Beschreibung Pulvermetallurgisch hergestelltes weichmagnetisches Formteil mit hoher Maximalpermeabilität, Verfahren zu seiner Herstel- lung und dessen Verwendung Die Erfindung betrifft ein pulvermetallurgisch hergestelltes weichmagnetisches Formteil mit hoher Maximalpermeabilität, und ein Verfahren zur Herstellung dieses Formteils aus metal- lischen Pulverteilchen, wobei die Pulverteilchen mit einer elektrischen Isolationsschicht versehen werden, so dass bei Anwendung des Formteils als Magnetkern in Wechselfeldern, wie sie beispielsweise in schnellschaltenden Magnetventilen auf- treten können, die Wirbelstromverluste gering sind. Ferner betrifft die Erfindung die Verwendung dieses Formteils in dy- namischen Anwendungen, wie beispielsweise als Magnetkerne in Magnetventilen in Einspritzanlagen von Kraftfahrzeugen, als Kerne von Zündspulen, als Joche in Magnetsystemen zur Ven- tilsteuerung oder als Rotor bzw. Stator in Motoranwendungen.

Bei der Entwicklung weichmagnetischer Pulververbundwerkstoffe der oben genannten Art werden folgende Eigenschaften gleich- zeitig optimiert : l. ein maximaler spezifischer Widerstand, aus welchem minima- le Wirbelstromverluste resultieren ; 2. eine minimale Koerzitivfeldstärke, durch welche minimale Hystereseverluste bewirkt werden ; 3. eine maximale Permeabilität ; 4. ein maximaler Füllgrad mit Magnetmaterial, d. h. eine hohe Dichte, aus der eine maximale Sättigungspolarisation re- sultiert.

Insbesondere die Forderungen an den spezifischen Widerstand und die Koerzitivfeldstärke lassen sich in der Regel schlecht miteinander vereinbaren, da die notwendige Glühung zur Redu- zierung der Koerzitivfeldstärke in der Regel auch zu einer Verringerung des spezifischen Widerstandes führt.

Untersuchungen zeigen aber bei gegebenen Koerzitivfeldstärken das beste Widerstandsniveau, wenn man gleichzeitig relativ große Werte für Permeabilität und Dichte fordert. Es gewähr- leistet eine Reduzierung der Koerzitivfeldstärke unter Beibe- haltung eines hohen Widerstandniveaus.

Die US 2,601, 212 schlägt zur Herstellung von weichmagneti- schen Pulververbundwerkstoffen für Anwendungen im Hochfre- quenzbereich ein Verfahren vor, bei dem phosphatiertes Carbo- nyleisen mit 1 bis 6 Gew. % Organosilanen als Binder versetzt werden. Nach dem Verpressen werden die Formteile bei Tempe- raturen um die 150°C ausgehärtet. Eine Glühung und damit eine Zersetzung der Organosilane findet nicht statt, das heißt, die Organosilane werden polymerisiert und liegen im fertigen Formteil als Binderpolymer vor. Die damit erzeugten Formteile sind bzgl. Einsatzfrequenzen kleiner 10 kHz untauglich.

Ein Verfahren, welches dieser Tatsache Rechnung trägt, ist in der DE 34 39 397 beschrieben. Nach diesem Verfahren werden Pulverteilchen, die mit einer Phosphatisolation versehen sind, einer Glühung in oxidierender Atmosphäre bei einer Tem- peratur von maximal 600°C unterzogen. Die Glühbehandlung führt zu einer Absenkung der Koerzitivfeldstärke des Eisens und erhöht aufgrund der Entstehung von Eisenoxid zwischen den Pulverteilchen die Festigkeit des Formteils.

Ein ähnliches Verfahren mit anschließender Glühung beschreibt die Deutsche Patentanmeldung 39 070 950.5. Die Anmeldung zeigt, dass ein Schutz der mit einer Phosphatisolation ver- sehnen Pulverteilchen während des Pressens mittels einer or- ganischen Harzschicht möglich ist.

Diese aus dem Stand der Technik bekannten pulvermetallurgisch hergestellten Formteile sind bezüglich der Maximalpermeabili- tät, welche bei 50 Hz und H = 10 A/cm bestimmt ist, herkömm- lichen weichmagnetischen Legierungswerkstoffen noch deutlich unterlegen. So werden im allgemeinen Maximalpermeabilitäten von bis zu 200 erreicht. Für bestimmte Anwendungen der Form- teile, beispielsweise als Kernmaterial in Magnetventilen der Kraftfahrzeugtechnik, ist jedoch häufig eine Maximalpermeabi- lität von mindestens 275 vorzugsweise größer 300, erwünscht.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein Formteil mit weichmagnetischen Eigenschaften, hoher Maximalpermeabili- tät, welche bei 50 Hz und H = 10 A/cm bestimmt ist, bei gleichzeitig hoher mechanischer Festigkeit bereitzustellen.

Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Be- reitstellung eines weichmagnetischen pulvermetallurgisch her- gestellten Formteils mit schnellem Ansprechverhalten, wobei unter einem guten Ansprechverhalten erfindungsgemäß verstan- den wird, dass die frequenzabhängige Maximalpermeabilität ei- nes Kerns aus diesem Material im gesamten Frequenzband von 0 bis 4 kHz vorzugsweise mindestens 200 beträgt.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch ein pulvermetallur- gisch hergestelltes Formteil aus verpressten und geglühten weichmagnetischen phosphatbeschichteten Pulverteilchen ge- löst, wobei die phosphatbeschichteten Pulverteilchen vor der Glühung mit organofunktionellen Silanen beschichtet worden

sind, wobei der Gewichtsanteil der organofunktionellen Silane zwischen 0,1 und 3 Gew. % an dem ungeglühten Formteil liegt und nach der Glühung das Formteil keine polymerisierten Orga- nosilane enthält, gekennzeichnet durch einen spezifischen Wi- derstand p 2 lotqm, eine Koerzitivfeldstärke He s 3,0 A/cm, Hystereseverlusten WH s 0,1 J/kg bei einer Aussteuerung von B = 1 Tesla, einer Maximalpermeabilität (gemessen bei f = 50 Hz) > 275 und eine Dichte y a 7,1 g/cm3.

Der wesentliche Gedanke der vorliegenden Erfindung liegt zum einen in der isolierenden Wirkung des Materials und zum ande- ren in der schmierenden Wirkung der Silanschicht. Letztere ergibt sich dadurch, dass das organofunktionelle Silan nicht zu Siloxan auspolymerisiert wird, wie das in der oben genann- ten US 2,601, 212 der Fall ist. Dies würde bei Temperaturen von ca. 100-150°C geschehen, beim Beschichtungsprozess wird das Pulver aber lediglich bei ca. 50°C getrocknet. Bei der anschließenden Glühung der gepressten Teile kommt es dann zur Polymerisierung, allerdings sind die entstehenden Siloxane nicht sehr temperaturbeständig, so dass sie oberhalb von ca.

200°C zerstört werden. Es verbleibt im wesentlichen Si02 im Werkstoff.

Insgesamt hat sich gezeigt, dass eine Glühung, bei der die Organosilane zersetzt werden, nach dem Pressen geeignet ist, die besagten Verluste zu verringern. Zur möglichst effektiven Ausheilung von kristallinen Defekten und zur Förderung des Kornwachstums wären an sich möglichst hohe Temperaturen im Bereich von etwa 1100°C wünschenswert. Allerdings würde bei dieser Temperatur die auf der Oberfläche der Pulverteilchen befindliche Phosphatisolation zerstört werden.

Durch die schmierende Wirkung der nicht auspolymerisierten Silanschicht des Pulvers vor dem Verpressen kann der Anteil des Presshilfsmittels deutlich reduziert werden. Typischer- weise wird Presshilfsmittel in einer Menge von ca. 0.5 Gew. % zugesetzt. Durch das Silan kann dieser Anteil auf 0.25 bzw.

0,125 Gew. % oder sogar 0 Gew. % gesenkt werden. Dies ist vor- teilhaft für die resultierende Dichte des Werkstoffes und für die spezifische Gesamtverlustleistung (in W/kg).

Diese setzt sich aus den Hystereseverlusten und den Wirbel- stromverlusten zusammen : PFe PH +PW (1) Dabei gilt eine proportionale Abhängigkeit der Hysteresever- lustleistung von der Frequenz : PH WH f (2) Die Wirbelstromverluste wiederum enthalten zwei Anteile. Ei- nerseits fließen die Wirbelströme innerhalb der Pulverparti- kel, andererseits auch über das gesamte Teilevolumen : Pw =PwP+Pwv (3) Für die Berechnung der Wirbelstromverlustleistung gilt allge- mein : pw d-Bq f2 Pel r

(geometrieabhängiger Vorfaktor z, Durchmesser d, spez. Wider- stand #el, Dichte y, Induktion B mit Exponenten q, Frequenz f) Bei der Wirbelstromverlustleistung innerhalb der Pulverparti- kel (mittlerer Durchmesser d) gilt der Vorfaktor z = n2/20 (nach K. Honma und N. Hirano, R&D 2,40-42 (1980) ). Für den Widerstand und die Dichte sind die Werte für Reineisen einzu- setzen (yFe = 7,87 g/cm3 und PFe = 0,1 hum).

