Herstellung von Ba-Hexaferrit-Magnetbauteilen durch Pulverspritzgießen

Abstract

Hartmagnetische Werkstoffe werden heute bei der Herstellung von diversen magnetischen Bauteilen für verschiedene Anwendungen eingesetzt.<br />Wegen der im allgemeinen schwierigen Bearbeitbarkeit sind hier "Near-net-shape" Fertigungsverfahren für die Formgebung besonders attraktiv. Das Pulverspritzgießen (PIM-Powder Injection Molding) ist eine flexible Technologie, die die Herstellung von hochkomplexen geometrischen Formen aus sehr unterschiedlichen Werkstoffen (d.h. aus Metallen, Keramiken etc.) mit sehr kleinen, aber auch verhältnismäßig großen Dimensionen erlaubt, was bei Anwendung vieler anderer Technologien oft nicht möglich oder zumindest unwirtschaftlich ist.<br />Hartmagnetische Bauteile müssen sehr oft magnetisch anisotrop sein; für optimale Eigenschaften muss auch die kristallographische Anisotropie entsprechend eingestellt werden. In der vorliegenden Arbeit wurde versucht, beim Pulverspritzgießen die Anisotropie dadurch zu erreichen, dass die magnetischen Domänen während der Einspritzphase entsprechend ausgerichtet werden. .<br />Es wurde eine systematische Untersuchung und Optimierung der gesamten PIM-Fertigungskette: vom Aufbau des Versuchsfeldes (Spritzgießmaschine und Werkzeug), über die Feedstockaufbereitung, das Spritzgießen im Magnetfeld, die Entbinderung bis zum Sintern durchgeführt. Bei der Beurteilung der Sinterprodukte wurden die magnetischen Eigenschaften, Remanenz, Koerzitivfeldstärke und das maximale Energieprodukt (BxH)max bei isotropen und anisotropen Proben untersucht.<br />Als Werkzeugform wurde ein Zylinder genommen. Um die Werkzeugkavität wurde eine Spule eingebaut, die hohe Gleichströme durchlässt und damit während der Einspritzphase im Werkzeug ein axiales Magnetfeld in der Hauptachse des Zylinders erzeugt, wodurch die Domänen in den Pulverpartikeln magnetisiert und parallel orientiert wurden. Bei der Optimierung des gesamten PIM-Prozesses wurden isotrope und anisotrope Sinterteile hergestellt, wobei der Einfluss der Spritz- und Sinterparameter auf die magnetischen Eigenschaften der gesinterten Proben untersucht wurde. Das Verhältnis der magnetischen Ausrichtung zwischen isotropen und anisotropen Proben wurde mit Hilfe der Rietveld-Methode analysiert und schlussendlich das maximale magnetische Produkt (BxH)max ermittelt. Es zeigte sich, dass durch das Spritzgießen im Magnetfeld tatsächlich kristallographisch und magnetisch anisotrope Sinterkörper erzeugt werden konnten, deren magnetische Eigenschaften, insbesondere das Energieprodukt, in der Vorzugsrichtung deutlich besser waren als bei den isotropen Vergleichsmaterialien. Spritzgießen im äußeren Magnetfeld erscheint demnach nicht nur technisch machbar, sondern auch für die industrielle Praxis attraktiv zu sein.

Hard ferrite materials are used nowadays in the production of numerous magnetic components for various applications. Because of the generally difficult machinability of ferrites, "Near-net-shape" production techniques are particularly attractive for shaping.<br />PIM-Powder Injection Molding is a quite flexible technology that enables the production of highly complex geometrical shapes from very different materials (from metals, ceramics etc.) in very tiny but also relatively large dimensions. This is something often impossible or at least uneconomical when other technologies are used. Frequently, hard ferrite components have to be magnetically anisotropic; for maximum properties also the crystallographic anisotropy should be adjusted accordingly. This work tried to reach an anisotropic state in hard ferrite specimens produced by PIM-Powder Injection Molding by appropriate alignment of magnetic domains during the injection phase. The whole PIM-produce process ran through a systematic and optimum examination: from setting up proving ground (injection machine and tool), preparing of feedstock, injection molding in the magnetic field and debinding to sintering. For the evaluation of the sintering products, the main magnetic properties, i.e. remanence, coercive force and the maximum energy product (BxH)max, were measured in isotropic and anisotropic samples. For tool design, a cylindrical cavity shape was chosen. Around the cavity a coil was built that allows high direct currents to pass and thus generates an axial magnetic field in the main axis of the cylinder during the phase of injection, whereby the domains in the powder particles were shown to be magnetized and oriented parallel to the main axis.<br />In optimizing the whole PIM-process, isotropic and anisotropic sintered parts were produced and for both the influence of the injection and sintering parameters on the magnetic properties were examined. That ratio of magnetic alignment between isotropic and anisotropic samples, respectively, was analysed employing the Rietveld-method, and finally the maximum magnetic product (BxH)max was determined. It turned out that through injection molding in a magnetic field actually crystallographically and magnetically anisotropic sintered bodies could be produced, the magnetic properties of which - especially the energy product - were distinctly better after alignment compared to isotropic materials. Therefore, injection molding in an external magnetic field seems to be possible not only technically, it also can be attractive for industrial practice.