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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum elektrischen Isolieren
von Elektroblech, ein durch das erfindungsgemäße
Verfahren hergestelltes elektrisch isoliertes Elektroblech, einen
lamellierten magnetischen Kern mit dem Elektroblech und ein Verfahren
zum Herstellen eines lamellierten magnetischen Kerns. Die Herstellung
der elektrisch isolierenden Beschichtung erfolgt über eine
metallorganische Sol-Gel-Route unter Verwendung von zumindest einem
Organosilan gefolgt von einer mehrstufigen Wärmebehandlung.
Das Verfahren ist insbesondere für leicht oxidierbare Elektrobleche
geeignet.
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Lamellierte
magnetische Kerne sind bekannt und finden beispielsweise als Flusskonzentratoren
in Hochleistungsinduktionsheizungsvorrichtungen Verwendung, wie
sie zum Randschichthärten von Stahlbauteilen verwendet
werden.
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Magnetische
Kerne und Flusskonzentratoren sind im Allgemeinen aus gegeneinander
elektrisch isolierten, weichmagnetischen Elektroblechen aufgebaut.
Einige Beispiele für solche teilweise komplex geformten
Flusskonzentratoren für die Induktionshärtung
von Zahnrädern sind in der veröffentlichten internationalen
Anmeldung
WO 97/36459 beschrieben.
Für die Elektrobleche werden weichmagnetische metallische
Werkstoffe verwendet, um Hystereseverluste beim Ummagnetisieren
der magnetischen Kerne möglichst gering zu halten. Weichmagnetische
Werkstoffe zeichnen sich durch eine leichte Magnetisierbarkeit,
d. h. geringe Koerzitivfeldstärke (Hc < 20 A/m) und eine hohe Sättigungsmagnetisierung
aus. Sie haben je nach Anwendung und Frequenzbereich Permeabilitäten μ zwischen
10 bis 20.000, d. h. sie verstärken ein äußeres
Magnetfeld um den entsprechenden Faktor. Je nach Frequenzbereich
treten bei weichmagnetischen Werkstoffen deshalb nur relativ geringe
Verlustleistungen in der Größenordnung von 1 bis
100 W/kg auf.
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Die
weichmagnetischen Eigenschaften der Elektrobleche werden insbesondere
durch ein sehr feinkörniges Gefüge erreicht. Typische
Stähle für weichmagnetische Elektrobleche haben
geringe Kohlenstoffgehalte kleiner 0,1% und Siliciumgehalte zwischen
2% und 6% und werden einer speziellen Wärmebehandlung und
Umformung unterzogen, um ein möglichst feinkörniges
Gefüge einzustellen, wobei zwischen kornorientierten und
nicht kornorientierten Gefügen unterschieden werden kann.
Die Herstellung derartiger Elektrobleche aus Siliciumstahl wird
beispielsweise in den Patenten
EP
0835944 (
DE 697 05
282 ),
EP 0835944 (
DE 697 05 282 ),
EP 0798392 (
DE 696 13 343 ),
EP 0400549 (
DE 690 22 628 ) und
EP 0423331 (
DE 689 21 479 ) beschrieben. Weitere
Informationen zu den für die Erfindung relevanten Elektroblechen
sind auch im
Merkblatt 401 "Elektroband und -blech" Ausgabe
2005, ISSN 0175-2006 des Stahl-Informationszentrums Düsseldorf
zusammengefasst.
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Weitere
weichmagnetische Werkstoffe, die ebenfalls – wenn auch
in deutlich geringem Umfang – für die Herstellung
von Elektroblechen eingesetzt werden, sind Nickel-Eisen-(NiFe) und
Eisen-Kobalt-Legierungen (FeCo). Auch hier wird der weichmagnetische
Zustand durch feinstkristalline Gefüge erreicht, die durch
spezielle Wärmebehandlungen und Umformprozesse eingestellt
werden. Typischerweise erfolgt eine abschließende Wärmebehandlung (Abschlussglühbehandlung)
zur Einstellung der gewünschten weichmagnetischen Eigenschaften
im Temperaturbereich zwischen 700 bis 1100°C für
2 bis 10 h, wie z. B. dem Katalog
"Teile und Komponenten 2003" der
VACUUMSCHMELZE GmbH & Co
KG, 63412 Hanau zu entnehmen ist. Beispielsweise wird der
weichmagnetische Werkstoff MUMETALL der VACUUMSCHMELZE GmbH (ca.
80% Nickel) mit einer statischen Koerzitivfeldstärke von
3 A/m und einer Sättigungspolarisation von 0,8 T bei 1000°C
für 4 h geglüht. VACUFLUX48 (ca. 50% Kobalt) mit
einer statischen Koerzitivfeldstärke von 80 A/m wird bei 880°C
für 10 h geglüht. Bei der Glühbehandlung
wird durch Diffusion ein möglichst homogener Werkstoffzustand
angestrebt, da Inhomogenitäten im Gefüge zu einer
Erhöhung der Koerzitivfeldstärke führen.
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Neben
den Hystereseverlusten durch das periodische Ummagnetisieren treten
bei höheren Frequenzen zusätzliche Verluste aufgrund
induzierter elektrischer Ströme auf. Zur Reduzierung dieser induktiven
Verlustleistung werden nach dem Stand der Technik entweder weichmagnetische
Verbundwerkstoffe mit einem hohem spezifischen elektrischen Wider stand
verwendet [siehe z. B.
