DE69022751T2 - Magnetkerne aus Eisen-Silizium-Legierungspulver und Herstellungsverfahren. - Google Patents

Description

• Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Magnetkernen aus Eisen-Silizium-Legierungspulver, die in Entstörungsfiltern und Drosselspulen für Schaltstromversorgungen verwendet werden, sowie Pulverkerne, die durch ein solches Verfahren erhältlich sind.
• Bekannt ist das nachstehend beschriebene Verfahren zur Herstellung von Werkstoffen für Magnetpulverkerne, die in magnetischen Entstörungs- und Drosselspulen verwendet werden. Insbesondere gestaltet sich das Verfahren wie folgt Magnetmetallpulver mit Reineisen, Carbonyleisen, Fe-Ni-Legierung (nachstehend als Permalloy bezeichnet) oder Fe-Si-Al-Legierung (nachstehend als Sendust bezeichnet), denen Isolierbindemittel wie Natriumsilicat oder Epoxidharz zugefügt sind, werden unter Druck von 1 bis 15 t/cm² verdichtet und anschließend wärmebehandelt, um Druckspannungen zu beseitigen (Japan Society of Powder and Powder Metallurgy, Magnetic Materials (1970), The Nikkan Kogyo Shimbun Ltd.).
• Die JP-A-60-74602 offenbart einen Staubkern, der aus Magnetmetallpulver preßgeformt ist, das unter Verwendung eines Wasserverdüsungsverfahrens gewonnen wird.
• Die EP-A-0 088 992 offenbart ein Verfahren zur Herstellung eines Gegenstands aus weichmagnetischem Werkstoff durch Herstellen einer gemeinsamen Bindung einer Pulverkörnermasse. Diese Körner aus Eisen- und Eisenlegieruiigspulvern haben eine Teilchengröße von 50 bis 1000 um, werden mit Oxiden von Fe, Si, Al und/oder dergleichen in einer Schichtdicke von 0,01 bis 0,5 um beschichtet und anschließend isostatisch bei einer Temperatur von 600 bis 900 ºC gepreßt.
• Reineisen-Pulverkerne werden in Drosselspulen für Schaltstromversorgungen mit Frequenzen von 50 kHz oder darunter, Transformatoren für Stromversorgungsschaltungen mit Nachschwingdrossel und Entstörer in Schaltungen mit überlagerten niederfrequenten Strömen verwendet.
• Permalloy-Pulverkerne werden als Kerne für sekundärseitige Glättungsdrosseln in Schaltstromversorgungen im Frequenzbereich von 100 bis 150 kHz sowie als Entstörer verwendet. Sendust-Pulverkerne können im gleichen Frequenzbereich wie Permalloy-Pulverkerne verwendet werden.
• Angesichts der in letzter Zeit erhobenen Forderungen nach einer stärkeren Eindämmung hochfrequenter Störungen in elektronischen Ausrüstungen sowie nach kleineren und kompakteren Ausrüstungen besteht jedoch ein zunehmender Bedarf an Pulverkernen mit hoher Permeabilität und niedrigen Leerlaufverlusten. Zur Herstellung solcher Pulverkerne werden die Pulverteilchen mit Epoxidharz oder Natriumsilicat isoliert, um einen direkten Kontakt zwischen Pulverteilchen zu vermeiden und Wirbelstromverluste im Hochfrequenzbereich zu verringern. Ferner werden sie gepreßt, um die Dichte zu erhöhen und eine hohe Permeabilität sowie niedrige Leerlaufverluste zu erzielen.
• Zum Erzielen einer hohen Permeabilität muß die Packungsdichte durch einen hohen Verdichtungsdruck erhöht werden; bei herkömmlichen Sendust-Pulverkernen ist jedoch das Pulver äußerst hart und gegen plastische Verformung beständig, was ein Verdichten mit hohem Druck schwierig macht und die Lebensdauer der Matrizen beträchtlich senkt.
