DE102016220094A1

DE102016220094A1 - Weichmagnetisches Material, kunststoffgebundener Verbundwerkstoff, Aktor, Magnetkern für Leistungselektronik, elektrische Maschine oder Magnetventil, Verwendung und Verfahren zur Herstellung des weichmagnetischen Materials

Info

Publication number: DE102016220094A1
Application number: DE102016220094.1A
Authority: DE
Inventors: Jens Burghaus; Juergen Oberle; Arne Huber; Witold Pieper
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2016-10-14
Filing date: 2016-10-14
Publication date: 2018-04-19

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein weichmagnetisches Material (2), das zu mindestens 75 Gew.-% aus weichmagnetischem Fe₁₆N₂ besteht, wobei das weichmagnetische Fe₁₆N₂ eine Korngröße von maximal 30 nm aufweist.

Description

Stand der Technik
Die vorliegende Erfindung betrifft ein weichmagnetisches Material, einen kunststoffgebundenen Verbundwerkstoff sowie einen Aktor, einen Magnetkern für Leistungselektronik, eine elektrische Maschine oder ein Magnetventil, die das weichmagnetische Material oder den kunststoffgebundenen Verbundwerkstoff enthalten. Ferner betrifft die vorliegende Erfindung auch eine Verwendung des weichmagnetischen Materials oder des kunststoffgebundenen Verbundwerkstoffes sowie ein erstes und ein zweites Verfahren zur Herstellung des weichmagnetischen Materials.
Weichmagnetische Werkstoffe sind in ihrer Eigenschaft als Leiter des magnetischen Flusses zentraler Bestandteil von elektrischen Maschinen, Magnetaktoren sowie auch für induktive Bauelemente in der Leistungselektronik von hoher Bedeutung. Sie zeichnen sich durch eine hohe Sättigung aus, die wesentlich für elektrische Maschinen mit hoher Leistungsdichte und Drehmomentdichte ist. Darüber hinaus weisen weichmagnetische Werkstoffe eine niedrige Koerzitivfeldstärke H_c auf, die insbesondere in induktiven Bauelementen zu niedrigen Ummagnetisierungsverlusten sowie bei Aktoren zu einer geringen Klebkraft der Magnetkreiskomponenten beiträgt. Herkömmliche weichmagnetische Materialien weisen jedoch noch zu hohe Koerzitivfeldstärken und zu geringe magnetische Sättigungen auf.
Offenbarung der Erfindung
Demgegenüber zeichnet sich das erfindungsgemäße weichmagnetische Material gemäß dem Anspruch 1 durch eine hohe magnetische Sättigung von über 2 T und eine niedrige Koerzitivfeldstärke H_c von weniger als 10 A/cm aus. Aufgrund seiner Zusammensetzung hauptsächlich aus Eisen und Stickstoff ist es zudem kostengünstig, insbesondere da auf teure Elemente wie Ni, Mo, Co größtenteils verzichtet werden kann. Zu den niedrigen Kosten trägt auch bei, dass das weichmagnetische Material zu mindestens 75 Gew.-% aus Fe₁₆N₂ besteht, wobei unter dem erfindungsgemäßen Fe₁₆N₂ die Phase α"-Fe₁₆N₂ verstanden wird, welche mittels Röntgenstrukturanalyse nachweisbar ist. Das erfindungsgemäße weichmagnetische Material kann ferner weitere Elemente enthalten, die in Summe bis zu 25 Gew.-% eingesetzt werden können.
Um eine hohe Sättigung sowie eine niedrige Koerzitivfeldstärke im weichmagnetischen Fe₁₆N₂ zu erzielen, ist eine Korngröße von maximal 30 nm essentiell. Unter dem Begriff „Korngröße“ wird im Sinne der vorliegenden Erfindung eine durchschnittliche Korngröße der weichmagnetischen Körner verstanden, wobei sich Korngrößen von über 30 nm als nicht ausreichend herausgestellt haben, um Koerzitivfeldstärken von weniger als 10 A/cm zu erzielen. Aufgrund der außerordentlich guten weichmagnetischen Eigenschaften ist das erfindungsgemäße weichmagnetische Material sehr gut für den Einsatz in elektrischen Maschinen, Aktoren, Magnetventilen und dergleichen geeignet. Die Korngrößenbestimmung (Größe der Körner im Gefüge der Pulverpartikel) erfolgt dabei bei größeren Pulverpartikeln nach ASTM E112 oder DIN EN ISO 643. Bei kleineren einkristallinen Partikeln gilt: Partikelgröße entspricht Korngröße.
