WO2017050572A1 - Teil aus einem sinterwerkstoff und verfahren zu seiner herstellung - Google Patents

Teil aus einem sinterwerkstoff und verfahren zu seiner herstellung Download PDF

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Witold Pieper
Tobias SCHAEFTER
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    • H01F41/0246—Manufacturing of magnetic circuits by moulding or by pressing powder

Definitions

  • the present invention relates to a method of producing a part by means of sintering. Furthermore, it relates to a part which can be produced by means of the method.
  • the part has in particular low magnetic reversal losses.
  • Powder metallurgy parts made of pure iron materials and iron cobalt materials show increased static and dynamic magnetic losses in a large number of applications.
  • actuators for example as anchor materials
  • a sensor and in electrical machines for example as a stator and / or rotor
  • low core losses and soft magnetic properties of the parts ie a coercive force H c of less than 20 A / cm are required.
  • Such properties can be achieved by using low-carbon iron or cobalt powders as starting materials in a sintering process for producing the materials.
  • a first sintering powder and a second sintering powder are used.
  • the first sintered powder is an iron powder containing 49-99.97% by weight of iron, 0-7% by weight of silicon, 0-20% by weight of chromium, 0-50% by weight of cobalt and 0.03 - 2.00 wt .-% carbon, preferably 0.06 - 1.00 wt .-% carbon, particularly preferably 0.06 - 0.4 wt .-% carbon. It is therefore a cost-effective carbon-rich sintered powder.
  • the first Sinter powder 0 - 5 wt .-% contain other elements.
  • the further elements are in particular selected from the group consisting of manganese, molybdenum, tungsten, vanadium, sulfur and phosphorus, ie those elements which typically occur associated with iron.
  • the sum of the constituents in the first sinter powder is 100% by weight.
  • the second sintered powder contains 0-90% by weight of iron, 0-90% by weight of silicon, 0
  • the second sintering powder is preferably eutectic
  • the second sintered powder is homogeneously mixed with the first sintering powder.
  • the number-average particle size of the first sintering powder is greater than the number-average particle size of the second sintering powder.
  • the first sintering powder preferably has a number-average particle size in the range of 10 to 500 ⁇ m
  • the second sintering powder has a number-average particle size in the range of preferably 1 to 400 ⁇ m, particularly preferably 1 to 200 ⁇ m.
  • the part made of a sintered material can be produced by sintering the powder mixture.
  • the elements of the second sintering powder diffuse into one another with those of the first sintering powder.
  • the solubility of carbon in the material of the first or second sintered powder is reduced.
  • the carbon dissolved in the sintering powder therefore migrates to its grain boundary or to carbides already formed in the sintered powder and precipitates, for example, as cementite, which occurs in the material, for example, partially as perlite.
  • carbon or a carbonaceous powder may be used as the second sintering powder. In this way, the carbon can be additionally introduced via the second sintering powder is in a
  • the first sintering powder and the second sintering powder are homogeneously distributed in the powder mixture before sintering, so that the elements of the sintering powders uniformly diffuse into one another to produce a total sintered powder throughout cause similar excretion of carbon.
  • the decisive factor is that there is no random distribution of carbides, which are obstacles to
  • the sintering is preferably carried out at a temperature above the
  • Melting temperature of the second sintered powder or the resulting from the elements of the first and second sintered powder alloy (transient liquid phase sintering). In this way, preference is given to wetting the particles of the first sintering powder with molten second sintering powder, which causes the diffusion of the elements of the second sintering powder and of the first
  • Sinter powder facilitates each other and increases the density of the resulting component.
  • the part obtainable in this way consists of a sintered material which has a microstructure with an ordered carbide network due to the precipitated carbon.
  • the carbide microstructure is in particular a cementite structure, which for example is partially present as a perlite structure.
  • the part of the invention in particular a reduction of its core losses of at least 10% at least in the range 20 - 90% of the material saturation and a frequency of 100 - 1000 Hz. Furthermore, the part has in particular soft magnetic properties.
  • Fig. 1 shows schematically the diffusion of two sintered powders into each other in one embodiment of the method according to the invention.
  • Fig. 2 shows schematically particles of a sintered powder, which in a
  • Fig. 3 shows schematically a section of a part according to a
  • a powder mixture is first prepared by mixing 90 g of a first sintered powder 1 with 10 g of a second sintered powder 2.
  • the first sintered powder 1 is an iron-based material containing 99% by weight of iron and 0.06% by weight.
  • the second sintered powder 2 is a powder consisting of 80% by weight of iron and 20% by weight of silicon. It has a melting point of 1,172 ° C and an average particle size of 73 ⁇ .
  • the powder mixture is added with a lubricant. It is then mixed homogeneously and pressed into a green body. Finally, a heat treatment in inert
  • the first sintered powder 1 initially still contains a high proportion of carbon C, which is dissolved in the iron Fe.
  • Embodiment of the invention attached to a lubricant. It is then mixed homogeneously and pressed into a green body. Finally, a heat treatment in an inert nitrogen atmosphere in an oven at a temperature of 1200 ° C. After one hour, the obtained part is cooled and obtained in this way a comparison part.
  • the Ummagnetleiterswe the part according to the embodiment of the invention are compared to the comparison part in the range 20 - 90% of

