DE69808363T2

DE69808363T2 - Pulverkern, ferromagnetische Pulverzusammenstellung dafür, und Herstellungsverfahren

Info

Publication number: DE69808363T2
Application number: DE69808363T
Authority: DE
Inventors: Masami Endo; Masaaki Kanasugi; Hideki Kitashima; Hideharu Moro; Kazuhiro Okada; Takeo Tsukada; Toshiaki Yamada; Norishige Yamaguchi
Original assignee: TDK Corp
Current assignee: TDK Corp
Priority date: 1997-03-31
Filing date: 1998-03-27
Publication date: 2003-06-12
Anticipated expiration: 2018-03-28
Also published as: CN1145178C; EP0869517B1; EP0869517A1; CN1198579A; US6102980A; DE69808363D1

Description

Die Erfindung betrifft Massekerne zur Verwendung als Magnetkerne in Transformatoren und induktiven Bauteilen, als Kerne in Motoren und anderen elektromagnetischen Teilen, ferromagnetische Pulverzusammensetzungen, aus denen die Massekerne geformt werden, sowie ein Verfahren zur Herstellung der Massekerne.
Im Stand der Technik werden häufig Siliciumstahl-Schichtkerne mit gestapelten, gestanzten Siliciumstahlblechen in induktiven Bauteilen von Elektrogeräten verwendet. Die Schichtkerne sind jedoch nicht leicht anhand von automatischen Fertigungsverfahren herzustellen. Insbesondere wenn Kerne für Motoren und andere Antriebsvorrichtungen durch Ausstanzen von Blechen hergestellt werden, ist die Materialausnutzung äußerst schlecht, da diese Kerne eine komplexe Form aufweisen. Um dreidimensionale Formen herzustellen, ist eine große Zahl von Bearbeitungsschritten notwendig.
Es sind Massekerne oder Eisenpulverkerne bekannt, in denen ferromagnetisches Metallpulver mit einem Bindemittel, beispielsweise Wasserglas, gebunden ist. Eisenpulver, Permalloypulver und Sendustpulver sind typische ferromagnetische Metallpulver. Massekerne können einteilig ausgebildet und bearbeitet werden, selbst wenn sie eine komplexe Form aufweisen. Die Materialausnutzung beträgt im wesentlichen 100%. Es ist zu erwarten, daß Massekerne die Schichtkerne ablösen werden.
Die ferromagnetischen Legierungspulver, wie Permalloypulver und Sendustpulver, können jedoch den üblicherweise in Antriebsvorrichtungen verwendeten Siliciumstahl-Schichtkern nicht ersetzen, da diese Pulver trotz ihrer geringen Koerzivität eine geringe magnetische Flußdichte aufweisen.
Was das Eisenpulver betrifft, so sind im Handel unterschiedliche Formen von Eisenpulver erhältlich, die anhand von verschiedenen Verfahren, wie elektrolytischen Zersetzungs- und Wasserzerstäubungs-Verfahren hergestellt werden. Sie weisen eine Koerzivität von über 2 Oe auf, was im Vergleich mit Siliciumstahl nicht wenig ist.
Gaszerstäubtes Eisenpulver weist eine Koerzivität von etwa 1 Oe auf, ist aber äußerst teuer und eignet sich daher nicht dazu, den Siliciumstahl-Schichtkern zu ersetzen.
Es wurden eine Reihe von Vorschlägen gemacht, um die Eigenschaften von Massekernen zu verbessern.
Beispielsweise offenbart die japanische Patentanmeldung Kokai (JP-A) 72102/1987 ein Eisenpulver für Massekerne, das einen Sauerstoffgehalt von 0,15 bis 0,5 Gew.-%, eine mittlere Teilchengröße von 40 bis 170 um und eine durchschnittliche Verhältniszahl von 4/1 zu 25/1 aufweist. Oxidüberzüge auf den Eisenteilchen sorgen für eine Isolierung zwischen den Teilchen, wodurch Wirbelstromverluste verringert werden. Der Sauerstoffgehalt ist relativ hoch, da das Ziel ein Hochfrequenzband von mehr als etwa 1 MHz ist. Da Massekerne mittels eines Epoxyharz-Bindemittels hergestellt werden, scheidet eine Glühbehandlung bzw. Vergütung bei hohen Temperaturen zur Verringerung der Koerzivität aus, was Massekerne mit erhöhten Hystereseverlusten zur Folge hat.
JP-A 824027/1986 offenbart in den Beispielen Eisenkerne, die dadurch hergestellt werden, daß man ein Eisenpulver mit einer mittleren Teilchengröße von 54 um und ein Titaniapulver mit einer mittleren Teilchengröße von 0,3 um oder ein Zirkoniapulver mit einer mittleren Teilchengröße von 1 um mischt und die Mischung einem Druckumformen unterzieht. JP-A 260005/1988 offenbart einen Magnetkern, der durch die Zugabe von Siliciumoxid mit einem Teilchendurchmesser von bis zu 1 um zu einem Eisenpulver von - 200 Mesh hergestellt wird. Diese Massekerne bringen jedoch verschiedene Probleme mit sich, unter anderem (1) erhebliche Kernverluste, (2) niedrige magnetische Flußdichten, da große Mengen an Isoliermaterial zur Isolation erforderlich sind, (3) eine erschwerte Senkung der Koerzivität, da sie nicht bei hohen Temperaturen geglüht werden können und die innere Spannung, die während des Formens erzeugt wird, nicht völlig zurückgeht.
Um dem neuesten Trend zur Verkleinerung von elektrischen und elektronischen Geräten zu entsprechen, sind Massekerne erforderlich, die kompakt und leistungsstark sind. Kerne aus ferromagnetischem Metallpulver können aufgrund der stark gesättigten magnetischen Flußdichte des Pulvers verkleinert werden, aber es treten aufgrund des geringen elektrischen Widerstands erhebliche Wirbelstromverluste auf. Dann werden ferromagnetische Metallteilchen an ihrer Oberfläche häufig mit Isolierbeschichtungen versehen. Im Massekern-Fertigungsverfahren wird üblicherweise ein Glühen durchgeführt, um die Spannung abzubauen, die während des Formens erzeugt wurde, und um die Koerzivität der Massekerne zu verringern. Das Glühen muß bei hohen Temperaturen durchgeführt werden, um die ferromagnetischen Metallteilchen völlig zu entspannen. Da Wasserglas oder ein ähnliches Isoliermaterial bei hohen Temperaturen in erheblichem Umfang verloren geht, führt ein Glühen bei hohen Temperaturen zu einer ungenügenden Isolierung zwischen den ferromagnetischen Metallteilchen. Dies führt wiederum zu erheblichen Wirbelstromverlusten im Hochfrequenzbereich, verschlechtert den Frequenzgang der magnetischen Permeabilität und erhöht den Kernverlust. Es werden keine zufriedenstellenden magnetischen Eigenschaften erhalten.
Daher ist es ein Gegenstand der vorliegenden Erfindung, einen Massekern bereitzustellen, der bei hohen Temperaturen geglüht werden kann und eine hohe magnetische Flußdichte, eine geringe Koerzivität, einen geringen Verlust und eine hohe mechanische Festigkeit aufweist. Ein weiteres Ziel der Erfindung ist es, eine ferromagnetische Pulverzusammensetzung zur Verwendung bei der Herstellung des Massekerns bereitzustellen.
In einem ersten Aspekt stellt die Erfindung eine ferromagnetische Pulverzusammensetzung für Massekerne bereit, die ein ferromagnetisches Metallpulver und ein Titania-Sol und/oder ein Zirkonia-Sol aufweist. Das Titania-Sol und/oder Zirkonia-Sol ist in einer Menge von 0,1 bis 15 Vol.-%, bezogen auf das ferromagnetische Metallpulver, vorhanden. Vorzugsweise weist das Titania- und/oder Zirkonia-Sol eine mittlere Teilchengröße von 0,01 bis 0,1 um auf. Das ferromagnetische Metallpulver ist vorzugsweise Eisen.
Die ferromagnetische Pulverzusammensetzung kann außerdem, bezogen auf das ferromagnetische Metallpulver, 0,1 bis 30 Vol.-% wärmebeständiges Harz enthalten. In einer Ausführungsform ist das wärmebeständige Harz ein Silikonharz, vorzugsweise mit einem Gewichtsmittel des Molekulargewichts von 700 bis 3 300. In einer anderen Ausführungsform ist das wärmebeständige Harz ein Epoxyharz, Phenoxyharz, Polyamidharz, Polyimidharz oder Polyphenylensulfidharz. In einer weiteren Ausführungsform ist das wärmebeständige Harz ein Phenolharz, vorzugsweise ein Phenolharz vom Resoltyp. Das Phenolharz weist vorzugsweise ein Gewichtsmittel des Molekulargewichts von 300 bis 7 000 auf.
In einem zweiten Aspekt stellt die Erfindung einen Massekern bereit, der durch Druckumformen einer wie eben definierten ferromagnetischen Pulverzusammensetzung und optional durch Wärmebehandeln des resultierenden Preßkörpers und anschließendes Imprägnieren des Preßkörpers mit einem Harz hergestellt wurde.
