EP2289082B1 - Verfahren zum herstellen eines magnetisierbaren metallischen formkörpers - Google Patents

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EP2289082B1
EP2289082B1 EP09741823.0A EP09741823A EP2289082B1 EP 2289082 B1 EP2289082 B1 EP 2289082B1 EP 09741823 A EP09741823 A EP 09741823A EP 2289082 B1 EP2289082 B1 EP 2289082B1
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EP
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compression
surface coating
particles
raw material
insulating surface
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Paul Gümpel
Stefan GLÄSER
Beat Hofer
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Kennametal Europe GmbH
ETO Magnetic GmbH
Original Assignee
Kennametal Europe GmbH
ETO Magnetic GmbH
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    • B22F—WORKING METALLIC POWDER; MANUFACTURE OF ARTICLES FROM METALLIC POWDER; MAKING METALLIC POWDER; APPARATUS OR DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR METALLIC POWDER
    • 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 with low excitation and low coercive force, with pure iron (or materials 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, especially in high-frequency applications, to increase the specific electrical resistance powder composite materials from 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 shaped article produced in this way has poor mechanical properties, for example in the form of mechanical strength.
  • powder composite materials shows the US 5,993,729 with metal oxide compounds between particles.
  • Object of the present invention is therefore to provide a magnetizable metallic molded body and a method for producing such, on the one hand energetically 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, 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.
  • the method according to the invention makes it possible, by precompression in the form of the step of first compressing the starting material, to create a (mechanically stable) body through the material bond in the form of bridges between the adjacent particles, wherein in the subsequent step of producing the electrically insulating surface coating on the particles according to the invention, the cavities (further education by the introduction of a corresponding reactive gas) are used to those surface portions of the particles that are outside the connecting portions (bridges) to a respective adjacent particles, with a (relative to the particle size) very thin partial coating to provide.
  • the subsequent second compaction then leads to the cavities being eliminated or greatly reduced, so that the result is a highly compressed particle structure with layer sections of the isolated (surface) coating which - distributed in micro size and in the body - the effect intended according to the invention cause 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 creates about the possibility, with improved energy efficiency (resource-saving) 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 may be achieved that correspond to a typical reference material such as FeSi3, but have significantly improved mechanical properties with respect to this material. This seems plausible against the background, for example, that in an advantageous embodiment of the invention, the production of the insulating surface coating according to the invention takes place after the adjacent particles in the first step of compacting the starting material via bridge formation or the like. have been joined together and accordingly cause a favorable basic strength of the body.
  • a oxidizing or nitriding 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 not to supply such a gas separately, but to use as a reactive gas that (residual) is already present in the powdery starting material and / or formed or formed during the first compression process, in which case the Step of generating the electrically insulating surface coating is carried out with the first compression.
  • a (preferably isostatic and / or cold hydrostatic) pressing with the first pressing pressure of more than 300 bar, typically 1000 bar or more is the second compaction after the production the insulating surface coating a process typically carried out by hot hydrostatic pressing with a significantly higher compression pressure of up to about 4000 bar.
  • the layer portions of the insulating surface coating (each, with a thickness in the typical Nanometer range have a longitudinal extent corresponding to approximately the starting material particle sizes) in the resulting shaped body distributed and allow the intended vortex current inhibiting effect at the micro level.
  • a forming step such as rolling, drawing or the like can suitably ensure that an isotropy of the layer sections distributed in the shaped body can be specifically changed.
  • the shaped body produced according to the invention in the described manner is in principle accessible to a large number of magnetic applications, the advantages described above being suitable with regard to efficiency, magnetic behavior, mechanical compactness and stability
  • the potential range of application of the present invention extends from magnetic actuators or drive devices (such as electromagnetic actuators and electric motors) to use in transformers and other areas of power electronics, to electromagnetic bearings and high frequency engineering tasks.
  • 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 S1, 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 11 ⁇ m manufacturer ThyssenKrupp metallurgy, in the case of a larger grain size is exemplified in the product Ampersint (atomized Fe-base powder from HC Starck GmbH), here is the Grain size Fe to at least 99.5 (wt)% less than 350 microns.
