AT511919B1 - Verfahren zur herstellung eines sinterbauteils - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Sinterbauteils mit weichmagnetischen Eigenschaften, nach dem aus einem metallische Partikel aufweisenden Pulver in einer Pressform durch Pressen ein Grünling hergestellt wird und der Grünling danach gesintert wird, wobei zumindest ein Teil des Pulvers vor dem Pressen zur Ausbildung einer oxidischen Phase oxidiert wird. Vor dem Pressen und nach der Oxidation des zumindest einen Teils des Pulvers wird eine Pulvermischung aus Pulverfraktionen mit unterschiedlicher Partikelgrößenverteilung hergestellt.

Description

ÖKe?reicsi:.eh« jatessaret AT511919B1 2013-09-15

Beschreibung [0001] Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Sinterbauteils mit weichmagnetischen Eigenschaften, nach dem aus einem metallische Partikel aufweisenden Pulver in einer Pressform durch Pressen ein Grünling hergestellt wird und der Grünling danach gesintert wird, wobei zumindest ein Teil des Pulvers vor dem Pressen zur Ausbildung einer oxidischen Phase oxidiert wird, eine Pulvermischung zur Herstellung eines Sinterbauteils mit weichmagnetischen Eigenschaften umfassend metallische Partikel sowie zumindest ein Metalloxid, wobei das Metalloxid aus zumindest einem Teil der metallischen Partikel gebildet ist und eine Oxidschicht auf zumindest einem Teil der Oberfläche dieser Partikel bildet, sowie einen Sinterbauteil mit weichmagnetischen Eigenschaften umfassend metallische Partikel sowie zumindest ein Metalloxid, wobei das Metalloxid aus zumindest einem Teil der metallischen Partikel gebildet ist und eine Oxidschicht auf zumindest einem Teil der Oberfläche dieser Partikel bildet.

[0002] SMC- Werkstoffe (soft magnetic composite) sind aufgrund der erreichbaren magnetischen Performance insbesondere bei hohen Frequenzen, wie sie beispielsweise bei hochpoli-gen Elektromotorkonzepten oder hochdrehenden Motoren verwendet werden, sehr interessant. Im Stand der Technik sind bereits verschiedenste Verfahren zur Herstellung von so genannten SMC-Werkstoffen beschrieben worden.

[0003] Beispielsweise beschreibt die EP 1 236 808 B1 ein Verfahren zum Herstellen eines Metallpulver-Verbundwerkstoffs mit hohem spezifischem elektrischen Widerstand, wobei ausgegangen wird von einem Ausgangsmaterial, welches ein Gemisch aus Metallpulver und mindestens zwei bei einer Pyrolyse oxidische Pyrolyserückstände bildenden Trennmittel oder mindestens einem bei der Pyrolyse einen oxidischen Pyrolyserückstand bildendes Trennmittel sowie einem oxidischen Feinpulver bildet, wobei das Ausgangsmaterial zu Formkörpern gepresst wird, wobei weiter bei einem Ausgangsmaterial, welches mindestens zwei bei einer Pyrolyse oxidische Pyrolyserückstände bildenden Trennmittel enthält, die mindestens zwei Trennmittel und bei einem Ausgangsmaterial, welches ein bei der Pyrolyse einen oxidischen Pyrolyserückstand bildendes Trennmittel sowie ein oxidisches Feinpulver beinhaltet, das mindestens eine Trennmittel durch Erhitzen bei einer Temperatur deutlich unterhalb der Sintertemperatur des Metallpulvers in einer nicht reduzierenden Atmosphäre zu einem Oxid pyrolysiert und die dann vorliegenden Oxide unter Bildung mindestens einer gemeinsamen Phase miteinander zur Reaktion gebracht werden.

[0004] In vielen Anwendungen muss jedoch auf die Verwendung von SMC-Werkstoffen verzichtet werden, da die mechanischen Eigenschaften zu gering sind. Insbesondere in Fahrzeugen sind die Motoren zahlreichen Vibrationen ausgesetzt, die zur Zerrüttung üblicher SMC-Werk-stoffe führen können.

[0005] Die JP 2004-297036 A beschreibt ein Verfahren zur Herstellung eines gepressten und gesinterten Weichmagneten auf Eisenbasis. Dazu wird Zink zunächst zu 0,01 Gew.-% bis 15 Gew.-% mit dem Eisenpulver, das einen Durchmesser von 5 pm bis 150 pm hat, vermischt und durch Erhitzen in nicht-oxidierender Atmosphäre auf diesem schichtförmig abgeschieden. Durch anschließendes Erhitzen in oxidierender Atmosphäre kommt es zur Ausbildung einer Eisen-Zink-Spinellbeschichtung auf dem Eisenbasispulver. Das so gewonnene Pulver kann mit Glaspulver vermischt, in die gewünschte Form gepresst und gesintert werden.

[0006] Die JP 2004-253787 A beschreibt ein Verfahren zur Herstellung eines Weichmagneten durch Pressen und Sintern eines Eisenpulvers mit einem Durchmesser von 5 pm bis 150 pm. Zink wird zunächst aus der Gasphase an diesen Partikeln abgeschieden und anschließend zu ZnO oxidiert. Dieses Pulver kann mit Glaspulver vermischt in Form gepresst und anschließend gesintert werden.

[0007] Die DE 10 2005 036 858 A1 beschreibt ein Verfahren zur Herstellung eines weichmagnetischen Materials. Dabei wird ein Eisen-Silizium-Legierungspulver zunächst in leicht oxidierender Atmosphäre erhitzt, wodurch es zur Ausbildung einer Randschicht von S1O2 kommt. Anschließend wird das Material in die gewünschte Form gepresst und gesintert. 1 /16 österreichisches pstesiamt AT511919B1 2013-09-15 [0008] Die DE 103 49 594 A1 beschreibt ein Verfahren zur Herstellung eines weichmagnetischen, sinterbaren Materials. Zunächst wird aus einem Eisenbasislegierungspulver mit Zusätzen von beispielsweise Silizium, Aluminium und/oder Kupfer durch Erhitzen und Oxidation in oxidierender Atmosphäre eine Oxidschicht dieser Metalle um die Partikel erzeugt. Durch Pressen und Sintern wird daraus das gewünschte Produkt erzielt.

