DE3439397A1

DE3439397A1 - Verfahren zur pulvermetallurgischen herstellung eines weichmagnetischen koerpers

Info

Publication number: DE3439397A1
Application number: DE19843439397
Authority: DE
Inventors: Georg-Werner Dipl.-Phys. 6451 Hammersbach Reppel
Original assignee: Vacuumschmelze GmbH and Co KG
Current assignee: Vacuumschmelze GmbH and Co KG
Priority date: 1984-10-27
Filing date: 1984-10-27
Publication date: 1986-04-30
Also published as: DE3439397C2

Description

Verfahren zur pulvermetallurgischen Herstellung eines
weichmagnetischen Körpers Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur pulvermetallurgischen Herstellung eines weichmagnetischen im wesentlichen aus Eisenteilchen bestehenden Körpers mit geringen Ummagnetisierungsverlusten und hoher Festigkeit.
Es ist bereits bekannt, zur Herstellung von sogenannten Pulver- oder Massekernen, Eisenpulver zu verwenden, das durch eine Phosphatschicht elektrisch isoliert ist (vgl.
z.B. DE-AS 12 91 028). Zusätzlich kann dem isolierten Eisenpulver vor dem Pressen zu einem Formteil noch ein Bindemittel, beispielsweise ein aushärtbares Epoxidharz hinzugefügt werden. Derartige Nagnetpulverkerne besitzen relativ hohe Volumenwiderstände, so daß die Verluste durch Wirbelströme relativ klein sind, solange eine durch die Teilchengröße gegebene Grenzfrequenz nicht überschritten wird.
Andererseits weisen diese Pulverkerne nach dem Pressen - bedingt durch die hohe Magnetostriktion des Eisens -recht hohe Hystereseverluste auf, so daß die gesamten Ummagnetisierungsverluste z.B. bei einer Induktion von 1 Tesla und einer Frequenz von 50 Hz mehr als 8 W/kg betragen können.
Die Hystereseverluste eines gepreßten Magnetpulverkerns lassen sich durch eine Glühung verringern, wobei im wesentlichen die durch den Preßvorgang entstandenen Spannungen beseitigt werden. Für Eisenpulverkerne ist hierzu in der Regel eine Glühtemperatur von mindestens 5000C erforderlich. Es muß sichergestellt werden, daß die Isolierung der Eisenpulverteilchen nach der Glühung im wesentlichen erhalten bleibt.
Von der Herstellung von Sinterteilen ist bekannt, daß eine Behandlung poröser Teile in wasserdampfhaltiger Wasserstoffatmosphäre bei etwa 55000 zu einem Porenverschluß führt. Bei diesem Prozeß macht man sich die Bildung von voluminösem Eisenoxid Fe304 in den Kapillaren der Randzone zunutze. Aus der DE-AS 11 73 196 ist ein Verfahren zur Herstellung weichmagnetischer Sinterkörper mit kleinen Wirbelstromverlusten bekannt. Hierbei wird siliziumhaltiges Eisenpulver zur Bildung einer oberflächenhaften SiO2-Isolierschicht in wasserdampfhaltiger Wasserstoffatmosphäre auf eine Temperatur zwischen 700 und 9500C erhitzt. Dem derart vorbehandelten Pulver wird vor dem Pressen und Sintern noch ein Zusatz von 0,5 bis 10 % Magnesiumoxid beigemischt und das Gemisch nach dem Pressen in inerter Atmosphäre bei Temperaturen zwischen 1050 und 12500C gesintert. Ferner ist aus der DE-OS 28 25 235 eine Drosselspule mit einem Kern aus Eisenteilchen bekannt, die von einem isolierenden Oxidfilm bedeckt sind, der 0,3 bis 0,8 Gew.-% Sauerstoff enthält. Durch eine Oxidisolierung erhält man allerdings nur sehr geringe Volumenwiderstände.
Dies liegt einerseits an der relativ hohen elektrischen Leitfähigkeit von Fe304, zum anderen daran, daß der Oxidfilm bei der anschließenden Verdichtung der Eisenteilchen zumindest partiell wieder zerstört wird.