Für die Berechnung der Wirbelstromverlustleistung über das gesamte Teilevolumen wird die untersuchte Ringgeometrie in guter Näherung mit einer Toroidform angenähert. Man erhält den Vorfaktor z = n2/16 (nach R. M. Bozorth, Ferromagnetism, IEEE Press, NewYork, 1993). Weiterhin benötigt man den Eisen- durchmesser D des Toroids und die makroskopische Dichte. Legt man die gemessenen Hystereseverluste und Widerstände zugrun- de, ergibt sich folgende Gleichung für die Gesamtverlustleis- tung (bei einer Aussteuerung von B = 1 T) : pFe s WH X f + 627 (Ws2)/(kgm2) x d2 x 2 + C D2 2 mit der Obergrenze für die Hystereseverluste WH s 0,14 J/kg.

Während der Glühbehandlung setzen sich die organofunktionel- len Silane in deren bei den entsprechenden Reaktionsbedingun- gen entstehenden Reaktionsprodukte um. Beispiele für solche Reaktionsprodukte sind Siliziumoxide und Siliziumcarbide.

Es hat sich überraschenderweise gezeigt, dass Formteile, die auf bekannte Weise isolierte Pulverteilchen, z. B. mittels Phosphaten isolierte Pulverteilchen, enthalten, durch Einsatz von organofunktionellen Silanen noch weiter verbessert werden

können. Auch gegenüber einer ausschließlich durch den Einsatz einer Silizium enthaltenden Substanz gebildeten Isolations- schicht, ergibt sich eine Verbesserung der Eigenschaften des erfindungsgemäßen Formteils.

Die erfindungsgemäßen Formteile weisen gegenüber allen be- kannten Formteilen mit vergleichbar hoher mechanischer Fes- tigkeit eine höhere Maximalpermeabilität auf.

Die Maximalpermeabilität wird gemäß der Erfindung bei H = 10 A/cm und f = 50 Hz bestimmt.

Beschreibung der Methode zur Bestimmung der Maximalpermeabi- lität : Auf einen isolierten Ring der Probe mit den Dimensionen 33 x 20 x 6 mm2 (Außen-/Innendurchmesser/Höhe) werden eine Primär- wicklung mit 100 Windungen und eine Sekundärwicklung mit 20 Windungen aufgebracht. Die Erregung des Feldes erfolgt mit- tels einer Sinusspannung mit einstellbarer Frequenz. An der Sekundärwicklung wird die Induktionsspannung mit einem Volt- meter ermittelt.

Die Maximalpermeabilität wird im allgemeinen durch Variation der Stärke des angelegten Feldes und Aufsuchen des Permeabi- litätsmaximums auf der Neukurve bestimmt. In der Regel liegt die Maximalpermeabilität des erfindungsgemäßen Formteils je- doch bei etwa H = 10 A/cm, so dass die Angabe der Permeabili- tät bei diesem Magnetfeld der Maximalpermeabilität mit aus- reichender Übereinstimmung entspricht.

Die erfindungsgemäß angegebenen Werte für die Maximalpermea- bilität bei 50 Hz entsprechen im wesentlichen dem Wert der Maximalpermeabilität im statischen Feld.

Die Maximalpermeabilität der erfindungsgemäßen Formteile im quasistatischen Feld bei f = 50 Hz beträgt vorzugsweise min- destens 275, insbesondere mindestens 300. Ganz besonders be- vorzugt sind Formteile mit Maximalpermeabilitäten von mehr als 400, insbesondere 480.

Im gesamten Frequenzband von 0 und bis 4 kHz beträgt die Ma- ximalpermeabilität vorzugsweise mindestens 200. Besonders be- vorzugt ist es, wenn die Maximalpermeabilität zwischen 0 bis 4 kHz oberhalb 300, insbesondere 350 liegt. Ganz besonders bevorzugt sind solche Formteile, deren Maximalpermeabilität zwischen 0 und 4 kHz oberhalb von 400 liegt.

Für bestimmte Anwendungen ist es wünschenswert, wenn die fre- quenzabhängige Permeabilität der erfindungsgemäßen Formteile im Bereich von 0 bis 4 kHz bei einer höheren Aussteuerung von B = 1 T (H > 10 A/cm) möglichst groß ist.

Die frequenzabhängige Permeabilität bei hoher Aussteuerung (1 T) beträgt für die erfindungsgemäßen Formteile vorzugsweise mindestens 200, insbesondere 250.

Die Biegebruchfestigkeit der erfindungsgemäßen Formteile, welche nach der weiter unten beschriebenen Methode bestimmt wird, beträgt vorzugsweise mindestens 30 N/mm2. Besonders be- vorzugt sind Werte von mehr als 50 N/mm2, insbesondere 60 N/mm2. Ganz besonders bevorzugt sind solche erfindungsgemäßen Formteil, die eine Biegebruchfestigkeit von mehr als 80 N/mm2 aufweisen.