Die Unteransprüche zeigen bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung besteht das weichmagnetische Material zu mindestens 90 Gew.-% aus weichmagnetischem Fe₁₆N₂. Hierdurch können die magnetischen Eigenschaften bei gleichzeitiger Reduktion der Kosten für das magnetische Material verbessert werden.
Um die magnetischen Eigenschaften des weichmagnetischen Materials anzupassen, kann dem weichmagnetischen Material vorteilhaft mindestens ein weiteres Element, das aus der Gruppe: Cobalt (Co), Mangan (Mn) und Titan (Ti) ausgewählt ist, als Dotierungselement zugesetzt werden. Die Menge an weiterem/n Element/en ergänzt dann das weichmagnetische Material zu 100 Gew.-%.
Um die Koerzitivfeldstärke auf ein Minimum zu reduzieren, ist gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung vorgesehen, dass das weichmagnetische Material aus weichmagnetischem Fe₁₆N₂ mit einer Korngröße von maximal 30 nm besteht. Dies bedeutet, dass das weichmagnetische Material bis auf technisch unvermeidbare Rückstände nur α"-Fe₁₆N₂ aufweist.
Eine minimale Koerzitivfeldstärke lässt sich vorteilhaft dann erhalten, wenn das Fe₁₆N₂ eine Korngröße von 3 bis 30 nm aufweist.
Durch die vorteilhafte Weiterbildung, dass das weichmagnetische Material in Form von gemahlenen weichmagnetischen Körnern vorliegt, treten die vorteilhaften magnetischen Eigenschaften besonders gut in den Vordergrund.
Ebenfalls erfindungsgemäß wird auch ein kunststoffgebundener Verbundwerkstoff beschrieben. Dieser ist insbesondere in Form eines kunststoffgebundenen Magneten ausgebildet und umfasst mindestens ein wie vorstehend beschriebenes weichmagnetisches Material und ein Kunststoffmaterial. Der kunststoffgebundene Verbundwerkstoff hat gegenüber anderen Werkstoffformen den Vorteil in nahezu beliebiger Form erhältlich zu sein. Aufgrund des weichmagnetischen Materials können auch in dem erfindungsgemäßen kunststoffgebundenen Verbundwerkstoff eine hohe Sättigung von über 1,5 T und insbesondere von über 2 T sowie eine niedrige Koerzitivfeldstärke H_c von weniger als 10 A/cm erzielt werden. Der erfindungsgemäße kunststoffgebundene Verbundwerkstoff zeichnet sich damit bei moderaten Materialkosten und sehr guten weichmagnetischen Eigenschaften durch ein breites Anwendungsspektrum aus.
Eine vorteilhafte Weiterbildung sieht vor, dass das weichmagnetische Material in partikulärer Form vorliegt und das Kunststoffmaterial die Partikel elektrisch voneinander isoliert. Hierdurch können Wirbelströme z.B. in schnell schaltenden Aktoren, Magnetkernen für Leistungselektronik und hochdrehenden elektrischen Maschinen unterdrückt werden.
Um die magnetischen Eigenschaften zu optimieren und um insbesondere eine hohe magnetische Sättigung von über 2,0 T im kunststoffgebundenen Verbundwerkstoff zu erzielen, ist weiter vorteilhaft vorgesehen, dass ein Volumenanteil an dem weichmagnetischen Material, bezogen auf das Gesamtvolumen des kunststoffgebundenen Verbundwerkstoffes mindestens 60 Vol% und weiter vorteilhaft mindestens 80 Vol% beträgt.
Durch die vorteilhafte Weiterbildung, dass das Kunststoffmaterial ein duroplastisches Kunststoffmaterial und insbesondere ein Epoxidharz umfasst, können auch die mechanischen Eigenschaften des kunststoffgebundenen Verbundwerkstoffes optimiert werden. Insbesondere wird durch die Verwendung eines duroplastischen Kunststoffmaterials die mechanische Stabilität bei erhöhten Temperaturen verbessert.
