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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines weichmagnetischen Körpers. Ferner bezieht sich die Erfindung auf einen weichmagnetischen Körper sowie auf einen Weichmagnet, welcher einen weichmagnetischen Körper aufweist.
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Es ist aus dem Stand der Technik bekannt, weichmagnetische Körper und Weichmagnete aus weichmagnetischen Werkstoffen zur Herstellung und zum Einsatz für weichmagnetische Kerne von Elektromotoren, elektrischen Ventilen in Einspritzsystemen, Aktoren und Sensoren oder dergleichen zu nutzen. Dabei können solche weichmagnetischen Körper z. B. als Ringbandkerne, Massekerne oder Pulverkerne ausgebildet sein.
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Aus der
DE 101 28 004 A1 ist z. B. ein induktives Bauelement bekannt, dessen weichmagnetischer Kern aus einem Pulververbundwerkstoff besteht. Der Pulververbundwerkstoff wird durch Mischen eines ferromagnetischen amorphen oder nanokristallinen Legierungspulvers mit einem ferromagnetischen dielektrischen Pulver sowie einem thermoplastischen oder duroplastischen Polymer hergestellt.
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Nachteilig ist, dass die Herstellung bekannter weichmagnetischer Körper bzw. Weichmagnete aus einem weichmagnetischen Körper oft sehr aufwendig und mit hohen Kosten verbunden ist. Auch ist häufig die Robustheit der weichmagnetischen Körper reduziert, wobei die Temperatur- und/oder Korrosionsbeständigkeit ggf. nicht ausreichend ist. Bei einem Betrieb der weichmagnetischen Körper bzw. Weichmagnete oder Elektrobleche in einem magnetischen Wechselfeld – insbesondere bei höheren Frequenzen – weisen die weichmagnetischen Körper oft eine hohe Verlustleistung aufgrund des Auftretens von Wirbelströmen auf. Es entstehen hohe Temperaturen, welche sich negativ auf den Betrieb und die Zuverlässigkeit auswirken. Ferner findet typischerweise während des Herstellungsprozesses insbesondere durch die pulvermetallurgische Route (beim Sintern) ein unerwünschter bzw. nicht kontrolierbarer Kristallwachstum der Partikel des weichmagnetischen Materials statt.
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Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die voranstehend beschriebenen Nachteile zumindest teilweise zu beheben. Insbesondere ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die Kosten und die Komplexität zur Herstellung der weichmagnetischen Körper und/oder Weichmagnete (weichmagnetische Bauteile) zu reduzieren. Weiter soll die Temperatur- und/oder Korrosionsbeständigkeit sowie die Robustheit erhöht und/oder die Verlustleistung bzw. die Wirbelstromverluste reduziert werden. Insbesondere ist eine weitere Aufgabe die Reduzierung der im Weichmagneten entstehenden Energieverluste.
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Die voranstehende Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1, einen weichmagnetischen Körper mit den Merkmalen des Anspruchs 8 sowie durch einen Weichmagnet mit den Merkmalen des Anspruchs 10. Weitere Merkmale und Details der Erfindung ergeben sich aus den jeweiligen Unteransprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen. Dabei gelten Merkmale und Details, die im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren beschrieben sind, selbstverständlich auch im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen weichmagnetischen Körper sowie dem erfindungsgemäßen Weichmagnet, und jeweils umgekehrt, so dass bzgl. der Offenbarung zu den einzelnen Erfindungsaspekten stets wechselseitig Bezug genommen wird bzw. werden kann.
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Unter einem weichmagnetischen Körper wird im Folgenden insbesondere ein Körper aus einem weichmagnetischen Werkstoff und/oder einem weichmagnetischen Material verstanden. Der Körper kann dabei vorzugsweise eine bestimmte Bauform aufweisen und somit beispielsweise als Ringbandkern, Massekern, Pulverkern und/oder als Form- oder Massivteil ausgebildet sein. Unter einem Weichmagneten wird insbesondere ebenfalls ein weichmagnetischer Körper verstanden, welcher eine geringe Koerzitivfeldstärke aufweist und damit für einen Einsatz als Dauermagnet bzw. Permanentmagnet ungeeignet ist. Insbesondere weist der Weichmagnet bzw. der weichmagnetische Körper das weichmagnetische Material auf, welches sich beispielsweise als ferromagnetisches Material in einem Magnetfeld leicht magnetisieren lässt (magnetische Polarisation) und damit der „Verstärkung“ des magnetischen Feldes dient. Im Gegensatz zu Permanentmagneten und hartmagnetischen Werkstoffen erfolgt die Magnetisierung jedoch nicht auf Dauer, so dass nach dem Wegfall des magnetischen Feldes keine signifikante Magnetisierung bestehen bleibt. Die Koerzitivfeldstärke ist bei einem weichmagnetischen Material daher wesentlich geringer als bei einem hartmagnetischen Material.
