Nitrierkennzahl das Verhältnis der Partialdrücke von Wasserstoff und Ammoniak beschreibt.
Im Rahmen einer weiteren Ausgestaltung kann als Phosphornitrid-Precursor eine kohlenstofffreie Verbindung verwendet werden. Insbesondere durch einen Verzicht auf Kohlenstoff in dem organischen Precursor kann ein weichmagnetischer Werkstoff erzeugt werden, der besonders ausgeprägte weichmagnetische Eigenschaften aufweist. In anderen Worten kann verhindert werden, dass durch das Vorsehen beziehungsweise das Auftreten von Kohlenstoff eine Verschlechterung der magnetischen Eigenschaften auftritt.
Im Rahmen dieser Ausgestaltung kann als Phophornitrid-Precursor ein Phosphornitrilamid verwendet werden. Dabei ist insbesondere ein Phosphornitrilamid wie beispielsweise [PN(NH₂)₂]_n (n = 3, 4) (CAS: 6954-20-7 beziehungsweise 13597-92-7) als Presursor in dem Verfahren gut verwendbar, da es durch geringste Aufbereitung, wie etwa dem Lösen in einem Lösungsmittel, verwendbar ist und dabei die Metallpartikel besonders gut ummanteln kann. Beispielhafte verwendbare Precursoren sind Phosphornitrilamide wie in den Formeln (I) und (II) gezeigt, wobei die Formel (I) H₁₂N₉P₃ (CAS 13597-92-7) zeigt und die Formel (II) H₁₆N₁₂P₄ (CAS 6954-20-7) zeigt.
Darüber hinaus ist eine derartige Substanz beispielsweise für die Erhöhung der Feuerfestigkeit und Waschechtheit von Textilien bekannt und ist somit als chemisch unbedenklich einzustufen. Somit ist der vorliegende Prozess ferner besonders umweltfreundlich. Beispielsweise in gelöstem Zustand kann dabei problemlos Phosphor und Stickstoff homogen über die Metallpartikel verteilt werden, was eine besonders vollständige, definierte und effektive Isolationsschicht beziehungsweise Schutzschicht ermöglichen kann.
Im Rahmen einer weiteren Ausgestaltung kann der Phophornitrid-Precursor als Lösung in einem leichtflüchtigen Lösungsmittel, wie insbesondere Aceton, auf zumindest einen Teil der Oberfläche der Metallpartikel aufgebracht werden. Insbesondere in dieser Ausgestaltung kann das Verfahren besonders einfach und definiert durchführbar sein, da eine homogene Mischung realisierbar ist und ferner das Lösungsmittel problemlos und rückstandsfrei entfernbar ist. Unter einem leichtflüchtigen Lösungsmittel kann dabei im Sinne der vorliegenden Erfindung insbesondere ein solches Lösungsmittel verstanden werden, das einen Siedepunkt aufweist, der in einem Bereich von kleiner oder gleich 140°C, insbesondere kleiner gleich 70°C liegt.
Hinsichtlich weiterer technischer Merkmale und Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens wird hiermit explizit auf die Erläuterungen im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Werkstoff verwiesen.
Beispiele
Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Gegenstände werden durch die Beispiele veranschaulicht und in der nachfolgenden Beschreibung erläutert. Dabei ist zu beachten, dass die Beispiele nur beschreibenden Charakter haben und nicht dazu gedacht sind, die Erfindung in irgendeiner Form einzuschränken.
