DE2815897A1

DE2815897A1 - Mehrschichten-kopfkern und verfahren zu seiner herstellung

Info

Publication number: DE2815897A1
Application number: DE19782815897
Authority: DE
Inventors: Toshiharu Hoshi; Kenzaburo Iijima; Tekeo Sata; Masayuki Tkamura; Tomoo Yamagishi
Original assignee: Nippon Gakki Co Ltd
Current assignee: Yamaha Corp
Priority date: 1977-04-13
Filing date: 1978-04-12
Publication date: 1978-11-09
Also published as: GB1604262A; DE2815897C2; JPS6113285B2; US4242711A; US4383856A; JPS53127707A

Description

Beschreibung

Die Erfindung betrifft einen verbesserten Hehrschichten-Kopfkern und ein Verfahren zu seiner Herstellung; sie betrifft insbesondere Verbesserungen an einem Mehrschichten-Eopfkern, der für Magnetköpfe in magnetischen Tonaufzeichnungs- und -x-jiedergabevorrichtungen, magnetischen Videoaufzeichnungsund -iviedergabevorrichtungen und dergleichen verwendet wird, sowie ein verbessertes Verfahren für die Herstellung eines solchen Kopfkerns»

Das magnetische Material für Kopfkerne muß im allgemeinen eine hohe magnetische Permeabilität und eine hohe Abriebsbeständigkeit besitzen bei gleichseitig geringeren Wirbelstromverlust en in dem Hochfrequenzbereich von elektrischem Strom. Eine verhältnismäßig hohe Permeabilität bei einem solchen Material führt jedoch zu einem erhöhten Wirbelstromverlust in dem Hochfrequenzbereich, vrenn dieses für Kopfkerne verwendet wird, die zu einer geringeren effektiven Permeabilität führen«,

Um diese Abnahme der effektiven (wirksamen) Permeabilität zu vermeiden, wurde bereits \^rorgeschlagen, eine Vielzahl von dünnen Schichten aus einem magnetischen Material, wie z. B. Permalloy, und eine Vielzahl von Schichten aus einem isolierenden Material alternierend aufeinander aufzubringen zur Herstellung von Mehrschichten-Kopfkernen. Zu diesem Zweck wird das konventionelle magnetische Legierungsmaterial, wie z. B. die Permalloy, zuerst einer Kaltbearbeitung unterworfen zur- Herstellung von dünnen Schichten in der Form des Kopfkerns, und eine Vielzahl von solchen dünnen Schichten wird

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mittels eines Klebstoffes miteinander verbunden, wobei je weils dazwischen Schienten aus einem isolierenden Material angeordnet Vier den, zur Herstellung einer Kopfkern-Struktur.

In jüngster Zeit werden die Anforderungen an den Kopfkern immer höher und es wurden neue magnetische Legierungsmaterialien, wie z. B. Sendustalloy und Alpermalloy, für die mögliche Verwendung für Kopfkerne entwickelt. Diese neuen Legierungen weisen nämlich ausgezeichnete Eigenschaften als magnetische Kopfkernmaterialien auf, aufgrund der schlechten Bearbeitbarkeit dieser Legierungen ist es jedoch sehr schwierig, die Legierungen bei geringen Herstellungskosten zu dünnen Schichten zu verarbeiten.

Ziel der vorliegenden Erfindung ist es daher, einen Mehrschichten-Kopfkern anzugeben, der eine hohe wirksame (effektive) Permeabilität bei verhältnismäßig geringen Wirbelstromverlusten in dem Hochfrequenzbereich aufweist. Ziel der Erfindung ist es ferner, ein Verfahren zur Herstellung eines solchen ausgezeichneten Mehrschichten-Kopfkerns anzugeben, mit dessen Hilfe es möglich ist, einen solchen Kopfkern auch aus schwer zu bearbeitenden magnetischen Materialien, wie Sendustalloy und Alpermalloy, die für die Kaltbearbeitung völlig ungeeignet sind, herzustellen.

Gegenstand der Erfindung ist ein Mehrschichten-Kopfkern, der gekennzeichnet ist durch eine Vielzahl von Metallkomponentenschichten und eine Vielzahl von isolierenden Komponentenschichten, die alternierend übereinander angeordnet sind, wobei die Metallkomponentenschichten durch mindestens eine Metallverbindungszwischenschicht miteinander verbunden sind.

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Bei dem einen weiteren Gegenstand der Erfindung bildenden Herstellungsverfahren werden eine Vielzahl-von Schichten aus einem metallischen Material und eine Vielzahl von Schichten aus einem isolierenden Material alternierend übereinandergelegt und aneinander befestigt, wobei die pulverförmigen Metallmaterialschichten durch mindestens eine pulverförmige Metallverb indungs zwischenschicht miteinander verbunden werden, wobei die Metallmaterialschichten und die isolierenden Materialschichten verdichtet (zusammengepreßt) werden zur Herstellung einer zusammengepreßten Mehrschichten-Struktur, und die dabei erhaltene zusammengepreßte Mehrschichten-Struktur anschließend gesintert wird.

Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. Ί eine Seitenschnitt ansieht einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Mehrschichten-Kopfkerns;

Fig. 2A bis 2C Seitenschnittansichten, welche die Arbeitsstufen bei einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung des in Fig. 1 gezeigten Kopfkerns erläutern;

Fig. JA bis 3C Seitenschnittansichten, welche die Arbeitsstufen bei einer anderen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung des in Fig. 1 gezeigten Kopfkerns erläutern;

Fig. 4-A und 4-B Seitenschnittansichten, welche die Arbeitsstufen bei einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung des in Fig. 1 gezeigten Kopfkerns erläutern;

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Fig. 5-Λ- "und 5B Seitenschnittansichten -und erläuternde ebene Draufsichten auf ein Kopfkern-Teststück, wie es in den Beispielen verwendet wird, in denen die Herstellung unter Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens durchgeführt wurde;

