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Title:
PART MADE FROM A SINTERED MATERIAL AND METHOD FOR THE PRODUCTION THEREOF
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/2017/050572
Kind Code:
A1
Abstract:
The invention relates to a method for producing a part from a sintered material, and to the part that can be produced via this method. The production is carried out by sintering a powder mixture. This contains a first sintering powder (1) and a second sintering powder (2). The first sintering powder contains either 16 - 99.97 wt.% iron, 0 - 7 wt.% silicon, 0 - 20 wt.% chromium and 0 - 50 wt.% cobalt, and the first sintering powder (1) contains 0.03 - 2.00 wt.% carbon and 0 - 5 wt.% additional elements. The second sintering powder contains 0 - 90 wt.% iron, 0 - 90 wt.% silicon, 0 - 100 wt.% chromium, 0 - 100 wt.% phosphorus, 0 - 100 wt.% molybdenum, 0 - 100 wt.% tungsten, 0 - 100 wt.% titanium, 0 - 100 wt.% nickel, 0 - 100 wt.% cobalt, 0 - 100 wt.% sulphur, 0 - 100 wt.% carbon and 0 - 5 wt.% additional elements. The sum of the components in the first sintering powder (1) and in the second sintering powder (2) is respectively 100 wt.%.

Inventors:
BURGHAUS JENS (DE)
PIEPER WITOLD (DE)
SCHAEFTER TOBIAS (DE)
Application Number:
PCT/EP2016/071042
Publication Date:
March 30, 2017
Filing Date:
September 07, 2016
Export Citation:
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Assignee:
BOSCH GMBH ROBERT (DE)
International Classes:
C22C33/02; H01F1/20; H01F41/02
Foreign References:
US4190441A1980-02-26
US20020139448A12002-10-03
US4933008A1990-06-12
EP2482291A12012-08-01
Other References:
None
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Claims:
Ansprüche

1. Verfahren zur Herstellung eines Teils aus einem Sinterwerkstoff (4) für die Anwendung in einem Aktor, einem weichmagnetischen Rotor oder Stator einer elektrischen Maschine oder einem Sensor, worin das Teil durch Sintern eines Pulvergemischs aus einem ersten Sinterpulver (1) und einem zweiten Sinterpulver (2) erhalten wird, wobei das erste Sinterpulver (1) die folgende Zusammensetzung aufweist:

49 - 99,97 Gew.-% Eisen,

0,03 - 2,00 Gew.-% Kohlenstoff,

0 - 7 Gew.-% Silizium,

0 - 20 Gew.-% Chrom,

0 - 50 Gew.-% Cobalt,

0 - 5 Gew.-% weitere Elemente, wobei die Summe der Bestandteile 100 Gew.-% beträgt, und das zweite Sinterpulver (2) die folgende Zusammensetzung aufweist:

0 - 90 Gew.-% Eisen,

0 - 90 Gew.-% Silizium,

0 - 100 Gew.-% Chrom,

0 - 100 Gew.-% Phosphor

0 - 100 Gew.-% Molybdän

0 - 100 Gew.-% Wolfram

0 - 100 Gew.-% Titan

0 - 100 Gew.-% Nickel 0 - 100 Gew.-% Cobalt

0 - 100 Gew.-% Schwefel

0 - 100 Gew.-% Kohlenstoff

0 - 5 Gew.-% weitere Elemente, wobei die Summe der Bestandteile 100 Gew.-% beträgt.

Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die zahlenmittlere Partikelgröße des ersten Sinterpulvers (1) größer als die zahlenmittlere Partikelgröße (2) des zweiten Sinterpulvers ist.

Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Sinterpulver (1) eine zahlenmittlere Partikelgröße im Bereich von 10 - 500 μηη aufweist und das zweite Sinterpulver (2) eine zahlenmittlere Partikelgröße im Bereich von 1 - 400 μηη aufweist.

Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Sinterpulver (2) eine zahlenmittlere Partikelgröße im Bereich von 1 - 200 μηη aufweist.

Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Sinterpulver (1) mindestens 0,06 Gew.-% Kohlenstoff enthält.

Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Sinterpulver (2) die folgende Zusammensetzung aufweist:

0 - 90 Gew.-% Eisen,

0 - 90 Gew.-% Silizium,

0 - 100 Gew.-% Chrom,

0 - 20 Gew.-% Phosphor

0 - 5 Gew.-% weitere Elemente, wobei die Summe der Bestandteile 100 Gew.-% beträgt.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Sinterpulver (2) mit den Bestandteilen des ersten Sinterpulvers intermediär eine Legierung bildet, deren Schmelzpunkt maximal 1300 °C beträgt.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Sinterpulver (1) und das zweite Sinterpulver (2) vor dem Sintern homogen in dem Pulvergemisch verteilt werden.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Sintern bei einer Temperatur oberhalb der Schmelztemperatur des zweiten Sinterpulvers (2) erfolgt.

10. Teil, herstellbar nach einem Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9.

11. Teil nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass es eine

Karbidmikrostruktur mit einem geordneten Karbidnetzwerk aufweist.

12. Teil nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass die

Karbidmikrostruktur eine Zementitstruktur ist.

13. Teil nach Anspruch 12 dadurch gekennzeichnet, dass die

Zementitstruktur teilweise als Perlit-Gefüge vorliegt.

14. Teil nach einem der Ansprüche 10 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass es gegenüber einem Teil, das in einem Sinterverfahren nur aus dem ersten Sinterpulver (1) hergestellt wurde, eine Reduzierung seiner Ummagnetisierungsverluste von mindestens 10 % mindestens im Bereich 20 - 90% der Materialsättigung und einer Frequenz von 100 - 1000 Hz aufweist.

Description:
Beschreibung

Titel

Teil aus einem Sinterwerkstoff und Verfahren zu seiner Herstellung

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Teils mittels Sintern. Weiterhin betrifft sie ein Teil, das mittels des Verfahrens herstellbar ist. Das Teil weist insbesondere niedrige Ummagnetisierungsverluste auf.

Stand der Technik

Pulvermetallurgische Teile aus Reineisenwerkstoffen und Eisencobaltwerkstoffen zeigen in einer Vielzahl von Anwendungen erhöhte statische und dynamische magnetische Verluste. Für Anwendungen in der Aktorik, beispielsweise als Ankerwerkstoffe, in einem Sensor und in elektrischen Maschinen, beispielsweise als Stator und / oder Rotor, werden geringe Ummagnetisierungsverluste und weichmagnetische Eigenschaften der Teile, d. h. eine Koerzitivfeldstärke H c von weniger als 20 A/cm gefordert. Solche Eigenschaften können erreicht werden, indem in einem Sinterverfahren zur Herstellung der Werkstoffe kohlenstoffarme Eisen- oder Eisencobaltpulver als Ausgangsmaterialen verwendet werden.

Offenbarung der Erfindung

In dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Herstellung eines Teils werden ein erstes Sinterpulver und ein zweites Sinterpulver verwendet. Bei dem ersten Sinterpulver handelt es sich um ein Eisenpulver, das 49 - 99,97 Gew.-% Eisen, 0 - 7 Gew.-% Silizium, 0 - 20 Gew.-% Chrom, 0 - 50 Gew.-% Cobalt und 0,03 - 2,00 Gew.-% Kohlenstoff, bevorzugt 0,06 - 1,00 Gew.-% Kohlenstoff, besonders bevorzugt 0,06 - 0,4 Gew.-% Kohlenstoff enthält. Es handelt sich also um ein kostengünstiges kohlenstoffreiches Sinterpulver. Schließlich kann das erste Sinterpulver 0 - 5 Gew.-% weitere Elemente enthalten. Die weiteren Elemente sind insbesondere aus der Gruppe ausgewählt, die aus Mangan, Molybdän, Wolfram, Vanadium, Schwefel und Phosphor besteht, also solchen Elementen, die typischerweise mit Eisen vergesellschaftet auftreten. Die Summe der Bestandteile im ersten Sinterpulver beträgt 100 Gew.-%.

Das zweite Sinterpulver enthält 0 - 90 Gew.-% Eisen, 0 - 90 Gew.-% Silizium, 0

- 100 Gew.-% Chrom, 0 - 100 Gew.-% Phosphor, 0 - 100 Gew.-% Molybdän, 0

- 100 Gew.-% Wolfram, 0 - 100 Gew.-% Titan, 0 - 100 Gew.-% Schwefel, 0 - 100 Gew.-% Cobalt, 0 - 100 Gew.-% Nickel, 0 - 100 Gew.-% Kohlenstoff und 0 - 5 Gew.-% weitere Elemente, wobei die weiteren Elemente insbesondere aus derselben Gruppe ausgewählt sind, wie die weiteren Elemente des ersten Sinterpulvers. Bevorzugt enthält es 0 - 90 Gew.-% Eisen, 0 - 90 Gew.-%

