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Verfahren zur Behandlung von kohlenstoffhaltigem Eisenpulver Die Erfindung
bezieht sich auf die Herstellung von gepulvertem Carbonyleisen und auf aus solchem
Carbonyleisen hergestellte Gegenstände für die Verwendung in elektromagnetischen
Geräten, im besonderen auf Magnetkerne aus Eisenpulver, das durch therinische Zersetzung
von Eisencarbonyl gewonnen wird. Ein besonderes Kennzeichen der Erfindung ist die
Herstellung von Pulvereisenmagnetkemen, welche sowohl hohe Perrneabilität als auch
niedrige Wirbelstromverluste bei Frequenzen bis zu mehreren Megahertz vereinigen.
Die Erfindung umfaßt neue Keine mit Permeabilitäten mit y über
50, ohne die'bisher unvermeidlichen entsprechenden hohen Wirbelstromverluste.
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Aus Carbonyleisenpulver hergestellte elektromagnetische Keine sind
bereits für die Verwendung in Spulen verschiedenster Art vorgeschlagen worden. Der
üb-
liche Verwendungszweck der bislang bekanntgewordenen Kerne ist entweder
einen hohen Q-Wert oder eine Induktionsregelung oder beides zu gewährleisten. Mit
dem Aufkommen einer verbesserten Ausrüstung der Nachrichtenmittel z. B. in Funkpeilgeräten
ergab sich die Forderung nach einem hohen Magnetfluß elektromagnetischer Kerne;
das bedeutEft, daß die Kerne hohe magnetische Permeabilität mit niedrigen Wirbelstromverlusten
vereinigen müssen.
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Bei Aufrechterhaltung niedriger Wirbelstromverluste liegt die bisher
erreichte höchste Pelmeabilität von aus bisher bekannten Magnetpulvern hergestellten
Kerne unter 4o und schwankt für gewöhnlich zwischen io und 3o. So wurde in einer
Veröffentlichung mit dem Titel), Magnetic Measurements of IronPowders «(journal
Scientifie Instruments, London, S. 154, September
1944)-
ein-Typ vön-Rundfunkgerätekernen beschrieben, bei welchen die Permeabilitäten zwischen
1,37 und 30,1 liegen.
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DieamerikanischePate.ntschrifti-&38.83i,inivelcher die Behandlung
von durch thermische-Zersetzung von Eisencarbonyl erhaltenen Metallpulvern beschrieben
w-I#d,- betrifft eiii Pulver, das vor der Fertigung"der-Kerne einer -thermischen
Behandlung mit reduzierendem Gas unterworfen wird. Die Patentschrift gibt an, daß
die Permeabilität des Pulvers "verbessert wird. Das eine Beispiel in dieser Patentschrift
führt die Behandlung von Eisenpulver an, das durch Zersetzung von Eisencarbonyl
bei 5oo'C innerhalb 18 Stunden in einem Wasserstoffstrom erhalt en wurde. Eine solche
Behandlung bewirkt den Verlust der ursprünglich vorhandenen Gestalt der Eisenpulverteilchen
infolge ihres Zusammensinternsunter Bildung größerer Teilchen. Solchen gesinterten
Teilchen kann nicht die Kugelgestalt und die Größe der ursprünglichen Teilchen
wiedergegeben werden. Zwar sollen Kerne aus Pulvern, wie sie durch den in diesem
Patent angegebenen Prozeß entstehen, eine höhere Perineabilität haben, zeigen aber
bärächtliche Wirbelstromverluste.
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Aus der amerikanischen Patentschrift 1735405" S.1, Sp. i, Z. i bis
2 7, geht hervor, daß die obengenannte Wärmebehandlung in einer reduzierendenAtmosphärewährend
der Reduktidn der Kohle und des Sauerstoffs im Eisen eine Sinterung bewirkt und
daß es bei der Ausführung des Verfahrens in größerem Maßstab nicht immer möglich
ist, das ganze Material äuf die#.ur#prüngliche kleine Korngröße und die Kugelgestalt
der Aus.-gangsteilchen'zurückzuführen. Die Patentschrift gibt an, daß nachErhitzen
des Materials auf holieTemperaturen zwischen 500 und 6oo'C beträchtliche
Mengen von ausgeschiedenen Rückständen in Höhe von 3o %
und mehr nach dem
Mahlen -übrigbleiben, welche nicht unmittelbar für den geforderten Verwendungszweck
brauchbar sind. Die Patentschrift schlägt- eine Zweig stufige Behandlung bei Temperaturen
von 5oo'C und darüber vor, die stets von einer in bescheidenen Grenzen bleibenden
Sinterung begleitet ist. Das erhaltene Eisenpulver soll nach dem Zerkleinern in
einer Mühle durch ein Sieb von 4900 Maschen/cm?, gehen und dabei praktisch keine
Rückstände hinterlassen. Das Pulver soll einen Kohlenstoffgehalt bis zu
0,5 0/, und eine Permeabilität zwischen 25 und 32 haben.
