DE19837630C1 - Verfahren zur Herstellung eines Metallpulvers mit niedriger Koerzitivfeldstärke - Google Patents

Abstract

Verfahren zur Herstellung eines Metallpulvers mit niedriger Koerzitivfeldstärke, welches zur Herstellung weichmagnetischer Preßkörper, insbesondere von Ringkernen verwendbar ist, bei welchem Verfahren das Pulver durch Zerkleinern eines ein sprödes Verhalten zeigenden Metallbandes erzeugt wird, wobei die Zerkleinerung in einer Ultrazentrifugalmühle erfolgt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Metallpulvers mit niedriger Koerzitivfeldstärke, welches zur Herstellung weichmagnetischer Preßkörper, insbesondere von Ringkernen verwendbar ist.

Solche weich- oder ferromagnetischen Preßkörper kommen be­ vorzugt in HF- und NF-Einrichtungen zum Einsatz, beispiels­ weise in Form von Ringmagneten für Filter- oder Übertrager­ einrichtungen. Neben dem Kaltpressen derartiger Körper mit organischen oder anorganischen Preßzusätzen werden diese ferromagnetischen Preßlinge bevorzugt in einem Heißpreßver­ fahren hergestellt, bei dem Temperaturen von mehreren 100°C während des Pressens eingestellt werden. Ausgangsmaterial für diese Preßkörper ist ein metallisches Pulver des weichmagne­ tischen Werkstoffs. Die magnetischen Eigenschaften dieses Pulvers sind mitentscheidend für die magnetischen Eigen­ schaften der Preßlinge. Solche Pulver werden bekanntermaßen durch Zerkleinern des in grober Form, beispielsweise in Form von Stücken von Metallbändern vorliegenden Pulvermaterials durch Mahlen hergestellt. Hierfür stehen unterschiedliche Mühlentypen mit unterschiedlichen Zerkleinerungsmechanismen zur Verfügung. Dabei führt der Zerkleinerungsprozeß durch das Einbringen von strukturellen Gefügestörungen und anderen Defekten zu einem starken Anstieg der Koerzitivfeldstärke des Metallpulvers gegenüber dem Ausgangsmaterial. Die Koerzitiv­ feldstärke nimmt mit kleiner werdender Partikelgröße des Metallpulvers in einem 1/D-Gesetz zu, was auf eine stärkere Verformung und damit vermehrte Defekte kleiner Partikel sowie auf höhere Entmagnetisierungsfelder kleiner Partikel zurück­ geführt werden kann. Da die Koerzitivfeldstärke mitbestimmend für die Größe der Hystereseverluste ist, die möglichst gering zu halten sind, sollte die Koerzitivfeldstärke des Metall­ pulvers möglichst niedrig sein. Wenngleich die bekannten Müh­ len, wie beispielsweise Schwingscheibenmühlen, Jetmühlen oder Planetenkugelmühlen eine effektive Zerkleinerung des Aus­ gangsmaterials ermöglichen, erfolgt insbesondere bei Jet- und Scheibenschwingmühlen ein intensiver Energieeintrag, welcher zu nicht ausheilbaren Defekten führen kann.

Der Erfindung liegt somit das Problem zugrunde, ein Verfahren zur Herstellung eines Metallpulvers anzugeben, welches ein schonendes Zerkleinern ermöglicht, so daß ein Metallpulver mit niedriger Koerzitivfeldstärke erhalten werden kann.

Zur Lösung dieses Problems ist bei einem Verfahren der ein­ gangs genannten Art erfindungsgemäß vorgesehen, daß das Pul­ ver durch Zerkleinern eines ein sprödes Verhalten zeigenden Metallbandes erzeugt wird, wobei die Zerkleinerung in einer Ultrazentrifugalmühle erfolgt.

Die Erfindung geht vom Einsatz der bisher hierfür verwendeten Mühlentypen ab und sieht nunmehr eine Ultrazentrifugalmühle vor, bei welcher in einem geschlossenen, einen Trichter auf­ weisenden Gehäuse ein schnelldrehender Rotor angeordnet ist, welcher in der Regel keilförmig mit den Spitzen gegeneinander gerichtete Rotorzähne aufweist. Entsprechende Ultrazentrifu­ galmühlen sind z. B. der Zeitschrift "die proben der Firma Retsch (DE), Ausgabe Nr. 9, Juni 1996, Seiten 1 bis 12, ISSN 0949-6025 zu entnehmen. Bei einem solchen Mühlentyp ge­ langt das Aufgabegut über einen Trichter direkt auf den Ro­ tor, welcher erfindungsgemäß mit 12000 bis 20000 Umdrehungen pro Minute, insbesondere mit 14000 bis 18000 Umdrehungen pro Minute rotiert. Durch die Zentrifugalbeschleunigung wird das Mahlgut nach außen geschleudert und an den keilförmigen Ro­ torzähnen zerkleinert. Die Zerkleinerung erfolgt hier wesent­ lich schonender als bei bisher bekannte Mühlentypen, wie die nachfolgend noch vorgestellten Untersuchungsergebnisse zei­ gen.