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Die Aufgabe wird insbesondere gelöst durch ein Verfahren zur Herstellung eines weichmagnetischen Körpers und insbesondere eines Weichmagneten, umfassend die folgenden Schritte:
- a) Bereitstellen eines weichmagnetischen Pulvers mit Pulverpartikeln aus einem weichmagnetischen Material,
- b) Beschichten der Pulverpartikel mit einem isolierenden (d. h. elektrisch nicht-leitenden), insbesondere thermisch stabilen Beschichtungsmaterial. Hierbei ist insbesondere vorgesehen, dass die Sintertemperatur des Beschichtungsmaterials geringer ist als die Sintertemperatur des weichmagnetischen Materials.
- c) Wärmebehandeln, insbesondere Sintern, des Beschichtungsmaterials, insbesondere zur Vitrifizierung des Beschichtungsmaterials, derart, dass während der Wärmebehandlung eine Sinterung und/oder ein Schmelzen der Pulverpartikel und/oder des weichmagnetischen Materials vermieden, d. h. teilweise oder (im Wesentlichen) vollständig verhindert wird.
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Die Schritte werden dabei vorzugsweise nacheinander durchgeführt, wobei insbesondere Schritt c) zeitlich nach Schritt b) durchgeführt wird. Dabei betrifft die durch das Wärmebehandeln entstehende Temperaturerhöhung insbesondere das beschichtete Pulver, d. h. es erfolgt die Temperaturerhöhung sowohl für das Beschichtungsmaterial als auch für die Pulverpartikel. Hierbei erhalten durch die Wärmebehandlung insbesondere sowohl das Beschichtungsmaterial als auch das weichmagnetische Material maximal eine zur Wärmebehandlung genutzte Prozesstemperatur. Mit anderen Worten erfolgt gemäß Schritt c) eine Wärmebehandlung der in Schritt b) beschichteten Pulverpartikel, wobei vorzugsweise ausschließlich das Beschichtungsmaterial gemäß Schritt c) gesintert bzw. vitrifiziert wird. Der Ausdruck Sintertemperatur bezieht sich insbesondere auf eine Temperatur, die zur Sinterung und/oder Vitrifizierung (d. h. Überführung in die Glasphase) des jeweiligen Materials (d. h. des weichmagnetischen Materials bzw. des Beschichtungsmaterials) geeignet ist. Die Sintertemperatur liegt beispielsweise in einem Bereich unterhalb der Transformationstemperatur (insbesondere auch Glasübergangstemperatur) bzw. der Schmelztemperatur des jeweiligen Materials. Es ist weiter denkbar, dass die Sintertemperatur sich im Wesentlichen proportional zur Schmelztemperatur und/oder Transformationstemperatur und/oder einer Solidustemperatur des jeweiligen Materials verhält. Insbesondere ist auch die Transformationstemperatur des Beschichtungsmaterials geringer als die Schmelztemperatur bzw. Sintertemperatur des weichmagnetischen Materials, um eine Sinterung oder ein Schmelzen der Pulverpartikel zu verhindern. Dabei ist das Beschichtungsmaterial bevorzugt thermisch stabil bei bis zu 600° C (Celsius) und/oder bis zu 800° C und/oder bis zu 1200° C und/oder bis zu 1400° C. Gemäß Schritt b) wird bevorzugt ein derartiges Beschichtungsmaterial gewählt, dass die benachbarten Pulverpartikel weder bei Schritt b) noch bei Schritt c) durch die Wärmebehandlung zusammenwachsen können. Somit wird ein unerwünschtes Kristallwachstum der Pulverpartikel, d. h. der Magnetpartikel, aber auch Kontaktschluss von mehreren Teilchen verhindert. Weiter wird durch das erfindungsgemäße Verfahren, welches insbesondere ein pulvermetallurgisches Verfahren ist, die Korrosionsbeständigkeit des weichmagnetischen Körpers aufgrund der Beschichtung erhöht. Auch erfolgt durch die Beschichtung gemäß Schritt b) eine Passivierung der Partikeloberflächen. Hierdurch werden Verunreinigungen, wie z. B. in Abhängigkeit vom weichmagnetischen Werkstofftyp durch Kohlenstoff, Sauerstoff, Phosphor verhindert. Die Isolierung der Pulverpartikel durch das Beschichtungsmaterial ermöglicht ferner die Entstehung einer isolierenden, d. h. elektrisch nicht leitenden Barriere. Das Beschichtungsmaterial dient hierbei insbesondere als Isolator bzw. Bindemittel, welches z. B. aus einem Ausgangsmaterial gebildet wird und/oder zur Erzeugung eines Matrixmaterials genutzt wird. Das Ausgangsmaterial stellt in diesem Sinne bevorzugt einen Präkursor (Vorläufer) für das Beschichtungsmaterial und/oder das Beschichtungsmaterial einen Präkursor für das Matrixmaterial dar. Die zur Wärmebehandlung bzw. Sintern genutzte Prozesstemperatur ist dabei bevorzugt derart gewählt, dass das Beschichtungsmaterial in eine Matrix (eines diamagnetischen oder paramagnetischen Materials) überführt wird, das die Pulverpartikel einbettet. Vorzugsweise erfolgt dennoch die Wärmebehandlung bzw. Sinterung des Beschichtungsmaterials bzw. das gesamte erfindungsgemäße Verfahren hierbei unter Bedingungen, bei denen keine Sinterung des weichmagnetischen Materials erfolgt. Somit können Wirbelstromverluste deutlich reduziert und ein Temperaturanstieg bzw. eine Erwärmung des Weichmagneten während des Betriebs mit höherfrequenten magnetischen Wechselfeldern reduziert werden. Auch können weitere Energieverluste, wie Hysterese oder Nachwirkungsverluste, aufgrund der Isolationswirkung der Beschichtung reduziert werden. So isolierte gesinterte Pulverteilchen haben hohe Temperatustabilität gegenüber von weichmagnetischen Bauteilen, die mit einem Polymer als Binder zusammengemischt sind.