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Die amerikanischen Patentschriften I78356o und 1783561 schützen
die Herstellung von Magnetkernen aus Carbonyleisenpulvern, die mit einem isolierenden
und festhaftenden Material behandelt und dann unter einem Druck von ungefähr
7000 kg/CM2 geformt wur--den. In der amerikanischen Patentschrift 1783
56o ist das spezifische Gewicht des fertigen Kerns mit 6,52
und die Permeabilität
mit ß = 38,6 angegeben. In der amerikanischen Patentschrift 1783561 sind
die entsprechenden Zahlen 6,4. und 35,2-Es ist allgemein bekannt, daß bei der Hetstellung
von Pulvereisenkernen eine Zunahme der Dichte sich in einer höheren Anfangspermeabilität
auswirkt. Sie ist jedoch auch von einer entsprechenden Zunahine ,der Wirbelstromverluste
begleitet, was höchst- unvorteilhaft ist. Da es oft wesentlich ist, Magnetkerne
hö-chstmöglichef Permeabilität in -#rerwenden, be§teht eine bestimmte Begrenzung
der Permeabilität magnetischer Materialien in elektromagnetischen Wechselfeldern
durch-das Auftreten von Wirbelstromverlusten, welche mit der Zunahme der Dichte
des Kerns anwachsen. Dies trifft besonders im Fall elektromagne-,tischer Felder
hoher Frequenz zu. Man hat sich daher, um das Auftreten solcher Verluste zu vermeiden,
gezwungen gesehen, das magnetische Material zu unterteilen, wie z. B. durch Lamellierung
des Kerns. Dies vermindert zwar die Wirbelstromverhiste, vermindert aber auch die
Gesamtpermeabilität. So ist es daher bislang nicht-möglich gewesen, Kerne herzustellen,
die hoheYermeabilität und geringe Verluste bei Erhöhung der Kemdichte vereinigen.
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Gegenstand der Erfindung ist es u. a., ein neues gepulvertesCarbonyleisen
und daraus geformte metallische Gegenstände herzustellen, die besonders als Kerne
in elektromagnetischen Vorrichtungen geeignet sind und, obgleich sie hohe Dichten
aufweisen, sowohl hohe Permeabflität als auch niedrige Wirbelstromverluste bei hohen
Frequenzen besitzen. Gemäß der Erfindung ist es möglich, Kerne aus gepulvertem Eisen
mit magnetischen Anfangspermeabilitäten von zwischen 40 und 72 bei relativ
niedrigen Wirbelstromkraftverlusten herzustellen. So ist es gelungen, Kerne aus
gepulvertem Eisen mit Permeabilitäten von zwischen 40 und 72
und vergleichsweise
niedrigen Wirbelsffomverlust--koeffizienten von o,6 bis 7,0 X 10-1 Ohm/Henry.
Hertz/sec herzustellen.
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Die Erfindung zeigt ihre größten Vorteile und Wirksamkeit darin, daß
sie die Herstellung von Kernen hoher Dichte mit Permeabilitäten von über
50 ohne die bislang unvermeidlichen entsprechend hohen Wirbelstromverluste
gestattet.
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Die neuen Keine werden aus einem neuen weichen Carbonyleisenpulver
von geringer Teilchengröße unter Verwendung eines geeigneten isolierenden Materials
als Überzug hergestellt, das schon in sehr geringen Mengen wirksam ist. Im besonderen
wurde gefunden, daß gemäß der Erfindung Pulvereisenkerne mit effektiv höheren Permeabilitäten
gefertigt werden können, als sie bislang erreicht wurden und ohne eine entsprechende
Zunahme der Wirbelstromverluste, und zwar durch Herstellung solcher Kerne aus einem
pulverigen Eisen, das durch therrnische Zersetzung von Eisencarbonyl gewonnen wurde,
wobei das pulverförmige Eisen im wesentlichen aus kugeligen Teilchen von weniger
als 12 it im Durchmesser bestehen und einen Gesamtkohlenstoffgehalt von 2,9 in io
ooo Teilen nicht überschreiten soll. So wurde gefunden, daß ein Pulver, dessen Kohlenstoffgehalt
zwischen ungefähr o,oi und o,o29 "/, liegt, bei einem mittleren Teilchendurchmesser
von ungefähr 6 bis io 1,t besonders gut für die Herstellung der neuen elektromagnetischen
Kerne geeignet ist.
