EP2289082A1 - Verfahren zum herstellen eines magnetisierbaren metallischen formkörpers - Google Patents

Verfahren zum herstellen eines magnetisierbaren metallischen formkörpers

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EP2289082A1
EP2289082A1 EP09741823A EP09741823A EP2289082A1 EP 2289082 A1 EP2289082 A1 EP 2289082A1 EP 09741823 A EP09741823 A EP 09741823A EP 09741823 A EP09741823 A EP 09741823A EP 2289082 A1 EP2289082 A1 EP 2289082A1
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EP
European Patent Office
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starting material
particles
surface coating
compression
compaction
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EP09741823A
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Paul Gümpel
Stefan GLÄSER
Beat Hofer
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Kennametal Europe GmbH
ETO Magnetic GmbH
Original Assignee
Kennametal HTM AG
ETO Magnetic GmbH
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    • B22F2998/00—Supplementary information concerning processes or compositions relating to powder metallurgy
    • B22F2998/10—Processes characterised by the sequence of their steps

Definitions

  • the present invention relates to a method for producing a magnetizable metallic shaped article, a molded article produced by such a method and uses of such a shaped article.
  • magnetizable metallic bodies are known in the prior art for realizing various electromagnetic devices, such as electromagnetic actuators, transformers or the like. All these applications have in common that a material used for the production of the magnetizable components and assemblies on the one hand should have favorable magnetic properties in the form of the highest possible (saturation) flux density at low excitation and low coercive field strength, with pure iron (or materials made of iron or made of iron-silicon alloys) in view of such magnetic properties is particularly favorable.
  • Eddy current losses are also highly frequency-dependent, so that it is also known, for example in high-frequency applications, to increase the specific electrical resistance use powder composite materials of a metal powder, which with a z. B. polymeric binder is pressed.
  • a procedure In addition to the relatively high electrical resistance relative to a sheet such a procedure also has the advantage that eddy currents can be suppressed three-dimensional.
  • the magnetic properties of such powder composites are often insufficient, such as a typical saturation flux density of a metal is 1.5 to about 5 times higher than such plastic bound metal powders.
  • a molded article produced in this way has inadequate mechanical properties, for example in the form of mechanical strength.
  • the object of the present invention is therefore to provide a magnetizable metallic molded body and a method for producing such, on the one hand energetic adverse eddy currents can be effectively suppressed or minimized, on the other hand still favorable magnetic properties, especially high magnetic (saturation -) flux density and low coercive field strength, can be ensured, wherein such a shaped body should also have improved mechanical properties (as compared to known powder or sintered materials). Furthermore, suitable uses for such a method or molded bodies realized thereby are to be created.
  • the invention is based first of all on the knowledge that when eddy currents are already in the micro range (ie in the range of the particle size or particle size of the pulverulent particle) ferromagnetic starting material) are limited, favorable magnetic properties of the resulting molded body can be achieved. Accordingly, the method according to the invention, by pre-compression in the form of the step of first compressing the starting material already allows a (mechanically stable) body by the Formtial.
  • the cavities in accordance with the further development by the introduction of a correspondingly reactive gas are used to form those surface sections of the particles Particles that are located outside of the connecting sections (bridges) to a respective adjacent particle, to be provided with a very thin (relative to the particle size) partial coating.
  • the subsequent second compaction then leads to the cavities being eliminated or greatly reduced so that, as a result, there is a highly compressed particle structure with layer sections of the isolated (surface) coating which, distributed in micro size and in the body, according to the invention effect intended effect of the eddy current barriers in the micro range.
  • the invention makes it possible to produce a magnetizable metallic material as a shaped body, in which (three-dimensionally) electrically non-conductive, thin layer layers (usually only in the nanometer range in the layer thickness) are distributed, which serve as effective eddy current barriers.
  • the shaped body thus produced not only has the desired high magnetic power density (which potentially comes close to pure iron material), also the Eddy current losses significantly reduced by the effect of the three-dimensionally distributed in the body layer sections. This then gives rise to the possibility, for example, of improving the energy efficiency (resource-saving) of electromagnetic units, eg. As actuators to make, with the high flux density realized at low excitation compact devices that save space and bring other benefits.
  • a further advantage of the invention resides in the fact that a shaped body realized according to the invention has outstanding mechanical properties, in particular with regard to stability, tensile strength and breaking strength, in particular over traditionally known materials and material arrangements for minimizing eddy current losses.