EP 0541887 (
DE 692 10 954 ) und
DE 36 030 61 ] oder die magnetischen
Kerne werden durch einzelne, voneinander elektrisch isolierte Elektrobleche
aufgebaut, wobei diese in der Regel eine Dicke im Bereich von 0,1
bis 1,2 mm aufweisen.
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Durch
elektrisch isolierende Beschichtungen zwischen den Elektroblechen
wird die Ausbreitung der induzierten Ströme und damit die
Verlustleistung beim Ummagnetisieren der magnetischen Kerne reduziert.
Die Anordnung bzw. Orientierung der Elektrobleche erfolgt in der
Art, dass die durch die Wechselfelder induzierten Ströme
möglichst senkrecht zu den weichmagnetischen Blechen fließen,
so dass eine Ausbreitung der induzierten Ströme möglichst effektiv
behindert wird.
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Früher
wurden oftmals die beim Warmwalzen entstehenden Eisenoxidschichten
(Walzzunder) als elektrisch isolierende Beschichtung verwendet. Diese
Zunderschichten haben eine sehr gute Temperaturbeständigkeit,
sind allerdings aufgrund hoher Sprödigkeit und geringer
Schichthaftung nur eingeschränkt für die Herstellung
komplex geformter magnetischer Kerne und Flusskonzentratoren einsetzbar. Auch
die Stanzbarkeit, der spezifischer Widerstand und die Gleiteigenschaften
dieser Zunderschichten beim Warmwalzen sind nicht zufriedenstellend.
Deshalb wurden spezielle Beschichtungen für Elektrobleche
entwickelt, die im Anschluss an die Herstellung der Elektrobleche
erzeugt bzw. abgeschieden werden.
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Diese
elektrisch isolierenden Beschichtungen für Elektrobleche
lassen sich in verschiedene Gruppen unterteilen: 1. Kunststoffbeschichtungen,
2. Phosphat- und Chromatschichten, 3. Glasschichten durch Schlickerbeschichtung,
4. PVD- und CVD-Schichten sowie 5. Sol-Gel-Beschichtungen.
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1. Kunststoffbeschichtungen
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Im
Patent
DE 12 460 71 wird
die Herstellung von Kunststoffbeschichtungen auf Elektroblechen unter
Verwendung wässriger Dispersionen thermoplastischer Kunststoffe
beschrieben. Diese Beschichtungen sind nur bis maximal 180°C
dauerhaft einsetzbar. Ein früher weit verbreitetes Verfahren
war auch das Einlegen oder Bekleben der Elektrobleche mit getränktem
Papier (sehr arbeitsintensiv) oder das Lackieren der Bleche mit
Alkydharzlacken. Allerdings waren derartige Isolierungen nur bis
120°C einsetzbar.
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2. Phosphat- und Chromatschichten
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In
den Patenten
US 2,501,846 und
US 2,753,282 werden nasschemische
Konversionsschichtverfahren unter Verwendung von Phosphorsäure
(Chromsäure) zur Herstellung elektrisch isolierender Phosphat-/Chromatbeschichtungen
auf den Elektroblechen beschrieben. Die Phosphat-/Chromatbeschichtungen
haben eine hohe Temperaturbeständigkeit, allerdings sind
die erreichbaren Schichtwiderstände mit ca. 1 Ωcm
–2 sehr niedrig. Im Patent
DD 230 025 A1 wird
auf ein niedrig legiertes Elektroblech eine Zinkphosphatschicht
aufgebracht und anschließend bei 600°C bis 900°C
eingebrannt. Im Patent
DE 25
461 90 wird die Herstellung von beschichteten Elektrostahlblechen
beschrieben, wobei hier eine chromsäurehaltige wässrige
Kunstharzdispersion verwendet wird, so dass auf den behandelten Elektroblechen
eine Kombination aus Kunstharzbeschichtung und Chromatkonversionsschicht
entsteht. Chrom(VI)-haltige Beschichtungen gelten jedoch als krebserregend
und sollen durch chromatfreie Alternativen ersetzt werden.
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3. Dünne Glasschichten durch
Schlickerbeschichtung
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In
den Patenten
EP 0416420 (
DE 690 15 060 ) und
CH 381495 werden Magnesiumoxidaufschlämmungen
zum Beschichten von siliciumhaltigen Elektroblechen verwendet, wobei
sich durch eine abschließende Wärmebehandlung
(Hochtemperaturanlassbehandlung) über eine chemisch/physikalische
Reaktion zwischen der Magnesiumoxid/-hydroxidaufschlämmung
und dem Elektrostahl ein elektrisch isolierender Glasfilm mit guten
bis sehr guten elektrischen und mechanischen Eigenschaften bildet.
Während der Glühbehandlung reagiert das Magnesiumoxid/-hydroxid
mit dem siliciumhaltigen Elektrostahl zu einer glasartigen Forsteritschicht (Mg
2SiO
4). Im Patent
DE 22 472 69 werden Elektrobleche
mit wässrigen Lösungen auf der Basis von Magnesium-
oder Aluminiumphosphat oder Mischungen von beiden mit verschiedenen
Zusätzen wie beispielsweise Chromverbindungen und Siliciumoxid behandelt
und bei Temperaturen oberhalb von 350°C eingebrannt.
