DE102012211053A1

DE102012211053A1 - Weichmagnetische Komponente und Verfahren zur Herstellung einer solchen

Info

Publication number: DE102012211053A1
Application number: DE102012211053.4A
Authority: DE
Inventors: Jens Burghaus; Witold Pieper
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2012-06-27
Filing date: 2012-06-27
Publication date: 2014-01-02
Also published as: WO2014000916A1

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

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 11 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 Versintern 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, Al, 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 µm bis kleiner oder gleich 3 mm, beispielsweise von größer oder gleich 5 µm bis kleiner oder gleich 1 mm, insbesondere mit einem Durchmesser von größer oder gleich 5 µm bis kleiner oder gleich 500 µm. 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 elektrischen 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 Silizium-reiche 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 elektrischen 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
1 eine schematische Schnittansicht einer erfindungsgemäßen weichmagnetischen Komponente gesintert aus Pulverpartikeln.
2 eine schematische Darstellung des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung einer weichmagnetischen Komponente.
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 = 0,9µΩm, bei reinem Silizium ρ = 2,3·10⁹ µΩm 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.
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 Silizium-reiche Schicht mit hohem elektrischen 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.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 112009000263 T5 [0003]
EP 1231003 A2 [0004]

Claims

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.
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, Al, 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.
Weichmagnetische Komponente (1) nach Anspruch 1 oder 2 dadurch gekennzeichnet, dass die Basiskörper (2) Pulverpartikel mit Durchmessern größer oder gleich 2 µm bis kleiner oder gleich 3 mm, insbesondere von größer oder gleich 5 µm bis kleiner oder gleich 1 mm, insbesondere mit einem Durchmesser von größer oder gleich 5 µm bis kleiner oder gleich 500 µm 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.
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.
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.
Verwendung einer weichmagnetischen Komponente (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4 als Bestandteil eines elektromagnetischen Systems.
Verwendung einer weichmagnetischen Komponente (1) nach Anspruch 11 als Anker oder Kern eines Magnetventils oder als Stator oder Rotor in einer elektrischen Maschine.