Silizium, 0 - 100 Gew.-% Chrom, 0 - 20 Gew.-% Phosphor und 0 - 5 Gew.-% weitere Elemente. Die Summe der Bestandteile im zweiten Sinterpulver beträgt 100 Gew.-%. Um bei einem Sintern des Pulvergemisches ein Eindiffundieren der Elemente des zweiten Sinterpulvers in das erste Sinterpulver zu erleichtern, ist es bevorzugt, dass das zweite Sinterpulver bevorzugt eine eutektische

Zusammensetzung aufweist oder mit Bestandteilen des ersten Sinterpulvers intermediär eine Legierung bildet, deren Schmelzpunkt maximal 1300°C beträgt.

Es ist beim Sintern des Pulvergemisches wünschenswert, dass das zweite Sinterpulver homogen mit dem ersten Sinterpulver vermengt ist. Hierzu ist es bevorzugt, dass die zahlenmittlere Partikelgröße des ersten Sinterpulvers größer als die zahlenmittlere Partikelgröße des zweiten Sinterpulvers ist. Hierzu weist das erste Sinterpulver vorzugsweise eine zahlenmittlere Partikelgröße im Bereich von 10 - 500 μηη auf und das zweite Sinterpulver weist eine zahlenmittlere Partikelgröße im Bereich von bevorzugt 1 - 400 μηη, besonders bevorzugt 1 - 200 μηη auf.

Das Teil aus einem Sinterwerkstoff kann durch Sintern des Pulvergemisches hergestellt werden. Bei der erhöhten Temperatur des Sinterprozesses diffundieren die Elemente des zweiten Sinterpulvers mit denen des ersten Sinterpulvers ineinander. Zudem wird aber auch die Löslichkeit von Kohlenstoff im Material des ersten oder zweiten Sinterpulvers herabgesetzt. Der im Sinterpulver gelöste Kohlenstoff wandert daher an dessen Korngrenze oder an bereits im Sinterpulver ausgebildete Karbide und scheidet sich beispielsweise als Zementit ab, welches im Werkstoff beispielsweise teilweise als Perlit auftritt. Alternativ kann auch Kohlenstoff bzw. ein kohlenstoffhaltiges Pulver als zweites Sinterpulver verwendet werden. Auf diese Weise kann der Kohlenstoff über das zweite Sinterpulver zusätzlich eingebracht werden, wird in einem

Wärmebehandlungsprozess in eine Karbidmikrostruktur umgelagert und erhöht den elektrischen Widerstand massiv was zu einer Verbesserung der

Ummagnetisierungsverluste führt. Um diesen Effekt gleichmäßig über den gesamten erhaltenen, Sinterwerkstoff zu erzielen, ist es bevorzugt, dass das erste Sinterpulver und das zweite Sinterpulver vor dem Sintern homogen in dem Pulvergemisch verteilt werden, so dass die Elemente der Sinterpulver gleichmäßig ineinanderdiffundieren, um im gesamten ersten Sinterpulver eine ähnliche Ausscheidung von Kohlenstoff hervorzurufen. Entscheidend ist, dass keine regellose Verteilung der Karbide eintritt, die als Hindernisse für

Domänenwandbewegungen bei der Ummagnetisierung die Koerzitivfeldstärke gelten. Es bildet sich ein mehr oder minder geordnetes Karbid netzwerk, bevorzugt an den Korngrenzen, aus. Der Bulk der Eisenpartikel selbst bleibt großteilig karbidfrei.

Das Sintern erfolgt vorzugsweise bei einer Temperatur oberhalb der

Schmelztemperatur des zweiten Sinterpulvers bzw. der aus den Elementen des ersten und des zweiten Sinterpulvers entstehender Legierung (Transientes Flüssigphasensintern). Auf diese Weise findet bevorzugt eine Benetzung der Partikel des ersten Sinterpulvers mit geschmolzenem zweitem Sinterpulver statt, was die Diffusion der Elemente des zweiten Sinterpulvers und des erste

Sinterpulvers ineinander erleichtert und die Dichte des entstehenden Bauteils erhöht.

Das auf diese Weise erhältliche Teil besteht aus einem Sinterwerkstoff der eine Mikrostrukturierung mit einem geordneten Karbid netzwerk aufgrund des ausgeschiedenen Kohlenstoffs aufweist. Die Karbidmikrostruktur ist insbesondere eine Zementitstruktur, die beispielsweise teilweise als Perlit- Gefüge vorliegt.