  • electromagnetic properties of a molded article made in accordance with the present invention can be achieved that correspond to a typical reference material such as FeSi3, but have significantly improved mechanical properties with respect to this material.
  • the inventive generation of the insulating Oberflachenbe- layering takes place after in the first step of compaction of the starting material adjacent particles to each other via bridging or the like. have been joined together and accordingly cause a favorable basic strength of the body.
  • a oxidizing or nitriding of the particle surfaces outside of the connecting portions (bridges) causing gas wherein such gas may also be a carbon, nitrogen, oxygen, sulfur and / or boron-containing gas. It is also within the scope of the invention to supply such a gas not separately, but to use as reactive gas that (residual) is already present in the powdery starting material and / or formed or formed during the first compression process, wherein in this Case, the step of generating the electrically insulating top flat coating with the first compression takes place.
  • the second compression after the production the insulating surface layering a typically by hot hydrostatic pressing with a significantly higher pressure of up to about 4000 bar performed process.
  • an alternative embodiment of the invention provides for the inventive process to be supplied with powdered particles which themselves act as coated particles, e.g. , Example, iron particles, with (other) metal coating or semiconductor coating, are present (eg by upstream plasma coating).
  • powdered particles which themselves act as coated particles, e.g. , Example, iron particles, with (other) metal coating or semiconductor coating, are present (eg by upstream plasma coating).
  • this makes it possible on the one hand to influence the mechanical connection behavior (for example the quality of the sintered bridges) after the step of the first compacting, on the other hand enables such precoating of the particles to produce favorable insulating surfaces by targeted formation of the reactive gas to be introduced into the pore space (eg B. an aluminum oxide surface coating by oxidation of an aluminum precoated iron particle by means of the coating step).
  • the shaped body in the manner described according to the invention is produced in principle accessible to a large number of magneti ⁇ rule applications, wherein the advantages described above with regard to efficiency, magnetic Verhal ⁇ th, mechanical compactness and stability of each SITUATE can be instrumentalized - so extends the potential range of application of the present invention of magnetic actuators or drive devices (such as electromagnetic actuators and electric motors) on the use in transformers and other areas of power electronics to electromagnetic bearings and tasks of high-frequency technology.
  • magnetic actuators or drive devices such as electromagnetic actuators and electric motors
  • Figure 1 A flow chart with process steps Sl to S7 for carrying out the inventive method according to a first embodiment
  • FIG. 2 a view with a plurality of schematic illustrations, which illustrate the process-related changed shaping of the shaped body or of the particles of the starting material along the steps S 1 to S 6 of FIG. 1.
  • powdered iron raw material of a typical average grain size in the range of about 10 ⁇ m to 500 ⁇ m is provided; the reference numeral 10 illustrate the process step Sl, the presence of such powder particles in the uncoated state.
  • Typical commercial powder materials in view of a comparatively small grain size are e.g. Pure iron powder (Fe2) with grain size ⁇ 30 ⁇ m, D50 (average grain size) 9 ⁇ m to ll ⁇ m of the manufacturer ThyssenKrupp Metallurgie, in the case of a larger grain size is exemplified in the product Ampersint (verduste Fe-base powder from HC Starck GmbH), here the grain size Fe amounts to at least 99.5 (wt)% less than 350 ⁇ m.
  • Alternative Fe base powders of this manufacturer are FeSi3 or FeSi ⁇ with corresponding grain size.
  • Process step S2 as an optional process step provides the possibility that before a subsequent first dense (step S3) the powder particles of the raw material, for example by means of plasma coatings or the like are provided with a metallization or semiconductor coating.
  • This optional layer to be applied in step S2 is thin relative to the respective particle diameter and is typically in the range between 5 and 50 nm.
  • a first precompression of the (coated or uncoated) raw material takes place, typically a cold hydrostatic pressing with a compression pressure of about 1000 bar.
  • the result is the image of a precompressed body illustrated in FIG. 2 (in the case of uncoated raw material), in which the particles 10 are adhered to one another mechanically by means of sintered bridges.
  • step S4 is an oxidizing gas, bar, in this case oxygen, at a pressure of 0.01 and a temperature of 350 0 C as inserted into the Formkör- by that this gas enters the cavities 14, and accordingly the particle 10 with an (electrically insulating) thin oxide layer 14 in all those peripheral areas, which are not connecting sections with a respective adjacent particle.
  • a typical resulting coating thickness on the particles after the gas treatment step S4 is about 10 nanometers. For example, by changing the pressure or temperature or exposure time, this layer thickness can be influenced.