Fig. 6 ein Diagramm, welches die Beziehung zwischen der wirksamen (effektiven) Permeabilität des Teststückes und der Frequenz des an die Teststücke angelegten elektrischen Stromes erläutert, die bei verschiedenen Beispielen erhalten wurde, in denen Sendustalloy für die Herstellung der Metallkomponentenschichten verwendet wurde;

Fig. 7 eine Seitenschnittansicht eines Kopfkern-TestStückes, wie es in den Beispielen verwendet wurde, mit dem das erfindungsgemäße Kopfkern-Teststück verglichen wurde;

Fig. 8 ein Diagramm, welches die Beziehung zwischen der wirksamen (effektiven) Permeabilität und dem Querschnittsoberflächenverhältnis in % der isolierenden Komponentenschichten in einem Teststück bei einer festen Frequenz des an das Teststück angelegten . elektrischen Stromes erläutert, wobei zur Herstellung der Metallkomponentenschichten Sendustalloy verwendet wurde;

Fig. 9 ein Diagramm, welches die Beziehung zwischen der charakteristischen Zunahme der wirksamen Permeabilität und dem Querschnittsoberflächenverhältnis in % der isolierenden Komponentenschichten in einem Teststück bei einer festen Frequenz des an das Teststück angelegten elektrischen Stromes erläutert, wobei zur Herstellung der Metallkomponentenschichten Sendust-

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- ίο -

alloy verwendet wurde;

Pig. ΊΟ ein Diagramm, welches die Beziehung zwischen der wirksamen Permeabilität des Teststückes und der Frequenz des an die Teststücke angelegten elektrischen Stromes in verschiedenen Beispielen erläutert, ir. denen zur Herstellung der Metallkomponentenschichten Alpermalloy verwendet wurde;

S¹Ig. 11 ein Diagramm, welches die Beziehung zwischen der v/irksamen Permeabilität und dem Querschnittsoberflächenverhältnis in % der isolierenden Komponentenschichten in einem Teststück bei einer festen Frequenz des an das Teststück angelegten elektrischen Stromes erläutert., wobei zur Herstellung der Hetallkomponentenschichten Alpernialloy verwendet wurde; und

Fir;. 12 ein Diagramm, welches die Beziehung zwischen der charakteristischen Zunahme der wirksamen Permeabilität und dem Querschnittsoberflächenverhältnis in '/o der isolierenden Komponentenschichten in dem Teststück bei einer festen Frequenz des an das Teststück angelegten elektrischen Stromes erläutert, wobei zur Herstellung der Metallkomponentenschichten Alpermalloy verwendet wurde.

Zur Herstellung von Kopfkernen mit ausgezeichneten Eigenschaften, insbesondere aus schwer zu bearbeitenden magnetischen Legierungsmaterialien, wurden verschiedene Tests durchgeführt, in deren Verlauf sich die Anwendung der Pulvermetallurgie als wirksam erwiesen hat.

Bei der Anwendung der Pulvermetallurgie auf die Herstellung

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von laminierten (schichtenförmigen) Kopfkernen werden die folgenden Stufen selektiv angewendet: pulverförmige metallische Materialien und pulverförmige isolierende Materialien werden alternierend (abwechselnd) aufeinander aufgebracht, die dabei erhaltenen schichtenförmigen Materialien werden verdichtet (gepreßt) zur Herstellung einer komprimierten Mehrschichten-Struktur und die dabei erhaltene komprimierte Mehrschichten-Struktur wird einer Sinterung unterworfen; jede der Schichten aus dem pulverförmigen metallischen Material und dein pulverförmigen isolierenden Material wird vorverdichtet, bevor eine andere Schicht darauf aufgebracht wird, diese Schichten werden miteinander verbunden unter Bildung einer Mehrschichten-Struktur und die dabei erhaltene Mehrschichten-Struktur wird einer Sinterung unterworfen; die pulverförmigen Materialien werden gepreßt zur Herstellung einer Reihe von getrennten Schichten, die getrennten Schichten werden aufeinandergelegt zur Herstellung einer Mehrschichten-Struktur und die Mehrschichten-Struktur wird gepreßt und verdichtet und dann einer Sinterung unterworfen. Da das isolierende Material eine ausreichende Beständigkeit gegen die Anwendung von Druck während des Sinterverfahrens haben muß, ist es ganz unmöglich, übliche isolierende Materialien, wie z. B. Kunstharze oder Kautschuke, zu verwenden. Als Ersatz wird vorgeschlagen, isolierende Materialien, wie Aluminiumoxid, Magnesiumoxid und Siliciumdioxidglas,zu verwenden. In diesem Falle sind jedoch die Sintertemperaturen für diese Oxide verhältnismäßig hoch und sie liegen innerhalb eines Bereiches von I7OO bis 3000°C, während die Sintertemperaturen der magnetischen Legierungen verhältnismäßig niedrig sind und im allgemeinen innerhalb des Bereiches von einigen Hundert ⁰C bis 1500⁰C liegen. Deshalb können dann, wenn die Sinterung bei den Sintertemperaturen der Legierungen durchgeführt wird, Oxidpulver in den

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isolierenden Schichten nicht gut gesintert werden. Es wird nur eine mecnanische Kupplung zwischen den-Oxidpulvern in den isolierenden Schichten und zwischen den Oxidpulverschichten (isolierenden Schichten) und den Metallschichten erzielt. Diese schwache Kupplung führt zu schwerwiegenden Problemen, wie z. B. zur Entwicklung von Rissen in den Oxidpulverschichten und zur Trennung zwischen den Metallschichten.

Wenn dagegen das Sintern bei der Sintertemperatur der isolierenden Materialien durchgeführt wird, beginnen die Metallpul-

schicftten

ver in den Legierungs- zu schmelzen, so daß die Mehr Schichten-Struktur ihre Form nicht beibehalten kann. Aus diesem Grunde gibt es keine andere Möglichkeit als die Sinterteniperatur der Legierungen anzuwenden, um das Sintern der Mehrschichten-Struktur durchzuführen.