Weichmagnetische Pulverkerne aus mit einer silikathaltigen Schicht isoliertem Pulver aus einem Nickelbasiswerkstoff besitzen zwar einen hohen elektrischen Widerstand und geringe Ummagnetisierungsverluste. Die Festigkeit dieser Pulverkerne ist jedoch trotz einer hohen Verdichtung der Pulverteilchen für eine nachfolgende mechanische Bearbeitung zu gering.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, mit einem Verfahren der eingangs genannten Art die Ummagnetisierungsverluste von weichmagnetischen aus Eisenteilchen gepreßten Körpern weiter zu verringern und gleichzeitig eine für die nachfolgende Bearbeitung ausreichende Festigkeit des Preßkörpers zu erzielen.
Erfindungsgemäß wird dies durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruchs 1 erreicht. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen beschrieben.
Vorzugsweise bestehen die Eisenteilchen aus verdüstem Pulver, Plättchen (Flakes), Spänen, Drahtabschnitten oder Fasern, wobei diese Teilchen in einer Vorbehandlung gegebenenfalls geglüht werden können, um z.B. eine Entkohlung und/oder ein Kornwachstum zu erreichen. Eine Glühbehandlung verringert darüberhinaus die Koerzitivfeldstärke der Eisenteilchen und wirkt sich zudem günstig auf die Verpreßbarkeit aus.
Die Eisenteilchen werden erfindungsgemäß zunächst mit einer Phosphatschicht elektrisch isoliert, die z.B. aus Magnesium- oder Zinkphosphat. zusammengesetzt sein kann.
Vorzugsweise besteht die Teilchenisolierung aus einer maximal 1 pm dicken Eisenphosphatschicht. Der Anteil der isolierenden Phosphatschicht sollte zwischen 0,1 und 1,5 % des Eisenteilchengewichts betragen. Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform werden die phosphatisolierten Eisenteilchen mit einer zusätzlichen Kunststoffschicht umgeben, wobei z.B. Epoxid-, Phenol-, Polyester-, Polyurethan- oder Silikonharze, vorzugsweise in flüssiger Form verwendet werden können. Ein Kunststoffanteil von etwa 0,1 bis 5 Gew.-O/o ist hierzu völlig ausreichend. Die Eisenteilchen werden bei Raumtemperatur oder bei einer für die Bearbeitung des Kunststoff 5 günstigen Temperatur mit einem Preßdruck von etwa 300 bis 1500 MPa zu einem Formkörper gepreßt. Als weitere Alternative kann auch ein isostatisches Preßverfahren angewendet werden.
Vor der Verdichtung kann den Eisenteilchen zur Preßerleichterung noch ein flüssiges oder pulverförmiges Gleitmittel, z.B. ein Netallstearat, Paraffin oder Wachs zugemischt werden. Der Gleitmittelanteil sollte 3 % des Eisenteilchengewichts nicht überschreiten.
In einem weiteren Verfahrensschritt werden die Formteile anschließend in Sauerstoff oder in einer sauerstoffhaltigen Atmosphäre, z.B. einem Edelgas-Sauerstoff- oder einem Stickstoff-Sauerstoffgemisch, geglüht, wobei zur Erzielung geringer Hystereseverluste eine Glühtemperatur von mehr als 5000C, jedoch nicht über 8000C besonders günstig ist.
Glühtemperaturen oberhalb 800°C sind ungünstig, da dann der Volumenwiderstand des Materials abnimmt und die Wirbelstromverluste ansteigen. Besonders einfach ist es, die Preßkörper in Zuluft zu glühen. Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform werden die Preßkörper wechselweise einem reduzierten Druck (Vakuum) und einer oxidierenden Atmosphäre unter Normal- oder tberdruck ausgesetzt, wobei die Druckdifferenz mindestens 0,1 bar betragen sollte.
