Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines weichmagnetischen Kompositwerkstoffs und einen weichmagnetischen

Kompositwerkstoff.

Bei einer Herstellung von weichmagnetischen Kernen mit hoher Sättigungsinduktion und im Vergleich zu Plattenmagneten möglichst geringen

Ummagnetisierungsverlusten, insbesondere bei hohen Frequenzen, ist eine gute elektrische Isolation einzelner Pulverpartikel von großer Bedeutung. Dies kann durch Beschichtungen der einzelnen Pulverpartikel erfolgen, wobei als Schichtmaterialien organische Polymere, z. B. Phenolharze, oder anorganische Werkstoffe, z. B. Phosphate, Sulfate oder Metalloxide eingesetzt werden.

In solchen Kompositen können auf diese Weise elektrische Widerstände bis zu 600 μΩιτι für rein anorganische Schichtsysteme und 2150 μΩιτι für orga- nisch/anorganische Hybridschichten erzielt werden. Ein Widerstandswert für ein unbeschichtetes System beträgt nach A.H. Taghvaei, H. Shokrollahi, K.

Janghorbana: Magnete and structural properties of ironphosphate-phenolic softmagnetic composites. Journal of Magnetism and Magnetic Materials, 321, (2009), 3926-3932 38 μΩιτι. Allerdings führt eine notwendige thermische Behandlung der hierbei verwendeten Werkstoffe zur thermischen Zersetzung der Schichtmaterialien und damit zu einer starken Verminderung der elektrischen Widerstände. So führt eine thermische Behandlung eines phosphatbasierten Komposits bei 500 °C zu einer Absenkung des elektrischen Widerstand von 600 μΩιτι auf 50 μΩιτι (siehe W. Schatt (Hrsg.): Pulvermetallurgie, 2. Auflage, Springer 2007, 463 ff.; H. Shokrollahi, K. Janghorban: Soft magnetic composite materials (SMCs). Journal of Materials Processing Technology 189 (2007), 1-12 und A.H. Taghvaei, H. Shokrollahi, K. Janghorbana: Properties of iron-based soft magnetic composite with iron phosphate-silane insulation coating. Journal of Alloys and Compounds 481 (2009), 681-686).

Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen weichmagnetisches Kompositwerkstoff sowie ein Verfahren zum Herstellen eines weichmagnetischen Kompositwerkstoffs vorzuschlagen, die die genannten Nachteile vermeiden, also auch bei höheren Temperaturen bearbeitbar sind und gleichzeitig die gewünschten elektrischen und magnetischen Eigenschaften aufweisen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Verfahren nach Anspruch 1 und einen Kompositwerkstoff nach Anspruch 9. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen sind in den abhängigen Ansprüchen beschrieben.

Bei einem Verfahren zum Herstellen eines weichmagnetischen

Kompositwerkstoffs werden Partikel eines weichmagnetischen Werkstoffs mit einer Beschichtung aus einem anorganischen, siliziumbasierten Polymer versehen. Die beschichteten Partikel werden einer Wärmebehandlung unterzogen, bei der die Beschichtungen der Partikel miteinander vernetzt werden.

Durch die Beschichtung mit einem anorganischen, siliziumbasierten Polymer werden die Partikel für die nachfolgende Vernetzung präpariert, wobei ein siliziumbasiertes Polymer auch den Einsatz von Temperaturen über 1000 °C erlaubt, ohne dass eine thermische Zersetzung stattfindet. Indem die Partikel vor- zugsweise von dem Polymer ummantelt sind, wird eine zuverlässige Vernetzung der Partikel untereinander bei der Wärmebehandlung sichergestellt. Durch die Vernetzung, die auch als Keramisieren bezeichnet werden kann, ergibt sich ein Festkörper aus dem Polymer und den Partikeln, der die angestrebten elektrischen und magnetischen Eigenschaften aufweist. Die magnetischen Eigenschaften sind hierbei im Wesentlichen durch den eingesetzten weichmagnetischen Werkstoff bestimmt. Im Rahmen dieser Schrift soll ein weichmagnetischer Werkstoff ein Werkstoff sein, der eine Koerzitivfeldstärke von maximal 1000 A/m aufweist. Die Beschichtung kann durch ein Droplet-Batch-Verfahren, eine Wirbelbettbe- schichtung, eine Sprühbeschichtung, eine Tauchbeschichtung oder eine Granulierung mit vorzugsweise anschließender thermischer Vernetzung aufgebracht werden, um eine schnelle und möglichst allseitige Beschichtung der Partikel zu erhalten. Typischerweise erfolgt eine nasschemische Beschichtung wie die beispielhaft genannten Prozesse.