  • Alternative Fe base powders of this manufacturer are FeSi3 or FeSi6 with corresponding grain size.
  • Process step S2 as an optional process step provides the possibility that prior to a subsequent first compaction (Step S3), the powder particles of the raw material, such as by plasma coating 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.
  • step S3 a first precompression of the (coated or uncoated) raw material takes place, typical is a cold hydrostatic pressing with a compression pressure of about 1000 bar. It arises in the FIG. 2 (with uncoated raw material) illustrated image of a precompressed body, in which by means of sintered bridges, the particles 10 mechanically firmly adhere to each other.
  • an oxidizing gas in the present case oxygen, at a pressure of 0.01 bar and a temperature of 350 ° C is introduced into the molding such that this gas enters the cavities 14 and correspondingly the particles 10 with a (electrically insulating) thin oxide layer 14 provides in all those peripheral areas, which are not connecting portions with a respective adjacent particles.
  • 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 densification step S5 is typically performed as high temperature compression, in particular by means of hot hydrostatic Pressing performed; typical process parameters are a pressure of up to 4000 bar at 1200 ° C temperature.
  • typical process parameters are a pressure of up to 4000 bar at 1200 ° C temperature.
  • These very shallow oxide layer sections thus have typical lengths in the range of about 10 to 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).
  • the final compacted material (which in the exemplary embodiment shown in a subsequent step S6 by rolling still allows a transformation into an intended final shape and also a subsequent cutting step in step S7 Post-treatment) has very favorable magnetic properties in terms of high saturation flux density and low coercive force, and even at the scale of a known free-cutting steel (eg, 1.0715), which is often used for DC applications, favorable behavior is realized.
  • a material thus produced is also significantly superior to a typical reference material for AC applications (such as FeSi3).

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Description

  • 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 Koerzitivfeldstärke 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 magnetische 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 Aufmagnetisieren 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, sodass 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 Formkörper mangelhafte mechanische Eigenschaften, etwa in Form der mechanischen Festigkeit, auf.
  • Ein Beispiel derartiger Pulververbundwerkstoffe zeigt die US 5,993,729 mit Metalloxidverbindungen zwischen Partikeln.
  • 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 Hinblick 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 magnetisierbaren 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 Koerzitivfeldstärke, 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 Stoffschluss in Form von Brücken zwischen den benachbarten Partikeln zu schaffen, wobei im nachfolgenden Schritt des Erzeugens der elektrisch isolierenden Oberflächenbeschichtung 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 Schichtabschnitten 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 Körper verteilten Schichtabschnitte signifikant reduziert. Damit entsteht dann etwa die Möglichkeit, mit verbessertem energetischen Wirkungsgrad (ressourcenschonend) elektromagnetische 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 erfindungsgemäß realisierter Formkörper herausragende mechanische Eigenschaften aufweist, insbesondere im Hinblick auf Stabilität, Zug- und Bruchfestigkeit, vor allem gegenüber traditionell bekannten Werkstoffen und Werkstoffanordnungen zur Minimierung von Wirbelstromverlusten. So scheint es etwa ohne weiteres realisierbar, dass gemäß der vorliegenden Erfindung elektromagnetische Eigenschaften eines erfindungsgemäß realisierten Formkörpers 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 in vorteilhafter Realisierung der Erfindung die erfindungsgemäße Erzeugung der isolierenden Oberflächenbeschichtung erfolgt, nachdem im ersten Schritt des Verdichtens des Ausgangsmaterials zueinander benachbarte Partikel über Brückenbildung od.dgl. miteinander verbunden wurden und dementsprechend eine günstige Grundfestigkeit des Körpers bewirken.
  • In erfindungsgemäß günstiger Weise ist in der praktischen Durchführung das reaktive Gas, welches in die Hohlräume (in der Art eines zusammenhängenden Porenraums) nach dem ersten Verdichtungsschritt eingebracht wird, ein ein Oxidieren oder Nitrieren der Partikeloberflächen 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 pulverförmigen Ausgangsmaterial vorliegt und/oder während des ersten Verdichtungsvorgangs entsteht bzw. gebildet wird, wobei in diesem Fall der Schritt des Erzeugens der elektrisch isolierenden Oberflächenbeschichtung mit dem ersten Verdichten erfolgt.