Das erfindungsgemäß eingesetzte ferromagnetische Material ist vorzugsweise Eisen, Kobalt-Eisen, Nickel-Eisen oder Silizium- Eisen, welches in Form eines Pulvers eingesetzt wird. Obwohl für das ferromagnetische Material eine möglichst hohe Rein- heit bevorzugt ist, sind fertigungstechnisch bedingte geringe Unreinheiten praktisch nicht zu vermeiden. Das erfindungsge- mäße ferromagnetische Material enthält daher geringe Mengen an Verunreinigungen wie beispielsweise Stickstoff, Sauer- stoff, Schwefel oder Kohlenstoff. Der Kohlenstoffgehalt liegt vorzugsweise unter 0,1 %, insbesondere unter 0,03 %. Der Stickstoffgehalt liegt bevorzugt unter 0,01 %, insbesondere unterhalb 0,003 % Beispiele für erfindungsgemäß einsetzbare kommerziell erhältliche Eisenpulver sind solche der Bezeich- nung"AT40. 29","ASC100. 29"und"ABC100. 30"der Fa. Höganäs AB, Schweden.

Vorzugsweise ist für die Teilchengröße (dso) der Pulverteil- chen ein Wert von mindestens etwa 50ym sinnvoll. Im allgemei- nen führen größere Teilchen auch zu höheren Maximalpermeabi- litäten. Eine Obergrenze lässt sich bei zweckmäßigerweise 400Mm angeben.

Bei Optimierung der erfindungsgemäßen Formteile für eine hohe Permeabilität bei einer Aussteuerung von etwa B = 1 T ist ein Bereich von 50 bis 200 Hm besonders bevorzugt, da eine obere Grenze aufgrund der im Wechselfeld auftretenden Wirbelstrom- verluste gegeben ist. Zur Erzielung einer hohen Maximalperme- abilität ist ein Bereich von mehr als 200 bis etwa 400 Mm be- sonders bevorzugt.

Die Koerzitivfeldstärke der erfindungsgemäßen Formteile be- trägt vorzugsweise 1 bis 3 A/cm.

Im magnetischen Wechselfeld treten im erfindungsgemäßen Form- teil elektrische Verluste auf, die sich im wesentlichen aus Hystereseverlusten und Wirbelstromverlusten zusammensetzen.

In der Regel steigen die Verluste bei höheren Frequenzen an.

Unter Verlusten im Sinne der Erfindung werden die Gesamtver- luste aus allen gemessenen Verlustanteilen verstanden.

Die Verluste bei B = 1 T und f = 1 kHz der erfindungsgemäßen Formteile liegen vorzugsweise in einem Bereich von 80 bis 450 W/kg. Besonders bevorzugt sind solche erfindungsgemäßen Form- teile, welche Verluste von weniger als 250 W/kg bei B = 1 T und f = 1 kHz aufweisen. Ganz besonders bevorzugt sind Form- teile, deren Verluste unterhalb 160 W/kg liegen.

Die Messung der Verluste wird an einem Ringkern der Abmessun- gen 33 x 20 x 6 mm2 mit ni = 170 und n2 = 20 durchgeführt.

Der spezifische Widerstand der Formteile ist vorzugsweise größer als 500 ju2m.

Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zur Herstellung ei- nes magnetisierbaren Formteils umfassend die Schritte : - Behandlung eines Pulvers aus einem ferromagnetischen Ma- terial mit einer Phosphatkomponente - Behandlung mit einer weiteren Komponente enthaltend or- ganofunktionelle Silane oder Behandlung des Pulvers mit einer Komponente, die sowohl Phosphate als auch organo- funktionelle Silane enthält, - Ggf. Zugabe von Presshilfsmitteln, Bindern, Harzen oder Gleitmitteln, - Pressen des behandelten Pulvers zu einem Grünling und

- Glühung des Grünlings zu einem mechanisch verfestigten Formteil.

Die einsetzbaren organofunktionellen Silane sind Substanzen, die vorzugsweise Bausteine der allgemeinen Formel X R (CH2) n-Si-X (1) X wobei X eine leicht hydrolysierbare Gruppe ist und R für ei- nen organischen Rest steht, enthalten.

Beispiele für leicht hydrolysierbare Gruppen sind Cl, OCH3, OCH2H5 oder OCH2CH2OCH3.

Geeignete organische Reste sind beispielsweise Wasserstoff oder aliphantische oder aromatische Reste mit 2 bis 10 C- Atomen, die entweder unsubstituiert oder teilweise substitu- iert sein können. Geeignete Substituenten sind beispielsweise F, Br, I oder bevorzugt Chlor. Vorzugsweise werden unsubsti- tuierte organische Reste eingesetzt.