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Vorzugsweise kann nach Schritt c) eine Nachbehandlung, insbesondere eine weitere Wärmebehandlung und/oder ein Formen des wärmebehandelten Pulvers erfolgen. Die Wärmebehandlung des Beschichtungsmaterials gemäß Schritt c) entspricht dabei insbesondere einer Wärmebehandlung des gesamten Pulvers bzw. der Pulverpartikel mit dem Ziel, das Beschichtungsmaterial zu sintern, wobei allerdings das Schmelzen und/oder Sintern der Pulverpartikel und/oder des weichmagnetischen Materials vermieden und/oder verhindert wird. Dies ermöglicht eine Anpassung des hergestellten Weichmagneten für unterschiedlichste Verwendungszwecke.
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Weiter ist es denkbar, dass bei Schritt a) zum Bereitstellen des weichmagnetischen Pulvers zuvor eine Herstellung des weichmagnetischen Pulvers erfolgt. Dabei kann das Pulver insbesondere kristalline weichmagnetische Werkstoffe (wie Weicheisen, Kohlenstoffstähle, Legierungen auf der Basis von FeAl, FeAlSi, FeNi, FeCo oder dergleichen) und/oder aus amorphen weichmagnetischen Werkstoffen (wie FeNiBSi, FeBSi oder dergleichen) und/oder weichmagnetische Ferritwerkstoffe (z. B. MnZn-Ferrite, MgZn-Ferrite oder dergleichen), Spinellwerkstoffe (z. B. MnMgZn, NiZn oder dergleichen) und/oder Granatwerkstoffe (BiCa, YGd oder dergleichen) und/oder dergleichen aufweisen. Hierdurch ergibt sich eine Verbesserung der Leistungsfähigkeit des Weichmagneten.
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Ferner kann im Rahmen der Erfindung vorgesehen sein, dass insbesondere nach Schritt b) und/oder vor Schritt c) ein Formen der beschichteten Pulverpartikel zu einem Pressling, insbesondere durch Pressen, erfolgt. Somit wird der Vorteil erzielt, dass zuverlässig die gewünschte Form des weichmagnetischen Körpers, die Eigenschaften des Materials und die Packungsdichte angepasst bzw. verbessert werden kann. Der Ausdruck „Pressling“ bezieht sich hierbei allgemein auf den resultierenden geformten Körper bzw. den Grünkörper und ist somit nicht auf das Pressen beschränkt. Das Formen kann beispielsweise auch durch Abformen und/oder Pressen und/oder Schütten und/oder Matrizenpressen und/oder Warmpressen und/oder kaltisostatisches Pressen und/oder heißisostatisches Pressen und/oder Ultraschallpressen oder dergleichen erfolgen. Die beschichteten Pulverpartikel resultieren dabei aus den unbeschichteten Pulverpartikeln, welche gemäß Schritt b) beschichtet wurden und somit durch das Beschichtungsmaterial umhüllte Pulverpartikel aufweisen. Weiter ist die Sintertemperatur druckabhängig, so dass das Formen ggf. zusammen mit dem Sintern und/oder der Wärmebehandlung gemäß Schritt c) durchgeführt werden kann. Hierdurch lässt sich der Vorteil erzielen, dass die zum Sintern notwendige Temperatur herabgesetzt werden kann. Allerdings muss dann berücksichtigt werden, dass die zum Sintern bzw. zur Wärmebehandlung gemäß Schritt c) verwendete Prozesstemperatur entsprechend angepasst wird, sodass die geringere Sintertemperatur des weichmagnetischen Materials bei der Wärmebehandlung nicht erreicht wird. Die Erwärmung des Presslings erfolgt gemäß Schritt c) beispielsweise bis zu einer Temperatur unterhalb der Schmelztemperatur des weichmagnetischen Materials, jedoch mindestens auf eine Temperatur, die das Beschichtungsmaterial sintert und/oder in die Glasphase überführt, d. h. vitrifiziert. Somit liegt die Prozesstemperatur zur Wärmebehandlung gemäß Schritt c) insbesondere im Transformationsbereich des Beschichtungsmaterials, insbesondere Glas (wenn dieses als Beschichtungsmaterial eingesetzt wird). Die Wärmebehandlung gemäß Schritt c) kann dabei im Vakuum oder in einer neutralen bzw. einer reduzierenden Atmosphäre durchgeführt werden. Auch ist es denkbar, dass die Wärmebehandlung und insbesondere das Sintern unter Luft und/oder Stickstoff und/oder Argon und/oder Wasserstoff erfolgen kann, da die Oberfläche der Pulverpartikel passiviert ist. Bevorzugt liegt die Prozesstemperatur und/oder die Sintertemperatur des Beschichtungsmaterials mindestens 50 K (Kelvin) und/oder 100 K und/oder 150 K und/oder 200 K und/oder 220 K unterhalb der Sintertemperatur des weichmagnetischen Materials.