• Permalloy-Pulverkerne haben eine höhere Permeabilität als Reineisen-Pulverkerne und ihre magnetischen Hochfrequenz- Eigenschaften sind ausgezeichnet; sie sind jedoch teuer, und die Pulverhaftung an der lsolationsschicht ist unzureichend, so daß es zum Durchschlag der Isolation zwischen Teilchen kommt, was die magnetischen Eigenschaften im Hochfrequenzbereich merklich verschlechtert.
• Daher besteht eine Aufgabe der Erfindung darin, diese Probleme zu lösen, indem sie ein Verfahren zur Herstellung von Pulverkernen aus Fe-Si-Legierung sowie durch ein solches Verfahren erhältliche Pulverkerne bereitstellt, die billig sind, eine hohe Permeabilität, ausgezeichnete magnetische Eigenschaften im Hochfrequenzbereich sowie geringe Kernverluste bzw. Leerlaufverluste haben.
• Diese Aufgabe wird mit einem Verfahren nach Anspruch 1 bzw. Pulverkernen nach Anspruch 3 gelöst.
• Die Aufgaben und Merkmale der Erfindung werden aus der nachfolgenden näheren Beschreibung im Zusammenhang mit der beigefügten Zeichnung deutlicher. Es zeigt:
• Fig. 1 die Abhängigkeit der Permeabilität von der Frequenz für Pulverkerne der Erfindung zusammen mit anderen Pulverkernen als Vergleich.
• Von den Erfindern wurden die Auswirkungen der Lagenisolation, der Pulververdichtung, der Pulverzusammensetzung und anderer Faktoren, die die magnetischen Eigenschaften im Hochfrequenzbereich beeinflussen, auf die magnetischen Merkmale untersucht. Als Ergebnis dieser Forschungsarbeiten wurde festgestellt, daß Fe-Si-Legierungspulver, die durch Wasserverdüsen hergestellt werden, eine stabile Oxidschicht auf der Oberfläche der Teilchen bilden und eine ausgezeichnete Verdichtbarkeit haben, so daß sie zu Pulverkernen mit hoher Permeabilität und niedrigen Leerlaufverlusten verarbeitet werden können.
• Speziell betrifft die Erfindung einen Pulverkern aus Fe- Si-Legierung, der durch Verdichten eines durch Wasserverdüsen erzeugten Legierungspulvers mit einem durchschnittlichen Teilchendurchmesser von 10 bis 100 um hergestellt wird, bei dem sich das Legierungspulver gewichtsmaßig aus 2 bis 12 % Silizium und 0,05 bis 0,95 % Sauerstoff zusammensetzt und der Rest im wesentlichen Eisen ist.
• Insbesondere handelt es sich um einen Pulverkern aus Fe- Si-Legierung, bei dem sich das Legierungspulver gewichtsmäßig aus 2 bis 12 % Silizium und 0,05 bis 0,95 % Sauerstoff mit einem einzelnen oder kombinierten Al-, Cr- und Ti-Gehalt von weniger als 3 % zusammensetzt und der Rest im wesentlichen Eisen ist.
• Insbesondere handelt es sich um ein Verfahren zur Herstellung von Pulverkernen aus Fe-Si-Legierung mit den Schritten: Zufügen eines Isolierbindemittels zu Legierungspulver der vorgenannten Zusammensetzung, Verdichten der resultierenden Mischung und Aushärten.
• Insbesondere handelt es sich um ein Verfahren zur Herstellung von Pulverkernen aus Fe-Si-Legierung mit dem vorgenannten Verdichtungsschritt und Aushärtungsschritt sowie einem Wärmebehandlungsschritt, bei dem das verdichtete Erzeugnis in einer Inertatmosphäre bei einer Temperatur zwischen 500 und 950 ºC wärmebehandelt wird..
• Nachfolgend wird erläutert, weshalb die Erfindung auf die genannte Weise definiert ist.