Die eingesetzten organofunktionellen Silane enthaltenden Sub- stanzen sind beispielsweise Vinylsilane, wie Vinyltrichlorsi- lan, Vinyltriethoxysilan, Vinyltrimethoxysilan, Vinyl-tris- (ß-metoxyethoxy) -silan oder Vinyltriacetoxysilan, Aminosila- ne, wie y-Aminopropyl-triethoxysilan, y-Aminopropyl- trimethoxysilan, N-ß- (Aminoethyl)-y-aminopropyl- trimethoxysilan oder N-ß- (Aminoethyl)-y-aminopropyl- trimethoxysilan oder N-ß- (Aminoethyl)-N- (ß-Aminoethyl)-y- aminopropyl-trimetoxysilan, Ureisosalkylsilane, Epoxyalkylsi-

lane, wie ß-Glyxidyloxypropyl-trimethoxysilan, Methacrylal- kylsilane, wie y-Methacryloxypropyl-trimetoxysilan oder y- Me. thacryloxypropyl-tris- (ß-methoxyethoxy)-silan oder Mercap- toalkysilane, wie y-Mercaptopropyl-trimethoxysilan oder y- Mercaptopropyl-triethoxysilan.

Der Gewichtsanteil der organofunktionellen Silane liegt vor- zugsweise im Bereich von 0,1 bis 3 Gew. -%, insbesondere 0,25 bis 2 Gew.-%.

In den Formteilen sind vorzugsweise übliche Gleitmittel zur Verbesserung der Pressdichte vorhanden. Beispiele für geeig- nete Gleitmittel sind Calcium-, Lithium-, Magnesium-, Zinkstearat und Stearinsäure. Im Prinzip sind aber auch ande- re Gleitmittel denkbar, solange sie auf den Pressvorgang un- terstützend wirken und sich nicht nachteilig auf die Riesel- fähigkeit des Pulvers auswirken.

Vorzugsweise wird als Gleitmittel Lithiumstearat, Stearinsau- re oder Ca-Stearat in einer Menge eingesetzt, die einerseits den Pressvorgang ausreichend unterstützt, andererseits jedoch noch zu hohen Maximalpermeabilitäten führt. Der Gewichtsan- teil liegt bevorzugt im Bereich von 0 bis 5 Gew. -%, insbeson- dere zwischen 0 und 0,6 Gew. -%.

Die erfindungsgemäß einsetzbaren Pulver können geglüht (vor- behandelt) oder ungeglüht verwendet werden. Werden die Pulver geglüht eingesetzt, so ist eine reduzierende Atmosphäre, ins- besondere eine wasserstoffhaltige Atmosphäre, bevorzugt.

Die Behandlung des Pulvers erfolgt auf an sich bekannte Wei- se, wie beispielsweise in W. Rausch et. al,"Die Phosphatie-

rung von Metallen", 2. Auflage, Eugen Leuze Verlag, Saulgau (1988) beschrieben.

Als äußere Schicht kann auf die Pulverteilchen ein Thermo- plast oder Duroplast aufgebracht werden, welches vor dem Pressen zu einem Grünling ausgehärtet wird, Vorzugsweise wird jedoch kein Thermoplast oder Duroplast aufgebracht.

Der Pressvorgang kann entweder bei Raumtemperatur oder bei einer Temperatur oberhalb Raumtemperatur (Warmpressen) erfol- gen. Wenn warmgepresst wird, sind Temperaturen von mindestens 80°C bevorzugt.

Vorzugsweise wird die Glühung des Grünlings in einer oxidie- renden Atmosphäre, wie beispielsweise Luft oder befeuchtetem Wasserstoff durchgeführt.

Die Glühung des Grünlings findet bevorzugt bei einer Tempera- tur von mindestens 500°C statt. Die Temperatur ist nach oben begrenzt durch die Temperatur, bei der die Isolationsschicht unwirksam wird. Für die eingesetzten Isolationsmittel liegt diese Grenze vorzugsweise etwa bei 680°C. Es kann dabei zur Erhöhung der Festigkeit von Vorteil sein, die Glühung bei verschiedenen Temperaturstufen durchzuführen.

Es ist möglich, die Silanbehandlung vor oder nach der Phosphatierungsbehandlung durchzuführen. Bevorzugt wird die Phosphatierung allerdings vor der Silanbehandlung durch ge- führt. Die Phosphate können in wässriger oder nichtwässriger Lösung angewendet werden.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist es eben- falls möglich, die Phosphatbeschichtung und Silanbeschichtung

in einem Arbeitsgang durchzuführen. Es hat sich gezeigt, dass die Pulverteilchen analog der in der DE-A1-4 403 876 be- schriebenen Methode zur Passivierung von metallischen Ober- flächen von Schrauben beschichtet werden können. Bei dieser Methode enthält das Silan bzw. Polysiloxan eingebaute Phos- phor-Sauerstoff-Baugruppen, die vorzugsweise als Zwischen- glieder in Polysiloxan-ketten (SI-O-Si-O-P-P-Si-...) einge- baut sein können. Dabei ist das Atomverhältnis P : SI in der Siloxanschicht vorzugsweise größer als 0,01.

Die erfindungsgemäßen Formteile können je nach Herstellungs- bedingungen eine offene Restporösität besitzen, die sich nachteilig auf die Korrosionsbeständigkeit auswirken kann.

