DE102016202154A1

DE102016202154A1 - Sinterwerkstoff und Verfahren zu seiner Herstellung

Info

Publication number: DE102016202154A1
Application number: DE102016202154.0A
Authority: DE
Inventors: Jens Burghaus
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2016-02-12
Filing date: 2016-02-12
Publication date: 2017-08-17

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Sinterwerkstoffs, den mittels dieses Verfahrens herstellbaren Sinterwerkstoff sowie ein aus dem Sinterwerkstoff herstellbares Teil. Die Herstellung des Sinterwerkstoffs erfolgt mittels Sinterns eines Pulvergemisches. Dieses enthält ein erstes Sinterpulver (1) und ein zweites Sinterpulver (2). Das erste Sinterpulver enthält 49–99,97 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, 0–100 Gew.-% Vanadium, 0–100 Gew.-% Mangan, 0–100 Gew.-% Bor, 0–100 Gew.-% Tellur, 0–90 Gew.-% Arsen, 0–90 Gew.-% Magnesium 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 Sinterwerkstoffs. Weiterhin betrifft sie den Sinterwerkstoff, der mittels des Verfahrens herstellbar ist und ein Teil, das aus dem Sinterwerkstoff besteht.
Stand der Technik
Von Werkstoffen, die in der Aktorik eingesetzt werden sollen, beispielsweise als Ankerwerkstoffe, sowie für Anwendungen in einem Sensor und in elektrischen Maschinen, beispielsweise als Stator und/oder Rotor, werden ein hoher elektrischer Widerstand und damit einhergehende geringe Ummagnetisierungsverluste bzw. Wirbelstromverluste sowie weichmagnetische Eigenschaften der Werkstoffe gefordert. Unter weichmagnetischen Eigenschaften wird hierbei eine Koerzitivfeldstärke H_c von weniger als 20 A/cm verstanden. Diese beiden Eigenschaften stehen in einer Metalllegierung im Widerspruch zueinander. Eine Realisierung beider geforderter Eigenschaften im selben Werkstoff kann für Verbundwerkstoffe erreicht werden, in denen Eisenpartikel durch eine elektrische Isolationsschicht voneinander getrennt sind. Zusätzlich wird allerdings auch eine hohe Festigkeit und Abrasionsbeständigkeit der Werkstoffe gefordert.
Offenbarung der Erfindung
In dem Verfahren zur Herstellung eines Sinterwerkstoffs 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 mehr als 0,06 bis 2,00 Gew.-% Kohlenstoff, besonders bevorzugt mehr als 0,06 bis 1,00 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, 0–100 Gew.-% Vanadium, 0–100 Gew.-% Mangan, 0–100 Gew.-% Bor, 0–100 Gew.-% Tellur, 0–90 Gew.-% Arsen, 0–90 Gew.-% Magnesium und 0–5 Gew.-% weitere Elemente, wobei die weiteren Elemente insbesondere aus Molybdän, Wolfram, Schwefel und Phosphor ausgewählt sind. Bevorzugt enthält es 0–90 Gew.-% Eisen, 0–100 Gew.-% Vanadium, 0–100 Gew.-% Mangan, 0–100 Gew.-% Bor, 0–90 Gew.-% Magnesium und 0–5 Gew.-% weitere Elemente. Besonders bevorzugt enthält es mindestens 10 Gew.-% Vanadium. Die Summe der Bestandteile im zweiten Sinterpulver beträgt 100 Gew.-%. Während Vanadium, Mangan, Bor und Tellur sowohl als Reineelemente als auch als Legierungen eingesetzt werden können, ist es vorgesehen Arsen und Magnesium nur als Legierung zu verwenden. Dabei sind insbesondere Legierungen vorgesehen, die neben dem Arsen oder Magnesium als Legierungselement Eisen enthalten.
Die Masse der von Eisen verschiedenen Elemente beträgt im zweiten Sinterpulver insbesondere maximal 22 % der Masse des ersten Sinterpulvers. Die Masse des Eisens im zweiten Sinterpulver bleibt unberücksichtigt, da dieses nur als Legierungselement für die weiteren Elemente des zweiten Sinterpulvers dient und diesen als Karbidbildner deutlich unterlegen ist.
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 eine eutektische Zusammensetzung aufweist oder mit Bestandteilen des ersten Sinterpulvers intermediär eine Legierung bildet, deren Schmelzpunkt maximal 1.350°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.
Alternativ kann ein Bauteil über einen Metallpulverspritzguss hergestellt werden. Dabei wird aus dem Ausgangspulver unter Zugabe eines Binders ein Feedstock hergestellt werden. Nach Entbinderung des Grünteils und anschließender Sinterung ergibt sich ein Bauteil aus dem Sinterwerkstoff mit der beschriebenen Karbid-Mikrostrukturierung.
Der 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 als Karbid ab. 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. Um die weichmagnetischen Eigenschaften zu erhalten bleibt der Bulk der Eisenpartikel selbst großteilig karbidfrei.
Das Sintern erfolgt vorzugsweise bei einer Temperatur oberhalb der Schmelztemperatur einer aus den Elementen des ersten und des zweiten Sinterpulvers entstehender Legierung, so dass ein transientes Flüssigphasensintern ermöglicht wird. Auf diese Weise findet bevorzugt eine Benetzung der Partikel des ersten Sinterpulvers mit einer geschmolzenen Legierung aus dem ersten und dem zweiten Sinterpulver statt, was die Diffusion der Elemente des zweiten Sinterpulvers und des erste Sinterpulvers ineinander erleichtert und die Dichte des entstehenden Bauteils erhöht.