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Teils aus einem Sinterwerkstoff und das mittels dieses Verfahrens herstellbare Teil. Die Herstellung erfolgt mittels Sinterns eines Pulvergemisches. Dieses enthält ein erstes Sinterpulver (1) und ein zweites Sinterpulver (2). Das erste Sinterpulver enthält entweder 16 - 99,97 Gew.-% Eisen, 0 - 7 Gew.-% Silizium, 0 - 20 Gew.-% Chrom und 0 - 50 Gew.-% Cobalt, Weiterhin enthält das erste Sinterpulver (1) 0,03 - 2,00 Gew.-% Kohlenstoff und 0 - 5 Gew.-% weitere Elemente. Das zweite Sinterpulver enthält 0 - 90 Gew.-% Eisen, 0 - 90 Gew.-% Silizium, 0 - 100 Gew.-% Chrom, 0 - 100 Gew.-% Phosphor, 0 - 100 Gew.-% Molybdän, 0 - 100 Gew.-% Wolfram, 0 - 100 Gew.-% Titan, 0 - 100 Gew.-% Nickel, 0 - 100 Gew.-% Cobalt, 0 - 100 Gew.-% Schwefel, 0 - 100 Gew.-% Kohlenstoff und 0 - 5 Gew.-% weitere Elemente. Die Summe der Bestandteile im ersten Sinterpulver (1) und im zweiten Sinterpulver (2) beträgt jeweils 100 Gew.-%.

