DE19610196A1 - Verfahren zur Herstellung von weichmagnetischen FeSi-Massekernen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von weichmagnetischen FeSi-Massekernen (Pulververbundkernen) aus Elektroband-Anfallmaterial für niederfrequente Einsatzgebiete.

Weichmagnetische Massekerne bestehen aus einem Gemisch aus ferromagnetischen Pulverteilchen und einem Bindemittel. Die Pulver werden nach unterschiedlichen Verfahren hergestellt, jedoch nicht aus Elektroband. Sie werden zusammen mit einem Bindemittel unter hohen Drücken verdichtet (siehe SCHATT/WIETERS: Pulvermetallurgie, VDI-Verlag GmbH, Düsseldorf 1994). Sie werden in der Schwachstromtechnik, in speziellen Anwendungsfällen auch in der Starkstromtechnik eingesetzt (siehe BOLL: Weichmagnetische Werkstoffe, Siemens-Verlag, Berlin und München, 1990). Entsprechend den unterschiedlichen Anforderungsprofilen beider Einsatzgebiete

• - Schwachstromtechnik: Flußdichten B im RAYLEIGH-Bereich, zu übertragende Leistungen etwa 10²-10^-10 W
• - Starkstromtechnik: Flußdichten B < 1,0 Vs/m², zu übertragende Leistungen etwa 10²-10⁷ W

werden Massekerne mit unterschiedlichen magnetischen Eigenschaftsfunktionen hergestellt.

Charakteristisch im Vergleich zum Elektroband sind ihre wesentlich geringere magnetische Leitfähigkeit µ, ihre höheren spezifischen Hystereseverluste P_H und ihre geringeren Wirbelstromverluste P_W. Bei niedrigen Ummagnetisierungsfrequenzen f sind ihre Ummagnetisierungsverluste P_U = P_U (f, B) und ihr Feldstärke­ bedarf H = H (B) für Flußdichten B 1,0 Vs/m² weitaus höher als die Werte der Elektrobänder, wie in der folgenden Zusammenstellung gezeigt wird:

Ein Werkstoff aus kleinen magnetisierbaren Teilchen mit richtungsabhängigen (anisotropen) magnetischen und elektrischen Eigenschaften wird in der Patentschrift EP 0 596 353 A2 beschrieben. Die ferromagnetischen Teilchen werden ohne Verdichtung in eine erstarrungsfähige Masse eingebettet und im Magnetfeld einer E-Maschine magnetisch ausgerichtet. Diese magnetische Ausrichtung ferromagnetischer Pulverteilchen in Magnetfeldern ist bekannt durch die Bilder zur Sichtbarmachung magnetischer Feldlinien durch Eisenfeilspäne: Die Teilchen ordnen sich entlang der Feldlinien des Magnetfeldes an und richten sich so aus, daß das Drehmoment aus der Wechselwirkung zwischen ihrem magnetischen Dipol und dem äußeren Feld einen kleinstmöglichen Wert annimmt.

Durch die fehlende Verdichtung des Pulver-Bindemittel-Gemischs entsprechend EP 0 596 353 A2 wird jedoch der magnetische Fluß Φ_max stark begrenzt, der durch einen geometrischen Querschnitt A_o geführt werden kann. Das Verhältnis A_Fe/A_o des flußleitenden "Eisenquerschnitts" A_Fe zum geometrischen Querschnitt A_o ist abhängig von der Flächendichte des ferromagnetischen Pulvers im Querschnitt A_o. Für die Höchstwerte Φ_max bzw. B_max des nutzbaren Flusses Φ bzw. der erreichbaren Flußdichte B gilt

Φ_max B_{Sättigung *} A_Fe = B_{max *} A_o und

B_max B_{Sättigung *} A_Fe/A_o

Erfindungsemäße Aufgabe ist die Herstellung weichmagnetischer Massekerne aus FeSi-Pulvern mit magnetischen Eigenschaftswerten vorzugsweise für einen Einsatz dieser Massekerne bei niedrigen und mittleren Ummagnetisierungsfrequenzen f. Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst,

