DE3439397C2 - - Google Patents
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- B22F2201/00—Treatment under specific atmosphere
- B22F2201/20—Use of vacuum
Description
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 Magnetpulverkerne 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 500°C 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 550°C zu einem Porenverschluß
führt. Bei diesem Prozeß macht man sich die Bildung von
voluminösem Eisenoxid Fe₃O₄ 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 950°C 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 1250°C 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 Fe₃O₄, 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 be
schrieben.
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 darüber hinaus 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 µm 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.-% ist hierzu völlig ausreichend.
Die Eisenteilchen werden bei Raumtemperatur oder
bei einer für die Bearbeitung des Kunststoffs 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 Metallstearat, Paraffin oder Wachs zugemischt
werden. Der Gleitmittelanteil sollte 3% des Eisen
teilchengewichts 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 500°C, jedoch nicht über 800°C 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 Luft zu glühen. Gemäß einer besonders bevorzugten
Ausführungsform werden die Preßkörper wechselweise
einem reduzierten Druck (Vakuum) und einer oxidierenden
Atmosphäre unter Normal- oder Überdruck 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 Poren
kanälen über den gesamten Querschnitt des gepreßten Formteils
erreicht werden.
Überraschenderweise 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 über
steigen.
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 Kunststoffschicht
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 Fe₃O₄ 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.
Zur Bildung einer dünnen elektrisch isolierenden Phosphatschicht
wurden 100 g eines Eisen-Verdüsungspulvers mit
einer Teilchengröße kleiner als 150 µm 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
60°C erwärmten niederviskosen Zweikomponentenepoxidharz
gemischt. Der Epoxidharzanteil betrug 0,5% des Gewichts
des isolierten Eisenpulvers. Anschließend wurden in einem
Werkzeug stabförmige Formteile der Abmessung 10×40×6 mm³
mit einem Preßdruck von 600 MPa gepreßt und sodann einer
mehrstufigen Glühung mit den folgenden Temperaturstufen
unterworfen: 3 Stunden bei 300°C, 15 Stunden bei 400°C,
1 Stunde bei 500°C sowie 1 Stunde bei 600°C. Diese Glühung
wird in Tabelle I mit "600 ST" bezeichnet. Wesentlich
für diese Glühbehandlung ist ferner, daß während der gesamten
Glühzeit in 5minütigem 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 zusammengefaßt.
Der spezifische elektrische Widerstand von
12 mΩcm entspricht dabei etwa dem 1200fachen des Wertes
für massives Eisen.
In Abänderung der Verfahrensmerkmale nach Beispiel 1
wurde der gepreßte Formkörper einstündig bei 600°C 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.
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.
Als Vergleichsbeispiele wurden gepreßte Körper aus Eisenteilchen
hergestellt, die weder phosphatiert noch mit einer
Kunststoffschicht umhüllt waren. Die Glühbehandlung
wurden entsprechend der in den Beispielen 1 und 2 genannten
Art durchgeführt. Die Probenkörper wiesen spezifische
elektrische Widerstände auf, die lediglich dem 1,5fachen
Wert des massiven Eisens entsprachen.
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 mΩcm hohe spezifische elektrische Widerstände
auf.
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 42×21×10 mm³
gepreßt 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 600°C 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 Meßfrequenzen 50, 500 und 5000 Hz, und bezogen
auf einen Körper von 1 cm³ Probenvolumen. Ferner
wurden die gesamten Ummagnetisierungsverluste P1/50 bei
1 Tesla und 50 Hz sowie die Magnetisierungskurve ()
bei 50 Hz bestimmt. Die Ergebnisse sind in den Tabellen III
und IV zusammengefaßt. Die Maximalpermeabilität des
Formkörpers betrug 160.
Das Gefüge eines nach den vorgenannten Angaben hergestellten
Formkörpers ist in 500facher Vergrößerung in der Figur
dargestellt. Deutlich ist die Trennung der einzelnen
Körner durch die Phosphatisolierung und das die Festigkeit
verursachende Gerüst aus Fe₃O₄ (dunkle Flächen) zu
erkennen.
Aus Eisenpulver mit einer Teilchengröße zwischen 150 und
400 µm 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 1200°C 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 P 1/50 von nur 4 W/kg auf.
Die Ummagnetisierungsverluste eines analog hergestellten
Formkörpers, der zum Vergleich nicht der abwechselnden
Glühung unter reduziertem Druck und in Luft unter Normaldruck
unterzogen wurde, betrugen unter vergleichbaren
Bedingungen mehr als 8,5 W/kg.
Aus Elektrolyteisen-Flakes mit einer Dicke von etwa 70 µm
wurde ebenfalls ein ringförmiger Preßkörper mit den in Beispiel 9
genannten Abmessungen hergestellt und stufenweise
abwechselnd in Vakuum und in Luft 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
Eisen-Flakes bestehende weichmagnetische Ringkörper
wies bei Frequenzen bis zu 1000 Hz besonders niedrige Um
magnetisierungsverluste auf.
Verdüstes Eisenpulver mit einer Teilchengröße zwischen
150 und 400 µm 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
Mehrstufenglühung 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: 300°C (1 Stunde),
420°C (3 Stunden) und 610°C (1 Stunde). Herausragendes
Meßergebnis der anschließenden Messungen an dem Formkörper
war mit 140 mΩcm 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.
Claims (12)
1. Verfahren zur pulvermetallurgischen Herstellung eines
weichmagnetischen im wesentlichen aus Eisenteilchen bestehenden
Körpers mit geringen Ummagnetisierungsverlusten
und hoher Festigkeit
dadurch gekennzeichnet,
daß
- - Eisenteilchen mit einer elektrisch isolierenden Phosphatschicht umhüllt werden
- - die phosphatbeschichteten Eisenteilchen 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 µm liegenden Teilchengröße verwendet wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß als Eisenteilchen Eisenpulver mit einer unterhalb
150 µm liegenden Teilchengröße verwendet wird.
4. Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Eisenteilchen die Form von Flakes mit einer durch
schnittlichen Teilchendicke von etwa 70 µm aufweisen.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Phosphatschicht in einer Menge
von 0,1 bis 1,5% des Eisenteilchengewichts aufgebraucht wird.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5,
dadurch gekennzeichnet,
daß die phosphatbeschichteten Eisenteilchen zusätzlich
mit einer Kunststoffschicht 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 Eisenteilchen 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 Eisenteilchen mit einem Preßdruck
von 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 Luft
unter Normal- bzw. Überdruck geglüht wird.
12. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Glühung von einer Anfangstemperatur zwischen
250 und 350°C bis zu einer Endtemperatur von etwa
600°C stufenweise durchgeführt wird.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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DE19843439397 DE3439397A1 (de) | 1984-10-27 | 1984-10-27 | Verfahren zur pulvermetallurgischen herstellung eines weichmagnetischen koerpers |
Applications Claiming Priority (1)
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DE3439397C2 true DE3439397C2 (de) | 1990-01-18 |
Family
ID=6248907
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
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DE19843439397 Granted DE3439397A1 (de) | 1984-10-27 | 1984-10-27 | Verfahren zur pulvermetallurgischen herstellung eines weichmagnetischen koerpers |
Country Status (1)
Country | Link |
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