[0009] Die Aufgabe vorliegender Erfindung bestand darin, einen verbesserten SMC-Werkstoff zu schaffen.

[0010] Diese Aufgabe wird jeweils eigenständig durch das voranstehend genannte Verfahren, die Pulvermischung sowie das Sinterbauteil gelöst, wobei nach dem Verfahren vor dem Pressen und nach der Oxidation des zumindest einen Teils des Pulvers eine Pulvermischung aus Pulverfraktionen mit unterschiedlicher Partikelgrößenverteilung hergestellt wird, die Pulvermischung aus Pulverfraktionen mit unterschiedlicher Partikelgrößenverteilung hergestellt ist, und der Sinterbauteil aus einer Pulvermischung aus Pulverfraktionen mit unterschiedlicher Partikelgrößenverteilung hergestellt ist.

[0011] Von Vorteil ist dabei, dass das Oxid direkt aus den metallischen Partikeln erzeugt und nicht gesondert zugegeben wird. Es ist damit eine bessere Haftung des Oxids an den metallischen Partikeln erreichbar, wodurch die mechanische Festigkeit des Sinterbauteils verbessert werden kann. Darüber hinaus ist im Vergleich zur extra Zugabe eines oxidischen Pulvers eine homogenere Verteilung des Oxids in der gesamten Pulvermischung erreichbar, wodurch die weichmagnetischen Eigenschaften des Sinterbauteils isotroper gestaltet werden können, insbesondere in Hinblick auf die Dreidimensionalität dieser Eigenschaften. Ungewollte Kurzschlüsse im Betrieb des Sinterbauteils können damit besser vermieden werden, wodurch die Effizienz des Sinterbauteils verbessert werden kann. Es ist damit aber auch die Verfahrensweise einfacher gestaltbar, wodurch die Sinterbauteile kostengünstiger herstellbar sind.

[0012] Dadurch, dass vor dem Pressen eine Pulvermischung aus Pulverfraktionen mit unterschiedlicher Partikelgrößenverteilung hergestellt wird, wird eine bessere Vernetzung der Pulverpartikel miteinander erreicht, und damit in der Folge auch eine höhere mechanische Belastbarkeit des Sinterbauteils.

[0013] Gemäß einer Ausführungsvariante ist vorgesehen, dass die oxidische Phase im Bereich der Oberfläche der Partikel bis zu einer Schichtdicke von maximal 6 pm hergestellt wird, da bei höheren Schichtdicken die Isolationseigenschaften des Oxids und die mechanische Festigkeit des Sinterbauteils kaum bzw. nicht mehr verbessert werden und somit der höhere Oxidanteil nur zu Lasten des Wirkungsgrades des Sinterbauteils geht, ohne einen entsprechenden Vorteil durch den höheren Oxidanteil zu erreichen.

[0014] Nach einer bevorzugten Verfahrensvariante ist vorgesehen, dass die Oxidation der Partikel mit Luft oder Wasserdampf bei einer Temperatur zwischen 100 °C und 723 °C durchgeführt wird. Abgesehen von der umweltfreundlichen Verfahrensweise wird damit eine rasche Oxidation der Oberfläche der metallischen Partikel erreicht, wobei gleichzeitig eine zu hohe Temperaturbelastung der Partikel während der Oxidation und damit auch mögliche unerwünschte Phasenumwandlungen besser vermieden werden können, insbesondere in Hinblick auf die bei der Oxidation frei werdende Energie.

[0015] Nach einer anderen Ausführungsvariante des Verfahrens ist vorgesehen, dass auf den Grünling vor dem Sintern ein Glaspulver aufgebracht wird. Es wird damit erreicht, dass dieses Glaspulver während des Sinterns des Grünlings diesen infiltriert, also in dessen Poren zumindest in oberflächennahen Bereichen eindringt. Über dieses zusätzliche Glaspulver kann ein Sinterbauteil mit einem verbesserten Partikelverbund und damit mit verbesserten mechanischen Eigenschaften hergestellt werden, wodurch dessen Belastbarkeit verbessert werden kann, da das Glaspulver in weiterer Folge nach dem Sintern eine harte „Matrix" bildet, in der die Partikel des Pulvers zumindest teilweise eingeschlossen sind.

[0016] Es ist aber auch möglich, dass das Glaspulver auf den Grünling und/oder in die Pulvermischung vor dem Verpressen, durch Ersetzen von metallischer Pulverfraktionen eingebracht 2/16 ixterrejfÄha fatemaffit AT511919B1 2013-09-15 wird.

[0017] Dabei ist es von Vorteil, wenn ein Glaspulver mit einer Korngröße von maximal 450 pm verwendet wird. Einerseits kann damit die Infiltration des Sinterbauteils beschleunigt werden, andererseits kann damit auch verhindert werden, dass die Poren zur Gänze geschlossen werden, sodass zumindest teilweise offenporige Sinterbauteile mit einer verbesserten Belastbarkeit hergestellt werden können, die sich insbesondere für nasse Anwendungen eignen, beispielsweise flüssig gekühlte Sinterbauteile.

[0018] Es ist dabei weiter von Vorteil, wenn als Glas ein Glas ausgewählt aus einer Gruppe umfassend oder bestehend aus Quarzglas Recyclingglas, Glasschleifstaub, Glasflussmittel (z. B. Na2C03), Porzellanstaub, niedrig schmelzende Keramikpulver, Dekorkeramik, verwendet wird. Insbesondere Quarzglas und Recyclingglasstaub haben sich in Hinblick auf die gewünschte Verbesserung der Belastbarkeit des Sinterbauteils, insbesondere die Druckfestigkeit, als besonders geeignet herausgestellt.