Beispiel 1:
Das kommerziell verfügbare Eisenpulver mit der Bezeichnung ABC 100.30 der Firma Höganäs wird mit einer Lösung von Phosphornitrilamid H₁₂N₉P₃ (CAS 13597-92-7) in Aceton versetzt. Das Mischungsverhältnis zwischen H₁₂N₉P₃ und dem Aceton beträgt 1:4 auf das Volumen bezogen. Das Mischungsverhältnis zwischen dem Eisenpulver und der Lösung beträgt 9:1 auf das Volumen bezogen. Anschließend wird das Produkt getrocknet, beispielsweise in einem Ofen bei einer Temperatur von 75°C, bis das Lösungsmittel vollständig entfernt ist. Anschließend wird das Produkt in eine Form überführt. Es kann dabei auf der Oberfläche mit einem Presshilfsmittel (z.B. Fettsäure) versetzt werden. Es wird bei einem Druck von 800 MPa und einer Temperatur von kleiner gleich 50°C kompaktiert. In einem weiteren Schritt wird das Phosphornitrilamid durch Thermolyse zersetzt. Dabei wird in einer Argon/Stickstoff-Atmophäre bei Temperaturen im Bereich von 400°C–900°C das Phophornitrilamid zersetzt. Dabei spaltet sich Wasserstoff und Ammoniak ab, die aus dem Verbundwerkstoff herausdiffundieren. Nach der Thermolyse wird der weichmagnetische Verbundwerkstoff mit Eisenpartikeln Phosphornitrid an den Korngrenzen erhalten.
Beispiel 2:
Das kommerziell verfügbare Eisenpulver mit der Bezeichnung ABC 100.30 der Firma Höganäs wird mit dem Phosphornitrilamid H₁₆N₁₂P₄ (CAS 6954-20-7) im Volumenverhältnis 15:1 versetzt. Die mittlere Partikelgröße des H₁₆N₁₂P₄ (CAS 6954-20-7) liegt bei < 100 µm. Anschließend wird das Produkt in einer Kugelmühle für 24h gemahlen. Dadurch entstehen sehr feine Phosphornitrilamid-Partikel, die sich auf der Oberfläche des Eisenpulvers anlagern. Anschließend wird das Produkt in eine Form überführt und bei einem Druck von 800 MPa und einer Temperatur von 150°C kompaktiert. In einem weiteren Schritt wird das Phosphornitrilamid durch Thermolyse zersetzt. Dabei wird in einer Argon/Stickstoff-Atmophäre bei Temperaturen in einem Bereich von größer oder gleich 400°C bis kleiner oder gleich 900°C das Phophornitrilamid zersetzt. Dabei spaltet sich Wasserstoff und Ammoniak ab, die aus dem Verbundwerkstoff herausdiffundieren. Nach der Thermolyse wird der weichmagnetische Verbundwerkstoff mit Eisenpartikeln Phosphornitrid an den Korngrenzen erhalten.
Beispiel 3:
Das kommerziell verfügbare Eisenpulver mit der Bezeichnung ABC 100.30 der Firma Höganäs wird mit Triphosphorpentanitrid (P₃N₅) im Volumenverhältnis 25:1 versetzt. Die mittlere Partikelgröße des P₃N₅ liegt bei < 10 µm. Anschließend wird das Produkt in einer Kugelmühle für 24 h gemahlen. Dadurch entstehen sehr feine P₃N₅-Partikel, die sich auf der Oberfläche des Eisenpulvers anlagern. Anschließend wird das Produkt in eine Form überführt und bei einem Druck von 800 MPa und einer Temperatur von 750°C kompaktiert. Nach der Kompaktierung wird der weichmagnetische Verbundwerkstoff mit Eisenpartikeln aufweisend Phosphornitrid an der Korngrenze erhalten.
Beispiel 4:
Das kommerziell verfügbare Eisenpulver mit der Bezeichnung ABC 100.30 der Firma Höganäs wird mit einer Lösung von Triphosphorpentanitrid (P₃N₅) in Aceton versetzt. Das Mischungsverhältnis zwischen P₃N₅ und dem Aceton beträgt 1:4 auf das Volumen bezogen. Das Mischungsverhältnis zwischen dem Eisenpulver und der Lösung beträgt 9:1 auf das Volumen bezogen. Anschließend wird das Produkt getrocknet, beispielsweise in einem Ofen bei einer Temperatur von 75°C, bis das Lösungsmittel vollständig entfernt ist. Anschließend wird das Produkt in eine Form überführt. Es kann dabei auf der Oberfläche mit einem Presshilfsmittel (z.B. Fettsäure) versetzt werden. Es wird bei einem Druck von 800 MPa und einer Temperatur von kleiner gleich 750°C kompaktiert. Nach der Kompaktierung wird der weichmagnetische Verbundwerkstoff mit Eisenpartikeln Phosphornitrid an der Korngrenze aufweisen.