Weiterhin kommt erfindungsgemäß ein sprödes Metallband zum Einsatz. Infolge des spröden Verhaltens ist ein Aufbrechen und Zerkleinern der Metallbandstücke wesentlich einfacher möglich als bei Metallbändern, die ein elastisches oder ein weiches Verhalten zeigen, was hinsichtlich der Gestalt der Pulverpartikel ebenfalls von Vorteil ist, da sich infolge des spröden Verhaltens exaktere und sauberere Bruchkanten an den einzelnen Partikeln bilden, auch die jeweiligen Oberflächen der flakeförmigen Pulverplättchen sind wesentlich homogener, was zu verbesserten magnetischen Eigenschaften führt. Solche Ultrazentrifugalmühlen werden beispielsweise von der Fa. Retsch GmbH & Co. KG, Rheinische Straße 36, DE-42 781 Haan hergestellt.

Bei bekannten Ultrazentrifugalmühlen ist der Rotor von einem Ringsieb umgeben. Wird ein solches Ringsieb auch zum Mahlen des Metallbandes verwendet, erfolgt die Zerkleinerung der Metallbandstücke nicht nur durch Prall-, sondern auch durch Scherwirkung zwischen dem Rotor und dem feststehenden Ring­ sieb. Die Sieblochgröße des Ringsiebes bestimmt dabei in der Regel maßgeblich die Partikelgrößenverteilung des gemahlenen Pulvers. Zwischen Rotor und Ringsieb erfolgt die Feinzerklei­ nerung. Sobald die Partikel kleiner als die Lochweite des Ringsiebes sind, werden sie in den Auffangbehälter ausge­ tragen. Wenngleich auch im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens ein solches Ringsieb zum Einsatz kommen kann, hat es sich als besonders zweckmäßig erwiesen, wenn eine Ultra­ zentrifugalmühle ohne ein den Rotor umgebenden Ringsieb ver­ wendet wird. Denn aufgrund des spröden Verhaltens und der Art der Zerkleinerung am drehenden Rotor erfolgt hier bereits eine hinreichende Zerkleinerung, so daß auf eine weitere Feinzerkleinerung zwischen Rotor und Ringsieb verzichtet werden kann. D. h., der dort stattfindende mechanische Zer­ kleinerungsvorgang, welcher auch Auswirkungen auf die magne­ tischen Eigenschaften, insbesondere die Koerzitivfeldstärke der Pulverpartikel haben kann, da auch dort verstärkt Defekte erzeugt werden, entfällt, so daß die Koerzitivfeldstärke im Vergleich zu Pulvern, die unter Verwendung eines Ringsiebes gemahlen wurden, noch weiter erniedrigt werden kann. Darüber hinaus kann bei einem Betrieb der Ultrazentrifugalmühle ohne Ringsieb die Aufgabemenge pro Zeiteinheit um einen Faktor 4 bis 6 erhöht werden, was zu einer wesentlich wirtschaftliche­ ren Pulverherstellung führt.

Zur Erzielung eines spröden Verhaltens kann erfindungsgemäß das eine amorphe Struktur aufweisende Metallband vor dem Zerkleinern einer Wärmebehandlung unterworfen werden, um es teilweise in einen nanokristallinen Zustand zu überführen, oder eine Versprödung herbeizuführen, wobei noch eine rönt­ genamorphe Struktur beibehalten wird. Die nanokristalline Struktur weist ohnehin sprödes Verhalten auf, die durch die Wärmebehandlung erhaltene modifizierte amorphe Struktur ist gegenüber der anfänglichen amorphen Struktur, wie sie ohne Wärmebehandlung vorliegt, und die ein im wesentlichen ela­ stisches Verhalten zeigt, ebenfalls wesentlich spröder und zeigt ein anderes Bruchverhalten, was sich die Erfindung zunutze macht. Dabei kann die Wärmebehandlung zur Überführung in den nanokristallinen Zustand erfindungsgemäß bei einer Temperatur von 520°C bis 560°C, vorzugsweise bei 540°C er­ folgen, die Überführung in einen vorversprödeten Zustand sollte bei 280°C bis 320°C, vorzugsweise bei 300°C erfolgen.