Alternativ kann auch vorgesehen sein, dass die Beschichtung durch eine direkte Vernetzung auf erwärmten Partikeln durchgeführt wird. Die Partikel werden hierbei auf 200 °C bis 400 °C, vorzugsweise 300 °C erwärmt und direkt in das bereitgestellte anorganische, siliziumbasierte Polymer eingetragen. Auch in diesem Fall liegt nach Beendigung der Wärmebehandlung und Abkühlen ein hierdurch gebildetes weichmagnetisches Werkstück aus einem

Kompositwerkstoff vor. Die Wärmebehandlung umfasst typischerweise ein Weichglühen, also ein Erwärmen der beschichteten Partikel bis der typischerweise metallische Werkstoff der Partikel glüht. Durch das Weichglühen werden die Beschichtungen miteinander vernetzt und ein kompakter Kompositwerkstoff ausgebildet. Das Weichglühen kann bei einer Temperatur zwischen 700 °C und 1200 °C erfol- gen. Vorzugsweise liegt jedoch die Temperatur, bei der das Weichglühen einsetzt, unterhalb der Temperatur, bei der eine thermische Zersetzung des Polymers einsetzt.

Das Polymer kann als ein Polysilazan, ein Polysiloxan und bzw. oder ein Polycarbosilan ausgebildet sein. Diese Werkstoffe sind bis 1100 °C thermisch stabil bzw., falls ein Polysiloxan eingesetzt wird, sogar bis zu 1400 °C ther- misch stabil.

Der weichmagnetische Werkstoff kann als Permalloy, typischerweise Ni ₇₈ Fe ₂ 2, Ni ₈₀ Fe ₂ o oder Ni ₈ iFei ₉ , oder Eisen, vorzugsweise reines Eisen ausgebildet sein.

Vorzugsweise liegen die Partikel vor der Beschichtung in pulverförmiger Schüttung vor, so dass sie leicht verarbeitet und beschichtet werden können.

Ein Kompositwerkstoff weist einen Matrixwerkstoff aus einem anorganischen, siliziumbasierten Polymer auf, in den Partikel eines weichmagnetischen Werkstoffs eingebettet sind.

Das Polymer kann, wenn es als Matrixwerkstoff in dem Kompositwerkstoff vorliegt, glasartig ausgebildet sein, also als amorpher Feststoff bei Raumtemperatur (20 °C) vorliegen, typischerweise als Materialsystem bzw. Werkstoffsystem SiOC und bzw. oder SiCN(O).

Der beschriebene Kompositwerkstoff kann mit dem beschriebenen Verfahren hergestellt werden, das beschriebene Verfahren ist also dazu eingerichtet, den beschriebenen Kompositwerkstoff herzustellen.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden nachfolgend anhand der Figuren erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische seitliche Ansicht einer Beschichtung von Partikel;

Fig. 2 eine Figur 1 entsprechende Ansicht einer Wärmebehandlung beschichteter Partikel und

Fig. 3 einen fertigen Kompositwerkstoff.

