專利名稱：用于制造可磁化的金屬成型體的方法
用于制造可磁化的金屬成型體的方法本發(fā)明涉及一種用于制造可磁化的金屬成型體的方法、一種通過該方法制造的成型體以及這種成型體的應(yīng)用。由現(xiàn)有技術(shù)已知很多用在實現(xiàn)各種最為不同的電磁設(shè)備，如電磁致動器、變壓器之類的可磁化的金屬體。所有這些應(yīng)用的共同之處是，制造可磁化的組成部分或組件所使用的材料一方面應(yīng)該具有良好的磁性特性，即在激勵較小和矯頑磁場強(qiáng)度較低時具有盡可能高的(飽和)磁通密度，其中，鑒于這種磁性特性，純鐵(或由鐵或由硅鐵合金制成的材料)特別有利。另一方面，尤其在用交流電流控制的磁體中(材料在此隨著交流電流的頻率去磁化)，產(chǎn)生尤其為渦流損耗形式的損耗；這些損耗是由交變磁場感應(yīng)的電壓造成的，該電壓促成了垂直于交變磁場的渦旋電流并且削弱磁場(因此造成能量損耗)。為了減少這種渦流損耗，又已知的是，影響可磁化的材料，使其電阻升高，例如以變壓器中的鐵板的形式或通過在磁性材料中形成混合晶體(例如鐵化鎳)。這種(比)電阻的升高減少了所述的渦流損耗，但同時減弱了飽和磁通密度，并且還影響了機(jī)械性能，如強(qiáng)度。在使用直流電流時也不能完全忽略渦旋電流的負(fù)面影響；與開關(guān)過程相關(guān)聯(lián)的充磁造成渦旋電流，該渦旋電流抵消磁性并且使用直流驅(qū)動的磁體限制了致動器等的動力或可達(dá)到的運動速度。此外，渦流損耗與頻率密切相關(guān)，使得尤其在高頻應(yīng)用中也已知的是，使用由金屬粉末制成的粉末復(fù)合材料提高比電阻，該金屬粉末由例如聚合的粘結(jié)劑壓實而成。除了例如相對于鐵板具有較高的電阻外，這種操作方法還具有這樣的優(yōu)點，即可以三維地抑制渦旋電流。然而，這種粉末復(fù)合材料的磁性性能通常不充足，因此金屬的典型的飽和磁通密度大約比這種在塑料中粘結(jié)的金屬粉末的飽和磁通密度高1. 5至大約5倍。在此，這樣制造的成型體也具有不完善的機(jī)械性能，例如表現(xiàn)為機(jī)械強(qiáng)度的形式。由此，從已知的現(xiàn)有技術(shù)中可知的挑戰(zhàn)是，通過恰當(dāng)?shù)剡x擇和形成可磁化的材料， 根據(jù)各自的應(yīng)用優(yōu)化所述存在潛在相互沖突的性能，也就是在必要的機(jī)械性能，如可接受的強(qiáng)度下，使盡可能良好的磁性性能與盡可能低的渦流損耗相協(xié)調(diào)。因此本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題在于，創(chuàng)造一種可磁化的金屬成型體以及一種制造該成型體的方法，對此一方面可以有效地抑制在能量方面不利的渦旋電流或?qū)⑵錅p至最小，另一方面可以一如既往地確保良好的磁性性能，尤其是較高的(飽和)磁通密度和較低的矯頑磁場強(qiáng)度，其中，這種成型體也應(yīng)該具有(如相對于已知的粉末材料或燒結(jié)材料)改善了的機(jī)械性能。此外，應(yīng)實現(xiàn)對這種方法或由此制造的成型體的恰當(dāng)?shù)膽?yīng)用。該技術(shù)問題由帶有獨立權(quán)利要求的特征的方法、通過該方法制造的成型體以及該成型體的應(yīng)用方案解決；本發(fā)明有利的擴(kuò)展設(shè)計在從屬權(quán)利要求中描述。首先，本發(fā)明基于這樣的認(rèn)知，S卩如果渦旋電流已經(jīng)被限制在微觀范圍內(nèi)(也就是在粉末狀的鐵磁性原材料的顆粒大小范圍內(nèi))，則達(dá)到了產(chǎn)生的成型體的良好的磁性性能。