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Gebiet der
Erfindung
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Diese Erfindung bezieht sich auf
weichmagnetische Materialien (magnetisch weiche Materialien). Die Erfindung
bezieht sich insbesondere auf ein Verfahren, bei dem Eisenpulver
gepresst und anschließend
wärmebehandelt
werden. Das Verfahren ist besonders geeignet zur Herstellung von
Magnetkern-Komponenten mit
verbesserten weichmagnetischen Eigenschaften.
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Hintergrund
der Erfindung
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Teilchen auf Eisenbasis werden seit
langem als Grundmaterial zur Herstellung von Strukturkomponenten
unter Anwendung von pulvermetallurgischen Verfahren verwendet. Die
Teilchen auf Eisenbasis werden zuerst in einer Form unter hohem
Druck geformt zur Herstellung des gewünschten Formkörpers. Nach
der Formgebung wird die Strukturkomponente in der Regel einer Sinterung
unterworfen, um der Komponente die erforderliche Festigkeit zu verleihen.
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Magnetkern-Komponenten werden ebenfalls
nach solchen pulvermetallurgischen Verfahren hergestellt, die bei
diesen Verfahren verwendeten Teilchen auf Eisenbasis sind jedoch
allgemein mit einer Überzugsschicht
aus einem isolierenden Material versehen.
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Die zwei wichtigen Eigenschaften
einer Eisenkern-Komponente sind seine magnetische Permeabilität und seine
Kernverlust-Eigenschaften. Die magnetische Permeabilität eines
Materials ist ein Anzeichen für
seine Fähigkeit,
magnetisiert zu werden, oder für
seine Fähigkeit,
einen magnetischen Fluss zu tragen. Die Permeabilität ist definiert
als das Verhältnis
zwischen dem induzierten Magnetfluss und der Magnetisierungskraft oder
Feldstärke.
Wenn ein magnetisches Material einem sich schnell verändernden
Feld ausgesetzt wird, nimmt die Gesamtenergie des Kerns ab durch
das Auftreten von Hysterese-Verlusten und/oder Wirbelstrom-Verlusten.
Der Hysterese-Verlust wird verursacht durch den Energieaufwand,
der erforderlich ist, um die verbliebenen magnetischen Kräfte innerhalb
der Eisenkernkomponente zu überwinden.
Der Wirbelstrom-Verlust
wird verursacht durch die Bildung von elektrischen Strömen in der
Eisenkernkomponente als Folge eines sich ändernden Flusses, hervorgerufen
durch Wechselstrom-Bedingungen.
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Magnetkern-Komponenten werden hergestellt
aus laminiertem Stahlblech, diese Komponenten sind jedoch schwierig
zu einer Netzform für
kleine komplizierte Teilchen zu verarbeiten und bei höheren Frequenzen treten
große
Kernverluste auf. Die Verwendung dieser Kerne auf Laminatbasis ist
auch begrenzt durch die Notwendigkeit, den magnetischen Fluss nur
in der Ebene des Bleches zu transportieren. Gesinterte Metallpulver wurden
bereits als Material für
die Magnetkernkomponente verwendet als Ersatz für den Laminatstahl, diese Sinterteile
weisen aber ebenfalls hohe Kernverluste auf und sind in erster Linie
auf Gleichstrom-Anwendungen beschränkt.
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Die Forschung in der pulvermetallurgischen
Herstellung von Magnetkernkomponenten, in denen Pulver auf Eisenbasis
verwendet werden, wurde daher auf die Entwicklung von Eisenpulver-Zusammensetzungen gerichtet,
die bestimmte physikalische und magnetische Eigenschaften verbessern,
ohne andere Eigenschaften zu beeinträchtigen. Zu den erwünschten
Eigenschaften gehören
niedrige Kernverluste, eine hohe Permeabilität durch einen erweiterten Frequenz bereich,
eine hohe Druckfestigkeit und die Eignung für die Anwendung von Formpress-Verfahren.
