DE102018200373A1

DE102018200373A1 - Weichmagnetischer Verbundwerkstoff und Verfahren zu seiner Herstellung

Info

Publication number: DE102018200373A1
Application number: DE102018200373.4A
Authority: DE
Inventors: Witold Pieper; Jens Burghaus
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2018-01-11
Filing date: 2018-01-11
Publication date: 2019-07-11
Also published as: CN110033915A; JP2019143238A

Abstract

Die Erfindung betrifft einen weichmagnetischen Verbundwerkstoff (10) aufweisend eine Struktur aus mindestens zwei Bestandteilen, von denen einer eine Eisenbasislegierung ist und der zweite Fe₁₆N₂. Die Eisenbasislegierung enthält insgesamt bis zu 50 Gew.-% der Elemente Cobalt, Mangan und Titan und maximal 5 Gew.-% weitere Elemente. In einem Verfahren zur Herstellung des weichmagnetischen Verbundwerkstoffs (10) wird ein erstes Pulver bereitgestellt, das aus einer Eisenbasislegierung besteht. Diese enthält insgesamt bis zu 50 Gew.-% der Elemente Cobalt, Mangan und Titan enthält und maximal 5 Gew.-% weiterer Elemente. Außerdem wird ein zweites Pulver bereitgestellt, welches aus polykristallinem Fe₁₆N₂ besteht. Die beiden Pulver werden gemischt oder granuliert und zu einem Teil verpresst. In einem anderen Verfahren zur Herstellung des weichmagnetischen Verbundwerkstoffs (10) wird nur das erste Pulver zu einem Teil verpresst. Das Teil wird wärmebehandelt, wobei während des Wärmebehandelns eine direkte Nitrierung des ersten Pulvers durchgeführt wird. Der Werkstoff weist dann eine Struktur aus Körnern (20) auf, deren Oberfläche von einer Isolationsschicht (30) bedeckt ist, welche die Körner (20) voneinander trennt.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen weichmagnetischen Verbundwerkstoff. Weiterhin betrifft die vorliegende Erfindung Verwendungen des weichmagnetischen Verbundwerkstoffs. Schließlich betrifft die vorliegende Erfindung zwei Verfahren zur Herstellung des weichmagnetischen Verbundwerkstoffs.
Stand der Technik
Weichmagnetische Verbundstoffe sind pulverbasierte Werkstoffe mit Pulverpartikeln auf Eisenbasis, die beispielsweise für eine Beschichtung oder Oxidation der Partikeloberfläche elektrisch voneinander isoliert sind. Unter weichmagnetisch wird hierbei verstanden, dass die Verbundwerkstoffe eine Koerzitivfeldstärke H_c von weniger als 20 A/cm aufweisen. Wegen ihres hohen elektrischen Widerstandes und den damit einhergehenden geringen Ummagnetisierungsverlusten bzw. Wirbelstromverlusten, vor allem bei hohen Frequenzen, werden weichmagnetische Verbundwerkstoffe als Flussleiter in elektrischen Maschinen, schnell schaltenden Magnetaktoren sowie auch in induktiven Bauelementen in der Leistungselektronik eingesetzt.
Eine hohe magnetische Sättigung eines weichmagnetischen Verbundwerkstoffs ist eine zentrale Eigenschaft für die Speicherenergie einer Speicherdrossel oder einer elektrischen Maschine mit hoher Leistungs- und Drehmomentdichte. Bei Aktoren aus weichmagnetischen Verbundwerkstoffen geht ihre magnetische Sättigung quadratisch in die Maximalkraft des Aktors ein. Die magnetische Sättigung weichmagnetischer Verbundwerkstoffe mit Eisenbasispulvern wird allerdings durch die magnetische Sättigung des Eisenbasispulvers und durch die Dichte des weichmagnetischen Verbundwerkstoffs begrenzt.
Offenbarung der Erfindung
Der weichmagnetische Verbundwerkstoff weist eine Struktur aus mindestens zwei Bestandteilen auf, von denen einer eine Eisenbasislegierung ist und der zweite Fe₁₆N₂. Die Eisenbasislegierung enthält insgesamt bis zu 50 Gew.-% der Elemente Cobalt, Mangan und Titan und maximal 5 Gew.-% weitere Elemente. Körner des Verbundwerkstoffs sind insbesondere durch eine Isolationsschicht voneinander getrennt. Unter einer Isolationsschicht wird eine Schicht verstanden, die einen höheren elektrischen Widerstand aufweist, als die Körner. Dabei bestehen die Körner überwiegend aus der Eisenbasislegierung und die Isolationsschicht besteht überwiegend aus Fe₁₆N₂. Fe₁₆N₂ weist eine magnetische Sättigung von 2,8 T auf. Es weist eine Domänenwandstärke δ auf, die gemäß Formel 1 berechnet werden kann: $δ \sim \sqrt{\frac{A}{K_{1}}}$
