WO2014000916A1 - Weichmagnetische komponente und verfahren zur herstellung einer solchen - Google Patents

Weichmagnetische komponente und verfahren zur herstellung einer solchen Download PDF

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soft magnetic
magnetic component
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Jens BURGHAUS
Witold Pieper
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Robert Bosch Gmbh
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Definitions

  • the present invention relates to a soft magnetic component wherein the soft magnetic component with improved properties, in particular with improved mechanical and magnetic properties.
  • the invention further relates to a method for producing a soft magnetic component according to the invention, and their use in particular in electromagnetic systems.
  • the components of the magnetic circuit of an electromagnetic system for example, a magnetic actuator should be good soft magnetic
  • Characteristics have high magnetic saturation and high electrical resistance.
  • the saturation of the material determines the maximum force that can be achieved with the actuator, while the electrical resistance influences the switching time of the actuator.
  • a high electrical resistance leads to the suppression of eddy currents during the buildup of force in the actuator and thus to low
  • High resistance at quite high magnetic saturation is realized, for example, by soft magnetic powder composites of surface-insulated iron-based particles. These powders of isolated particles are compressed and usually at temperatures of less than or equal to Heat treated 650 ° C.
  • DE 1 1 2009 000 263 T5 describes, for example, such a production method for soft magnetic materials, which comprises the compression of a soft magnetic powder.
  • the soft magnetic powder includes iron and has an insulating film formed on a surface of the soft magnetic powder, wherein the insulating film is an insulating film comprising an oxide of a metal or a semi-metal and silicon.
  • EP 1 231 003 A2 describes a process for the production of a molded part with improved magnetic properties from a soft magnetic composite in which a starting mixture of an iron powder and a pressing aid is pressed into a molded part and the molding is subsequently tempered.
  • the annealing is carried out at temperatures between 380 ° C and 450 ° C in a mixture of an inert gas and
  • Oxygen which has an oxygen content between 10% by volume and 1% by volume, in order to ensure sufficient oxide formation between the iron powder particles, or on the surface thereof.
  • a soft-magnetic component which consists of base bodies which are sintered together and which have a
  • Ferrous material is formed, wherein a surface of the base body has a surface layer of silicon or a silicon-containing iron layer and further, this surface layer has a gradient in
  • the part of the surface of the base bodies connected to each other by the United may be made of elemental silicon or of a silicon-rich iron phase such as Fe 5 Si 3 , Fe 3 Si 2 , Fe 3 Si, FeSi, FeSi 2 or Si rich Fe mixed crystal exist.
  • the base bodies thus have a substantially non-oxidic surface layer.
  • the mutually sintered base bodies on their surface on a silicon-rich layer with high electrical resistance which provides for a relatively good electrical insulation of the base body from each other.
  • Soft magnetic component thus has a total of high electrical resistance.
  • interior of the silicon content decreases with a gradient, so that in the interior of the base body a high
  • the soft magnetic component there are no or relatively few air gaps compared to soft magnetic composites, which in addition to the improved
  • Base body (silicon gradient), in particular up to a content of 6.5% by weight of silicon, to increase the permeability of the material.
  • the soft magnetic component according to the invention can thus provide
  • a soft magnetic component according to the invention shows a high strength, which is particularly advantageous in mechanically loaded components and components, for example in a moving armature of a magnetic circuit.
  • the base bodies may be formed from or consist of a ferrous material which is selected from
  • an iron-based alloy is understood to mean an alloy which contains a fraction of greater than or equal to 47% by weight of iron and, in addition, less than or equal to 53% by weight to greater than or equal to 0.5% by weight of further elements.
  • such as Si, Al, Cr, Ni, Co, Mo, Cu, Mn, V, Ti, Nb, Ta or C, and less than or equal to 1 wt .-% Impurities such as N, S, P, O, Ce, B may contain.
  • the iron-based alloy according to the invention may be an alloy of
  • Composition 50% by weight iron / 50% by weight cobalt or iron with greater than or equal to 46% by weight to less than or equal to 50% by weight cobalt / greater than or equal to 1% by weight to less than or equal to 3% by weight % Vanadium or iron with greater than or equal to 0 wt% to less than or equal to 1 wt% phosphorus and greater than or equal to 0 wt% to less than or equal to 4 wt% silicon.
  • the constituents of the iron-based alloy complement each case to 100 wt .-%.
  • the iron materials mentioned are particularly suitable for forming a soft magnetic component according to the invention.
  • soft magnetic component powder particles in particular having a mean particle diameter of greater than or equal to 2 ⁇ to less than or equal to 3 mm, for example from greater than or equal to 5 ⁇ to less than or equal to 1 mm, in particular with a diameter of greater than or equal to 5 ⁇ to less or equal to 500 ⁇ .
  • MIM metal injection molding
  • liquid phase sintering an inventive process
  • the base bodies of the soft magnetic component may already be prefabricated shaped parts, such as solid components produced by machining or by sintering. These are also referred to as macrostructured base bodies.
  • a silicon or silicon-rich layer with high electrical resistance is thus formed between the components as the base body, which has a similar effect as an air gap Has.
  • the silicon content decreases in each case with a gradient.
  • the sintered connection formed also provides in this embodiment for a significantly improved mechanical stability of the soft magnetic component and a higher effective cross section of the magnetic circuit formed.
  • the surface layer of the base body a silicon content of greater than or equal to 3 wt .-% to less than or equal to 100 wt .-%, in particular greater than or equal to 6 wt .-% to less than or equal to 30 wt -% and / or between the surface layer to the interior of the base body, a difference in the silicon content of greater than or equal to 3 wt .-% consist.
  • the interior of the base body in this case therefore has at least 3% lower Si content than the surface.
  • the interior of the base body in the finished soft-magnetic component can be understood to mean, in particular, the region in which Si is no longer diffused during production, and according to the invention also a silicon gradient extending to the innermost region is possible.