相應(yīng)地，按本發(fā)明的方法實現(xiàn)了，通過形式為第一次壓實原材料這一步驟的預(yù)壓實，通過在相鄰顆粒之間的形狀配合式連接或材料接合式連接(例如以橋鍵的形式)已經(jīng)形成一種(機(jī)械穩(wěn)定)的坯體，其中，按照本發(fā)明，在接下來在顆粒上形成電絕緣的表面涂層的步驟中使用空腔(按照擴(kuò)展設(shè)計，通過引入一種相應(yīng)的反應(yīng)氣體)，以便為在連接到各自相鄰顆粒的連接區(qū)段(橋鍵)之外的顆粒的表面區(qū)段設(shè)置一個(相對于顆粒大小而言)極薄的局部涂層。然后，接著的第二次壓實致使空腔被消除或劇烈減小，使得最終形成了一種強(qiáng)烈壓實的、帶有絕緣的(表面)涂層的涂層區(qū)段的顆粒結(jié)構(gòu)，這種涂層區(qū)段一以微觀尺寸分布在坯體內(nèi)一在微觀尺寸范圍內(nèi)產(chǎn)生了按本發(fā)明追求的、阻擋渦旋電流的效果。換而言之， 本發(fā)明可以制造一種作為成型體的可磁化的金屬材料，在其中(三維地)分布有不導(dǎo)電的、 薄的(層厚通常只在納米范圍內(nèi))、用作有效的渦旋電流阻擋層的涂層區(qū)段。這樣產(chǎn)生的成型體不僅具有所期待的高磁性功率密度(其潛在地可與純鐵材料匹敵)，而且也通過三維地分布在坯體內(nèi)的涂層區(qū)段的作用顯著地減少了渦流損耗。因此例如產(chǎn)生了這種可能性，即，設(shè)計電磁單元，例如致動器具有改善的能量效率(節(jié)省資源)，其中，在較小激勵時實現(xiàn)的高磁通密度使緊湊的、相應(yīng)節(jié)省構(gòu)造空間的并且?guī)砥渌鼉?yōu)點的設(shè)備成為可能。本發(fā)明的另一個優(yōu)點在于，按本發(fā)明實現(xiàn)的成型體具有突出的機(jī)械性能，尤其在穩(wěn)定性、抗拉和斷裂強(qiáng)度方面，特別是相對于傳統(tǒng)已知的、用于將渦流損耗減至最小的材料和材料結(jié)構(gòu)來說。因此看上去大約可以輕易地實現(xiàn)的是，按照本發(fā)明達(dá)到了按本發(fā)明實現(xiàn)的成型體的電磁性能，該性能具有相應(yīng)于一種典型的參考材料，例如i^Si3，但在機(jī)械方面相對于該參考材料有顯著改善的性能。這看上去在這種前提下是可信的，即，在本發(fā)明的有利的實施形式中，在于壓實原材料的第一步驟中將彼此相鄰的顆粒通過橋鍵等互相連接并且相應(yīng)地形成坯體的適宜的基本強(qiáng)度之后，產(chǎn)生絕緣的表面涂層。通過按照本發(fā)明的相宜的方式，在實際操作中，在第一次壓實步驟之后引入空腔內(nèi)(一種相連接的孔隙)的反應(yīng)氣體是一種使連接區(qū)段(橋鍵)以外的顆粒表面氧化或硝化的氣體，其中這種氣體也可以是一種含碳、氮、氧、硫和/或硼的氣體。在本發(fā)明的范圍內(nèi)，也可以不用特意輸入這種氣體，而是使用(剩余的)已經(jīng)存在于粉末狀原材料中的和/ 或在第一次壓實過程中產(chǎn)生或形成的氣體作為反應(yīng)氣體，其中，在這種情況下，形成電絕緣的表面涂層的步驟伴隨著第一次壓實同時進(jìn)行。此外，在本發(fā)明的優(yōu)選實施形式中，在第一次壓實的步驟中以大于300bar，典型地大于IOOObar或更大的第一擠壓力進(jìn)行(優(yōu)選為等靜壓的和/或冷流體靜壓的)擠壓，而在形成絕緣的表面涂層之后的第二次壓實是一個典型的、以明顯升高直到約4000bar的擠壓力進(jìn)行熱流體靜壓的擠壓的過程。