Description

Beschreibung
Titel
Teil aus einem Sinterwerkstoff und Verfahren zu seiner Herstellung
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Teils mittels Sintern. Weiterhin betrifft sie ein Teil, das mittels des Verfahrens herstellbar ist. Das Teil weist insbesondere niedrige Ummagnetisierungsverluste auf.
Stand der Technik
Pulvermetallurgische Teile aus Reineisenwerkstoffen und Eisencobaltwerkstoffen zeigen in einer Vielzahl von Anwendungen erhöhte statische und dynamische magnetische Verluste. Für Anwendungen in der Aktorik, beispielsweise als Ankerwerkstoffe, in einem Sensor und in elektrischen Maschinen, beispielsweise als Stator und / oder Rotor, werden geringe Ummagnetisierungsverluste und weichmagnetische Eigenschaften der Teile, d. h. eine Koerzitivfeldstärke Hc von weniger als 20 A/cm gefordert. Solche Eigenschaften können erreicht werden, indem in einem Sinterverfahren zur Herstellung der Werkstoffe kohlenstoffarme Eisen- oder Eisencobaltpulver als Ausgangsmaterialen verwendet werden.
Offenbarung der Erfindung
In dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Herstellung eines Teils werden ein erstes Sinterpulver und ein zweites Sinterpulver verwendet. Bei dem ersten Sinterpulver handelt es sich um ein Eisenpulver, das 49 - 99,97 Gew.-% Eisen, 0 - 7 Gew.-% Silizium, 0 - 20 Gew.-% Chrom, 0 - 50 Gew.-% Cobalt und 0,03 - 2,00 Gew.-% Kohlenstoff, bevorzugt 0,06 - 1,00 Gew.-% Kohlenstoff, besonders bevorzugt 0,06 - 0,4 Gew.-% Kohlenstoff enthält. Es handelt sich also um ein kostengünstiges kohlenstoffreiches Sinterpulver. Schließlich kann das erste Sinterpulver 0 - 5 Gew.-% weitere Elemente enthalten. Die weiteren Elemente sind insbesondere aus der Gruppe ausgewählt, die aus Mangan, Molybdän, Wolfram, Vanadium, Schwefel und Phosphor besteht, also solchen Elementen, die typischerweise mit Eisen vergesellschaftet auftreten. Die Summe der Bestandteile im ersten Sinterpulver beträgt 100 Gew.-%.
Das zweite Sinterpulver enthält 0 - 90 Gew.-% Eisen, 0 - 90 Gew.-% Silizium, 0
- 100 Gew.-% Chrom, 0 - 100 Gew.-% Phosphor, 0 - 100 Gew.-% Molybdän, 0
- 100 Gew.-% Wolfram, 0 - 100 Gew.-% Titan, 0 - 100 Gew.-% Schwefel, 0 - 100 Gew.-% Cobalt, 0 - 100 Gew.-% Nickel, 0 - 100 Gew.-% Kohlenstoff und 0 - 5 Gew.-% weitere Elemente, wobei die weiteren Elemente insbesondere aus derselben Gruppe ausgewählt sind, wie die weiteren Elemente des ersten Sinterpulvers. Bevorzugt enthält es 0 - 90 Gew.-% Eisen, 0 - 90 Gew.-%
Silizium, 0 - 100 Gew.-% Chrom, 0 - 20 Gew.-% Phosphor und 0 - 5 Gew.-% weitere Elemente. Die Summe der Bestandteile im zweiten Sinterpulver beträgt 100 Gew.-%. Um bei einem Sintern des Pulvergemisches ein Eindiffundieren der Elemente des zweiten Sinterpulvers in das erste Sinterpulver zu erleichtern, ist es bevorzugt, dass das zweite Sinterpulver bevorzugt eine eutektische
Zusammensetzung aufweist oder mit Bestandteilen des ersten Sinterpulvers intermediär eine Legierung bildet, deren Schmelzpunkt maximal 1300°C beträgt.
Es ist beim Sintern des Pulvergemisches wünschenswert, dass das zweite Sinterpulver homogen mit dem ersten Sinterpulver vermengt ist. Hierzu ist es bevorzugt, dass die zahlenmittlere Partikelgröße des ersten Sinterpulvers größer als die zahlenmittlere Partikelgröße des zweiten Sinterpulvers ist. Hierzu weist das erste Sinterpulver vorzugsweise eine zahlenmittlere Partikelgröße im Bereich von 10 - 500 μηη auf und das zweite Sinterpulver weist eine zahlenmittlere Partikelgröße im Bereich von bevorzugt 1 - 400 μηη, besonders bevorzugt 1 - 200 μηη auf.
Das Teil aus einem Sinterwerkstoff kann durch Sintern des Pulvergemisches hergestellt werden. Bei der erhöhten Temperatur des Sinterprozesses diffundieren die Elemente des zweiten Sinterpulvers mit denen des ersten Sinterpulvers ineinander. Zudem wird aber auch die Löslichkeit von Kohlenstoff im Material des ersten oder zweiten Sinterpulvers herabgesetzt. Der im Sinterpulver gelöste Kohlenstoff wandert daher an dessen Korngrenze oder an bereits im Sinterpulver ausgebildete Karbide und scheidet sich beispielsweise als Zementit ab, welches im Werkstoff beispielsweise teilweise als Perlit auftritt. Alternativ kann auch Kohlenstoff bzw. ein kohlenstoffhaltiges Pulver als zweites Sinterpulver verwendet werden. Auf diese Weise kann der Kohlenstoff über das zweite Sinterpulver zusätzlich eingebracht werden, wird in einem
Wärmebehandlungsprozess in eine Karbidmikrostruktur umgelagert und erhöht den elektrischen Widerstand massiv was zu einer Verbesserung der
Ummagnetisierungsverluste führt. Um diesen Effekt gleichmäßig über den gesamten erhaltenen, Sinterwerkstoff zu erzielen, ist es bevorzugt, dass das erste Sinterpulver und das zweite Sinterpulver vor dem Sintern homogen in dem Pulvergemisch verteilt werden, so dass die Elemente der Sinterpulver gleichmäßig ineinanderdiffundieren, um im gesamten ersten Sinterpulver eine ähnliche Ausscheidung von Kohlenstoff hervorzurufen. Entscheidend ist, dass keine regellose Verteilung der Karbide eintritt, die als Hindernisse für