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Ein
Nachteil dieser Verfahren besteht darin, dass durch die Oxidation
des Siliciums und die Bildung der Glasschicht paramagnetische Bereiche
an der Oberfläche des Elektrostahls entstehen. Hierdurch
werden einerseits die erreichbare Sättigungsmagnetisierung
reduziert und andererseits die Energieverluste beim Ummagnetisieren
erhöht.
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4. PVD- und CVD-Beschichtungen
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Das
Problem, dass die magnetischen Eigenschaften in der Randzone der
Elektrobleche durch die Schlickerbeschichtung bei der nachfolgenden Wärmebehandlung
beeinträchtigt werden, kann durch die Abscheidung von PVD-Beschichtungen vermieden
werden. Im Patent
DE 101 30
308 wird die Abscheidung dünner amorpher Kohlenstoff-Wasserstoff-Beschichtungen
(a-C:H) beschrieben, die durch einen PVD-Beschichtungsprozess über
eine Hohlkathoden-Glimmentladung auf kornorientierten Elektroblechen
abgeschieden werden. Die Abscheidung vom a-C:H-Schichten erfordert
eine relativ aufwändige Anlagentechnik und die Temperaturbeständigkeit dieser
Beschichtungen erreicht nicht die Temperaturbeständigkeit
der oben erwähnten Phosphat- und Chromatschichten und der
dünnen Glasschichten durch Schlickerbeschichtung.
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Im
Patent
EP 0215134 wird
die Herstellung eines weichmagnetischen Elektrobleches mit einer CVD-Nitrid-
bzw. CVD-Carbidbeschichtung beschrieben.
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5. Verfahren auf der Basis von Kolloidlösungen, Sol-Gel-Verfahren
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Sol-Gel-Verfahren
sind nasschemische Verfahren zur Abscheidung anorganischer und organisch-anorganischer
Beschichtungen. Derartige Verfahren sind beispielsweise in den Patenten
DE 196 50 288 und
US 5,939,197 beschrieben.
Im Vergleich zu vielen anderen Beschichtungsverfahren lassen sich
Sol-Gel-Beschichtungsverfahren relativ einfach industriell umsetzen
und in bestehende Prozessketten zur Herstellung von Elektroblechen
einbinden.
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Man
unterscheidet zwei verschiedene Sol-Gel-Routen: a) Sol-Gel-Routen
auf Basis feinst dispergierter Pulver in wässrigen und
nicht wässrigen Lösungen. Diese Routen werden
im Folgenden als ”Sol-Gel-Kolloid-Routen” bezeichnet;
und b) Sol-Gel-Routen auf Basis von Hydrolyse und Kondensation metallorganischer
Monomere insbesondere Alkoholaten und Organosilanen; diese Routen werden
im Folgenden als ”metallorganische Sol-Gel-Routen” bezeichnet.
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Im
Patent
EP 0406833 wird
die Herstellung eines kornorientierten Siliciumstahlblechs mit einer elektrisch
isolierenden Schicht auf der Basis einer Sol-Gel-Kolloid-Route beschrieben.
Für die Solherstellung werden Siliciumoxidkolloidpulver
mit einem Teilchendurchmesser von weniger als 50 nm und mindestens
einer weiteren Substanz, ausgewählt aus Metalloxiden, Carbiden,
Nitriden, Sulfiden, Boriden und mindestens einem Phosphat der Metalle
Al, Mg, Ca und Zn und mindestens einer Substanz ausgewählt
aus der Gruppe Chromanhydrid, Chromat oder Dichromat, verwendet.
Damit enthalten die Sole grundsätzlich Chrom(VI)-haltige
Verbindungen, die als krebserregend eingestuft sind und nur noch
in Ausnahmefällen verwendet werden dürfen.
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Im
Patent
EP 05558671 wird
die Herstellung eines beschichteten Elektroblechs über
eine Sol-Gel-Kolloid-Route auf der Basis feiner keramischer Pulver
aus der Gruppe Al
2O
3,
SiO
2, TiO
2, ZrO
2, MgO und deren Mischoxide beschrieben.
Die Solherstellung erfolgt hier durch die Herstellung einer wässrigen
Dispersion feinster keramischer Precursor-Pulver mit Teilchengrößen
kleiner 500 nm, wobei der pH-Wert der wässrigen Dispersion
im Bereich zwischen 6,5 und 8,0 eingestellt wird, um den isoelektrischen
Punkt der entsprechenden Teilchen einzustellen.
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Im
Patent
DE 36 030 61 wird
die Herstellung eines weichmagnetischen Verbundwerkstoffes beschrieben.
Dieser besteht aus einem weichmagnetischen metallischen Pulver,
dessen Teilchen über eine metallorganische Sol-Gel-Route
auf der Basis von Metallalkoholaten mit einem dünnen elektrisch isolierenden
Glasfilm beschichtet werden, wobei ein rieselfähiges Pulver
entsteht, dessen Teilchen gegeneinander elektrisch isoliert sind
und das bei erhöhter Temperatur (500°C) zu einem
weichmagnetischen Verbundwerkstoff mit hohem spezifischen elektrischen
Widerstand verdichtet wird. In
DE
197 14 949 ist ein Verfahren zum Versehen einer metallischen
Oberfläche mit einer dekorativen, kratzfesten und korrosionsinhibierenden,
glasartigen Schicht über eine metallorganische Sol-Gel-Kolloid-Route beschrieben.