Diese Lösung ist noch von einer anderen Störung begleitet. Das Wärmeausdehnungsvermögen der vorstehend beschriebenen Oxide ist verhältnismäßig gering und liegt innerhalb des Bereiches von 0,1 bis 4- χ 10" /⁰C, während das Wärmeausdehnungsvermögen der vorstehend beschriebenen Legierungen verhältnismäßig groß ist und innerhalb des Bereiches von 5 bis 30 χ 10"V⁰C liegt. Dieser große Unterschied in bezug auf das Warmeausdehnungsvermögen zwischen beiden Materialien scheint die Entwicklung von Rissen in den isolierenden Schichten in der Mehrschichten-Struktur während der Abkühlung nach dem Sintern zu verursachen. Die Entwicklung solcher Risse in den isolierenden Schichten führt unvermeidlich zu einer Trennung zwischen den Legierungsschichten. Die Eliminierung dieser oben erwähnten Störung führte zu den nachfolgend beschriebenen bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung.

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Eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Mehrschichten-Kopfkernes isv in der Fig. 1 dargestellt, in welcher der Kopfkern 1 aus einer "Vielzahl von Metallkomponentenschichten 3 und einer Vielzahl von isolierenden Komponentenschichten 5 besteht, die alternierend übereinander liegen. Die Metallkomponentenschichten 3 sind in einem Körper durch eine metallische Verbindungszwischenschicht 7 miteinander verbunden, die sich entlang der Iängsrichtung der Metallkomponentenschichten erstreckt, so daß sie die Komponentenschichten 3 und 5 innen umfaßt. Das heißt, wenn die Komponentenschichten 3 und 5 die Form von dünnen kreisförmigen Scheiben oder von dünnen Eingen haben, wird die verbindende Zwischenschicht 7 auf den äußeren Umfangsabschnitt des Kopfkernes 1 aufgebracht. Wenn jedoch die Komponentenschichten 3 und 5 die Form von dünnen Ringen haben, kann die Verbindungszwischenschicht 7 auch auf den inneren Umfangsabschnitt aufgebracht werden. In diesem Falle kann nur eine Verbindungszwischenschicht 7 auf den inneren Umfangsabschnitt aufgebracht werden. Gemäß einer weiteren Variante kann die Verbindungszwischenschicht 7 den zentralen Abschnitt des Kopfkerns 1 vollständig ausfüllen. Es ist nur stets erforderlich, daß die Metallkomponentenschichten 3, welche sandwichartig die isolierenden Komponentenschichten 5 einschließen, in einem Körper fest miteinander verbunden sind über die Verbindungszwischenschicht(en) 7·

Die vorliegende Erfindung ist anwendbar auf Kopfkerne aus beliebigen ^magnetischen Metallmaterialien, mit besonderem Vor-/jedoch anwendbar auf schwer zu bearbeitende magnetische metallische Materialien, wie Sendust- und Alpermalloy-Materialien. Unter dem hier verwendeten Ausdruck "schwer zu bearbeitende magnetische metallische Materialien" sind zu verstehen die magnetischen metallischen Materialien, die

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verhältnismäßig leicht einer Warmbearbeitung unterzogen v/erden können, sich jedoch nur verhältnismäßig schwer kalt bearbeiten lassen. Bei der hier verwendeten "Sendustalloy" handelt es sich um eine Legierung, die aus 0,001 bis 8,0 Gew.% eines oder mehrerer Elemente, die ausgewählt werden aus der Gruppe: 0,01 bis 6,0 Gew.% Nb, 0,1 bis 5,0 Gew.% Mo, 0,1 bis 5,0 Gew.% Ti, 0,1 bis 7,0 Gew.% Cr, 0,1 bis 5,0 Gew.% V, 0,1 bis 7,0 Gew.% Ni, 0,05 bis 6,0 Gew.% Cu, 0,1 bis 5,0 Gew.% V, 0,1 bis 5,0 Gew.% Ta, 0,1 bis 5,0 Gew.% Ge, 0,1 bis 5,0 Gew.% Hf, 0,1 bis 5,0 Gew.% Zr, 0,01 bis 3,0 Gew.% Seltene Erde(n), 0,1 bis 5,0 Gew.% Mn, 0,001 bis 0,5 Gew.% P, 0,01 bis 5,0 Gew.% Y, 0,001 bis 0,5 Gew.% B, 0,1 bis 5,0 Gew.% Ti und 0,1 bis 5,0 Gew.% Pb; 3 bis 8 Gew.% Al; 3 bis 12 Gew.% Si und zum Rest aus Eisen besteht. Die hier verwendete "Alpermalloy" besteht aus 16 Gew.% Al und zum Rest aus Fe. Bei der Sendustalloy und der Alpermalloy handelt es sich bekanntlich um magnetische Materialien mit hohen Anfangs- und Maximalpermeabilitäten, einer extrem hohen Härte und einer ausgezeichneten Abriebsbeständigkeit.

Die isolierenden Schichten 5 bestehen aus Materialien mit einer ausreichenden Uärmebeständigkeit bei der Sintertemperatur des für die Herstellung der Metallkomponentenschichten 3 verwendeten magnetischen Metallmaterials. Erfindungsgemäß können z. B. mit Vorteil Oxide, wie Aluminiumoxid, Magnesiumoxid und Siliciumdioxidglas, verwendet werden.-

Die Verbindungszwischenschicht 7 kann aus einem metallischen Material bestehen, das entweder das gleiche ist oder ähnlich ist oder verschieden ist von demjenigen, wie es für die Herstellung der Metallkomponentenschichten 3 verwendet worden ist. Es ist nur erforderlich, daß in dem (den) Metall-

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material (ien) für die Schichten. 3 "und 7 die Met allpul ve vt eilchen fest genug miteinander verbunden sind- als Folge der Sinterung, so daß keine nachteiligen physikalischen und chemischen Einflüsse auf die dabei erhaltenen Metallschichten während der praktischen Verwendung des Kopfkerns und kein Hindernis für die glatte Bearbeitung des Kopfkerns entstehen. So können die Komponentenschichten beispielsweise aus Sendustalloy-Pulver bestehen und die Verbindungszwischenschichten können aus Eisenpulver bestehen.

Eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung des Kopfkerns mit der vorstehend beschriebenen Struktur gemäß der Erfindung ist in den Fig. 2A bis 2C dargestellt, bei denen angenommen wird, daß der herzustellende Kopfkern eine säulenförmige Gestalt hat. Zum Pressen (Verdichten) wird eine am Boden verschlossene zylindrische Form 11 hergestellt. In die Form 11 wird Metallpulver eingefüllt und darin verteilt bis zu einer vorgeschriebenen Tiefe zur Herstellung der ersten Metallpulverschicht 13a» wie in Fig. 2A dargestellt. Anschließend wird eine ringförmige Maske 14 auf die obere Oberfläche der ersten Metallpulverschicht 13a aufgelegt. Der äußere Durchmesser der Maske 14 ist vorzugsweise gleich dem Innendurchmesser der zylindrischen Form, der Innendurchmesser der Maske 14 ist vorzugsweise gleich dem Außendurchmesser der zuletzt beschriebenen ersten isolierenden Schicht und die Dicke der Maske 14 ist gleich der Tiefe der ersten isolierenden Schicht. Nach dem Auflegen der Maske 14 wird ein isolierendes Materialpulver in den durch die Maske 14 begrenzten Hohlraum bis zu einer vorgeschriebenen Tiefe, d. h. bis zur Dicke der Maske 14, eingefüllt und darin verteilt zur Herstellung der ersten isolierenden Pulverschicht 15a, wie in Fig. 2B dargestellt. Nach der Entfernung

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der ringförmigen Maske 14- wird erneut Hetallpulver bis zu einer vorgeschriebenen Tiefe in die Form 11 eingefüllt und darin verteilt zur Herstellung der zv/eiten Metallpulverschicht 13b. Durch dieses Auffüllen wird der ringförmige Hohlraum, der vorher durch die ringförmige Maske 14- besetzt war, auch durch das Metallpulver ausgefüllt. Auf diese Weise werden die erste und die zweite Metallpulverschicht 13a und 13b durch eine zylindrische Metallpulverschicht 17 miteinander verbunden, wie in Fig. 2C dargestellt, während die erste isolierende Pulverschicht 15a sandwichartig davon eingeschlossen wird.

Durch Wiederholung des vorstehend beschriebenen Verfahrens entsteht eine Mehrschichten-Zwischenprodukt-Struktur in der zylindrischen Form 11, in der eine Vielzahl von ebenen isolierenden Pulverschichten und eine Vielzahl von ebenen Metallpulverschichten alternierend übereinanderliegen, während die zuletzt genannten Schichten wechselseitig in einem Körper durch die zylindrische Metallpulverschicht miteinander verbunden xverden. Nach Beendigung des vorstehend beschriebenen Auf einander auf bringens vjlrä eine geeignete Verdichtung, beispielsweise unter Anwendung einer bekennten hydrostatischen Presse, die man auf die Mehrschichten-Zwischenprodukt-Struktur innerhalb der Form 11 einwirken läßt, durchgeführt, wobei man eine Mehrschichten-Struktur erhält, die für den in Fig. 1 dargestellten magnetischen Kopfkern verwendbar ist.

Eine modifizierte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Herstellungsverfahrens ist in den Fig. 3A bis 3C dargestellt, in denen eine ähnliche zylindrische Form 11 als Presse verwendet wird. In diesem Falle ist die Herstellung der ebenen Metallpulverschichten und der zylindrischen Metallpulverschicht im

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wesentlichen die gleiche wie sie "bei der vorstehend beschriebenen Ausxührungsform angewendet worden ist. Das Metallpulver wird in die Form 11 bis zu einer vorgeschriebenen Tiefe eingefüllt und darin verteilt zur Herstellung der ersten Metallpulverschicht 23e, wie in Fig. 3A dargestellt. In diesem Falle wire keine Maske zum Aufbau der isolierenden Schicht verwendet. Als Ersatz werden Platten aus einem isolierenden Material getrennt geformt unter Anwendung eines geeigneten vorherigen Prescens» Eine Platte 25a aus dem isolierenden Material wird auf die obere Oberfläche der ersten Metallpulverschicht 2Ja aufgelegt, wie in Figo JB gezeigt. Nach dem richtigen Auflegen der ersten Platte 25a aus isolierendem Material wird wiederum Metallpulver in die Form 11 bis zu einer vorgeschriebenen Tiefe eingefüllt und darin verteilt zur Herstellung der zweiten Metallpulverschicht 23b_o Durch dieses Einfüllen wird der die erste isolierende Platte 25a umgebende ringförmige Hohlraum auch durch das Metallpulver gefüllt. Auf diese V/eise stehen die erste und die zweite Metallpulverschicht 23a und 23b über eine zylindrische Metallpulverschicht 27 miteinander in Verbindung, wie in Fig. 3C dargestellt, während die erste isolierende Platte 25a sandwichartig davon umgeben wird.

Durch Wiederholung des vorstehend beschriebenen Verfahrens entsteht eine Mehrschichten-Zwischenprodukt-Struktur in der zylindrischen Form 11, in der eine Vielzahl von ebenen isolierenden Platten und eine Vielzahl von ebenen Metallpulverschichten alternierend übereinanderliegen, während letztere in einem Körper durch die zylindrische Metallpulverschicht wechselseitig miteinander verbunden sind. Nachdem das vorstehend beschriebene Aufeinanderaufbringen beendet ist, läßt man eine geeignete Presse, z. B. eine bekannte hydrostatische

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Fresse j auf die Mehrscbichten-Zwischenprodukt-Struktur innerhalb der Fora einwirken z-ur Herstellung einer Kehrschichben-Struktur₅ die für den in Figo 1 dargestellten magnetischen !topfkern verwendbar ist_o Das Pressen kann jedesmal nach dem Einfüllen des Ee-tallpulvers angewendet werden.