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Um die Verluste in einer Kernkomponente
für Wechselstrom-Anwendungen
zu verringern, ist es im allgemeinen erforderlich, dass die Teilchen
einen elektrisch isolierenden Überzug
oder Schicht aufweisen, die (der) einen Kontakt zwischen den Teilchen
verhindert. Ein wichtiges Merkmal dieser Schicht ist ihre Fähigkeit, hohen
Temperaturen standzuhalten, ohne dass sie abgebaut wird, da es allgemein
erwünscht
ist, Presslinge, die aus den Pulvern hergestellt worden sind, einer
Wärmebehandlung
zu unterziehen, um Spannungen abzubauen. Besonders vorteilhaft sind
isolierende Schichten, die Temperaturen oberhalb der Rekristallisations-Temperatur
des Grundmaterials, d.h. des nicht-isolierten Pulvers, standhalten, ohne
dass die Isolierung abgebaut wird, da nach der Rekristallisation
häufig
wichtige Veränderungen
der Eigenschaften des Basispulvers auftreten. Eine andere Anforderung
ist die, dass der Überzug
die Dichte eines daraus hergestellten Presslings so wenig wie möglich beeinflussen
sollte.
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Isolierende Überzüge sind beispielsweise beschrieben
in US-A-5 798 177 und DE-A-34 39 397. Nach diesen Publikationen
werden die Überzüge erhalten
durch Behandeln von Pulvern auf Eisenbasis mit Beschichtungslösungen,
die Phosphorsäure
enthalten. Der aus den isolierten Pulvern hergestellte Presskörper wird
anschließend
wärmebehandelt.
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In US-A-3 245 841 ist die Herstellung
eines magnetischen Pulvers beschrieben, das einen hohen elektrischen
Widerstand hat. Das Pulver wird hergestellt durch Behandeln eines
Eisenpulvers mit einer Beschichtungslösung, die Phosphorsäure und
Chromsäure
enthält.
Gepresste Pulverkerne, die aus einem solchen Pulver hergestellt
sind, sind geeignet für
die Verwendung in Hochfrequenzenergie-Einrichtungen. In dem Patent finden
sich keine Angaben über
die Möglichkeiten,
die aus den Pulvern hergestellten Produkte einer Wärmebehandlung
zu unterziehen.
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Isolierende Überzüge, die Chrom in Kombination
mit Phosphat auf ferromagnetischen Pulverteilchen enthalten, sind
auch in WO 99/30901 (Äquivalent
zu US-A-6 251 514 oder 6 042 949) beschrieben. Magnetische Teile,
die aus diesem bekannten Pulver hergestellt sind, können bei
verhältnismäßig hohen
Temperaturen, d.h. bei Temperaturen in dem Bereich von 250 bis 450°C, geglüht werden.
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Ein anderer Typ eines Überzugs
ist in US-A-4 602 957 beschrieben. Nach diesem Patent wird ein magnetischer
Pulverkern, der geeignet ist für
die Verwendung in einer Niederfrequenz-Energie-Einrichtung, hergestellt
durch Behandeln eines Eisenpulvers mit einer wässrigen Kaliumdichromat-Lösung, Trocknen
des Pulvers, Pressen des Pulvers zur Herstellung eines Presslings
und Wärmebehandeln
des Presslings bei im Wesentlichen 600°C. Die isolierten Pulver, die
wie in diesen Publikationen beschrieben hergestellt worden sind, weisen
jedoch nicht die gewünschte
Kombination von hoher thermischer Beständigkeit und hoher Kompressibilität (Pressbarkeit)
auf.
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Ziele der
Erfindung
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Ein Ziel der Erfindung besteht darin,
gepresste Materialien herzustellen, die sich durch gute weichmagnetische
Eigenschaften auszeichnen, wie z.B. einen niedrigen Gesamtverlust,
eine hohe Permeabilität,
eine niedrige Koerzitivkraft (Koerzitivfeldstärke), eine gute Frequenz-Stabilität und dgl.
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Ein zweites Ziel der Erfindung besteht
darin, weichmagnetische Materialien bereitzustellen, die Temperaturen
bei der und oberhalb der Rekristallisationstemperatur des Materials
auf Eisenbasis standhalten können,
ohne dass die Isolierschichten, welche die Teilchen auf Eisenbasis
umgeben, abgebaut werden.