In einem dritten Aspekt stellt die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines Massekerns durch Druckumformen einer wie oben definierten ferromagnetischen Pulverzusammensetzung zu einem Preoßkörper und Wärmebehandeln des Preßkörpers bereit. Die Wärmebehandlungstemperatur liegt bei 400 bis 700ºC, wenn die Zusammensetzung kein wärmebeständiges Harz enthält oder wenn sie ein Silikonharz, Epoxyharz, Phenoxyharz, Polyamidharz, Polyimidharz oder Polyphenylensulfid-Harz als wärmebeständiges Harz enthält. Die Wärmebehandlungstemperatur beträgt 500 bis 850ºC, wenn die Zusammensetzung ein Phenolharz enthält.
Die ferromagnetische Pulverzusammensetzung für Massekerne gemäß der Erfindung weist als Basis ein ferromagnetisches Metallpulver auf. Ein Titania-Sol und/oder Zirkonia-Sol wird in einer Menge von 0,1 bis 15 Vol.-% zugegeben, bezogen auf das ferromagnetische Metallpulver. Titania und Zirkonia sind Titandioxid und Zirkoniumdioxid, üblicherweise als TiO&sub2; bzw. ZrO&sub2; dargestellt. Durch Zugabe von Titania-Sol oder Zirkonia-Sol in Form von gleichmäßig in einem Medium dispergierten Mikropartikeln zum ferromagnetischen Metallpulver, werden die Teilchen mit einer dünnen, gleichmäßigen Isolierschicht bedeckt, so daß die beschichteten Teilchen sowohl eine gute Isolierung als auch eine hohe magnetische Flußdichte aufweisen. Die gute Isolierung ist wirksam, um den Wirbelstromverlust und damit den Gesamt- oder Kernverlust zu senken.
In der Ausführungsform, in der ein wärmebeständiges Harz, beispielsweise ein Silikonharz oder ein Phenolharz, zugegeben wird, unterstützt das Harz die Titania- oder Zirkonia-Partikel dabei, sich an die Oberfläche der ferromagnetischen Metallteilchen zu binden, so daß die Oberfläche der Metallteilchen gleichmäßig mit den Titania- oder Zirkonia-Partikeln bedeckt werden kann. Das Harz ist auch wirksam, um die Festigkeit zu erhöhen. Massekerne, denen das Phenolharz zugesetzt wurde, können bei hohen Temperaturen von 500 bis 850ºC geglüht werden, um ihre magnetischen Eigenschaften zu verbessern, ohne die Isolierung zu verschlechtern. Durch das Glühen bei hohen Temperaturen löst sich die Spannung, die während der Pulverisierung und dem Formen im Pulver hervorgerufen wurde, so daß die Koerzivität und damit der Hystereseverlust der Massekerne sinkt. Da die Isolierung beibehalten wird, erleiden die Massekerne geringere Wirbelstromverluste und damit geringere Gesamt- oder Kernverluste.
Es sind mehrere Massekerne bekannt, für die wie in der vorliegenden Erfindung ein Phenolharz als Isolator verwendet wird.
JP-A 130103/1980 offenbart ein Verfahren zur Herstellung eines Preßkörpers aus magnetischem Material durch Beschichten der Oberflächen von magnetischen Metallpulverteilchen mit einer anorganischen Isolierschicht, darüber Auftragen einer organischen Isolierschicht und Druckumformen des Pulvers. In den Beispielen wird reines Eisenpulver als magnetisches Metallpulver verwendet, Wasserglas wird als anorganische Isolierschicht verwendet und ein Phenolharz wird als organische Isolierschicht verwendet. Da dem Formen kein Glühen folgt, weist der Preßkörper aufgrund der nach dem Formen zurückbleibenden Spannung eine hohe Koerzivität auf.
JP-A 155510/1981 offenbart einen Kern aus pulverisiertem Metall, der durch Zugabe von Wasserglas oder organischem Harz-Isoliermittel oder beidem und 0,2 bis 2,0% Zinkstearat zu einem magnetischen Metallpulver und Thermokompressionsformen der Mischung hergestellt wird. In den Beispielen werden Metallmassekerne dadurch hergestellt, daß man Wasserglas und ein Phenolharz zu reinem Eisenpulver gibt, Zinkstearat zu der Mischung gibt, die Mischung unter einem Druck von 7 t/cm² formt und das Formteil 30 Minuten lang bei 150ºC wärmebehandelt. Bei Erwärmungstemperaturen dieser Größenordnung wird die Spannung, die während des Formens erzeugt wurde, nicht abgebaut, und die Koerzivität bleibt hoch.
JP-A 288403/1986 offenbart einen Massekern, der durch Zugabe von 1 bis 5 Vol.-% Phenolharz zu reinem zerstäubtem Eisenpulver von unter 60 Mesh, gefolgt von Kompressionsformen und Wärmebehandeln hergestellt wird. In den Beispielen werden Massekerne dadurch hergestellt, daß man ein Phenolharz zu reinem Eisenpulver gibt, Zinkstearat-Gleitmittel dazugibt, die Mischung unter einem Druck von 5 t/cm² formt und das Formteil 2 Stunden lang bei 80ºC erwärmt und dann 2 Stunden lang bei 180ºC erwärmt, um es zu härten Bei Erwärmungstemperaturen dieser Größenordnung wird die Spannung, die während des Formens erzeugt wurde, nicht abgebaut, und die Koerzivität bleibt hoch.
JP-A 225303/1989 offenbart ein Verfahren zur Herstellung eines Massekerns durch Binden von ferromagnetischen Teilchen mit einem Bindemittelharz in Form eines duroplastischen Harzes, Druckformen des Pulvers zu einem Preßkörper in einer Form und Wärmebehandeln des Preßkörpers in der Form, während der Preßkörper weiterhin komprimiert wird. In den Beispiel wird ein Epoxyharz als Bindemittel verwendet. Da das Harz nicht mit einem anorganischen Stoff kombiniert wird, können die in der vorliegenden Erfindung erreichten geringen Wirbelstrom- und Kernverluste nicht erhalten werden.
EP-A-0088992 offenbart, daß magnetische Metallkörnchen, die mit Si-, Al- oder Ti-Oxiden beschichtet sind, wärmebehandelt werden, damit sie reagieren, wodurch ein Isolator ausfallen kann.
Die einzige Zeichnung, Fig. 1, ist eine schematische perspektivische Darstellung eines beispielhaften Motor-Statorkerns.
Gemäß der Erfindung wird eine ferromagnetische Pulverzusammensetzung zur Verwendung bei der Herstellung von Massekernen dadurch erhalten, daß man ein Titania-Sol oder ein Zirkonia-Sol oder beides zu einem ferromagnetischen Metallpulver gibt. Das Titania-Sol oder Zirkonia-Sol wird, bezogen auf das ferromagnetische Eisenpulver, in einer Menge von 0,1 bis 15 Vol.-% zugegeben, berechnet als TiO&sub2; oder ZrO&sub2;.
Durch Zugabe von Titania-Sol oder Zirkonia-Sol in Form von gleichmäßig in einem Medium dispergierten Mikropartikeln zu dem ferromagnetischen Metallpulver werden die Teilchen mit einer dünnen, gleichmäßigen Isolierschicht bedeckt, obwohl das Titania- oder Zirkonia-Sol nur in kleinen Mengen verwendet wird. Die beschichteten Teilchen werden vollständig isoliert, obwohl sie eine hohe magnetische Flußdichte aufweisen.
Der Ausdruck Titania- oder Zirkonia-Sol bedeutet, daß negativ geladene amorphe Titania- oder Zirkonia-Teilchen in Wasser oder einem organischen Lösungsmittel in kolloidaler Form dispergiert sind, wobei -TiOH- oder -ZrOH-Gruppen auf den Oberflächen. der Teilchen vorliegen. Im Sol weisen die Titania- oder Zirkonia-Teilchen vorzugsweise eine mittlere Teilchengröße von 0,01 bis 0,1 um, stärker bevorzugt von 0,01 bis 0,08 um, insbesondere von 0,02 bis 0,06 um auf. Der Anteil der Teilchen am Sol beträgt etwa 15 bis etwa 40 Gew.-%.
Die optimale Menge des Titania- oder Zirkonia-Sols, berechnet nach Feststoffen, die dem ferromagnetischen Metallpulver zugegeben werden, d. h. die optimale Menge der Titania- oder Zirkonia-Teilchen, die dem ferromagnetischen Metallpulver zugegeben wird, variiert abhängig von der Frequenz, für die der Massekern verwendet wird. Bei einer Verwendung für 0,1 bis 10 kHz liegt die optimale Menge des Titania- oder Zirkonia-Sols, berechnet nach Feststoffen, bei 0,1 bis 10 Vol.-%, stärker bevorzugt 0,1 bis 5,0 Vol.-%, am stärksten bevorzugt bei 0,1 bis 2,0 Vol.-%. Für die Verwendung mit Frequenzen von über 10 kHz liegt die optimale Menge an Titania- oder Zirkonia-Sol, berechnet nach Feststoffen, bei 0,1 bis 15 Vol.-%, stärker bevorzugt 0,2 bis 15 Vol.-%, am stärksten bevorzugt 0,5 bis 5,0 Vol-%, da eine wirksamere Isolierung zwischen den Metallteilchen erforderlich ist. Wenn die Menge des Titania- oder Zirkonia-Sols, berechnet nach Feststoffen, zu gering ist, wird die Isolierung zwischen den ferromagnetischen Metallteilchen im Massekern zu gering. Wenn die Menge an Titania- oder Zirkonia-Sol, berechnet nach Feststoffen, zu groß ist, enthält der Massekern einen größeren Anteil der nicht-magnetischen Komponente, beispielsweise TiO&sub2; oder ZrO&sub2;, und zeigt eine geringere magnetische Permeabilität und magnetische Flußdichte.
