DE102017212552A1

DE102017212552A1 - Verbundwerkstoff und Verfahren zu seiner Herstellung

Info

Publication number: DE102017212552A1
Application number: DE102017212552.7A
Authority: DE
Inventors: Jens Burghaus; Daniel Scheffler
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2017-07-21
Filing date: 2017-07-21
Publication date: 2019-01-24

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines Verbundwerkstoffs (1) mit einer inhomogenen Mikrostruktur. Hierin wird ein Gemisch aus einer ersten pulverförmigen Ausgangkomponente und einer zweiten pulverförmigen Ausgangskomponente bereitgestellt. Die erste Ausgangskomponente enthält mindestens 49 Gew.-% Eisen bezogen auf 100 Gew.-% der ersten Ausgangskomponente. Die zweite Ausgangskomponente enthält mindestens 10 Gew.-% Zinn bezogen auf 100 Gew.-% der zweiten Ausgangskomponente. Das Gemisch wird auf eine Wärmebehandlungstemperatur erhitzt, die unter der Schmelztemperatur der ersten Ausgangskomponente und über der Schmelztemperatur der zweiten Ausgangskomponente liegt. Der Verbundwerkstoff (1) weist eine Mikrostrukturierung mit ersten Bereichen (2) auf die durch zweite Bereiche (3) voneinander getrennt werden. Die ersten Bereiche (2) enthalten mindestens 91 Gew.-% Eisen bezogen auf 100 Gew.-% der ersten Bereiche (2) Die zweiten Bereiche (3) enthalten mindestens 20 Gew.-% Zinn bezogen auf 100 Gew.-% der zweiten Bereiche (3). Der Verbundwerkstoff (1) kann als Bauteil einer elektrischen Maschine oder als Aktor verwendet werden.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Verbundwerkstoffs. Weiterhin betrifft die vorliegende Erfindung einen Verbundwerkstoff, der insbesondere mittels dieses Verfahrens hergestellt werden kann. Schließlich betrifft die vorliegende Erfindung die Verwendung des Verbundwerkstoffs als Bauteil einer elektrischen Maschine oder als Aktor.
Stand der Technik
Weichmagnetische Werkstoffe für elektrische Maschinen und Aktoren sind durch eine hohe magnetische Sättigung und insbesondere durch einen hohen elektrischen Widerstand gekennzeichnet. In einer metallischen Legierung stehen diese Anforderungen allerdings im Widerspruch zueinander. Eine Alternative zu einer metallischen Legierung stellen weichmagnetische Verbundwerkstoffe dar, die aus Eisenpartikeln bestehen, welche mit einer elektrisch hochohmigen Schicht voneinander getrennt sind. Durch dieses Verbundwerkstoffkonzept können Materialien mit guter Sättigungspolarisation bei gleichzeitig hohem elektrischem Widerstand realisiert werden. Ein Nachteil derartiger weichmagnetischer Verbundwerkstoffe ist eine geringe Festigkeit, da die einzelnen Partikel nicht miteinander versintert sind. Letzteres schränkt die Einsatzmöglichkeiten der Verbundwerkstoffe ein.
Die EP 1 148 520 A1 beschreibt einen gesinterten weichmagnetischen Werkstoff, der aus einer ersten pulverförmigen Ausgangskomponente in Form eines weichmagnetischen Metalls oder einer Metalllegierung und einer zweiten pulverförmigen Ausgangskomponente in Form eines Flüssigphasenbildners herstellbar ist. Der Flüssigphasenbildner enthält insbesondere Bor, Phosphor, ein Borid, ein Phosphid oder eine Legierung von Bor und/oder Phosphor mit Eisen, Cobalt, Nickel, Chrom oder Silizium.
Offenbarung der Erfindung
In dem Verfahren zum Herstellen eines Verbundwerkstoffs, wird ein Gemisch aus einer ersten pulverförmigen Ausgangkomponente und einer zweiten pulverförmigen Ausgangskomponente bereitgestellt. Die erste pulverförmige Ausgangskomponente enthält mindestens 49 Gew.-% Eisen bezogen auf 100 Gew.-% der ersten Ausgangskomponente. Die zweite Ausgangskomponente enthält mindestens 10 Gew.-% Zinn bezogen auf 100 Gew.-% der zweiten Ausgangskomponente. Das Gemisch wird auf eine Wärmebehandlungstemperatur erhitzt. Zuvor kann es optional legiert oder granuliert werden, beispielsweise über mechanische Verfahren. Diese liegt unterhalb der Schmelztemperatur der ersten Ausgangskomponente und oberhalb der Schmelztemperatur der zweiten Ausgangskomponente. Hierdurch bleibt die Partikelstruktur der ersten Ausgangskomponente erhalten. Die zweite Ausgangskomponente schmilzt zumindest teilweise auf und diffundiert teilweise in die erste Ausgangskomponente. Bei der Abkühlung bildet sich partiell durch Korngrenzausscheidung und Abkühlung der Schmelze eine intermetallische Eisen-Zinn-Phase als Korngrenzstruktur. Die intermetallische Phase ist eine hochohmige Phase, die sich dünn um die Partikel der ersten Ausgangskomponente anordnet und den Widerstand des so erhaltenen inhomogenen Verbundwerkstoffs erhöht. Weiterhin ist Zinn teilweise gelöst und erhöht den elektrischen Widerstand in Werkstoff. Beide Effekte führen zu einer Verringerung der Wirbelstromverluste, ohne die magnetische Sättigung und Permeabilität des Verbundwerkstoffs maßgeblich zu reduzieren. Gleichzeitig bleiben die Materialfestigkeit und damit die Verschleißfestigkeit der ersten Ausgangskomponente im Verbundwerkstoff erhalten, da diese mittels der zweiten Ausgangskomponente fest miteinander versintert werden.
Die erste Ausgangskomponente weist vorzugsweise die folgende Zusammensetzung auf:

49 - 100 Gew.-% Eisen,
0 - 0,1 Gew.-% Kohlenstoff,
0 -2 Gew.-% Aluminium,
0 -3,5 Gew.-% Silizium,
0 -5 Gew.-% Chrom,
0-49 Gew.-% Cobalt,
0 - 2 Gew.-% weitere Elemente.

Es kann sich hierbei also um ein unlegiertes oder legiertes Eisenpulver für weichmagnetische relevante Anwendungen handeln, das zur Erhöhung des elektrischen Widerstands im Reineisen, insbesondere mit Aluminium oder Silizium legiert ist. 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 in der ersten Ausgangskomponente beträgt 100 Gew.-%. Um gute weichmagnetische Eigenschaften des Verbundwerkstoffs zu erreichen, ist es vorteilhaft, wenn bereits die erste Ausgangskomponente gute weichmagnetische Eigenschaften aufweist. Hierzu beträgt ihre Koerzitivfeldstärke H_c bevorzugt weniger als 20 A/cm, besonders bevorzugt weniger als 10 A/cm.
Die zweite Ausgangskomponente weist vorzugsweise die folgende Zusammensetzung auf:

10- 100 Gew.-% Zinn,
0 -90 Gew.-% Eisen,
0-5 Gew.-% weitere Elemente.