  • the invention further relates to a method for producing a
  • soft magnetic component in particular soft magnetic
  • Basic body with silicon or a Si-containing iron layer pressing and / or joining the silicon-coated base body, or
  • the base bodies made of iron material used in step a) can be any material used in step a).
  • microstructured base bodies for example powder particles, or
  • step b) takes place according to the invention with a film
  • the silicon-rich iron phase may for example consist of Fe 5 Si 3 , Fe 3 Si 2 , Fe 3 Si, FeSi, or
  • FeSi 2 be formed or consist of a silicon-rich iron mixed crystal.
  • a base body is at least in the
  • step c) according to the invention then includes the shaping by the
  • Binders to form a green body and optionally the
  • the metal injection molding has the further advantage that small form-complex
  • the MIM method is a special one
  • the coating of the particles can also by
  • step d) takes place according to the invention in one
  • Inert gas atmosphere in particular an inert gas such as N 2 or He, a reducing atmosphere such as H 2 or under vacuum.
  • the heat treatment at a temperature of greater than or equal to 700 ° C, preferably greater than or equal to 800 ° C, more preferably greater than or equal to 1000 ° C, for example greater than or equal to 1200 ° C, greater than or equal to 1300 ° C and / or be carried out to less than or equal to 1400 ° C.
  • microstructured base bodies in particular powders of iron material, can be used in step a).
  • the sintering of the components in step d) can, for example, in
  • the sintering can, for example, at temperatures between 1200 ° C and 1400 ° C, below
  • Inert gas, reducing atmosphere or vacuum can be performed.
  • the components get their final size by sintering and they can due to the high sintering activity of fine powder densities of over 96% can be achieved.
  • pure iron powder particles can be used as microstructured base bodies or powder particles made of a ferrous material, in particular of an iron-based alloy in step a) and mixed with a silicon-rich powder melting at lower temperatures and then pressed ,
  • the powder mixture produced after pressing may be subjected to liquid-phase sintering with a heat treatment at a temperature of greater than or equal to 1000 ° C to less than or equal to 1400 ° C.
  • the coating in step b) takes place by melting the silicon-rich powder almost simultaneously with step d), wherein first the silicon-rich powder melts and solidifies
  • Powder particles made of iron material pulls and, as the temperature continues to rise, the sintered powdered iron particles are sintered together. Part of the silicon from the liquid phase diffuses into the iron material
  • the silicon-rich powder may according to the invention contain greater than or equal to 30 wt .-% silicon.
  • the silicon-rich powder for example, a
  • two or more molded parts in particular macrostructured base bodies with dimensions greater than or equal to 3 mm, can be used as the base body in step a).
  • two prefabricated molded parts can each be coated on at least one joining surface with a film of silicon or a silicon-containing iron layer and subsequently joined together by sintering.
  • the invention also relates to soft magnetic components produced by the process according to the invention.
  • the invention further relates to the use of a soft magnetic component as described above in various embodiments as part of an electromagnetic system.
  • the soft magnetic component according to the invention can have very good mechanical properties, in particular high strength.
  • the achievable maximum force can be increased by the use of the soft magnetic component according to the invention, which provides a high magnetic saturation.
  • the high electrical resistance of the soft magnetic component can suppress eddy currents during the build-up of force in an actuator and thus enable lower switching times.
  • the invention relates to the use of a
  • soft magnetic component as an armature or core of a solenoid valve, for example, for diesel or gasoline injection, or as a flux guide, such as stator or rotor, in an electrical machine.
  • the high electrical resistance reduces the "iron losses" and thus improves the
  • Component can also be used in machines with 3-dimensional magnetic flux curve (for example transversal flux machines, claw pole machine). Unlike in built from single sheets stator or Rotor packs, the suppression of eddy currents according to the invention takes place in three dimensions.
  • Fig. 1 is a schematic sectional view of an inventive
  • Fig. 2 is a schematic representation of the inventive method for producing a soft magnetic component.
  • FIG. 1 shows a schematic sectional view of a soft magnetic component 1 according to the invention, sintered from powder particles 2
  • Ferrous material wherein the individual powder particles 2, a surface layer 3 having a silicon gradient with increasing silicon content to the surface. Only for a better overview, only two mutually sintered powder particles 2 are shown.
  • the surface 4, which limits the particles 2 to the outside, according to the invention has a high electrical resistance.
  • the powder particles 2 are separated from each other by a high electrical resistance (relatively good electrical insulation).
  • the soft magnetic component can As a result, have a total of high (average) electrical resistance.
  • the surface layer 3 of the base bodies 2 may have a silicon content of greater than or equal to 3% by weight to less than or equal to 100% by weight, in particular greater than or equal to 6% by weight to less than or equal to 30% by weight. % and / or between the
  • Surface layer 3 to the inside of the base body 5 may have a difference in the silicon content of greater than or equal to 3 wt .-%.
  • the silicon content decreases with a gradient, so that a high magnetic saturation exists in the interior of the base body 2.
  • FIG. 1 shows a schematic representation of the method according to the invention for producing a soft magnetic component.
  • the base bodies 2 are provided and provided with a coating 6 of silicon or a silicon-containing iron layer.
  • the base body 2 for example, already prefabricated moldings, such as by machining or by
  • the base body 2 may be made of ferrous material, components of a soft magnetic armature or core of a solenoid valve, which are coated on at least one of their surfaces, which is also called joining surface with a film 6 of silicon or a silicon-containing iron layer. Below are the coated ones
  • a silicon or silicon-rich layer with high electrical resistance is thus formed between the components as the base body 2, which has a similar effect as an air gap.
  • the joint 7 forms the interconnected part of the surface of the base body 2.
  • the interior of the joined base body 2 (in the direction of arrows A), the silicon content decreases in each case with a gradient.