  • Während zudem im Rahmen bevorzugter Ausführungsformen 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 Oberflächenbeschichtung 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 1000°C führt zu einem Fließen des Materials, mit dem Ergebnis, dass sich (bei einem signifikanten Reduzieren der Poren bzw. gar deren Verschwinden) die Schichtabschnitte der isolierenden Oberflächenbeschichtung (die jeweils, bei einer Dicke im typischen Nanometerbereich eine Längenerstreckung entsprechend ungefähr der Ausgangsmaterial-Korngrößen besitzen) im resultierenden Formkörper 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 ferromagnetische 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) Metallbeschichtung 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 magnetischen Anwendungen zugänglich, wobei die vorbeschriebenen Vorteile im Hinblick auf Wirkungsgrad, magnetisches Verhalten, mechanische Kompaktheit und Stabilität jeweils geeignet 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 Ausführungsbeispiele sowie anhand der Zeichnungen; diese zeigen in
    • Figur 1:
    Ein Flussablaufdiagramm mit Prozessschritten S1 bis S7 zum Durchführen des erfindungsgemäßen Verfahrens gemäß einer ersten Ausführungsform und
    Figur 2:
    Eine Ansicht mit einer Mehrzahl von schematischen Illustrationen, welche entlang der Schritte S1 bis S6 von Figur 1 die prozessgemäß veränderte Formgebung des Formkörpers bzw. der Partikel des Ausgangsmaterials illustrieren.
  • Gemäß einem ersten Prozessschritt wird pulverförmiges Eisen-Rohmaterial einer typischen durchschnittlichen Korngröße im Bereich von ca. 10µm bis 500µm bereitgestellt; die Bezugszeichen 10 verdeutlichen zum Prozessschritt S1 das Vorliegen derartiger Pulverpartikel im unbeschichteten Zustand. Typische, handelsübliche Pulvermaterialien im Hinblick auf eine vergleichsweise kleine Korngröße sind z.B. Reineisenpulver (Fe2) mit Korngröße < 30µm, D50 (mittlere Korngröße) 9µm bis 11µm des Herstellers ThyssenKrupp Metallurgie, im Fall einer größeren Korngröße sei exemplarisch auf das Produkt Ampersint (verdüste Fe-Basis Pulver der Firma HC Starck GmbH) verwiesen, hier beträgt die Korngröße Fe zu mindestens 99,5 (Gew-)% kleiner 350 µm. Alternative Fe-Basispulver dieses Herstellers sind FeSi3 oder FeSi6 mit entsprechender Korngröße.
  • Prozessschritt S2 als fakultativer Prozessschritt sieht die Möglichkeit vor, dass vor einem nachfolgenden ersten Verdichten (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) Rohmaterials 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 aneinander haften.
  • Im nachfolgenden Prozessschritt S4 wird ein oxidierendes Gas, im vorliegenden Fall Sauerstoff, bei einem Druck von 0,01 bar und einer Temperatur von 350°C so in den Formkörper eingebracht, dass dieses Gas in die Hohlräume 14 eintritt und entsprechend die Partikel 10 mit einer (elektrisch isolierenden) dünnen Oxidschicht 14 in all jenen Umfangsbereichen 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 hydrostatischen Pressens durchgeführt; typische Prozessparameter sind ein Pressdruck von bis zu ca. 4000 bar bei 1200°C Temperatur. Dies führt dazu, dass -- vergleiche die Illustration in Figur 2 zu S5 -- die Poren (Zwischenräume) 12 verschwinden 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 ursprünglichen Beschichtungsabschnitten auf den Umfangsflächen der Partikel bzw. komprimierten Poren entsprechen. Diese sehr flachen OxidschichtAbschnitte weisen damit typische Längen im Bereich von ca. 10 bis 150 % der ursprünglichen Korngröße der Partikel auf und sind gegenüber dieser Dimension sehr dünn, nämlich wiederum im Nanometer-Bereich (üblicherweise 5 bis ca. 30 Nanometer).