Als zweite Ausgangskomponente kann also ein Zinnpulver oder ein mit Zinn legiertes Eisenpulver eingesetzt werden. Die weiteren Elemente sind insbesondere aus der Gruppe ausgewählt, die aus Aluminium, Silizium, Phosphor besteht, also solchen Elementen, die typischerweise mit Zinn vergesellschaftet auftreten. Die Summe der Bestandteile in der zweiten Ausgangskomponente beträgt 100 Gew.-%.
Um im Verbundwerkstoff einerseits einen festen Verbund aus der ersten Ausgangskomponente und der zweiten Ausgangskomponente zu erhalten und andererseits eine intermetallische Phase zu erzeugen, die nicht dicker ist als es für diesen Zweck notwendig ist, ist es bevorzugt, dass das Gemisch 70 - 90 Gew.-% der ersten Ausgangskomponente und 10 -30 Gew.-% der zweiten Ausgangskomponente enthält. Die Werte sind auf 100 Gew.-% der Summe der beiden Ausgangskomponenten bezogen. Daneben kann das Gemisch weitere Komponenten wie beispielsweise einen organischen Binder enthalten, der beim Erhitzen des Gemisches auf die Wärmebehandlungstemperatur thermisch zersetzt wird.
Die Ausgangskomponenten werden vorzugsweise so ausgewählt, dass bei Sintertemperatur intermediär eine flüssige Phase entsteht.
Die zahlenmittlere Partikelgröße der ersten Ausgangskomponente ist bevorzugt größer als die zahlenmittlere Partikelgröße der zweiten Ausgangskomponente. Besonders bevorzugt liegt die zahlenmittlere Partikelgröße der ersten Ausgangskomponente im Bereich von 30 - 250 µm und die zahlenmittlere Partikelgröße der zweiten Ausgangskomponente im Bereich von 1-30 µm. Dies ermöglicht ein homogenes Vermischen der beiden Ausgangskomponenten, wobei die zweite Ausgangskomponente so verteilt wird, dass sie Partikel der ersten Ausgangskomponente an deren Oberfläche gleichmäßig bedeckt und so die Struktur der intermetallischen Phase bereits im Gemisch vorformt. Mittels Legieren / Granulieren, bspw. mechanischem Legieren, kann die nachgeschaltete Prozessierung und Dichte des entstehenden Bauteils aus dem beschriebenen Werkstoff nachhaltig verbessert werden.
Der Verbundwerkstoff, der insbesondere mittels dieses Verfahrens herstellbar ist, weist eine inhomogene Mikrostrukturierung auf, deren Bulk überwiegend aus Eisen oder einem eisenhaltigen Material besteht. In dieser sind erste Bereiche durch zweite Bereiche voneinander getrennt. Die ersten Bereiche weisen mindestens 91 Gew.-% Eisen bezogen auf 100 Gew.-% der ersten Bereiche auf. Die zweiten Bereiche, welche eine intermetallische Phase als Korngrenzenphase zwischen den ersten Bereichen bilden, weisen mindestens 20 Gew.-% Zinn bezogen auf 100 Gew.-% der zweiten Bereiche auf. Bei der Herstellung des Verbundwerkstoffs aus der ersten Ausgangskomponente und der zweiten Ausgangskomponente schmilzt die zweite Ausgangskomponente auf und benetzt die erste Ausgangskomponente. Dabei nimmt sie Eisen aus der ersten Ausgangskomponente auf. Daher kann der Eisenanteil der ersten Bereiche geringer sein als der Eisenanteil der ersten Ausgangskomponente und der Zinnanteil der zweiten Bereiche kann geringer sein als der Zinnanteil der zweiten Ausgangskomponente.
Insbesondere weist der Verbundwerkstoff die folgende Zusammensetzung auf:

40 - 100 Gew.-% Eisen,
10 - 30 Gew.-% Zinn,
0 - 0,1 Gew.-% Kohlenstoff,
0 -2 Gew.-% Aluminium,
0 -3,5 Gew.-% Silizium,
0 -5 Gew.-% Chrom,
0 -49 Gew.-% Cobalt,
0 -2 Gew.-% weitere Elemente.

Diese Zusammensetzung ergibt sich aus den Bestandteilen der ersten Ausgangskomponente und der zweiten Ausgangskomponente. Die weiteren Elemente sind daher jene weiteren Elemente, welche in zumindest einer der Ausgangskomponenten enthalten sein können und sind daher insbesondere aus der Gruppe ausgewählt, die aus Mangan, Molybdän, Wolfram, Vanadium, Schwefel, Phosphor und Nickel besteht. Die Summe der Bestandteile im Verbundwerkstoff beträgt 100 Gew.-%.
Die zweiten Bereiche weisen vorzugsweise eine zahlenmittlere Breite im Bereich von 10 nm bis 10 µm auf. Unter der Breite wird hierbei die lichtmikroskopisch oder rasterelektronenmikroskopisch ermittelbare Breite der zweiten Bereiche zwischen den ersten Bereichen im Gefügeschliff verstanden. Eine Breite in diesem Bereich stellt einerseits eine feste Verbindung der ersten Bereiche und somit eine hohe Materialfestigkeit des Verbundwerkstoffs sicher und verhindert andererseits eine zu starke Reduzierung der magnetischen Sättigung und Permeabilität durch große Abstände zwischen den ersten Bereichen.
Durch seine hohe Verschleißfestigkeit bei gleichzeitig niedrigen Wirbelstromverlusten und einer ausreichend hohen magnetischen Sättigung und Permeabilität ist der Verbundwerkstoff insbesondere für die Verwendung als Bauteil einer elektrischen Maschine oder als Aktor geeignet.
Figurenliste

1 zeigt einen Gefügeschliff eines Verbundwerkstoffs gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.
2 zeigt einen anderen Gefügeschliff eines Verbundwerkstoffs gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.
3 zeigt in einem Diagramm die Verlusteigenschaften eines Verbundwerkstoffs gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung, der mehreren herkömmlichen Werkstoffen gegenübergestellt ist.

