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用。由現有技術已知很多用在實現各種最為不同的電磁設備，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該具有良好的磁性特性，即在激勵較小和矯頑磁場強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，并且還影響了機械性能，如強度。在使用直流電流時也不能完全忽略渦旋電流的負面影響；與開關過程相關聯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動的磁體限制了致動器等的動力或可達到的運動速度。此外，渦流損耗與頻率密切相關，使得尤其在高頻應用中也已知的是，使用由金屬粉末制成的粉末復合材料提高比電阻，該金屬粉末由例如聚合的粘結劑壓實而成。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點，即可以三維地抑制渦旋電流。然而，這種粉末復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械性能，例如表現為機械強度的形式。由此，從已知的現有技術中可知的挑戰是，通過恰當地選擇和形成可磁化的材料， 根據各自的應用優化所述存在潛在相互沖突的性能，也就是在必要的機械性能，如可接受的強度下，使盡可能良好的磁性性能與盡可能低的渦流損耗相協調。因此本發明所要解決的技術問題在于，創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將其減至最小，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度，其中，這種成型體也應該具有(如相對于已知的粉末材料或燒結材料)改善了的機械性能。此外，應實現對這種方法或由此制造的成型體的恰當的應用。該技術問題由帶有獨立權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用方案解決；本發明有利的擴展設計在從屬權利要求中描述。首先，本發明基于這樣的認知，S卩如果渦旋電流已經被限制在微觀范圍內(也就是在粉末狀的鐵磁性原材料的顆粒大小范圍內)，則達到了產生的成型體的良好的磁性性能。相應地，按本發明的方法實現了，通過形式為第一次壓實原材料這一步驟的預壓實，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)已經形成一種(機械穩定)的坯體，其中，按照本發明，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(按照擴展設計，通過引入一種相應的反應氣體)，以便為在連接到各自相鄰顆粒的連接區段(橋鍵)之外的顆粒的表面區段設置一個(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烈壓實的、帶有絕緣的(表面)涂層的涂層區段的顆粒結構，這種涂層區段一以微觀尺寸分布在坯體內一在微觀尺寸范圍內產生了按本發明追求的、阻擋渦旋電流的效果。換而言之， 本發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)分布有不導電的、 薄的(層厚通常只在納米范圍內)、用作有效的渦旋電流阻擋層的涂層區段。這樣產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的涂層區段的作用顯著地減少了渦流損耗。因此例如產生了這種可能性，即，設計電磁單元，例如致動器具有改善的能量效率(節省資源)，其中，在較小激勵時實現的高磁通密度使緊湊的、相應節省構造空間的并且帶來其它優點的設備成為可能。本發明的另一個優點在于，按本發明實現的成型體具有突出的機械性能，尤其在穩定性、抗拉和斷裂強度方面，特別是相對于傳統已知的、用于將渦流損耗減至最小的材料和材料結構來說。因此看上去大約可以輕易地實現的是，按照本發明達到了按本發明實現的成型體的電磁性能，該性能具有相應于一種典型的參考材料，例如i^Si3，但在機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地形成坯體的適宜的基本強度之后，產生絕緣的表面涂層。通過按照本發明的相宜的方式，在實際操作中，在第一次壓實步驟之后引入空腔內(一種相連接的孔隙)的反應氣體是一種使連接區段(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。在本發明的范圍內，也可以不用特意輸入這種氣體，而是使用(剩余的)已經存在于粉末狀原材料中的和/ 或在第一次壓實過程中產生或形成的氣體作為反應氣體，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行。此外，在本發明的優選實施形式中，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行(優選為等靜壓的和/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段(當厚度在通常的納米范圍內時，該區段分別具有大致相當于原材料顆粒大小的長度)分布在產生的成型體內，并且在微觀層面上實現了預期的阻擋渦旋電流的作用。按照本發明的擴展設計包括，在第二次壓實之后對金屬成型體進行機械成型步驟和/或進行切削加工再處理，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的涂層區段的各向同性。本發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， 而本發明的一種可選的實施形式規定，將呈粉末狀的顆粒輸入按本發明的工序中，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械連接性能(例如燒結橋鍵的質量)，另一方面，通過有針對性地形成有待引入孔隙中的反應氣體， 顆粒的這種預涂層可以產生良好的絕緣表面(例如通過借助涂層工藝氧化已用鋁預涂層的鐵顆粒而形成氧化鋁表面涂層)。用所述方式按本發明產生的成型體原則上適用于大量的磁性應用，其中， 前述的在效率、磁性性能、機械堅固性和穩定性方面的優點可以分別恰當地儀器化 (instrumentalisiert)-因此本發明的潛在使用范圍從磁性致動器或驅動設備(如電磁執行機構和電動機)延伸至在變壓器中和功率電子學的其它領域中的使用直到電磁軸承和高頻技術中的課題。本發明其它的優點、特征和細節由以下借助附圖對優選實施例的說明中得出。在附圖中