  • Durch ihre Verteilung im endverdichteten Material wirken diese Oxidschichtabschnitte als erfindungsgemäß wirksame Wirbelstromhemmnisse im Mikrobereich, gleichzeitig ermöglicht das so realisierte endverdichtete Material (welches im gezeigten Ausführungsbeispiel in einem nachfolgenden Schritt S6 durch Walzen noch eine Umformung in eine beabsichtigte Endform sowie im nachfolgenden Schritt S7 noch eine spanende Nachbehandlung erfährt) sehr günstige magnetische Eigenschaften im Hinblick auf hohe Sättigungsflussdichte und niedrige Koerzitivfeldstärke, wobei selbst am Maßstab eines bekannten Automatenstahls (z. B. 1.0715), welcher häufig für Gleichstromanwendungen herangezogen wird, günstiges Verhalten realisiert wird. Ein so hergestelltes Material ist ferner einem typischen Referenzmaterial für Wechselstromanwendungen (etwa FeSi3) deutlich überlegen.

Claims (15)

  1. Verfahren zum Herstellen eines magnetisierbaren metallischen Formkörpers aus einem pulverförmig und in Partikelform vorliegenden ferromagnetischen Ausgangsmaterial (10), mit den Schritten:
    - Vorverdichten als erstes Verdichten des Ausgangsmaterials (S3), sodass benachbarte Partikel durch Stoffschluss abschnittsweise an ihrer Umfangsfläche mittels Sinterbrücken und unter Ausbildung von Hohlräumen (12) miteinander verbunden werden,
    - Erzeugen einer elektrisch isolierenden Oberflächenbeschichtung (14) 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.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Erzeugen der elektrisch isolierenden Oberflächenbeschichtung (S4) durch Einbringen eines durch Reaktion mit den Umfangflächen die Oberflächenbeschichtung erzeugenden 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-, sauerstoff-, schwefel- und/oder bor-haltiges Gas ist und/oder eine chemische Reaktion so bewirkt, dass die Umfangsfläche außerhalb der Verbindungsabschnitte die elektrisch isolierende Oberflächenbeschichtung erfährt.
  5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrisch isolierende Oberflechenbeschichtung eine Schichtdicke im Bereich zwischen 2nm und 50nm aufweist.
  6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Verdichten durch Sintern und/oder Vorsintern eines durch Rütteln verdichteten Pulvers als ferromagnetischem Ausgangsmaterial erfolgt.
  7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Sintern oder Vorsintern durch thermische Behandlung und ohne ein Pressen erfolgt.
  8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Verdichten (S5) ein Pressen der durch das erste Verdichten verdichteten und mit der elektrisch isolierenden Oberflächenbeschichtung versehenen Partikel mit einem zweiten Pressdruck aufweist, der höher als der erste Pressdruck ist, insbesondere um mindestens 10 % höher, bevorzugt um mindestens 200 % höher, wobei der erste Pressdruck der Druck ist, mit dem das Ausgangsmaterial während des ersten Verdichtens (53) gepresst wird.
  9. Verfahren nach einem der Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das erste und/oder zweite Verdichten durch heißes hydrostatisches oder isostatisches Pressen erfolgt.
  10. Verfahren nach Anspruch 9, 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 Oberflächenbeschichtung bewirken.
  11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass ein Umformen des Formkörpers nach dem zweiten Verdichten ein Verändern und/oder Beseitigen einer Isotropie von im Formkörper nach dem zweiten Verdichten vorliegenden Schichtabschnitten der isolierenden Oberflächenbeschichtung bewirkt.
  12. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass das ferromagnetische Ausgangsmaterial mit einem Metall- oder Halbleitermaterial beschichtete Eisenpartikel aufweist, wobei bevorzugt die Beschichtung der Eisenpartikel im Ausgangsmaterial eine Dicke von < 1000 nm, bevorzugt < 100 nm, weiter bevorzugt < 10nm, aufweist.
  13. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass eine mittlere Korngröße der als Pulver vorliegenden Partikel des ferromagnetischen Ausgangsmaterials im Bereich zwischen 5 µm und 1000 µm liegt.
  14. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 13, 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.
  15. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass der Formkörper zur Herstellung eines Hochfrequenz-Bauelementes oder einer Hochfrequenz-Baugruppe verwendet wird.
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