在高于1000°C的典型溫度下，這種擠壓力致使材料流動，結(jié)果是使(在氣孔顯著減少或完全消失時)絕緣的表面涂層的涂層區(qū)段(當(dāng)厚度在通常的納米范圍內(nèi)時，該區(qū)段分別具有大致相當(dāng)于原材料顆粒大小的長度)分布在產(chǎn)生的成型體內(nèi)，并且在微觀層面上實現(xiàn)了預(yù)期的阻擋渦旋電流的作用。按照本發(fā)明的擴(kuò)展設(shè)計包括，在第二次壓實之后對金屬成型體進(jìn)行機(jī)械成型步驟和/或進(jìn)行切削加工再處理，以便此時按照計劃的使用目的使成型體成型。此外，合適的是，為此也可以使用例如軋制、深沖等的成型步驟，從而可以有針對性地改變分布在成型體內(nèi)的涂層區(qū)段的各向同性。本發(fā)明一方面包括使用未涂層的鐵磁性顆粒，例如純鐵顆粒作為鐵磁性原材料， 而本發(fā)明的一種可選的實施形式規(guī)定，將呈粉末狀的顆粒輸入按本發(fā)明的工序中，這些顆粒自身作為已涂層的顆粒存在，例如帶(其它的)金屬涂層或半導(dǎo)體涂層的鐵顆粒(例如通過事先置入的等離子涂層)。因此，一方面可以在第一次壓實的步驟之后影響機(jī)械連接性能(例如燒結(jié)橋鍵的質(zhì)量)，另一方面，通過有針對性地形成有待引入孔隙中的反應(yīng)氣體， 顆粒的這種預(yù)涂層可以產(chǎn)生良好的絕緣表面(例如通過借助涂層工藝氧化已用鋁預(yù)涂層的鐵顆粒而形成氧化鋁表面涂層)。用所述方式按本發(fā)明產(chǎn)生的成型體原則上適用于大量的磁性應(yīng)用，其中， 前述的在效率、磁性性能、機(jī)械堅固性和穩(wěn)定性方面的優(yōu)點可以分別恰當(dāng)?shù)貎x器化 (instrumentalisiert)-因此本發(fā)明的潛在使用范圍從磁性致動器或驅(qū)動設(shè)備(如電磁執(zhí)行機(jī)構(gòu)和電動機(jī))延伸至在變壓器中和功率電子學(xué)的其它領(lǐng)域中的使用直到電磁軸承和高頻技術(shù)中的課題。本發(fā)明其它的優(yōu)點、特征和細(xì)節(jié)由以下借助附圖對優(yōu)選實施例的說明中得出。在附圖中

圖1是用于實施按本發(fā)明第一種實施形式的方法的、帶有工藝步驟Sl至S7的流程圖，以及圖2是多個示意性圖解的總覽，該圖解按著圖1中步驟Sl至S6的順序講解了成型體或原材料顆粒按著工藝變化的成型過程。按照第一工藝步驟制備一種粉末狀的、典型平均顆粒大小在約ΙΟμπι至500μπι 范圍內(nèi)的鐵原材料；附圖標(biāo)記10說明在工藝步驟Sl中存在這種處于未涂層狀態(tài)的粉末顆粒。典型的市面上常見的、具有相對較小的顆粒大小的粉末材料例如是顆粒大小小于30 μ m 的純鐵粉末(1^2)，生產(chǎn)商ThyssenKrupp Metallurgie的平均顆粒大小在9 μ m至11 μ m 的D50，較大的顆粒大小例如可參考產(chǎn)品Ampersint (HC Starck GmbH公司的霧化的鐵基粉末)，在此至少99.5% (質(zhì)量比)的鐵的顆粒大小小于350 μ m。該生產(chǎn)商的備選的鐵基粉末是帶有相應(yīng)顆粒大小的i^eSi3或i^eSi6。工藝步驟S2作為可選的工藝步驟規(guī)定了這樣的可能性，即，在接下來的第一次壓實(S3)之前，例如借助等離子涂層等為原材料的粉狀顆粒設(shè)置金屬涂層或半導(dǎo)體涂層。這種在步驟S2中可選地待施加的涂層相對于相關(guān)的顆粒直徑而言很薄，并且典型地在5至 50nm的范圍內(nèi)。在接下下來的工藝步驟S3中，進(jìn)行(涂層的或未涂層的)原材料的第一次壓實， 典型地以大約IOOObar的擠壓力進(jìn)行冷流體靜壓的壓實。