• Das Si in der Zusammensetzung des Legierungspulvers der Erfindung ist ein wesentlicher Bestandteil dieser Legierung; bei einem Si-Gehalt unter 2 % sinkt der elektrische Widerstand und steigen die Wirbelstromverluste im Hochfrequenzbereich, so daß die gewünschte Permeabilität nicht erreicht wird. Übersteigt der Si-Gehalt 12 %, bildet sich eine intermetallische Verbindung, durch die das Pulver hart wird und an Verdichtbarkeit verliert. Vorzugsweise liegt der Si-Gehalt zwischen 3,0 und 7,5 %, was zu einer geringen magnetischen Anisotropie und Magnetostriktion führt.
• Sauerstoff ist für die Bildung eines Isolationsfilms auf der Pulveroberfläche entscheidend; liegt also der Sauerstoffgehalt unter 0,05 %, wird keine stabile Oxidschicht ausgebildet, und ist er höher als 0,95 %, wird die Oxidschicht zu dick, was die Permeabilität senkt und außerdem die Dichte der Grünlinge verringert. Daher liegt der Sauerstoffgehalt im Bereich von 0,05 bis 0,95 %.
• Das zu den wesentlichen Bestandteilen als wahlweiser Bestandteil zugefügte Al, Cr und Ti bewirkt eine weitere Erhöhung der Stabilität der ausgebildeten Isolationsschicht. Werden die Elemente einzeln oder zusammen in einer Menge über 3 % zugegeben, wächst der Film auf eine zu große Dicke, was die Verdichtbarkeit des Pulvers verringert, weshalb die Begrenzung auf 3 % gilt.
• Die Teilchengröße des Pulvers hat einen großen Einfluß auf die Permeabilität und die Isolationsgüte zwischen den Teilchen. Ist die Teilchengröße kleiner als 10 um, werden die magnetischen Eigenschaften des Pulvers selbst beeinträchtigt, und es läßt sich keine hohe Packungsdichte erzielen, so daß der gewünschte Permeabilitätsgrad nicht erreicht wird. Übersteigt andererseits die Teilchengröße 100 um, beschädigt eine zu hohe Reibung zwischen Teilchen die Isolationsschicht, so daß die magnetischen Eigenschaften im Hochfrequenzbereich beeinträchtigt sind; daher der Bereich zwischen 10 und 100 pm.
• Bei der Wasserverdüsung handelt es sich um ein Verfahren zum Herstellen von Metallpulver, bei dem der Ausgangswerkstoff geschmolzen und diese Metallschmelze durch eine Gießwannendüse als abwärts gerichteter Metallschmelzstrom mit einem Durchmesser von 2 bis 20 mm fließt. Wasser wird unter hohem Druck von 50 bis 800 kg/cm² aus einem Sprühdüsensystem auf diesen Metallstrom gesprüht, der sich in feine Tröpfchen auflöst, die als Pulver erstarren (Metals Handbook, Bd. 7, Seite 25).
• Die Wasserverdüsung läßt sich leicht steuern, um Pulver der gewünschten Zusammensetzung zu erzielen. Da außerdem das Metall durch Wasser abgeschreckt wird, haben die Teilchen eine unregelmäßige Form, was dem Pulver eine ausgezeichnete Verdichtbarkeit und einen niedrigen Entmagnetisierungsfaktor verleiht. Da zusätzlich das Metall durch das Wasser oxidiert wird, läßt sich die Dicke der Oxidschicht und somit der Sauerstoffgehalt des Legierungspulvers durch Ändern der Atmosphäre während der Verdüsung oder Ändern des Gelöstsauerstoffgehalts des Wassers steuern. Damit kann Pulver hergestellt werden, das sich für den Pulverkern der Erfindung eignet.