Durch eine Behandlung der Preßkörper in einer Glühatmosphäre, deren Druck periodisch geändert wird, kann eine besonders gleichmäßige Bildung von Eisenoxid in den Porenkanälen über den gesamten Querschnitt des gepreßten Formteils erreicht werden.
Vberraschenderweise weist der weichmagnetische Eisenteilchenkern nach dieser Glühbehandlung noch einen für die vorgesehene Verwendung ausreichend hohen elektrischen Widerstand auf. Infolge der Erniedrigung der Koerzitivfeldstärke ergeben sich auch sehr niedrige Ummagnetisierungsverluste. Das Kernmaterial weist eine für die nachfolgende mechanische Bearbeitung ausreichende Festigkeit auf. So können beispielsweise dünnwandige Rohre mit einer Wandstärke von 2 mm ohne große Schwierigkeiten aus dem Kernmaterial gedreht werden. Ein weiterer Vorteil der nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Magnetkerne liegt in ihrer Eignung für hohe Betriebstemperaturen, die die der kunststoffgebundenen Pulverkerne wesentlich übersteigen.
Obwohl die genaue Wirkungsweise, die dem erfindungsgemäßen Verfahren zugrundeliegt, noch nicht vollständig geklärt ist, wird angenommen, daß die elektrische Isolierung überwiegend durch die Phosphatschicht bewirkt wird. Beim Pressen wird der dünne Phosphatfilm durch eine Sunststoffschicht und/oder durch ein zusätzliches Gleitmittel vor Beschädigungen infolge der gegenseitigen Reibung der Eisenteilchen geschützt. Bei der anschließenden oxidierenden Glühung zersetzt sich die Kunststoffschicht bzw. das Gleitmittel und es bildet sich vermutlich Fe304 in den nicht ausgefüllten Zwischenräumen. Infolge der Stützwirkung und der hohen Härte des Eisenoxidgerüsts wird die hohe Festigkeit des Körpers erreicht.
Anhand von einigen Ausführungsbeispielen und einer Gefügeabbildung soll die Erfindung nachstehend noch näher erläutert werden. Die jeweiligen Meßwerte sind in den Tabellen I bis IV zusammenfassend dargestellt.
Beispiel 1 Zur Bildung einer dünnen elektrisch isolierenden Phosphatschicht wurden 100 g eines Eisen-Verdüsungspulvers mit einer Teilchengröße kleiner als 150 Um mit 0,337 g einer in 8,5 ml Aceton gelösten 89%igen Phosphorsäure behandelt.
Etwa eine Stunde wirkte diese Säurelösung auf das Eisenpulver ein, wobei ständig gerührt wurde. Nach Abschluß der Reaktion wurde das phosphatisolierte Eisenpulver getrocknet und dann in einem Schaufelmischer mit einem auf etwa 600C erwärmten niederviskosen Zweikomponentenepoxidharz gemischt. Der Epoxidharzanteil betrug 0,5 % des Gewichts des isolierten Eisenpulvers. Anschließend wurden in einem Werkzeug stabförmige Formteile der Abmessung 10 x 40 x 6 zm3 mit einem Preßdruck von 600 MPa gepreßt und sodann einer mehrstufigen Glühung mit den folgenden Temperaturstufen unterworfen: 3 Stunden bei 3000C, 15 Stunden bei 4000C, 1 Stunde bei 5000C sowie 1 Stunde bei 6000C, Diese Glühung wird in Tabelle I mit "600 tl bezeichnet. Wesentlich für diese Glühbehandlung ist ferner, daß während der gesamten Glühzeit in 5-minütigem Rhythmus abwechselnd unter reduziertem Druck von 90 mbar (Vakuum) und in Luft unter einem Druck von 1000 mbar geglüht wurde. Die an diesen Formkörpern gemessenen Eigenschaften sind in Tabelle II zus ammengefaßt. Der spezifische elektrische Widerstand von 12 m#cm entspricht dabei etwa dem 1200-fachen des Wertes für massives Eisen.