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Ein drittes Ziel der Erfindung besteht
darin, ein Pulver bereitzustellen, das in einer einzigen Pressstufe bis
zu hohen Dichten gepresst werden kann.
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Ein viertes Ziel der Erfindung besteht
darin, ein weichmagnetisches Material zur Verfügung zu stellen, das geeignet
ist für
Wechselstrom-Anwendungen bei niedrigen und mittleren Frequenzen.
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Zusammenfassung
der Erfindung
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Erfindungsgemäß können die oben genannten Ziele
erreicht werden durch ein Verfahren, das die folgenden Stufen umfasst:
- – Verdichten
(Pressen) eines Pulvers auf Eisenbasis, dessen Teilchen durch eine
Chrom enthaltende Schicht isoliert sind, und
- – Erhitzen
des Pressling (gepresseten Körpers)
auf eine Temperatur von mindestens 600°C, um eine Entspannung und Rekristallisation
des Materials auf Eisenbasis zu erzielen.
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Detaillierte
Beschreibung der Erfindung Pulver auf Eisenbasis
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In einer ersten Stufe werden Teilchen
aus einem Pulver auf Eisenbasis mit einer Chrom enthaltenden Lösung behandelt
zur Bildung einer Chromschicht auf der Oberfläche der Eisen-Teilchen. Das
Pulver ist vorzugsweise ein im Wesentlichen reines, in Wasser zerstäubtes Eisenpulver,
oder ein Schwamm-Eisenpulver, das unregelmäßig geformte Teilchen aufweist.
Es können
aber auch vorlegierte Pulver, wie z.B. Eisen-Silicium-, Eisen-Nickel-Pulver
und dgl. verwendet werden. In diesem Zusammenhang bedeutet der Ausdruck "im Wesentlichen rein", dass das Pulver
im Wesentlichen frei von Einschlüssen
sein sollte und dass die Mengen der Verunreinigungen O, C und N
bei einem Minimum gehalten werden sollten. Die durchschnittlichen
Teilchengrößen liegen
im allgemeinen unter 300 um und oberhalb 10 um. Beispiele für solche
Pulver sind ABC 100.30, ASC 100.29, AT 40.29, ASC 200, ASC 300,
NC 100.24, SC 100.26, MH 300, MH 40.28, MH 40.24, erhältlich von
der Firma Höganäs AB, Schweden.
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Lösung
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Bei einer bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung wird ein im Wesentlichen reines Eisenpulver mit einer
Lösung
gemischt, die einen vorgegebenen Chromgehalt aufweist, sodass ein
Chromgehalt in dem fertigen isolierten Pulver von 0,01 bis 0,35
Gew.-%, vorzugsweise von 0,05 bis 0,25 Gew.-%, erhalten wird. Diese Lösung kann
hergestellt werden durch Verwendung von Wasser oder eines organischen
Lösungsmittels,
wie Aceton, Ethanol und dgl., zusammen mit einer Chrom enthaltenden
Verbindung, wie CrO3 und/oder Na2CrO4. In der Lösung liegt
das Chrom vorzugsweise in Form von Chromat- und/oder Hydrogenchromat-Ionen vor
und der pH-Wert liegt unter 7. Die Konzentration der Lösung und
die Dauer der Behandlung des Pulvers hängen von dem gewünschten
End-Chromgehalt des fertigen Pulvers ab. Die Menge der Lösung variiert
zwischen 5 und 500 ml pro kg Pulver auf Eisenbasis.
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Bei einer bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung kann der pH-Wert der Lösung durch Zugabe einer geringen
Menge einer basischen Substanz, wie z.B. eines Hydroxids eines Alkalimetalls,
eingestellt werden. Beispiele für
solche Substanzen sind NaOH und KOH. Es wurde gefunden, dass sehr
stabile Überzüge erhalten
werden können,
wenn die NaOH- oder KOH-Konzentration in der Beschichtungslösung zwischen
0,01 und 0,03 Gew.-% NaOH oder KOH, bezogen auf das Pulver auf Eisenbasis,
variiert.
