DE102015218440A1

DE102015218440A1 - Teil aus einem Sinterwerkstoff und Verfahren zu seiner Herstellung

Info

Publication number: DE102015218440A1
Application number: DE102015218440.4A
Authority: DE
Inventors: Tobias Schaefter; Witold Pieper; Jens Burghaus
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2015-09-25
Filing date: 2015-09-25
Publication date: 2017-03-30
Also published as: JP2018535312A; SE1850434A1; JP6611924B2; KR20180057626A; WO2017050572A1; CN108026615A

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Teils aus einem Sinterwerkstoff und das mittels dieses Verfahrens herstellbare Teil. Die Herstellung erfolgt mittels Sinterns eines Pulvergemisches. Dieses enthält ein erstes Sinterpulver (1) und ein zweites Sinterpulver (2). Das erste Sinterpulver enthält entweder 16–99,97 Gew.-% Eisen, 0–7 Gew.-% Silizium, 0–20 Gew.-% Chrom und 0–50 Gew.-% Cobalt, Weiterhin enthält das erste Sinterpulver (1) 0,03–2,00 Gew.-% Kohlenstoff und 0–5 Gew.-% weitere Elemente. Das zweite Sinterpulver enthält 0–90 Gew.-% Eisen, 0–90 Gew.-% Silizium, 0–100 Gew.-% Chrom, 0–100 Gew.-% Phosphor, 0–100 Gew.-% Molybdän, 0–100 Gew.-% Wolfram, 0–100 Gew.-% Titan, 0–100 Gew.-% Nickel, 0–100 Gew.-% Cobalt, 0–100 Gew.-% Schwefel, 0–100 Gew.-% Kohlenstoff und 0–5 Gew.-% weitere Elemente. Die Summe der Bestandteile im ersten Sinterpulver (1) und im zweiten Sinterpulver (2) beträgt jeweils 100 Gew.-%.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Teils mittels Sintern. Weiterhin betrifft sie ein Teil, das mittels des Verfahrens herstellbar ist. Das Teil weist insbesondere niedrige Ummagnetisierungsverluste auf.
Stand der Technik
Pulvermetallurgische Teile aus Reineisenwerkstoffen und Eisencobaltwerkstoffen zeigen in einer Vielzahl von Anwendungen erhöhte statische und dynamische magnetische Verluste. Für Anwendungen in der Aktorik, beispielsweise als Ankerwerkstoffe, in einem Sensor und in elektrischen Maschinen, beispielsweise als Stator und / oder Rotor, werden geringe Ummagnetisierungsverluste und weichmagnetische Eigenschaften der Teile, d. h. eine Koerzitivfeldstärke H_c von weniger als 20 A/cm gefordert. Solche Eigenschaften können erreicht werden, indem in einem Sinterverfahren zur Herstellung der Werkstoffe kohlenstoffarme Eisen- oder Eisencobaltpulver als Ausgangsmaterialen verwendet werden.
Offenbarung der Erfindung
In dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Herstellung eines Teils werden ein erstes Sinterpulver und ein zweites Sinterpulver verwendet. Bei dem ersten Sinterpulver handelt es sich um ein Eisenpulver, das 49–99,97 Gew.-% Eisen, 0–7 Gew.-% Silizium, 0–20 Gew.-% Chrom, 0–50 Gew.-% Cobalt und 0,03–2,00 Gew.-% Kohlenstoff, bevorzugt 0,06 – 1,00 Gew.-% Kohlenstoff, besonders bevorzugt 0,06–0,4 Gew.-% Kohlenstoff enthält. Es handelt sich also um ein kostengünstiges kohlenstoffreiches Sinterpulver. Schließlich kann das erste Sinterpulver 0–5 Gew.-% weitere Elemente enthalten. Die weiteren Elemente sind insbesondere aus der Gruppe ausgewählt, die aus Mangan, Molybdän, Wolfram, Vanadium, Schwefel und Phosphor besteht, also solchen Elementen, die typischerweise mit Eisen vergesellschaftet auftreten. Die Summe der Bestandteile im ersten Sinterpulver beträgt 100 Gew.-%.