Eine weitere modifizierte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Herstellungsverfahrens ist in den Fig. 4-A und 4B dargestellt, in denen eine ähnliche zylindrische Form 11 sura Pres-SSiI verwendet wird_o In diesem Falle wird eine Mehrschichten-Zwischenprodulct-Struktur getrennt hergestellt durch geeignetes vorhergehendes Pressen_o Diese Mehrschichten-Zwischenproäukt-Struktur umfaßt eine Vielzahl von Metallschichten 33 und eine Vielzahl von isolierenden Schichten 35» die alternierend ubereinandergelegt und in einem Körper miteinander verbunden sind. Die Mehrschichten-Zwischenprodukt-Struktur wird in der Fora in die richtige Position gebracht, wie in Fig. 4-Λ dargestellt, wobei ein zylindrischer Hohlraum um diese herum frei bleibt;. Danach wird Metallpulver in den vorstehend beschriebenen zylindrischen Hohlraum bis zu der Höhe der oberen Oberfläche der Mehrschichten-Zwischenprodukt-Struktur eingefüllt und darin verteilte Auf diese Weise werden die Metallschichten 33 in der Mehrschichten-Zwischenprodukt-Struktur über eine zylindrische Metallpulverschicht 37 miteinander verbunden, wie in Fig. 4-B dargestellt. Nachdem das vorstehend beschriebene Auffüllen beendet ist, wird eine geeignete Presse, z. B. eine bekannte hydrostatische Presse, angewendet sur Herstellung einer Mehrschichten-Struktur, die für den in Fig. 1 dargestellten magnetischen Kopfkern verwendbar ist.

Zum Pressen der Mehrschichten-Zwischenprodukt-Struktiir wird zweckmäßig eine bekannte hydrostatische Presse verwendet, in

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der eine Kautschukpresse eingesetzt wird. In diesen Falle wird empfohlen, das Pressen mehrmals zu wiederholen und vorzugsweise zwischen dem Fressen zu glühen, wobei man eine komprimierte Kehrschichten-Struktur mit einer extrem hohen Dichte erhält.

Anschließend wird die komprimierte Mehrschichten-Struktur gesintert. Die Sinterbedingungen, wie z. B. die Sintertemperatur und die Sinterzeit, v/erden in Abhängigkeit von den physikalischen Eigenschaften des Metallpulvers ausgewählt. Wenn beispielsweise als Metallmaterial Senduste.7J oy verwendet wird, sollte die Sintertemperatur innerhalb des Bereiches von 900 bis 1350⁰C liegen und die Sinterzeit sollte innerhalb des Eereiches von 30 bis 600 Minuten liegen. Als Gasatmosphäre während des S inte ms wendet man vorzugsweise ein hohes Luftvaku/ur. von 10~ mmHg oder weniger, Wasserst off gas mit einesi C'eup-ur-kt von -30⁰C oder weniger oder ein Inertgas mit einen Teupurikt von -35°C oder weniger an.

Bei Verwendung der Alpermalloy als Metallmaterial sollte die Cinterteurperatur vorzugsweise innerhalb des Bereiches von 800 bis 14OG⁰C liegen und die Sinterzeit sollte innerhalb des Bereiches von 30 bis 600 Minuten liegen. Beim Sintern kann vorzugsweise ale Gasatnosphäre V/asserstoffgas mit einem Taupunkt von -30°Ü oder weniger oder ein Inertgas mit einem Taupunkt von -35°C oder weniger angewendet werden.

V/erm die ßiajtei'-teiriperatuj· unterhalb 800⁰C liegt, kann keine ideale Sinterung durchgeführt werden. Jede Sintertemperatur, die 14OO⁰C überschreitet, kann zu einem Schmelzen der Komponentenschichten führen. Wenn die Taupunkte der vorstehend angegebenen Gase die oben angegebenen Grenzwerte übeiⁿsteigen,

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werden durch, eine mögliche Oxidation des Materials die magnetischen Eigenschaften des erhaltenen Kopfkerns stark verschlechtert.

Eine Sinterzeit von weniger als 30 Minuten gewährleistet keine erfolgreiche Sinterung, während eine Sinterzeit von mehr als 600 Minuten wirtschaftlich, unvorteilhaft ist.

Durch Anwendung des Sinterns werden die Teilchen des Metallpulvers oder der Metallpulver gesintert und in Form eines Körpers miteinander verbunden. Dank der verstärkten Bindung zwischen den Metallteilchen tritt keine Trennung zwischen den Metallkomponentenschichten auf, auch wenn während des Sinterns, beim Abkühlen nach dem Sintern und beim später erfolgenden Schleifen und Abreiben Risse in den isolierenden Komponentenschichten entstehen.

Die Erfindung wird durch die folgenden Beispiele näher erläutert, ohne jedoch darauf beschränkt zu sein.

Beispiel 1

Eine Sendustalloy, bestehend aus 9,7 Gew.% Si, 5,5 Gew.% Al, 1,0 Gew.% Ti und zum Rest aus Eisen, wurde als Metallpulver verwendet, während Siliciumdioxidpulver (SiOo-PuIver) als isolierendes Material verwendet wurde. Eine am Boden geschlossene zylindrische Metallform wurde zum Pressen mit einer äußeren und einer inneren ringförmigen Maske zur Herstellung der isolierenden Pulverschichten verwendet. Beide Pulver wurden abwechselnd eingefüllt, wobei bei jedem Einfüllen Druck angewendet wurde. Die dabei erhaltene komprimierte

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Mehrschichten-Struktur hatte eine zylindrische Form mit einem Innendurchmesser von 6 mm und einem Außendurchmesser von 10 mm und sie umfaßte vier Metallpulverschichten und drei isolierende Pulverschichten, die alternierend übereinander angeordnet waren.

Die komprimierte Mehrschichten-Struktur wurde dann in einer WasserstoffgasatmoSphäre mit einem Taupunkt von -40⁰C oder darunter 160 Minuten lang bei 1250⁰G gesintert. Das dabei erhaltene Teststück, d. h. die dabei erhaltene Mehrschichten-Struktur, ist in den Fig. 5-A- und 5B dargestellt, die eine zylindrische Form mit den folgenden Maßen hatte:

Innendurchmesser r == 6 mm

Außendurchmesser R = 10 mm

Dicke jeder Metallkomponentenschicht 3 Ta = 0,3 mm

Dicke jeder isolierenden Komponentenschicht 5 Tb = 0,05 mm

Dicke jeder Metallverbindungszwischenschicht 7 Tc = 0,1 mm

Dicke der Mehrschichten-Struktur 10 T = 1,35 mm

Die Frequenz des an das vorstehend beschriebene Mehrschichten-Struktur-Teststück angelegten elektrischen Stromes wurde von 300 Hz in 100 KHz geändert und die gemessenen Werte der effektiven Permeabilität sind in der Kurve A der Fig. 6 dargestellt.