[0019] Aus demselben Grund hat es sich dabei als vorteilhaft erwiesen, wenn die Pulvermischung zumindest Partikel mit einer Partikelgröße zwischen 45 pm und 100 pm und Partikel mit einer Partikelgröße zwischen 100 pm und 500 pm aufweist, wodurch die mechanische Belastbarkeit durch bessere Verpressbarkeit durch geringeres Hohlraumvolumen weiter verbessert werden konnte, ohne damit die magnetischen Eigenschaften des Sinterbauteils negativ zu beeinflussen.

[0020] Bevorzugt werden für die Oxidation Partikel des metallischen Pulvers verwendet, die eine Partikelgröße zwischen 50 pm und 500 pm, insbesondere zwischen 100 pm und 250 pm, aufweisen. Es kann damit eine einfachere und schnellere Verfahrensweise zur Oxidation der metallischen Partikel erreicht werden.

[0021] Nach einer weiteren Ausführungsvariante ist vorgesehen, dass ein Anteil ausgewählt aus einem Bereich von 10 Gew.-% bis 90 Gew.-% ah teilweise oxidierten Partikeln mit einem Anteil ausgewählt aus einem Bereich von 90 Gew.-% bis 10 Gew.-% an nicht oxidierten Partikeln des metallischen Pulvers vor dem Verpressen vermischt wird. Insbesondere bei einem derartigen Verhältnis an teilweise oxidierten zu nicht oxidierten Partikeln konnte beobachtet werden, dass Sinterbauteile hergestellt werden können, die sowohl hinsichtlich der mechanischen Belastbarkeit als aus der magnetischen Eigenschaften Verbesserungen aufweisen.

[0022] Es ist auch möglich, dass bei Auftreten von Agglomerationen der zumindest teilweise oxidierten Partikel nach der Oxidation diese zerkleinert werden.

[0023] Bevorzugt weisen die teilweise oxidierten Partikel der Pulvermischung eine Partikelgröße zwischen 100 pm und 500 pm auf. Es wird damit erreicht, dass insbesondere in Verbindung mit einem metallischen Feinpulver, das beim Verpressen das Hohlraumvolumen reduziert, größere gegeneinander isolierte Bereiche bzw. Zonen erzeugt werden können.

[0024] Aus bereits voranstehend erläuterten Gründen ist es von Vorteil, wenn der Anteil der metallischen Partikel mit der zumindest teilweise ausgebildeten Oxidschicht am Sinterbauteil zwischen 50 Gew.-% und 90 Gew.-% beträgt.

[0025] Zum besseren Verständnis der Erfindung wird diese anhand der nachfolgenden Figuren näher erläutert.

[0026] Es zeigen: [0027] Fig. 1 ein Schliffbild einer ersten Ausführungsvariante eines Sinterbauteils; [0028] Fig. 2 ein Schliffbild der ersten Ausführungsvariante eines Sinterbauteils mit größerer

Vergrößerung; [0029] Fig. 3 ein Schliffbild eines Grünlings der ersten Ausführungsvariante eines Sinterbau teils; 3/16

BstetwicNÄs psttsiamt [0030] Fig. 4 [0031] Fig. 5 [0032] Fig. 6 AT511919B1 2013-09-15 ein Schliffbild einer zweiten Ausführungsvariante eines Sinterbauteils; ein Schliffbild der zweiten Ausführungsvariante eines Sinterbauteils mit größerer Vergrößerung; ein Schliffbild eines Grünlings einer dritten Ausführungsvariante eines Sinterbauteils; [0033] Fig. 7 ein Schliffbild des Grünlings der dritten Ausführungsvariante eines Sinterbauteils mit größerer Vergrößerung; [0034] Fig. 8 ein Schliffbild einer vierten Ausführungsvariante eines Sinterbauteils; [0035] Fig. 9 ein Schliffbild einer fünften Ausführungsvariante eines Sinterbauteils; [0036] Fig. 10 ein Schliffbild der fünften Ausführungsvariante eines Sinterbauteils mit größerer

Vergrößerung.

[0037] Einführend sei festgehalten, dass die in der Beschreibung gewählten Lageangaben, wie z.B. oben, unten, seitlich usw. auf die unmittelbar beschriebene sowie dargestellte Figur bezogen und bei einer Lageänderung sinngemäß auf die neue Lage zu übertragen sind.

[0038] Unter Oxidation wird im Sinne der Erfindung die Bildung eines Oxids aus einem Metall oder Halbmetall verstanden.

[0039] Unter dem Begriff „weichmagnetische Werkstoffe" werden, entsprechend dem technischen Sprachgebrauch, Werkstoffe mit niedriger Remanenz verstanden.

[0040] Allgemeine Prozessbeschreibung: [0041] Wie bereits erwähnt betrifft die Erfindung unter anderem ein Verfahren zur Herstellung von Sinterbauteilen bzw. Formkörpern mit weichmagnetischen Eigenschaften, beispielsweise für Automotive-Anwendungen, aus einem Pulver bzw. Pulvergemisch. Dazu kann das Pulver bzw. Pulvergemisch falls erforderlich in einem ersten Schritt nach Partikelgrößen separiert werden. Insbesondere werden Partikelgrößen in Fraktionen von 45 pm bis 100 gm und 100 pm bis 250 pm separiert und für die weitere Verarbeitung eingesetzt.

[0042] Als Pulver bzw. Pulvergemisch wird insbesondere ein Reineisenpulver verwendet. Es sind aber auch andere verpressbare Metalle und Metalllegierungen einsetzbar, wie z.B. Eisen-Phosphor- oder Eisen-Phosphor-Silizium-Legierungen.

