Verbesserung des Eigenschaftsspektrums maßgeschneiderter SMC-Werkstoffe
Creators: name: Schuller, David
Publisher: name: Karlsruher Institut für Technologie (KIT)
Year: 2021
Subjects: Weichmagnetische Kernmaterialien
weichmagnetische Verbundwerkstoffe
SMC
Soft Magnetic Composites

description: Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurden umfassende metallographische Untersuchungen (Lichtmikroskopie, Kerr-Mikroskopie und EBSD) der Mikrostruktur weichmagnetischer Verbundwerkstoffe (SMC, engl. Soft Magnetic Composites) unter Korrelation mit der damit verbundenen magnetischen Performance durchgeführt. Neben der Größe, Form und Verteilung von Partikeln und inneren Kornstrukturen, der Porosität, Domänenstruktur und des Verformungs- und Rekristallisationszustands von industriellen SMC-Werkstoffen verschiedener Hersteller sind auch eigene Synthesevariationen enthalten. Letztere beinhalten ausgehend von der Veränderung des Ausgangspulvers (Partikelgrößenverteilung von 15 - 500 µm und innere Kornstruktur mit einer flächengewichteten mittleren Korngröße d50,f von 40 - 58 µm) Variationen der Prozessparameter in der Kompaktierung (Pressdruck 200, 400 und 800 MPa, mit / ohne Schmiermittel) und der Wärmebehandlung (Grünzustand, 400 °C, 500 °C, 600 °C, 700 °C und 800 °C in Zeitintervallen von wenigen Minuten bis 20 h). Ziel war es, weitere Ansätze zur Verbesserung des Eigenschaftsspektrums dieser noch relativ neuen Materialklasse zu erarbeiten. Im ersten Schritt wurden hierzu bestehende industrielle SMC-Werkstoffe verschiedener Hersteller hinsichtlich des Eigenschaftsprofils analysiert, um mögliche Stellgrößen zur Eigenschaftsverbesserung abzuleiten. Es zeigten sich folgende strukturelle Auffälligkeiten: • Innere Korngrößenverteilung zeigt signifikante Unterschiede. • Form der inneren Körner ist unterschiedlich. • Durch Pressvorgang resultiert eine Partikelformanisotropie. • Gröbere Partikel zeigen auffällig hohe innere Porosität. • Anteil und Verteilung von eingebrachten Verformungen variiert. • Rekristallisation der Kornstruktur ist nicht vollständig abgeschlossen. Auf Basis dieser Erkenntnisse wurde der SMC-Herstellungsprozess beginnend mit dem Zustand des Ausgangspulvers über Parametervariationen am industriellen SMC-Werkstoff AncorLam® (Hoeganaes Corp.) tiefergehend untersucht. Die Einflüsse der Kompaktierung auf die mikrostrukturellen Gegebenheiten wie Verformungsanteil (Missorientierungen, EBSD), Korngrößenverteilung, Kornform, Partikelformanisotropie und den Anteil an Porosität (intra- und intergranular) wurde mit den magnetischen Eigenschaften korreliert. Die Resultate zeigten, dass bereits im Ausgangspulver geringe Anteile an missorientierten Bereichen (~ 25 %, &gt; 4°) vorliegen. Auch können diese mittels Pressdruckvariation gezielt beeinflusst werden (200 MPa: 41 %, 400 MPa: 56 % und 800 MPa: 67 %). Zusätzlich kommt es in Folge des Kompaktierungsvorgangs zur Beeinflussung der Kornform. So nimmt die Elliptizität von Körnern &gt; 60 µm von 0.87 auf 0.9 zu. Durch Versuche mit unterschiedlichen Partikelgrößenverteilungen (50 µm Schritte) konnte nachgewiesen werden, dass das Verformungsverhalten ausgehend von feinen Partikeln (&lt; 100 µm) bis hin zu den gröbsten Partikeln (&gt; 300 µm) sehr unterschiedlich erfolgt. Hierzu werden unter anderem Messdaten des Kraft-Weg-Verlaufs zur Interpretation genutzt und der Kompaktierungsvorgang in weitere Phasen unterteilt. Während feine Partikelfraktionen vorwiegend an der Partikeloberfläche verformte Bereiche aufweisen, kommt es bei den gröbsten Partikeln zu bandartigen Verformungen der inneren Kornstruktur. Es zeigte sich, dass die Morphologie und Größe der inneren Kornstruktur mit der Partikelgröße variiert (&lt; 100 µm: 40 µm, 100 - 200 µm: 58 µm, 200 - 300 µm: 55 µm, 300 - 400 µm: 49 µm und &gt; 400 µm: 46 µm.) und ein für die Magneteigenschaften (hier Hystereseverluste, Koerzitivfeld und Permeabilität) günstigstes Verhältnis aus Partikelgröße und innerer Kornstruktur definiert werden kann. So erreichten in dieser Arbeit Fraktionen mit einer Partikelgröße von 100 - 200 µm und der gröbsten inneren Kornstruktur von 58 µm die besten Verformungseigenschaften, ausgeprägteste Rekristallisationsanteile (80 %) und geringste Hystereseverluste (4 W/kg) nach der Wärmebehandlung. Die Wärmebehandlung zeigte sich dabei trotz der Limitierung durch die Temperaturbeständigkeit der Partikelbeschichtung (&lt; 600 °C) als vielseitige Stellgröße, die innere Kornstruktur gezielt einzustellen und damit weitere Verbesserungen des Eigenschaftsspektrums zu erreichen. Hierzu werden neben konventionellen Temperaturen und Zeitintervallen auch Versuche bei 700 - 800 °C unter langen Prozesszeiten vorgestellt und der Beginn und das Voranschreiten der Rekristallisation und der Kornwachstums veranschaulicht. Dadurch war es möglich, die Kornstruktur vom industriell wärmebehandelten Zustand (500 °C) mit einer flächengewichteten mittleren Korngröße d50,f ausgehend von 48 µm auf einen Wert von 57 µm (800 °C) zu vergröbern. Ausgehend von diesen Gefüge-Eigenschaftskorrelationen ist es möglich, neue Impulse für weitere Eigenschaftsverbesserungen aufzuzeigen. Beispielsweise könnten maßgeschneiderte Partikel- und Korngrößenverteilungen, effizientere Verformungsprozesse und Rekristallisationen erlauben. Vor allem grobe Partikelgrößenverteilungen &gt; 300 µm zeigen große Potenziale, sofern auch hier eine grobe Kornstruktur mit Körnern im Bereich 50 - 100 µm erreicht und die bandartige Verformung der großen Partikel zur gezielten Rekristallisation ausgenutzt werden kann. Bei Einsatz grober Partikelverteilungen bietet außerdem die prozessbedingte Anisotropie der magnetischen Eigenschaften weitere Potenziale.