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Eine
weitere Anwendung von Sol-Gel-Verfahren ist die Ausbildung einer
isolierenden, hitzebeständigen Umhüllungvon Drähten.
So beschreibt
EP 0292780 eine
mehrschichtige Umhüllung von Drähten, wobei mindestens
eine der Umhüllungen durch Hydrolyse und Kondensation eines
Alkoxids (Alkoholats) ausgebildet wird. In
EP 0494424 (
DE 691 31 710 ) wird ein Verfahren
beschrieben, mit dem auf Drähten mit einer Oxid schicht
von Nickel oder einer Nickellegierung eine mehrschichtige Umhüllung
ausgebildet wird.
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Auch
in
US 2,975,078 A und
EP 0292780 werden Sol-Gel-beschichtete
Drähte beschrieben, wobei säurekatalysierte Sole
mit pH-Werten kleiner 6,5 eingesetzt werden.
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Die
oben beschriebenen elektrisch isolierenden Schichten für
Drähte sind jedoch aus mehreren Gründen für
elektrisch isolierende Schichten für Elektrobleche nicht
geeignet. Mit metallorganischen Sol-Gel-Routen auf der Basis von
Metallalkoholaten, wie sie beispielsweise im oben erwähnten
Patent
EP 0494424 (
DE 691 31 710 ) beschrieben
sind, können erfahrungsgemäß nur Schichten
mit Schichtdicken bis maximal 300 nm rissfrei abgeschieden werden. Beschichtungen
für Elektrobleche sollten jedoch eine Schichtdicke im Bereich
von 1 μm bis 50 μm aufweisen. Dabei gilt die allgemeine
Regel, je dünner das Elektroblech, desto dünner
sollte auch die elektrische Isolierschicht sein.
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Der
niedrige pH-Wert der säurekatalysierten Sole gemäß
US 2,975,078 A und
EP 0292780 spielt bei einer
Beschichtung von Drähten aus Kupfer, Kupferlegierungen,
Nickel, Nickellegierungen, Gold, Silber oder Aluminium keine Rolle,
da diese Metalle eine hohe Korrosionsbeständigkeit aufweisen
und von nicht oxidierenden Säuren nicht angegriffen werden.
Derartige Sole sind aber für die Beschichtung von weichmagnetischen
Elektroblechen nicht einsetzbar, da diese von Lösungen
bzw. Solen mit pH-Werten kleiner 6,5 korrosiv angegriffen werden, wodurch
die Schichthaftung der abgeschiedenen Sol-Gel-Beschichtungen stark
beeinträchtigt würde.
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Auch
in sonstiger Hinsicht bestehen erhebliche Unterschiede in Bezug
auf die Anforderungen von elektrisch isolierenden Schichten von
Drähten auf der einen Seite und von Elektroblechen auf
der anderen Seite. So werden zum Beispiel für die Isolierung
von Elektroblechen Durchschlagsspannungen von nur 0,1 V bis 50 V
und spezifische Schichtwiderstände von 50 bis 1000 Ωcm–2 benötigt, während
für typische Drahtisolierungen Durchschlagsspannungen von
750 V bis 1500 V und um einige Größenordnungen
höhere spezifische Schichtwiderständen benötigt
werden. Da die Elektrobleche oftmals gestanzt werden, sollte auch
eine gute Stanzbarkeit der Schichten gewährleistet sein,
wobei die Stanzwerkzeuge nur einem geringen Verschleiß unterliegen sollen.
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Für
magnetische Kerne, die als Flusskonzentratoren in Induktionshärtungsanlagen
eingesetzt werden, wird darüber hinaus eine Temperaturfestigkeit
der elektrischen Isolierung von mindestens 350°C angestrebt.
Bei der induktiven Randschichthärtung von Stahlbauteilen,
die unter Verwendung entsprechender Induktionsheizungsvorrichtungen durchgeführt
werden, entstehen in der Randschicht der Bauteile Temperaturen im
Bereich der Austenitisierungstemperatur von Stählen und
höher, d. h. Temperaturen von über 850°C.
Diese Temperaturen wirken in Form von Strahlungswärme auf
die in den Induktionsheizvorrichtungen vorhandenen magnetischen
Kerne bzw. Flusskonzentratoren ein. Diese werden deshalb in der
Regel aktiv oder auch passiv gekühlt. Auf eine Kühlung
könnte bei magnetischen Kernen mit einer hitzebeständigen
elektrischen Isolierung verzichtet werden, so lange die Curietemperatur
(768°C für Eisen) der Elektrobleche nicht überschritten
wird. Dies würde den apparativen Aufwand bei der Konstruktion
derartiger magnetischer Kerne bzw. Flusskonzentratoren und Induktionsheizvorrichtungen
erheblich reduzieren.