3eispiel 2 '

Wie in Beispiel 1 wurde ein zylindrisches Test stück, d. h. eine Mehrschichten-Struktur, wie sie in Fig. 7 dargestellt

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ist, aus einem ähnlichen Metallpulver und einem ähnlichen isolierenden Pulver hergestellt, diesmal jedoch mit der Ausnahme, daß keine Maske zur Herstellung der isolierenden Pulverschicht verwendet wurde. Die Einzelheiten dieses Mehrschichten-Struktur-Teststückes waren genau die gleichen wie bei dem in Beispiel 1 verwendeten Teststück, diese Mehrschichten-Struktur 20 wies jedoch keine die Metallkomponentenschichten verbindende(n) Metallschicht(en) auf. Das heißt mit anderen Worten, die Metallkomponentenschichten 3 waren durch die dazwischenliegenden isolierenden Komponentenschichten 5 gegeneinander isoliert. Es wurde ein ähnlicher elektrischer Test mit diesem Teststück" durchgeführt und die gemessenen Werte der effektiven Permeabilität sind in der Kurve B in Fig. 6 dargestellt.

Beispiel 3

Unter Verwendung nur des in Beispiel 1 eingesetzten Metallpulvers wurde ein ähnliches zylindrisches Mehrschichten-Struktur-Teststück hergestellt. Die Einzelheiten des Teststückes waren nahezu die gleichen wie bei dem in Beispiel 1 verwendeten Teststück, wobei diesmal jedoch keine isolierende Komponentenschicht darin enthalten war und die Gesamtdicke des Teststückes nur 1,2 mm betrug. Mit diesem Teststück wurde ein ähnlicher elektrischer Test durchgeführt und die gemessenen Werte für die effektive Permeabilität sind in der Kurve C der Pig. 6 dargestellt.

Die Ergebnisse der Beispiele 1 bis 3 sind in der folgenden Tabelle I numerisch zusammengefaßt.

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Tabelle I

Effektive Permeabilität

Frequenz in KHz	0,3	1	3	10	30	100
Beispiel 1	14000	9600	5900	3000	I35O	750
Beispiel 2	I50OO	9800	6100	3200	1400	800
Beispiel 3	3500	3000	25OO	1800	1100	680

Aus der Pig. 6 ergibt sich eindeutig, daß die Verringerung der effektiven Permeabilität des Teststückes in Beispiel 1 (erfindungsgemäß) gegenüber derjenigen des Teststückes in Beispiel 2 extrem gering ist, während die effektive Permeabilität des Teststückes in Beispiel 1 (erfindungsgemäß) deutlich höher ist als diejenige des TestStückes in Beispiel 3.

Beispiel 4-

Auf praktisch die gleiche Weise wie in Beispiel 1 wurde eine Reihe von Mehrschichten-Struktur-Teststücken hergestellt, wobei diesmal jedoch die Dicke Tc jeder der Metallverbindungszwischenschichten 7 von O bis 2 mm geändert wurde. Es wurde ein elektrischer Strom mit einer Frequenz von 1 KHz an die Teststücke angelegt und die gemessenen Werte für die effektive Permeabilität sind in der Fig. 8 dargestellt, in der das Querschnittsflächenverhältnis P in % der isolierenden

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Komponentenschichten zu der Gesamtauersclmittsfläclie des TestStückes auf der Abszisse aufgetragen ist. Das obige Ergebnis ist in der folgenden Tabelle II numerisch zusammengestellt.

■Tabelle II

P	Effektive Permeabilität
0	3500
13	5000
28	6500
47	8000
72	9000
92	9600

Aus den vorstehenden Angaben geht hervor, daß die effektive Permeabilität des Teststückes innerhalb eines Bereiches von 3000 bis 4000 liegt, wenn das Oberflächenverhältnis / Null beträgt, d. h. wenn keine isolierende Komponentenschicht im Teststück enthalten ist. Wenn jedoch das Oberflächenverhältnis j> den Wert 50 übersteigt, d. h. wenn das Querschnittsflächenverhältnis der Metallverbindungszwischenschicht unter 50 ^c,j fällt wird die effektive Permeabilität des Teststückes 8000 oder höher. Außerdem wird dann, wenn das Oberflächenverhältnis f den Wert 70 übersteigt, d. h. wenn das Querschnittsflächenverhältnis der Metallverbindungszwischenschicht unter 30 % fällt, die effektive Permeabilität des Teststückes 9000 oder höher. Deshalb kann trotz der Anwesenheit der

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Metallverbindungszwischenschicht zwischen den Metallkomponentenschichten, welche die isolierende Komponentenschicht sandwichartig umgeben, eine Zunahme der Wirbelstromverluste mit Erfolg vermieden werden unter Erzielung einer sehr hohen effektiven Permeabilität durch Verringerung des Querschnittsflächenverhältnisses der Metallverbindungszwischenschicht(en). Außer der obengenannten Analyse ist in der Fig. 9 die Beziehung zwischen dem Querschnittsflächenverhältnis e> und der charakteristischen Zunahme der effektiven Permeabilität dargestellt. Hier ist die charakteristische Zunahme der effektiven Permeabilität durch, die folgende Formel definiert:

^U1OO ~ O

worin bedeuten:

die effektive Permeabilität, wenn das Verhältnis P = 100

die effektive Permeabilität, wenn das Verhältnis f. O

Μ_χ die effektive Permeabilität, wenn das Verhältnis p=x.

Aus der Fig. 9 geht hervor, daß in bezug auf die Sendustalloy die effektive Permeabilität akzeptabel ist, wenn das Verhältnis P den Wert 30 oder größer hat mit Ausnahme des Wertes 100, wobei die effektive Permeabilität 6600 beträgt, wenn das Verhältnis P den Wert 30 hat.