Das zweite Sinterpulver enthält 0–90 Gew.-% Eisen, 0–90 Gew.-% Silizium, 0–100 Gew.-% Chrom, 0–100 Gew.-% Phosphor, 0–100 Gew.-% Molybdän, 0–100 Gew.-% Wolfram, 0–100 Gew.-% Titan, 0–100 Gew.-% Schwefel, 0–100 Gew.-% Cobalt, 0–100 Gew.-% Nickel, 0–100 Gew.-% Kohlenstoff und 0–5 Gew.-% weitere Elemente, wobei die weiteren Elemente insbesondere aus derselben Gruppe ausgewählt sind, wie die weiteren Elemente des ersten Sinterpulvers. Bevorzugt enthält es 0 –90 Gew.-% Eisen, 0–90 Gew.-% Silizium, 0–100 Gew.-% Chrom, 0–20 Gew.-% Phosphor und 0–5 Gew.-% weitere Elemente. Die Summe der Bestandteile im zweiten Sinterpulver beträgt 100 Gew.-%. Um bei einem Sintern des Pulvergemisches ein Eindiffundieren der Elemente des zweiten Sinterpulvers in das erste Sinterpulver zu erleichtern, ist es bevorzugt, dass das zweite Sinterpulver bevorzugt eine eutektische Zusammensetzung aufweist oder mit Bestandteilen des ersten Sinterpulvers intermediär eine Legierung bildet, deren Schmelzpunkt maximal 1300°C beträgt.
Es ist beim Sintern des Pulvergemisches wünschenswert, dass das zweite Sinterpulver homogen mit dem ersten Sinterpulver vermengt ist. Hierzu ist es bevorzugt, dass die zahlenmittlere Partikelgröße des ersten Sinterpulvers größer als die zahlenmittlere Partikelgröße des zweiten Sinterpulvers ist. Hierzu weist das erste Sinterpulver vorzugsweise eine zahlenmittlere Partikelgröße im Bereich von 10–500 µm auf und das zweite Sinterpulver weist eine zahlenmittlere Partikelgröße im Bereich von bevorzugt 1–400 µm, besonders bevorzugt 1–200 µm auf.
Das Teil aus einem Sinterwerkstoff kann durch Sintern des Pulvergemisches hergestellt werden. Bei der erhöhten Temperatur des Sinterprozesses diffundieren die Elemente des zweiten Sinterpulvers mit denen des ersten Sinterpulvers ineinander.
Zudem wird aber auch die Löslichkeit von Kohlenstoff im Material des ersten oder zweiten Sinterpulvers herabgesetzt. Der im Sinterpulver gelöste Kohlenstoff wandert daher an dessen Korngrenze oder an bereits im Sinterpulver ausgebildete Karbide und scheidet sich beispielsweise als Zementit ab, welches im Werkstoff beispielsweise teilweise als Perlit auftritt. Alternativ kann auch Kohlenstoff bzw. ein kohlenstoffhaltiges Pulver als zweites Sinterpulver verwendet werden. Auf diese Weise kann der Kohlenstoff über das zweite Sinterpulver zusätzlich eingebracht werden, wird in einem Wärmebehandlungsprozess in eine Karbidmikrostruktur umgelagert und erhöht den elektrischen Widerstand massiv was zu einer Verbesserung der Ummagnetisierungsverluste führt. Um diesen Effekt gleichmäßig über den gesamten erhaltenen, Sinterwerkstoff zu erzielen, ist es bevorzugt, dass das erste Sinterpulver und das zweite Sinterpulver vor dem Sintern homogen in dem Pulvergemisch verteilt werden, so dass die Elemente der Sinterpulver gleichmäßig ineinanderdiffundieren, um im gesamten ersten Sinterpulver eine ähnliche Ausscheidung von Kohlenstoff hervorzurufen. Entscheidend ist, dass keine regellose Verteilung der Karbide eintritt, die als Hindernisse für Domänenwandbewegungen bei der Ummagnetisierung die Koerzitivfeldstärke gelten. Es bildet sich ein mehr oder minder geordnetes Karbidnetzwerk, bevorzugt an den Korngrenzen, aus. Der Bulk der Eisenpartikel selbst bleibt großteilig karbidfrei.