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Es
ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren
zum elektrischen Isolieren von Elektroblech, ein durch das erfindungsgemäße Verfahren
hergestelltes elektrisch isoliertes Elektroblech, einen lamellierten
magnetischen Kern mit dem Elektroblech, ein Produkt mit einem lamellierten
magnetischen Kern und ein Verfahren zum Herstellen eines lamellierten
magnetischen Kerns zur Verfügung zu stellen, wobei die
elektrische Isolierung die oben dargelegten Anforderungen erfüllen
soll.
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Diese
Aufgabe wird durch das Verfahren zum elektrischen Isolieren von
Elektroblech nach Anspruch 1, das elektrisch isolierte Elektroblech
nach Anspruch 22, den lamellierten magnetischen Kern nach Anspruch
23, das Verfahren zum Herstellen eines lamellierten magnetischen
Kerns nach Anspruch 24 und das Produkt nach Anspruch 26 gelöst.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren zum Herstellen eines
elektrisch isolierten Elektroblechs umfasst erfindungsgemäß eine
metallorganische Sol-Gel-Route auf Basis von mindestens einem Organosilan
und optional mindestens einem weiteren Metallalkoholat oder -acetylacetonat.
Das erfindungsgemäße Verfahren umfasst in dieser
Reihenfolge die folgenden Schritte:
- a) Beschichten
von zumindest einer Seite eines Elektroblechs durch Aufbringen einer
fluiden Mischung, die hydrolysierte und kondensierte metallorganische
Monomere enthält, wobei das Ausbilden der Mischung Zusammengeben
von
• wenigstens einem Organosilan,
• wenigstens
einer Verbindung aus der Gruppe der Alkali- oder Erdalkalihydroxide
oder -oxide, oder einer in Wasser gelösten Säure,
• und
optional wenigstens einem Metallalkoholat oder -acetylacetonat umfasst,
wobei
das/die
Organoslilan(e) die Formel R'mSi(OR)n aufweist/aufweisen, wobei die Summe von
m + n jeweils 4 ergibt und m gleich 1, 2 oder 3 ist, R' gleich oder
verschieden voneinander eine Wasserstoff-(-H), Alkyl-(-CpH2p+1), Alkenyl-(-Cp+1H2p+1, z. B.:
Vinyl-: -CH=CH2), Phenyl-(-C6H5), Allyl-(-CH2CH=CH2), Acryl-(-(CO)CH=CH2),
Acryloxyalkyl-(-CpH2p(CO)CH=CH2), Methacryl-(-(CO)C(CH3)=CH2), Methacryloxyalkyl-(-CpH2p(CO)C(CH3)=CH2) oder Glycidoxyalkyl-Gruppe(-CpH2pOCH2(CHOCH2)) ist, wobei R gleich oder verschieden
voneinander eine Alkyl-Gruppe (-CpH2p+1) ist,
das/die optionale(n) Metallalkoholat(e)
[Alkoxid(e)] ausgewählt ist/sind aus der Gruppe Si(OR)4, Al(OR)3, Mg(OR)2, Y(OR)3, Ce(OR)4, Zr(OR)4 oder Ti(OR)4, wobei R gleich oder verschieden voneinander
eine Alkyl-Gruppe(-CpH2p+1)
oder im Fall der Acetylacetonate 2,4-Pentandionat (R=CH3OCCHCOCH3 –) ist,
p
eine ganze Zahl zwischen 1 und 14 ist,
der Anteil des/der Organosilans/Organosilane
an den metallorganischen Monomeren, deren Gesamtheit aus dem wenigstens
einen Organosilan und dem wenigstens einen Metallalkoholat oder -acetylacetonat
gebildet wird, von etwa 30 Mol% bis 100 Mol% beträgt,
und
der pH der fluiden Mischung 6,5 oder höher ist;
- b) eine erste Wärmebehandlung des beschichteten Elektroblechs
bei einer Temperatur im Bereich von Raumtemperatur bis etwa 120°C
für eine Dauer bis etwa 240 Minuten;
- c) eine zweite Wärmebehandlung bei einer Temperatur
im Bereich von etwa 220°C bis maximal 400°C an
Luft oder einem anderen sauerstoffhaltigen Gas für eine
Dauer bis etwa maximal 300 Minuten;
- d) eine dritte Wärmbehandlung bei einer Temperatur
im Bereich von etwa 500°C bis maximal 850°C für
eine Dauer bis etwa maximal 300 Minuten unter Vakuum oder Schutzgas,
wodurch
eine elektrisch isolierende Beschichtung ausgebildet und das elektrisch
isolierte Elektroblech fertig gestellt wird.
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Erfindungsgemäß ist
es bevorzugt, wenn zum Ausbilden der Mischung mindestens ein Organosilan
mit einem Wert für m von 1 oder 2 verwendet wird. Dies
ermöglicht in jedem Falle eine drei- oder zweidimensionale
Vernetzung des verwendeten Organosilans.
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Gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen
Verfahrens beträgt der Anteil des/der Organosilans/Organosilane
an den metallorganischen Monomeren von etwa 30 Mol% bis 99 Mol%.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Verfahrens beträgt
der Anteil des/der Organosilans/Organosilane an den metallorganischen
Monomeren von etwa 30 Mol% bis 95 Mol%.