Titania- oder Zirkonia-Sol können allein oder als Mischung dieser beiden verwendet werden. Im letzteren Fall ist das Verhältnis von Titania-Sol zu Zirkonia-Sol nicht kritisch, obwohl die kombinierten Titania- und Zirkonia-Solmengen im oben definierten Bereich liegen sollten.
Titania-Sol und Zirkonia-Sol sind im Handel erhältlich, beispielsweise unter dem Handelsnamen NZS-20A, NZS-30A und NZS-30B von Nissan Chemical Industry, K. K. Wenn solch ein Sol einen niedrigen pH-Wert aufweist, wird es vorzugsweise auf einen pH von etwa 7 eingestellt. Ein Sol mit einem niedrigen pH birgt das Risiko, daß das ferromagnetische Metallpulver zu einem nicht-magnetischen Oxid oxidiert werden kann, was die magnetische Flußdichte und die Koerzivität beeinträchtigt.
Der Träger für diese Sole kann entweder wäßrig oder nicht-wäßrig sein. Träger, die mit dem weiter unten beschriebenen wärmebeständigen Harz kompatibel sind, sind vorzuziehen, und nicht-wäßrige Träger, wie Ethanol, Butanol, Toluol und Xylol, sind besonders bevorzugt. Bei im Handel erhältlichen Solen auf Basis eines wäßrigen Trägersystems kann ein Austausch des Lösungsmittels durchgeführt werden, falls gewünscht. Das Sol kann außerdem Chloridionen oder Ammoniak als Stabilisator enthalten. Diese Sole sind im allgemeinen milchig-weiße kolloidale Lösungen.
Das ferromagnetische Metallpulver ist nicht kritisch und man kann zwischen bekannten magnetischen Metallpulvern wählen, beispielsweise Eisen, Sendust (Fe-Al-Si), Ferrosilicium, Permalloy (Fe-Ni), Supermalloy (Fe-Ni-Mo), Eisennitrid, Eisen/Aluminium-Legierungen, Eisen/Cobalt-Legierungen und Phosphoreisen. Unter diesen ist Eisenpulver mit einer stark gesättigten Magnetisierung bevorzugt, wenn man Massekerne herstellen möchte, welche die gegenwärtig verfügbaren Kerne ersetzen sollen, die aus geschichteten Siliciumstahlblechen hergestellt werden und für den Betrieb in einem relativ niedrigen Frequenzbereich geeignet sind. Eisenpulver kann entweder durch ein beliebiges Zerstäubungsverfahren, ein elektrolytisches Zersetzungsverfahren oder ein mechanisches Zerkleinerungsverfahren für elektrolytisches Eisen hergestellt werden.
Wenn eine Legierung als ferromagnetisches Metallpulver verwendet wird, wird ein Glühen bei höheren Temperaturen notwendig, da Legierungsteilchen härter sind als Eisenteilchen, so daß während des Formens eine größere Spannung induziert wird. Daher ist der Vorteil der Erfindung, der darin besteht, daß die ferromagnetische Pulverzusammensetzung, aus der der Massekern gebildet wird und die ein ferromagnetisches Metallpulver, ein Titania-Sol und/oder ein Zirkonia-Sol sowie ein Phenolharz umfaßt, die Isolierung auch bei höheren Glühtemperaturen gewährleistet, wenn ein Legierungspulver verwendet wird, außerordentlich groß.
Wenn Eisenpulver verwendet wird, sollte seine mittlere Teilchengröße vorzugsweise im Bereich von 50 bis 200 um liegen, insbesondere bei 75 bis 100 um. Ein Eisenpulver mit einer zu geringen mittleren Teilchengröße hätte eine größere Koerzivität, während ein Eisenpulver mit einer zu hohen durchschnittlichen Teilchengröße einen größeren Wirbelstromverlust hätte. Das Eisenpulver, dessen Teilchengröße im, oben genannten Bereich liegt, kann durch Klassieren mittels eines Siebs gewonnen werden. Vorzugsweise weisen andere ferromagnetische Metallpulver eine ähnliche Teilchengröße auf.
Falls gewünscht, kann das ferromagnetische Metallpulver abgeflacht werden. Bei toroidalen und E-förmigen Kernen mit parallelflachen Schenkeln ist es beispielsweise möglich, die Zusammensetzung unter Aufschlagung von Druck senkrecht zur Richtung des magnetischen Wegs während des Vorgangs zu formen, das heißt durch Querdruckformen (transverse pressure molding). Da es anhand des Querdruckformens einfach ist, einen Massekern so zu formen, daß die Hauptflächen der flachen Teilchen im wesentlichen parallel zum magnetischen Weg sind, kann die magnetische Permeabilität des Massekerns mittels flacher Teilchen ohne weiteres verbessert werden. Das Abflachen kann auf beliebige Weise durchgeführt werden, vorzugsweise durch Mühlen mit Walz- oder Scherbewegungen, wie Kugelmühlen, Stabmühlen, Vibrationsmühlen und Reibmühlen. Der Grad der Abflachung ist nicht kritisch, obwohl flache Teilchen mit einer durchschnittlichen Verhältniszahl von etwa 5/1 bis etwa 25/1 üblicherweise bevorzugt werden. Die Verhältniszahl ist der Durchschnitt aus einem kleineren Durchmesser und einem größeren Durchmesser auf der Hauptfläche, geteilt durch die Dicke des Teilchens.
In einer bevorzugten Ausführungsform wird ein wärmebeständiges Harz dem ferromagnetischen Metallpulver ebenso wie dem Sol zugegeben. Das wärmebeständige Harz unterstützt die Bindung der Titania- oder Zirkonia-Teilchen im Sol an die Oberflächen von ferromagnetischen Metallteilchen, so daß die Oberflächen der Metallteilchen gleichmäßig mit den Titania- oder Zirkonia-Teilchen bedeckt werden können. Das Harz ist auch wirksam, um die Festigkeit zu erhöhen. Wenn die Oberflächen von ferromagnetischen Metallteilchen gleichmäßig zu stark bedeckt werden, kann die Gleitverschiebung der ferromagnetischen Metallteilchen behindert werden, wodurch verhindert wird, daß der Preßkörper durch das Druckformen so weit wie gewünscht verdichtet wird, wobei Festigkeit verloren geht. Abhängig von der Art und Größe der Teilchen im Sol ebenso wie von der Art und der Größe des ferromagnetischen Metallpulvers wird ein geeignetes Harz ausgesucht. Es ist nicht kritisch, welches wärmebeständige Harz verwendet wird, es wird jedoch vorzugsweise aus Silikonharzen, Phenolharzen, Epoxyharzen, Phenoxyharzen, Polyamidharzen, Polyimidharzen und Polyphenylensulfid-(PPS)-Harzen ausgewählt. Diese Harze, die eine Pyrolysetemperatur von mindestens 600ºC aufweisen, werden bevorzugt. Die Menge des zugegebenen wärmebeständigen Harzes liegt, bezogen auf das ferromagnetische Metallpulver, vorzugsweise bei 0,1 bis 10 Vol.-%, stärker bevorzugt bei 0,1 bis 1,0 Vol.-% wenn der Massekern für eine Frequenz von 0,1 bis 10 kHz verwendet werden soll. Die Menge des zugegebenen wärmebeständigen Harzes liegt, bezogen auf das ferromagnetische Metallpulver, vorzugsweise bei 1 bis 30 Vol.-%, stärker bevorzugt bei 2 bis 20 Vol.-% wenn der Massekern für eine Frequenz von über 10 kHz verwendet werden soll. Eine zu geringe Menge an wärmebeständigem Harz würde für die Verbesserung der mechanischen Festigkeit des Kerns ineffektiv sein, wohingegen eine zu große Menge an wärmebeständigem Harz den Anteil der nicht-magnetischen Komponente im Kern erhöhen würde, wodurch dieser eine niedrigere magnetische Flußdichte hätte.
Das Silikonharz sollte vorzugsweise eine Gewichtsmittel des Molekulargewichts von etwa 700 bis etwa 3 300 aufweisen.
Die Zugabe des Phenolharzes ist wirksam, um die Festigkeit des Preßkörpers zu erhöhen, damit er nach dem Formen leicht zu handhaben ist. Selbst wenn die Glühtemperatur auf etwa 850ºC erhöht wird, wird die Harzisolierung wahrscheinlich nicht verschlechtert, was einen geringen Wirbelstromverlust und einen geringeren Kernverlust zur Folge hat.
