DE69015035T2

DE69015035T2 - Verfahren zur Herstellung gesinterter Formkörper einer Fe-P-Legierung mit weichmagnetischen Eigenschaften.

Info

Publication number: DE69015035T2
Application number: DE69015035T
Authority: DE
Inventors: Masakazu Achikita; Akihito Ohtsuka
Original assignee: Sumitomo Metal Mining Co Ltd
Current assignee: Sumitomo Metal Mining Co Ltd
Priority date: 1989-07-21
Filing date: 1990-07-20
Publication date: 1995-04-27
Anticipated expiration: 2010-07-21
Also published as: EP0409647B1; US5091022A; JPH0775205B2; DE69015035D1; JPH0353506A; EP0409647A3; EP0409647A2

Description

Hintergrund der Erfindung

Diese Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung einer Eisen-Phosphor (Fe-P)-Legierung und insbesondere auf ein Verfahren zur Herstellung eines hochdichten gesinterten Eisen-Phosphor-Legierungsmetallpulver (Fe-P), welche ausgezeichnete Weichmagneteigenschaften aufweist.
Eine Fe-P-Legierung mit ihren hoher magnetischer Permeabilität wird weitverbreitet als Kopfjochmaterial für einen Eisenmagnetkern-Punktdrucker einschließlich eines Magnetschalters verwendet. Im allgemeinen haben diese Vorrichtungen eine relativ komplizierte Form, so dar der herkömmliche Spritzguß zu ihrer Herstellung nicht verwendet werden kann. Ebenso sind die herkömmlichen Bearbeitungsverfahren für ihre Herstellung sehr teuer.
Gemäß den üblichen Verfahren wird eine geschmolzene Fe-P-Legierung in eine Keramikform gegossen, und das gehärtete Produkt wird aus dem Hohlraum der Keramikform nach dem Abkühlen herausgenommen. Dieses Verfahren ist als Präzisionsformung bekannt. Da jedoch dieses Präzisionsformen das Schmelzen der Metallegierung erfordert, tritt in manchen Fällen eine unerwünschte Ablagerung während des Erstarrngsvorgangs auf und Abweichungen in der Porosität innerhalb des Formproduktes werden angetroffen. Folglich ist es extrem schwierig, in zuverlässiger Weise Produkte herzustellen, welche einheitlich ausgezeichnete Weichmagneteigenschaften aufweisen.
Verschiedene Anläufe sind unternommen worden, um die technischen Nachteile durch Verwendung von Metallpulververfahren bei der Formung Fe-P-Legierungsprodukten zu vermeiden. Da die herkömmlichen Verfahren zur Formung von Metallpulverprodukten eine Preßformung verwenden, wird eine vollständige und perfekte Zusammensetzung nur schwer erreicht, selbst wenn ein großer Druck während des Formvorganges verwendet wird, da Risse aufgrund dieser großen Druckkräfte während des Sinterns des Rohpulvers auftreten.
Da dar Fe-Pulver eine relativ große mittlere Teilchengröße aufweist, wurde in anderen Verfahren wurde vorgeschlagen, ein Pulver mit feinen Teilchen entweder aus P oder Fe-P in das Fe-Pulver zu mischen. Wenn jedoch das reparierte und gepreßte Rohprodukt gesintert wird, dann kann die relative Dichte am Ende nur auf 92 - 93% maximal erhöht werden. Da weiterhin grobes Fe-Pulver verwendet wird, ist die Mischung P-Pulver mit Fe-Pulver nicht ausreichend, was zu einer uneinheitlichen Verteilung von P-Pulver führt. Es wird allgemein angenommen, daß die Weichmagneteigenschaften der Legierung zudem beeinträchtigt werden durch einen erhöhten Grad von Porosität und nicht-einheitlicher Verteilung des P-Pulvers.
Folglich wurde festgestellt, dar Produkte, welche nach dem obigen Metallpulververfahren hergestellt wurden, weniger wünschenswerte Eigenschaften aufweisen, als solche aus einem Schmelzverfahren.
Das Dokument "High performance soft magnetic components by powder metallurgy and metal injection moulding" (Modern Developments in Powder Metallurgy, vol 18, 1988, pp 368-389; C. Lall et al) offenbart Verfahren zum Spritzguß von Weichmagnetkomponenten mit Verdichtungen im Bereich 90 - 94%. Dieses Dokument erwähnt, daß ein Hauptnachteil für die Hochtemperatursinterung in der ungewöhnlichen starken Schrumpfung besteht und schlägt ein Prägen vor, um die Dimensionen der gegossenen Teile zu bestimmen.
EP-A-0324122 offenbart ein Ausgangsmaterial für ein spritzgegossenes und gesintertes Produkt, wobei das Material ein Bindemittel z.B. Wachs oder Polyäthylen enthält, welches nach dem Spritzen und vor dem Sintern entfernt wird.