[0043] 1. Voroxidation des Pulvers: [0044] Zur Vorbereitung der Pulvers für das Verpressen wird zumindest ein Teil des einzusetzenden Pulvers teilweise voroxidiert. Der Begriff „teilweise" bezieht sich dabei auf eine Oxidation der metallischen oder halbmetallischen Partikel in oberflächennahen Bereichen der Partikel, sodass die Partikel im Kern nach der Oxidation zumindest annähernd unverändert vorliegen. Bevorzugt wird durch die Oxidation die gesamte Oberfläche der Partikel mit einer Oxidschicht überzogen. Im Rahmen der Erfindung besteht aber auch die Möglichkeit, dass die Oberfläche lediglich bis zu einem Ausmaß von zumindest 80 %, insbesondere zumindest 90 %, der gesamten Oberfläche des jeweiligen Partikels mit einer Oxidschicht versehen wird.

[0045] Die Schichtdicke der Oxidschicht kann kontrolliert durch entsprechende Steuerung der Prozessparameter, wie z.B. den Dampfgehalt der Atmosphäre bei der Oxidation, die Geschwindigkeit des Bandes, auf dem die zu behandelnden Bauteile durch die Anlage befördert werden, die Temperatur bei der Oxidation, der Stickstoffgehalt der Atmosphäre, die Dampfmenge, generelle atmosphärische Bedingungen (Luft versus Dampf), eingestellt und auf die jeweiligen erforderlichen Isolationseigenschaften abgestimmt werden. Insbesondere wird die Oxidschicht, d.h. die oxidische Phase, im Bereich der Oberfläche der Partikel bis zu einer Schichtdicke von maximal 6 pm, insbesondere maximal 2 pm, vorzugsweise zwischen 0,1 pm und 1 pm, hergestellt.

[0046] Die Oxidation selbst kann entweder mit (Luft)Sauerstoff oder durch Überleiten von Wasserdampf erfolgen, wobei auch andere Verfahren, wie z.B. Sprühtrocknungsverfahren, einsetz- 4/16 österpeichisdies mimwi. AT511919B1 2013-09-15 bar sind.

[0047] Bevorzugt erfolgt die Oxidation bei erhöhter Temperatur. Dazu können das Oxidationsmittel und/oder die Pulverpartikel auf die entsprechende Reaktionstemperatur erhitzt werden. Insbesondere wird die Oxidation der Partikel bei einer Temperatur zwischen 100 °C und 723 °C, vorzugsweise zwischen 400 °C und 600 °C, durchgeführt.

[0048] Je nach verwendetem Pulver entstehen bei der Oxidation reine Oxide oder Mischoxide. Beispielsweise wird bei der Verwendung von Reineisenpulver eine Schicht aus Magnetit erzeugt.

[0049] Nach einer bevorzugten Ausführungsvariante werden für die (Vor)Oxidation Partikel des metallischen Pulvers verwendet, die eine Partikelgröße zwischen 50 pm und 500 pm, insbesondere zwischen 100 pm und 250 pm, aufweisen.

[0050] Die Oxidation kann in einem entsprechenden Reaktor, beispielsweise einem Dünnbettreaktor, einem Drehrohrofen odereinem Dampfofen, erfolgen.

[0051] Die (Vor)oxidation kann mehrmals mit den selben Partikeln durchgeführt werden, beispielsweise zweimal, dreimal, viermal, fünfmal, etc., um damit die Schichtdicke der Oxidschicht besser an die Anforderungen des Sinterbauteils anpassen zu können.

[0052] 2. Separieren von Pulverfraktionen: [0053] Es ist auch möglich, dass nach der Oxidation bestimmte Partikelfraktionen hinsichtlich ihres Partikeldurchmessers mit üblichen Verfahren, wie z.B. Sichten, Windsichten, oder dgl., separiert werden, und im weiteren Verfahrensablauf nur bestimmte Korngrößenfraktionen verwendet werden, wie dies nachfolgend noch ausgeführt wird.

[0054] Dieser Schritt der Separation bestimmter Partikelgrößen kann anstelle des vor der Oxidation bedarfsweise durchgeführten Separationsschritts oder zusätzlich zu diesem erfolgen. Erfolgt die Korngrößenseparatron bereits vor der Oxidation, sodass also nur bestimmte Korngrößen bzw. eine bestimmte Korngrößenfraktion zur Oxidation gelangen, erübrigt sich unter Umständen die Separation nach der Oxidation.

[0055] 3. Pulvermischen [0056] Beim Pulvermischen wird das oxidierte Pulver mit zumindest einem Hilfsstoff oder werden verschiedene Pulver, die sich auch nur hinsichtlich der Partikeldurchmesser unterscheiden können, mit zumindest einem Hilfsstoff vermischt. Prinzipiell entspricht der Schritt des Pulvermischens selbst dem Stand der Technik zu Sinterverfahren.

[0057] In einer bevorzugten Ausführungsvariante wird ein Pulvergemisch hergestellt umfassend oder bestehend aus einem groben voroxidierten Pulver mit einem feinerem, reinen Metallpulver, beispielsweise Eisenpulver und einem Glas- bzw. Keramikpulver der bereits genannten Möglichkeiten, anstatt des feineren reinen Metallpulvers. Das grobe voroxidierte Metallpulver kann dabei eine Partikelgrößenverteilung zwischen 100 pm und 500 pm, das feinere Metallpulver eine Partikelgrößenverteilung zwischen 30 pm und 100 pm aufweisen.

[0058] Selbstverständlich können auch mehr als zwei Fraktionen unterschiedlicher Partikeldurchmesser eingesetzt werden, wobei mehr als eine Partikelgrößenfraktion an voroxidiertem Pulver und/oder mehr als eine Partikelgrößenfraktion an Reinmetallpulver oder Legierungspulver eingesetzt werden können.