Nach dem Druckformen werden die resultierenden Preßkörper vorzugsweise geglüht, um ihre magnetischen Eigenschaften zu verbessern. Ein Glühen bei hohen Temperaturen kann einen größeren Harzverlust begünstigen, was zu einer ungenügenden Isolierung zwischen den ferromagnetischen Metallteilchen führt. Wenn jedoch Titania- Sol und/oder Zirkonia-Sol und das Phenolharz als Isolator verwendet werden, wird die Isolierung auch durch ein Glühen bei hohen Temperaturen nicht ohne weiteres verschlechtert. Die Spannung, die während des Pulverisierens oder Formens induziert wird, wird wirkungsvoller abgebaut, so daß die Koerzivität des Massekerns und damit der Hystereseverlust abnimmt. Die zurückbleibende Isolierung gewährleistet einen niedrigen Wirbelstromverlust und damit einen geringen Gesamt- oder Kernverlust.
Wenn das Phenolharz der einzige Isolator ist, kann bereits eine Glühtemperatur von 600ºC die Isolierung verschlechtern, was zu einem größeren Wirbelstromverlust und damit einem größeren Kernverlust führt.
Die hierin verwendeten Phenolharze werden allgemein aus Phenolen und Aldehyden geformt. Es können verschiedene Phenole, wie Phenol, Cresole, Xylenole, Bisphenol A und Resorcinol, allein oder als Mischung verwendet werden. Es können verschiedene Aldehyde, wie Formaldehyd, para-Formaldehyd, Acetaldehyd und Benzaldehyd, allein oder in Mischung verwendet werden.
Die Phenolharze schließen Harze vom Resol- und Novolak-Typ ein. Als Katalysator, der bei der Umsetzung von Phenolen mit Aldehyden für die Harzbildung verwendet wird, werden für Harze vom Resoltyp basische Materialien verwendet und für Harze vom Novolak-Typ saure Materialien. Die Harze vom Resoltyp werden durch Erwärmen oder mit Säurekatalysatoren gehärtet, bis sie unlöslich und unschmelzbar sind. Die Harze vom Novolak-Typ sind lösliche, schmelzbare Harze, die sich nicht von alleine thermoverfestigen, und sie werden durch Erwärmen gehärtet, während gleichzeitig. Hexamethylentetramin und andere Vernetzungsmittel anwesend sind.
Bei der Durchführung der Erfindung werden Phenolharze vom Resoltyp bevorzugt. Wenn Phenolharze vom Novolak-Typ verwendet werden, sind die Formteile ziemlich wenig fest und daher in den folgenden Schritten schwierig zu handhaben. Wenn Phenolharze vom Novolak-Typ verwendet werden, ist ein Warmformen, typischerweise ein Druckformen unter Wärme, unverzichtbar. Die Temperatur beim Warmformen liegt üblicherweise bei etwa 150 bis 400ºC, obwohl sie je nach Harz variiert. Unter den Phenolharzen sind Phenolharze vom Resoltyp, die Stickstoff in Form von tertiärem Amin enthalten, aufgrund ihrer hohen Wärmebeständigkeit besonders bevorzugt. Unter den Phenolharzen vom Novolak-Typ sind diejenigen bevorzugt, die Hexamin enthalten.
Die Phenolharze sollte vorzugsweise ein Gewichtsmittel des Molekulargewichts von etwa 300 bis etwa 7 000, stärker bevorzugt etwa 500 bis etwa 7 000, am stärksten bevorzugt etwa 500 bis etwa 6 000 aufweisen. Ein Phenolharz mit einem relativ niedrigen Molekulargewicht liefert eher einen Preßkörper mit höherer Festigkeit, wodurch die Pulverisierung des Formteils an den Kanten minimiert wird. Ein Harz mit einem Molekulargewicht von unter 300 kann beim Hochtemperaturglühen jedoch verloren gehen, wodurch es nicht möglich ist, die Isolierung zwischen den ferromagnetischen Metallteilchen im Massekern aufrechtzuerhalten, und wodurch größere Wirbelstromverluste und damit größere Kernverluste entstehen.
Die Phenolharze sind im Handel erhältlich, beispielsweise unter dem Handelsnamen BRS-3801, ELS-572, 577, 579, 580, 582 und 583 (alle vom Resoltyp), sowie BRP-5417 (vom Novolak-Typ) von Showa Polymer K. K.
Die Menge des zugegebenen Phenolharzes liegt, bezogen auf das ferromagnetische Metallpulver, vorzugsweise bei 0,1 bis 10 Vol.-%, stärker bevorzugt 0,1 bis 1,0 Vol.-%, wenn der Massekern für eine Frequenz von 0,1 bis 10 kHz verwendet werden soll. Die Menge des zugegebenen Phenolharzes liegt, bezogen auf das ferromagnetische Metallpulver, vorzugsweise bei 1 bis 30 Vol.-%, stärker bevorzugt bei 2 bis 20 Vol.-%, wenn der Massekern für eine Frequenz von über 10 kHz verwendet werden soll. Eine zu geringe Menge an phenolischem Harz würde Kerne zur Folge haben, die eine geringe mechanische Festigkeit und eine schadhafte Isolierung aufweisen, wohingegen eine zu große Menge an phenolischem Harz den Anteil der nicht- magnetischen Komponente am Kern erhöhten würde, der daher eine niedrigere magnetische Flußdichte hätte.
Die wärmebeständigen Harze können allein oder in einer Mischung aus zwei oder mehr von ihnen zugegeben werden. Wenn zwei oder mehr Harze zugegeben werden, sollte ihre Gesamtmenge vorzugsweise im oben definierte Bereich liegen.
Beim Mischen des wärmebeständigen Harzes mit dem ferromagnetischen Metallpulver kann das wärmebeständige Harz, wenn es fest oder flüssig ist, vor dem Mischen in eine Lösung überführt werden oder, wenn es flüssig ist, direkt mit dem Metallpulver vermischt werden. Das flüssige wärmebeständige Harz sollte vorzugsweise eine Viskosität von etwa 10 bis 10 000 Centipoise bei 25ºC aufweisen, stärker bevorzugt von 1000 bis 9 000 Centipoise bei 25ºC. Im Fall von Phenolharzen sollten flüssige Harze vorzugsweise eine Viskosität von etwa 20 bis 5 000 Centipoise bei 25ºC, stärker bevorzugt von etwa 50 bis 2 000 Centipoise bei 25ºC aufweisen. Bei einer Viskosität außerhalb dieses Bereichs wäre es schwierig, eine gleichmäßige Beschichtung aus dem Harz um die ferromagnetischen Metallteilchen herum zu bilden.
Als nächstes wird das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung der Massekerne beschrieben.
Zuerst wird das ferromagnetische Metallpulver mit dem Titania-Sol und/oder Zirkonia-Sol und optional mit einem wärmebeständigen Harz gemischt.
Wenn Eisenpulver als ferromagnetisches Metallpulver verwendet wird, wird das Eisenpulver vor dem Mischen vorzugsweise einer Wärmebehandlung zum Entspannungsglühen unterzogen. Vorzugsweise wird die Koerzivität des Eisenpulvers vollständig abgebaut, indem man eine Wärmebehandlung bei hohen Temperaturen durchführt. Ebenfalls vor dem Mischen kann das Eisenpulver einer Oxidationsbehandlung unterzogen werden. Diese Oxidationsbehandlung bildet eine Oxidbeschichtung, die lediglich mehrere zehn Nanometer dick ist, in der Nähe der Oberfläche der Eisenteilchen, wovon man sich eine Verbesserung der Isolierung verspricht. Die Oxidationsbehandlung kann durch Erwärmen in einer oxidierenden Atmosphäre, beispielsweise in Luft bei einer Temperatur von 150 bis 30ºC für 5 Minuten bis 2 Stunden durchgeführt werden. Man beachte, daß nach Durchführung der Oxidierungsbehandlung auch ein Dispergiermittel, wie Ethylcellulose, zugegeben werden kann, um die Benetzbarkeit der Oberfläche der Eisenteilchen zu verbessern.
Wenn das ferromagnetische Metallpulver mit Titania-Sol und/oder Zirkonia-Sol und optional einem wärmebeständigen Harz gemischt wird, wird das Sol in Form einer wie vorstehend definierten kolloidalen Lösung zugegeben. Das Mischen wird in einem Druckkneter oder einer Automatikreibschale, vorzugsweise bei etwa Raumtemperatur etwa 10 bis 60 Minuten lang durchgeführt. Die resultierende Mischung wird vorzugsweise bei einer Temperatur von etwa 100 bis 300ºC etwa 10 bis 60 Minuten lang getrocknet, was eine ferromagnetische Pulverzusammensetzung für Massekerne ergibt.