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Ferner kann im Rahmen der Erfindung vorgesehen sein, dass gemäß Schritt c) eine für die Wärmebehandlung, insbesondere für ein Sintern, verwendete Prozesstemperatur und/oder ein für die Wärmebehandlung verwendeter Prozessdruck derart angepasst sind, dass eine Sinterung und/oder ein Schmelzen der Pulverpartikel vermieden wird, wobei die Prozesstemperatur insbesondere unterhalb der zum Sintern des weichmagnetischen Materials geeigneten Sintertemperatur liegt. Bevorzugt erfolgt die Wärmebehandlung, d. h. insbesondere das Sintern und/oder die Vitrifizierung, dabei derart, dass die verwendete Prozesstemperatur und der Prozessdruck gemeinsam die Sintertemperatur beeinflussen. Hierbei wird vorzugsweise der Pressling bzw. das Beschichtungsmaterial maximal auf eine Prozesstemperatur erhitzt, wobei bei diesem Vorgang der maximale Prozessdruck derart gewählt wird, dass ein Sintern und/oder ein Schmelzen der Pulverpartikel und/oder des weichmagnetischen Materials stets vermieden und/oder verhindert wird. Mit anderen Worten erfolgt die Wärmebehandlung vorzugsweise derart, dass ein Phasenübergang der Pulverpartikel stets vermieden wird. Hierdurch wird eine wesentliche Veränderung der Pulverpartikel (Kristallwachstum bzw. Kontaktschluss) verhindert, wodurch die Leistungsfähigkeit des Weichmagneten erhöht wird.
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Vorteilhafterweise kann bei der Erfindung vorgesehen sein, dass durch die Wärmebehandlung bei Schritt c) und/oder einer weiteren thermischen Behandlung des Beschichtungsmaterials vor und/oder nach Schritt c) das Beschichtungsmaterial zumindest teilweise in eine Matrix (d. h. ein Matrixmaterial) eines diamagnetischen und/oder paramagnetischen, insbesondere isolierenden Materials, überführt wird, insbesondere derart, dass die Matrix die Pulverpartikel einbettet. Hierdurch bildet sich eine Beschichtung aus dem Beschichtungsmaterial bzw. dem Matrixmaterial, welche die Pulverpartikel (d. h. insbesondere die überwiegende Zahl der Pulverpartikel des Pulvers) beispielsweise vollständig umgibt. Durch die Beschichtung wird die Korrosionsbeständigkeit des weichmagnetischen Materials erhöht. Weiter ergibt sich der Vorteil, dass die Beschichtung zu einer Passivierung der Partikeloberflächen der Pulverpartikel führt. Somit können Verunreinigungen, wie z. B. durch Kohlenstoff, Sauerstoff, Phosphor, die zu einer Verschlechterung der weichmagnetischen Eigenschaften führen, verhindert werden. Das Beschichten durch das Beschichtungsmaterial erfolgt insbesondere derart, dass sich eine nicht-leitende Barriere ausbildet, welche zu einer Isolierung der Pulverpartikel führt. Hierdurch lassen sich Wirbelströme deutlich reduzieren und die unerwünschte Erwärmung des weichmagnetischen Körpers bei höherfrequenten magnetischen Wechselfeldern verringern.
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Vorteilhafterweise kann bei der Erfindung vorgesehen sein, dass gemäß Schritt b) das Beschichten durch ein trockenes Abscheidungsverfahren, insbesondere durch ein chemisches und/oder physikalisches Gasabscheidungsverfahren erfolgt. So kann das Beschichten beispielsweise durch die chemische Gasphasenabscheidung (CVD, engl. chemical vapour deposition) oder die physikalische Gasphasenabscheidung (PVD, engl. physical vapour deposition) erfolgen. Hierbei wird als für die Abscheidungsverfahren insbesondere ein Edukt, z. B. das Ausgangsmaterial zur Erzeugung des Beschichtungsmaterials verwendet. Unter physikalischen Gasabscheidungsverfahren (d. h. PVD) werden dabei vakuumbasierte Beschichtungsverfahren verstanden, bei denen das Ausgangsmaterial in die Gasphase überführt wird und auf dem zu beschichtenden Substrat (d. h. den Pulverpartikeln) beispielsweise im Wege der Kondensation abgeschieden wird. Weiter können auch bei dem Beschichten Verdampfungsverfahren (wie thermisches Verdampfen, Laserstrahlverdampfen, Lichtbogenverdampfen, Elektronenstrahlverdampfen) und Sputtern (d. h. Sputterdeposition bzw. Kathodenzerstäubung) genutzt werden, wobei bei dem Sputtern das Ausgangsmaterial durch Ionenbeschuss zerstäubt wird. Durch die chemischen Gasabscheidungsverfahren (d. h. CVD) wird das Ausgangsmaterial durch verschiedene Techniken in die Gasphase überführt, wobei hier auch ggf. Elektronen- oder Ionenstrahlen zur Abscheidung genutzt werden. Bei der CVD erfolgt insbesondere das Abscheiden des Beschichtungsmaterials auf der Oberfläche des Substrats (aufgrund einer chemischen Reaktion der in der Gasphase vorliegenden Komponente) zu einer Feststoffkomponente. Das Ausgangsmaterial liegt somit in einer flüchtigen Form in der Gasphase vor und scheidet sich als eine weniger flüchtige Verbindung, beispielsweise elementar oder als Oxid, ab. Die trockenen Verfahren haben dabei den Vorteil, dass keine teuren Lösungsmittel benötigt werden und auch keine Maßnahmen zur Lösungsmittelentsorgung oder zur Lösungsmittelwiederaufreinigung erforderlich sind. Zudem entfallen energieintensive Trocknungsprozesse, sodass die beschriebenen Beschichtungsverfahren eine hohe Flexibilität hinsichtlich der einsetzbaren Beschichtungsmaterialien besitzen. Ferner können auch Nasstechniken, wie Sol-Gel-Verfahren zum Beschichten verwendet werden.