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Bei der Anfertigung der Kerne kann das Isolieren und Überziehen des
Eiseftpulvers a-uf jedem gangbaren Weg mit einem geeigneten isolierenden und haftfähigen
Material vorgenommen, und es kann dann zu fehlerlosen Preßlingen verformt werden,
die magnetische Anfangspermeabilitäten von bis zu 72 bei relativ niedrigen
Wirbelstromverlusten haben. Die Dichte solcher
Preßkörper erreicht
die Höhe von 7,# g/cm3. Es ist auch möglich, das neue Eisenpulver ohne Überzug zu
Preßlingen zu verarbeiten, welche grüne Briketts genannt werden und sogar noch höhere
Dichten, wie z. B. bis zu 7,55 9/cm.3, und nach einer Sinterbehandlung ausgezeichnete
magnetische Charakteristiken haben.
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Das neue Carbonyleisenpulver unterscheidet sich von den bisher im
Handel befindlichen Sorten in folgenden Eigenschaften:
| Teilchendurchmesser |
| Sorte Kohlenstoff im Mittel-des Teilchen- |
| gewichts in Mikron |
| L .......... 0,005-0,03 20 |
| C .......... 0,03 '0,12 10 |
| E .......... o,65 o,8o 8 |
| neues Pulver 0,01 -0,029 10 |
L,
C und
E bedeuten bisher bekannte handelsübliche Sorten von Carbonyleisenpulver.
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Das neue Carbonyleisenpulver, aus dem die neuen Kerne gebildet werden,
kann im allgemeinen wie folgt hergestellt werden: Eisencarbonyl wird in dem erhitzten
freien Raum des Zersetzungsgefäßes entsprechend dem Herstellungsverfahren des amerikanischen
Patents 1759659 zerlegt. Die einzelnen so erhaltenen Eisenpulverteilchen haben eine
rundliche oder im wesentlichen kugelige Form. Der mittlere Durchmesser dieser Teilchen
liegt zwischen ungefähr 6 und ioy und der Kohlenstoffgehalt zwischen o,5
und 1,20/,.
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Das so erhaltene Carbonyleisen wird einer Behandlung unterworfen,
um den Kohlenstoffgehalt auf unter o,o29 0/, unter solchen Bedingungen der
Behandlungsdauer und Temperatur zu senken, daß ein Sintern verhütet und im wesentlichen
die Kugelgestalt und geringe Ausgangsgröße der Teilchen beibehalten wird. Eine solche
Behandlung unter Bewahrung der ursprünglichen kleinen Größe und der kugeligen Gestalt
der ursprünglichen Teilchen kann durch Einhaltung der Behandlungstemperatur mit
einem reduzierenden Gas in einem Bereich von ungefähr 38o'C bis zu ungefähr 43o'C
bei einer Behandlungsdauer zwischen ungefähr 7 und ungefähr 12 Stunden erreicht
werden, die von der Temperatur und der Konzentration des reduzierenden Gases abhängt.
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Als reduzierendes Gas ist Wasserstoff zu bevorzugen, obgleich jedes
andere geeignete reduzierende Gas, wie etwa Ammoniak, auch verwendet werden kann.
Die Menge des verwendeten reduzierenden Gases sollte mindestens so groß sein, daß
der Kohlenstoffgehalt bis zu Werten zwischen o,oi und o,o29 "/, gesenkt wird, aber
es empfiehlt sich, einen Gasüberschuß zu verwenden und während der Behandlungsdauer
öfters zu prüfen, ob der Kohlenstoffgehalt des Eisenpulvers bis auf den oben angegebenen
Betrag gesenkt ist. Zum Beispiel wird gemäß der Erfindung vorzugsweise zwischen
ioo und 2oo0/,Wasserstoffüberschuß angewendet.
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Nach der Behandlung mit dem reduzierenden Gas we - rden die
Eisenteilchen leicht gemahlen, um etwaige Teilchenzusammenballungen zu beseitigen.
Diese-vorzugsweis e- in -einer Kugelmühle vorgenommene Behandlung wird so
sanft ausgeführt, daß die ursprüngliche Kugelgestalt und die geringe Größe der Teilchen
gewährleistet wird, und die Bildung von ZusammenbaRungen durch Aneinanderpressen
vermieden wird.