  • a subsequent second compacting step S5 is typically performed as pressing at high temperature, in particular by means of hot hydrostatic pressure. see pressing done; typical process parameters are a pressing pressure of up to approx. 4000 bar at 1200 ° C temperature.
  • These very shallow oxide layer sections thus have typical lengths in the range of about 10 dis 150% of the original particle size of the particles and are very thin compared to this dimension, namely again in the nanometer range (usually 5 to about 30 nanometers).
  • these oxide layer sections act as eddy current barriers in the micro range according to the invention, while at the same time permitting final compression in a subsequent step S6 by rolling in a subsequent step S6 into an intended final shape and in the subsequent step S7 a machining aftertreatment experiences) very favorable magnetic properties with regard to high saturation flux density and low coercive field strength, whereby even at the scale of a known free-cutting steel (eg 1.0715), which is frequently used for DC applications, favorable behavior is realized.
  • a fabric is also significantly superior to a typical reference material for AC applications (such as FeSi3).

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines magnetisierbaren metallischen Formkörpers aus einem pulverförmig und in Partikelform vorliegenden ferromagnetischen Ausgangsmaterial, mit den Schritten: - erstes Verdichten des Ausgangsmaterials (S3), sodass benachbarte Partikel durch Form- und/oder Stoffschluss abschnittsweise an ihrer Umfangsfläche und unter Ausbildung von Hohlräumen miteinander verbunden werden, - Erzeugen einer elektrisch isolierenden Oberflächenbeschichtung auf den Umfangsflächen der Partikel in Bereichen außerhalb der Verbindungsabschnitte (S4) und - zweites Verdichten der mit der Oberflächenbeschichtung versehenen Partikel (S5), sodass die Hohlräume verkleinert oder beseitigt werden.

Description

Verfahren zum Herstellen eines magnetisiβrbaren metallischen Formkörpers
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines magnetisierbaren metallischen Formkörpers, einen durch ein solches Verfahren hergestellten Formkörper sowie Verwendungen eines derartigen Formkörpers.
Aus dem Stand der Technik sind zahlreiche magnetisierbare metallische Körper zum Realisieren verschiedenster elektromagnetischer Vorrichtungen, etwa elektromagnetischer Aktoren, Transformatoren oder dergleichen, bekannt. All diesen Anwendungen ist gemeinsam, dass ein zur Herstellung der magnetisierbaren Bestandteile und Baugruppen verwendetes Material einerseits günstige magnetische Eigenschaften in Form einer möglichst hohen (Sättigungs-) Flussdichte bei kleiner Erregung und geringer Koerzitivfeidstärke aufweisen soll, wobei Reineisen (bzw. Werkstoffe aus Eisen bzw. aus Eisen-Silizium-Legierungen) im Hinblick auf derartige magnetische Eigenschaften besonders günstig ist.
Andererseits entstehen insbesondere bei mit Wechselströmen angesteuerten Magneten (hier werden die Werkstoffe im Takt der Wechselstromfrequenz ummagnetisiert ) Verluste insbesondere in Form von Wirbelstromverlusten; diese sind das Ergebnis von durch das magnetische Wechselfeld induzierten Spannungen, die Wirbelströme senkrecht zum magnetischen Wechselfeld bewirken und das magnetische Feld schwächen (mithin einen Energieverlust bewirken) . Zur Verminderung derartiger Wirbelstromverluste ist es wiederum bekannt, das magnetisierbare Material widerstandserhöhend zu beeinflussen, etwa in Form von Blechen bei Transformatoren oder durch das Bilden von Mischkristallen (z. B. FeNi) im magnetischen Werkstoff. Eine derartige Erhöhung des (spezifischen) elektrischen Widerstands reduziert die beschriebenen Wirbelstromverluste, setzt jedoch gleichzeitig die magneti- sehe Sättigungsflussdichte herab und beeinträchtigt zudem mechanische Eigenschaften, etwa die Festigkeit.
Auch bei Gleichstromanwendungen sind jedoch die negativen Auswirkungen von Wirbelströmen nicht gänzlich unbeachtlich; so führt etwa das mit einem Schaltvorgang verbundene Auf- magnetisieren zu Wirbelströmen, welche magnetisch entgegenwirken und die Dynamik bzw. erreichbare Bewegungsgeschwindigkeit von Aktoren oder dergleichen mit Gleichstrom betriebenen Magnetanwendungen begrenzen.