Der auf diese Weise erhältliche Sinterwerkstoff weist eine Mikrostrukturierung mit einem geordneten Karbidnetzwerk aufgrund des ausgeschiedenen Kohlenstoffs aufweist. Die Karbide sind dabei insbesondere Karbide der von Eisen verschiedenen Elemente des zweiten Sinterpulvers. Ein solcher Sinterwerkstoff weist eine hohe Festigkeit auf, da die Karbidmikrostruktur einer festen Versinterung der enthaltenen Metalle nicht entgegensteht. Außerdem ist er abrasionsbeständig, weil die Karbide deutlich härter sind als das Material des ersten Sinterpulvers.
Aus dem Sinterwerkstoff kann ein Teil für die Anwendung in einem Aktor, einem weichmagnetischen Rotor oder Stator einer elektrischen Maschine oder einem Sensor hergestellt werden. Gegenüber einem Teil, dessen Sinterwerkstoff in einem Sinterverfahren nur aus dem ersten Sinterpulver hergestellt wurde, weist dieses Teil insbesondere eine Reduzierung seiner Ummagnetisierungsverluste von mindestens 10 % mindestens im Bereich von 20–90% der Materialsättigung und im Bereich einer Frequenz von 100–1.000 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 Sinterwerkstoff gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.
Ausführungsbeispiele der Erfindung
In einem Ausführungsbeispiel der Erfindung wird zunächst ein Pulvergemisch hergestellt, indem 80 g eines ersten Sinterpulvers 1 mit 80 g eines zweiten Sinterpulvers 2 vermischt werden. Bei dem ersten Sinterpulver 1 handelt es sich um einen Eisenbasiswerkstoff, der 88,9 Gew.-% Eisen, 2 Gew.-% Silizium, 8 Gew.-% Chrom und 1,1 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 150 µm auf. Bei dem zweiten Sinterpulver 2 handelt es sich um ein Pulver, das aus Vanadium besteht. Es weist einen Schmelzpunkt von 1.890°C und eine mittlere Partikelgröße von 20 µm auf. Dem Pulvergemisch wird ein Schmiermittel beigefügt. Anschließend wird es homogen vermischt und zu einem Grünkörper verpresst. Schließlich erfolgt eine Wärmebehandlung unter Vakuum in einem Ofen bei einer Temperatur von 1.260 °C. Nach einer halben Stunde wird der erhaltene Sinterwerkstoff abgekühlt und auf diese Weise ein Teil aus einem weichmagnetischen Sinterwerkstoff mit reduzierten Ummagnetisierungsverlusten erhalten. Der Sinterwerkstoff weist eine Dichte von 7,7 g/cm³ auf.
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 Vanadium V 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 Vanadiumcarbid VC ausgeschieden wird. 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 1.260 °C. Nach einer Stunde wird das erhaltene Teil aus einem Sinterwerkstoff 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 Sinterwerkstoffs (4), welches 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, 0–100 Gew. % Vanadium 0–100 Gew.-% Mangan 0–100 Gew.-% Bor 0–100 Gew.-% Tellur 0–90 Gew.-% Arsen 0–90 Gew.-% Magnesium 0–5 Gew.-% weitere Elemente, wobei die Summe der Bestandteile 100 Gew.-% beträgt.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Sinterpulver (1) mehr als 0,06 Gew.-% Kohlenstoff enthält.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Masse der von Eisen verschiedenen Elemente im zweiten Sinterpulver maximal 22 % der Masse des ersten Sinterpulvers beträgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die zahlenmittlere Partikelgröße des ersten Sinterpulvers (1) größer als die zahlenmittlere Partikelgröße (2) des zweiten Sinterpulvers ist.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Sintern bei einer Temperatur oberhalb der Schmelztemperatur der intermediär gebildeten Legierung erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Sinterpulver (1) und das zweite Sinterpulver (2) vor dem Sintern homogen in dem Pulvergemisch verteilt werden.
Sinterwerkstoff, herstellbar nach einem Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6.
Sinterwerkstoff nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass er eine Karbidmikrostruktur aufweist, welche Karbide mindestens eines Elements enthält, dass ausgewählt ist aus der Gruppe, bestehend aus Vanadium, Mangan, Bor, Tellur, Arsen und Magnesium.
Teil für die Anwendung in einem Aktor, einem weichmagnetischen Rotor oder Stator einer elektrischen Maschine oder einem Sensor, bestehend aus einem Sinterwerkstoff nach Anspruch 7 oder 8.
Teil nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass es gegenüber einem anderen Teil, dessen Sinterwerkstoff in einem Sinterverfahren nur aus dem ersten Sinterpulver (1) hergestellt wurde, eine Reduzierung seiner Ummagnetisierungsverluste von mindestens 10 % mindestens im Bereich von 20–90% der Materialsättigung und im Bereich einer Frequenz von 100–1.000 Hz aufweist.