Ferner erfindungsgemäß wird auch ein Aktor, ein Kern (Magnetkern) für die Leistungselektronik, eine elektrische Maschine oder ein Magnetventil beschrieben, das ein wie vorstehend beschriebenes weichmagnetisches Material oder einen wie vorstehend beschriebenen kunststoffgebundenen Verbundwerkstoff umfasst. Diese erfindungsgemäßen Produkte zeichnen sich durch eine hohe magnetische Sättigung und eine geringe Koerzitivfeldstärke von weniger als 10 A/cm aus und weisen aufgrund des enthaltenen erfindungsgemäßen weichmagnetischen Materials insbesondere in Form eines kunststoffgebundenen Verbundwerkstoffes, eine geringe Neigung zur Ausbildung von Wirbelströmen auf.
Des Weiteren erfindungsgemäß wird auch eine Verwendung des vorstehend beschriebenen weichmagnetischen Materials oder des vorstehend beschriebenen kunststoffgebundenen Verbundwerkstoffes in einem Aktor, einem Magnetkern für Leistungselektronik, einer elektrischen Maschine oder einem Magnetventil beschrieben. Wie bereits dargelegt hat das weichmagnetische Material, das im Sinne der Erfindung verwendet wird, eine hohe magnetische Sättigung sowie eine geringe Koerzitivfeldstärke, so dass es für die Verwendung in schnell schaltenden Aktoren, in Magnetkernen für Leistungselektronik, in hochdrehenden elektrischen Maschinen oder in Magnetventilen prädestiniert ist.
Ferner erfindungsgemäß wird auch ein erstes Verfahren zur Herstellung eines wie vorstehend beschriebenen weichmagnetischen Materials offenbart. Das Verfahren umfasst dabei zunächst einen Schritt des Hydrierens eines Eisenoxids (FeO, Fe₂O₃, Fe₃O₄) mit Wasserstoff unter Erhalt eines porösen Eisens, eines sogenannten Eisenschwammes, und Wasser. Daran schließt sich eine Umsetzung des porösen Eisens mit Ammoniak oder einem Gemisch aus Wasser und Ammoniak unter Nitrierung des porösen Eisens und Erhalt von Fe₁₆N₂ an, das in Form von α"-Fe₁₆N₂ anfällt. Diese Schritte sind bereits aus dem Stand der Technik bekannt. Abschließend findet eine Reduzierung der Korngröße des weichmagnetischen Fe₁₆N₂ auf eine Korngröße von maximal 30 nm statt. Eine Korngröße von maximal 30 nm ist zur Erzielung einer Koerzitivfeldstärke H_c von weniger als 10 A/cm wesentlich. Das Verfahren verwendet kostengünstige Rohstoffe und ist aufgrund der einfachen Durchführung der chemischen und mechanischen Reaktionen kosteneffizient und ohne hohen technischen Aufwand umsetzbar.
Ebenfalls erfindungsgemäß wird auch ein zweites Verfahren zur Herstellung eines wie vorstehend beschriebenen weichmagnetischen Materials angegeben. Das zweite erfindungsgemäße Verfahren unterscheidet sich von dem ersten erfindungsgemäßen Verfahren in der Herstellung des Fe₁₆N₂. Gemäß dem zweiten erfindungsgemäßen Verfahren wird das α"-Fe₁₆N₂ durch direkte Nitrierung von Eisenpulver oder einer eisenhaltigen Legierung erhalten. Sofern eine eisenhaltige Legierung verwendet wird, können als Dotierungselemente beispielsweise Cobalt (Co), Mangan (Mn) oder Titan (Ti) in Mengen von in Summe bis zu 25 Gew.-% eingesetzt werden. Anschließend erfolgt wiederum ein Reduzieren der Korngröße des weichmagnetischen Fe₁₆N₂ auf eine Korngröße von maximal 30 nm. Es wird aufgrund der Korngröße von maximal 30 nm ein kostengünstiges weichmagnetisches Material mit einer Koerzitivfeldstärke von weniger als 10 A/cm erhalten.
Die für das erfindungsgemäße weichmagnetische Material sowie den erfindungsgemäßen kunststoffgebundenen Verbundwerkstoff beschriebenen Vorteile, vorteilhaften Effekte und Weiterbildungen finden auch Anwendung auf die erfindungsgemäßen Verfahren zur Herstellung eines weichmagnetischen Materials.
Vorteilhaft wird das Reduzieren der Korngröße durch Mahlen des weichmagnetischen Fe₁₆N₂ auf die gewünschte Korngröße ausgeführt.
Figurenliste
Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung unter Bezugnahme auf die begleitende Zeichnung im Detail beschrieben. In der Zeichnung ist:

1 eine schematische Darstellung eines kunststoffgebundenen Verbundwerkstoffes gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung.

Ausführungsform der Erfindung
Die vorliegende Erfindung wird anhand eines Ausführungsbeispiels im Detail beschrieben. In der Figur sind nur die wesentlichen Aspekte des erfindungsgemäßen kunststoffgebundenen Verbundwerkstoffes dargestellt. Alle übrigen Aspekte sind der Übersichtlichkeit halber weggelassen.
Im Detail zeigt 1 eine schematische Ansicht eines kunststoffgebundenen Verbundwerkstoffes 1, der beispielhaft in Form eines Quaders dargestellt ist, dessen Form jedoch im Einzelnen nicht beschränkt ist und in Abhängigkeit des formgebenden Herstellungsprozesses entsprechend ausgebildet sein kann.
Der kunststoffgebundene Verbundwerkstoff 1 besteht aus einem weichmagnetischen Material 2 und einem Kunststoffmaterial 3 und ist in Form eines kunststoffgebundenen Magneten ausgebildet. Das Kunststoffmaterial 3 kann dabei eine Art Matrix bilden, in die einzelne Partikel des weichmagnetischen Materials 2 eingebettet sind.
Der Anteil an weichmagnetischem Material 2 beträgt, bezogen auf das Gesamtvolumen des kunststoffgebundenen Verbundwerkstoffes 1, z.B. 85 Vol%.
Das weichmagnetische Material 2 besteht zu mindestens 75 Gew.-% und vorzugsweise zu mindestens 90 Gew.-% - insbesondere bis auf Verunreinigungen ausschließlich - aus weichmagnetischen Fe₁₆N₂ Körnern 4, also α"-Fe₁₆N₂, und hat eine Korngröße D von maximal 30 nm, worunter eine durchschnittliche Korngröße verstanden wird. Die durchschnittliche Korngröße wird durch Vermessen der magnetischen Körner in den Fe₁₆N₂-Partikeln nach ASTM E112 oder DIN EN ISO 643 bestimmt. Im Falle einkristalliner Körner ist die Partikelgröße gleich der Korngröße. Als zusätzliche Produkte entstehen typischerweise je nach Syntheseroute andere Eisennitride der Zusammensetzung Fe_xN_y oder deren Ausgangselemente, beispielsweise Fe₄N und Fe. Die Temperaturbeständigkeit kann durch Dotierung mit weiteren Elementen, wie beispielsweise Co, Mn oder Ti, erhöht werden. Massenanteile dieser Dotierungselemente liegen beispielsweise in einem Bereich von in Summe bis zu 25 Gew.-%.
Die weichmagnetischen Körner 4 werden durch das Kunststoffmaterial 3 elektrisch voneinander isoliert. Hierdurch wird die Bildung von Wirbelströmen bei Verwendung des kunststoffgebundenen Verbundwerkstoffes 1 in Aktoren, Magnetkernen für Leistungselektronik, Magnetventilen und hochdrehenden elektrischen Maschinen wirkungsvoll unterdrückt.
Der kunststoffgebundene Verbundwerkstoff 1 zeichnet sich bei einem Volumenanteil von Fe₁₆N₂ über 85% durch eine hohe magnetische Sättigung von über 2 T und eine Koerzitivfeldstärke von weniger als 10 A/cm aus.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Nicht-Patentliteratur