Gegenüber einem Teil, das in einem Sinterverfahren nur aus dem ersten

Sinterpulver hergestellt wurde, weist das erfindungsgemäße Teil insbesondere eine Reduzierung seiner Ummagnetisierungsverluste von mindestens 10 % mindestens im Bereich 20 - 90% der Materialsättigung und einer Frequenz von 100 - 1000 Hz auf. Weiterhin weist das Teil insbesondere weichmagnetische Eigenschaften auf.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.

Fig. 1 zeigt schematisch das Eindiffundieren von zwei Sinterpulvern ineinander in einem Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens.

Fig. 2 zeigt schematisch Partikel eines Sinterpulvers, welche in einem

Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens durch

Ineinanderdiffundieren zweier Sinterpulver entstanden sind.

Fig. 3 zeigt schematisch einen Ausschnitt aus einem Teil gemäß einem

Ausführungsbeispiel der Erfindung.

Ausführungsbeispiele der Erfindung

In einem Ausführungsbeispiel der Erfindung wird zunächst ein Pulvergemisch hergestellt, indem 90 g eines ersten Sinterpulvers 1 mit 10 g eines zweiten Sinterpulvers 2 vermischt werden. Bei dem ersten Sinterpulver 1 handelt es sich um einen Eisenbasiswerkstoff, der 99 Gew.-% Eisen und 0,06 Gew.-%

Kohlenstoff und weitere Verunreinigungen aus den typischerweise mit Eisen vergesellschafteten Elementen, wie beispielsweise Mangan, Molybdän, Wolfram, Vanadium, Schwefel und Phosphor in einem Anteil < 1 Gew. % enthält. Er weist eine zahlenmittlere Partikelgröße von 250 μηη auf. Bei dem zweiten Sinterpulver 2 handelt es sich um ein Pulver, das aus 80 Gew.-% Eisen und 20 Gew.-% Silizium besteht. Es weist einen Schmelzpunkt von 1.172°C und eine mittlere Partikelgröße von 73 μηη auf. Dem Pulvergemisch wird ein Schmiermittel beigefügt. Anschließend wird es homogen vermischt und zu einem Grünkörper verpresst. Schließlich erfolgt eine Wärmebehandlung in inerter

Stickstoffatmosphäre in einem Ofen bei einer Temperatur von 1.200°C. Nach einer Stunde wird das erhaltene Teil abgekühlt und auf diese Weise ein Teil aus einem weichmagnetischen Sinterwerkstoff mit reduzierten

Ummagnetisierungsverlusten erhalten.

Wie in Fig. 1 dargestellt ist, diffundieren während des Sintervorgangs die

Elemente des zweiten Sinterpulvers 2 und des ersten Sinterpulvers 1 ineinander. Das erste Sinterpulver 1 enthält zunächst noch einen hohen Anteil an Kohlenstoff C, der im Eisen Fe gelöst ist. Wenn sich das Silizium Si des zweiten

Sinterpulvers 2 in dem Eisen löst, wird dabei die Löslichkeit des Kohlenstoffs herabgesetzt und dieser wandert an die Korngrenzen des ersten Sinterpulvers 1. Hierdurch werden die in Fig. 2 dargestellten Partikel eines modifizierten

Sinterpulvers 3 erhalten, aus dem ein großer Anteil des Kohlenstoffs als Zementit ausgeschieden wird, das im Gefüge auch als Perlit nachgewiesen werden kann. Diese Partikel verbinden sich im weiteren Sinterprozess zu dem in Fig. 3 dargestellten weichmagnetischen Sinterwerkstoff 4.

In einem Vergleichsbeispiel wird nur dem ersten Sinterpulver aus dem

Ausführungsbeispiel der Erfindung ein Schmiermittel beigefügt. Anschließend wird es homogen vermischt und zu einem Grünkörper verpresst. Schließlich erfolgt eine Wärmebehandlung in inerter Stickstoffatmosphäre in einem Ofen bei einer Temperatur von 1.200°C. Nach einer Stunde wird das erhaltene Teil abgekühlt und auf diese Weise ein Vergleichsteil erhalten.

Die Ummagnetisierungsverluste des Teils gemäß dem Ausführungsbeispiel der Erfindung sind gegenüber dem Vergleichsteil im Bereich 20 - 90% der

Materialsättigung und bei einer Frequenz von 100 - 1000 Hz um mindestens 10 % reduziert.