Beispiel 5:
Das kommerziell verfügbare Eisenpulver mit der Bezeichnung ABC 100.30 der Firma Höganäs wird mit Phosphormononitrid (PN) im Volumenverhältnis 25:1 versetzt. Die mittlere Partikelgröße des PN liegt bei kleiner als 10 µm. Anschließend wird das Produkt in einer Kugelmühle für 24h gemahlen. Dadurch entstehen sehr feine PN-Partikel, die sich auf der Oberfläche des Eisenpulvers anlagern. Anschließend wird das Produkt in eine Form überführt und bei einem Druck von 800 MPa und einer Temperatur von 550°C kompaktiert. Nach der Kompaktierung wird der weichmagnetische Verbundwerkstoff mit Eisenpartikeln aufweisend Phosphornitrid an der Korngrenze erhalten.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 10225154 A1 [0003, 0004]

Claims

Weichmagnetischer Werkstoff, ausgebildet aus Metallpartikeln und einer zumindest teilweise auf der Oberfläche der Metallpartikel angeordneten elektrisch isolierenden Schicht, wobei die elektrisch isolierende Schicht als Phosphornitridschicht ausgebildet ist und wobei die Metallpartikel durch die elektrisch isolierende Schicht miteinander verbunden sind.
Werkstoff nach Anspruch 1, wobei die Metallpartikel zumindest teilweise Eisen aufweisen.
Werkstoff nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Metallpartikel eine Korngröße in einem Bereich von größer oder gleich 1 µm bis kleiner oder gleich 500 µm aufweisen.
Werkstoff nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Phosphornitridschicht an den Korngrenzen der Metallpartikel vorliegt.
Verfahren zum Herstellen eines weichmagnetischen Werkstoffs nach einem der Ansprüche 1 bis 4, aufweisend die Verfahrensschritte: a) Bereitstellen eines Metallpulvers aufweisend Metallpartikel; b) Aufbringen von Phosphornitrid oder eines Phosphornitrid-Precursors auf zumindest einen Teil der Oberfläche der Metallpartikel; c) Gegebenenfalls Trocknen des in Verfahrensschritt b) erzeugten Produkts; d) Gegebenenfalls Hinzufügen eines Presshilfsmittels; e) Verdichten des in Verfahrensschritt b) oder c) oder d) erzeugten Produkts unter erhöhtem Druck; und f) Behandeln des in Verfahrensschritt b) oder c) oder d) oder e) erhaltenen Produkts mit erhöhter Temperatur.
Verfahren nach Anspruch 5, wobei wenigstens einer der Verfahrensschritte e) und f) unter einer Inertgasatmosphäre durchgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 5, wobei wenigstens einer der Verfahrensschritte e) und f) unter einer unter einer Atmosphäre aufweisend Ammoniakgas und Wasserstoffgas durchgeführt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 7, wobei als Phosphornitrid Triphosphorpentanitrid (P₃N₅) oder Phosphormononitrid (PN) verwendet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 8, wobei als Phosphornitrid-Precursor eine kohlenstrofffreie Verbindung verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 9, wobei als Phophornitrid-Precursor ein Phosphornitrilamid verwendet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 10, wobei der Phophornitrid-Precursor als Lösung in einem leichtflüchtigen Lösungsmittel, wie insbesondere Aceton, auf zumindest einen Teil der Oberfläche der Metallpartikel aufgebracht wird.