Zur Verbesserung des Korrosionsschutzes wird vorzugsweise das Formteil nach der Glühung einer Vakuumimprägnierung mit flüs- sigen Harzen und anschließender Härtung unterzogen. Geeignete Harze sind an sich bekannte vernetzende oder thermoplastische Harze, wie beispielsweise anaerobe Methacrylatharze. Das Ein- dringen des Harzes in das Formteil kann mit Hilfe von unter Druck stehendem Gas gefördert werden. Geeignete Drücke liegen zweckmäßigerweise im Bereich von 3 bis 30 bar.

Auf diese Weise lassen sich öl-und benzinfeste Formteil mit guter Temperaturbeständigkeit bis zu etwa 250°C herstellen.

Ferner umfasst die vorliegende Erfindung die Verwendung des erfindungsgemäßen Formteils in Magnetventilen, als Kerne von Zündspulen oder als Joche in Magnetsystemen zur Ventilsteue- rung oder als Rotor oder Stator in Motoranwendungen oder an- deren elektrischen Maschinen.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand von in den Figuren Zeichnung gezeigten Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigt :

Figur 1 die Frequenzabhängigkeit der Maximalpermeabilität von Proben gemäß Herstellung nach den Beispielen 1, 3,4, 6,7, und 8, Figur 2 die Frequenzabhängigkeit der Maximalpermeabilität von Proben gemäß Herstellung nach den Beispielen 1 und 10-19 und Figur 3 die Frequenzabhängigkeit der Maximalpermeabilität von Proben gemäß Herstellung nach den Beispielen 20 und 21 mit variierter Aussteuerung des Ringkerns.

Beispiel 1 (Vergleich) Herstellung von Kernen mit Phosphatisolation in wässriger Lö- sung 200 g Eisenpulver (AT 40.29, Fa. Höganäs) mit einer mittleren Teilchengröße d50 = 265Mm und einem C-Gehalt bzw. N-Gehalt von etwa 0,003 % und einem 0-Gehalt von etwa 0,081 % wurde auf HCl angeätzt und mit einer wässrigen Lösung zur Phospha- tierung behandelt.

Zur Herstellung der Lösung wurde die kommerziell erhältliche Phophatierung Novaphos F 2311 (Fa. Novamax) in Wasser gelöst (15 g F 2311 pro Liter Wasser) und die Lösung bei 57°C mit Natronlauge auf einen pH-Wert von 5,0 eingestellt. Anschlie- ßend wurde das Eisenpulver mit 1 1 der Lösung gemischt. Nach 5 min wurde die Reaktion durch Spülen mit Wasser gestoppt und das Pulver bei 130°C an Luft getrocknet.

Anschließen wurde das Pulver mit einem nach der Härtung fle- xiblen Epoxid-Harz (Epikote EP 1055, Fa. Shell ; Erweichungs- temperatur 90-95°C, Dichte : 1, 19d/cm3) gemischt. Das Harz wurde in Form einer 20%-igen Aceton-Lösung eingesetzt und dem Pulver in einer Menge von 2,5 g pro 100 g Pulver (0,5% EP 1055) zugegeben. Die Mischzeit betrug 30 min. Anschließend erfolgte eine Verdampfung des Lösungsmittels im Vakuum.

Vor dem Pressen wurde als Gleitmittel 0,5 Gew. -% Calciumstea- rat zugegeben und ca. 30 min untergemischt.

Das so hergestellte Pulver wurde in einer undirektionalen Presse mit einem Druck von 600MPa zu Ringen mit einem Außen- durchmesser von 33 mm, Innendurchmesser von 20 mm und einer Höhe von 6 mm gepresst. Schließlich erfolgte eine Glühung in 2 Stufen, zunächst 1 h bei 600°C in alternieren Luft/Vakuum und dann 1 h bei 520°C an Luft.

Beispiel 2 (Vergleich) Nicht wässrige Phosphatierung Die Herstellung entspricht Beispiel 1 mit folgendem Unter- schied : 1000 g Eisenpulver entsprechend Beispiel 1 werden mit 80 g Aceton und 3,37 g H3P04 und lg H20 30 min reaktionsgemischt und bei Raumtemperatur unter Vakuum getrocknet.

Die Maximalpermeabilität über die Frequenz dieser Probe ist in Fig. 1 (AT 40.29 OF) und 2 (AT 40.20 OF/0,5 % EP 1055 =, 5 % Ca RT) aufgetragen.

Beispiele 3 bis 5

Phosphat und Silanbehandlung Entsprechend Beispiel 2 wurden Eisenpulver mit einer Phos- phatschicht versehen und dann mit unterschiedlichen organo- funktionellen Silanen beschichtet.

