Verfahren zur Herstellung eines weichmagnetischen Sinterkörpers In
zahlreichen Anwendungsgebieten der Elektrotechnik werden magnetische Werkstoffe
benötigt, die möglichst kleine Hysterese-, Wirbelstrom- und Nachwirkungsverluste
aufweisen sollen. So werden z. B. bei den Massekernen für die Verwendung in der
Fernmelde- und Hochfrequenztechnik verschiedenartige elektrisch isolierende Zusätze,
unter anderem Silikate, Glimmer und Glas, zur Herabsetzung der Wirbelstromverluste
verwendet, wobei die Kerne aus den Mischungen durch Formpressen und eine anschließende
Wärmebehandlung hergestellt werden. Im allgemeinen haben diese Zusätze eine zum
Teil erhebliche Herabsetzung der Permeabilität des Werkstoffes zur Folge. Es ist
auch schon bekannt, zur Herstellung eines weichmagnetischen Sinterkörpers aus einem
weichmagnetischen Metallpulver von hoher Permeabilität isolierende Zusätze aus einem
chemisch einheitlichen Stoff in kolloidaler Form, z. B. kolloidalen Ton, Kaolin,
Mg0 oder SiO2, zu verwenden.Method for producing a soft magnetic sintered body In
Magnetic materials are used in numerous fields of application in electrical engineering
required, the smallest possible hysteresis, eddy current and aftereffect losses
should have. So z. B. in the mass cores for use in the
Telecommunication and high frequency technology various types of electrically insulating additives,
including silicates, mica and glass to reduce eddy current losses
used, the cores from the mixtures by compression molding and a subsequent
Heat treatment can be produced. In general, these additives have one to the
Part of the result is a considerable reduction in the permeability of the material. It is
also already known for the production of a soft magnetic sintered body from a
soft magnetic metal powder of high permeability insulating additives from a
chemically uniform substance in colloidal form, e.g. B. colloidal clay, kaolin,
Mg0 or SiO2 should be used.
Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zur Herstellung eines weichmagnetischen
Sinterkörpers aus einem weichmagnetischen Metall oder Legierungspulver hoher Permeabilität
mit einem Isolierstoffzusatz, der neben verhältnismäßig geringen Wirbelstromverlusten
im Vergleich zu den bisher bekanntgewordenen Massekernen eine höhere Permeabilität
aufweist. Unter »Sinterkörper« wird hier ein für die technische Verwendung fertiggeformtes
elektromagnetisches Bauelement verstanden. Bei dem Verfahren gemäß der Erfindung
wird ein Isolierstoffzusatz aus einem Gemisch von mindestens zwei isolierenden Stoffen
von kolloidaler Feinheit verwendet, und die Sinterbedingungen werden so gewählt,
daß zwischen den Komponenten eine im wesentlichen die gesamte Masse des Isolierstoffzusatzes
durchsetzende chemische Reaktion stattfindet. Die Ausgangsgröße der Teilchen des
kolloidalen Zusatzes ist kleiner als 10-s mm, vorzugsweise in der Größenordnung
von 10-s mm. Als Isolierstoffzusatz eignen sich besonders Gemische aus mindestens
zwei hochohmigen Metallverbindungen in kolloidaler Form, z. B. Gemische aus mindestens
zwei Metalloxyden, die unter den Sinterbedingungen zumindest teilweise miteinander
chemisch reagieren. Gut geeignet sind z. B. Gemische als A1203 und SiO2 oder aus
Mg0 und SiO..,. Eines der Metalloxyde kann auch ein Oxyd des verwendeten Metallpulvers
sein und z. B. durch Erhitzen des Pulvers in sauerstoff- oder wasserdampfhaltiger
Atmosphäre an der Oberfläche der Pulverkörner gebildet werden. Der Zusatz beträgt
etwa 0,5 bis höchstens 10 Gewichtsprozent. Die nach dem Verfahren der Erfindung
hergestellten Sinterkörper eignen sich auf Grund ihrer hohen Permeabilität und der
bei ihnen auftretenden geringen Wirbelstromverluste insbesondere für die Verwendung
als verlustarme Kerne, z. B. als kleine Transformatorenkerne, als Ständer oder Läufer
kleiner elektrischer Maschinen u. dgl. Derartige Kerne mußten bisher aus paketierten
gestanzten Blechen hergestellt werden.The invention relates to a method for producing a soft magnetic one
Sintered body made of a soft magnetic metal or alloy powder of high permeability