Aufgabe und Zusammenfassung der Erfindung

Entsprechend ist es eine Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zur Herstellung einer hochdichten gesinterten Fe-P-Legierung zu schaffen, die ausgezeichnete Weichmagneteigenschaften aufweist, wobei die oben erwähnten Nachteile vermieden werden. Es ist eine andere Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zur Herstellung eines Metallpulver-Sinterproduktes einer Fe-P-Legierung mit verbesserten einheitlichen weichmagnetischen Eigenschaften zu schaffen, das einfach in wirtschaftlicher Weise durchzuführen ist.
Die obigen Aufgaben dieser Erfindung wurden nach ausgedehnten und sorgfältigen Anstrengungen bei der Forschung und Entwicklung erreicht durch Schaffung eines Verfahrens zur Herstellung eines gesinterten Fe-P-Metallpulverproduktes mit hoher magnetischer Permeabilität und ausgezeichneten weichmagnetischen Eigenschaften, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfaßt:
Herstellung von Pulvern aus P und im wesentlichen unkontaminiertem Fe, wobei die Pulver eine mittlere Teilchengröße von weniger als 45um aufweisen;
Herstellung einer Mischung aus Fe- und P-Pulvern mit 0,1 bis 1,0 % Gewicht von P und den Ausgleich von Fe;
Mischung der Fe-P-Mischung mit einem Bindemittel, um eine Zusammensetzung für Spritzguß zu bilden;
Spritzgießen der Zusammensetzung, um ein gewünschtes Produkt zu formen;
Entfernen des Bindemittels von dem Produkt;
Sintern des bindemittelfreien Produktes; und
Abkühlen des Produktes auf Umgebungstemperatur mit einer Geschwindigkeit von weniger als 50ºC pro Minute.
In einer bevorzugten Ausführungsform wird der Sinterungsschritt ausgeführt bei einer Temperatur in dem Bereich von 1200ºC - 1400ºC für eine Zeitdauer in dem Bereich von 30 bis 180 Minuten.

Ausführliche Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform

In der Praxis der Erfindung ist es notwendig, eine Mischung aus Fe- und P-Pulver herzustellen, die 0,1 bis 1,0 Gewichtsprozent P enthält. Wenn P weniger als 0,1% beträgt, kann die Sinterungsdichte nicht verbessert werden, was zu geringen weichmagnetischen Eigenschaften führt. Auf der anderen Seite, wenn P mehr als 1 Gewichtsprozent übersteigt, wird der Sättigungspunkt der magnetischen Flußdichte extrem vermindert, so dar das Material von keinem praktischen Wert ist. Obwohl es wünschenswert wäre, kein anderes Element als Fe-P in diese Mischung aufzunehmen, kann das Endprodukt solange als binäres System, d.h. Fe-P-Legierungssystem betrachtet werden, solange jedes dritte kontaminierte Element nicht den Grenzbereich überschreitet, wo die magnetischen Flußdichte B&sub3;&sub5; des gesinderten Produktes unter einem externen Magnetfeld von 350e weniger als 14000 G beträgt.
Es wurde ebenfalls als vorteilhaft befunden, daß die mittlere Teilchengröße des Pulvers weniger als 45um beträgt. Wenn sie 45um Teilchengröße überschreitet, ist die Fließbarkeit der gemischten Zusammensetzung, welche Metallpulver und Bindemittelmaterial enthält, vermindert, was in einer unmöglichen Mischung für Spritzgußverfahren resultiert. Selbst wenn sie spritzgegossen werden kann, wird es wesentlich länger für den Sinterungsvorgang dauern, bis er abgeschlossen ist. Aufgrund dieser Probleme kann die Enddichte nicht erhöht werden und die Weichmagneteigenschaften nehmen extrem ab. Das Bindematerial in dieser Erfindung kann von jegiichem Typ bekannter Bindematerialien sein, der mit der Sinterung von spritzgegossenen Rohprodukten kompatibel ist, einschl. Polyäthylen oder Wachs. Während des Vorgangs des Entfernen des Bindematerials kann ein Kohlenstoffrest gebildet werden, welcher, wenn er in die Fe-P-Legierung eintritt, eine Reduktion der weichmagnetischen Eigenschaften verursachen wird. Daher ist es vorzuziehen, Wachs zu verwenden, welches ein Minimum von Kohlenstoffrest während des Binderentfernvorganges erzeugt.
Obwohl jedes bekannte Verfahren einschließlich Aufheizen oder Auflösen verwendet werden kann, um das Bindematerial zu entfernen, ist das Aufheizverfahren, welches relativ einfache Vorrichtungen erfordert, geeignet, wenn es entweder in Stickstoffgas, Wasserstoffgas oder in einem Vakuum ausgeführt wird, insbesondere für Massenproduktion von diesem Produkt.
In der Praxis wird das Sintern des bindemittelentfernten Produktes vorzugsweise bei 1200 - 1400ºC für 30 bis 180 Minuten entweder in einer Wasserstoff- oder einer Vakuumatmosphäre nach der Entfernung des Bindemittels durchgeführt werden.
Schließlich ist es notwendig, die Abkühlgeschwindigkeit nach dem Sintervorgang auf weniger als 50ºC/min zu halten. Wenn die Kühlgeschwindigkeit größer als das ist, tritt eine Gitterverschiebung während des Kühlvorganges auf, die bei Raumtemperatur bestehen bleibt und die Weichmagneteigenschaften des Produktes vermindert.
Ein Produkt, das in Übereinstimmung mit der vorangegangenen Erfindung hergestellt wurde, zeigt bessere Weichmagneteigenschaften im Vergleich mit Produkten, die durch das Schmelzverfahren oder konventionellen Verfahren der Pulvermetallurgie hergestellt wurden. Folglich können gesinterte Produkte mit einer komplizierten Form hergestellt werden mit einer hohen Permeabilität und einheitlich ausgezeichneten Weichmagneteigenschaften.