• Bei der Wasserverdüsung ist eine Zerstäuberdüse oben in einer Verdüsungskammer vorgesehen. Eine Metallschmelze fließt in der Kammer als dünner Strom von oben abwärts und wird verdüst, wenn Wasser unter hohein Druck aus der Düse auf den Metallstrom auftrifft. Erfolgt somit die Verdüsung in Luft als Atmosphäre in der Kammer, erreicht bei Eisenpulver der Sauerstoffgehalt des Pulvers einen Wert von 3 bis 5 %. Wird die Kammeratmosphäre durch Stickstoff, Argon oder ein anderes Inertgas ausgetauscht und das Kamrnerinnere mit Wasser gefüllt, um die verdüsten Metalltropfen schnell abzuschrecken, läßt sich der Sauerstoffgehalt des Eisenpulvers auf etwa 1 % verringern. Durchperlt ferner Ar, N&sub2; oder ein anderes Gas das beim Verdüsen verwendete Wasser und erfolgt eine Vakuumbehandlung zur Verringerung von gelöstem Sauerstoff im Wasser vor der Verdüsung, kann der Sauerstoffgehalt des Eisenpulvers auf unter 0,1 % gesenkt werden. Der Gelöstsauerstoffgehalt des Wassers läßt sich ändern, um den Sauerstoffgehalt des Pulvers im Bereich von 0,05 bis 0,95 % zu steuern.
• Durch Wasserverdüsung auf diese Weise hergestelltes Fe- Si-Legierungspulver hat eine durchschnittliche Teilchengröße von 10 bis 100 um nach dem Sieben. Ein Isolierbindemittel, normalerweise Natriumsilicat, Epoxidharz oder, falls eine Wärmebehandlung erfolgt, ein wärmebeständiges Harz wie Silikonharz wird in einer Menge von 1 bis 10 Gew.-% zugefügt und gemischt. Anschließend erfolgt eine Verdichtung mit einem Druck von 1 bis 15 t/cm², um Preßlinge der gewünschten Form herzustellen, wonach eine Härtungsbehandlung und bei Bedarf eine Wärmebehandlung durchgeführt wird. Abschließend erhält die Oberfläche einen Isolationsschichtanstrich, womit der Pulverkern hergestellt ist.
• Nach dem Zufügen des Isolierbindemittels zu den Fe-Si- Legierungsteilchen und dem Verdichten werden die Preßlinge durch eine Härtungsbehandlung gehärtet, bei der sie je nach Art des Isolierbindemittels und des Anwendungsbereichs des Pulverkerns auf 100 bis 300 ºC erwärmt werden. Erfolgt die Wärmebehandlung gemäß der nachfolgenden Beschreibung, kann der Aushärtungsschritt entfallen.
• Zu beachten ist, daß zur besseren Haftung des als Isolierbindemittels verwendeten Harzes o. ä. die Oberfläche des als Ausgangswerkstoff verwendeten Fe-Si-Legierungspulvers vorzugsweise mit einem organometallischen Haftvermittler auf Ti- oder Si-Basis behandelt wird.
• Während Fe-Si-Legierungspulver auf diese Weise zur Herstellung von Pulverkernen mit ausgezeichneten elektromagnetischen Eigenschaften verwendet werden kann, lassen sich die elektromagnetischen Eigenschaften weiter durch eine Wärmebehandlung der verdichteten Kerne verbessern.
• Wirksam ist eine Wärmebehandlung, wenn sie bei einer Temperatur zwischen 500 und 950 ºC in einer Inertatmosphäre aus Stickstoff oder Argon durchgeführt wird. Für die Umgebung kann keine Normalluft verwendet werden, da das Legierungspulver oxidieren würde, während Wasserstoff, gespaltenes Ammoniakgas oder andere reduzierende Umgebungen die Merkmale der Oxidschicht ändern würden. Somit ist eine Stickstoff- oder Argonatmosphäre bevorzugt.