圖1是用于實施按本發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 范圍內的鐵原材料；附圖標記10說明在工藝步驟Sl中存在這種處于未涂層狀態的粉末顆粒。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品Ampersint (HC Starck GmbH公司的霧化的鐵基粉末)，在此至少99.5% (質量比)的鐵的顆粒大小小于350 μ m。該生產商的備選的鐵基粉末是帶有相應顆粒大小的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置金屬涂層或半導體涂層。這種在步驟S2中可選地待施加的涂層相對于相關的顆粒直徑而言很薄，并且典型地在5至 50nm的范圍內。在接下下來的工藝步驟S3中，進行(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)示出的預壓實的坯體的圖像，在該坯體中，顆粒10借助燒結橋鍵機械地相互固定粘結。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，使得該氣體進入空腔14并且相應地為顆粒10在不是與各自的相鄰顆粒連接的連接區段的所有外周區域內設置(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行；典型的過程參數是在溫度為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段14，該氧化層區段 14相應于在顆粒外周表面上的原有涂層區段或壓實的孔。因此這種非常扁平的氧化層區段具有約為顆粒原始大小的10%至150%范圍內的典型長度，并且相對顆粒原始大小而言非常薄，即又在納米范圍內(通常為5至約30nm)。 這些氧化層區段通過其在最終壓實的材料中的分布起到按本發明在微觀范圍內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中還經過切削加工再處理)實現了在高飽和磁通密度和低矯頑磁場強度方面的非常良好的磁性性能，其中，在已知的、通常為直流電應用而形成的易切削鋼(例如1.0715)的尺寸上實現了良好的性能。此外，這樣制造的材料明顯優于用于交流電應用的典型參考材料(如 FeSi3)ο
權利要求
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段以外的外周表面區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生反應產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生。
4.按權利要求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反應，使得在所述連接區段以外的外周表面上形成電絕緣的表面涂層。
5.按權利要求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范圍內的層厚。
6.按權利要求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，優選大于300bar，進一步優選大于IOOObar的第一擠壓力擠壓所述原材料。
7.按權利要求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行。
8.按權利要求1至7之一所述的方法，其特征在于，通過燒結和/或預燒結通過振動被壓實的、作為鐵磁性原材料的粉末來完成所述第一次壓實。
9.按權利要求8所述的方法，其特征在于，所述燒結或預燒結通過熱處理進行，并且不進行擠壓。
10.按權利要求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帶有電絕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 %，優選高出至少200 %。
11.按權利要求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行。
12.按權利要求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段流動。
13.按權利要求1至12之一所述的方法，其特征在于，設有成型的步驟(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的絕緣表面涂層的涂層區段的各向同性。
15.按權利要求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體材料涂層的鐵顆粒。
17.按權利要求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，優選小于lOOnm，進一步優選小于IOnm的厚度。
18.按權利要求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。
19.按權利要求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行設備和/或驅動設備的，尤其是電磁的執行機構或電動機的，磁性軸承或變壓器的可磁化的部件。
20.按權利要求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件或高頻組件。
全文摘要
本發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段以外的區域內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 優先權日2008年5月9日
發明者保羅·岡佩爾, 斯蒂芬·格拉澤, 比特·霍弗 申請人:Eto電磁有限責任公司, 肯納梅泰爾Htm股份公司