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Die Behandlung wird vorzugsweise
bei Raumtemperatur und für
eine Zeitspanne von etwa 5 min bis etwa 2 h durchgeführt. Dann
wird die Mischung erhitzt, um ein trockenes Pulver zu erhalten.
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Isoliertes Pulver
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Normalerweise sollte der Cr-Gehalt
des fertigen getrockneten Pulvers, das gepresst werden soll, zwischen
0,01 und 0,35 Gew.-%, besonders bevorzugt zwischen 0,05 und 0,25
Gew.-%, bezogen auf das Gesamtgewicht des isolierten Pulvers, variieren,
vorausgesetzt, dass das nicht isolierte Pulver im Wesentlichen frei
von Chrom ist.
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Die Teilchen (500-fache Vergrößerung)
wurden in einem Jeol 5800 SEM mit Hilfe eines EDS (Energiedispersions-Spektrometers)
analysiert. Der Feststoff-Detektor
bestand aus einem extrem reinen Einkristall aus Germanium, der auf
die Temperatur von flüssigem
Stickstoff abgekühlt
war. Die durch den Detektor absorbierten Röntgenstrahlen erzeugen eine
Reihe von Elektronenloch-Paaren proportional zur Energie jedes Röntgenquants.
Das Signal aus dem Detektor wird weiter verstärkt, auf einen Multikanal-Analysator
aufgegeben, in dem die Impulse entsprechend ihrer Amplitude sortiert
werden. Die Information wird angegeben in Form eines Energie-Diagramms,
wobei die Intensität,
d.h. die Anzahl der Quanten, in einem Diagramm gegen die Quantenenergie
in keV aufgetragen ist. Eine qualitative Information wird erhalten
aus der Position der Peaks in dem Diagramm und eine quantitative
Information wird erhalten aus den Flächen unter den Peaks. Die quantitative Bestimmung
muss mehrere Phasen durchlaufen: die Beseitigung des Hintergrundrauschens,
die Trennung (Auflösung)
von sich überlappenden
Peaks und die Berechnung der Element-Konzentration.
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Aus einer Punktanalyse wurden Energiespektren
erhalten. Die Eindringtiefe des Strahls betrug etwa 3 bis 5 μm. Die quantitative
Bestimmung wurde durchgeführt
unter Anwendung eines Verfahrens mit ZAF-Korrekturen, d.h. mit Korrekturen
in bezug auf die Atomzahl (Z), die Absorption (A) und die Fluoreszenz
(F). Die Energieskala wurde geeicht gegen einen Kobalt-Standard
vor Durchführung
der quantitativen Bestimmung.
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Bei diesem Verfahren, das nachstehend
als SEM-Analyse bezeichnet wird, sollte der Isolierüberzug auf
der Teilchenoberfläche
eines in Wasser zerstäub ten,
im Wesentlichen Cr-freien Pulvers vorzugsweise einen Cr-Gehalt von
0,01 bis 0,7% haben.
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In der folgenden Tabelle 1 ist die
Beziehung zwischen dem bei der chemischen Analyse erhaltenen Cr-Gehalt
und dem nach dem SEM-Verfahren gemessenen Cr-Gehalt für zwei erfindungsgemäße Pulver
angegeben. Tabelle
1
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Die erhaltenen Ergebnisse zeigen,
dass der Cr-Gehalt der Teilchenoberfläche etwa doppelt so hoch ist
wie der aus dem gesamten Teilchen errechnete Cr-Gehalt, vorausgesetzt, dass das nicht-isolierte
Teilchen im Wesentlichen frei von Cr ist. Die Zusammensetzung des Überzugs
hängt von
den Reaktionsprodukten der exothermen Reaktion mit der Oberfläche des
Basispulvers ab, die für
jede Pulversorte variieren kann. Die Oberflächenoxide und die lokale Zusammensetzung
bestimmen die Zusammensetzung des Überzugs.
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Im Gegensatz zu den Chrom enthaltenden
Isolierüberzügen oder
Isolierschichten, die aus dem US-Patent 3 245 841 und aus WO 99/30901,
wie oben angegeben, bekannt sind, enthalten die erfindungsgemäßen Überzüge keinen
Phosphor.