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Gemäß einer
weiteren bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen
Verfahrens ist/sind das/die Metallalkoholat(e) [Alkoxid(e)] ausgewählt
aus der Gruppe Al(OR)3, Mg(OR)2,
Y(OR)3, Ce(OR)4,
Zr(OR)4 oder Ti(OR)4,
wobei R gleich oder verschieden voneinander eine Alkyl-Gruppe(-CpH2p+1) ist, wobei
p eine ganze Zahl von 1 bis 14 ist, oder im Fall der Acetylacetonate
2,4-Pentandionat (R=CH3OCCHCOCH3 –) ist.
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Bevorzugte
Beispiele der Organosilane für die Solherstellung sind
Methyltriethoxysilan [MIES: CH3Si(O-C2H5)3],
3-Methacryloxypropyltrimethoxysilane [MPTS: (CH3O)3Si-CpH2p(CO)C(CH3)=CH2) und Glycidoxypropyltrimethoxysilane
[GLYMO: (CH3O)3Si-CpH2pOCH2(CHOCH2), wobei p eine ganze Zahl von 1 bis 14
ist. Neben dem mindestens einen Organosilan wird der der Mischung
zusätzlich optional mindestens ein Metallalkoholat (Alkoxid) oder
-acetylacetonat zugegeben. Das Metallalkoholat ist ausgewählt
aus der Gruppe, die aus Si(OR)4, Al(OR)3, Mg(OR)2, Y(OR)3, Ce(OR)4, Zr(OR)4 oder Ti(OR)4 besteht,
wobei R eine gleiche oder verschiedene Alkyl-Gruppe(-CpH2p+1) und p eine ganze Zahl von 1 bis 14
ist. Alternativ können auch die entsprechenden Acetylacetonate
(2,4-Pentandionate:R=CH3OCCHOCH3 –) verwendet werden. Als Beispiele
für bevorzugte Metallalkoholate seien hier Zirkon-tetra-n-propylat [ZTP;
Zr(OnC3H7)4], Aluminium-tri-sek-butylat
[ATSB; Al(OsekC4H9)3], Tetra-ethoxy-ortho-silan
[TEOS; Si(OC2H5)4] und Magnesium-ethylat [Mg(OC2H5)2] erwähnt.
Als Beispiel für ein Acetylacetonat sei hier das Zirkon-tetra-acetylacetonat
Zr(CH3OCCHCOCH3)4 erwähnt. Das Verhältnis der
Molsumme aller beteiligten Metallalkoholate und/oder -acetylacetonate
zu allen im Sol enthaltenen Organosilanen beträgt zwischen
0 und 2%, entsprechend einem Anteil von 0 Mol% bis 70 Mol%.
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Gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen
Verfahrens erfolgt die Hydrolyse und Kondensation der metallorganischen Monomere
in der Mischung mit Hilfe von NaOH und/oder KOH. Der molare Anteil
der Alkali-, Erdalkalihydroxide oder -oxide im Verhältnis
zur Summe aller im Sol enthaltenen metallorganischen Monomere beträgt
bevorzugt von etwa 5 bis 20%.
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Als
Schutzgas bei der dritten Wärmebehandlung [obiger Schritt
c)] dient ein Edelgas (Helium, Neon, Argon, Neon, Krypton oder Xenon)
oder hochreiner Stickstoff, eine Mischung aus mehreren Edelgasen
oder eine Mischung aus wenigstens einem Edelgas und hochreinem Stickstoff.
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Das
Aufbringen der fluiden Mischung im obigen Schritt a) erfolgt durch
ein Beschichtungsverfahren, wobei Verfahren mittels Tauchbeschichtung, Sprühen,
Streichen und Spin-Coating bevorzugt sind.
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Durch
das erfindungsgemäße Verfahren weist das Elektroblech
nach Durchführung der obigen Schritte a) bis d) eine amorphe,
elektrisch isolierende, etwa 1 μm bis 20 μm dicke
Sol-Gel-SiOxCy-Beschichtung
mit x von etwa 1,0 bis 2,0 und y von 0,0 bis etwa 3,0 auf. Diese
Schicht kann von 0 Mol% bis zu 70 Mol% zumindest ein weiteres Oxid
aufweisen, das ausgewählt ist aus der Gruppe, die aus Al2O3, MgO, Y2O3, CeO2,
ZrO2 oder TiO2 besteht.
Ein Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens liegt
auch darin, dass die erhaltene, elektrisch isolierende Beschichtung
eine geringe Rauheit mit Ra-Werten kleiner 0,1 μm aufweist,
wobei Ra-Werte von bis zu 5 nm erreicht werden können.
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Erfindungsgemäß werden
bevorzugt korn- und nicht kornorientierte Elektrobleche gemäß DIN EN
10106:1996-02, DIN EN 10107:2005-10 und DIN EN10126:1996-02 mit
einer Zusammensetzung von mindestens 92% Eisen, bis 6% Silicium
und bis maximal 0,1% Kohlenstoff verwendet. Die Blechdicke beträgt
dabei, optional nach ein- oder mehrmaligem Kaltwalzen mit Zwischenglühung,
bevorzugt 0,1 bis 1,2 mm. Besonders vorteilhaft sind Prozessbedingungen,
die eine glasfilmfreie Oberfläche des Blechs ergeben, so
dass kein Erfordernis des Entfernen eines Glasfilms vor der Beschichtung
gegeben ist.