Dabei bezeichnet A die Austauschkonstante und K₁ die Kristallanisotropiekonstante. Die Domänenwandstärke δ von Fe₁₆N₂ beträgt ca. 10 nm. Wenn Fe₁₆N₂ als ein Bestandteil des Verbundwerkstoffs verwendet wird, kann daher ein weichmagnetischer Verbundwerkstoff erhalten werden, welcher eine magnetische Sättigung von insbesondere mehr als 2 T aufweist.
Der weichmagnetische Verbundwerkstoff besteht bevorzugt zu 5 Gew.-% bis 50 Gew.-% aus Fe₁₆N₂.
Cobalt, Mangan und Titan sind Legierungselemente, welche eine gute Herstellbarkeit und Weiterverarbeitbarkeit des weichmagnetischen Verbundwerkstoffs ermöglichen. Ihr Anteil am weichmagnetischen Verbundwerkstoff beträgt insgesamt vorzugsweise maximal 25 Gew.-%.
Der weichmagnetische Verbundwerkstoff ist insbesondere zur Verwendung in einer Drossel, in einem Übertrager für die Leistungselektronik, in einem Magnetventil oder in einem Elektromotor geeignet.
In einem Verfahren zur Herstellung des weichmagnetischen Verbundwerkstoffs wird zunächst ein erstes Pulver bereitgestellt. Dieses besteht aus einer Eisenbasislegierung, die neben Eisen insgesamt bis zu 50 Gew.-% der Elemente Cobalt, Mangan und Titan und maximal 5 Gew.-% weitere Elemente enthalten kann. Außerdem wird ein zweites Pulver bereitgestellt, welches aus polykristallinem Fe₁₆N₂ besteht. Die beiden Pulver werden vermischt und die gemischten Pulver werden zu einem Teil verpresst.
Das Mischungsverhältnis der beiden Pulver wird vorzugsweise so gewählt, dass sich 100 Gew.-% der gemischten Pulver aus 50 Gew.-% bis 95 Gew.-% des ersten Pulvers und 5 Gew.-% bis 50 Gew.-% des zweiten Pulvers zusammensetzen. Dabei wird verhindert, dass ein zu großer Anteil des zweiten Pulvers die weichmagnetischen Eigenschaften des Verbundwerkstoffs schwächt.
Das erste Pulver weist eine zahlenmittlere Partikelgröße von bevorzugt mindestens 1 µm, besonders bevorzugt von mindestens 10 µm und ganz besonders bevorzugt von mindestens 100 µm auf. Die zahlenmittlere Partikelgröße des zweiten Pulvers liegt bevorzugt unter 100 µm. Die Partikel des zweiten Pulvers weisen dabei Körner auf und die zahlenmittlere Korngröße beträgt bevorzugt maximal 30 nm, besonders bevorzugt maximal 20 nm und ganz besonders bevorzugt maximal 10 nm. Bei einem zu großen Größenunterschied zwischen dem ersten Pulver und dem zweiten Pulver kann die Mischung der beiden Pulver nicht verpresst werden. Eine Verpressbarkeit kann in einem Folgeprozess bspw. durch mechanisches Legieren, oder Einsatz eines Bindemittels erzielt werden. Die Bestimmung der zahlenmittleren Partikelgröße kann durch eine Siebanalyse gemäß der Norm DIN 66165 erfolgen (Teil 1: Grundlagen der Siebanalyse; Teil 2: Durchführung der Siebanalyse).
Zur weiteren Konditionierung des Teils kann dieses einer Wärmebehandlung unterzogen werden. Diese erfolgt insbesondere in Luft, in feuchter Luft oder unter Stickstoff. Um eine Schädigung der Isolationsschicht zu verhindern ist es bevorzugt, dass die Wärmebehandlung unterhalb der Zersetzungstemperatur von Fe₁₆N₂ erfolgt. Die Zersetzungstemperatur hängt von der Atmosphäre ab und kann weniger als 300°C betragen. Bei dieser Temperatur erfolgt auch noch kein Versintern der Partikel.
In einem alternativen Verfahren zur Herstellung des weichmagnetischen Verbundwerkstoffs wird nur das erste Pulver bereitgestellt. Dieses wird zu einem Teil verpresst und das Teil wird wärmebehandelt. Für die abschließende Wärmebehandlung sind dieselben Bedingungen bevorzugt, die auch für die Wärmebehandlung eines Teils gelten, welches aus einem Pulvergemisch hergestellt wurde. Während des Wärmebehandelns wird zunächst eine direkte Nitrierung des ersten Pulvers durchgeführt. Hierdurch wird an der Oberfläche der Pulverpartikel eine Schicht aus Fe₁₆N₂ erzeugt, die als Isolationsschicht fungieren kann. Unter direkter Nitrierung, die auch als Nitridierung oder als Aufsticken bezeichnet werden kann, wird eine thermochemische Diffusionsbehandlung verstanden. Hierbei kann es sich beispielsweise um eine Gasbehandlung oder um eine Plasmabehandlung handeln.
Kurze Beschreibung der Zeichnung