Wirbelstromverluste sind zudem stark frequenzabhängig, so- dass insbesondere bei Hochfrequenzanwendungen es auch etwa bekannt ist, zur Erhöhung des spezifischen elektrischen Widerstands Pulververbundwerkstoffe aus einem Metallpulver einzusetzen, welches mit einem z. B. polymeren Bindemittel verpresst wird. Neben dem relativ hohen elektrischen Widerstand relativ etwa zu einem Blech besitzt eine derartige Vorgehensweise zudem den Vorteil, dass Wirbelströme dreidimensional unterdrückt werden können. Allerdings sind die magnetischen Eigenschaften derartiger Pulververbundwerkstoffe häufig ungenügend, so liegt etwa eine typische Sättigungsflussdichte eines Metalls um das 1,5 bis etwa 5- fache höher als bei derartigen in Kunststoff gebundenen Metallpulvern. Auch hier weist ein so hergestellter Formkör- per mangelhafte mechanische Eigenschaften, etwa in Form der mechanischen Festigkeit, auf. Aus dem bekannten Stand der Technik ist es daher eine bekannte Herausforderung, durch geeignete Auswahl und Ausbildung des metallisierbaren Materials die beschriebenen, zueinander potenziell gegensätzlichen Eigenschaften im Hin- blick auf die jeweilige Anwendung zu optimieren, nämlich möglichst günstige magnetische Eigenschaften mit möglichst geringen Wirbelstromverlusten, bei notwendigen mechanischen Eigenschaften, etwa akzeptabler Festigkeit, in Einklang zu bringen.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, einen mag- netisierbaren metallischen Formkörper sowie ein Verfahren zum Herstellen eines solchen zu schaffen, womit einerseits energetisch nachteilige Wirbelströme wirksam unterdrückt bzw. minimiert werden können, andererseits nach wie vor günstige magnetische Eigenschaften, insbesondere hohe magnetische (Sättigungs-) Flussdichte und niedrige Koerzitiv- feldstärke, gewährleistet werden können, wobei ein solcher Formkörper auch verbesserte mechanische Eigenschaften (etwa gegenüber bekannten Pulver- bzw. Sinterwerkstoffen) aufweisen soll. Ferner sind geeignete Verwendungen für ein derartiges Verfahren bzw. dadurch realisierte Formkörper zu schaffen .
Die Aufgabe wird durch das Verfahren mit den Merkmalen des Hauptanspruchs, den durch das Verfahren hergestellten Formkörper sowie Verwendungen des Formkörpers gelöst; vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen beschrieben.
Der Erfindung liegt zunächst die Erkenntnis zugrunde, dass dann, wenn Wirbelströme bereits im Mikrobereich (d. h. im Bereich der Korn- bzw. Partikelgröße des pulverförmigen ferromagnetischen Ausgangsmaterials) begrenzt werden, günstige magnetische Eigenschaften des resultierenden Formkörpers erreicht werden. Dementsprechend ermöglicht es das erfindungsgemäße Verfahren, durch ein Vorverdichten in Form des Schrittes des erstes Verdichtens des Ausgangsmaterials bereits einen (mechanisch stabilen) Körper durch den Formbzw. Stoffschluss (etwa in Form von Brücken) zwischen den benachbarten Partikeln zu schaffen, wobei im nachfolgenden Schritt des Erzeugens der elektrisch isolierenden Oberflä- chenbeschichtung auf den Partikeln erfindungsgemäß die Hohlräume (weiterbildungsgemäß durch das Einleiten eines entsprechend reaktiven Gases) genutzt werden, um diejenigen Oberflächenabschnitte der Partikel, die außerhalb der Verbindungsabschnitte (Brücken) zu einem jeweils benachbarten Partikel liegen, mit einer (relativ zur Partikelgröße) sehr dünnen partiellen Beschichtung zu versehen. Das anschließende zweite Verdichten führt dann dazu, dass die Hohlräume beseitigt oder stark verkleinert werden, sodass im Ergebnis eine stark komprimierte Partikelstruktur mit Schichtab- schnitten der isolierten (Oberflächen-) Beschichtung vorliegt, die -- in Mikrogröße und im Körper verteilt -- den erfindungsgemäß beabsichtigten Effekt der Wirbelstrombarrieren im Mikrobereich bewirken. Mit anderen Worten, die Erfindung ermöglicht das Erzeugen eines magnetisierbaren metallischen Werkstoffs als Formkörper, in welchen (dreidimensional) elektrisch nicht leitende, dünne (in der Schichtdicke üblicherweise lediglich im Nanometerbereich liegende) Schichtabschnitte verteilt vorliegen, welche als wirksame Wirbelstrombarrieren dienen.