Tabelle 1

Beispiel Phosphat- Epoxid- Oxid. Glühung
Nr. Isolierung harz Temp. Dauer
(Gew.%) (Gew.-%) (°C) (min)
2 0,5 0,5 600 60
3 0,5 - 600 ST
4 0,5 - 600 60
5 - - 600 ST
6 - - 600 60
7 1,0 1,0 600 ST
8 1,0 1,0 600 60

*) "600 ST" bedeutet eine stufenweise Glühung mit folgenden Temperaturstufen: 3000C (D Stunden), 4000C (15 Stunden), 5000C (1 Stunde), 6000C (1 Stunde). Während der gesamten Glühzeit wird dabei der Druck der Glühatmosphäre alle 5 Minuten periodisch zwischen reduziertem Druck (90 mbar) und Luft unter Normaldruck geändert.

Beispiel 2 In Abänderung der Verfahrensmerkmale nach Beispiel 1 wurde der gepreßte Formkörper einstündig bei 6000C in Luft unter Normaldruck schlußgeglüht. Bei diesem Beispiel besitzt der Preßkörper eine 1,5 mm breite oxidierte Randschicht, während die Kernzone eine erheblich geringere Teilchenoxidation aufweist. Die Biegefestigkeit des gepreßten Körpers liegt mit 58 N/mm2 wesentlich niedriger als bei Beispiel 1.

2 a b e 1 1 e II

Beispiel Dichte spez.elektr. Biegefe- Koerzitiv-
Nr. Widerstand stigkeit feldstärke
(g/cm³) (m#cm) (N/mm²) (A/cm)
1 7,08 12,0 133 3,50
2 7,02 3,4 58 2,30
3 7,06 0,053 130 2,85
4 7,02 0,031 116 2,25
5 7,11 0,016 265 2,50
6 7,04 0,015 183 2,05
7 6,94 23,0 131 4,55
8 6,88 44,0 37 2,25

Beispiele 3 und 4 In Abänderung der Verfahrensmerkmale nach den Beispielen 1 und 2 wurden die Eisenteilchen nach der Phosphatisolierung keiner weiteren Isolierung mit Epoxidharz unterzogen.

Als Ergebnis ergab sich ein niedrigerer spezifischer elektrischer Widerstand der geglühten Formkörper.
Beispiele 5 und 6 Als Vergleichsbeispiele wurden gepreßte Körper aus Eisenteilchen hergestellt, die weder phosphatiert nOch mit einer Kunststoffschicht umhüllt waren. Die Glühbehandlung wurde entsprechend der in den Beispielen 1 und 2 genannten Art durchgeführt. Die Probenkörper wiesen spezifische elektrische Widerstände auf, die lediglich dem 1,5-fachen Wert des massiven Eisens entsprachen.
Beispiele 7 und 8 In Abänderung der in Beispiel 1 genannten Isolierung der Eisenteilchen mit einer dünnen Phosphatschicht und einer weiteren Epoxidharzumhüllung wurden die jeweiligen Gewichtsanteile an Phosphat und Epoxidharz auf 1 Gew.-% verdoppelt. Die Glühbehandlung wurde entsprechend der in den Beispielen 1 und 2 genannten Art durchgeführt. Durch den erhöhten Isolierstoffanteil wiesen die Probenkörper mit 23 und 44 mSLcm hohe spezifische elektrische Widerstände auf.
Beispiel 9 Eisenpulver mit einer Teilchengrößenverteilung von kleiner als 150 µm wurde wie in Beispiel 1 zunächst phosphatisoliert und zusätzlich mit einer Kunststoffschicht umgeben.
Das isolierte Eisenpulver wurde dann mit einem Preßdruck von 600 MPa zu einem Ring mit den Abmessungen 42 x 21 x 10 mm3gepreßt und anschließend abwechselnd unter reduziertem Druck und in Luft unter Normaldruck stufenweise geglüht.
Die stufenweise Glühung wurde bei 300°C eine Stunde lang, bei 400°C 4 Stunden lang und bei 6000C eine Stunde lang durchgeführt. An den geglühten Formkörpern wurden neben der Dichte, der Koerzitivfeldstärke und dem spezifischen elektrischen Widerstand auch die spezifischen Verluste gemessen, und zwar bezogen auf einen Ummagnetisierungszyklus bei den Neßfrequenzen 50, 500 und 5000 Hz, und bezogen auf einen Körper von 1 cm3 Probenvolumen. Ferner wurden die gesamten Ummagnetisierungsverluste P1/0 bei 1 Tesla und 50 Hz sowie die Magnetisierungskurve 2 bei 50 Hz bestimmt. Die Ergebnisse sind in den Tabellen III und IV zusammengefaßt. Die Maximalpermeabilität des Formkörpers betrug 160.
Das Gefüge eines nach dem vorgenannten Angaben hergestellten Formkörpers ist in 500-facher Vergrößerung in der Figur dargestellt. Deutlich ist die Trennung der einzelnen Körner durch die Phosphatisolierung und das die Festigkeit verursachende Gerüst aus Fe304 (dunkle Flächen) zu erkennen.