Ausführungsbeispiele der Erfindung
In einem Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens wird ein Gemisch aus 82,02 g einer ersten Ausgangskomponente und 17,98 g einer zweiten Ausgangskomponente bereitgestellt. Bei der ersten Ausgangskomponente handelt es sich um ein Eisenpulver mit einer zahlenmittleren Partikelgröße von 75 µm und 100% Eisenanteil. Bei der zweiten Ausgangskomponente handelt es sich um ein Zinnpulver mit einer zahlenmittleren Partikelgröße von kleiner/ gleich 10 µm und 100% Zinnanteil. Diese Ausgangskomponenten werden mechanisch legiert. Das legierte Gemisch wird auf eine Wärmebehandlungstemperatur von 1100°C erhitzt. Während die Wärmebehandlungstemperatur unter der Schmelztemperatur der ersten Ausgangskomponente liegt, schmilzt die zweite Ausgangskomponente. Sie benetzt die Oberfläche der ersten Ausgangskomponente und bildet dabei intermediär eine Legierung, indem Eisen aus der ersten Ausgangskomponente herausgelöst und von der zweiten Ausgangskomponente aufgenommen wird. Beim Abkühlen bildet sich ein Verbundwerkstoff, in dem erste Bereiche, die aus der ersten Ausgangskomponente hervorgegangen sind, von zweiten Bereichen umgeben sind, die aus der zweiten Ausgangskomponente hervorgegangen sind.
Zwei Gefügeschliffe durch den Verbundwerkstoff 1 sind in 1 und 2 dargestellt. Die ersten Bereiche 2 sind durch zweite Bereiche 3 mit einer Breite b getrennt. Durch lichtmikroskopische Untersuchung oder mittels Rasterelektronenmikroskopie (REM) kann festgestellt werden, dass die zahlenmittlere Breite b = 10 nm - 2 µm beträgt. Mittels energiedispersiver Röntgenspektroskopie (EDX) kann ermittelt werden, dass die ersten Bereiche 2 größer 91 Gew.-% Eisen bezogen auf 100 Gew.-% der ersten Bereiche 2 enthalten. Ihr Eisenanteil hat sich gegenüber der ersten Ausgangskomponente verringert, da sie Eisen an die zweiten Bereiche 3 abgegeben haben. Weiterhin kann auf diese Weise ermittelt werden, dass die zweiten Bereiche 3 20 - 30 Gew.-% Zinn bezogen auf 100 Gew.-% der zweiten Bereiche 3 enthalten. Indem die zweiten Bereiche 3 Eisen aus der ersten Ausgangskomponente aufgenommen haben, hat sich ihr Zinnanteil gegenüber der Zusammensetzung der zweiten Ausgangskomponente verringert. Der gesamte auf diese Weise erhaltene Verbundwerkstoff weist die folgende Zusammensetzung auf: 82,02 Gew.-% Eisen und 17,98 Gew.-% Zinn.
Aus dem Verbundwerkstoff 1 sowie aus mehreren herkömmlichen Werkstoffen wurden jeweils Ringproben gepresst. Die Eisenverluste P dieser Ringproben wurden jeweils in Abhängigkeit von der Frequenz f bei einer magnetischen Flussdichte von 1 Tesla gemessen. Die Messergebnisse sind in 3 dargestellt. Dabei ist das erfindungsgemäße Beispiel B1 vier Vergleichsbeispielen VB1 bis VB4 gegenübergestellt. Für die Vergleichsbeispiele wurden die folgenden Materialien verwendet: Reineisen (VB1), 100Cr6-Stahl (VB2), DD11-Stahl (VB3) und eine homogene Eisen-Zinn-Legierung der Zusammensetzung Fe₉₅Sn₅ (VB4). Selbst gegenüber der Eisen-Zinn-Legierung, welche die geringsten Eisenverluste P aller Vergleichsbeispiele aufweist, verfügt der erfindungsgemäße Verbundwerkstoff über einen Verlustvorteil von über 50%.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