  • Characteristics has a high magnetic saturation and a high electrical resistance. Due to the high magnetic saturation, for example, the maximum force achievable with an actuator can advantageously also be increased. At the same time, the high electrical resistance of eddy currents
  • Components and components for example, in a moving armature of a magnetic circuit, is advantageous.

Abstract

Die Erfindung betrifft eine weichmagnetische Komponente (1) wobei die weichmagnetische Komponente (1) aus miteinander versinterten Basiskörpern (2) aus mindestens einem Eisenwerkstoff ausgebildet ist, wobei mindestens der durch versintern miteinander verbundene Teil der Oberfläche (4) der Basiskörper (2) eine Oberflächenschicht (3) aus Si oder einer Silizium-haltigen Eisenschicht aufweist und weiterhin diese Oberflächenschicht (3) mit einem Gradienten im Siliziumgehalt mit dem höchsten Siliziumgehalt in der Oberfläche (4) der Basiskörper ausgebildet ist. Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zur Herstellung einer erfindungsgemäßen weichmagnetischen Komponente (1), sowie deren Verwendung.

Description

Weichmagnetische Komponente und Verfahren zur Herstellung einer solchen
Die vorliegende Erfindung betrifft eine weichmagnetische Komponente wobei die weichmagnetische Komponente mit verbesserten Eigenschaften, insbesondere mit verbesserten mechanischen und magnetischen Eigenschaften. Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zur Herstellung einer erfindungsgemäßen weichmagnetischen Komponente, sowie deren Verwendung insbesondere in elektromagnetischen Systemen.
Stand der Technik
Die Bestandteile des magnetischen Kreises eines elektromagnetischen Systems zum Beispiel eines magnetischen Aktors sollten gute weichmagnetische
Eigenschaften, eine hohe magnetische Sättigung und einen hohen elektrischen Widerstand aufweisen. Die Sättigung des Werkstoffs bestimmt die mit dem Aktor erreichbare Maximalkraft, während der elektrische Widerstand die Schaltzeit des Aktors beeinflusst. Ein hoher elektrischer Widerstand führt zur Unterdrückung von Wirbelströmen beim Kraftaufbau im Aktor und damit zu niedrigen
Schaltzeiten. Gleichzeitig sind einige Komponenten des Magnetkreises, wie z.B. ein bewegter Anker mechanischen Belastungen ausgesetzt, so dass eine hohe Festigkeit des Werkstoffs gefordert ist.
Ein hoher Widerstand bei recht hoher magnetischer Sättigung wird zum Beispiel durch weichmagnetische Pulver-Verbundwerkstoffe aus an der Oberfläche isolierten Partikeln auf Eisen-Basis realisiert. Diese Pulver aus isolierten Partikeln werden verpresst und gewöhnlich bei Temperaturen von kleiner oder gleich 650°C wärmebehandelt. In der DE 1 1 2009 000 263 T5 ist zum Beispiel ein solches Herstellungsverfahren für weichmagnetische Materialien beschrieben, welches die Verdichtung eines weichmagnetischen Pulvers umfasst. Das weichmagnetische Pulver umfasst dabei Eisen und weist einen Isolierfilm auf, der auf einer Oberfläche des weichmagnetischen Pulvers gebildet wird, wobei der Isolierfilm ein Isolierfilm ist, der ein Oxid eines Metalls oder eines Halbmetalls und Silizium umfasst.
In der EP 1 231 003 A2 wird ein Verfahren zur Herstellung eines Formteils, mit verbesserten magnetischen Eigenschaften, aus einem weichmagnetischen Verbundwerkstoff beschrieben, in dem eine Ausgangsmischung aus einem Eisenpulver und einem Presshilfsmittel zu einem Formteil verpresst werden und das Formteil nachfolgend getempert wird. Das Tempern erfolgt bei Temperaturen zwischen 380 °C und 450 °C in einem Gemisch aus einem Inertgas und
Sauerstoff, welches einen Sauerstoffanteil zwischen 10 Vol-% und 1 Vol-% aufweist, um eine ausreichende Oxidbildung zwischen den Eisenpulverteilchen, beziehungsweise an deren Oberfläche zu gewährleisten.
Offenbarung der Erfindung
Erfindungsgemäß wird vorgeschlagen eine weichmagnetische Komponente bereitzustellen, die aus miteinander versinterten Basiskörpern, die einen
Eisenwerkstoff aufweisen, ausgebildet ist, wobei eine Oberfläche der Basiskörper eine Oberflächenschicht aus Silizium oder einer Silizium-haltigen Eisenschicht aufweist und weiterhin diese Oberflächenschicht einen Gradienten im
Siliziumgehalt mit dem höchsten Siliziumgehalt in der Oberfläche der Basiskörper aufweist. Dabei kann der durch das Vereintem miteinander verbundene Teil der Oberfläche der Basiskörper aus elementarem Silizium sein oder aber aus einer Silizium-reichen Eisenphase wie Fe5Si3 , Fe3Si2, Fe3Si, FeSi, oder FeSi2 oder aber aus einem Si reichen Fe-Mischkristall bestehen. Erfindungsgemäß weisen die Basiskörper somit eine im Wesentlichen nicht-oxidische Oberflächenschicht auf. Mit anderen Worten weisen erfindungsgemäß in der weichmagnetischen Komponente die miteinander versinterten Basiskörper an ihrer Oberfläche eine siliziumreiche Schicht mit hohem elektrischen Widerstand auf, die für eine relativ gute elektrische Isolation der Basiskörper voneinander sorgt. Die
weichmagnetische Komponente weist hierdurch insgesamt einen hohen elektrischen Widerstand auf. Ins Basiskörperinnere nimmt der Siliziumgehalt mit einem Gradienten ab, so dass im Inneren der Basiskörper eine hohe
magnetische Sättigung besteht. Durch die vorhandene Sinter-Verbindung der Basiskörper untereinander wird darüber hinaus insgesamt eine gute
mechanische Stabilität der weichmagnetischen Komponente ermöglicht.