with an additional insulating material, which in addition to relatively low eddy current losses
a higher permeability compared to the previously known mass cores
having. The term “sintered body” here means one that is ready-formed for technical use
understood electromagnetic component. In the method according to the invention
is an insulating material additive made from a mixture of at least two insulating materials
of colloidal fineness are used, and the sintering conditions are chosen so
that between the components essentially the entire mass of the insulating material additive
pervasive chemical reaction takes place. The initial size of the particles of the
colloidal additive is less than 10-s mm, preferably of the order of magnitude
from 10-s mm. Mixtures of at least one are particularly suitable as an insulating material additive
two high-resistance metal compounds in colloidal form, e.g. B. Mixtures of at least
two metal oxides, which under the sintering conditions at least partially with each other
react chemically. Well suited are e.g. B. Mixtures as A1203 and SiO2 or from
Mg0 and SiO ..,. One of the metal oxides can also be an oxide of the metal powder used
be and z. B. by heating the powder in oxygen or water vapor
Atmosphere can be formed on the surface of the powder grains. The addition is
about 0.5 to at most 10 percent by weight. According to the method of the invention
Sintered bodies produced are suitable because of their high permeability and the
with them occurring low eddy current losses, especially for use
as low-loss cores, e.g. B. as small transformer cores, as stator or rotor
Small electrical machines and the like have previously had to be packaged out of such cores
stamped sheets are produced.
Der Vorteil des Verfahrens gemäß der Erfindung beruht darauf, daß
an den übergangsstellen von Korn zu Korn ein hoher elektrischer übergangswiderstand
erreicht wird, während die Permeabilität dank der nur kolloidalen Dicke der Isolierschicht
auf den einzelnen Körnern nur eine verhältnismäßig geringe Einbuße erfährt. Die
gegenseitige chemische Reaktionsfähigkeit der gemäß der Erfindung zu verwendenden
Isolierstofkomponenten, die durch den kolloidalen Zustand noch erheblich vergrößert
wird, begünstigt die Ausbildung einer zusammenhängenden kolloidalen Schicht auf
der Oberfläche der Pulverteilchen im Verlaufe des Herstellungsverfahrens und führt
überdies zu einer Erhöhung der mechanischen Festigkeit des Sinterkörpers, weil die
Schicht auch die oxydischen Oberflächen der Metallteilchen in ihren chemischen Verband
mit einbezieht.The advantage of the method according to the invention is based on the fact that
a high electrical contact resistance at the transition points from grain to grain
is achieved while the permeability thanks to the only colloidal thickness of the insulating layer
on the individual grains experiences only a relatively small loss. the
mutual chemical reactivity of those to be used according to the invention
Insulating material components, which are considerably enlarged due to the colloidal state
favors the formation of a coherent colloidal layer
the surface of the powder particles in the course of the manufacturing process and leads
moreover, to an increase in the mechanical strength of the sintered body, because the
Also layer the oxidic surfaces of the metal particles in their chemical bond
includes.
Eine weitere Begünstigung dieser Verhältnisse tritt durch die geeignete
Gestalt der Ausgangsteilchen sowie durch deren Verformung im Verlaufe des Herstellungsverfahrens
ein. Dies wird an Hand der Zeichnung erläutert, in der Gestalt und Lage der Teilchen
im fertigen Sinterkörper schematisch, Schnittebene in Preßrichtung, dargestellt
sind.A further favoring of these relationships occurs through the appropriate one
Shape of the starting particles as well as their deformation in the course of the manufacturing process
a. This is explained with reference to the drawing, in the shape and position of the particles
shown schematically in the finished sintered body, section plane in the pressing direction
are.