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Weiter ist es denkbar, dass eine einschichtige Beschichtung und/oder eine zweischichtige Beschichtung erfolgt. Die Beschichtung kann vorzugsweise zumindest eine oder eine zusätzliche Oxidschicht aufweisen und insbesondere durch das Oxidieren des Pulvers und anschließender Beschichtung durch Glas und/oder Keramik-Glas und/oder Keramik hergestellt werden. Hierdurch ergibt sich eine besonders vorteilhafte Ausgestaltung und Isolation der weichmagnetischen Pulverpartikel. Somit können die im Weichmagneten entstehenden Energieverluste aufgrund der elektrischen Isolationswirkung der Beschichtung in Verbindung mit den Einzelpartikeln reduziert werden, so dass kein Kurzschluss von einzelnen weichmagnetischen Teilchen entsteht.
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Vorteilhafterweise kann bei der Erfindung vorgesehen sein, dass das Beschichtungsmaterial insbesondere aus einem Ausgangsmaterial gewonnen wird und nach dem Beschichten das Beschichtungsmaterial, insbesondere in oxidischer und/oder feinpartikulärer Struktur, vorliegt, wobei vorzugsweise durch das Wärmebehandeln und/oder Sintern das Beschichtungsmaterial vitrifiziert wird. Die Vitrifizierung bezieht sich hierbei insbesondere auf das Festwerden einer Flüssigkeit durch Erhöhung der Viskosität, während sie abgekühlt wird. Hierbei bleibt eine Kristallisation aus und es entsteht ein amorphes Material. Zur Erzeugung der Beschichtung wird dabei insbesondere das Ausgangsmaterial als Edukt herangezogen. Aus dem Ausgangsmaterial wird beispielsweise das Beschichtungsmaterial und aus dem Beschichtungsmaterial das Matrixmaterial (Matrix) erzeugt. Die Materialien, insbesondere das Matrixmaterial, können vorzugsweise Glas, eine Glaskeramik und/oder eine Keramik aufweisen und/oder hieraus bestehen. Die für die Beschichtung verwendeten Materialien, d. h. das Beschichtungsmaterial und/oder das Ausgangsmaterial und/oder das Matrixmaterial, können weiter auch dia- oder paramagnetische Materialien aufweisen und/oder hieraus bestehen, insbesondere Glasmaterialien und/oder Glaskeramiken und/oder Keramiken und/oder Oxide und/oder Mischungen aus den genannten Materialien. Besonders bevorzugt kann das Matrixmaterial ein Glas und/oder eine Glaskeramik und/oder eine Keramik und/oder eine Kombination aus den genannten Materialien sein. Weiter weist das für die Beschichtung verwendete Material insbesondere SiO2 und/oder andere Metalloxide, insbesondere Al2O3, Na2O, K2O, MgO, CaO, B2O3, TiO2, PbO und/oder dergleichen auf und besonders bevorzugt Quarz und/oder Kronglas und/oder Kalk-Natron-Glas und/oder Floatglas und/oder Borosilikatglas. Dabei können die Materialien ggf. Mischungen verschiedener Oxide mit variablen SiO2-Anteilen aufweisen. Weiter können die Oxide im Glas nicht in Form separater niedermolekularer Moleküle, sondern als ausgedehnte Netzwerke vorliegen. So liegt z. B. das Siliziumoxid als Silikat in Form miteinander verketteter SiO4-Tetraeder vor. Glaskeramiken unterscheiden sich insbesondere von den Gläsern darin, dass neben glasigen Phasen auch polykristalline Phasen vorhanden sind. Keramische Materialien umfassen insbesondere mineralische Silikatmaterialien, d. h. wie die Gläser oder Glaskeramiken SiO2 bzw. SiO4 basierte Materialien wie Kaoline oder Tonmineralien und/oder oxidische Keramiken, die auf Aluminiumoxid, Berylliumoxid oder dergleichen beruhen. Weiter können die keramischen Materialien auch nicht-oxidische Materialien und/oder Carbide und/oder Nitride, wie Siliziumcarbid SiC, Borcarbid BC oder Bornitrid BN aufweisen. Auch sind Überscheidungen der chemischen Zusammensetzung der keramischen Materialien zu den Gläsern oder Glaskeramiken denkbar. Entscheidend ist hierbei, das Matrixmaterial derart zu wählen, dass es eine niedrigere Transformationstemperatur bzw. Schmelztemperatur aufweist als das weichmagnetische Material, damit es während Schritt c) nicht zu einer Sinterung oder Schmelzung