Verwendete Silanverbindungen :

Beispiel Probe Verbindung Herstellerbe- zeichnung 3 S187 Union Carbide Glycidy-A 187 loxypropyl- trimetholxysi- lan 4 S1100 Vinyl-tris- (ß- Union Carbide (D methoxy-A 172 ethoxy)-silan 5 S172 y-Union Carbide Aminopropyl-A 1100 triethoxysilan

Aus diesen Silanverbindungen wurden verschiedene Lösungen der Zusammensetzung 4 g Silan, 95 g Isopropanol und 1 g aqua dest hergestellt.

Zur Bildung der Silanschicht wurden die phosphatierten Fe- Pulver mit der Silanlösung im Mengenverhältnis 0,5 g Silan pro 100 g Eisenpulver gemischt und 1 h reaktionsgemischt. Die Mischungen wurden dann 1,5 h bei 150°C im Vakuum getrocknet.

Anschließend wurden die Pulver entsprechend Beispiel 1 zu Kernen weiterverarbeitet.

Die gemessene Maximalpermeabilität ist in Fig. 1 dargestellt.

Beispiele 6 bis 8 Variation des Silananteils Es wurden Kerne gemäß Beispielen 3 bis 5 mit unterschiedli- chem Silananteil hergestellt. Beispiel Menge Silan Silanverbindung pro 100 g Ei- senpulver 6 0, 2 g A1100 7 0, 2 g A187 8 0, 05 g A187 9 1 g A187 Figur 1 zeigt die Maximalpermeabilität der hergestellten Ker- ne in Abhängigkeit der Frequenz des Magnetfelds im Vergleich zu. Proben ohne Zusatz von organofunktionellen Silanen (AT 40.29 OF).

Beispiele 10 bis 19 Variationen des Gleitmittels und der Presstemperatur Entsprechend der Beispiele 3 und 9 wurden Kerne hergestellt, bei denen den Pulvern vor dem Pressen 0,5 % eines Gleitmit- tels zugesetzt wurden. Das Pressen der Pulver erfolgte entwe- der bei Raumtemperatur (RT) oder bei 150°C. Beispiel Gleitmittel Presstempera-Menge Silan tur A187 10 Li-Stearat RT 0, 5 % 10a Li-Stearat 150°C 0, 5 11 Stearinsäure RT 0, 5 % lla Stearinsäure 150°C 0, 5 % 12, 13 Ca-Stearat RT 0, 5 % 13a Ca-Stearat 150°C 0, 5 14 Ca-Stearat RT 1% 15 Li-Stearat RT 1 % 16 Ca-Stearat 1500c 1 % 17 Li-Stearat 1500c 1 % 18 Stearinsäure RT 1 % 19 Stearinsäure 150°C 1 %

Die Maximalpermeabilität der Kerne in Abhängigkeit von der Frequenz des angelegten Feldes ist in Fig. 2 dargestellt.

In Tabelle 1 sind die Messwerte der Maximalpermeabilität bei einer Frequenz des angelegten Feldes von f = 50 Hz für die Beispiele 10,11, und 13-19 zusammengefasst.

Beispiel 20 5 kg des Pulvers AT 40.29 (Fa. Höganäs) mit dso = 265 ym wur- den mit 15 g H3P04 und Aceton in einem Mischer phosphatiert.

Anschließend wurde das Aceton abgepumpt. Nach Zugabe von 50 g Silan A187 mit Isopropanol und Wasser wurde abermals durchge- mischt und abgepumpt. Das erhaltene Pulver wurde mit 0,5 % Li-Stearat in einem Taumelmischer versetzt. Die Herstellung von Ringen erfolgte entsprechend Beispiel 1.

Die Maximalpermeabilität (H = 10 A/cm) betrug 440.

Die Frequenzabhängigkeit der Maximalpermeabilität und der Permeabilität bei B = 1 T zeigt Fig. 3.

Beispiel 21 Es wurden entsprechend Beispiel 20 weitere Ringe hergestellt, jedoch durch Verwendung eines Pulvers mit d50 = 120pm (ABC100.30, Fa. Höganäs).

Bei f = 3 kHz und einer Induktion B = 1 T (höhere Aussteue- rung gegenüber Beispiel 20) wird eine Permeabilität von 304 erreicht. Die Frequenzabhängigkeit der Maximalpermeabilität und der Permeabilität bei B = 1 T ist in Fig. 3 dargestellt.

Messung der Biegefestigkeit Um die Biegefestigkeit der Kerne zu bestimmen, wurden analog der vorstehenden Beispiele quaderförmige Stäbe mit den Abmes- sungen ls = 40 mm, b = 10 mm, h = 4 mm gepresst.