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Pressstufe
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Vor dem Pressen (Verdichten) wird
das mit Cr beschichtete Eisenpulver mit einem geeigneten Schmiermittel
gemischt. Alternativ wird die Form geschmiert. Ein Schmiermittel-Typ,
der erfindungsgemäß verwendet
werden kann, ist Kenolube®, erhältlich von der Firma Hoganas
AB, Schweden, das in einer Menge von 0,05 bis 1 Gew.-%, bezogen
auf das Gewicht des Pulvers, verwendet werden kann. Es können auch
andere Typen von Schmiermitteln verwendet werden.
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Das getrocknete, mit Cr beschichtete
Pulver kann mit einem wärmehärtbaren
oder thermoplastischen Harz vor dem Pressen gemischt werden. Dies
ist insbesondere dann der Fall, wenn es erforderlich ist, dass die
fertige Komponente eine verhältnismäßig hohe
Festigkeit haben sollte.
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Die Pressstufe wird vorzugsweise
in einer konventionellen Vorrichtung bei Drucken zwischen etwa 150 und
1500 MPa durchgeführt.
Das Pressen kann bei Umgebungstemperatur oder als Warmpressen bei
erhöhter
Temperatur durchgeführt
werden.
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Ein wichtiges Merkmal der vorliegenden
Erfindung besteht darin, dass das Pulver eine hohe Kompressibilität hat und
unter Erzielung hoher Dichte gepresst werden kann. Es wurde auf
diese Weise gefunden, dass beim Pressen mit dem gleichen Druck die
Dichte des gepressten isolierten Pulvers um weniger als 0,1 g/cm3 niedriger sein kann als die Dichte des
Basispulvers (vgl. 1),
wenn die Körper
aus isolierten Pulvern hergestellt werden, die weniger als etwa
0,3 Gew.-% Cr enthalten.
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Bevorzugte Dichten der gepressten
Formkörper
gemäß der vorliegenden
Erfindung liegen oberhalb 7,2 g/cm3 und besonders bevorzugt oberhalb
7,25 g/cm3, wobei diese Dichten bei Pressdrucken
von etwa 800 MPa erhalten werden.
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Wärmebehandlungsstufe
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In der abschließenden Wärmebehandlungsstufe wird die
gepresste Komponente wärmebehandelt, um
eine Entspannung und Rekristallisation des Basismaterials zu erzielen.
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Da wichtige Änderungen der Eigenschaften
des Basismaterial-Pulvers auftreten, wenn das Material rekristallisiert,
und die weichmagnetischen Eigenschaften verbessert werden, ist es
wichtig, dass das isolierte Pulver gegen Abbau bei und oberhalb
der Rekristallisations-Temperatur beständig ist, die für die erfindungsgemäß verwendeten
Basesispulver normalerweise bei über
600°C liegt.
Vorzugsweise liegt die Temperatur bei über 620°C und am meisten bevorzugt liegt
sie zwischen 650 und 900°C.
Die Wärmebehandlung
wird vorzugsweise in einer Stufe durchgeführt. Die Wärmebehandlungsdauer kann zwischen
einigen wenigen Minuten bis zu 2 h variieren.
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Gepresster
wärmebehandelter
Formkörper
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Die erfindungsgemäß hergestellten gepressten
Formkörper
zeichnen sich durch gute weichmagnetische Eigenschaften, beispielsweise
einen Gesamtverlust von etwa 40 W/kg bei 1,5 T, 150 Hz, eine anfängliche Permeabilität von mehr
als 450, eine Koerzitivkraft von etwa 200 A/m aus. Die interessanteste
Anwendung für die
gepressten Teile ist die als Kernkomponenten in Wechselstrom-Anwendungen
bei niedrigen oder mittleren Frequenzen, worunter in diesem Zusammenhang
der Frequenzbereich von 50 Hz bis 5 kHz zu verstehen ist.
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Die Eigenschaften der erfindungsgemäß hergestellten
gepressten und wärmebehandelten
Formkörper
wurden verglichen mit den Eigenschaften von gepressten Formkörpern, die
nach dem US-Patent 4 602 957 hergestellt worden waren. Die Ergebnisse
sind in den 1 bis 5 enthalten, in denen die
Bezeichnung "Ref" für Proben
steht, die nach dem US-Patent 4 602 957 hergestellt worden sind.