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Gemäß einer
weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen
Verfahrens erfolgt die Hydrolyse und Kondensation der in der Mischung
enthaltenen metallorganischen Monomere nicht durch wenigstens eine
in der Mischung enthaltene Verbindung aus der Gruppe der Alkali-
oder Erdalkalihydroxide bzw. -oxide, sondern mit Hilfe von wenigstens
einer in Wasser gelösten Säure. Hierbei dient
die zumindest eine Säure dazu, den Vorgang der Hydrolyse
und Kondensation der metallorganischen Monomere katalytisch zu beschleunigen.
Bevorzugte Beispiele für die verwendbare Säure
sind HCl, HNO3, H2SO3, H2SO4,
H3PO4 und CrH2r+1COOH, wobei
r eine ganze Zahl von 1 bis 4 ist, bevorzugt 1 und 2. Die Säuren können
dabei entweder einzeln oder in einer beliebigen Mischung von zwei
oder mehr Säuren verwendet werden.
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Erfindungsgemäß liegt
das Molverhältnis von Wasser zur Gesamt-Molmenge der im
Sol enthaltenen metallorganischen Monomere bei der säurekatalysierten
Solsynthese zwischen 0,5 bis 10. Erfindungsgemäß wird
nur so wenig Säure zugegeben, dass der pH-Wert des entstehenden
Sols größer 6,5 bleibt, um einen Korrosionsangriff
des Sols auf das weichmagnetische Elektroblech zu verhindern.
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Bei
der säurekatalysierten Solsynthese umfasst das Ausbilden
der Mischung als ersten Schritt das Lösen der metallorganischen
Monomere in mindestens einem organischen Lösungsmittel,
wobei als Lösungsmittel insbesondere aliphatische Alkohole mit
1 bis 4 Kohlenstoffatomen verwendet werden, wie Methanol, Ethanol,
1-Propanol, 2-Propanol, 1-Butanol, 2-Butanol, 2-Methyl-1-Propanol
und 2-Methyl-2-Propanol.
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Durch
die geringen verwendeten Säuremengen verläuft
die Hydrolyse und Kondensation der Monomere vergleichsweise langsam.
Bei dieser erfindungsgemäßen Ausführungsform
ist es jedoch möglich, das Sol zur Beschleunigung der Hydrolyse
und der Kondensation der Organosilane und Metallalkoholate für
mindestens eine Stunde bis maximal etwa 48 h bei einer erhöhten
Temperatur zwischen etwa 30°C und 75°C in einem
geschlossenen Kolben unter Schutzgasatmosphäre vorzugsweise
unter einem Edelgas (Helium, Neon, Argon, Neon, Krypton oder Xenon),
Stickstoff oder einer beliebigen Mischung daraus zu bewegen. Dabei
sollte ein Durchströmen des verwendeten Schutzgases durch
den Kolben vermieden werden, um ein Abdampfen des im Sol enthaltenen
Lösungsmittels zu verhindern.
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Wie
oben bereits ausgeführt ist, erfolgt das Aufbringen des
Sols auf das weichmagnetische Elektroblech vorzugsweise durch Tauchbeschichtung, Sprühen,
Streichen oder Spin-Coating, gefolgt von einer ersten Wärmebehandlung
(Trocknungsbehandlung) des beschichteten Elektroblechs bei einer Temperatur
von Raumtemperatur bis etwa 120°C für eine Dauer
bis maximal etwa 240 Minuten. Die Parameter für das Aufbringen
des Sols (z. B. Tauch- bzw. Rotationsgeschwindigkeit, Sprühparameter)
werden dabei so eingestellt, dass nach der letzten Wärmbehandlung
eine Schichtdicke von etwa 1 μm bis 20 μm, bevorzugt
von 2 μm bis 20 μm, erreicht wird.
-
Der
Trocknungsbehandlung folgt erfindungsgemäß eine
zweite Wärmebehandlung (Pyrolysebehandlung) bei Temperaturen
zwischen etwa 220°C bis maximal 400°C für
eine Dauer bis maximal etwa 300 Minuten. Die Pyrolysebehandlung
wird in einer sauerstoffhaltigen Atmosphäre, z. B. natürlicher
oder synthetischer Luft, ausgeführt und dient dazu, einen großen
Teil der organischen Bestandteile der Gel-Schicht(en) durch Pyrolyse
auszubrennen. Da die Gel-Schicht(en) noch eine gewisse Durchlässigkeit
für Sauerstoff aufweisen und die weichmagnetischen Elektrobleche
sehr leicht oxidieren, darf die Temperatur bei dieser Wärmebehandlung
400°C nicht übersteigen, da ansonsten eine Oxidation
an der Oberfläche der Elektrobleche möglich ist
und eine solche Oxidation die magnetischen Eigenschaften der beschichteten
Elektrobleche in der Randzone negativ beeinflussen würde.
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Erfindungsgemäß folgt
nach der zweiten Wärmebehandlung (Pyrolysebehandlung) eine
dritte Wärmbehandlung (Sinterbehandlung) bei einer Temperatur
zwischen etwa 500°C bis maximal 850°C für eine
Dauer bis maximal etwa 300 Minuten unter Vakuum oder Schutzgas,
wobei als Schutzgas vorzugsweise wenigstens ein Edelgas (Helium,
Neon, Argon, Neon, Krypton oder Xenon), hochreiner Stickstoff, oder
eine beliebige Mischung davon verwendet wird. Wenn die Sinterbehandlung
unter Vakuum erfolgt, sollte der maximale Restsauerstoffpartialdruck
10 mbar nicht übersteigen.