• Was die Temperatur betrifft, so ist die Beseitigung von Verdichtungsspannungen bei weniger als 500 ºC schwierig, während bei Überschreitung von 950 ºC die Isolationsschicht zusammenbricht, sich die Pulverteilchen durch Sintern verbinden und die magnetischen Eigenschaften im Hochfrequenzbereich verschlechtern. Somit beseitigt eine Wärmebehandlung bei einer Temperatur zwischen 500 und 950 ºC Spannungen im Kern und bewirkt eine Strukturänderung zur Verbesserung der elektromagnetischen Eigenschaften durch Ausbildung einer Übergitterstruktur.
• Im Hinblick auf die Zeit der Wärmebehandlung sollte die Zeit im allgemeinen bei niedrigerer Temperatur länger und bei hoher Temperatur kürzer sein, wobei sie jedoch 1 bis 20 Stunden, vorzugsweise 1 bis 5 Stunden, betragen sollte.
• Fe-Si-Legierungspulver verschiedener Zusammensetzungen gemäß der Aufstellung in Tabelle 1 wurden hergestellt und auf die gewünschte durchschnittliche Teilchengröße gesiebt.
• Der Sauerstoffgehalt des Legierungspulvers wurde durch Verwendung von Ar-Gas als Verdüsungsatmosphäre sowie dadurch geändert, daß Ar-Gas das Kühlwasser und Verdüsungswasser durchperlte.
• Zu diesen Pulvern wurden 1,5 Gew.-% Epoxidharz zugefügt, und anschließend wurde die Mischung unter einem Druck von 8 t/cm² zu einem Ring mit 20 mm Außendurchmesser, 12 mm Innendurchmesser und 8 mm Höhe gepreßt. Danach erfolgte eine Härtungsbehandlung bei 150 ºC über 2 Stunden, wonach mit einem Impedanzmeßgerät die Abhängigkeit der Permeabilität von der Frequenz gemessen wurde.
• Vor der Wärmebehandlung wurde dem Fe-Si-Legierungspulver Natriumsilicat in einer Menge von 1,0 Gew.-% zugefügt, und die Mischung wurde mit einem Druck von 8 t/cm² gepreßt.
• Die Wärmebehandlung wurde in einer Argonatmosphäre durchgeführt.
• Die Ergebnisse einer Bewertung von Merkmalen der Pulverkerne sind in Tabelle 1 aufgeführt.
• In der Tabelle steht die Bezeichnung ue10K für die Permeabilität bei einer Frequenz von 10 kHz, während ue10M/ue10K für das Verhältnis der Permeabilität bei 10 MHz zur Permeabilität bei 10 kHz steht, was als Hinweis auf die magnetischen Eigenschaften im Hochfrequenzbereich herangezogen wird.
• Wie aus Tabelle 1 hervorgeht, liegt der Sauerstoffgehalt der Kerne 1 bis 9 der Erfindung im Bereich von 0,05 bis 0,95 %, die durchschnittliche Teilchengröße liegt im Bereich von 10 bis 100 um, und jeder Kern zeigt bei 10 kHz eine hohe Permeabilität von 70 oder mehr. Von besonderem Interesse sind die Hochfrequenzeigenschaften dahingehend, daß die Permeabilität bei 10 MHz gleich oder größer als die Permeabilität bei 10 kHz ist.
• Insbesondere wird bei den erfindungsgemäßen Kernen, die einer Wärmebehandlung unterzogen wurden, d. h., die Kerne 8 bis 13, eine hohe Permeabilität auch bis zum Hochfrequenzbereich aufrechterhalten. Tabelle 1 Zusammensetzung des Metallpulvers (Gew.-%) Proben Andere Bedingungen der Wärmebehandlung Herstellungsverfahren für das Metallpulver Mittlere Teilchengröße (um) Permeabilität (ue10K) Magnetische Hochfrequenzeigenschaften (ue10M/ue10K) Erfindung Rest keine Wasserverdüsung Gasverdüsung Carbonyleisenverf.