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Beispiel 5

Anstelle der in Beispiel 1 verwendeten Sendustalloy wurde als Metallpulver Alpermalloy, bestehend aus 16 Gew.% Al und 84-Gew.% Fe, verwendet und auf praktisch die gleiche Weise wie in Beispiel 1 wurde eine komprimierte Mehrschichten-Struktur hergestellt. Das Sintern wurde in einer Wasserstoffgasatmosphäre mit einem Taupunkt von -35°C 120 Minuten lang "bei 1250^o0 durchgeführt. Das dabei erhaltene zylindrische Mehrschichten-Struktur-Teststück wies zwei Metallkomponentenschichten mit einer Dicke von jeweils 0,3 mm und eine isolierende Komponentenschicht mit einer Dicke von 0,05- mm auf, so daß die Gesamtdicke des Teststückes dementsprechend 0,65 ™ betrug. Das Querschnittsflächenverhältnis Q in % der isolierenden Komponentenschichten betrug 94-, Mit dem Teststück wurde auf ähnliche Weise wie in den Beispielen 1 bis 3 ein elektrischer Test durchgeführt und die gemessenen Werte für die effektive Permeabilität sind in der Kurve D der Fig. 10 dargestellt.

Beispiel 6

Unter Verwendung der in Beispiel 5 eingesetzten Materialien wurde ein Teststück hergestellt, das wie in Beispiel 2 keine Metallverbindungszwischenschicht aufwies. Das Ergebnis des elektrischen Tests ist in der Kurve E der Fig. 10 dargestellt.

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Beispiel 7

Unter Verwendung der in Beispiel 5 eingesetzten Alpermalloy wurde ein Teststück hergestellt, das wie in Beispiel 3 weder metallische Verbindungszwischenschichten noch eine isolierende Komponentenschicht aufwies. Das Ergebnis des elektrischen Tests ist in der Kurve E der Fig. 10 dargestellt.

Die Ergebnisse der Beispiele 5 bis 7 sind in der folgenden Tabelle III numerisch zusammengefaßt.

Tabelle III

Effektive Permeabilität

Frequenz in KHz	0,3	1	3	10	30	100
Beispiel 5	4600	2400	1180	510	200	80
Beispiel 6	5000	2600	1340	560	230	88
Beispiel 7	14B0	820	420	190	89	38

Aus den vorstehenden Angaben geht hervor, daß die Abnahme der effektiven Permeabilität des Teststückes in dem Beispiel 5 (erfindungsgemäß) gegenüber derjenigen des Teststücks in Beispiel 6 extrem gering war, während die effektive Permeabilität des TestStückes in Beispiel 5 (erfindungsgemäß) deutlich, höher war als diejenige des TestStückes in Beispiel 7,

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ebenfalls bei Verwendung von Alpermalloy.

Beispiel 8

Wie in Beispiel 4· wurde ein elektrischer Strom mit einer Frequenz von 1 KHz an die Teststücke angelegt, in denen die Dicke Tc jeder der Metallverbindungszwischenschichten 7 von 0 bis 2 mm variiert wurde. Die gemessenen Werte für die effektive Permeabilität sind in der Fig. 11 dargestellt, in der das Querschnittsflächenverhältnis P der isolierenden Komponentenschichten zu der Gesamtquerschnittsfläche des Teststücke.s auf der Abszisse aufgetragen ist. Das obige Ergebnis ist in der folgenden Tabelle IV numerisch zusammengefaßt.

Tabelle IV

f	Effektive Permeabilität
0	820
20	900
33,99	1400
54	2000
70,3	2200
87,76	2300

Aus den vorstehenden Angaben geht hervor, daß die effektive Permeabilität des Teststückes etwa 800 beträgt, wenn das Oberflächenverhältnis P = O, d. h. wenn keine isolierende

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Komponentenschicht in dem Test stück enthalten ist. Wenn jedoch das Oberflächenverhältnis p den Wert 50 übersteigt, d. h. wenn das Querschnittsflächenverhältnis der Metallverbindungszwischenschicht unter 50 % fällt, wird die effektive Permeabilität des TestStückes 1800 oder mehr. Außerdem wird dann, wenn das Querschnittsflächenverhältnis ρ den Wert 30 übersteigt, d. h. dann, wenn das Querschnittsflächenverhältnis der Metallverbindungszwischenschicht unter 30 % fällt, die effektive Permeabilität des Teststückes 2200 oder mehr. Deshalb kann trotz der Anwesenheit der Metallverbindungszwischenschicht zwischen den Metallkomponentenschichten, die sandwichartig die isolierende Komponentenschicht umgeben, eine Zunahme der Wirbelstromverluste mit Erfolg vermieden werden zur Erzielung einer sehr hohen effektiven Permeabilität durch Verringerung des Querschnittsflächenverhältnisses der Metallverbindungszwischenschicht(en) auch im Falle der Verwendung von Alpermalloy.

Die Beziehung zwischen der charakteristischen Zunahme der effektiven Permeabilität und dem Querschnittsflächenverhältnis J³ ist in der Pig. 12 dargestellt, aus der hervorgeht, daß in bezug auf Alpermalloy die effektive Permeabilität akzeptabel ist, wenn das Verhältnis j; den Wert 40 oder mehr hat, mit Ausnahme des Wertes 100, wobei die effektive Permeabilität 1700 beträgt, wenn das Verhältnis den Wert 40 hat.

Aus den Ergebnissen der vorstehend beschriebenen verschiedenen Tests ergibt sich allgemein, daß die effektive Permeabilität akzeptabel ist, wenn das Querschnittsflächenverhältnis β in % der isolierenden Komponentenschichten den Wert 40 oder größer hat mit Ausnahme des Wertes 100.

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Erfindungsgemäß kann die Trennung der Metallkomponentenschichten während der Herstellung und/oder'während der späteren Bearbeitungen mit Erfolg vermieden werden, ohne daß dies zu einer wesentlichen Erhöhung der V/irbelstromverluste führt.

