Possibilities for increasing the strength of soft magnetic green bodies

Abstract

The ever-growing demand for smaller and more efficient electronic devices creates a need for further improvement of magnetic materials, which are used as cores in special transformers and inductors. Here, the so-called Soft magnetic composites (SMCs) play an important role. The SMC needs to retain a high permeability and, at the same time, experience low magnetic losses even at high AC frequencies up to the MHz range. A common way to meet these criteria is to alloy a ferromagnetic iron powder with elements like Si to increase its electric resistivity and thereby reduce losses stemming from eddy current formation in the individual particles. This, however, leads to the powder becoming brittle and hard, making it almost impossible to use for uniaxial cold compaction.This work aimed to improve the mechanical stability of cold compacted powder cores by introducing a ductile carbonyl iron powder (CIP) to the hard base powder. As a base powder, an iron powder containing 5.4wt% silicon (FeSi5.5) was selected, which, on its own, proved to have an exceptionally bad compaction behavior, leading to delamination of the produced green bodies. Different mixing ratios of CIP and FeSi5.5 powder, together with different pressing agents, were pressed to ring-shaped samples using a floating die. The pressing results of said Ring cores were assessed by measuring the geometric density and taking pictures of the sample surface. Furthermore, the influence of the added CIP on the magnetic behavior was evaluated by characterizing the most promising samples with a BH analyzer. In addition, the influence of an annealing treatment at 600 °C for 1h on magnetic properties was investigated.The addition of CIP to FeSi5.5 improved stability by preventing horizontal cracking and delamination for nearly all sample compositions and tested pressing parameters. Furthermore, a significant increase in green density was observed, with samples reaching up to 92% of the theoretical density. The magnetic measurements revealed that adding CIP with correct sample treatment enhanced permeability and, in some cases, even reduced the overall losses of an SMC containing FeSi5.5. This proved that CIP not only helps improving stability and compaction behavior for the SMC but also bears potential to retain or even boost the magnetic properties, which is beneficial for future research and applications.

Die stetig wachsende Nachfrage nach kleineren und effizienteren elektronischen Geräten erfordert eine stetige Verbesserung von magnetischen Kernmaterialien für spezielle Transformatoren und Induktoren. Dabei spielen sogenannten Soft Magnetic Composites (SMC) eine wichtige Rolle. Die SMCs müssen eine hohe Permeabilität und geringe magnetische Verluste auch bei hohen Wechselstromfrequenzen bis in den MHz-Bereich aufrechterhalten. Ein üblicher Weg, um diese Kriterien zu erfüllen, besteht darin, ein ferromagnetisches Eisenpulver mit Elementen wie Silizium zu legieren, um dessen elektrischen Widerstand zu erhöhen und damit Verluste durch Wirbelstrombildung in den einzelnen Partikeln zu reduzieren. Dies führt jedoch dazu, dass das Pulver spröde und hart wird, was es nahezu unmöglich macht, es für uniaxiale Kaltverdichtung zu verwenden.Diese Arbeit zielt darauf ab, die mechanische Stabilität kaltverdichteter Pulverkerne durch die Zugabe eines duktilen Carbonyleisenpulvers (CIP) zu verbessern. Als Grundpulver wurde ein Eisenpulver mit 5,4wt% Silizium (FeSi5.5) ausgewählt, dass sich als außergewöhnlich schlecht zu kompaktieren erwies, was zu Delamination der hergestellten Grünkörper führte. Mithilfe einer Schwebe Matrize wurden verschiedene Mischungsverhältnisse von Carbonyleisen- und FeSi5.5-Pulver zu ringförmigen Proben gepresst. Die Ergebnisse von Pressversuchen an Ringkernen wurden anhand von geometrischen Dichtebestimmungen und Bildaufnahmen der Probenoberfläche bewertet. Darüber hinaus wurde der Einfluss des zugefügten CIP auf das magnetische Verhalten durch Charakterisierung der vielversprechendsten Proben mit einem BH-Analysator bewertet. Weiters wurde der Einfluss einer Wärmebehandlung bei 600 °C für 1 Stunde auf die magnetischen Eigenschaften untersucht.Die Zugabe von CIP zu FeSi5.5 verbesserte die Stabilität, indem das Auftreten von horizontalen Rissen und Delamination für nahezu alle Probenzusammensetzungen und getesteten Pressparameter verhindert wurde. Darüber hinaus wurde eine signifikante Zunahme der Gründichte beobachtet, wobei bestimmte Proben bis zu 92% der theoretischen Dichte erreichten. Die magnetischen Messungen zeigten, dass die Zugabe von CIP mit richtiger Probenbehandlung die Permeabilität erhöhen und in einigen Fällen sogar die Gesamtverluste reduzieren kann. Dies bewies, dass CIP nicht nur helfen kann, die Stabilität und die Verpressbarkeit zu verbessern, sondern auch das Potenzial besitzt, die magnetischen Eigenschaften zu erhalten oder sogar zu steigern. Diese Vorteile können durch weitere Forschung ausgebaut und schließlich auch in Anwendungen genutzt werden.