des weichmagnetischen Materials kommt. Die Transformationstemperatur oder Schmelztemperatur kann beispielsweise mittels kalorimetrischer Verfahren (wie Differentialscanningkalorimetrie bzw. DCS) bestimmt werden. Bevorzugt wird die Transformationstemperatur und/oder Schmelztemperatur des Matrixmaterials mindestens 100 K und bevorzugt mindestens 200 K unterhalb der Schmelztemperatur des weichmagnetischen Materials gewählt. Für die Erzeugung der Gläser, Glaskeramiken und/oder Keramiken kommen in Abhängigkeit vom Beschichtungsverfahren beispielsweise Salze und/oder flüchtige Verbindungen wie Hydride zum Einsatz. Vorzugsweise werden dabei Vorläuferverbindungen zumindest eines der folgenden Elemente oder dergleichen eingesetzt: Si, Al, Na, K, Mg, Ca, B, P, Pb, Ti, Li, Be. Nach der Zersetzung entstehen dann aus diesen Verbindungen ggf. die entsprechenden elementaren Komponenten, die noch in der Gasphase oder nach der Abscheidung auf der Partikeloberfläche der Pulverpartikel zu den entsprechenden Oxiden reagieren. Diese liegen z. B. nach Schritt b) (d. h. nach der Beschichtung) in oxidischer Form bzw. in feinpartikulärer Struktur vor (d. h. als „weißer Ruß“). Insbesondere nach Schritt c) (d. h. nach der Sinterung bzw. Wärmebehandlung) entsteht dann aus den Oxiden das Glas-, Keramik- oder Glaskeramik-Material.
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In einer weiteren Möglichkeit kann vorgesehen sein, dass nach Schritt c) ein thermisches Nachbehandeln insbesondere durch heißisostatisches Pressen erfolgt. Weiter kann das heißisostatische Pressen alternativ oder zusätzlich auch gleichzeitig mit Schritt c) erfolgen. Der Pressling wird dabei beispielsweise im Verdichtungsraum der Anlage oder optional auch z. B. in einen deformierbaren Behälter gesetzt, welcher z. B. auf eine Wärmebehandlungstemperatur, die niedrig oder höher als die Sintertemperatur sein kann, erhitzt wird. Dabei wird der Pressling einem Druck bis zu 50 MPa und/oder 100 MPa und/oder 200 MPa und/oder 300 MPa ausgesetzt. Hierdurch kann das Gefügte des weichmagnetischen Körpers noch weiter verdichtet werden. Weiter kann beispielsweise auch eine Magnetfeldbehandlung und/oder eine thermische Behandlung erfolgen.
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Ebenfalls Gegenstand der Erfindung ist ein weichmagnetischer Körper, aufweisend:
- – Pulverpartikel, insbesondere Kerne, aus einem weichmagnetischen Material,
- – Beschichtung (insbesondere der Kerne) aus einem wärmebehandelten isolierenden Beschichtungsmaterial, wobei die Beschichtung die Pulverpartikel umgibt.
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Hierbei ist insbesondere vorgesehen, dass die Sintertemperatur des Beschichtungsmaterials geringer ist als die Sintertemperatur des weichmagnetischen Materials. Dabei wird der weichmagnetische Körper insbesondere derart durch das erfindungsgemäße Verfahren hergestellt, dass die Herstellung stets magnetfeldfrei erfolgt (also kein äußeres Magnetfeld genutzt wird). Der Kern weist hierbei vorzugsweise einen Durchmesser auf, welcher im Wesentlichen dem Durchmesser der Pulverpartikel bei Schritt a), d. h. vor der Wärmebehandlung entspricht, bevorzugt im Bereich von 0,5 µm bis 250 µm (abhängig vom Werkstoff und Einsatzzweck des Körpers). Damit bringt der erfindungsgemäße weichmagnetische Körper die gleichen Vorteile mit sich, wie sie ausführlich mit Bezug auf ein erfindungsgemäßes Verfahren beschrieben worden sind. Zudem kann der weichmagnetische Körper vorzugsweise durch ein erfindungsgemäßes Verfahren hergestellt werden.
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In einer weiteren Möglichkeit kann vorgesehen sein, dass eine Schichtdicke der Beschichtung im Bereich von 1 nm bis 10 µm, vorzugsweise im Bereich von 2 nm und 50 nm liegt. Hierdurch ergibt sich eine besonders vorteilhafte elektrische Isolierung und/oder Passivierung der Pulverpartikel, d. h. der Kerne, welche durch die Beschichtung umhüllt werden.