Die Preßrichtung p wird so gewählt, daß sie senkrecht zur magnetischen
Flußrichtung 0 bei der späteren Verwendung des Sinterkörpers liegt. Durch die Wahl
einer günstigen, z. B. plättehenförmigen Ausgangsform
und die während
des Preßverfahrens eintretende Deformierung der Ausgangsteilchen 1 wird erreicht,
daß die Wirbelströme in Preßrichtung durch eine große Anzahl elektrisch isolierender
Trennflächen 2 behindert werden, der magnetische Fluß hingegen nur durch
eine wesentlich geringere Anzahl von Unterbrechungsstellen 3, die überdies durch
die Flächen 2 großflächig überlappt sind. Die Deformierung wirkt also im
Sinne einer Erhöhung des Wirbelstromwiderstandes und einer Verringerung des magnetischen
Widerstandes und damit im Sinne einer Erhöhung der Permeabilität. Andererseits wird
beim Herstellungsverfahren dafür Sorge getragen, daß bei den verschiedenen Wärme-
und Preßbehandlungen die kolloidale Schicht nicht zerstört wird.The pressing direction p is selected so that it is perpendicular to the magnetic flow direction 0 when the sintered body is used later. By choosing a cheap, e.g. B. plättehenförmigen output shape and entering during the pressing deformation of the starting 1 is achieved that the eddy currents are impeded in the pressing direction by a large number of electrically insulating separating surfaces 2, the magnetic flux, however, only by a considerably smaller number of interruption points 3, which, moreover, by the surfaces 2 are overlapped over a large area. The deformation thus acts in the sense of an increase in the eddy current resistance and a decrease in the magnetic resistance and thus in the sense of an increase in the permeability. On the other hand, care is taken in the manufacturing process that the colloidal layer is not destroyed in the various heat and pressure treatments.
Nachfolgend wird das Herstellungsverfahren des erfindungsgemäßen Sinterkörpers
im einzelnen beschrieben: Ein weichmagnetisches Metall- oder Legierungspulver, möglichst
mit plättchenartiger Kornform, z. B. ein Weicheisenpulver mit etwa 0,3 mm mittlerer
Korngröße - plättchenförmige Pulverteilchen können bei einer Dicke bei 50 [. eine
Länge und Breite bis über 1 mm haben - wird mit Amylacetat, in welchem ein kolloidales
Gemisch aus Aluminiumoxyd und Siliziumoxyd suspendiert ist, in einem Mischer oder
in einer Kugelmühle bis zu extrem gleichmäßiger Verteilung gemischt. Darauf wird
das Amylacetat abgedampft und das Metallpulver in üblicher Weise in einer Matritze
verpreßt. Die Suspension ist so bemessen, daß der nach der Verdampfung der Suspensionslösung
verbleibende Metalloxydzusatz etwa zwei Gewichtsprozent beträgt. Die Bemessung soll
nämlich gerade ausreichend sein, daß sich bei den weiteren Bearbeitungsverfahren
eine zusammenhängende Isolierschicht um die Metallpulverkörnchen ausbilden kann;
eine Bemessung über diese Menge hinaus führt zu einer dickeren Isolationsschicht
auf den Metallpulverkörnchen und damit zu einem unnötigen Permeabilitätsverlust.
Die Weiterbearbeitung erfolgt auf die in der Sintertechnik bekannte Weise. Zweckmäßigerweise
wird der Preßling im Vakuum oder in Wasserstoffatmosphäre bei 900 bis 1100° C vorgesintert
und darauf bei 600 bis 800° C und bei 2 bis 6 t/cm2 heiß nachverdichtet oder bei
etwa 6 bis 8 t/cm2 kalt nachgepreßt. Anschließend wird der Körper einer zweiten
Sinterung oder Wärmebehandlung im Vakuum oder in Wasserstoffatmosphäre, vorzugsweise
bei 900 bis 1300° C, unterworfen. Die anschließende Abkühlung soll langsam erfolgen.The following is the manufacturing method of the sintered body of the present invention
described in detail: A soft magnetic metal or alloy powder, if possible
with platelet-like grain shape, e.g. B. a soft iron powder with about 0.3 mm middle
Grain size - flaky powder particles with a thickness of 50 [. one
Length and width up to over 1 mm - is made with amyl acetate, in which a colloidal
Mixture of aluminum oxide and silicon oxide is suspended in a mixer or
mixed in a ball mill to an extremely even distribution. On it will
the amyl acetate evaporated and the metal powder in the usual way in a die
pressed. The suspension is dimensioned so that after evaporation of the suspension solution
remaining metal oxide addition is about two percent by weight. The design should
namely just be sufficient that in the further machining process
can form a continuous insulating layer around the metal powder grains;
a dimension beyond this amount leads to a thicker insulation layer
on the metal powder granules and thus to an unnecessary loss of permeability.