Das Sintern erfolgt vorzugsweise bei einer Temperatur oberhalb der Schmelztemperatur des zweiten Sinterpulvers bzw. der aus den Elementen des ersten und des zweiten Sinterpulvers entstehender Legierung (Transientes Flüssigphasensintern). Auf diese Weise findet bevorzugt eine Benetzung der Partikel des ersten Sinterpulvers mit geschmolzenem zweitem Sinterpulver statt, was die Diffusion der Elemente des zweiten Sinterpulvers und des erste Sinterpulvers ineinander erleichtert und die Dichte des entstehenden Bauteils erhöht.
Das auf diese Weise erhältliche Teil besteht aus einem Sinterwerkstoff der eine Mikrostrukturierung mit einem geordneten Karbidnetzwerk aufgrund des ausgeschiedenen Kohlenstoffs aufweist. Die Karbidmikrostruktur ist insbesondere eine Zementitstruktur, die beispielsweise teilweise als Perlit-Gefüge vorliegt.
Gegenüber einem Teil, das in einem Sinterverfahren nur aus dem ersten Sinterpulver hergestellt wurde, weist das erfindungsgemäße Teil insbesondere eine Reduzierung seiner Ummagnetisierungsverluste von mindestens 10 % mindestens im Bereich 20–90% der Materialsättigung und einer Frequenz von 100–1000 Hz auf. Weiterhin weist das Teil insbesondere weichmagnetische Eigenschaften auf.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
1 zeigt schematisch das Eindiffundieren von zwei Sinterpulvern ineinander in einem Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens.
2 zeigt schematisch Partikel eines Sinterpulvers, welche in einem Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens durch Ineinanderdiffundieren zweier Sinterpulver entstanden sind.
3 zeigt schematisch einen Ausschnitt aus einem Teil gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.
Ausführungsbeispiele der Erfindung
In einem Ausführungsbeispiel der Erfindung wird zunächst ein Pulvergemisch hergestellt, indem 90 g eines ersten Sinterpulvers 1 mit 10 g eines zweiten Sinterpulvers 2 vermischt werden. Bei dem ersten Sinterpulver 1 handelt es sich um einen Eisenbasiswerkstoff, der 99 Gew.-% Eisen und 0,06 Gew.-% Kohlenstoff und weitere Verunreinigungen aus den typischerweise mit Eisen vergesellschafteten Elementen, wie beispielsweise Mangan, Molybdän, Wolfram, Vanadium, Schwefel und Phosphor in einem Anteil < 1 Gew. % enthält. Er weist eine zahlenmittlere Partikelgröße von 250 µm auf. Bei dem zweiten Sinterpulver 2 handelt es sich um ein Pulver, das aus 80 Gew.-% Eisen und 20 Gew.-% Silizium besteht. Es weist einen Schmelzpunkt von 1.172°C und eine mittlere Partikelgröße von 73 µm auf. Dem Pulvergemisch wird ein Schmiermittel beigefügt. Anschließend wird es homogen vermischt und zu einem Grünkörper verpresst. Schließlich erfolgt eine Wärmebehandlung in inerter Stickstoffatmosphäre in einem Ofen bei einer Temperatur von 1.200°C. Nach einer Stunde wird das erhaltene Teil abgekühlt und auf diese Weise ein Teil aus einem weichmagnetischen Sinterwerkstoff mit reduzierten Ummagnetisierungsverlusten erhalten.
Wie in 1 dargestellt ist, diffundieren während des Sintervorgangs die Elemente des zweiten Sinterpulvers 2 und des ersten Sinterpulvers 1 ineinander. Das erste Sinterpulver 1 enthält zunächst noch einen hohen Anteil an Kohlenstoff C, der im Eisen Fe gelöst ist. Wenn sich das Silizium Si des zweiten Sinterpulvers 2 in dem Eisen löst, wird dabei die Löslichkeit des Kohlenstoffs herabgesetzt und dieser wandert an die Korngrenzen des ersten Sinterpulvers 1. Hierdurch werden die in 2 dargestellten Partikel eines modifizierten Sinterpulvers 3 erhalten, aus dem ein großer Anteil des Kohlenstoffs als Zementit ausgeschieden wird, das im Gefüge auch als Perlit nachgewiesen werden kann. Diese Partikel verbinden sich im weiteren Sinterprozess zu dem in 3 dargestellten weichmagnetischen Sinterwerkstoff 4.