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Claims

P AT E N TA N WA LT Ξ

KLAUS D. KIRSCHNER WOLFGANG GROSSE

DIPL.-PHYSIKER D 1 P L-I N G E N I E U R

HERZOG-WILHELM-STR. 17 D-8 MÜNCHEN 2

IHR ZEICHEN: YOUR REFERENCE:

OUR REFERENCE:

NIPPON GAKKI SEIZO KABUSHIKI KAISHA
Hamamatsu-shi, Shizuoka-ken, datum: ¹² · Japan

Mehrschichten-Kopfkern und Verfahren zu seiner Herstellung

Patentansprüche

Mehrschienten-Kopfkern, gekennzeichnet durch eine Vielzahl von Metallkomponentenschichten (3), eine Vielzahl von isolierenden Koraponentenschichten (5), die alternierend auf den Metallkomponentenschichten (3) liegen, und mindestens eine Metallverbindungszwischenschicht (7)> welche die Metallkomponentenschichten (3) lokal miteinander verbindet.
2. Mehrschichten-Kopf kern nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Metallkomponentenschichten (3) und die Metallverbindungszwischenschichten (7) aus einem üblichen metallischen Material bestehen.

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3. Hehrschichten-Kopfkern nach. Anspruch. 1 oder 2, dadurch, gekennzeichnet j daß die Metallkomponentenschichten (J) und die Metallverbindungszwischenschichten (7) aus verschiedenen metallischen Materialien bestehen.
4. Mehrschichten-Kopfkern nach einem der Ansprüche 1 bis 5» dadurch gekennzeichnet, daß die Metallkomponentenscnichten (3) aus einem schwer zu bearbeitenden magnetischen metallischen Material bestehen.
5. Mehrschichten-Kopfkern nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß es sich bei dem schwer zu bearbeitenden magnetischen metallischen Material um Sendustalloy handelt.
6« Mehrschichten-Kopfkern nach. Anspruch 4₅ dadurch gekennzeichnet, daß es sich bei dem schwer zu bearbeitenden magnetischen metallischen Material um Alpermalloy handelt.
7. Mehrschichten-Kopfkern nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die MetallverbindungsZwischenschicht (7) entlang des inneren und/oder äußeren Umfangs des Kopfkerns (1) verläuft.
8. Mehrschichten-Kopfkern nach, einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die isolierende Komponentenschicht (5) aus einem Oxid besteht, das ausgewählt wird aus der Gruppe Aluminiumoxid, Magnesiumoxid und Siliciumdioxidglas.
9. Verfahren zur Herstellung eines Mehrschichten-Kopfkerns,

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_ -ζ

insbesondere eines solchen nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß man eine gepreßte Mehrschichten-Struktur herstellt, die eine Vielzahl von Metallpulverschichten, eine Vielzahl von isolierenden Pulverschichten, die alternierend auf den Metallpulverschichten angeordnet sind, und mindestens eine Metallpulverzwischenverbindungsschicht, welche die Metallpulverschichten lokal miteinander verbindet, aufweist, und daß man die gepreßte Mehrschichten-Struktur sintert.
10. Verfahren nach Anspruch 9» dadurch gekennzeichnet, daß man das Metallpulver bis zu einer vorgeschriebenen Tiefe in eine gegebene Form einfüllt und darin verteilt zur Herstellung der ersten Metallpulverschicht, die obere Oberfläche der ersten Metallpulverschicht lokal mit mindestens einer Maske abdeckt, ein Pulver des isolierenden Materials bis zu einer vorgeschriebenen Tiefe in die Form einfüllt und darin verteilt zur Herstellung der ersten isolierenden Pulverschicht, die Maske wegnimmt, Metallpulver bis zu einer vorgeschriebenen Tiefe in die Form einfüllt und darin verteilt zur Herstellung der zweiten Metallpulverschicht, die vorstehend beschriebenen Arbeitsgänge wiederholt zur Herstellung einer Mehrschichten-Zwischenprodukt-Struktur innerhalb der Form mit einem vorgeschriebenen Aufbau und die Mehrschichten-Zwischenprodukt-Struktur zusammenpreßt.
11. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß man Metallpulver bis zu einer vorgeschriebenen Tiefe in eine gegebene Form einfüllt und darin verteilt zur Herstellung der ersten Metallpulverschicht, auf die obere Oberfläche der ersten Metallpulverschicht eine Platte aus

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einem isolierenden Material legt, deren wirksame Querschnitt s-Oberflächengröße geringer ist*als diejenige der Form, Metallpulver bis zu einer vorgeschriebenen Tiefe in die Form einfüllt und darin verteilt zur Herstellung der zweiten Metallpulverschicht, die vorstehend beschriebenen Arbeitsgänge wiederholt zur Herstellung einer Mehrschichten-Zwischenprodukt-Struktur innerhalb der Form mit einem vorgeschriebenen Aufbau und die Mehrschichten-Zwischenprodukt-Struktur zusammenpreßt.
12. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß man eine Mehrschichten-Zwischenprodukt-Struktur, die alternierend überexnanderliegenäe Metallschichten und Schichten aus einem isolierenden Material aufweist, in eine gegebene Form einführt, wobei die wirksame Querschnitts-Oberflächengröße dieser Struktur kleiner ist als diejenige der Form, Metallpulver in die nicht von der Struktur besetzten Hohlräume in der Fora einfüllt und darin verteilt und die Materialien in der Form zusammenpreßt.
13· Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß man das Sintern bei einer Temperatur innerhalb des Bereiches von 800 bis 1400⁰C durchführt.
14. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 1J₅ dadurch gekennzeichnet, daß man das Sintern für einen Zeitraum innerhalb des Bereiches von 30 bis 600 Minuten durchführt.

15· Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß man das Sintern in einer Gasatmosphäre durchführt, die ausgewählt wird aus Wasserstoffgas mit

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einem Taupunkt von -30⁰C oder darunter, Luftvakuum von

—4-10 mmHg oder höher und Inertgas mit einem Taupunkt von

-35 C oder darunter.

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