• - daß Elektrobandschrott (Stanzabfälle, Schopf- und Besäumschrott) vorzugsweise bei Temperaturen T < 200 K zu FeSi-Pulver mit einer Teilchengröße s 200 µm zerkleinert wird,
• - daß die Pulverteilchen elektrisch nichtleitend gemacht werden, vorzugsweise durch eine Glühung in einer oxidierenden Gasatmosphäre, die ein H₂O/H₂-Gemisch enthält,
• - daß ein Gemisch aus FeSi- und Al-Pulverteilchen in ein starkes Magnetfeld gebracht wird, wodurch eine magnetische Ausrichtung der form- oder gefügeanisotropen FeSi-Pulverteilchen erreicht wird,
• - daß das Gemisch in diesem Magnetfeld verdichtet und auf Temperaturen T < 500 K erwärmt wird,
• - daß das verdichtete Gemisch anschließend auf Temperaturen T < T_{Schmelztemperatur Aluminium}, erwärmt wird.

Durch die Ausrichtung der ferromagnetischen Teilchen wird erreicht, daß die resultierende magnetische Vorzugsrichtung jedes Teilchens weitgehend mit dem Feldverlauf des anliegenden äußeren Feldes H übereinstimmt, daß der Anteil der energieaufwendigen Ummagnetisierungen durch Drehprozesse verringert und daß der Anteil der Luftspalte bzw. der mit dem Bindemittel ausgefüllten Zwischenräume in Feldrichtung niedrig gehalten wird.

Durch die Art der Verdichtung des Pulvers wird ein günstiges Verhältnis A_Fe/A_o des flußleitenden "Eisenquerschnitts" A_Fe zum geometrischen Querschnitt A_o und damit eine hohe Flächendichte des flußleitenden FeSi-Pulvers senkrecht zur Flußrichtung erreicht. Durch die weitgehende Regenerierung des Elektroband-Gefüges mit seinen niedrigen Hystereseverlusten im Massekern, durch die Isolierung der Pulverteilchen und durch den Einsatz von hochlegiertem Elektroband-Schrott werden niedrige Ummagnetisierungsverluste erreicht.

Die erfindungsgemäße Lösung soll nachfolgend an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert werden. In den Fig. 1 und 2 sind die Herstellung und die Verdichtung der FeSi-Pulver dargestellt. Die Herstellung der FeSi-Pulver aus Elektrobandschrott erfolgt vorzugsweise bei Temperaturen T < 200 K, um die ausgeprägte Kaltsprödigkeit der kohlenstoffarmen FeSi-Elektroband-Stähle zu nutzen. Gemäß Fig. 1 werden die sortenrein erfaßten und erforderlichenfalls mechanisch vorzerkleinerten Elektrobandabfälle (Stanz-, Schneidabfälle) werden in einem druckfesten Gefäß 1 durch Verdichten und Entspannen eines Arbeitsgases auf Temperaturen T < 200 K abgekühlt, wobei der Mantel des Gefäßes 1 gekühlt wird über eine Kältemaschine 2. Nach Erreichen der Temperatur T < 200 K wird das Arbeitsgas aus dem Gefäß 1 entfernt und das kaltspröde Material durch Stöße und kombinierte Druck-Dreh-Bewegungen des Kolbens 3 zu Pulver zerkleinert. Im Gefäß- und im Kolbenboden befinden sich Elektro- bzw. Permanentmagnete 4, durch die das zu zerkleinernde Material und das Pulver manipuliert werden können. Das Austragen des Pulvers erfolgt mit Hilfe weiterer Magnete (5). Das Klassieren des zerkleinerten Materials erfolgt nach bekannten Verfahren, z. B. durch Windsichten und Sieben. Der Pulveranteil mit Teilchengrößen < 200 µm wird wieder in den beschriebenen Prozeß eingespeist. Das Mischen der oxidierten FeSi-Pulverteilchen mit dem Al-Pulver und das Verdichten des Gemischs zu Massekernen ist in Fig. 2 am Beispiel der Herstellung von Massekernen mit einem halbschalenförmigen Querschnitt und einer im Vergleich zum Radius der Halbschale großen Ausdehnung senkrecht dazu dargestellt. Durch einen stromdurchflossenen massiven Cu-Leiter 6 wird ein starkes Magnetfeld erzeugt, das in dem für die Kernherstellung vorgesehenen Raum dadurch verstärkt wird, daß der Cu-Leiter auf seinem Umfang z. T. mit einem Kern aus Trafoband umgeben 7 wird. Durch Luftspalte 8 kann die Feldausbildung beeinflußt werden. Die Wände des Raums für die Kernherstellung werden aus warmfestem austenitischem Stahl gefertigt 9. Das Pulvergemisch aus FeSi- und Al-Teilchen wird über eine bewegliche Lanze so in den Probenraum eingebracht, daß es sich im Magnetfeld des Cu-Leiters in gleichmäßiger Schichtdicke an diesem anlagert. Ist eine ausreichende Menge Pulver angelagert, wird bei vorerst weiterhin wirkendem Magnetfeld das Pulvergemisch durch einen beweglichen Stempel 10 verdichtet, wobei die für die Pulververdichtung erforderliche Kraftübertragung sowohl über eine Zugvorrichtung 11 wie über eine hydraulische Druckeinrichtung 12 erfolgt. Ist eine bestimmte Pulverdichte erreicht, wird der Kern aus Trafoband 13 gegen einen Ferritkern ausgetauscht und der niederfrequente Magnetisierungsstrom durch den Cu-Leiter 6 durch einen hochfrequenten ersetzt. Das Pulvergemisch wird dann unter ständig steigendem Druck bis zur Enddichte verdichtet und gleichzeitig induktiv auf Temperaturen T < 500 K erwärmt. Anschließend werden die Massekerne in einem Ofen unter Schutzgas kurzzeitig auf Temperaturen T mit T_{Schmelz Al} < T < T_Curie erwärmt. Bei dieser Wärmebehandlung erfolgen das Spannungsfreiglühen bzw. die Rekristallisation des Gefüges der FeSi-Pulverteilchen und das Schmelzen des Al-Pulvers.