Domänenwandbewegungen bei der Ummagnetisierung die Koerzitivfeldstärke gelten. Es bildet sich ein mehr oder minder geordnetes Karbid netzwerk, bevorzugt an den Korngrenzen, aus. Der Bulk der Eisenpartikel selbst bleibt großteilig karbidfrei.
Das Sintern erfolgt vorzugsweise bei einer Temperatur oberhalb der
Schmelztemperatur des zweiten Sinterpulvers bzw. der aus den Elementen des ersten und des zweiten Sinterpulvers entstehender Legierung (Transientes Flüssigphasensintern). Auf diese Weise findet bevorzugt eine Benetzung der Partikel des ersten Sinterpulvers mit geschmolzenem zweitem Sinterpulver statt, was die Diffusion der Elemente des zweiten Sinterpulvers und des erste
Sinterpulvers ineinander erleichtert und die Dichte des entstehenden Bauteils erhöht.
Das auf diese Weise erhältliche Teil besteht aus einem Sinterwerkstoff der eine Mikrostrukturierung mit einem geordneten Karbid netzwerk aufgrund des ausgeschiedenen Kohlenstoffs aufweist. Die Karbidmikrostruktur ist insbesondere eine Zementitstruktur, die beispielsweise teilweise als Perlit- Gefüge vorliegt.
Gegenüber einem Teil, das in einem Sinterverfahren nur aus dem ersten
Sinterpulver hergestellt wurde, weist das erfindungsgemäße Teil insbesondere eine Reduzierung seiner Ummagnetisierungsverluste von mindestens 10 % mindestens im Bereich 20 - 90% der Materialsättigung und einer Frequenz von 100 - 1000 Hz auf. Weiterhin weist das Teil insbesondere weichmagnetische Eigenschaften auf.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
Fig. 1 zeigt schematisch das Eindiffundieren von zwei Sinterpulvern ineinander in einem Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens.
Fig. 2 zeigt schematisch Partikel eines Sinterpulvers, welche in einem
Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens durch
Ineinanderdiffundieren zweier Sinterpulver entstanden sind.
Fig. 3 zeigt schematisch einen Ausschnitt aus einem Teil gemäß einem
Ausführungsbeispiel der Erfindung.
Ausführungsbeispiele der Erfindung
In einem Ausführungsbeispiel der Erfindung wird zunächst ein Pulvergemisch hergestellt, indem 90 g eines ersten Sinterpulvers 1 mit 10 g eines zweiten Sinterpulvers 2 vermischt werden. Bei dem ersten Sinterpulver 1 handelt es sich um einen Eisenbasiswerkstoff, der 99 Gew.-% Eisen und 0,06 Gew.-%
Kohlenstoff und weitere Verunreinigungen aus den typischerweise mit Eisen vergesellschafteten Elementen, wie beispielsweise Mangan, Molybdän, Wolfram, Vanadium, Schwefel und Phosphor in einem Anteil < 1 Gew. % enthält. Er weist eine zahlenmittlere Partikelgröße von 250 μηη auf. Bei dem zweiten Sinterpulver 2 handelt es sich um ein Pulver, das aus 80 Gew.-% Eisen und 20 Gew.-% Silizium besteht. Es weist einen Schmelzpunkt von 1.172°C und eine mittlere Partikelgröße von 73 μηη auf. Dem Pulvergemisch wird ein Schmiermittel beigefügt. Anschließend wird es homogen vermischt und zu einem Grünkörper verpresst. Schließlich erfolgt eine Wärmebehandlung in inerter
Stickstoffatmosphäre in einem Ofen bei einer Temperatur von 1.200°C. Nach einer Stunde wird das erhaltene Teil abgekühlt und auf diese Weise ein Teil aus einem weichmagnetischen Sinterwerkstoff mit reduzierten
Ummagnetisierungsverlusten erhalten.
Wie in Fig. 1 dargestellt ist, diffundieren während des Sintervorgangs die
Elemente des zweiten Sinterpulvers 2 und des ersten Sinterpulvers 1 ineinander. Das erste Sinterpulver 1 enthält zunächst noch einen hohen Anteil an Kohlenstoff C, der im Eisen Fe gelöst ist. Wenn sich das Silizium Si des zweiten
Sinterpulvers 2 in dem Eisen löst, wird dabei die Löslichkeit des Kohlenstoffs herabgesetzt und dieser wandert an die Korngrenzen des ersten Sinterpulvers 1. Hierdurch werden die in Fig. 2 dargestellten Partikel eines modifizierten
Sinterpulvers 3 erhalten, aus dem ein großer Anteil des Kohlenstoffs als Zementit ausgeschieden wird, das im Gefüge auch als Perlit nachgewiesen werden kann. Diese Partikel verbinden sich im weiteren Sinterprozess zu dem in Fig. 3 dargestellten weichmagnetischen Sinterwerkstoff 4.
In einem Vergleichsbeispiel wird nur dem ersten Sinterpulver aus dem
Ausführungsbeispiel der Erfindung ein Schmiermittel beigefügt. Anschließend wird es homogen vermischt und zu einem Grünkörper verpresst. Schließlich erfolgt eine Wärmebehandlung in inerter Stickstoffatmosphäre in einem Ofen bei einer Temperatur von 1.200°C. Nach einer Stunde wird das erhaltene Teil abgekühlt und auf diese Weise ein Vergleichsteil erhalten.
Die Ummagnetisierungsverluste des Teils gemäß dem Ausführungsbeispiel der Erfindung sind gegenüber dem Vergleichsteil im Bereich 20 - 90% der
Materialsättigung und bei einer Frequenz von 100 - 1000 Hz um mindestens 10 % reduziert.