Erfindungsgemäß sind in der weichmagnetischen Komponente keine oder gegenüber weichmagnetischen Verbundwerkstoffen vergleichsweise nur wenige und kleinere Luftspalte vorhanden, wodurch neben der verbesserten
mechanischen Stabilität außerdem eine verbesserte Permeabilität erzielt wird. Zudem führt auch die Zunahme von Si in Fe in Richtung der Oberfläche der
Basiskörper (Siliziumgradient), insbesondere bis zu einem Gehalt von 6,5 Gew.- % an Silizium, zu einer Erhöhung der Permeabilität des Werkstoffs.
Die erfindungsgemäße weichmagnetische Komponente kann somit
vorteilhafterweise neben guten weichmagnetischen Eigenschaften eine hohe magnetische Sättigung und einen hohen elektrischen Widerstand aufweisen.
Durch die hohe magnetische Sättigung kann beispielsweise vorteilhaft auch die mit einem Aktor erreichbare Maximalkraft gesteigert werden. Gleichzeitig kann der hohe elektrische Widerstand Wirbelströme beim Kraftaufbau in einem Aktor unterdrücken und so niedrigere Schaltzeiten ermöglichen. Weiterhin zeigt eine erfindungsgemäße weichmagnetische Komponente eine hohe Festigkeit, die insbesondere bei mechanisch belasteten Komponenten und Bauteilen, beispielsweise bei einem bewegten Anker eines Magnetkreises, vorteilhaft ist.
In einer erfindungsgemäßen Ausgestaltung können die Basiskörper aus einem Eisenwerkstoff ausgebildet sein oder daraus bestehen, der ausgewählt ist aus
Reineisen und einer Eisen-Basis Legierung. Unter einer Eisen-Basis Legierung wird erfindungsgemäß eine Legierung verstanden, die einen Anteil von größer oder gleich 47 Gew.-% Eisen enthält und daneben kleiner oder gleich 53 Gew.-% bis größer oder gleich 0,5 Gew.-% weitere Elemente, wie Si, AI, Cr, Ni, Co, Mo, Cu, Mn, V, Ti, Nb, Ta oder C , sowie kleiner oder gleich 1 Gew.-% Verunreinigungen, wie N ,S ,P , O, Ce, B enthalten kann. Insbesondere kann die erfindungsgemäße Eisen-Basis-Legierung eine Legierung der
Zusammensetzung 50 Gew.-% Eisen / 50 Gew.-% Cobalt oder Eisen mit größer oder gleich 46 Gew.-% bis kleiner oder gleich 50 Gew.-% Cobalt / größer oder gleich 1 Gew.-% bis kleiner oder gleich 3 Gew.-% Vanadium oder Eisen mit größer oder gleich 0 Gew.-% bis kleiner oder gleich 1 Gew.-% Phosphor und größer oder gleich 0 Gew.-% bis kleiner oder gleich 4 Gew.-% Silizium sein. Die Bestandteile der Eisen-Basis-Legierung ergänzen sich dabei jeweils zu 100 Gew.-%. Die genannten Eisenwerkstoffe sind besonders geeignet zur Bildung einer erfindungsgemäßen weichmagnetischen Komponente.
In einer Ausführungsform der Erfindung können die Basiskörper der
weichmagnetischen Komponente Pulverpartikel sein, insbesondere mit einem mittleren Partikeldurchmesser von größer oder gleich 2 μηη bis kleiner oder gleich 3 mm, beispielsweise von größer oder gleich 5 μηη bis kleiner oder gleich 1 mm, insbesondere mit einem Durchmesser von größer oder gleich 5 μηη bis kleiner oder gleich 500 μηη. Diese werden erfindungsgemäß auch als mikrostrukturierte Pulverpartikel bezeichnet. Die geeignete Partikelgröße wird je nach den in der Anwendung auftretenden Frequenzen des Wechselfeldes gewählt. Solche Pulverpartikel lassen sich vorteilhaft in etablierten Verfahren, wie beispielsweise dem Metallpulverspritzguss (MIM, englisch Metall Injection Moulding) oder dem Flüssigphasensintern einsetzen und zu einer erfindungsgemäßen
weichmagnetischen Komponente ausbilden und/oder formen. In einer alternativen, gegenüber dem Einsatz mikrostrukturierter Pulverpartikel, makrostrukturierten erfindungsgemäßen Variante können die Basiskörper der weichmagnetischen Komponente bereits vorgefertigte Formteile, wie spanend oder durch Sintern gefertigte massive Bauteile, sein. Diese werden auch als makrostrukturierte Basiskörper bezeichnet. Beispielsweise können die makro strukturierten Basiskörper aus Eisenwerkstoff, Bauteile eines weichmagnetischen
Ankers oder Kerns eines Magnetventils sein, die mit Silizium oder einer Silizium- haltigen Eisenschicht beschichtet und nachfolgend durch Sinterfügen
miteinander verbunden sein können. An der Fügestelle wird so zwischen den Bauteilen als Basiskörper eine Silizium- oder Silizium-reiche Schicht mit hohem elektrischem Widerstand ausgebildet, die eine ähnliche Wirkung wie ein Luftspalt hat. Zum Inneren der gefügten makrostrukturierten Basiskörper nimmt der Siliziumgehalt jeweils mit einem Gradienten ab. Die gebildete Sinter-Verbindung sorgt auch in dieser Ausführungsvariante für eine deutlich verbesserte mechanische Stabilität der weichmagnetischen Komponente und einen höheren effektiven Querschnitt des gebildeten Magnetkreises.