[0059] Als Hilfsstoffe werden insbesondere in der Sintertechnik übliche Schmiermittel, beispielsweise Wachse, Stearate, Silane, Amide, Polymere, und optional Bindemittel, beispielsweise Harze, Silane, Öle, Polymere oder Kleber, verwendet. Der Anteil der Schmiermittel bzw. Presshilfsmittel an der Gesamtpulvermischung kann bis zu 3 Gew.-%, jener des Bindemittels bis zu 1 Gew.-% betragen.

[0060] Werden anstelle von Reinmetallen Legierungen eingesetzt, können diese entweder als sog. Muttermischung in hochkonzentrierter Form evtl, auch unter Einsatz von Temperatur und 5/16 Sämiätsches pitessaret AT511919B1 2013-09-15 Lösungsmitteln vorgemischt und anschließend mit dem Reinmet-Iallpulver, z.B. Eisenpulver, vermengt oder durch Zugabe der einzelnen zusätzlichen Legierungsbestandteile direkt ins Metallpulver vermischt werden.

[0061] Vor- oder Anlegierungselemente können z.B. Silizium und/oder Phosphor sein, insbesondere zur Erhöhung des elektrischen Widerstandes.

[0062] Der Anteil an teilweise oxidierten Partikeln an der gesamten fertigen Pulvermischung kann aus einem Bereich von 10 Gew.-% bis 90 Gew.-%, insbesondere aus einem Bereich von 30 Gew.-% bis 90 Gew.-%, vorzugsweise aus einem Bereich von 50 Gew.-% bis 90 Gew.-% ausgewählt sein.

[0063] Den Rest auf 100 Gew.-% Pulvermischung bilden neben den Hilfsstoffen, deren Anteil in Summe maximal 5 Gew.-% beträgt, insbesondere maximal 4 Gew.-%, die nicht oxidierten Partikeln des metallischen bzw. halbmetallischen Pulvers und optional auch die bereits genannten Glas- bzw. Keramikpulver.

[0064] Es ist aber auch möglich, dass das metallische Pulver bzw. die Pulvermischung aus den metallischen und gegebenenfalls halbmetallischen Pulver(n) zur Gänze (vor)oxidiert eingesetzt wird.

[0065] Optional können Agglomerationen der teilweise (vor)oxidierten Partikel nach der Oxidation und vor dem Pulvermischen aufgelöst werden. Es können hierzu übliche Brecher und/oder Mühlen verwendet werden.

[0066] 4. Pressen [0067] Die nach oben beschriebenem Verfahren vorbehandelten metallischen Pulvermischungen werden z.B. durch koaxiale Pressverfahren verdichtet und in Form gebracht. Hierbei ist darauf zu achten, dass die während der nachfolgenden Prozessschritte entstehenden Form-und Gestaltsänderungen bei der Herstellung der Presswerkzeuge bereits berücksichtigt sind. Die Verwendung entsprechender Schmiermittel und Bindemittel wirken in Hinblick auf die Verdichtung der Pulvermischung unterstützend. Je nach Schüttdichte und theoretischer Dichte der Pulvermischungen werden Pressdrücke von 600 MPa bis 1200 MPa hierfür angewandt.

[0068] Die auf diese Weise gewonnenen Presslinge (auch Grünling genannt) sind Ausgang für die anschließenden Prozessschritte.

[0069] Anstelle der koaxialen Pressverfahren können auch andere Pressverfahren angewandt werden, wie sie in der Sintertechnologie üblich sind, also z.B. auch isostatische Pressverfahren, etc..

[0070] Die Pulvermischungen können mittels des Pulverpressverfahrens auf Dichten > 6,5 g/cm3, vorzugsweise >7,1 g/cm3, verdichtet werden.

[0071] 5. Optional Entwachsen + Vorsintern [0072] Abweichend von der üblichen Prozessroute für pulvermetallurgisch hergestellte Formteile können die Presslinge durch thermische Behandlung unter Einwirkung reduzierender Atmosphärengase vorgesintert werden. Hierzu können oxidierende, inerte oder reduzierende Atmosphären durch Verwendung von Luft, Stickstoff oder Stickstoff-Wasserstoff-Gemische mit bis zu 30 Vol.-% Wasserstoffanteil verwendet werden.

[0073] Die Temperatur beim Vorsintern kann zwischen 750 °C und 1050°C, die Sinterzeit zwischen 10 Minuten und 2 Stunden betragen.

[0074] Durch das Vorsintern können organische Binde- und Schmiermittel ausgebrannt werden.

[0075] Durch die Wahl der Prozessparameter in den angegebenen Grenzen kann eine massive Oxidbildung von besonders sauerstoff-affinen (Legierungs)Elementen während des Vorsinterns zumindest großteils vermieden werden, sodass sich diese nicht negativ auf die Umformbarkeit auswirken. 6/16 ÖKe?reicsi:.eh« jatessaret AT511919B1 2013-09-15 [0076] Während des Vorsinterns kommt es nur beschränkt zur Versinterung der Pulverkörner, was zur Ausbildung eines eher schwachen Sinterverbundes führt.

[0077] Die auf diese Weise hergestellten vorgesinterten Grünlinge werden als „Bräunling" bezeichnet.

[0078] 6. Optional Nachpressen/ Kalibrieren [0079] Mittels koaxialen Pressverfahrens können die Bräunlinge nachverdichtet werden. Je nach Bauteilanforderung können Höhenänderungen bis zu etwa 30% der gesamt Bauteilhöhe umgeformt werden. Bei Pressdrücken bis zu 1400 MPa - lokal sind sogar höhere Stempelbelastungen möglich - kann eine Dichtesteigerung auf >7,2 g/cm3 erreicht werden.