Die Messung erfolgte auf übliche Weise durch Auflage des Sta- bes an zwei Punkten mit einem Abstand von 15 mm und Anlegen einer nach unten wirkenden Kraft in der Mitte zwischen diesen Punkten. Aus der gemessenen Biegebruchkraft FB errechnet sich die Biegefestigkeit SB nach folgender Formel : SB = 1, 5 x (Fa X 1S)/ (b x h2) Die Biegebruchfestigkeit wurde jeweils an 3 gleichartigen Proben gemessen und aus den Werten für SB der Mittelwert be- stimmt. Die Ergebnisse der Messungen sind in Tab. 2 darge- stellt.

Die Beispiele zeigen, dass durch den Einsatz von organofunk- tionellen Silanen die Permeabilität von Pulverkernen erhöht werden kann. Insbesondere im Frequenzbereich bis 4 kHz und darüber zeigt sich eine erhebliche Verbesserung gegenüber be- kannten Pulverkernen (AT 40.29 OF).

Ferner werden noch drei weitere Gruppen an Ausführungsbei- spielen vorgestellt. Für jede Gruppe werden im folgenden zwei Ausführungsbeispiele aufgeführt. Alle Pulver (teilweise vor- geglüht) wurden gemäß der vorliegenden Erfindung beschichtet, gepresst und geglüht. Die Herstellungsparameter und die re- sultierenden Eigenschaften sind in den nachfolgenden Tabellen aufgeführt.

1. Gruppe

Lith-Pres glu Press-Glüh-Glühat- Bsp Vorglü ium- s- h- Pulver tempe-tempe-mos- hung Ste- druc pro ratur ratur phäre arat k fil [Gew. [Mpa [°C] [°C] %]] ja 1 ASC (+0,75 0, 25 800 20 525 1 h Ar 100.29 Gew. % MgO) ABC 2 nein 0,125 800 20 500 1 h OF spezifi-spezifi- spezi- Koerzi- sche sche µmax fi- tiv- Verlust- Verlaust- Bsp. Dichte (50 scher c Hz) feldsta leistung leistung rke (50 Hz / (1 kHz / stand 1 T) 1 T) [(Ws2)@ [g/cm3] [µ#m][pA/cm] [W/kg] [W/kg] (kgm2)] 1 7, 37 310 788 2, 29 5,59 124 0,40 2 7,33 300 895 2,44 5,78 131 0, 22 2. Gruppe Lithi Pres Press- Glü um- Glüh- Glühat- Bsp Vorglü- s- temper h- Pulver tempe- mos- . hung druc atur pro Ste- k ratur fil phäre arat [Gew. [MPa [°C] [°C] %] ] 3 ASC nein 0,25 800 20 550 OF OF 100. 29 4 ASC nein 0,25 800 150 550 OF OF spezifi- spezifi- f Koerzi-sche sche µmax fi- tiv- Verlust- Verlust- Bsp. Dichte (50 scher c Hz) Wider-feldstä leistung leistung stand rke (50 Hz/(1 kHz/1 T) 1 T) z [g/cm3] [µ#m] [A/cm] [W/kg] [W/kg] (kgmz) l 3 7,31 323 392 2,28 5, 53 121 0,23 4 7,39 369 227 2,26 5,37 124 0,48

3. Gruppe Liti Pres Press- Glü Glüh Glühat- Bsp Vorglü- um- s- temper h- Pulver tempe- mos- hung Ste- druc atur pro ratur phäre arat k fil [Gew. [Mpa [°C] [°C] %] ] ja At (+0,25 5 0,25 800 20 525 1 h Luft 40.29 Gew.% MgO) ABC 6 nein 0,25 800 20 550 OF OF 100.30 spezifi- spezifi- spezif Koer- sche sche µmax ischer zitiv- Verlust- Verlust- Bsp. Dichte (50 feld- leistung leistung Hz) Wider- stärke (50 Hz / (1 kHz / stand 1 T) 1 T) [g/cm3] [µ#m] [A/cm] [W/kg] [W/kg] [(Ws2} / (kgm2)] 5 7,33 370 79 1,89 5,03 157 0,64 6 7,32 330 76 2,08 5,18 140 0,97

Alle Daten der oben aufgeführten drei Gruppen beziehen sich auf Mittelwerte von Messungen an jeweils drei Ringen bzw. fünf Stäben.

Die Widerstände wurden an Stäben mit oxidierter Oberfläche gemessen. Die Oxidation resultiert aus der Glühung, wegen der sehr geringen Porösität des Materials (hohe Dichte) ergibt sich aber nur eine dünne Oxidschicht.

Die Oxidschicht ist ein besserer elektrischer Leiter als der eigentliche Pulververbundwerkstoff. Bei der Widerstandsmes- sung über die Stablänge liegt demnach eine Parallelschaltung aus dünner Oxidschicht (geringer spez. Widerstand) und Pul- ververbundwerkstoff (hoher spez. Widerstand) vor. Die gemes- sen Werte des spez. Widerstands für den gesamten Stab sind deshalb kleiner als der spez. Widerstand für den eigentlichen Pulververbundwerkstoff.