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Vorteilhafterweise entspricht der Durchmesser der Pulverpartikel vor dem Sintern gemäß Schritt c) im Wesentlichen dem Durchmesser der Pulverpartikel nach dem Sintern gemäß Schritt c) und/oder dem Durchmesser der Pulverpartikel des erfindungsgemäßen weichmagnetischen Körpers bzw. des erfindungsgemäßen Weichmagnets. Der Durchmesser bleibt insbesondere während des gesamten erfindungsgemäßen Verfahrens im Wesentlichen konstant, ggf. mit einer gewissen Verteilung (bzw. Toleranz). Dabei werden die Schichtdicken und Durchmesser bevorzugt derart aufeinander abgestimmt, dass eine ausreichende elektrische Isolierung und Passivierung der Pulverpartikel gewährleistet ist, wobei die Schichtdicken klein genug sein müssen, um die Magnetfelddichte des Weichmagneten nicht zu sehr zu beschränken.
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Ebenfalls Gegenstand der Erfindung ist ein Weichmagnet. Hierbei kann vorgesehen sein, dass der Weichmagnet einen erfindungsgemäßen weichmagnetischen Körper aufweist und/oder durch ein erfindungsgemäßes Verfahren hergestellt wird. Der Weichmagnet kann dabei ggf. durch weitere Nachbehandlungsschritte und/oder durch ein spannendes Fertigungsverfahren (wie Trennen und Schleifen) hergestellt werden. Damit bringt der erfindungsgemäße Weichmagnet die gleichen Vorteile mit sich, wie sie ausführlich mit Bezug auf ein erfindungsgemäßes Verfahren und/oder einen erfindungsgemäßen weichmagnetischen Körper beschrieben worden sind.
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Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, in der unter Bezugnahme auf die Zeichnungen Ausführungsbeispiele der Erfindung im Einzelnen beschrieben sind. Dabei können die in den Ansprüchen und in der Beschreibung erwähnten Merkmale jeweils einzeln für sich oder in beliebiger Kombination erfindungswesentlich sein. Es zeigen:
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1 eine schematische Darstellung eines unbeschichteten, weichmagnetischen Pulvers in Kugelform mit Angabe des Partikeldurchmessers,
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2 eine schematische Darstellung eines unbeschichteten, weichmagnetischen Pulvers in irregulärer Form,
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3 eine schematische Darstellung eines beschichteten weichmagnetischen Pulvers mit Angabe der Schichtdicke,
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4 eine schematische Darstellung eines beschichteten weichmagnetischen Pulvers in irregulärer Form,
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5 eine schematische Darstellung eines Pressling aus einem regulären, kugeligen und beschichteten Pulver,
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6 eine schematische Darstellung eines Presslings aus einem irregulären, beschichteten Pulver,
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7 eine schematische Darstellung eines wärmebehandelten beschichteten Pulvers,
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8 eine schematische Darstellung eines wärmebehandelten, irregulären, beschichteten Pulvers
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9 eine schematische Darstellung zur Visualisierung von Verfahrensschritten eines erfindungsgemäßen Verfahrens,
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10 eine schematische Darstellung von Ausführungsbeispielen eines erfindungsgemäßen weichmagnetischen Körpers und erfindungsgemäßen Weichmagneten.
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Wie in den 1 und 2 gezeigt ist, kann ein weichmagnetisches Pulver 20 eine Vielzahl Pulverpartikel 21 aufweisen, welche beispielsweise als Kugel und/oder Rotationsellipsoid und/oder irregulär mit einer beliebigen Form (2) ausgebildet sind. Die Pulverpartikel 21 weisen dabei jeweils einen Durchmesser P von im Wesentlichen 1 µm bis 250 µm auf. Insbesondere ist es denkbar, dass die Durchmesser P der einzelnen Pulverpartikel 21 maximal in diesem genannten Bereich und/oder in einem Bereich von maximal 0,1 µm bis 50 µm variieren. Die Pulverpartikel 21 weisen dabei ein weichmagnetisches Material 22 auf, welches z. B. einen kristallinen weichmagnetischen Werkstoff wie Weicheisen oder Kohlenstoffstähle aufweisen kann. Die in den 1 und 2 gezeigten Pulverpartikel 21 entsprechen dabei unbeschichteten Pulverpartikeln 21, sodass es sich hierbei um ein unbeschichtetes Pulver 20a handelt.
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In den 3 und 4 ist dagegen ein beschichtetes Pulver 20b dargestellt, welches ein Beschichtungsmaterial 31 aufweist. Das Beschichtungsmaterial 31 umgibt dabei als Beschichtung 30 die Pulverpartikel 21 (bzw. Kerne), wobei die Beschichtung 30 eine Schichtdicke D von mindestens 1 nm und/oder maximal 10 nm und/oder maximal 1 µm und/oder maximal 10 µm mit einer Toleranz von maximal 1 nm und/oder 10 nm aufweist. Es ist dabei deutlich erkennbar, dass aufgrund der Beschichtung 30 die Pulverpartikel 21 voneinander (elektrisch) isoliert werden, wodurch Wirbelstromverluste deutlich reduziert werden können.