Nach dem Trocknen und vor dem Formen wird der ferromagnetischen Pulverzusammensetzung, aus der der Kern gebildet wird, vorzugsweise ein Gleitmittel zugegeben. Das Gleitmittel dient dazu, während des Verdichtens die Gleitfähigkeit zwischen den Teilchen zu verbessern, und das Entformen der Preßkörper zu verbessern. Das Gleitmittel kann ausgewählt werden aus verschiedenen Gleitmittel, die üblicherweise in Massekernen verwendet werden, einschließlich von organischen Gleitmitteln, die bei Raumtemperatur fest sind, beispielsweise höhere Fettsäuren und deren Salze, wie Stearinsäure, Zinkstearat und Aluminiumstearat, und Wachs, und anorganischen Gleitmitteln, wie Molybdändisulfid. Die Menge des zugesetzten Gleitmittels variiert abhängig vom jeweiligen Typ des Gleitmittels. Vorzugsweise wird ein normalerweise festes organisches Gleitmittel dem ferromagnetischen Pulver in einer Menge von 0,1 bis 1 Gew.-% zugegeben, und ein anorganisches Gleitmittel wird dem ferromagnetischen Pulver in einer Menge von 0,1 bis 0,5 Gew.-% zugegeben. Eine geringe Gleitmittelmenge wäre unwirksam, während eine größere Gleitmittelmenge einen Kern mit einer geringen magnetischen Permeabilität und Festigkeit zur Folge hätte.
Als nächstes wird die ferromagnetische Pulverzusammensetzung, aus der der Kern gebildet werden soll, zu einem Preßkörper mit der gewünschten Kernform geformt. Die Kernform, auf die die Erfindung angewendet werden kann, ist nicht kritisch und schließt beispielsweise toroidale, E-, I-, F-, C-, EE-, EI-, ER-, EPC-, Becher-, Zylinder-, Topf- und Schüsselformen ein. Da der Massekern der Erfindung durch Verdichtung hergestellt wird, kann er jede beliebige komplexe Form annehmen. Ein Beispiel für einen Massekern ist in Fig. 1 gezeigt. Der in Fig. 1 gezeigte Kern ist ein Statorkern zur Verwendung in einem elektronisch kommutierten Motor für Festplattenlaufwerke. Der Statorkern ist mit Schlitzen versehen, wodurch radial verlaufende Stifte 2 definiert werden, die mit einer Spule umwickelt sind, wobei ein magnetischer Fluß, der von den Magnetpolen 3 an der Spitze der Stifte 2 austritt, verwendet wird. Der Statorkern dieser Konstruktion weist im Vergleich zu einem Kern, der in einem geschlossenen Magnetkreis verwendet wird, beispielsweise einem toroidalen Kern, einen erhöhten Kupferverlust durch die Wicklung auf. Trotzdem verringert die Erfindung den Gesamtverlust des Stromkreises, da der Massekern der Erfindung einen verringerten Kernverlust aufweist. Der Statorkern der dargestellten Struktur, bei dem die Höhe des Stifts 2 geringer ist als die Höhe des Magnetpols 3, ermöglicht die Nutzung von mehr magnetischem Fluß und eine Verkleinerung. Die Größe des Statorkerns kann abhängig vom jeweiligen Gegenstand, mit dem er verwendet werden soll, genau bestimmt werden. Typischerweise weist der Statorkern einen Innendurchmesser von etwa 3 bis 20 mm und etwa sieben (7) bis vierzig (40) Spalte mit einer radialen Länge von etwa 5 bis 15 mm auf.
Die Preßbedingungen sind nicht kritisch und können je nach Typ, Form und Größe der Eisenpulver-(ferromagnetischen Metallpulver-)Teilchen, ebenso wie je nach Größe und Dichte des fertigen Kerns passend festgelegt werden. Typischerweise liegt der maximale Druck bei etwa 6 bis 20 t/cm², und die Zeitspanne, während der der Maximaldruck gehalten wird, beträgt etwa 0,1 Sekunde bis 1 Minute.
Nach dem Pressen wird der Preßkörper vorzugsweise wärmebehandelt oder geglüht, um seine Eigenschaften als Magnetkern zu verbessern. Die Glühbehandlung dient dazu, Spannungen, die während des Pulverisierens und Pressens in den Eisen-(ferromagnetischen Metall-)Teilchen erzeugt wurden, abzubauen. Wenn ferromagnetische. Metallteilchen mechanisch abgeflacht wurden, können die dadurch erzeugten Spannungen durch die Glühbehandlung ebenfalls abgebaut werden. Die Glühbehandlung bewirkt auch, daß das wärmebeständige Harz völlig aushärtet und daß der Preßkörper verdichtet wird, wodurch seine mechanische Festigkeit verbessert wird.
Die Bedingungen für die Glühbehandlung können je nach Art des ferromagnetischen Metallpulvers, den Preßbedingungen und den Verflachungsbedingungen geeignet festgelegt werden. Für Massekerne ohne Phenolharz liegt die typische Glühtemperatur bei etwa 400 bis 700ºC, vorzugsweise etwa 550 bis 650ºC. Für Massekerne, die Phenolharz aufweisen, liegt die typische Glühtemperatur bei etwa 500 bis 850ºC, vorzugsweise etwa 600 bis 750ºC. Die Massekerne der Erfindung können bei Temperaturen geglüht werden, die über den herkömmlichen Glühtemperaturen (von etwa 200 bis 500ºC) liegen, was gewährleistet, daß die Spannungen so wirksam abgebaut werden, daß die Koerzivität der Massekerne und damit auch die Hystereseverluste sinken. Niedrigere Glühtemperaturen würden eine ungenügende Wiederherstellung der Koerzivität und einen erhöhten Hystereseverlust, und damit einen erhöhten Kernverlust begünstigen. Zu hohe Glühtemperaturen würden bewirken, daß die Isolierbeschichtung thermisch abgebaut wird, was zu einer ungenügenden Isolierung und einem erhöhten Wirbelstromverlust führen würde. Die Glühdauer, das heißt, der Zeitraum des Durchgangs durch den oben definierten Temperaturbereich oder der Zeitraum, in dem der Preßkörper im oben definierten Temperaturbereich gehalten wird, beträgt vorzugsweise etwa 10 Minuten bis etwa 3 Stunden. Eine kürzere Dauer hat eine ungenügende Vergütung zur Folge, wohingegen bei einer längeren Dauer die Isolierung abgebaut werden kann.
Um zu verhindern, daß die magnetische Flußdichte aufgrund der Oxidation der ferromagnetischen Metallteilchen abnimmt, wird die Glühbehandlung in einer nicht- oxidierenden Atmosphäre durchgeführt, beispielsweise unter Stickstoff, Argon oder Wasserstoff.
Falls gewünscht, wird der Kern nach dem Glühen (oder der Wärmebehandlung) mit einem Harz oder dergleichen imprägniert. Die Harzimprägnierung erhöht die Festigkeit noch weiter. Die für die Imprägnierung verwendeten Harze sind typischerweise Phenolharze, Epoxyharze, Silikonharze und Acrylharze, wobei die Phenolharze besonders bevorzugt sind. Die Harze können in geeigneten Lösungsmitteln, wie Ethanol, Aceton, Toluol und Pyrrolidon, gelöst werden.
Der Kern wird beispielsweise auf folgende Weise mit dem Harz imprägniert: man legt den Kern in einen Behälter, beispielsweise einen Bottich, gießt eine Lösung aus dem Harz in einem Lösungsmittel (z. B. eine 10%-ige Phenolharzlösung in Ethanol) in den Behälter, bis der Kern vollständig mit der Lösung bedeckt ist, läßt den Kern etwa 1 bis 30 Minuten lang in dem Tauchbad, nimmt den Kern aus der Lösung, entfernt die Harzlösung auf dem Kern und unterzieht den Kern einer Wärmebehandlung. Die abschließende Wärmebehandlung wird bei Umgebungsatmosphäre in einem Ofen durchgeführt. Der Kern wird auf etwa 80 bis 120ºC erwärmt, etwa 1 bis 2 Stunden lang bei dieser Temperatur gehalten, weiter auf etwa 130 bis 170ºC erwärmt, etwa 1 1/2 bis 3 Stunden lang bei dieser Temperatur gehalten, dann auf etwa 100 bis 60ºC abgekühlt und etwa 1/2 bis 2 Stunden lang bei dieser Temperatur gehalten.
Nach der Wärmebehandlung und der optionalen Harzimprägnierung wird der Massekern mit einer Isolierschicht überzogen, um, falls nötig, eine Isolierung gegenüber der Wicklung sicherzustellen, umwickelt, mit einem anderen Kern zusammengesetzt und in ein Gehäuse eingesetzt.
Im Massekern weisen die ferromagnetischen Metallteilchen die gleiche Größenverteilung auf wie im Ausgangspulver.
Die Massekerne der Erfindung eignen sich für die Verwendung als Magnetkerne in Transformatoren und Induktoren, Kerne in Motoren und anderen elektromagnetischen Teilen. Die mit phenolischem Harz beladenen Massekerne der Erfindung könne auch in Drosselspulen in Elektroautos und in Airbag-Sensoren für Kraftfahrzeuge verwendet werden, während ihre Frequenz im Bereich von 10 bis 500 kHz, vorzugsweise von 50 bis 200 kHz liegt.
Nachstehend sind Beispiele für die Erfindung angegeben, die erläuternd und nicht beschränkend sein sollen. Mw ist das Gewichtsmittel des Molekulargewichts.