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Die Zeichnung zeigt schematisch einen Ausschnitt aus einem weichmagnetischen Verbundwerkstoff gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.
Ausführungsbeispiele der Erfindung
Ein weichmagnetischer Verbundwerkstoff gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung enthält 20 Gew.-% Fe₁₆N₂, 24 Gew.-% Cobalt, <0,1 Gew.-% Mangan, < 0,1 Gew.-% Titan mit Rest Eisen. Wie in 1 dargestellt ist, weist der weichmagnetische Verbundwerkstoff 10 eine Kornstruktur auf. Exemplarisch sind mehrere Körner 20 dargestellt, deren Oberfläche von einer Isolationsschicht 30 bedeckt ist. Diese Isolationsschicht 30 besteht aus nanokristallinem Fe₁₆N₂. Die weiteren Elemente des weichmagnetischen Verbundwerkstoffs 10 sind in den Partikeln 21, 22 enthalten. Diese bestehen zu 30 Gew.-% aus Cobalt, zu <0,1 Gew.-% aus Mangan und zu <0,1 Gew.-% aus Titan mit Rest Eisen. Der weichmagnetische Verbundwerkstoff 10 weist eine magnetische Sättigung von 2,5 T auf. Wirbelströme 40 werden durch die Isolationsschicht 30 auf die einzelnen Körner 20 beschränkt.
Ein weichmagnetischer Verbundwerkstoff gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung enthält 60 Gew.-% Eisen, <0,1 Gew.-% Cobalt, <0,1 Gew.-% Mangan, <0,1 Gew.-% Titan und 40 Gew.-% Fe₁₆N₂ wobei die Partikel der beiden Bestandteile, Eisenbasislegierung und Fe₁₆N₂, nebeneinander vorliegen. Nach einer Wärmebehandlung an Luft oder Wasserdampf wird durch eine Oxidschicht auf den Partikeln der Eisenbasislegierung der elektrische Widerstand der Partikelisolierung erhöht.
Bei Teilen aus dem weichmagnetischen Verbundwerkstoff 10 handelt es sich in unterschiedlichen Ausführungsbeispielen der Erfindung um Teile von Drosseln, von Übertragern für Leistungselektronik, von schnellschaltenden Magnetventilen und von E-Maschinen.
In einem ersten Ausführungsbeispiel eines Verfahrens zur Herstellung des weichmagnetischen Verbundwerkstoffs gemäß der Erfindung wird ein erstes Pulver mit einer zahlenmittleren Partikelgröße von 100 µm bereitgestellt. Das Pulver besteht aus einer Eisenbasislegierung, die 98 Gew.-% Eisen, <1 Gew.-% Cobalt, <1 Gew.-% Mangan und <1 Gew.-% Titan enthält. Weiterhin wird ein zweites Pulver bereitgestellt. Hierbei handelt es sich um polykristallines Fe₁₆N₂ mit einer zahlenmittleren Partikelgröße von weniger als 100 µm und einer zahlenmittleren Korngröße von 10 nm. Die beiden Pulver werden gemischt oder granuliert und dann zu einem Teil verpresst. Anschließend werden sie an Luft bei einer Temperatur von 250°C eine Stunde lang einer Wärmebehandlung unterzogen, um so den weichmagnetischen Verbundwerkstoff 10 zu erhalten.
Ein weichmagnetischer Verbundwerkstoff 10 gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung enthält 40 Gew.-% Fe₁₆N₂, <0,1 Gew.-% Cobalt, <0,1 Gew.-% Mangan, <0,1 Gew.-% Titan mit Rest Eisen, wobei die beiden Bestandteile, Eisenbasislegierung und Fe₁₆N₂, nebeneinander in einem Partikel vorliegen.
In einem zweiten Ausführungsbeispiel des Verfahrens zur Herstellung eines weichmagnetischen Verbundwerkstoffs 10 gemäß der Erfindung wird nur das erste Pulver verwendet, um einen weichmagnetischen Verbundwerkstoff 10 gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel herzustellen. Dieses wird zu einem Teil verpresst und das Teil wird einer Wärmebehandlung unterzogen. Die Wärmebehandlung erfolgt in einer Atmosphäre aus Wasserstoff und Ammoniak bei einer Temperatur von 700°C für eine Dauer von 10 Stunden. Hierbei erfolgt eine Gasnitrierung der Oberfläche von Partikeln des ersten Pulvers. Dabei bildet sich eine nanokristalline Fe₁₆N_2-Schicht aus, die im weichmagnetischen Verbundwerkstoff 10 als Isolationsschicht 30 fungiert. Nach einer Wärmebehandlung an Luft oder Wasserdampf wird durch eine Oxidschicht auf den Körnern der Eisenbasislegierung der elektrische Widerstand der Isolationsschicht 30 erhöht.
Sowohl im ersten als auch im zweiten Ausführungsbeispiel des Verfahrens zur Herstellung des weichmagnetischen Verbundwerkstoffs 10 liegt die Temperatur der Wärmebehandlung des Teils in der jeweils gewählten Atmosphäre unter der Zersetzungstemperatur von Fe₁₆N₂.