T a b e 1 1 e III

Beispiel Dichte Koerzitiv- spez.elektr.

Nr. feldstärke Widerstand

(g/cm³) (A/cm) (m#cm)

9 7,03 3,3 43

10 7,08 1,7 10

11 7,23 2,0 6

12 7,15 3,4 140

T a b e l l e IV

Beispiel spez. Verluste P1/50 H (A/cm) für B T)

bei f(Hz) (W/kg)

50 500 5000 0 01 O 1 1 0

9 18,2 19,8 26,5 6,3 0,76 5,49 &2,8

10 11,8 15,3 43,0 4,0 0,58 4,26 61,2

11 10,3 13,8 37,1 4,9 0,34 1,97 27,8

Beispiel 10 Aus Eisenpulver mit einer Teilchengröße zwischen 150 und 400 ijm wurde ein ringförmiger Preßkörper mit den in Beispiel 9 angegebenen Abmessungen hergestellt. In Abänderung der Verfahrensmerkmale wurde den Eisenteilchen vor der Isolierung noch 1 Gew.-% Magnesiumoxid zugemischt und dieses Gemisch bei 12000C eine Stunde lang in Wasserstoffatmosphäre geglüht. Es ergaben sich die in den Tabellen III und IV zusammengefaßten Meßergebnisse. Der Formkörper besitzt mit 1,7 A/cm eine außergewöhnlich niedrige Koerzitivfeldstärke, zudem weist der Formkörper sehr niedrige Ummagnetisierungsverluste P1/50 von nur 4 W/kg auf.