• Von den zu Vergleichszwecken herangezogenen Kernen haben der Sendust-Pulverkern 4, der Reineisen-Pulverkern 5 und der Permalloy-Pulverkern 6 jeweils eine höhere Permeabilität bei 10 kHz als die Kerne 1 bis 5 der Erfindung, jedoch eine geringere Permeabilität bei 10 MHz, so daß ihre Hochfrequenzeigenschaften schlechter sind.
• Außerdem ist der Vergleichskern 1 aus einem Pulver mit so kleiner Teilchengröße hergestellt, daß der Magnetismus des Pulvers selbst schlecht ist, während die Teilchengröße des Vergleichskerns 2 so groß ist, daß das Isolationsvermögen im Hochfrequenzbereich schlechter ist.
• Beim Vergleichskern 3, bei dem der Si-Gehalt 12 % übersteigt, ist das Pulver so hart, daß die Packungsdichte unzureichend und die Permeabilität bei 10 kHz gering ist.
• Beim Vergleichskern 7 bewirkte die Gasverdüsung, durch die das Pulver hergestellt wurde, daß die Teilchen kugelförmig waren, so daß folglich der Entmagnetisierungsfaktor hoch und die Permeabilität gering ist. Der Vergleichskern 8 hat eine dicke Oxidschicht, wodurch seine Permeabilität niedrig ist. Der Vergleichskern 9 wurde einem Glühen bei hoher Temperatur unterzogen, so daß das Pulver gesintert wurde, was die Permeabilität im niederfrequenten Bereich erhöhte, aber zu schlechteren Eigenschaften im Hochfrequenzbereich führte. Der Vergleichskern 10 ist aus Carbonyleisenpulver hergestellt, so daß er zwar gute Hochfrequenzeigenschaften hat, der Absolutwert der Permeabilität jedoch gering ist.
• Fig. 1 zeigt die Abhängigkeit der Permeabilität von der Frequenz für mehrere Kerne in Tabelle 1 die mit den vorgenannten Schritten hergestellt wurden. Bei den in der Grafik dargestellten Kernen handelt es sich um die Kerne 2 und 8 der Erfindung sowie um die Vergleichskerne 4, 5 und 10. Der Kern 2 der Erfindung zeigt eine hohe Permeabilität auch bei Frequenzen über 10 MHz, während bei den Vergleichskernen ein Permeabilitätsabfall bei etwa 1 MHz einsetzt.
• Daraus wird deutlich, daß die Kerne der Erfindung gute magnetische Hochfrequenzeigenschaften haben.

Claims (3)

1. Verfahren zur Herstellung eines Kerns aus Fe-Si- Legierungspulver mit den folgenden Schritten:

a) Herstellen eines Legierungspulvers mit 2 bis 12 Gew.-% Si, 0,05 bis 0,95 Gew.-% O und wahlweise weniger als 3 Gew.-% Al, Cr und/oder Ti, wobei der Rest Eisen ist, durch Wasserverdüsung, bei der ein Metallschmelzstrom in einen Verdüsungsbehälter gegossen und mit Wasser unter hohem Druck zum Verdüsen des Metallstroms besprüht wird, um unregelmäßig geformte Legierungspulverteilchen mit einer durchschnittlichen Teilchengröße von 10 bis 100 Bin zu erhalten, wobei die Atmosphäre des Verdüsungsbehälters und/oder der Gelöstsauerstoffgehalt des unter hohem Druck stehenden Wassers zum Steuern des Sauerstoffgehalts des Legierungspulvers eingestellt wird,

b) Zufügen eines Isolierbindemittels zu dem Legierungspulver,

c) Formen der resultierenden Mischung und

d) Durchführen einer Härtungsbehandlung der geformten Mischung.

2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die geformte Mischung einer Wärmebehandlung in einer Inertatmosphäre bei einer Temperatur im Bereich von 500 bis 950 ºC unterzogen wird.

3. Kern aus Fe-Si-Legierungspulver, der durch ein Verfahren gemäß Anspruch 1 oder 2 erhältlich ist.