Der so erzeugte Formkörper besitzt dann nicht nur die erwünschte hohe magnetische Leistungsdichte (welche potenziell an Reineisenmaterial heranreicht) , auch werden die Wirbelstromverluste durch Wirkung der dreidimensional im Korper verteilten Schichtabschnitte signifikant reduziert. Damit entsteht dann etwa die Möglichkeit, mit verbessertem energetischen Wirkungsgrad (ressourcenschonend) elektromag- netische Einheiten, z. B. Aktoren, zu gestalten, wobei die realisierte hohe Flussdichte bei kleiner Erregung kompakte Vorrichtungen ermöglicht, die entsprechend Bauraum einsparen und andere Vorteile bringen.
Ein weiterer Vorteil der Erfindung liegt zudem darin, dass ein erfindungsgemaß realisierter Formkorper herausragende mechanische Eigenschaften aufweist, insbesondere im Hinblick auf Stabilität, Zug- und Bruchfestigkeit, vor allem gegenüber traditionell bekannten Werkstoffen und Werkstoff- anordnungen zur Minimierung von Wirbelstromverlusten. So scheint es etwa ohne weiteres realisierbar, dass gemäß der vorliegenden Erfindung elektromagnetische Eigenschaften eines erfindungsgemaß realisierten Formkorpers erreicht werden, welche die einem typischen Referenzmaterial wie etwa FeSi3 entsprechen, jedoch in mechanischer Hinsicht diesem Material gegenüber signifikant verbesserte Eigenschaften aufweisen. Dies erscheint etwa vor dem Hintergrund plausibel, dass m vorteilhafter Realisierung der Erfindung die erfindungsgemaße Erzeugung der isolierenden Oberflachenbe- Schichtung erfolgt, nachdem im ersten Schritt des Verdich- tens des Ausgangsmaterials zueinander benachbarte Partikel über Bruckenbildung od.dgl. miteinander verbunden wurden und dementsprechend eine gunstige Grundfestigkeit des Korpers bewirken.
In erfindungsgemaß gunstiger Weise ist in der praktischen Durchfuhrung das reaktive Gas, welches in die Hohlräume (in der Art eines zusammenhangenden Porenraums) nach dem ersten Verdichtungsschritt eingebracht wird, ein ein Oxidieren oder Nitrieren der Partikeloberflachen außerhalb der Verbindungsabschnitte (Brücken) bewirkendes Gas, wobei ein solches Gas auch ein kohlenstoff-, Stickstoff-, sauerstoff- , schwefel- und/oder bor-haltiges Gas sein kann. Auch liegt es im Rahmen der Erfindung, ein solches Gas nicht gesondert zuzuführen, sondern als reaktives Gas dasjenige zu benutzen, welches (residual) bereits im pulverformigen Ausgangsmaterial vorliegt und/oder wahrend des ersten Verdichtungs- Vorgangs entsteht bzw. gebildet wird, wobei in diesem Fall der Schritt des Erzeugens der elektrisch isolierenden Ober- flachenbeschichtung mit dem ersten Verdichten erfolgt.
Wahrend zudem im Rahmen bevorzugter Ausfuhrungsformen der Erfindung beim Schritt des ersten Verdichtens ein (bevorzugt isostatisches und/oder kaltes hydrostatisches) Pressen mit dem ersten Pressdruck von mehr als 300 bar, typischerweise von 1000 bar oder mehr, erfolgt, ist das zweite Verdichten nach dem Erzeugen der isolierenden Oberflachenbe- Schichtung ein typischerweise durch heißes hydrostatisches Pressen mit einem signifikant höheren Pressdruck von bis zu ca. 4000 bar durchgeführter Prozess. Dieser Pressdruck bei einer typischen Temperatur oberhalb 10000C fuhrt zu einem Fließen des Materials, mit dem Ergebnis, dass sich (bei ei- nem signifikanten Reduzieren der Poren bzw. gar deren Verschwinden) die Schichtabschnitte der isolierenden Oberfla- chenbeschichtung (die jeweils, bei einer Dicke im typischen Nanometerbereich eine Langenerstreckung entsprechend ungefähr der Ausgangsmaterial-Korngroßen besitzen) im resultie- renden Formkorper verteilt vorliegen und die beabsichtigte wirbelstromhemmende Wirkung auf Mikroebene ermöglichen. Weiterbildungsgemäß ist es von der Erfindung umfasst, den metallischen Formkörper nach dem zweiten Verdichten einem mechanischen Umformschritt und/oder einer spanenden Nachbehandlung zu unterziehen, um in soweit den Formkörper für den beabsichtigten Einsatzzweck auszuformen. Geeignet kann zudem ein Umformschritt wie Walzen, Ziehen oder dergleichen dafür sorgen, dass eine Isotropie der im Formkörper verteilten Schichtabschnitte gezielt verändert werden kann.