Beispiel 1

Bei dem verwendeten Zirkonia- und Titania-Sol handelte es sich um NZS-30A, ein ZrO&sub2;-Sol mit einer mittleren Teilchengröße von 62 nm, und um TA-15, ein TiO&sub2;-Sol mit einer mittleren Teilchengröße von 5 bis 50 nm, beide von Nissan Chemical K. K. im Handel erhältlich. Aus diese Solen wurden Dispersionen hergestellt, wobei man zuerst einen pH von 7 einstellte und das Wasser-Lösungsmittel durch Ethanol-Lösungsmittel ersetzte.
Jede Dispersion wurde gewogen und in einer Menge, die in Tabelle 1 angegeben ist, zu zerstäubtem, geglühtem Eisenpulver gegeben, das von Heganess Co. unter dem Handelsnamen ABC100.30 im Handel erhältlich ist. Sie wurden 30 Minuten lang bei Raumtemperatur mit einer automatischen Reibschale gemischt. Die Mischung wurde dann 30 Minuten lang in Umgebungsatmosphäre bei 200ºC getrocknet, was ein ferromagnetisches Pulver ergab, das verpreßt werden konnte.
Zu dem ferromagnetischen Pulver wurden 0,2 Gew.-% Zinkstearat-Gleitmittel gegeben, von Nitto Chemicals K. K. im Handel erhältlich. Sie wurden 15 Minuten lang in einem V-Mixer gemischt. Das Pulver wurde unter einem Druck von 15 t/cm² zu einem Preßkörper von toroidaler Form mit einem Außendurchmesser von 17,4 mm, einem Innendurchmesser von 10,195 mm und einer Höhe von etwa 6 mm geformt.
Der Preßkörper wurde dann 60 Minuten lang bei 600ºC in einer Stickstoffatmosphäre wärmebehandelt (geglüht), wodurch man Probenkerne erhielt.
Für Vergleichszwecke wurden Probenkerne wird oben hergestellt, abgesehen davon, daß ZrO&sub2;-Pulver mit einer mittleren Teilchengröße von 0,53 um (HSY-3,0B, von Dai-Ichi Rare Element Chemistry K. K. im Handel erhältlich) und pneumatisch zerkleinertes TiO&sub2;-Pulver mit einer mittleren Teilchengröße von 1 um (von Toho Titanium K. K. im Handel erhältlich) anstelle des Sols verwendet wurden.
Für jeden Probenkern wurde die magnetische Flußdichte (B100) und Koerzivität (Hc) in einem angelegten Magnetfeld von 100 Oe, und der Hysterese-(Ph), Wirbelstrom-(Pe) und Kernverlust (pc) bei 1000 ml bestimmt. Die Verluste wurden bei 40 Hz und 1000 Hz gemessen. Die magnetische Flußdichte und die Koerzivität wurden von einem Gleichstrom-BH Tracer, Modell 3257, von Yokokawa Electric K. K. gemessen. Der Kernverlust wurde mit einem BH-Analysegerät SY-8232 von Iwasaki Communications K. K. gemessen. Die Ergebnisse sind in Tabelle 1 beschrieben.
Auf ähnliche Weise wurden Probenkerne von toroidaler Form mit einem Außendurchmesser von 17,54 mm, einem Innendurchmesser von 10,195 mm und einer Höhe von etwa 6 mm hergestellt und auf ihre Festigkeit geprüft. Für die Festigkeitsmessungen wurden die Probenkerne einem Bruchtest mit einem digitalen Tisch-Belastungstestgerät (hergestellt von Aoki Engineering K. K.) unterzogen. Die erfindungsgemäßen Proben waren fest genug, wie sich an ihrer Festigkeit von mehr als 16 MPa zeigt. Tabelle 1
* außerhalb des Bereichs der Erfindung
Die Vorteile der Erfindung sind aus Tabelle 1 ersichtlich. Die Probenkerne, für die das Sol verwendet wurde, das im Bereich der Erfindung liegt, weisen einen deutlich geringeren Kernverlust auf als die Vergleichs-Probenkerne, für die Titania- oder Zirkonia-Pulver verwendet wurde.

Beispiel 2

Es wurden Probenkerne hergestellt wie in Beispiel 1, abgesehen davon, daß ein wärmebeständiges Harz zugegeben wurde. Als wärmebeständiges Harz wurden ein Silikonharz mit einem Gewichtsmittel des Molekulargewichts von 2 600, einer Pyrolysetemperatur von etwa 600ºC und einem Wärmeverlust von etwa 30% (KR153 von Shin-Etsu Chemical K. K.) und ein Phenolharz mit einem Zahlenmittel des Molekulargewichts von 250, einer Pyrolysetemperatur von etwa 600ºC und einem Wärmeverlust von etwa 30% (ELS572 von Showa Polymer K. K.) bereitgestellt. Der Isolator und das wärmebeständige Harz wurden gewogen und in den in Tabelle 2 angegebenen Mengen zugegeben. Die Probenkerne wurde wie in Beispiel 1 getestet, mit den in Tabelle 2 gezeigten Ergebnissen. Tabelle 2
Bemerkung: Unter der Überschrift Harzmenge sind die Gew.-% in Klammern angegeben.