In einem Vergleichsbeispiel wird nur dem ersten Sinterpulver aus dem Ausführungsbeispiel der Erfindung ein Schmiermittel beigefügt. Anschließend wird es homogen vermischt und zu einem Grünkörper verpresst. Schließlich erfolgt eine Wärmebehandlung in inerter Stickstoffatmosphäre in einem Ofen bei einer Temperatur von 1.200°C. Nach einer Stunde wird das erhaltene Teil abgekühlt und auf diese Weise ein Vergleichsteil erhalten.
Die Ummagnetisierungsverluste des Teils gemäß dem Ausführungsbeispiel der Erfindung sind gegenüber dem Vergleichsteil im Bereich 20–90% der Materialsättigung und bei einer Frequenz von 100–1000 Hz um mindestens 10 % reduziert.

Claims

Verfahren zur Herstellung eines Teils aus einem Sinterwerkstoff (4) für die Anwendung in einem Aktor, einem weichmagnetischen Rotor oder Stator einer elektrischen Maschine oder einem Sensor, worin das Teil durch Sintern eines Pulvergemischs aus einem ersten Sinterpulver (1) und einem zweiten Sinterpulver (2) erhalten wird, wobei – das erste Sinterpulver (1) die folgende Zusammensetzung aufweist: 49–99,97 Gew.-% Eisen, 0,03–2,00 Gew.-% Kohlenstoff, 0–7 Gew.-% Silizium, 0–20 Gew.-% Chrom, 0–50 Gew.-% Cobalt, 0–5 Gew.-% weitere Elemente, wobei die Summe der Bestandteile 100 Gew.-% beträgt, und – das zweite Sinterpulver (2) die folgende Zusammensetzung aufweist: 0–90 Gew.-% Eisen, 0–90 Gew.-% Silizium, 0–100 Gew.-% Chrom, 0–100 Gew.-% Phosphor 0–100 Gew.-% Molybdän 0–100 Gew.-% Wolfram 0–100 Gew.-% Titan 0–100 Gew.-% Nickel 0–100 Gew.-% Cobalt 0–100 Gew.-% Schwefel 0–100 Gew.-% Kohlenstoff 0–5 Gew.-% weitere Elemente, wobei die Summe der Bestandteile 100 Gew.-% beträgt.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die zahlenmittlere Partikelgröße des ersten Sinterpulvers (1) größer als die zahlenmittlere Partikelgröße (2) des zweiten Sinterpulvers ist.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Sinterpulver (1) eine zahlenmittlere Partikelgröße im Bereich von 10–500 µm aufweist und das zweite Sinterpulver (2) eine zahlenmittlere Partikelgröße im Bereich von 1–400 µm aufweist.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Sinterpulver (2) eine zahlenmittlere Partikelgröße im Bereich von 1–200 µm aufweist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Sinterpulver (1) mindestens 0,06 Gew.-% Kohlenstoff enthält.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Sinterpulver (2) die folgende Zusammensetzung aufweist: 0–90 Gew.-% Eisen, 0–90 Gew.-% Silizium, 0–100 Gew.-% Chrom, 0–20 Gew.-% Phosphor 0–5 Gew.-% weitere Elemente, wobei die Summe der Bestandteile 100 Gew.-% beträgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Sinterpulver (2) mit den Bestandteilen des ersten Sinterpulvers intermediär eine Legierung bildet, deren Schmelzpunkt maximal 1300 °C beträgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Sinterpulver (1) und das zweite Sinterpulver (2) vor dem Sintern homogen in dem Pulvergemisch verteilt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Sintern bei einer Temperatur oberhalb der Schmelztemperatur des zweiten Sinterpulvers (2) erfolgt.
Teil, herstellbar nach einem Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9.
Teil nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass es eine Karbidmikrostruktur mit einem geordneten Karbidnetzwerk aufweist.
Teil nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Karbidmikrostruktur eine Zementitstruktur ist.
Teil nach Anspruch 12 dadurch gekennzeichnet, dass die Zementitstruktur teilweise als Perlit-Gefüge vorliegt.
Teil nach einem der Ansprüche 10 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass es gegenüber einem Teil, das in einem Sinterverfahren nur aus dem ersten Sinterpulver (1) hergestellt wurde, eine Reduzierung seiner Ummagnetisierungsverluste von mindestens 10 % mindestens im Bereich 20–90% der Materialsättigung und einer Frequenz von 100–1000 Hz aufweist.