Ausführungsbeispiele

Mit Bezug auf Tabelle 1 ist in den Testbeispielen 1 - 3 und den Vergleichsbeispielen 1 - 4 Karbonyl-Fe-Pulver mit einer mittleren Teilchengröße 5um und 50um gemischt mit Fe-27%-P Basislegierungspulver mit einer mittleren Teilchengröße von 40 um. Ein Ein Wachstypbindemittel von 40 Vol.% wurde zu der gezeigten Mischung von Metallpulver hinzuaddiert und ein Pellet hergestellt durch Heizen der Mischung von Metallpulver und Bindemittel auf 150ºC. Das Pellet wurde spritzgegossen in eine Spritzgußform unter Verwendung eines Spritzdruckes von 1200 kg/cm². Das Bindematerial wurde entfernt aus dem geschmolzenen Rohprodukt durch Aufheizen in einer Stickstoffgasatmosphäre bei 300ºC. Das so erhaltene Rohprodukt ohne Bindematerial wurde schließlich gesintert bei 1350ºC für zwei Stunden und anschließend im Kühlen auf Raumtemperatur mit einer Kühlgeschwindigkeit, wie sie in Tab. 1 aufgelistet ist. Eine Magnetisierspule und eine Suchspule wurden in 50 Windungen um das gesinterte Produkt, das durch die oben beschriebenen Vorgänge hergestellt wurde, herumgewickelt, um eine B-H- Hysteresiskurve zu erhalten durch Anwenden eines direkten Selbstflußmeters zur Messung der magnetischen Flußdichte (B&sub3;&sub5;), der Koerzitivkraft (Hc) und der max. magnetischen permeabilität (um) unter Anwendung eines externen magnetischen Feldes von 350e. Das Ergebnis dieser Eigenschaften ist in Tab. 1 aufgeführt. Tabelle 1 Produktionsbedingung Sintern Dichte Weichmagneteigenschaften Zusammensetzung Teilchengröße (um) Kühlrate nach Sintern (C/min) Beispiel Vergleichsbeispiel
In Vergleichsbeispiel 5 wurde ein Mischpulver unter 5 t/cm² ohne Hinzufügung eines Bindematerials gepreßt. Das gepreßte Pulvergemisch wurde gesintert gemäß den gleichen Vorgängen, wie in den vorangegangen Beispielen und getestet um die verschiedenen Magneteigenschaften zu messen. Die Ergebnisse des Beispiels 5 sind in Tab. 1 aufgeführt.
In Vergleichsbeispiel 6 ist ein Weichmagnetprodukt durch einen Schmelzvorgang hergestellt. Ohne Durchführen eines Sintervorgangs auf diesem Produkt wurde es ebenfalls den verschiedenen Messungen von Weichmagneteigenschaft ausgesetzt. Die erhaltenen Daten sind in Tab. 1 aufgelistet.
Aus den obigen Ergebnissen, die durch verschiedene Messungen von Magneteigenschaften gewonnen wurden, wurde festgestellt, dar das gesinterte Produkte, das durch das Verfahren gemäß der Erfindung hergestellt wurde, eine hohe magnetische Permeabilität, niedrige Koerzitivkräfte und eine hohe magnetischen Flußdichte zeigt. Es wurde ebenso beobachtet, daß das gesinterte Produkt gemäß der Erfindung ausgezeichnete Weichmagneteigenschaften zeigt, die besser sind als jedes andere Produkt, das durch einen Schmelzvorgang oder Pulvermetallurgie-Verfahren des Standes der Technik hergestellt wurden.
Obwohl diese Erfindung in Bezug auf das hierin offenbarte Verfahren erklärt wurde, ist sie nicht auf die Einzelheiten beschränkt, wie sie hier ausgeführt wurden, und ihre Anwendung ist ausgelegt, um jegliche Modifikationen und Änderungen abzudecken, wie sie im Rahmen der folgenden Ansprüche liegen.