Da das zum Pressen verwendete Pulver im Hinblick auf die magnetischen Eigenschaften ohnehin einen nanokristallinen Zustand aufweisen muß, ist die vor dem Mahlen vorgenommene Überführung in den nanokristallinen Zustand zweckmäßig. Das erhaltene nanokristalline Pulver zeigt sehr niedrige Werte der Koerzitivfeldstärke. Es hat sich jedoch als vor­ teilhaft erwiesen, wenn erfindungsgemäß das nanokristalline Pulver in wenigstens einem nachfolgenden Wärmebehandlungs­ schritt spannungsarm geglüht wird, um etwaige beim Mahlen des nanokristallinen Ausgangsmaterials erzeugte Strukturdefekte auszuheilen. Das Spannungsarmglühen sollte bei einer Tempe­ ratur zwischen 330°C und 370°C, vorzugsweise bei 350°C er­ folgen.

Für den Fall, daß ein vorversprödetes Metallband gemahlen wurde, also ein nach wie vor amorphes Pulver vorliegt, wird dieses erfindungsgemäß mittels wenigstens einem dem Mahlen nachfolgenden Wärmebehandlungsschritt in einen nanokristal­ linen Zustand überführt.

Das Metallband kann erfindungsgemäß ein metallisches Glas sein, insbesondere ein metallisches Glas auf Fe-, Co- oder Ni-Basis.

Neben dem Verfahren zur Herstellung des Pulvers betrifft die Erfindung ferner einen ferromagnetischen Preßkörper, beste­ hend aus einem wie vorbeschrieben hergestellten Metallpulver.

Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus, dem folgenden beschriebenen Ausführungs­ beispiel sowie anhand der Zeichnungen.

Fig. 1 eine Prinzipskizze zur Darstellung des Funktions­ prinzips einer Ultrazentrifugalmühle, und

Fig. 2 eine tabellarische Gegenüberstellung der Koerzitiv­ feldstärken nanokristalliner Pulver, hergestellt mit verschiedenen Mühlentypen.

Fig. 1 zeigt in Form einer Prinzipskizze die Arbeitsweise einer Ultrazentrifugalmühle. Über einen Aufgabetrichter 1 kann das Mahlgut 2, in vorliegendem Fall größere Stücke eines nanokristallinen oder röntgenamorphen Metallbandes, in das Mühleninnere aufgegeben werden. Dort ist ein Rotor 3 ange­ ordnet, welcher eine Vielzahl keilförmiger, mit ihren Spitzen zueinander gerichteter Rotorzähne 4 aufweist. Diese Zähne sind an einer Rotorplatte 5 gelagert. Das Mahlgut 2 wird nun über den Aufgabetrichter 1 unmittelbar auf den Rotor 3 ge­ geben. Dieser dreht mit sehr hoher Geschwindigkeit, vorzugs­ weise mit 14.000-18.000 Umdrehungen pro Minute. Das Mahlgut 2 wird sofort in Folge der wirkenden Zentrifugalkräfte nach außen geschleudert und an den inneren Kanten der Rotorzähne 4 zerkleinert.

Wie Fig. 1 ferner im linken Teil zeigt, kann ein den Rotor umgebendes Ringsieb 6 vorgesehen sein. Die bereits an den Rotorzähnen zerkleinerten Pulverpartikel werden in diesem Fall zwischen Rotor und Ringsieb nochmals fein zerkleinert, wobei die Sieblochgröße in der Regel maßgeblich die Parti­ kelgrößenverteilung des gemahlenen Pulvers bestimmt. Sobald die Partikel kleiner als die Lochweite des Ringsiebes 6 sind, werden sie in den Auffangbehälter 7 ausgetragen. Im rechten Abschnitt in Fig. 1 ist dieses Ringsieb 6 nicht gezeigt, d. h., die Ultrazentrifugalmühle kann auch ohne Ringsieb ver­ wendet werden, was zur Erzielung sehr niedriger Koerzitiv­ feldstärken von Vorteil ist, da der zwischen Rotor und Ring­ sieb vorgenommene mechanische Zerkleinerungsschritt, welcher insbesondere beim Mahlen nanokristallinen Materials zu Struk­ turdefekten führt, die in einer höheren Koerzitivfeldstärke resultieren, entfällt.

Fig. 2 zeigt in Form einer Tabelle eine Gegenüberstellung der Koerzitivfeldstärken von nanokristallinen Pulvern, herge­ stellt mit verschiedenen Mühlentypen. Untersucht wurde je­ weils ein im Meltspinverfahren hergestelltes Metallband, welches vor dem Zerkleinerungsprozeß durch Wärmebehandlung in den nanokristallinen Zustand überführt wurde. Das Material mit der Bezeichnung Vitroperm® ist ein metallisches Glas auf Fe-Basis mit der Zusammensetzung Fe_73,5Cu₁Nb₃Si_15,5B₇.