Beispiel 3

Es wurden Probenkerne hergestellt und getestet wie in Beispiel 2. Für Vergleichszwecke wurde gleichzeitig ein Probenkern (Nr. 33) hergestellt, für den aber SiO&sub2;-Sol verwendet wurde. Die Ergebnisse sind in Tabelle 3 angegeben. Tabelle 3
Bemerkung: * außerhalb des Bereichs der Erfindung. Unter der Überschrift Harzmenge werden die Gew.-% in Klammern angegeben.
Aus Tabelle 3 ist ersichtlich, daß die erfindungsgemäßen Proben im Vergleich zu der Probe, für die SiO&sub2;-Sol verwendet wurde, einen geringeren Kernverlust erleiden.

Beispiel 4

In Beispiel 1 wurde ein elektrolytisches Eisenpulver (im Handel von Furukawa Machine Metal K. K. erhältlich) anstelle des zerstäubten, geglühten Eisenpulvers ABC100.30 verwendet. Die Probenkerne wurden wie in Beispiel 1 beschrieben unter Verwendung des ZrO&sub2;-Sols (zugegebene Menge 0,5 Vol.-%) und des TiO&sub2;-Sols (zugegebene Menge 0,5 Vol.-%) hergestellt.
Die Probenkerne wurden dann mit einem Harz imprägniert. Die Probenkerne wurden in einen Bottich gegeben. Eine 10%-ige Phenolharzlösung in Ethanol (ELS-572) wurde in den Bottich gegossen, bis die Proben ganz mit der Lösung bedeckt waren. Die Proben wurden 3 Minuten lang im Tauchbad gelassen. Dann wurden die Proben herausgenommen und auf einer Gitterunterlage abgestellt, wo die überschüssige Harzlösung entfernt wurde. Die Proben wurden bei Umgebungsatmosphäre in einen Ofen gestellt, auf 100ºC erwärmt, 1 1/2 Stunden lang bei dieser Temperatur gehalten, weiter auf 150ºC erwärmt, 2 Stunden lang bei dieser Temperatur gehalten, dann auf 80ºC abgekühlt und 1 Stunde lang bei dieser Temperatur gehalten. Auf diese Weise wurden harzimprägnierte Probenkerne erhalten.
Die Probenkerne wurden vor und nach der Harzimprägnierung (bzw. nach der Wärmebehandlung und Harzimprägnierung) mit dem gleichen Test ihrer radialen Bruchfestigkeit wie in Beispiel 1 untersucht. Die Ergebnisse sind nachstehend gezeigt. Radiale Bruchfestigkeit
Man sieht, daß die Harzimprägnierung die Bruchfestigkeit der wärmebehandelten Proben etwa um den Faktor 2,8 bis 5 erhöht. Die magnetischen Eigenschaften, beispielsweise die Kernverluste, waren etwa die gleichen wie in Beispiel 1.

Beispiel 5

Das verwendete Zirkonia-Sol war NZS-30A (von Nissan Chemical K. K. im Handel erhältlich), bei dem es sich um ein ZrO&sub2;-Sol mit einer mittleren Teilchengröße von 62 nm handelt, dem gleichen wie in Beispiel 1. Die Dispersionen wurden anhand dieser Sole hergestellt, wobei man zuerst den pH auf 7 einstellte und das Wasser- Lösungsmittel durch Ethanol-Lösungsmittel ersetzte.
Als wärmebeständiges Harz wurden zwei Phenolharze vom Resoltyp und ein Phenolharz vom Novolaktyp verwendet (von Showa Polymer K. K. im Handel erhältlich), wie in Tabelle 4 angegeben.
Das Zirkonia-Sol und das Phenolharz oder nur das Phenolharz wurde(n) gewogen wie in Tabelle 4 angegeben und dem elektrolytischen Eisenpulver zugegeben, das eine mittlere Teilchengröße von 110 um aufwies (von Furukawa Machine Metal K. K. im Handel erhältlich). Unter Verwendung eines Druckkneters wurden diese Komponenten 30 Minuten lang bei Raumtemperatur gemischt. Die Mischung wurde 30 Minuten lang bei 200ºC in Umgebungsatmosphäre getrocknet, wodurch man ein ferromagnetisches Pulver erhielt, das verpreßt werden konnte.
Zu dem ferromagnetischen Pulver wurden 0,2 Gew.-% Zinkstearat-Gleitmittel (von Nitto Chemicals K. K. im Handel erhältlich) gegeben. Sie wurden 15 Minuten lang ein einem V-Mixer gemischt. Das Pulver wurde unter einem Druck von 12 t/cm² zu einem Preßkörper von toroidaler Form mit einem Außendurchmesser von 17,5 mm, einem Innendurchmesser von 10,2 mm und einer Höhe von etwa 6 mm geformt. Wenn Novolakharz verwendet wurde, wurde das Pulver bei 200ºC und 8 t/cm² warmverpreßt, da ein Formen bei Raumtemperatur schwierig war.
Die Preßkörper wurden dann 60 Minuten lang bei 700ºC in einer Stickstoffatmosphäre geglüht, wodurch man Probenkerne erhielt.
Für Vergleichszwecke wurden Probenkerne wie oben hergestellt, außer daß ein SiO&sub2;-Sol (NZS-30A von Nissan Chemistry K. K.) anstelle des Zirkonia-Sols und ein. Silikonharz mit einem Gewichtsmittel des Molekulargewichts von 2 600, einer Pyrolysetemperatur von etwa 600ºC und einem Wärmeverlust von etwa 30% (KR153 von Shin-Etsu Chemical K. K.) anstelle des Phenolharzes verwendet wurden.
Jede Kernprobe wurde auf ihre magnetische Flußdichte (B100) und Koerzitiviät (Hc) in einem angelegten Magnetfeld von 100 Oe und auf ihren Hysterese-, (Ph), Wirbelstrom-(Pe) und Kernverlust (Pc) bei 1000 mT geprüft. Die Verluste und die magnetische Permeabilität (u) wurden bei 1 kHz gemessen. Die magnetische Flußdichte und die Koerzivität wurden mit einem Gleichstrom-BH Tracer, Modell 327, von Yokokiawa Electric K. K. gemessen. Der Kernverlust wurde mit einem BH-Analyzegerät SY-8232 von Iwasaki Communications K. K. gemessen.
Auf ähnliche Weise wurden Probenpreßlinge von toroidaler Gestalt mit einem Außendurchmesser von 17,5 mm, einem Innendurchmesser von 10,2 mm und einer Höhe von etwa 6 mm (vor dem Glühen) hergestellt und auf ihre Festigkeit geprüft. Für die Festigkeitsmessungen wurden die Probenkerne einem Bruchtest mit einem digitalen Tisch-Belastungstestgerät (hergestellt von Aoki Engineering K. K.) unterzogen. Die Ergebnisse sind in Tabelle 4 gezeigt. Tabelle 4
* außerhalb des Bereichs der Erfindung
Wenn das Pulver, das das Harz vom Novolaktyp enthielt, bei Raumtemperatur geformt wurde, war der Preßkörper zu wenig fest, um in den anschließenden Schritten gehandhabt werden zu können. Die Probenmassekerne, die im Bereich der Erfindung lagen, waren bezüglich ihrer magnetischen Flußdichte, ihres Hystereseverlustes und ihrer magnetischen Permeabilität gleichwertig, aber ihr Wirbelstromverlust und ihr Kernverlust waren erheblich geringer. Insbesondere, wenn das Phenolharz vom Resoltyp mit Mw 5 500 oder das Phenolharz vom Novolaktyp mit Mw 3 000 in Kombination mit Zirkonia-Sol verwendet wurde, kam es zu bedeutenden Senkungen des Wirbelstrom- und des Kernverlusts. Wenn das Phenolharz allein verwendet wurde, oder wenn das Silikonharz in Kombination mit dem Silikasol verwendet wurde, zerbrach die Isolierung zwischen den Teilchen bei einem Hochtemperaturglühen, was zu erhöhten Wirbelstromverlusten führte.

Beispiel 6

Es wurde Probenkerne hergestellt und getestet wie in Beispiel 5 beschrieben, wobei Phenolharze vom Resoltyp verwendet wurden, die andere Gewichtsmittel des Molekulargewichts (Mw) aufwiesen, wie in Tabelle 5 angegeben. Die Ergebnisse sind in Tabelle 5 gezeigt. Tabelle 5
Im Vergleich zu den Phenolharzen mit einem Mw von unter 300 führen Phenolharze mit einem Mw von über 300 zu erheblich verringerten Wirbelstrom- und Kernverlusten.