Bezugszeichenliste Fig. 1

1 druckfestes Gefäß
2 Kältemaschine
3 Kolben
4 Elektro- bzw. Permanentmagnete
5 Magnete

Fig. 2

6 stromdurchflossener massiver Cu-Leiter
7 Magnetkern aus Trafoband bzw. Ferritkern
8 Luftspalte
9, 10 Gefäßwände bzw. Stempel aus warmfestem austenitischen Stahl
11 Zugvorrichtung für Stempel
12 Druckeinrichtung

Claims (1)

1. Verfahren zur Herstellung von weichmagnetischen FeSi-Massekernen mit hoher magnetischer Leitfähigkeit µ und niedrigen Ummagnetisierungsverlusten P bei Frequenzen f im Bereich f < 10.000 Hz, dadurch gekennzeichnet, daß

• - sortenreiner FeSi-Elektrobandschrott bei Temperaturen T < 200 K zu Pulver mit einer Teilchengröße s 200 µm zerkleinert wird,
• - die Pulverteilchen nach bekannten Verfahren durch eine Oxidation in einer Gasatmosphäre, die ein H₂O/H₂-Gemisch enthält, elektrisch isoliert werden.
• - ein Gemisch aus oberflächenisolierten FeSi-Pulverteilchen und einem Aluminium-Pulver als Bindemittel so in einen mit einem Magnetfeld ausgefüllten Halbraum eingebracht wird, daß die formanisotropen ferromagnetischen Teilchen sich in diesem Magnetfeld ausrichten und das Pulvergemisch in gleichmäßiger Dicke sich schichtartig um einen das Magnetfeld verursachenden stromdurchflossenen Leiter anlagert,
• - das Verdichten des Pulvergemischs im Magnetfeld bei Temperaturen T im Bereich T 500 K erfolgt,
• - ein Glühen des verdichteten Pulvergemisches bei T_{Rekr Fe} < T < T_Curie unter Schutzgas erfolgt, wobei das Bindemittel Aluminium bei Temperaturen T < T_{Schmelztemperatur Aluminium} zumindest zeitweise schmelzflüssig wird.