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Das Eisenpulver wird dann zu Kernen geformt. jedes geeignete isolierende
und haftende Material kann bei der Herstellung der Kerne verwendet werden. Zum Beispiel
erwies sich für diesen Zweck ein butanollösliches Harnstofformaldehydharz von dem
backfähigen glasartigen Typ höchst vorteilhaft. Die Menge des isolierenden
und haftenden Materials kann variiert werden. Es stellt sich aber als besonders
vorteilhaft heraus, die Menge des isolierenden und haftenden Materials relativ klein
zu halten, wenn hohe Permeabilität bei relativ niedrigem Preßdruck erwünscht ist.
So ließ sich der isolierende Stoff in Mengen von ungefähr o,2 bis 0,7 0/"
bezogen auf das Gewicht des Eisens, besonders vorteilhaft verwenden. Bevorzugt sind
Mengen des isolierenden und haftenden Materials in Höhe von ungefähr o,5
',',des Gewichts anzuwenden. Zum Beispiel kann ein Kern mit einer Permeabilität
von 55, einem Wirbelstromverlustkoeffizienten von 0,73.10-7 Ohm/Henry-Hertz/sec
und einer Dichte von 7,35 g/CM3 leicht aus dem neuen Eisenpulver unter Verwendung
von ungefähr 0,5 0/, Harnstofformaldehyd als isolierendes und haftendes Material
bei einem Preßdruck von 11950 kg/CM2 erhalten werden. Dichteiverte von über
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wurden bisher in Pulvereisenkernen sehr selten erreicht ' und diese
mit solchen Dichten hergestellten Kerne waren dann durch hohe Wirbelstromverluste
gekennzeichnet. Unter Verwendung von Eisenpulver mit rundlicher oder kugeliger Teilchenform
mit einem Durchmesser von weniger als iz y, in welchem der Kohlenstoffgehalt
o,o29 0/, nicht übersteigt, ist es gelungen, ein geformtes Metallstück herziistellen,
welches trotz seiner hohen Dichte und seiner hohen Anfangspenneabilität keine wesentliche
Zunahme an Wirbelstromverlusten zeigt, wie sie sich bei der Steigerung der Dichte
von gepulverten Eisenkernen ergibt, die aus den bisher bekannten Eisenpulvern gefertigt
wurden.
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Die folgenden Beispiele werden weiterhin die Verarbeitungsweise der
neuen Pulver und die Herstellung der neuen Magnetkerne dartun. Beispiel i Durch
thermische Zersetzung von Eisenpentacarbonyl gewonnenes Eisenpulver wurde mit Wasserstoff
bei einer Temperatur von 4:25'C 7 Stunden lang behandelt. Das reduzierte
Eisenpulver wurde dann in einer Kugelmühle gemahlen, um jede Zusammenballung von
Teilchen zu beseitigen. Die Kugelmahlbehandlung wird so durchgeführt, daß die ursprüngliche
Kugelgestalt und die Größe der einzelnen Teilchen nicht verändert wird. Das kann-
bewirkt werden durch Ausführung des Mahlens in einer fraktionierten Behandlung,
bei welcher die Teilchen zu verschiedenen Zeitpunkten aus der Mühle genommen werden,
um eine Verstümmelung ihrer Form oder eine Zusammenballung durch Aneinanderpressen
zu verhindern.
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Das so bereitete gepulverte Eisen hat einen Kohlenstoffgehalt von
o,oi2 11/0 und besteht im wesentlichen
aus Teilchen mit einem Durchmesser
von ungefähr io M. Die Herstellung geformter Gegenstände und gan besonders elektromagnetischer
Kerne wird durch das folgende Beispiel dargetan.
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Beispiel 2 iooo Teile eines wie in Beispiel i hergestellten Pulvers
wurden mit 2oo Teilen einer 7"50/,igen Lösung eines butanoRöslichen Harnstoff-Forrnaldehyd-Kondensationsproduktes
in n-Butylalkohol gemischt. Der Alkohol wurde dann aus dem Gemisch verdampft und
das mit einer Schicht überzogene pulverförmige Eisen auf ungefähr i45'C zur Polymerisierung
oder Bildung des Harzüberzuges erhitzt. Die gebildeten Klumpen des überzogenen Carbonyleisens
wurden zu kleinen körn&n zermahlen. Die so erhaltenen und mit dem Harz überzogenen
Körner wurden unter Verwendung eines Preßdrucks von 11950 kg/CM2 zu einem
Ring geformt. Der fertige Ring wog ioo g, hatte einen Au&ndurchmesser
von 5,7 cm, einen Innendurchmesser von 3,8 cm und eine Höhe von
0,95 cm. Die Dichte des Ringes betrug 7,35 g/cm3. Der Ring wurde 3o
Minuten lang in Luft auf 150'C gebracht, um seine mechanische Festigkeit zu steigern
und dann toroidartig mit Draht umwunden.
