CH358518A - Verfahren zur Herstellung eines weichmagnetischen Sinterkörpers - Google Patents
Verfahren zur Herstellung eines weichmagnetischen SinterkörpersInfo
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Description
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Verfahren zur Herstellung eines weichmagnetischen Sinterkörpers In zahlreichen Anwendungsgebieten der Elektrotechnik werden magnetische Werkstoffe benötigt, die möglichst kleine Hysterese-, Wirbelstrom- und Nachwirkungsverluste aufweisen sollen. So werden z.B. bei den Massekernen für die Verwendung in der Fernmelde- und Hochfrequenztechnik verschiedenartige, elektrisch isolierende Zusätze zur Herabsetzung der WirbelstromverIuste verwendet, wobei die Kerne aus den Mischungen durch Formpressen ohne Sinterbehandlung hergestellt werden. Im allgemeinen haben diese Zusätze eine zum Teil erhebliche Herabsetzung der Permeabilität des Werkstoffes zur Folge.
Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zur Herstellung eines weichmagnetischen Sinterkörpers mit hoher Permeabilität und kleinen Wirbelstromverlusten unter Verwendung eines weichmagnetischen Metallpulvers hoher Permeabilität mit einem Isolierstoffzusatz. Dieser Sinterkörper kann neben kleinen Wirbelstromverlusten im Vergleich zu den bisher bekanntgewordenen Massekernen eine höhere Permeabilität aufweisen. Unter einem weichmagnetischen Sinterkörper wird hier ein für die technische Verwendung fertiggeformtes elektromagnetisches Bauelement verstanden.
Es wird unter hoher Permeabilität verstanden, dass diese mindestens 1000 beträgt, und unter kleinen Wirbelstromverlusten , dass diese unterhalb 10 Watt/kg liegen. Das Verfahren gemäss der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass ein Isolierstoffzusatz aus einem Gemisch von mindestens zwei isolierenden Stoffen in kolloidaler Form, die unter den Sinterbedingungen mindestens teilweise miteinander chemisch reagieren, verwendet wird. Die Ausgangsgrösse der Teilchen des kolloidalen Zusatzes ist zweckmässigerweise kleiner als 10-3 mm, vorzugsweise in der Grössenordnung von 10-6 mm. Als IsolierstofFzusatz eignen sich besonders Gemische mit mindestens einer isolierenden Metallverbindung in kol- loidaler Form, z. B.
Gemische aus mindestens zwei Oxyden, die unter den Sinterbedingungen mindestens teilweise miteinander chemisch reagieren. Gut geeignet sind z. B. Gemische aus A1203 und SiO2 oder aus MgO und Si0, Als Metalloxyd kann auch ein Oxyd des verwendeten Metallpulvers benützt werden und z. B. durch Erhitzen des Pulvers in sauerstoff- oder wasser- dampfhaltiger Atmosphäre an der Oberfläche der Pulverkörner gebildet werden. Der Isolierstoffzusatz beträgt zweckmässigerweise 0,5 bis höchstens 10 Gewichtsprozent, bezogen auf das Metallpulver-Isolier- stoffgemisch.
Die nach dem Verfahren gemäss der Erfindung hergestellten Sinterkörper eignen sich auf Grund ihrer hohen Permeabilität und der bei ihnen auftretenden kleinen Wirbelstromverluste insbesondere für die Verwendung als verlustarme Kerne, z. B. als kleine Trafo- kerne, als Ständer oder Läufer kleiner elektrischer Maschinen und dergleichen. Derartige Kerne mussten bisher aus paketierten gestanzten Blechen hergestellt werden.
Der Vorteil des Verfahrens gemäss der vorliegenden Erfindung beruht insbesondere darauf, dass sich an den Übergangsstellen von Korn zu Korn ein hoher elektrischer Übergangswiderstand erreichen lässt, während die Permeabilität dank der nur kolloidalen Dicke einer aus dem Isolierstoffzusatz gebildeten Isolierschicht auf den einzelnen Körnern nur ein e verhältnismässig geringe Einbusse erfährt.
Die gegenseitige chemische Reaktionsfähigkeit der gemäss der Erfindung zu verwendenden Isolierstoffkomponenten, die durch den kolloidalen Zustand noch erheblich vergrössert wird, begünstigt die Ausbildung einer zusammenhängenden kolloidalen Schicht auf der Oberfläche der Metallpulver- teilchen im Verlaufe des Herstellungsverfahrens. Es ist zweckmässig, die .Sinterbedingungen dem Reaktions-
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ablauf zwischen den Isolierstoffkomponenten anzupassen.
Eine weitere Begünstigung dieser Verhältnisse kann durch geeignete Gestalt der Ausgangsteilchen sowie durch deren Verformung im Verlaufe des Herstellungsverfahrens eintreten. Dies wird anhand der Zeichnung erläutert, in der Gestalt und Lage der Teilchen in einem fertigen Sinterkörper schematisch, Schnittebene in Pressrichtung, dargestellt sind.