Claims

1. Verfahren zur Herstellung eines gesinterten Fe-P-Pulvermetallproduktes mit hoher magnetischer Permeabilität und ausgezeichneten Weichmagneteigenschaften, wobei das Verfahren die Schritte umfaßt:

Herstellen eines Pulvers aus P und im wesentlichen unkontaminiertes Fe, wobei die Pulver eine mittlere Teilchengröße von weniger als 45um aufweisen;

Herstellen einer Mischung aus der Fe- und P-Pulver mit 0,1 - 1,0 Gewichts% von P und Ausgleich von Fe;

Mischung der Fe-P-Mischung mit einem Bindemittel, um eine Zusammensetzung für Spritzguß zu bilden; Spritzgießen der Zusammensetzung, um ein gewünschtes Produkt zu formen;

Entfernen des Bindemittels aus dem Produkt;

Sintern des bindemittelfreien Produktes; und Kühlen des Produktes auf Umgebungstemperatur mit einer Geschwindigkeit von weniger als 50ºC/min.

2. Verfahren nach Anspruch 1, worin der Sinterungsschritt bei einer Temperatur in dem Bereich von 1200ºC - 1400ºC für eine Zeitdauer in dem Bereich von 30 bis 180 Minuten durchgeführt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, worin die Fe-P-Mischung gemischt wird mit 40 vol-% von Bindemittel.

4. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, worin das Bindemittel Polyäthylen umfaßt.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, worin das Bindemittel ein Wachs ist.

6. Verfahren nach Anspruch 1, worin das Fe-Pulver eine Teilchengröße von 5um aufweist; wobei die Mischung von Fe- und P-Pulver 0,3 Gew.% von P aufweist; und

der Kühlschritt bei einer Geschwindigkeit von 10ºC/min durchgeführt wird.

7. Verfahren nach Anspruch 1, worin das Fe-Pulver eine Teilchengröße von 5um aufweist;

wobei die Mischung von Fe- und P-Pulver 0,5 Gew.% von P aufweist; und

der Kühlschritt mit einer Geschwindigkeit von 10ºC/min ausgeführt wird.

8. Verfahren nach Anspruch 1, worin das Fe-Pulver eine Teilchengröße von 5um aufweist; wobei die Mischung von Fe- und P-Pulver 0,8 Gew.% von P aufweist; und

der Kühlschritt mit einer Geschwindigkeit von 10ºC/min ausgeführt wird.

9. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, worin der Entfernschritt die Aufheizung des Produktes auf eine Temperatur von 300ºC in einer sauerstoffreien Atmosphäre umfaßt.

10. Verfahren nach Anspruch 1 bis 8, worin der Entfernschritt das Aufheizen des Produktes auf eine Temperatur von 300ºC in einer Stickstoffatmosphäre umfaßt.

11. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, worin der Spritzgießschritt mit einem Druck von 1200 kg/cm² ausgeführt wird.

12. Ein gesintertes Metallprodukt, das aus einem Fe-P-Pulver durch das Verfahren einem der vorangegangenen Ansprüche hergestellt wurde, wobei das Produkt eine magnetische Flußdichte B&sub3;&sub5; in den Bereich von 15.4 - 15.6 kG aufweist, eine Koerzitivkraft Hc in dem Bereich von 1.0 - 1.3 Oe und eine maximale magnetische Permeabilität in dem Bereich von 7100 - 7600 G/Oe aufweist.