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Die so hergestellte Spule wurde einer Reihe Staudardmessungen unterworfen,
die die Anfangspermeabilität von 55 ergaben. Ihr Wirbelstromverlustkoeffizient
war o,73 - io-7 Ohm/Henry-Hertz/see.
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Die folgende Tabelle zeigt die Eigenschaften von aus dem neuen Carbonyleisenpulver
hergestellten Kernen, verglichen mit aus schon bekannten Eisenpulvern hergestellten
Kernen:
| Perme- Wirbelstromverlustkoeffizient Teilchengröße ir Preßdruck |
| Kern Mittel des Teilch n Dichte % |
| abilität Ohm/Henry - Hertz/sec gewichs in Mikron- |
| C t/cm# |
| A 70 7,0 -10-7 10 7,4- 0,012 12 |
| B 55 0,73 - lo-7 10 7,35 0,012 12 |
| C 40 o,66 - io-7 10 6,83 0,02:2
7 |
| D 39 1,0 -10-7 20 6,40 0,02 7 |
| E 42 1,69 j0-7 13 6,90 0,005 1?, |
| F 16,5 0208-,0-7 8 5,24 0,73 8,4, |
Kern
A, B und
C in der obigen Tabelle wurden aus dem neuen Carbonyleisenpulver
hergestellt, Kern
D
aus einem Carbonyleisenpulver, in welchem der Kohlenstoffgehalt
o,o2
0/, und der Teilchenidurchmesser 2o u betrug. Die Teilchen in diesem
Pulver sind zu einem großen Teil gesinterte Massen von kugeligen Teilchen. Kern
E ist aus einer der besten Sorten von Eisenpulver hergestellt, die durch
Wasserstoffreduktion von Eisenoxyden bereitet wurden, Kern F aus dem am meisten
verwendeien nicht reduzierten Eisenpulver, 'wie es bei der thennischen Zersetzung
von Eisencarbonyl entsteht.
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Aus dem Gesagten geht klar hervor, daß keiner der bislang bekannten
Eisenpulverkerne, von denen Beispiele in der Tabelle angeführt wurden, so hohe Permeabilität
mit so niedrigen Verlusten vereinigt, wie es die neuen Eisenpulverkerne tun. Die
neuen Kerne zeigen ihre größten Vorteile und sind am wirkungsvollsten besonders
dann, wenn sie zu der Gruppe mit dez höchsten Dichte gehören. So haben die Kerne
A
und B, die mit 12 t/cm2 hergestellt wurden, außerordentlich hohe Permeabilität
und Dichte bei niedrigen Wirbelstromverlusten. Dies widerspricht allen Erwartungen,
da hohe Dichte bisher unvermeidlich mit entsprechend hohen Wirbelstromverlusten
verbunden war. Der mit niedrigem Preßdruck hergestellte Kern C
hat einen noch
niedrigeren Wirbelstromverlust, während er immer noch eine Permeabilität von 4o
besitzt. Die bekannten Kerne D und E besitzen einen beträchtlich höheren
Wirbelstromverlust, während Permeabilität und Dichte etwa wie bei Kern
C liegen. Der Kern F hat, obgleich er mit einem Preßdruck von 8,4 t/CM2 hergestellt
wurde, eine sehr niedrige Permeabilität und niedrige Dichte. Aus der hier gegebenen
Beschreibung geht hervor, daß die Erfindung sowohl ein neues Carbonyleisenpulver
als auch neue geformte Metallgegenstände umfaßt, die das Problem lösen, hohe magnetische
Permeabilität mit geringen Wirbelstromverlusten zu vereinigen, und betrifft irn
besonderen Kerne hoher Dichte, die mit Perrneabilitäten von über 50 niedrige
Wirbelstromverluste vereinigen.
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Es ist noch hinzuzufügen, daß das neue Eisenpulver nicht nur für die
Herstellung magnetischer Kerne verwendet werden kann, sondern ebensogut für die
Herstellung anderer verschiedenartigster Sinterteile geeignet ist, so für die Herstellung
von Legierungen und von Kombinationen unter Einschluß von nicht metallischen Stoffen,
wie z. B. von Kohlenstoff-Stahl-Preßlingen.