Claims

Weichmagnetischer Verbundwerkstoff (10), aufweisend eine Struktur aus mindestens zwei Bestandteilen, von denen einer eine Eisenbasislegierung ist, die insgesamt bis zu 50 Gew.-% der Elemente Cobalt, Mangan und Titan enthält und maximal 5 Gew.-% weitere Elemente enthält und ein weiterer Bestandteil Fe₁₆N₂ ist.
Weichmagnetischer Verbundwerkstoff nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass er Körner (20) aufweist, deren Oberfläche von einer Isolationsschicht (30) bedeckt ist, welche die Körner (20) voneinander trennt, wobei die Körner (20) überwiegend aus der Eisenbasislegierung bestehen und die Isolationsschicht überwiegend aus nanokristallinem Fe₁₆N₂ besteht.
Weichmagnetischer Verbundwerkstoff (10) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass er insgesamt maximal 25 Gew.-% der Elemente Cobalt, Mangan und Titan enthält.
Weichmagnetischer Verbundwerkstoff (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass er zu 5 Gew.-% bis 50 Gew.-% aus Fe₁₆N₂ besteht.
Weichmagnetischer Verbundwerkstoff (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass er eine magnetische Sättigung von mehr als 2 T aufweist.
Verwendung eines weichmagnetischen Verbundwerkstoffs (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 5 in einer Drossel, einem Übertrager für die Leistungselektronik, einem Magnetventil oder einem Elektromotor.
Verfahren zur Herstellung eines weichmagnetischen Verbundwerkstoffs (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, umfassend die folgenden Schritte: - Bereitstellen eines ersten Pulvers, das aus einer Eisenbasislegierung besteht, die insgesamt bis zu 50 Gew.-% der Elemente Cobalt, Mangan und Titan enthält und maximal 5 Gew.-% weitere Elemente enthält, - Bereitstellen eines zweiten Pulvers, welches aus polykristallinem Fe₁₆N₂ besteht, - Mischen und oder Granulieren der beiden Pulver, und - Verpressen der gemischten Pulver zu einem Teil.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass 50 Gew.-% bis 95 Gew.-% des ersten Pulvers mit 5 Gew.-% bis 50 Gew.-% des zweiten Pulvers gemischt werden, so dass sich 100 Gew.-% der gemischten Pulver ergeben.
Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Pulver eine zahlenmittlere Partikelgröße von weniger als 100 µm aufweist, wobei eine zahlenmittlere Korngröße in den Partikeln maximal 30 nm beträgt.
Verfahren zur Herstellung eines weichmagnetischen Verbundwerkstoffs (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, umfassend die folgenden Schritte: - Bereitstellen eines ersten Pulvers, aus einer Eisenbasislegierung besteht, die insgesamt bis zu 50 Gew.-% der Elemente Cobalt, Mangan und Titan enthält und maximal 5 Gew.-% weitere Elemente enthält, - Verpressen des ersten Pulvers zu einem Teil, und - Wärmebehandeln des Teils, wobei während des Wärmebehandelns eine direkte Nitrierung des ersten Pulvers durchgeführt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Teil einer Wärmebehandlung bei einer Temperatur unterzogen wird, die unter der Zersetzungstemperatur von Fe₁₆N₂ liegt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Pulver eine zahlenmittlere Partikelgröße von mindestens 1 µm aufweist.