Während es einerseits von der Erfindung umfasst ist, als ferromagnetisches Ausgangsmaterial unbeschichtete ferromag- netische Partikel, etwa Reineisenpartikel, zu verwenden, sieht eine alternative Ausführungsform der Erfindung vor, dass dem erfinderischen Prozess in Pulverform vorliegende Partikel zugeführt werden, welche selbst als beschichtete Partikel, z. B. Eisenpartikel, mit (anderer) Metallbe- schichtung oder Halbleiterbeschichtung, vorliegen (z. B. durch vorgelagerte Plasmabeschichtung) . Damit lässt sich dann einerseits das mechanische Verbindungsverhalten (z. B. die Qualität der Sinterbrücken) nach dem Schritt des ersten Verdichtens beeinflussen, andererseits ermöglicht eine derartige Vorbeschichtung der Partikel, durch gezielte Ausbildung des in den Porenraum einzubringenden reaktiven Gases günstige isolierende Oberflächen herzustellen (z. B. eine Aluminiumoxid-Oberflächenbeschichtung durch Oxidation eines mit Aluminium vorbeschichteten Eisenpartikels mit Hilfe des Beschichtungsschrittes) .
Der auf die beschriebene Weise erfindungsgemäß erzeugte Formkörper ist prinzipiell einer großen Anzahl von magneti¬ schen Anwendungen zugänglich, wobei die vorbeschriebenen Vorteile im Hinblick auf Wirkungsgrad, magnetisches Verhal¬ ten, mechanische Kompaktheit und Stabilität jeweils geeig- net instrumentalisiert werden können - so erstreckt sich die potenzielle Einsatzbreite der vorliegenden Erfindung von magnetischen Aktoren oder Antriebsvorrichtungen (wie etwa elektromagnetischen Stellgliedern und Elektromotoren) über den Einsatz in Transformatoren und anderen Gebieten der Leistungselektronik bis hin zu elektromagnetischen Lagern und Aufgaben der Hochfrequenztechnik.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausfuhrungsbeispiele sowie anhand der Zeichnungen; diese zeigen in
Figur 1: Ein Flussablaufdiagramm mit Prozessschritten Sl bis S7 zum Durchfuhren des erfindungsgemaßen Verfahrens gemäß einer ersten Ausfuhrungsform und
Figur 2: Eine Ansicht mit einer Mehrzahl von schematischen Illustrationen, welche entlang der Schritte Sl bis S6 von Figur 1 die prozessgemaß veränderte Formgebung des Formkorpers bzw. der Partikel des Ausgangsmaterials illustrieren.
Gemäß einem ersten Prozessschritt wird pulverformiges Eisen-Rohmaterial einer typischen durchschnittlichen Korngroße im Bereich von ca. lOμm bis 500μm bereitgestellt; die Bezugszeichen 10 verdeutlichen zum Prozessschritt Sl das Vorliegen derartiger Pulverpartikel im unbeschichteten Zustand. Typische, handelsübliche Pulvermaterialien im Hinblick auf eine vergleichsweise kleine Korngroße sind z.B. Reineisenpulver (Fe2) mit Korngroße < 30μm, D50 (mittlere Korngroße) 9μm bis llμm des Herstellers ThyssenKrupp Metal- lurgie, im Fall einer größeren Korngroße sei exemplarisch auf das Produkt Ampersint (verduste Fe-Basis Pulver der Firma HC Starck GmbH) verwiesen, hier betragt die Korngroße Fe zu mindestens 99,5 (Gew-)% kleiner 350 μm. Alternative Fe-Basispulver dieses Herstellers sind FeSi3 oder FeSiβ mit entsprechender Korngroße.