Claims

Ansprüche
1. Verfahren zur Herstellung eines Teils aus einem Sinterwerkstoff (4) für die Anwendung in einem Aktor, einem weichmagnetischen Rotor oder Stator einer elektrischen Maschine oder einem Sensor, worin das Teil durch Sintern eines Pulvergemischs aus einem ersten Sinterpulver (1) und einem zweiten Sinterpulver (2) erhalten wird, wobei das erste Sinterpulver (1) die folgende Zusammensetzung aufweist:
49 - 99,97 Gew.-% Eisen,
0,03 - 2,00 Gew.-% Kohlenstoff,
0 - 7 Gew.-% Silizium,
0 - 20 Gew.-% Chrom,
0 - 50 Gew.-% Cobalt,
0 - 5 Gew.-% weitere Elemente, wobei die Summe der Bestandteile 100 Gew.-% beträgt, und das zweite Sinterpulver (2) die folgende Zusammensetzung aufweist:
0 - 90 Gew.-% Eisen,
0 - 90 Gew.-% Silizium,
0 - 100 Gew.-% Chrom,
0 - 100 Gew.-% Phosphor
0 - 100 Gew.-% Molybdän
0 - 100 Gew.-% Wolfram
0 - 100 Gew.-% Titan
0 - 100 Gew.-% Nickel 0 - 100 Gew.-% Cobalt
0 - 100 Gew.-% Schwefel
0 - 100 Gew.-% Kohlenstoff
0 - 5 Gew.-% weitere Elemente, wobei die Summe der Bestandteile 100 Gew.-% beträgt.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die zahlenmittlere Partikelgröße des ersten Sinterpulvers (1) größer als die zahlenmittlere Partikelgröße (2) des zweiten Sinterpulvers ist.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Sinterpulver (1) eine zahlenmittlere Partikelgröße im Bereich von 10 - 500 μηη aufweist und das zweite Sinterpulver (2) eine zahlenmittlere Partikelgröße im Bereich von 1 - 400 μηη aufweist.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Sinterpulver (2) eine zahlenmittlere Partikelgröße im Bereich von 1 - 200 μηη aufweist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Sinterpulver (1) mindestens 0,06 Gew.-% Kohlenstoff enthält.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Sinterpulver (2) die folgende Zusammensetzung aufweist:
0 - 90 Gew.-% Eisen,
0 - 90 Gew.-% Silizium,
0 - 100 Gew.-% Chrom,
0 - 20 Gew.-% Phosphor
0 - 5 Gew.-% weitere Elemente, wobei die Summe der Bestandteile 100 Gew.-% beträgt.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Sinterpulver (2) mit den Bestandteilen des ersten Sinterpulvers intermediär eine Legierung bildet, deren Schmelzpunkt maximal 1300 °C beträgt.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Sinterpulver (1) und das zweite Sinterpulver (2) vor dem Sintern homogen in dem Pulvergemisch verteilt werden.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Sintern bei einer Temperatur oberhalb der Schmelztemperatur des zweiten Sinterpulvers (2) erfolgt.
10. Teil, herstellbar nach einem Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9.
11. Teil nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass es eine
Karbidmikrostruktur mit einem geordneten Karbidnetzwerk aufweist.
12. Teil nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass die
Karbidmikrostruktur eine Zementitstruktur ist.
13. Teil nach Anspruch 12 dadurch gekennzeichnet, dass die
Zementitstruktur teilweise als Perlit-Gefüge vorliegt.
14. Teil nach einem der Ansprüche 10 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass es gegenüber einem Teil, das in einem Sinterverfahren nur aus dem ersten Sinterpulver (1) hergestellt wurde, eine Reduzierung seiner Ummagnetisierungsverluste von mindestens 10 % mindestens im Bereich 20 - 90% der Materialsättigung und einer Frequenz von 100 - 1000 Hz aufweist.
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