[0080] Die ggfs, erforderlichen Schmiermittel können entweder mit konventionellen Tauchmethoden oder bevorzugt mittels Sprühverfahren vor oder während des Pressens auf das Bauteil aufgebracht werden.

[0081] Eine Steigerung der Dichte auf >7,2 a/cm3 ist mit diesem Verfahren möglich auch für Pulver, deren theoretische Dichte <7,4 g/cm3 liegt, da beim Vorsintern alle nichtmetallischen Mischungsbestandteile verbrennen und somit die theoretisch erreichbare Dichte gesteigert wird.

[0082] 7. Sintern/Sinterhärten [0083] Die Grünlinge oder verdichteten Bräunlinge werden mit oxidierender, inerter oder reduzierender Atmosphäre durch Verwendung von Luft, Stickstoff oder Stickstoff-Wasserstoff-Gemischen mit bis zu 30 Vol.-% Wasserstoffanteil gesintert.

[0084] Gegebenenfalls können der Sinteratmosphäre aufkohlende Gasen (Endogas, Methan, Propan, u. dgl.) zugesetzt werden.

[0085] Das Sintern erfolgt bevorzugt in kontinuierlich arbeitenden Sinteröfen. Die Temperaturen beim Sintern können zwischen 800 °C und 1350°C betragen. Die Sinterformteile können zwischen 10 Minuten und 2 Stunden auf dieser Temperatur gehalten werden.

[0086] Anschließend wird durch entsprechende Kühlaggregate am Ofenauslauf mit einer Abkühlgeschwindigkeit zwischen 0,2 K/s und 1,2 K/s aus der Sinterhitze abgekühlt.

[0087] In diesem Prozessablauf ist es möglich, dass der Grünling, der Bräunling oder das fertige Sinterbauteil einer aus dem Stand der Technik bekannten, mechanischen Bearbeitung unterzogen oder das gesinterte Sinterbauteil beschichtet wird.

[0088] Sollte das Entwachsen nicht bereits über den optionalen Verfahrensschritt Vorsintern erfolgt sein, kann dies gegebenenfalls in einem eigenen Aggregat in z.B. oxidierender Atmosphäre bzw. während des Sinterns erfolgen.

[0089] Optional besteht weiter die Möglichkeit, dass vor dem Sintern auf den Grünling oder den Bräunling aus voranstehend genannten Gründen ein Glaspulver aufgebracht wird. Das Glaspulver wird dabei vorzugsweise mit einer Korngröße von maximal 450 pm, insbesondere maximal 200 pm, eingesetzt. Als Glas wird vorzugsweise Quarzglas Recyclingglas, Glasschleifstaub, Glasflussmittel (z. B. Na2C03), Porzellanstaub, niedrig schmelzende Keramikpulver, Dekorkeramik verwendet, wobei auch andere Glassorten ersetzbar sind.

[0090] Durch diese allgemein beschriebene Verfahrensroute wird ein Sinterbauteil mit weichmagnetischen Eigenschaften aus metallischen Partikeln sowie zumindest einem Metalloxid hergestellt. Dabei ist das Metalloxid aus zumindest einem Teil der metallischen Partikel gebildet. Die Oxidschicht wird auf zumindest einem Teil der Oberfläche dieser Partikel gebildet.

[0091] Andererseits wird durch einen Teil der Verfahrensschritte eine Pulvermischung zur Herstellung eines Sinterbauteils mit weichmagnetischen Eigenschaften aus metallischen Partikeln sowie zumindest einem Metalloxid hergestellt, wobei das Metalloxid aus zumindest einem Teil der metallischen Partikel gebildet wird und eine Oxidschicht auf zumindest einem Teil der Oberfläche dieser Partikel bildet. 7/16 ÖKe?reicsi:.eh« jatessaret AT511919B1 2013-09-15 [0092] Im Folgenden sind einige spezielle Ausführungsbeispiele von Sinterbauteilen in Form von Probekörpern und anhand der Fig. 1 bis 10 wiedergegeben, die nach diesem Verfahren hergestellt wurden.

[0093] Als Ausgangsmaterial wurde für sämtliche Proben reines Eisenpulver mit einem Reinheitsgrad von >99,9% verwendet. Als Presshilfsmittel wurde jeweils 0,8 Gew.-% eines Amidwaches zugesetzt. Diese Angabe des Mengenanteils bezieht sich auf die gesamte Pulvermischung, die verpresst wurde. Die in den Beispielen angegebene Zusammensetzung bezieht sich hingegen auf die Pulvermischung aus dem voroxidierten und dem reinem Eisenpulver. Sämtliche Schliffbilder wurden mithilfe von 5 % Nital als Ätzmittel hergestellt.

[0094] Probe 1: [0095] Es wurde eine Pulvermischung aus 16 Gew.-% voroxidiertem Eisenpulver mit 84 Gew.-% reinem Eisenpulver hergestellt. Die Voroxidation erfolgte dabei mit einem Dampfbandofen bei einer Temperatur von ca. 500 °C, wobei die Voroxidation zweimal durchgeführt wurde, also ein voroxidiertes Pulver noch einmal voroxidiert wurde. Das voroxidierte Eisenpulver mit der Magnetitschicht bestand aus Partikeln mit einer minimalen Partikelgröße von 150 pm, also Partikeln, die zum überwiegenden Teil größer als 150 pm sind. Das nicht voroxidierte Eisenpulver bestand aus Partikeln mit einem maximalen Durchmesser von kleiner 150 pm. Die fertige Pulvermischung wurde auf eine Presslingsdichte von 7,2 g/cm3 verdichtet. Vor dem Sintern wurde auf den Grünling (Pressling) ein Quarzglas aufgestreut, wobei der Mengenanteil 2 Gew.-% bezogen auf den Pressling ohne Glaspulver betrug. Das Glaspulver wies eine Partikelgröße von 260 pm auf. Die Infiltration des Presslings erfolgte während des Sinterns unter Luftatmosphäre bei einer Temperatur von 1100 °C für eine Zeit von 15 Minuten. Nach dem Sintern wurde das Sinterbauteil mit einer Kühlrate von 0,7 K/s auf Raumtemperatur abgekühlt. Es erfolgte keine weitere mechanische Nachbearbeitung.