In einer anderen Ausgestaltung der erfindungsgemäßen weichmagnetischen Komponente kann die Oberflächenschicht der Basiskörper einen Siliziumgehalt von größer oder gleich 3 Gew.-% bis kleiner oder gleich 100 Gew.-%, insbesondere von größer oder gleich 6 Gew.-% bis kleiner oder gleich 30 Gew.- % aufweisen und / oder zwischen der Oberflächenschicht zum Inneren des Basiskörpers kann ein Unterschied im Siliziumgehalt von größer oder gleich 3 Gew.-% bestehen. Das Innere des Basiskörpers weist in diesem Fall also einen um mindestens 3% geringeren Si-Gehalt als die Oberfläche auf.
Erfindungsgemäß kann unter dem Inneren des Basiskörpers in der fertig gestellten weichmagnetischen Komponente insbesondere der Bereich verstanden werden, in den während der Herstellung kein Si mehr eindiffundiert ist, wobei erfindungsgemäß auch ein bis ins Innerste reichender Silizium- Gradient möglich ist.
Hinsichtlich weiterer Vorteile und Merkmale wird hiermit explizit auf die
Erläuterungen im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren, der erfindungsgemäßen Verwendung der erfindungsgemäßen weichmagnetischen Komponente sowie den Figuren verwiesen.
Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zur Herstellung einer
weichmagnetischen Komponente, insbesondere weichmagnetischen
Komponenten wie sie vorstehend in verschiedenen Ausgestaltungen beschrieben wurden, wobei dieses Verfahren insbesondere die folgenden Schritte umfasst:
a) Bereitstellen von mikrostrukturierten oder makrostrukturierten Basiskörpern aus Eisenwerkstoff,
b) Beschichtung mindestens eines Teils der Oberfläche der einzelnen
Basiskörper mit Silizium oder einer Si-haltigen Eisenschicht, c) Verpressen und/oder Fügen der Silizium-beschichteten Basiskörper, oder
Strukturierung der Silizium-beschichteten Basiskörper durch Metallpulverspritzguss, insbesondere mit anschließendem Flüssigphasensintern,
d) Wärmebehandlung unter Versintern der Basiskörper mindestens an
siliziumbeschichteten Teilen der Oberflächen miteinander unter gleichzeitiger
Diffusion von Silizium von der Oberfläche in das Basiskörper-Innere unter
Ausbildung eines Siliziumgradienten.
Die in Schritt a) eingesetzten Basiskörper aus Eisenwerkstoff können
mikrostrukturierte Basiskörper, beispielsweise Pulverpartikel, oder
makrostrukturierte Basiskörper, wie bereits vorgefertigte Bauteile, aus
Eisenwerkstoff gemäß den gegebenen Definitionen unter der Beschreibung der weichmagnetischen Komponente sein. Die Beschichtung in Schritt b) erfolgt erfindungsgemäß mit einem Film aus
elementaren Silizium oder einer Silizium-reichen Eisenschicht. Die Siliziumreiche Eisenphase kann beispielsweise aus Fe5Si3, Fe3Si2, Fe3Si, FeSi, oder
FeSi2 ausgebildet sein oder aber aus einem Silizium-reichen Eisen-Mischkristall bestehen. Erfindungsgemäß wird auf die Basiskörper eine zumindest im
Wesentlichen nicht-oxidische Oberflächenschicht aufgebracht.
In einer weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens kann die
Beschichtung mit Silizium oder einer Si-haltigen Eisenschicht in Schritt b) durch ein chemisches oder physikalisches Verfahren, insbesondere durch Chemische Gasabscheidung (CVD- englisch Chemical Vapor Deposition), oder ein
Schmelztauchverfahren (englisch Hot Dipping) erfolgen.
Der Schritt c) beinhaltet dann erfindungsgemäß die Formgebung durch das
Spritzgießen der mikrostrukturierten, in Schritt b) beschichteten Basiskörper, gegebenenfalls nach Mischen mit einem oder mehreren (organischen)
Bindemitteln unter Bildung eines Grünlings und gegebenenfalls der
nachfolgenden Entbinderung unter Ausbildung eines metallischen Bauteils, des sogenannten Bräunlings. Das Spritzgießen, kann auf konventionellen
Spritzgießmaschinen, wie sie von der Kunststoffverarbeitung her bekannt sind, erfolgen. Die durch den Metallpulverspritzguss erzeugten Bauteile zeigen
hervorragende mechanische Eigenschaften, wie hohe Festigkeit, Zähigkeit und Abriebfestigkeit. Der Metallpulverspritzguss (MIM,- englisch Metall Injection Moulding) hat den weiterhin den Vorteil, dass kleine formkomplexe
Präzisionsteile kostengünstig in Serie gefertigt werden können, die mit konventionellen Herstellungsverfahren nicht oder nur unter hohem Aufwand realisierbar sind. Das MIM-Verfahren ist beispielsweise ein besonders
wirtschaftliches Verfahren, wenn Bauteile in großer Stückzahl gefertigt werden sollen, bei denen enge Toleranzen gefordert sind, deren Geometrie kompliziert ist, die aus schwer bearbeitbaren Materialien gebildet sind und/oder auf eine mechanische Nachbearbeitung weitestgehend verzichtet werden soll oder muss. Für den Metallpulverspritzguss kann die Beschichtung der Partikel auch durch
Mischung von Fe-Basispulver mit Silizium-reichem Pulver und einem Sinterschritt über Flüssigphasensintern, wie in der nachfolgend beschriebenen Variante beschrieben, erfolgen. Die Wärmebehandlung in Schritt d) erfolgt erfindungsgemäß in einer
Schutzgasatmosphäre, insbesondere eines Inertgases wie zum Beispiel N2 oder He, einer Reduktionsatmosphäre wie zum Beispiel H2 oder unter Vakuum.