In Figur 1 ist in einer schematischen seitlichen Ansicht eine Beschichtung von Partikeln 1 dargestellt. Die Partikel 1 liegen als Pulver vor und sind in einer pulverförmigen Schüttung in einem Gefäß 5 angeordnet. Oberhalb der Partikelschüttung ist eine Beschichtungsvorrichtung 3 angesehen, durch die ein anorganisches, siliziumbasiertes Polymer 2 in Richtung der Partikel 1 gesprüht wird. Es wird also eine Sprühbeschichtung durchgeführt. In weiteren Ausführungsbeispielen kann eine Wirbelbettbeschichtung bzw.

Wirbelsinterung durchgeführt werden, bei der das Gefäß 5 einen Siebboden aufweist, durch den Luft eingeblasen wird, so dass die Partikel 1 in der Schwebe gehalten werden. Alternativ kann auch eine Granulierung mit anschließender thermischer Vernetzung der Polymerbeschichtungen durchge- führt werden. Allgemein sollte bevorzugt eine nasschemische Beschichtung durchgeführt werden. Es kann auch vorgesehen sein, die Partikel 1 auf mindestens 300 °C zu erhitzen und direkt in das bereitgestellte anorganische siliziumbasierte Polymer 2 einzutragen. Hierdurch erfolgt eine direkte Vernetzung aufgrund der erhöhten Temperatur der Pulverpartikel 1 an einer Partikeloberfläche und somit ein Ausbilden einer Schicht bzw. Beschichtung.

Überschüssiges Polymer 2 kann von den Partikeln 1 abgetrennt werden.

Als Polymer 2 wird in dem in Figur 1 dargestellten Ausführungsbeispiel ein Polysilazan verwendet, es können aber auch in weiteren Ausführungsbeispie- len ein Polysiloxan oder ein Polycarbosilan verwendet werden. Derartige kommerziell erhältliche, anorganische Polymere 2 werden während einer nachfolgenden thermischen Behandlung in anorganische, glasartige Materialien überführt und sind bis 1100 °C bei Nutzung von Polysiloxanen und bis 1400 °C bei Nutzung von Polysilazanen thermisch stabil. Dadurch kann die thermische Behandlung bei erheblich höheren Temperaturen durchgeführt werden, was zu einer Erhöhung der Festigkeit des fertigen

Kompositwerkstoffs führt. Einen weiteren Beitrag zur erhöhten Festigkeit leistet die Vernetzung der Beschichtungen 2 während der Wärmebehandlung bzw. thermischen Behandlung.

In Figur 2 ist in einer Figur 1 entsprechenden Ansicht eine wiederum pulver- förmige Schüttung von nun jeweils mit einer ummantelnden Beschichtung aus dem anorganischen, siliziumbasierten Polymer 2 versehenen Partikel 1 dargestellt. Wiederkehrende Merkmale sind in dieser Figur wie auch in der folgen- den Figur mit identischen Bezugszeichen versehen. Die beschichteten Partikel

1 sind wiederum in dem Gefäß 5 angeordnet. Oberhalb des Gefäßes 5 ist eine Wärmequelle 4, beispielsweise ein Ofen oder eine Infrarotlampe angeordnet, die die Partikel 1 erwärmt. In bevorzugter Weise wird ein Weichglühen bei bis zu 1200 °C durchgeführt. In bestimmten Ausführungsbeispielen kann vorgesehen sein, bei einem Abkühlen bereits ein externes Magnetfeld anzulegen, um ein Ausbilden einer magnetisch harten und einer magnetisch weichen

Achse zu unterstützen.

Durch das vorgestellte pulvermetallurgische Verfahren kann ein

Kompositwerkstoff 5 hergestellt werden, wie er in Figur 5 in einer Figur 1 ent- sprechenden Ansicht dargestellt ist. In das Polymer 2 als Matrixwerkstoff sind die Partikel 1 eingelagert. Der Kompositwerkstoff 5 weist somit eine sehr hohe Sättigungsinduktion und im Vergleich zu Plattenmagneten nur geringe Ummagnetisierungsverluste auf, insbesondere bei hohen Frequenzen.

Lediglich in den Ausführungsbeispielen offenbarte Merkmale der verschiedenen Ausführungsformen können miteinander kombiniert und einzeln beansprucht werden.