[0096] Wie die Fig. 1 bis 3 zeigen, wurden in den Proben Inseln aus den groben voroxidierten Eisenpulverpartikeln gebildet, die von einer Oxidschicht umgeben sind, die als dunkle Umrandung ersichtlich ist. Ein Vergleich der Fig. 1 und 2 mit Fig. 3, die den Grünlingszustand zeigt, lässt deutlich erkennen, dass das aufgestreute Glaspulver die Oxidschicht verstärkt, sodass deren mittlere Dicke im Bereich zwischen 1 pm und 20 pm beträgt.

[0097] mechanische Eigenschaften: [0098] · TRS (transverse rupture strength) 250 MPa bei Raumtemperatur [0099] magnetische Eigenschaften:

[00100] · 13 W/kg bei 100Hz und 1T

[00101] · 164 W/kg bei 1000Hz und 1T

[00102] Probe 2: [00103] Im Wesentlichen wurde das Beispiel der Probe 1 wiederholt, wobei aber eine Zusammensetzung von 32 Gew.-% voroxidiertes Eisenpulver und 68 Gew.-% Reineisenpulver verwendet wurde.

[00104] Die zugehörigen Schliffbilder sind in den Fig. 4 und 5 dargestellt. Ein Vergleich mit den Fig. 1 und 2 zeigt, dass die „Inselstruktur" deutlicher ausgebildet ist, wodurch aufgrund der besseren Isolationswirkung durch die Oxidschicht verbesserte magnetische Eigenschaften einerseits und eine gleichbleibende bzw. bessere mechanische Belastbarkeit trotz abnehmenden Sinterverbund aufgrund des geringeren Reineisenanteils andererseits erreicht werden.

[00105] mechanische Eigenschaften: [00106] · TRS (transverse rupture strength) 300 MPa bei Raumtemperatur [00107] magnetische Eigenschaften:

[00108] · 12 W/kg bei 100Hz und 1T

[00109] · 152 W/kg bei 1000Hz und 1T 8/16

SstetwitfiM!« psttsiamt AT511919B1 2013-09-15 [00110] Probe 3: [00111] Es wurde ein Pulver aus 100 Gew.-% voroxidiertem Eisenpulver verwendet. Die Voroxidation erfolgte dabei mit einem Dampfbandofen bei einer Temperatur von 500 °C, wobei die Voroxidation nur einmal durchgeführt wurde. Das voroxidierte Eisenpulver mit der Magnetitschicht bestand aus Partikeln mit einer kleinsten Partikelgröße von 63 pm. Die fertige Pulvermischung wurde auf eine Presslingsdichte von 6,7 g/cm3 verdichtet. Der Grünling wurde bei einer Temperatur von 1100 °C für eine Zeit von 15 Minuten unter Luft gesintert. Nach dem Sintern wurde das Sinterbauteil unter Luftkühlung mit einer Kühlrate von 0,7 K/s auf Raumtemperatur abgekühlt. Es erfolgte keine weitere mechanische Nachbearbeitung.

[00112] Die Fig. 6 und 7 zeigen jeweils Schliffbilder des Grünlings bei unterschiedlichen Vergrößerungen. Ein Vergleich mit den Fig. 4 und 5 zeigt eine sehr ähnliche Struktur auch ohne Glaspulver, wobei allerdings größere schwarze Bereich zwischen den Partikeln erkennbar sind, die durch eine höhere Porosität des Grünlings bedingt sind. Diese Porosität wird durch den fehlenden Feinanteil an Eisenpulver verursacht. Dementsprechend sind die mechanischen Eigenschaften des fertigen Sinterbauteils schlechter als jene der Probe 2.

[00113] Probe 4: [00114] Es wurde das Beispiel nach Probe 1 wiederholt, wobei die Voroxidation allerdings nur einmal durchgeführt wurde und der Sinterbauteil abschließend bei 1100 °C gesintert wurde. Das fertige Bauteil, Fig. 8 zeigt dazu das Schliffbild, wies zwar eine verbesserte mechanische Belastbarkeit auf, allerdings sind die magnetischen Eigenschaften geringfügig schlechter ausgebildet. Es ist aus Fig. 8 ersichtlich, dass die Oxidschicht teilweise unterbrochen ist, woraus eine schlechtere Isolationswirkung resultiert.

[00115] mechanische Eigenschaften: [00116] · TRS (transverse rupture strength) 270 MPa bei Raumtemperatur [00117] magnetische Eigenschaften:

[00118] · 14,5 W/kg bei 100Hz und 1T

[00119] · 170 W/kg bei 1000Hz und 1T

[00120] Probe 5: [00121] Es wurde das Beispiel der Probe 3 wiederholt, allerdings mit zusätzlichem Aufstreuen von Quarzglaspulver auf den Grünling in einem Anteil von 2 Gew.-%. Die Infiltration des Glaspulvers erfolgte bei 1100 °C während des Sinterns. Die Schliffbilder des gesinterten Sinterbauteils sind in den Fig. 9 und 10 wiedergegeben.

[00122] Aus den zugehörigen Schliffbildern der Fig. 9 und 10 ist erkennbar, dass die Oxidschicht stärker ausgeprägt ist. Zudem ist die Porosität im Vergleich zur Probe 3 geringer.