Hierdurch kann die Bildung von Oxiden weitestgehend vermieden werden. In einer anderen erfindungsgemäßen Ausführungsform des Verfahrens zur
Herstellung einer weichmagnetischen Komponente kann die Wärmebehandlung bei einer Temperatur von größer oder gleich 700 °C, bevorzugt größer oder gleich 800 °C, besonders bevorzugt größer oder gleich 1000 °C, beispielsweise größer oder gleich 1200 °C, größer oder gleich 1300 °C und/oder bis kleiner oder gleich 1400 °C durchgeführt werden.
In einer anderen erfindungsgemäßen Ausführungsform des Verfahrens zur Herstellung einer weichmagnetischen Komponente können in Schritt a) mikrostrukturierte Basiskörper, insbesondere Pulver aus Eisenwerkstoff eingesetzt. Das Sintern der Bauteile in Schritt d) kann beispielsweise in
Batchöfen und/oder in kontinuierlichen Anlagen, erfolgen. Das Sintern kann beispielsweise bei Temperaturen zwischen 1200 °C und 1400 °C, unter
Schutzgas-, Reduktionsatmosphäre oder Vakuum durchgeführt werden. Die Bauteile erhalten durch das Sintern ihre endgültige Größe und es können aufgrund der hohen Sinteraktivität der feinen Pulver Dichten von über 96% erzielt werden.
In einer alternativen Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung einer weichmagnetischen Komponente können Reineisenpulverpartikel als mikrostrukturierte Basiskörper oder Pulverpartikel aus einem Eisenwerkstoff, insbesondere aus einer Eisen-Basislegierung in Schritt a) eingesetzt und mit einem hierzu niedriger-schmelzenden Silizium-reichen Pulver gemischt und dann verpresst werden. Das hergestellte Pulvergemisch kann nach dem Verpressen einem Flüssigphasen-sintern mit einer Wärmebehandlung bei einer Temperatur von größer oder gleich 1000 °C bis kleiner oder gleich 1400 °C unterworfen werden. In dieser Variante erfolgt die Beschichtung in Schritt b) durch das Schmelzen des Silizium-reichen Pulvers nahezu gleichzeitig mit Schritt d), wobei zunächst das Silizium-reiche Pulver aufschmilzt und sich um festen
Pulverpartikel aus Eisenwerkstoff zieht und bei weiter steigender Temperatur die so beschichteten Eisenwerkstoff-Pulverpartikel miteinander versintern. Ein Teil des Siliziums aus der flüssigen Phase diffundiert in die Eisenwerkstoff
Pulverpartikel ein und erzeugt so den erfindungsgemäßen Siliziumgradienten. Das Silizium-reiche Pulver kann erfindungsgemäß größer oder gleich 30 Gew.-% Silizium enthalten. Das Silizium-reiche Pulver kann beispielsweise auch eine
Mischung von Eisenpulver mit Silizium sein, mit einem Gehalt an Silizium zwischen größer oder gleich 15 Gew.-% und kleiner oder gleich 25 Gew.-%.
Im Rahmen einer weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens können als Basiskörper in Schritt a) zwei oder mehr gefertigte Formteile, insbesondere makrostrukturierte Basiskörper mit Abmessungen größer oder gleich 3 mm eingesetzt werden. Mit anderen Worten können beispielsweise zwei vorgefertigte Formteile (Bauteile) jeweils mindestens auf einer Fügefläche mit einem Film aus Silizium oder einer Silizium-haltigen Eisenschicht beschichtet und nachfolgend durch Sinterfügen miteinander verbunden werden. Die
Fügestelle bildet den miteinander verbundenen Teil der Oberfläche der
Basiskörper. An der so ausgebildeten Fügestelle wird zwischen den Bauteilen als Basiskörper eine Silizium- oder Silizium-reiche Schicht mit hohem
elektrischem Widerstand ausgebildet, die eine ähnliche Wirkung wie ein Luftspalt hat. Zum Inneren der gefügten Bauteile nimmt der Siliziumgehalt jeweils mit einem Gradienten ab.
Die Erfindung betrifft auch nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellte weichmagnetische Komponenten.
Hinsichtlich weiterer Vorteile und Merkmale wird hiermit explizit auf die
Erläuterungen im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen
weichmagnetischen Komponente der erfindungsgemäßen Verwendung sowie den Figuren verwiesen.
Die Erfindung betrifft weiterhin die Verwendung einer weichmagnetischen Komponente wie sie vorstehend in verschiedenen Ausführungsformen beschrieben wurde als Bestandteil eines elektromagnetischen Systems.
Vorteilhafterweise kann die erfindungsgemäße weichmagnetische Komponente sehr gute mechanische Eigenschaften, insbesondere eine hohe Festigkeit aufweisen. Bei Aktoren kann durch die Verwendung der erfindungsgemäßen weichmagnetischen Komponente, die eine hohe magnetischer Sättigung bereitstellt, die erreichbare Maximalkraft gesteigert werden. Gleichzeitig kann der hohe elektrische Widerstand der weichmagnetischen Komponente Wirbelströme beim Kraftaufbau in einem Aktor unterdrücken und so niedrigere Schaltzeiten ermöglichen. Die gegenüber Bauteilen aus weichmagnetischen
Verbundwerkstoffen (WMV) gesteigerte Festigkeit, erlaubt einen Einsatz in Anwendungen mit höherer mechanischer Belastung, zum Beispiel auch als bewegter Teil eines Aktors (Anker).
In einer Ausgestaltung betrifft die Erfindung die Verwendung einer
weichmagnetischen Komponente als Anker oder Kern eines Magnetventils, beispielsweise zur Diesel- oder Benzineinspritzung, oder als Flussleiter, beispielsweise Stator oder Rotor, in einer elektrischen Maschine. Der hohe elektrische Widerstand reduziert die„Eisenverluste" und verbessert damit den
Wirkungsgrad der Maschine. Die erfindungsgemäße weichmagnetische
Komponente kann auch in Maschinen mit 3-dimensionalem magnetischem Flussverlauf (zum Beispiel Transversalflussmaschinen, Klauenpolmaschine) eingesetzt werden. Anders als in aus Einzelblechen aufgebauten Stator- oder Rotorpaketen erfolgt die Unterdrückung von Wirbelströmen erfindungsgemäß dreidimensional.