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Beispiel 1
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Dieses Beispiel erläutert die
magnetischen Eigenschaften als Funktion der Wärmebehandlungs-Temperatur.
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1 kg Eisenpulver (ABC.100.30, erhältlich von
der Firma Höganäs AB, Schweden)
wurde mit einer wässrigen
Lösung
von CrO3 gemischt, um 0,1%Cr in dem fertigen
Pulver zu erzielen. Das Pulver wurde bei etwa 100°C in einem
Heizofen getrocknet, bis es vollständig trocken war. Eine Mischung
aus dem getrockneten isolierten Eisenpulver und 0,5% Kenolube®-Schmiermittel
wurde bei einem Druck von 800 MPa zu Ringkernen mit einem Außendurchmesser
von 5,5 cm, einem Innendurchmesser von 4,5 cm und einer Höhe von 0,5
cm gepresst. Die Ringkerne wurden dann 10 bis 30 min lang an der
Luft bei Temperaturen zwischen 500 und 800°C wärmebehandelt. Die magnetischen
Eigenschaften wurden bestimmt. Die 2 zeigt
die Ergebnisse von Messungen der Koerzitivkraft und die 3 zeigt die Ergebnisse von
Messungen des Gesamtverlustes bei 1 T.
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Ein Vergleich zwischen den erfindungsgemäß erzielten
Ergebnissen und einem Überzug,
der aus dem gleichen Basispulver nach dem US-Patent 4 602 957 hergestellt
worden ist, zeigt, dass der bekannte Überzug gegen Temperaturen oberhalb
etwa 600°C
nicht beständig
ist, ohne abgebaut zu werden.
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Beispiel 2
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Dieses Beispiel erläutert den
Gesamtverlust und die Permeabilität als Funktion des Konzentrationsbereiches.
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Isolierte Pulver mit einem Chrom-Gehalt
von bis zu etwa 0,3 Gew.-% Cr, bezogen auf das trockene Basispulver,
wurden wie oben hergestellt, und es wurden Ringkerne für magnetische
Messungen gepresst mit einer Mischung aus den Eisenpulvern und 0,5
Gew.-% Schmiermittel wie in Beispiel 1. Die Ringkerne wurden 10
min lang an der Luft bei 650°C
wärmebehandelt.
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Die 4 zeigt
die Ergebnisse in bezug auf die Verlust-Messungen als Funktion des
Chrom-Gehaltes des Pulvers und die 5 zeigt
die Permeabilität.
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Beispiel 3
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Dieses Beispiel erläutert den
Effekt von NaOH in der Lösung.
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NaOH wurde in einer wässrigen
Lösung
von CrO3 gelöst und mit einem hochreinen
Pulver auf Eisenbasis (ABC.100.30) gemischt. Die NaOH-Menge betrug
0,02% von 1000 g des Eisenpulvers. Nach dem Trocknen und Pressen
bei 800 MPa wurden die erhaltenen Vorpresslinge 10 min lang bei
650°C wärmebehandelt. Auf
die gleiche Weise wurde ein Bezugspulver hergestellt, jedoch ohne
Zugabe von NaOH.
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Wie aus den in der folgenden Tabelle
2 zusammengefassten Ergebnissen ersichtlich, ist die Frequenz-Stabilität (= Du
= Änderung
von μ in
dem Intervall von 1 bis 10 kHz) durch die Zugabe von NaOH beträchtlich
erhöht. Tabelle
2
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Zusammenfassung
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Die Erfindung betrifft ein Verfahren
zur Herstellung eines gepressten weichmagnetischen Pulverkern, das
die Stufen umfasst: Pressen eines Pulvers auf Eisenbasis, dessen
Teilchen durch eine Chrom enthaltende Schicht isoliert sind. Der
Pressling wird dann auf eine Temperatur von mindestens 600°C erhitzt,
um eine Entspannung und Rekristallisation des Materials auf Eisenbasis
zu erzielen.