Untersucht wurden vier verschiedene Mühlentypen, nämlich eine Scheibenschwingmühle, eine Jetmühle, eine Planetenkugelmühle sowie eine Ultrazentrifugalmühle mit und ohne Ringsieb. An­ gegeben sind die Koerzitivfeldstärken für Pulver unterschied­ licher Siebungen. Die gezeigten Meßwerte der mit der Schei­ benschwingmühle und der Jetmühle erhaltenen Pulver wurden einer Diplomarbeit von Andre Novy "Nanokristalline weich­ magnetische Pulver und Pulverkerne", Universität Dresden, hinterlegt am 15.9.1997 entnommen.

Wie der Tabelle zu entnehmen ist, zeigen insbesondere die in der Scheibenschwingmühle und der Jetmühle gemahlenen Pulver sehr hohe Koerzitivfeldstärken, wobei die Koerzitivfeldstärke um so größer ist, je kleiner die Korngröße ist. Dies hängt mit dem stärkeren pinning der Domänenwände bei kleinen Korn­ größen im Vergleich zu größeren Körnern zusammen.

Die erhaltenen Koerzitivfeldstärkewerte des mit der Planeten­ kugelmühle gemahlenen Pulvers sind demgegenüber wesentlich niedriger. Die Koerzitivfeldstärkewerte des Pulvers, das in der Ultrazentrifugalmühle mit einem Ringsieb mit einer Lo­ chung von 0,25 mm gemahlen wurde, zeigt ähnliche Werte wie das Pulver der Planetenkugelmühle. Die niedrigsten Werte je­ doch zeigt das in der Ultrazentrifugalmühle ohne Sieb gemah­ lene Pulver. Diese Werte liegen deutlich unterhalb der Werte anderer Pulver, und zwar betreffend jeden Korngrößenbereich. Die niedrigsten Werte werden für Pulver mit Korngrößen zwischen 100-200 µm erzielt. Pulver dieser Größe und größer werden aber in zunehmendem Maß zur Herstellung der Preßkörper verwendet, da große Metallpartikel verbesserte magnetische Eigenschaften wie beispielsweise höhere Permeabilitäten auf­ weisen. Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren können also Pulver mit extrem niedrigen Koerzitivfeldstärken im Bereich der interessierenden Korngrößen hergestellt werden, so daß Preßlinge mit hervorragenden magnetischen Eigenschaften hergestellt werden können.

Claims (11)

1. Verfahren zur Herstellung eines Metallpulvers mit niedriger Koerzitivfeldstärke, welches zur Herstellung weichmagnetischer Preßkörper, insbesondere von Ringkernen verwendbar ist, bei welchem Verfahren das Pulver durch Zerkleinern eines ein sprödes Verhalten zeigenden Metall­ bandes erzeugt wird, wobei die Zerkleinerung in einer Ultrazentrifugalmühle erfolgt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß eine Ultrazentrifugalmühle ohne einem den Rotor umgebenden Ringsieb verwendet wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Rotor der Ultrazentri­ fugalmühle mit 12000 bis 20000 Umdrehungen pro Minute, ins­ besondere mit 14000 bis 18000 Umdrehungen pro Minute rotiert.

4. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß zur Erzielung eines spröden Verhaltens das eine amorphe Kristallkonfigura­ tion aufweisende Metallband vor dem Zerkleinern einer Wärme­ behandlung unterworfen wird, um es weitgehend in einen nano­ kristallinen Zustand zu überführen, oder um eine Vorversprö­ dung zu erzeugen.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Wärmebehandlung zur Überführung in den nanokristallinen Zustand bei einer Temperatur von 520°C bis 560°C, vorzugsweise bei 540°C, und die Überführung in eine röntgenamorphe Struktur bei 280°C bis 320°C, vorzugs­ weise bei 300°C erfolgt.

6. Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, dadurch ge­ kennzeichnet, daß das durch Mahlen des nano­ kristallinen Metallbandes erzeugte nanokristalline Pulver in wenigstens einem nachfolgenden Wärmebehandlungsschritt span­ nungsarm geglüht wird.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das Spannungsarmglühen bei einer Tem­ peratur zwischen 330°C und 370°C, vorzugsweise bei 350°C er­ folgt.

8. Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, dadurch ge­ kennzeichnet, daß das durch Mahlen des röntgen­ amorphen Metallbandes erzeugte amorphe Pulver mittels wenig­ stens einem Wärmebehandlungsschritt in einen nanokristallinen Zustand überführt wird.

9. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß das Metallband ein metallisches Glas ist.

10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch ge­ kennzeichnet, daß ein metallisches Glas auf Fe-, Co- oder Ni-Basis verwendet wird.

11. Ferromagnetischer Preßkörper, bestehend aus einem nach einem der vorangehenden Ansprüche hergestellten Metallpulver.