Hinsichtlich weiterer Vorteile und Merkmale wird hiermit explizit auf die
Erläuterungen im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen
weichmagnetischen Komponente, dem erfindungsgemäßen Verfahren sowie den Figuren verwiesen.
Zeichnungen
Die Erfindung wird nachfolgend an Hand von Ausführungsbeispielen in
Verbindung mit den Figuren veranschaulicht und erläutert. Dabei ist zu beachten, dass die Figuren nur beschreibenden Charakter haben und nicht dazu gedacht sind, die Erfindung in irgendeiner Form einzuschränken. Es zeigen
Fig. 1 eine schematische Schnittansicht einer erfindungsgemäßen
weichmagnetischen Komponente gesintert aus Pulverpartikeln.
Fig. 2 eine schematische Darstellung des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung einer weichmagnetischen Komponente.
Figur 1 zeigt eine schematische Schnittansicht einer erfindungsgemäßen weichmagnetischen Komponente 1 gesintert aus Pulverpartikeln 2 aus
Eisenwerkstoff wobei die einzelnen Pulverpartikel 2, eine Oberflächenschicht 3 mit einem Silizium-Gradienten mit steigendem Silizium-Gehalt zur Oberfläche aufweisen. Nur zur besseren Übersicht sind lediglich zwei miteinander versinterte Pulverpartikel 2 dargestellt. Die Oberfläche 4, die die Partikel 2 nach außen begrenzt, hat erfindungsgemäß einen hohen elektrischen Widerstand. Somit sind die Pulverpartikel 2 voneinander durch einen hohen elektrischen Widerstand getrennt (relativ gute elektrische Isolation). Beispielsweise kann bei einem Siliziumgehalt von 6,5 Gew.-% der elektrische Widerstand ρ=0,9μΩη"ΐ, bei reinem Silizium ρ=2,3- 109μΩηΊ betragen. Die weichmagnetische Komponente kann hierdurch insgesamt einen hohen (mittleren) elektrischen Widerstand aufweisen. In der weichmagnetischen Komponente kann die Oberflächenschicht 3 der Basiskörper 2 einen Siliziumgehalt von größer oder gleich 3 Gew.-% bis kleiner oder gleich 100 Gew.-%, insbesondere von größer oder gleich 6 Gew.-% bis kleiner oder gleich 30 Gew.-% aufweisen und / oder zwischen der
Oberflächenschicht 3 zum Inneren des Basiskörpers 5 kann ein Unterschied im Siliziumgehalt von größer oder gleich 3 Gew.-% bestehen. In Richtung des Basiskörperinneren 5, beispielsweise in Richtung des Pfeils A, nimmt der Siliziumgehalt mit einem Gradienten ab, so dass im Inneren der Basiskörper 2 eine hohe magnetische Sättigung besteht. Vorteilhafterweise kann die
erfindungsgemäße weichmagnetische Komponente 1 zudem sehr gute mechanische Eigenschaften, insbesondere eine hohe Festigkeit und eine verbesserte Permeabilität, aufweisen. Figur 2 zeigt eine schematische Darstellung des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung einer weichmagnetischen Komponente. Nur der Übersichtlichkeit halber ist dieses lediglich anhand zweier Basiskörper 2 wiedergegeben. Zunächst werden die Basiskörper 2 bereitgestellt und mit einer Beschichtung 6 aus Silizium oder einer Silizium-haltigen Eisenschicht versehen. Die Basiskörper 2 können beispielsweise bereits vorgefertigte Formteile, wie spanend oder durch
Sintern gefertigte massive Bauteile sein. Beispielsweise können die Basiskörper 2 aus Eisenwerkstoff, Bauteile eines weichmagnetischen Ankers oder Kerns eines Magnetventils sein, die auf mindestens einer ihrer Oberflächen, die auch Fügefläche genannt wird, mit einem Film 6 aus Silizium oder einer Silizium- haltigen Eisenschicht beschichtet sind. Nachfolgend werden die beschichteten
Basiskörper 2 durch Sinterfügen miteinander verbunden. An der Fügestelle 7 wird so zwischen den Bauteilen als Basiskörper 2 eine Silizium- oder Siliziumreiche Schicht mit hohem elektrischem Widerstand ausgebildet, die eine ähnliche Wirkung wie ein Luftspalt hat. Die Fügestelle 7 bildet mit anderen Worten den miteinander verbundenen Teil der Oberfläche der Basiskörper 2. Zum Inneren der gefügten Basiskörper 2 (in Richtung der Pfeile A) nimmt der Siliziumgehalt jeweils mit einem Gradienten ab. Durch die gebildete Sinter-Verbindung kann eine deutlich verbesserte mechanische Stabilität der weichmagnetischen Komponente 1 und einen höheren effektiven Querschnitt des gebildeten Magnetkreises erzielt werden. Zusammenfassend wird erfindungsgemäß eine weichmagnetische Komponente bereitgestellt, die vorteilhafterweise neben guten weichmagnetischen
Eigenschaften eine hohe magnetische Sättigung und einen hohen elektrischen Widerstand aufweist. Durch die hohe magnetische Sättigung kann beispielsweise vorteilhaft auch die mit einem Aktor erreichbare Maximalkraft gesteigert werden. Gleichzeitig kann der hohe elektrische Widerstand Wirbelströme beim
Kraftaufbau in einem Aktor unterdrücken und so niedrigere Schaltzeiten ermöglichen. Weiterhin zeigt eine erfindungsgemäße weichmagnetische
Komponente eine hohe Festigkeit, die insbesondere bei mechanisch belasteten
Komponenten und Bauteilen, beispielsweise bei einem bewegten Anker eines Magnetkreises, vorteilhaft ist.