形成了在圖2中(對于未涂層的原材料)示出的預(yù)壓實的坯體的圖像，在該坯體中，顆粒10借助燒結(jié)橋鍵機(jī)械地相互固定粘結(jié)。在接下來的工藝步驟S4中，將一種氧化的氣體，在本實施形式中是氧氣，在壓力為0. Olbar并且溫度為350°C時這樣引入成型體，使得該氣體進(jìn)入空腔14并且相應(yīng)地為顆粒10在不是與各自的相鄰顆粒連接的連接區(qū)段的所有外周區(qū)域內(nèi)設(shè)置(電絕緣的)薄的氧化層14。氣體處理步驟S4之后(在所述的實施例中持續(xù)30min)在顆粒上形成的典型涂層厚度是約lOnm。例如通過改變壓力或溫度或作用時間可以改變這個層厚。接下來的第二次壓實步驟S5(所謂的加固)通常作為高溫下的擠壓過程，尤其借助熱流體靜壓的擠壓進(jìn)行；典型的過程參數(shù)是在溫度為1200°C時不超過約4000bar的擠壓力。參照圖2中對S5的圖解，這致使孔(間隙)12消失或顯著減小，使得在工藝步驟S5結(jié)束時在最終壓實的材料中基本上只保留有分布在材料中的氧化層區(qū)段14，該氧化層區(qū)段 14相應(yīng)于在顆粒外周表面上的原有涂層區(qū)段或壓實的孔。因此這種非常扁平的氧化層區(qū)段具有約為顆粒原始大小的10%至150%范圍內(nèi)的典型長度，并且相對顆粒原始大小而言非常薄，即又在納米范圍內(nèi)(通常為5至約30nm)。 這些氧化層區(qū)段通過其在最終壓實的材料中的分布起到按本發(fā)明在微觀范圍內(nèi)有效的渦旋電流阻擋層的作用，同時這樣形成的最終壓實的材料(在示出的實施例中該材料還在接下來的步驟S6中通過軋制成型為所追求的最終形狀以及在接下來的步驟S7中還經(jīng)過切削加工再處理)實現(xiàn)了在高飽和磁通密度和低矯頑磁場強(qiáng)度方面的非常良好的磁性性能，其中，在已知的、通常為直流電應(yīng)用而形成的易切削鋼(例如1.0715)的尺寸上實現(xiàn)了良好的性能。此外，這樣制造的材料明顯優(yōu)于用于交流電應(yīng)用的典型參考材料(如 FeSi3)ο
權(quán)利要求
1.一種用于使用粉末狀的并且以顆粒形式存在的鐵磁性原材料(10)制造一種可磁化的金屬成型體的方法，具有下列步驟-第一次壓實所述原材料(s;3)，以使相鄰的顆粒通過在其外周表面上局部區(qū)段性的形狀配合和/或材料接合在形成空腔(1 的情況下相互連接，-在所述顆粒的在連接區(qū)段以外的外周表面區(qū)域上形成電絕緣的表面涂層(14) (S4)并且-第二次壓實所述帶有表面涂層的顆粒(S5)，從而縮小或去除所述空腔。
2.按權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，通過將一種通過與外周表面發(fā)生反應(yīng)產(chǎn)生表面涂層的氣體引入所述空腔來形成所述電絕緣的表面涂層(S4)。
3.按權(quán)利要求1或2所述的方法，其特征在于，通過這樣一種氣體形成所述電絕緣的表面涂層，該氣體在所述第一次壓實所述原材料的步驟中已經(jīng)存在于該原材料中或與該原材料共同存在或在第一次壓實中產(chǎn)生。
4.按權(quán)利要求2或3所述的方法，其特征在于，所述氣體是一種含碳、氮、氧、硫和/或硼的氣體和/或這樣引起一種化學(xué)反應(yīng)，使得在所述連接區(qū)段以外的外周表面上形成電絕緣的表面涂層。
5.按權(quán)利要求1至4之一所述的方法，其特征在于，所述電絕緣的表面涂層具有2nm至 50nm范圍內(nèi)的層厚。
6.按權(quán)利要求1至5之一所述的方法，其特征在于，所述第一次壓實(S3)以大于 50bar，優(yōu)選大于300bar，進(jìn)一步優(yōu)選大于IOOObar的第一擠壓力擠壓所述原材料。