Die Pressrichtungp wird mit Vorteil so gewählt, dass sie senkrecht zur magnetischen Flussrichtung 0 bei der späteren Verwendung des Sinterkörpers liegt. Durch die Wahl einer günstigen, z. B. plättchenförn-iigen Ausgangsform und die während des Pressverfahrens eintretende Deformierung der Ausgangsteilchen 1 kann erreicht werden, dass die Übergangsflächen in der Richtung des WirbelstromMdes 2 gegenüber den Übergangsflächen in der magnetischen Flussrichtung 3 sehr gross sind.
Die Deformierung wirkt also im Sinne einer Erhöhung des Wirbelstromwiderstandes und einer Verringerung des magnetischen Widerstandes und damit im Sinne einer Erhöhung der Permeabilität. Anderseits wird beim Herstellungsverfahren zweckmässigerweise dafür Sorge getragen, dass bei den verschiedenen Wärme- und Pressbehandlungen die kolloidale Schicht nicht zerstört wird.
Nachfolgend wird das erfindungsgemässe Verfahren anhand eines Beispiel beschrieben.
Ein weichmagnetisches Metallpulver, gegebenenfalls ein Legierungspulver, möglichst mit plättchen- artiger Kornform, z. B. ein Weicheisenpulver mit etwa 0,3 mmmittlerer Korngrösse -plättchenförmigePulver- teilchen können bei einer Dicke bis 50,u eine Länge und Breite bis über 1 mm haben - wird mit Amylacetat, in welchem ein kolloidales Gemisch aus Aluminiumoxyd und Siliziumoxyd suspendiert ist,
in einem Mischer oder in einer Kugelmühle bis zu extrem gleichmässiger Verteilung gemischt. Darauf wird das Amylacetat abgedampft und das erhaltene Gemisch in üblicher Weise in einer Matrize verpresst. Die Suspension ist mit Vorteil so bemessen, dass der nach der Verdampfung der Suspensionsflüssigkeit verbleibende Zusatz aus Aluminium- und Siliziumoxyd etwa zwei Gewichtsprozente bezogen auf die in die Matrize eingesetzte Gesamtpulvermenge beträgt.
Die Bemessung des Isolierstoff zusatzes ist vorzugsweise derart, dass sich bei den weiteren Bearbeitungsverfahren eine zusammenhängende Isolierschicht um die Metallpulverkörnchen ausbilden kann; eine Bemessung über diese Menge hinaus führt zu einer dickeren Isolierschicht auf den Metallpulverkörnchen und damit zu einem unnötigen Permeabilitätsverlust. Die Weiterbearbeitung erfolgt auf die in der Sintertechnik bekannte Weise. Zweckmässigerweise wird der Pressling im Vakuum oder in Wasserstoffatmosphäre bei 900 bis 1100 C vorgesin- tert und darauf bei 600 bis 800 C und bei 2 bis 6 t/cm2 heiss nachverdichtet oder bei 6 bis 8 t/cm2 kalt nachgepresst.
Anschliessend wird der Körper einer Nachsinterung oder Warmbehandlung im Vakuum oder in Wasserstoffatmosphäre, vorzugsweise bei 900 bis 1300 C unterworfen. Die anschliessende Abkühlung erfolgt im allgemeinen langsam. Bei den Warmbehandlungen findet eine mindestens teilweise chemische Reaktion zwischen dem Aluminiumoxyd und dem Silizium- oxyd unter Bildung von Aluminiumsilikat statt.
Bei einem auf diese Weise hergestellten Sinterkörper betrugen die Gesamtverluste, also Hysterese-, Wirbelstrom- und Nachwirkverluste, bei 10C00 Gauss weniger als 10 W/kg. Ohne den kolloidalen Isolierstoff= zusatz belaufen sich bei einem sonst gleichartig hergestellten entsprechenden Sinterkörper die Verluste auf mehr als 150 W/kg. Die Permeabilität liegt bei 1000 und ist somit im Vergleich zu anderen Messkernen, deren Permeabilitätswerte meistens unter 200 liegen, verhältnismässig hoch.
Die oben angegebene Nassmischung von Ausgangspulver und Isolierstoffzusatz weist gegenüber der Trockenmischung erhebliche Vorteile auf, da sie eine wesentlich gleichmässigere Verteilung und besonders gute Haftung des kolloidalen Isolierstoffes an der Oberfläche des Metallpulvers ergibt. Die Flüssigkeit, in welcher die Kolloidale als Sol oder Gel enthalten sind, kann sowohl eine organische Flüssigkeit, wie das oben angegebene Amylacetat oder auch Wasser oder eine anorganische Salzlösung sein.