Claims

Ansprüche
1 . Weichmagnetische Komponente (1 ) dadurch gekennzeichnet, dass die
weichmagnetische Komponente (1 ) aus miteinander versinterten
Basiskörpern (2), die einen Eisenwerkstoff aufweisen, ausgebildet ist, wobei eine Oberfläche (4) der Basiskörper (2) eine Oberflächenschicht (3) aus Silizium oder aus einer Silizium-haltigen Eisenschicht aufweist und weiterhin die Oberflächenschicht (3) mit einem Gradienten im Siliziumgehalt mit dem höchsten Siliziumgehalt in der Oberfläche (4) der Basiskörper ausgebildet ist.
2. Weichmagnetische Komponente (1 ) nach Anspruch 1 dadurch
gekennzeichnet, dass die Basiskörper (2) aus einem Eisenwerkstoff ausgewählt aus der Gruppe Reineisen, einer Eisen-Basis Legierung, die neben größer oder gleich 47 Gew.-% Eisen weitere Elemente wie Si, AI, Cr, Ni, Co, Mo, Cu, Mn, V oder C enthalten kann, insbesondere eine Eisen- Basis-Legierung der Zusammensetzung 50 Gew.-% Eisen / 50 Gew.-% Cobalt oder Eisen mit größer oder gleich 46 Gew.-% bis kleiner oder gleich 50 Gew.-% Cobalt / größer oder gleich 1 Gew.-% bis kleiner oder gleich
3 Gew.-% Vanadium oder Eisen mit größer oder gleich 0 Gew.-% bis kleiner oder gleich 1 Gew.-% Phosphor und größer oder gleich 0 Gew.-% bis kleiner oder gleich 4 Gew.-% Silizium.
3. Weichmagnetische Komponente (1 ) nach Anspruch 1 oder 2 dadurch
gekennzeichnet, dass die Basiskörper (2) Pulverpartikel mit Durchmessern größer oder gleich 2 μηη bis kleiner oder gleich 3 mm, insbesondere von größer oder gleich 5 μηη bis kleiner oder gleich 1 mm, insbesondere mit einem Durchmesser von größer oder gleich 5 μηη bis kleiner oder gleich 500 μηη oder gefertigte Formteile, insbesondere makrostrukturierte Basiskörper (2) mit Abmessungen größer oder gleich 3 mm, sind. Weichmagnetische Komponente (1 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 3 dadurch gekennzeichnet, dass die Oberflächenschicht (3) der Basiskörper (2) einen Siliziumgehalt von größer oder gleich 3 Gew.-% bis kleiner oder gleich 100 Gew.-%, bevorzugt von größer oder gleich 6 Gew.-% bis kleiner oder gleich 30 Gew.-% aufweist und / oder zwischen der Oberflächenschicht zum Inneren des Basiskörpers ein Unterschied im Siliziumgehalt von größer oder gleich 3 Gew.-% besteht.
Verfahren zur Herstellung einer weichmagnetischen Komponente (1 ) gekennzeichnet durch die Schritte
a) Bereitstellen von Basiskörpern (2) aus Eisenwerkstoff,
b) Beschichtung mindestens eines Teils der Oberfläche (4) der einzelnen Basiskörper (2) mit Silizium oder einer Silizium-haltigen Eisenschicht, c) Verpressen und/oder Fügen der Silizium-beschichteten Basiskörper (2), oder Strukturierung der Silizium-beschichteten Basiskörper (2) durch Metallpulverspritzguss, insbesondere mit anschließendem
Flüssigphasensintern,
d) Wärmebehandlung unter Versintern der Basiskörper (2) mindestens an Silizium-beschichteten Teilen der Oberflächen (4) miteinander unter gleichzeitiger Diffusion von Silizium von der Oberfläche (4) in das
Basiskörper-Innere (5).
Verfahren zur Herstellung einer weichmagnetischen Komponente (1 ) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung mit Silizium oder einer Silizium-haltigen Eisenschicht in Schritt b) durch ein chemisches oder physikalisches Verfahren, insbesondere durch Chemische Gasabscheidung, oder durch Schmelztauchverfahren erfolgt.
Verfahren zur Herstellung einer weichmagnetischen Komponente (1 ) nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmebehandlung bei einer Temperatur von größer oder gleich 700 °C, insbesondere größer oder gleich 800 °C, insbesondere größer oder gleich 1000 °C durchgeführt wird.
Verfahren zur Herstellung einer weichmagnetischen Komponente nach Anspruch 5 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass Reineisenpulverpartikel oder Pulverpartikel aus einem Eisenwerkstoff als Basiskörper in Schritt a) eingesetzt werden.
9. Verfahren zur Herstellung einer weichmagnetischen Komponente (1 ) nach Anspruch 5 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass Reineisenpulverpartikel oder Pulverpartikel aus einem Eisenwerkstoff als Basiskörper (2) eingesetzt und mit einem niedriger-schmelzenden Silizium-reichen Pulver gemischt werden und das entstandene Pulvergemisch nach dem Verpressen einem Flüssigphasensintern mit einer Wärmebehandlung bei einer Temperatur von größer oder gleich 1000 °C bis kleiner oder gleich 1400 °C unterworfen werden.
10. Verfahren zur Herstellung einer weichmagnetischen Komponente (1 ) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass als Basiskörper (2) in Schritt a) zwei oder mehr gefertigte Formteile, insbesondere makrostrukturierte Basiskörper (2) mit Abmessungen größer oder gleich 3 mm eingesetzt werden.
1 1 . Verwendung einer weichmagnetischen Komponente (1 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 4 als Bestandteil eines elektromagnetischen Systems.
12. Verwendung einer weichmagnetischen Komponente (1 ) nach Anspruch 1 1 als Anker oder Kern eines Magnetventils oder als Stator oder Rotor in einer elektrischen Maschine.
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