Beispiel 7

Probenkerne wurden hergestellt wie in Beispiel 5, außer daß ein Supermalloy mit einer durchschnittlichen Teilchengröße von 60 um (Molybdänpermalloy, von Heganess Co. im Handel erhältlich) anstelle des elektrolytischen Eisenpulvers verwendet wurde und die Glühtemperatur geändert wurde wie in Tabelle 6 angegeben. Sie wurden wie in Beispiel 5 getestet. Die Verluste wurden bei 50 kHz und 100 mT gemessen und die magnetische Permeabilität wurde bei 50 kHz gemessen.
Die Ergebnisse sind in Tabelle 6 angegeben. Tabelle 6
* Vergleich
Selbst wenn ein ferromagnetisches Metallpulver durch ein Legierungspulver ersetzt wurde, weisen die Massekerne der Erfindung einen deutlich gesenkten Wirbelstrom- und Kernverlust auf. Die Vorteile der Erfindung treten noch deutlicher hervor, wenn die Glühtemperatur ansteigt.

Beispiel 8

Es wurden Probenkerne hergestellt und getestet wie in Beispiel 5, außer daß ein Titania-Sol anstelle des Zirkonia-Sols verwendet wurde. Das hierin verwendete Titania- Sol war TA-15 (Nissan Chemical K. K.), bei dem es sich um ein TiO&sub2;-Sol mit einer durchschnittliche Teilchengröße von 5 bis 50 nm handelte, dem gleichen wie in Beispiel 1. Aus dem Sol wurde eine Dispersion hergestellt, wobei zuerst ein pH von 7 eingestellt und das Wasser-Lösungsmittel durch Ethanol-Lösungsmittel ersetzt wurde.
Wie die Massekerne, für die Zirkonia-Sol verwendet wurde, wiesen die Massekerne, für die Titania-Sol verwendet wurde, deutlich geringere Kernverluste auf.
Es wurde eine ferromagnetische Pulverzusammensetzung beschrieben, die ein ferromagnetisches Metallpulver, ein Titania-Sol und/oder Zirkonia-Sol und optional ein wärmebeständiges Harz umfaßt. Die Zusammensetzung wird zu Massekernen druckgeformt, welche eine hohe magnetische Flußdichte, eine niedrige Koerzivität, einen niedrigen Verlust und eine hohe mechanische Festigkeit aufweisen. Die Massekerne können bei hohen Temperaturen geglüht werden, während ihre verbesserten Eigenschaften beibehalten werden.
Obwohl die Erfindung anhand einer derzeit als bevorzugt angesehenen Ausführungsform beschrieben wurde, sind für den Fachmann andere Varianten und Modifikationen offensichtlich. Die Erfindung soll daher nicht auf die erklärenden Ausführungsformen beschränkt sein, sondern innerhalb des Bereichs der beigefügten Ansprüche interpretiert werden.

Claims

1. Verfahren zur Herstellung eines Massekerns, die folgenden Schritte umfassend: Druckformen einer ferromagnetischen Pulver-Zusammensetzung, die ein ferromagnetisches Metallpulver und, bezogen auf dieses ferromagnetische Metallpulver, 0,1 bis 15 Vol.-% Titandioxid-Sol und/oder Zirkoniumdioxid-Sol mit einem Feinteilchengehalt von 15 bis 40 Gew.-% umfaßt, zu einem Preßkörper und anschließend Wärmebehandeln des Preßkörpers bei einer Temperatur von 400 bis 850ºC.

2. Verfahren nach Anspruch 1, worin die Zusammensetzung ein wärmebeständiges phenolisches Harz enthält und der Wärmebehandlungsschritt bei einer Temperatur von 500 bis 850ºC durchgeführt wird.

3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, worin die Wärmebehandlung über einen Zeitraum zwischen 10 Minuten und drei Stunden durchgeführt wird.

4. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, worin das Titandioxid- und/oder Zirkoniumdioxid-Sol eine durchschnittliche Teilchengröße von 0,01 bis 0,1 um aufweist.

5. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, worin das ferromagnetische Metallpulver Eisenteilchen oder oxidbeschichtete Eisenteilchen oder Teilchen einer eisenhaltigen Legierung, ausgewählt aus Sendust (Fe-Al-Si), Ferrosilicium, Permalloy (Fe-Ni), Supermalloy (Fe-Ni-Mo), Eisennitrid, Eisen/Aluminium- Legierungen, Eisen/Cobalt-Legierungen und Phosphoreisen, umfaßt.

6. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, worin die Pulver-Zusammensetzung, bezogen auf das ferromagnetische Metallpulver, außerdem 0,1 bis 30 Vol.-% wärmebeständiges Harz umfaßt.

7. Verfahren nach Anspruch 6, worin das wärmebeständige Harz ein Silikonharz ist.

8. Verfahren nach Anspruch 7, worin das Silikonharz ein Gewichtsmittel des Molekulargewichts von 700 bis 3300 aufweist.

9. Verfahren nach Anspruch 6, worin das wärmebeständige Harz ausgewählt ist aus einem Epoxyharz, Phenoxyharz, Polyamidharz, Polyimidharz und einem Polyphenylensulfidharz.

10. Verfahren nach Anspruch 6, worin das wärmebeständige Harz Phenolharz ist.

11. Verfahren nach Anspruch 10, worin das Phenolharz ein Phenolharz vom Resoltyp ist.

12. Verfahren nach Anspruch 10 oder 11, worin das Phenolharz ein Gewichtsmittel des Molekulargewichts von 300 bis 7000 aufweist.

13. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, den zusätzlichen Schritt der Imprägnierung des wärmebehandelten Preßkörpers mit einem Harz umfassend.

14. Ferromagnetische Pulver-Zusammensetzung für Massekerne, umfassend ein ferromagnetisches Metallpulver und, bezogen auf das ferromagnetische Metallpulver, 0,1 bis 15 Vol.-% Zirconiumdioxid-Sol mit einem Gehalt an Feinteilchen von 15 bis 40 Gew.-%.

15. Ferromagnetische Pulver-Zusammensetzung nach Anspruch 14, worin das Zirkoniumdioxid-Sol eine durchschnittliche Teilchengröße von 0,01 bis 0,1 um aufweist.

16. Ferromagnetische Pulver-Zusammensetzung nach Anspruch 14, worin das ferromagnetische Metallpulver Eisenteilchen oder oxidbeschichtete Eisenteilchen oder Teilchen einer eisenhaltigen Legierung, ausgewählt aus Sendust (Fe-Al-Si), Ferrosilicium, Permalloy (Fe-Ni), Supermalloy (Fe-Ni-Mo), Eisennitrid, Eisen/Aluminium-Legierungen, Eisen/Cobalt-Legierungen und Phosphoreisen, umfaßt.

17. Ferromagnetische Pulver-Zusammensetzung nach Anspruch 14, bezogen auf das ferromagnetische Metallpulver außerdem 0,1 bis 30 Vol.-% wärmebeständiges Harz umfassend.

18. Ferromagnetische Pulver-Zusammensetzung nach Anspruch 17, worin das wärmebeständige Harz ein Silikonharz ist.

19. Ferromagnetische Pulver-Zusammensetzung nach Anspruch 18, worin das Silikonharz ein Gewichtsmittel des Molekulargewichts von 700 bis 3300 aufweist.

20. Ferromagnetische Pulver-Zusammensetzung nach Anspruch 17, worin das wärmebeständige Harz ausgewählt ist aus einem Epoxyharz, Phenoxyharz, Polyamidharz, Polyimidharz und einem Polyphenylensulfidharz.

21. Ferromagnetische Pulver-Zusammensetzung nach Anspruch 17, worin das wärmebeständige Harz ein Phenolharz ist.

22. Ferromagnetische Pulver-Zusammensetzung nach Anspruch 21, worin das Phenolharz ein Phenolharz vom Resoltyp ist.

23. Ferromagnetische Pulver-Zusammensetzung nach Anspruch 21, worin Phenolharz ein Gewichtsmittel des Molekulargewichts von 300 bis 7000 aufweist.

24. Massekern, der durch Druckformen einer ferromagnetischen Pulver-Zusammensetzung nach einem der Ansprüche 14 bis 23 hergestellt wurde.

25. Massekern nach Anspruch 24, der nach dem Druckformen bei einer Temperatur von 400 bis 850ºC wärmebehandelt wurde.

26. Massekern nach Anspruch 25, worin die Zusammensetzung ein wärmebeständiges Phenolharz umfaßt, das nach dem Druckformen bei einer Temperatur von 500 bis 850ºC wärmebehandelt wurde.

27. Massekern nach Anspruch 25 oder Anspruch 26, der nach der Wärmebehandlung mit einem Harz imprägniert wurde.