[00123] Es wurden im Rahmen der Erprobung der Erfindung noch weitere Versuche mit anderen Zusammensetzungen bzw. anderen Parametern durchgeführt, deren vollständige Wiedergabe den Rahmen dieser Beschreibung sprengen würde. Es haben sich dabei allerdings die voranstehend beschriebenen Bereiche als vorteilhaft hinsichtlich der gewünschten Eigenschaften des Sinterbauteils herausgestellt.

[00124] Die Ausführungsbeispiele zeigen mögliche Ausführungsvarianten des Verfahrens zur Herstellung eines Sinterbauteils mit weichmagnetischen Eigenschaften bzw. einer Pulvermischung zur Herstellung dieses Sinterbauteils. 9/16

Claims (23)

1. 8$tetwitf>ische psttsiamt AT511919B1 2013-09-15 Patentansprüche 1. Verfahren zur Herstellung eines Sinterbauteils mit weichmagnetischen Eigenschaften, nach dem aus einem metallische Partikel aufweisenden Pulver in einer Pressform durch Pressen ein Grünling hergestellt wird und der Grünling danach gesintert wird, wobei zumindest ein Teil des Pulvers vor dem Pressen zur Ausbildung einer oxidischen Phase oxidiert wird, dadurch gekennzeichnet, dass vor dem Pressen und nach der Oxidation des zumindest einen Teils des Pulvers eine Pulvermischung aus Pulverfraktionen mit unterschiedlicher Partikelgrößenverteilung hergestellt wird.
2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die oxidische Phase im Bereich der Oberfläche der Partikel bis zu einer Schichtdicke von maximal 6 pm hergestellt wird.
3. 3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Oxidation der Partikel mit Luft oder Wasserdampf bei einer Temperatur zwischen 100 °C und 723 °C durchgeführt wird.
4. 4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass auf den Grünling vor dem Sintern ein Glaspulver aufgebracht wird.
5. 5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass vor dem Verpressen ein Glaspulver in die Pulvermischung durch Ersetzen von metallischer Pulverfraktionen eingebracht wird.
6. 6. Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass ein Glaspulver mit einer Korngröße von maximal 450 pm verwendet wird.
7. 7. Verfahren nach Anspruch 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass als Glas ein Glas ausgewählt aus einer Gruppe umfassend Quarzglas, Recyclingglas, Glasschleifstaub, Glasflussmittel, Porzellanstaub, niedrig schmelzende Keramikpulver, Dekorkeramik verwendet wird.
8. 8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Pulvermischung Partikel mit einer Partikelgröße zwischen 45 pm und 100 pm und Partikel mit einer Partikelgröße zwischen 100 pm und 500 pm aufweist.
9. 9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass für die Oxidation Partikel des metallischen Pulvers verwendet werden, die eine Partikelgröße zwischen 50 pm und 500 pm aufweisen.
10. 10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass ein Anteil ausgewählt aus einem Bereich von 10 Gew.-% bis 90 Gew.-% an teilweise oxidierten Partikeln mit einem Anteil ausgewählt aus einem Bereich von 90 Gew.-% bis 10 Gew.-% an nicht oxidierten Partikeln des metallischen Pulvers vor dem Verpressen vermischt wird.
11. 11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass bei Auftreten von Agglomerationen der zumindest teilweise oxidierten Partikel nach der Oxidation diese zerkleinert werden.
12. 12. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die oxidische Phase aus reinem Eisenpulver mit einem Reinheitsgrad von >99,9% hergestellt wird.
13. 13. Pulvermischung zur Herstellung eines Sinterbauteils mit weichmagnetischen Eigenschaften umfassend metallische Partikel sowie zumindest ein Metalloxid, wobei das Metalloxid aus zumindest einem Teil der metallischen Partikel gebildet ist und eine Oxidschicht auf zumindest einem Teil der Oberfläche dieser Partikel bildet, dadurch gekennzeichnet, dass die Pulvermischung aus Pulverfraktionen mit unterschiedlicher Partikelgrößenverteilung hergestellt ist.
14. 14. Pulvermischung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Oxidschicht eine Schichtdicke von maximal 6 pm aufweist. 10/16 österpeichisdiei mimwi. AT511919B1 2013-09-15
15. 15. Pulvermischung nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass die teilweise oxidierten Partikel eine Partikelgröße zwischen 100 gm und 500 gm aufweisen.
16. 16. Pulvermischung nach einem der Ansprüche 13 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Teil der metallischen Partikel eine Partikelgröße zwischen 100 pm und 250 pm aufweist.
17. 17. Pulvermischung nach einem der Ansprüche 13 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass das Metalloxid aus oxidiertem Eisen besteht.
18. 18. Pulvermischung nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass das Metalloxid Magnetit ist.
19. 19. Sinterbauteil mit weichmagnetischen Eigenschaften umfassend metallische Partikel sowie zumindest ein Metalloxid, wobei das Metalloxid aus zumindest einem Teil der metallischen Partikel gebildet ist und eine Oxidschicht auf zumindest einem Teil der Oberfläche dieser Partikel bildet, dadurch gekennzeichnet, dass der Sinterbauteil aus einer Pulvermischung aus Pulverfraktionen mit unterschiedlicher Partikelgrößenverteilung hergestellt ist.
20. 20. Sinterbauteil nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass der Anteil der metallischen Partikel mit der zumindest teilweise ausgebildeten Oxidschicht zwischen 50 Gew.-% und 90 Gew.-% beträgt.
21. 21. Sinterbauteil nach Anspruch 19 oder 20, dadurch gekennzeichnet, dass dieser Poren aufweist und die Poren zumindest teilweise mit einem Glas gefüllt sind.
22. 22. Sinterbauteil nach einem der Ansprüche 19 bis 21, dadurch gekennzeichnet, dass das Metalloxid aus oxidiertem Reineisen besteht.
23. 23. Sinterbauteil nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, dass das Metalloxid Magnetit ist. Hierzu 5 Blatt Zeichnungen 11 /16