Die Ummagnetisierungsverluste eines analog hergestellten Formkörpers, der zum Vergleich nicht der abwechselnden Glühung unter reduziertem Druck und in Zuluft unter Normaldruck unterzogen wurde, betrugen unter vergleichbaren Bedingungen mehr als 8,5 W/kg.
Beispiel 11 Aus Elektrolyteisen-Flakes mit einer Dicke von etwa 70 pm wurde ebenfalls ein ringförmiger Preßkörper mit den in Beispiel 9 genannten Abmessungen hergestellt und stufenweise abwechselnd in Vakuum und in Zuluft unter Normaldruck geglüht. Die für diesen Preßkörper gemessenen Eigenschaftswerte sind ebenfalls in den Tabellen III und IV zusammengefaßt. Die Maximalpermeabilität betrug 570. Der aus isolierten f sien-Flakes bestehende weichmagnetische Ringkörper lJies/Frequenzen bis zu 1000 Hz besonders niedrige Ummagnetisierungsverluste auf.
Beispiel 12 Verdüstes Eisenpulver mit einer Teilchengröße zwischen 150 und 400 pm wurde entsprechend den Angaben in Beispiel 1 phosphatisoliert und mit 0,5 Gew.-% Epoxidharz gemischt. Aus diesem vorisolierten Eisenpulver wurde im Werkzeug ein 10 mm hoher ringförmiger Formkörper mit einem äußeren Durchmesser von 20 mm und einem inneren Durchmesser von 8 mm gepreßt und anschließend einer Nehrstufenglühung in oxidierender Atmosphäre unterworfen. Der Druck der Glühatmosphäre wurde periodisch alle 2 Minuten zwischen Luft unter Normaldruck und Vakuum von 40 mbar geändert. Die Glühbehandlung wurde dabei mit folgenden Temperaturstufen durchgeführt: 3000C (1 Stunde), 4200C (3 Stunden) und 61000 (1 Stunde). Herausragendes Meßergebnis der anschließenden Messungen an dem Formkörper war mit 140 mltem dessen großer spezifischer elektrischer Widerstand. Die Koerzitivfeldstärke des Formkörpers wies mit 3,4 A/cm einen noch verhältnismäßig niedrigen Wert auf.
Aufgrund der hervorragenden magnetischen und mechanischen Eigenschaften eignen sich die gepreßten Formteile insbesondere für magnetische Bauelemente, so z.B. für Drosseln oder Spulenkerne, für Bauteile von Elektromotoren bzw.
für weichmagnetische Rückschlußteile in Magnetkreisen.
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Claims

Pa-tentan6pruche 1. Verfahren zur pulvernetallurgischen Herstellung eines weichmagnetischen im wesentlichen aus Bisenteilchen bestehenden Körpers mit geringen Ummagnetisierungsverlusten und hoher Xe.stigkeit, dadurch gekennzeichnet, daß - Eisenteilchen mit einer elektrisch isolierenden Phosphatschicht umhüllt werden - die phosphatbeschichteten Sisenteilchen zu einem Formteil gepreßt werden und - der Preßkörper anschließend in einer oxidierenden Atmosphäre geglüht wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Eisenteilchen Eisenpulver mit einer im Bereich von 150 bis 400 Wm liegenden Deilchengröße verwendet wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h. n e t daß als Eisenteilchen Eisenpulver mit einer unterhalb 150 pm liegenden Teilchengröße verwendet wird.
4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Eisenteilchen die Form von Flakes mit einer durchschnittlichen Teilchendicke von etwa 70 pm aufweisen.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Anteil der isolierenden Phosphatschicht etwa 0,1 bis 1,5 % des Eisenteilchengewichts beträgt.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die phosEhibeschichteten Eisenteilchen zusätzlich mit einer Eunststoffschicht umhüllt werden, wobei der Anteil des Kunststoffs 0,1 bis 5 % des Eisenteilchengewichts beträgt.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß den Bisenteilchen vor dem Verpressen ein flüssiges oder pulverförmiges Gleitmittel zugefügt wird, wobei der Gleitmittelanteil maximal 3 % des Eisenteilchengewichts beträgt.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die isolierten Elsenteilchen mit einem Preßdruck von etwa 300 bis 1500 MPa zu einem Formteil gepreßt werden.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Preßkörper in einem Edelgas/Sauerstoff- oder einem Stickstoff/Sauerstoffgemisch geglüht wird.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Druck der Atmosphäre während der Glühung periodisch geändert wird.
11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß abwechselnd unter reduziertem Druck und in Zuluft unter Normal- bzw. tberdruck geglüht wird.
12. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Glühung von einer Anfangstemperatur zwischen 250 und 350 0C bis zu einer Endtemperatur von etwa 6000C stufenweise durchgeführt wird.