EP 1148520 A1 [0003]

Claims

Verfahren zum Herstellen eines Verbundwerkstoffs (1), umfassend die folgenden Schritte: - Bereitstellen eines Gemisches aus einer ersten pulverförmigen Ausgangkomponente und einer zweiten pulverförmigen Ausgangskomponente, wobei die erste Ausgangskomponente mindestens 49 Gew.-% Eisen bezogen auf 100 Gew.-% der ersten Ausgangskomponente enthält und die zweite Ausgangskomponente mindestens 10 Gew.-% Zinn bezogen auf 100 Gew.-% der zweiten Ausgangskomponente enthält, und - Erhitzen des Gemisches auf eine Wärmebehandlungstemperatur, die unter der Schmelztemperatur der ersten Ausgangskomponente und über der Schmelztemperatur der zweiten Ausgangskomponente liegt.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Ausgangskomponente die folgende Zusammensetzung aufweist: 49 - 100 Gew.-% Eisen, 0 - 0,1 Gew.-% Kohlenstoff, 0 -2 Gew.-% Aluminium, 0 -3,5 Gew.-% Silizium, 0 -5 Gew.-% Chrom, 0-49 Gew.-% Cobalt, 0 - 2Gew.-% weitere Elemente, wobei die Summe der Bestandteile 100 Gew.-% beträgt.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Ausgangskomponente eine Koerzitivfeldstärke H_c von weniger als 20 A/cm aufweist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Ausgangskomponente die folgende Zusammensetzung aufweist: 10- 100 Gew.-% Zinn, 0 -90 Gew.-% Eisen, 0-5 Gew.-% weitere Elemente, wobei die Summe der Bestandteile 100 Gew.-% beträgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Gemisch 70 - 90 Gew.-% der ersten Ausgangskomponente und 10 - 30 Gew.-% der zweiten Ausgangskomponente bezogen auf 100 Gew.-% der beiden Ausgangskomponenten enthält.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die zahlenmittlere Partikelgröße der ersten Ausgangskomponente größer als die zahlenmittlere Partikelgröße der zweiten Ausgangskomponente ist.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Ausgangskomponente eine zahlenmittlere Partikelgröße im Bereich von 30 - 250 µm aufweist und die zweite Ausgangskomponente eine zahlenmittlere Partikelgröße im Bereich von 1 - 30 µm aufweist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Gemisch vor dem Erhitzen legiert oder granuliert wird.
Verbundwerkstoff (1), aufweisend eine Mikrostrukturierung mit ersten Bereichen (2) die durch zweite Bereiche (3) voneinander getrennt werden, wobei die ersten Bereiche (2) mindestens 91 Gew.-% Eisen bezogen auf 100 Gew.-% der ersten Bereiche (2) enthalten und die zweiten Bereiche (3) mindestens 20 Gew.-% Zinn bezogen auf 100 Gew.-% der zweiten Bereiche (3) enthalten.
Verbundwerkstoff (1) nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass er die folgende Zusammensetzung aufweist: 40 - 100 Gew.-% Eisen, 10 - 30 Gew.-% Zinn, 0 - 0,1 Gew.-% Kohlenstoff, 0 -2 Gew.-% Aluminium, 0 -3,5 Gew.-% Silizium, 0 -5 Gew.-% Chrom, 0 -49 Gew.-% Cobalt, 0 -2 Gew.-% weitere Elemente, wobei die Summe der Bestandteile 100 Gew.-% beträgt.
Verbundwerkstoff (1) nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass die zweiten Bereiche (3) eine zahlenmittlere Breite (b) im Bereich von 10 nm bis 10 µm aufweisen.
Verbundwerkstoff (1) nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass er nach einem Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8 herstellbar ist.
Verwendung eines Verbundwerkstoffs (1) nach einem der Ansprüche 9 bis 12 als Bauteil einer elektrischen Maschine oder als Aktor.