7.按權(quán)利要求6所述的方法，其特征在于，所述第一次壓實通過冷流體靜壓的擠壓或等靜壓擠壓進(jìn)行。
8.按權(quán)利要求1至7之一所述的方法，其特征在于，通過燒結(jié)和/或預(yù)燒結(jié)通過振動被壓實的、作為鐵磁性原材料的粉末來完成所述第一次壓實。
9.按權(quán)利要求8所述的方法，其特征在于，所述燒結(jié)或預(yù)燒結(jié)通過熱處理進(jìn)行，并且不進(jìn)行擠壓。
10.按權(quán)利要求1至9之一所述的方法，其特征在于，所述第二次壓實(SO以第二擠壓力擠壓通過第一次壓實過程壓實的并且?guī)в须娊^緣的表面涂層的顆粒，該第二擠壓力高于所述第一擠壓力，尤其高出至少10 %，優(yōu)選高出至少200 %。
11.按權(quán)利要求6、8至10之一所述的方法，其特征在于，所述第一壓實和/或第二壓實通過熱流體靜壓的擠壓或等靜壓擠壓進(jìn)行。
12.按權(quán)利要求11所述的方法，其特征在于，在所述第二壓實(S5)過程中的所述熱流體靜壓的擠壓或等靜壓擠壓在這樣一個溫度和擠壓力下進(jìn)行，該溫度和擠壓力致使顆粒和 /或絕緣的表面涂層的涂層區(qū)段流動。
13.按權(quán)利要求1至12之一所述的方法，其特征在于，設(shè)有成型的步驟(S6)，尤其是在所述第二次壓實之后軋制或深沖所述成型體的步驟。
14.按權(quán)利要求13所述的方法，其特征在于，所述成型改變和/或消除了在所述第二次壓實之后存在于所述成型體內(nèi)的絕緣表面涂層的涂層區(qū)段的各向同性。
15.按權(quán)利要求1至14之一所述的方法，其特征在于，所述鐵磁性原材料具有未涂層的鐵顆粒。
16.按權(quán)利要求1至15之一所述的方法，其特征在于，所述鐵磁性原材料具有用金屬材料或半導(dǎo)體材料涂層的鐵顆粒。
17.按權(quán)利要求16所述的方法，其特征在于，所述原材料中的鐵顆粒的涂層具有小于 lOOOnm，優(yōu)選小于lOOnm，進(jìn)一步優(yōu)選小于IOnm的厚度。
18.按權(quán)利要求15至17之一所述的方法，其特征在于，所述鐵磁性原材料的粉末狀顆粒的平均顆粒大小在5 μ m至1000 μ m的范圍內(nèi)。
19.按權(quán)利要求1至18之一所述的方法，其特征在于，所述金屬成型體用于制造電磁的執(zhí)行設(shè)備和/或驅(qū)動設(shè)備的，尤其是電磁的執(zhí)行機(jī)構(gòu)或電動機(jī)的，磁性軸承或變壓器的可磁化的部件。
20.按權(quán)利要求1至18之一所述的方法，其特征在于，所述成型體用于制造高頻構(gòu)件或高頻組件。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種用于使用粉末狀的并且以顆粒形式存在的鐵磁性原材料制造一種可磁化的金屬成型體的方法，具有下列步驟-第一次壓實原材料(S3)，以使相鄰的顆粒通過形狀配合式連接和/或材料接合式連接在形成空腔的情況下區(qū)段性地在其外周表面上相互連接，-在顆粒的外周表面上在連接區(qū)段以外的區(qū)域內(nèi)形成電絕緣的表面涂層(S4)并且-第二次壓實帶有表面涂層的顆粒(S5)，從而縮小或去除空腔。
文檔編號H01F1/22GK102165540SQ200980116263
公開日2011年8月24日 申請日期2009年4月27日 優(yōu)先權(quán)日2008年5月9日
發(fā)明者保羅·岡佩爾, 斯蒂芬·格拉澤, 比特·霍弗 申請人:Eto電磁有限責(zé)任公司, 肯納梅泰爾Htm股份公司