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Die 5 und 6 zeigen schematisch jeweils einen Pressling 40, welcher das beschichtete Pulver 20b aufweist. Der Pressling ist dabei beispielsweise durch Formen und insbesondere Pressen entstanden, um eine gewünschte Form zu erhalten. Das Formen bzw. Pressen kann dabei auch gleichzeitig zu einer Wärmebehandlung des Presslings erfolgen. Durch die Wärmebehandlung, insbesondere durch ein Sintern des beschichteten Pulvers 20b bzw. der Beschichtung 30 wird insbesondere eine Vitrifizierung des Beschichtungsmaterials 31 bewirkt.
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In den 7 und 8 ist ein erfindungsgemäßer weichmagnetischer Körper 10 gezeigt (quasi ein Auschnitt nach dem Sintern), welcher durch das erfindungsgemäße Verfahren 100 entstanden ist. Durch die Wärmebehandlung bzw. Sinterung gemäß Schritt c) wurde beispielsweise das Beschichtungsmaterial 31 in ein Matrixmaterial bzw. eine Matrix 32 überführt. Erfindungsgemäß ist hierbei kein wesentliches Kornwachstum erfolgt, da die Prozesstemperatur bei der Wärmebehandlung unterhalb einer Sintertemperatur des weichmagnetischen Material 22 liegt. Die Pulverpartikel 21 sind hierbei durch eine amorphe Phase voneinander isoliert worden, wobei ein Kontaktschluss zwischen Pulverteilchen ausgeschlossen ist.
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In 9 sind schematisch Verfahrensschritte eines erfindungsgemäßen Verfahrens 100 visualisiert. Dabei erfolgt gemäß dem Verfahrensschritt 100.1 eine Bereitstellung eines weichmagnetischen Pulvers 20. Das weichmagnetische Pulver 20 weist dabei Pulverpartikel 21 aus einem weichmagnetischen Material 22 auf. Gemäß dem Verfahrensschritt 100.6 wird das weichmagnetische Pulver 20 dabei aus kristallinen, weichmagnetischen Werkstoffen, hergestellt. Anschließend erfolgt gemäß dem Verfahrensschritt 100.2 ein Beschichten der Pulverpartikel 21 mit einem Beschichtungsmaterial 31. Hierfür wird gemäß Verfahrensschritt 100.7 ein Beschichtungsmaterial 31 und/oder ein Ausgangsmaterial hergestellt und/oder bereitgestellt. Optional kann anschließend im Verfahrensschritt 100.3 ein Pressen des beschichteten Pulvers 20b zu einem Pressling 40 erfolgen. Im Verfahrensschritt 100.4 wird sodann das beschichtete Pulver 20b bzw. der Pressling 40 wärmebehandelt bzw. gesintert, wobei die zum Wärmebehandeln genutzte Prozesstemperatur unterhalb einer Sintertemperatur des weichmagnetischen Materials 22 liegt. Die Wärmebehandlung erfolgt insbesondere derart, dass ein Kristallwachstum der Pulverpartikel 21 vermieden wird. Die Beschichtung 30 gewährleistet hierbei, dass benachbarte Pulverpartikel 21 nicht zusammenwachsen können. Anschließend erfolgt optional gemäß Verfahrensschritt 100.5 eine Nachbehandlung, z. B. ein heißisostatisches Pressen.
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In 10 ist ein weichmagnetischer Körper 10 bzw. ein Weichmagnet 11 gezeigt, welcher beispielsweise für Elektromotoren verwendet werden kann. Die gewünschte Form kann beispielsweise durch das Formen und/oder die Nachbehandlung erzielt werden, welche z. B. beim Sintern oder im Anschluss an das Sintern erfolgen kann. Der erfindungsgemäße weichmagnetische Körper 10 und/oder der erfindungsgemäße Weichmagnet 11 kann je nach Anwendungszweck dabei beliebige Formen aufweisen und ist somit nicht auf die dargestellten Formen beschränkt.
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Die voranstehende Erläuterung der Ausführungsformen beschreibt die vorliegende Erfindung ausschließlich im Rahmen von Beispielen. Selbstverständlich können einzelne Merkmale der Ausführungsformen, sofern technisch sinnvoll, frei miteinander kombiniert werden, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- weichmagnetischer Körper
- 11
- Weichmagnet
- 20
- weichmagnetisches Pulver
- 20a
- unbeschichtetes Pulver
- 20b
- beschichtetes Pulver
- 21
- Pulverpartikel
- 22
- weichmagnetisches Material
- 30
- Beschichtung
- 31
- Beschichtungsmaterial
- 32
- Matrix
- 40
- Pressling
- 100
- Verfahren
- 100.1
- erster Verfahrensschritt
- 100.2
- zweiter Verfahrensschritt
- 100.3
- dritter Verfahrensschritt
- 100.4
- vierter Verfahrensschritt
- 100.5
- fünfter Verfahrensschritt
- 100.6
- sechster Verfahrensschritt
- 100.7
- siebter Verfahrensschritt
- D
- Schichtdicke
- P
- Partikeldurchmesser
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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