Es ist weiterhin vorteilhaft, Metallpulver, gegebenenfalls Legierungspulver, zu verwenden, die neben einer hohen Permeabilität einen verhältnismässig hohen spezifischen Widerstand aufweisen, wodurch die Wirbelströme innerhalb der Metallteilchen herabgesetzt werden. Aus diesem Grunde ist es zweckmässig, Metallpulver mit einem Siliziumgehalt zu verwenden, wie es bisher für die Herstellung von magnetischen Sinterwerkstoffen bereits verwendet worden ist.
Bei schwer verpressbarem Eisenpulver mit 4 bis 6% Si-Gehalt wird ausser dem Kolloidzusatz mit Vorteil 20 bis 40% leicht verpressbares Eisenpulver, d. h. ein Eisenpulver, das bei den zur Anwendung gelangenden Pressdrucken plastisch verformbar ist, beigegeben, wodurch das Gemisch gut pressbar wird.
Claims (1)
- PATENTANSPRUCH Verfahren zur Herstellung eines weichmagnetischen Sinterkörpers mit hoher Permeabilität und kleinen Wirbelstromverlusten unter Verwendung eines weichmagnetischen Metallpulvers hoher Permeabilität mit einem Isolierstoffzusatz, dadurch gekennzeichnet, dass ein Isolierstoffzusatz aus einem Gemisch von mindestens zwei isolierenden Stoffen in kolloidaler Form, die unter den Sinterbedingungen mindestens teilweise miteinander chemisch reagieren, verwendet wird. UNTERANSPRÜCHE 1.Verfahren nach Patentanspruch, dadurch gekennzeichnet, dass Isolierstoffteilchen in der Grössenordnung von 10-6 mm verwendet werden. 2. Verfahren nach Patentanspruch, dadurch gekennzeichnet, dass als eine Isolierstoffkomponente eine isolierende Metallverbindung verwendet wird. <Desc/Clms Page number 3> 3. Verfahren nach Unteranspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass als eine Isolierstoffkomponente ein Metalloxyd verwendet wird. 4. Verfahren nach Unteranspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass als Isolierstoffzusatz ein kolloidales Gemisch aus A1203 und Si02 verwendet wird. 5.Verfahren nach Unteranspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass als Isolierstoffzusatz ein kolloidales Gemisch aus MgO und SiO2 verwendet wird. 6. Verfahren nach Unteranspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass als Metalloxyd ein Oxyd des weichmagnetischen Metallpulvers verwendet wird, derart, dass durch Vorbehandlung des Pulvers in sauerstoffhaltiger Atmosphäre an dessen Oberfläche eine Oxydschicht gebildet wird. 7. Verfahren nach Unteranspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorbehandlung des weichmagnetischen Metallpulvers in wasserdampfhaltiger Atmosphäre durchgeführt wird. B.Verfahren nach Patentanspruch, dadurch gekennzeichnet, dass der Isolierstoffzusatz auf 0,5 bis 10 Gewichtsprozent bemessen wird. 9. Verfahren nach Patentanspruch, dadurch gekennzeichnet, dass ein weichmagnetisches Metallpulver verwendet wird, das siliziumhaltig ist. 10. Verfahren nach Unteranspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass als Metallpulver ein silizium- haltiges weichmagnetisches Eisenpulver verwendet und diesem 20 bis 40% leicht verpressbares Eisenpulver beigemischt wird. 11.Verfahren nach Patentanspruch, dadurch gekennzeichnet, dass der Isolierstoffzusatz in einer Suspension mit dem weichmagnetischen Metallpulver vermischt und das Gemisch nach dem Verdampfen der Suspensionsflüssigkeit verpresst wird und dass der Press- körper bei 900 bis 1100 C vorgesintert und bei 600 bis 800 C und 2 bis 6 t/cm' heiss nachverdichtet und anschliessend einer Nachsinterung bei 900 bis 1300 C unterworfen wird. 12. Verfahren nach Unteranspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Vor- und Nachsinterung im Vakuum erfolgt. 13.Verfahren nach Unteranspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Vor- und Nachsinterung in einer Wasserstoffatmosphäre erfolgt. 14. Verfahren nach Patentanspruch, dadurch gekennzeichnet, dass plättchenförmiges weichmagnetisches Metallpulver derart verpresst wird, dass die Press- richtung senkrecht zur magnetischen Flussrichtung bei der vorgesehenen Verwendung des Sinterkörpers liegt,so dass durch die während des Pressverfahrens eintretende Deformierung der Metallpulverteilchen beim fertigen Sinterkörper die Übergangsflächen in Richtung des Wirbelstromfeldes gegenüber den Übergangsflächen in der magnetischen Flussrichtunor möglichst gross sind.
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