Prozessschritt S2 als fakultativer Prozessschritt sieht die Möglichkeit vor, dass vor einem nachfolgenden ersten Ver- dichten (Schritt S3) die Pulverpartikel des Rohmaterials, etwa mittels Plasmabeschichten oder dergleichen mit einer Metallisierung oder Halbleiterbeschichtung versehen werden. Diese im Schritt S2 fakultativ aufzubringende Schicht ist dünn gegenüber dem betreffenden Partikeldurchmesser und liegt typischerweise im Bereich zwischen 5 und 50nm.
Im nachfolgenden Prozessschritt S3 findet ein erstes Vorverdichten des (beschichteten oder unbeschichteten) Rohma- terials statt, typisch ist ein kaltes hydrostatisches Pressen mit einem Pressdruck von ca. 1000 bar. Es entsteht das in der Figur 2 (bei unbeschichtetem Rohmaterial) illustrierte Bild eines vorverdichteten Körpers, bei welchem mittels Sinterbrücken die Partikel 10 mechanisch fest aneinan- der haften.
Im nachfolgenden Prozessschritt S4 wird ein oxidierendes Gas, im vorliegenden Fall Sauerstoff, bei einem Druck von 0,01 bar und einer Temperatur von 3500C so in den Formkör- per eingebracht, dass dieses Gas in die Hohlräume 14 eintritt und entsprechend die Partikel 10 mit einer (elektrisch isolierenden) dünnen Oxidschicht 14 in all jenen Um- fangsbereichen versieht, die keine Verbindungsabschnitte mit einem jeweils benachbarten Partikel sind. Eine typische resultierende Beschichtungsdicke auf den Partikeln nach dem Gasbehandlungsschritt S4 (Dauer im beschriebenen Beispiel 30 min) liegt bei ca. 10 Nanometern. Beispielsweise durch Veränderung von Druck oder Temperatur oder Einwirkzeit lässt sich diese Schichtdicke beeinflussen.
Ein nachfolgender zweiter Verdichtungsschritt S5 (sogenanntes Konsolidieren) wird typischerweise als Verpressen bei hoher Temperatur, insbesondere mittels heißen hydrostati- sehen Pressens durchgeführt; typische Prozessparameter sind ein Pressdruck von bis zu ca. 4000 bar bei 12000C Temperatur. Dies fuhrt dazu, dass — vergleiche die Illustration in Figur 2 zu S5 -- die Poren (Zwischenräume) 12 verschwin- den bzw. sich deutlich verkleinern, sodass im endverdichteten Material am Ende des Prozessschritts S5 im Wesentlichen nur noch Oxidschichtabschnitte 14 verteilt im Material verbleiben, welche den ursprunglichen Beschichtungsab- schnitten auf den Umfangsflachen der Partikel bzw. kompri- mierten Poren entsprechen. Diese sehr flachen Oxidschicht- Abschnitte weisen damit typische Langen im Bereich von ca. 10 Dis 150 % der ursprunglichen Korngroße der Partikel auf und sind gegenüber dieser Dimension sehr dünn, nämlich wiederum im Nanometer-Bereich (üblicherweise 5 bis ca. 30 Na- nometer) .
Durch ihre Verteilung im endverdichteten Material wirken diese Oxidschichtabschnitte als erfindungsgemaß wirksame Wirbelstromhemmnisse im Mikrobereich, gleichzeitig ermog- licht das so realisierte endverdichtete Material (welches im gezeigten Ausfuhrungsbeispiel in einem nachfolgenden Schritt S6 durch Walzen noch eine Umformung in eine beabsichtigte Endform sowie im nachfolgenden Schritt S7 noch eine spanende Nachbehandlung erfahrt) sehr gunstige magne- tische Eigenschaften im Hinblick auf hohe Sattigungsfluss- dichte und niedrige Koerzitivfeidstarke, wobei selbst am Maßstab eines bekannten Automatenstahls (z. B. 1.0715), welcher häufig für Gleichstromanwendungen herangezogen wird, gunstiges Verhalten realisiert wird. Ein so herge- stelltes Material ist ferner einem typischen Referenzmaterial für Wechselstromanwendungen (etwa FeSi3) deutlich überlegen .