DIN EN ISO 643 [0004, 0026]

Claims

Weichmagnetisches Material (2), das zu mindestens 75 Gew.-% aus weichmagnetischem Fe₁₆N₂ besteht, wobei das weichmagnetische Fe₁₆N₂ eine Korngröße von maximal 30 nm aufweist.
Weichmagnetisches Material nach Anspruch 1, das zu mindestens 90 Gew.-% aus weichmagnetischem Fe₁₆N₂ besteht.
Weichmagnetisches Material (2) nach Anspruch 1 oder 2, ferner umfassend mindestens ein weiteres Element, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus: Cobalt, Mangan und Titan.
Weichmagnetisches Material nach Anspruch 1 oder 2, bestehend aus weichmagnetischem Fe₁₆N₂ mit einer Korngröße von maximal 30 nm.
Weichmagnetisches Material nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das weichmagnetische Fe₁₆N₂ eine Korngröße von 3 bis 30 nm aufweist.
Weichmagnetisches Material nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es in Form von weichmagnetischen Körnern vorliegt.
Kunststoffgebundener Verbundwerkstoff umfassend mindestens ein weichmagnetisches Material (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche und ein Kunststoffmaterial (3).
Kunststoffgebundener Verbundwerkstoff nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das weichmagnetische Material (2) in partikulärer Form vorliegt und das Kunststoffmaterial (3) die Partikel elektrisch voneinander isoliert.
Kunststoffgebundener Verbundwerkstoff nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass ein Volumenanteil an dem weichmagnetischen Material (2), bezogen auf das Gesamtvolumen des kunststoffgebundenen Verbundwerkstoffes (1) mindestens 60 Vol%, insbesondere mindestens 80 Vol% beträgt.
Kunststoffgebundener Verbundwerkstoff nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Kunststoffmaterial (3) ein duroplastisches Kunststoffmaterial, insbesondere ein Epoxidharz, umfasst.
Aktor, Magnetkern für Leistungselektronik, elektrische Maschine oder Magnetventil umfassend ein weichmagnetisches Material (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 6 oder einen kunststoffgebundenen Verbundwerkstoff (1) nach einem der Ansprüche 7 bis 10.
Verwendung eines weichmagnetischen Materials (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 6 oder eines kunststoffgebundenen Verbundwerkstoffes (3) nach einem der Ansprüche 7 bis 10 in einem Aktor, einem Magnetkern für Leistungselektronik, einer elektrischen Maschine oder einem Magnetventil.
Verfahren zur Herstellung eines weichmagnetischen Materials (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, umfassend die Schritte: - Hydrieren eines Eisenoxids mit Wasserstoff unter Erhalt von porösem Eisen und Wasser, - Umsetzen des porösen Eisens mit Ammoniak oder einem Wasserstoff/Ammoniak-Gemisch unter Nitrierung des porösen Eisens und Erhalt von Fe₁₆N₂, - Reduzieren der Korngröße des weichmagnetischen Fe₁₆N₂ auf eine Korngröße von maximal 30 nm.
Verfahren zur Herstellung eines weichmagnetischen Materials (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, umfassend die Schritte: - Nitrieren von Eisenpulver oder einer eisenhaltigen Legierung unter Erhalt von Fe₁₆N₂ und - Reduzieren der Korngröße des weichmagnetischen Fe₁₆N₂ auf eine Korngröße von maximal 30 nm.
Verfahren nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass das Reduzieren der Korngröße durch Mahlen des weichmagnetischen Fe₁₆N₂ ausgeführt wird.