Further processing takes place in the manner known in sintering technology. Appropriately
the compact is pre-sintered in a vacuum or in a hydrogen atmosphere at 900 to 1100 ° C
and then redensified at 600 to 800 ° C and at 2 to 6 t / cm2 or at
approx. 6 to 8 t / cm2 re-pressed cold. Then the body becomes a second
Sintering or heat treatment in a vacuum or in a hydrogen atmosphere, preferably
at 900 to 1300 ° C. The subsequent cooling should take place slowly.
Bei einem auf diese Weise hergestellten Sinterkörper betrugen die
Gesamtverluste, also Hysterese-, Wirbelstrom- und Nachwirkungsverluste, bei 10 000
Gauß weniger als 10 W/kg. Ohne den kolloidalen Isolierstoffzusatz belaufen sich
bei einem sonst gleichartig hergestellten entsprechenden Sinterkörper die Verluste
auf mehr als 150 W/kg.In a sintered body produced in this way, the
Total losses, i.e. hysteresis, eddy current and aftereffect losses, at 10,000
Gaussian less than 10 W / kg. Without the colloidal insulation additive add up
in the case of a corresponding sintered body otherwise produced in the same way, the losses
to more than 150 W / kg.
Die oben angegebene Naßmischung von Ausgangspulver und Isolierstoffzusatz
weist gegenüber der Trockenmischung erhebliche Vorteile auf, da sie eine wesentlich
gleichmäßigere Verteilung und besonders gute Haftung des kolloidalen Isolierstoffes
an der Oberfläche des Metallpulvers ergibt. Die Flüssigkeit, in welcher die Kolloide
als Sol oder Gel enthalten sind, kann sowohl eine organische Flüssigkeit, wie das
oben angegebene Amylacetat, oder auch Wasser sein.The above-mentioned wet mixture of starting powder and insulating material additive
has significant advantages over the dry mix, since it is an essential
more even distribution and particularly good adhesion of the colloidal insulating material
results on the surface of the metal powder. The liquid in which the colloids
contained as a sol or gel, both an organic liquid, such as the
amyl acetate given above, or water.
Es ist weiterhin vorteilhaft, Metallpulver oder Legierungspulver zu
verwenden, die neben einer hohen Permeabilität einen verhältnismäßig hohen spezifischen
Widerstand aufweisen, wodurch die Wirbelströme innerhalb der Metallteilchen herabgesetzt
werden. Aus diesem Grund ist es zweckmäßig, Metallpulver mit Siliziumgehalt zu verwenden,
wie es bisher für die Herstellung von magnetischen Sinterwerkstoffen bereits verwendet
worden ist. Bei schwer verpreßbarem Eisenpulver mit 4 bis 6% Si-Gehalt wird außer
dem Kolloidzusatz 20 bis 40% leicht verpreßbares Eisenpulver beigegeben, wodurch
das Gemisch gut preßbar wird.It is also advantageous to use metal powder or alloy powder
use which, in addition to a high permeability, have a relatively high specific
Have resistance, thereby reducing the eddy currents within the metal particles
will. For this reason, it is advisable to use metal powder with silicon content,
as it has already been used for the production of magnetic sintered materials
has been. In the case of iron powder with a Si content of 4 to 6% which is difficult to compress, except
the colloid additive added 20 to 40% easily compressible iron powder, whereby
the mixture is easy to compress.