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zum Herstellen eines magnetisierbaren metal- lischen Formkörpers aus einem pulverförmig und in Partikelform vorliegenden ferromagnetischen Ausgangsmaterial (10), mit den Schritten:
- erstes Verdichten des Ausgangsmaterials (S3), sodass benachbarte Partikel durch Form- und/oder Stoff- Schluss abschnittsweise an ihrer Umfangsflache und unter Ausbildung von Hohlräumen (12) miteinander verbunden werden,
Erzeugen einer elektrisch isolierenden Oberflächen- beschichtung (14) auf den Umfangsflachen der Parti- kel in Bereichen außerhalb der Verbindungsabschnitte (S4) und
- zweites Verdichten der mit der Oberflächenbeschich- tung versehenen Partikel (S5) , sodass die Hohlräume verkleinert oder beseitigt werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Erzeugen der elektrisch isolierenden Oberflächenbe- schichtung (S4) durch Einbringen eines durch Reaktion mit den Umfangflächen die Oberflächenbeschichtung er- zeugenden Gases in die Hohlräume erfolgt.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Erzeugen der elektrisch isolierenden Oberflächenbeschichtung durch ein Gas erfolgt, welches beim Schritt des ersten Verdichtens des Ausgangsmaterials bereits im oder mit dem Ausgangsmaterial vorhanden ist oder beim ersten Verdichten entsteht.
4. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Gas ein kohlenstoff-, Stickstoff-, sauer- stoff-, schwefel- und/oder bor-haltiges Gas ist und/oder eine chemische Reaktion so bewirkt, dass die Umfangsflache außerhalb der Verbindungsabschnitte die elektrisch isolierende Oberflächenbeschichtung erfährt.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrisch isolierende Oberflä- chenbeschichtung eine Schichtdicke im Bereich zwischen 2nm und 50nm aufweist.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Verdichten (S3) das Pres- sen des Ausgangsmaterials mit einem ersten Pressdruck von mehr als 50 bar, bevorzugt von mehr als 300 bar, weiter bevorzugt von mehr als 1.000 bar, aufweist.
7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Verdichten durch kaltes hydrostatisches oder isostatisches Pressen erfolgt.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Verdichten durch Sintern und/oder Vorsintern eines durch Rütteln verdichteten Pulvers als ferromagnetischem Ausgangsmaterial erfolgt.
9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Sintern oder Vorsintern durch thermische Behandlung und ohne ein Pressen erfolgt.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Verdichten (S5) ein Pres- sen der durch das erste Verdichten verdichteten und mit der elektrisch isolierenden Oberflachenbeschichtung versehenen Partikel mit einem zweiten Pressdruck aufweist, der hoher als der erste Pressdruck ist, insbe- sondere um mindestens 10 % hoher, bevorzugt um mindestens 200 % hoher.
11. Verfahren nach einem der Ansprüche 6, 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass das erste und/oder zweite Verdich- ten durch heißes hydrostatisches oder isostatisches Pressen erfolgt.
12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass das heiße hydrostatische oder isostatische Pressen beim zweiten Verdichten (S5)bei einer Temperatur und einem Pressdruck erfolgt, die ein Fließen der Partikel und/oder von Schichtabschnitten der isolierenden Ober- flachenbeschichtung bewirken.
13. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12, gekennzeichnet durch den Schritt des Umformens (S6) , insbesondere Walzens oder Tiefziehens, des Formkorpers nach dem zweiten Verdichten.
14. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Umformen ein Verandern und/oder Beseitigen einer Isotropie von im Formkorper nach dem zweiten Verdichten vorliegenden Schichtabschnitten der isolierenden Oberflachenbeschichtung bewirkt.
15. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass das ferromagnetische Ausgangsmaterial unbeschichtete Eisenpartikel aufweist.
16. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass das ferromagnetische Ausgangsmaterial mit einem Metall- oder Halbleitermaterial be- schichtete Eisenpartikel aufweist.
17. Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung der Eisenpartikel im Ausgangsmaterial eine Dicke von < 1000 nm, bevorzugt < 100 nm, weiter bevorzugt < lOnm, aufweist.
18. Verfahren nach einem der Ansprüche 15 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass eine mittlere Korngröße der als Pulver vorliegenden Partikel des ferromagnetischen Aus- gangsmaterials im Bereich zwischen 5 μm und 1000 μm liegt .
19. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass der metallische Formkörper zur Herstellung magnetisierbarer Bauteile von elektromagnetischen Aktor- und/oder Antriebsvorrichtungen, insbesondere eines elektromagnetischen Stellgliedes oder eines Elektromotors, einer magnetischen Lagerung oder eines Transformators verwendet wird.
20. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass der Formkörper zur Herstellung eines Hochfrequenz-Bauelementes oder einer Hochfrequenz- Baugruppe verwendet wird.
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