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Für
die Durchführung der Sinterbehandlung unter Vakuum bzw.
Schutzgas werden erfindungsgemäß Temperaturen über
850°C vermieden, da bei Temperaturen über 850°C
die Ferrit-Austenisitumwandlung der Elektrobleche einsetzt, was
zu einer Volumenabnahme bzw. Kontraktion der Elektrobleche und damit
zur Bildung hoher Druckeigenspannungen in der Schicht führt.
Bei Beschichtungen mit Schichtdicken über etwa 2 μm
können diese Druckeigenspannungen zu Schichtabplatzungen
führen. Gleichzeitig bauen sich bei einer Sinterbehandlung über
850°C die Druckeigenspannungen in den Sol-Gel-Schichten
aufgrund von Sintervorgängen recht langsam ab. Beim wieder
Abkühlen der Elektrobleche kommt es dann aufgrund der Rückumwandlung
zu Ferrit zu einer entsprechenden Volumenzunahme bzw. Expansion
des Elektroblechs, was unmittelbar unerwünschte Zugeigenspannungen
in den Sol-Gel-Beschichtungen erzeugt und meist Rissbildung zur
Folge hat.
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Durch
das erfindungsgemäße Verfahren wird eine elektrisch
isolierende Beschichtung hergestellt, die nach der mehrstufigen
Wärmebehandlung zu mindestens 30 Mol% aus SiOxCy besteht, wobei sich x im Bereich von 1,0
bis 2,0 und y im Bereich von 0 bis 3 bewegt. Die genauen Werte für
x und y hängen von dem verwendeten Organosilan und der
durchgeführten Wärmebehandlung der Schicht ab.
Weiterhin enthält die Schicht optional bis zu maximal 70
Mol% mindestens eines Metalloxids, das ausgewählt aus der
Gruppe, die aus Al2O3,
MgO, Y2O3, CeO2, ZrO2 oder TiO2 besteht. Diese(s) Metalloxid(e) kann/können
sowohl die elektrischen als auch die mechanischen Eigenschaften
der Sol-Gel-Beschichtung verbessern.
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Für
die Herstellung von magnetischen Kernen bzw. Flusskonzentratoren
können die beschichteten Elektrobleche in eine gewünschte
Form gebracht werden. Dies schließt sowohl eine Verformung in
dreidimensionaler Richtung als auch ein Veränderung der
Größe in zweidimensionaler Richtung ein. Als übliche
Verfahren werden hierbei beispielsweise Stanzen oder Biegen verwendet.
Zur Herstellung lamellierter magnetischer Kerne bzw. Flusskonzentratoren
werden gemäß einer weiteren erfindungsgemäßen
Ausführungsform die geformten, beschichteten Elektrobleche
aufeinander gestapelt, so dass ein sandwichartig aufgebauter magnetischer
Kern entsteht. Das in Form bringen der beschichteten Elektrobleche
kann erfindungsgemäß entweder zwischen obigem
Schritt c) und Schritt d) oder nach obigem Schritt d) erfolgen.
Erfolgt das in Form bringen nach obigem Schritt d) werden die fertig
gestellten Elektrobleche zur Herstellung von einem lamellierten
magnetischen Kern oder Flusskonzentrator aufeinander gefügt.
Hierbei ist es grundsätzlich ausreichend, wenn die Elektrobleche
nur einseitig erfindungsgemäß beschichtet sind;
beim Aufeinanderfügen ist in diesem Fall lediglich darauf
zu achten, dass die Elektrobleche in der richtigen Ausrichtung aufeinander gefügt
werden, so dass im zusammengefügten Zustand im Inneren
eines lamellierten magnetischen Kerns eine nicht isolierte Seite
einer isolierten Seite gegenübersteht.
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In
vorteilhafter Weise kann gemäß einer weiteren
erfindungsgemäßen Ausführungsform das
in Form bringen der Elektrobleche aber auch bereits nach dem obigen
Schritt c) (Pyrolysebehandlung) und vor der abschließenden
Wärmebehandlung durch obigen Schritt d) (Sinterbehandlung)
erfolgen. Erfindungsgemäß kann auf diese Weise
ein lamellierter magnetischer Kern oder Flusskonzentrator hergestellt
werden, indem nach obigem Schritt c) mindestens zwei durch die obigen
Schritte a) bis c) hergestellte Elektrobleche so aufeinander angeordnet
werden, dass sich beschichtete Oberflächen der Elektrobleche
zumindest teilweise berühren, und danach obiger Schritt
d) mit den aufeinander angeordneten Elektroblechen durchgeführt
wird.
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Bei
dieser Vorgehensweise wird die abschließende Wärmebehandlung
[obiger Schritt d); Sinterbehandlung] bei etwa 500°C bis
maximal 850°C dazu genutzt, aufeinander angeordnete Elektrobleche,
bei den sich beschichtete Seiten in Kontakt zueinander befinden,
zu einem lamellierten magnetischen Kern bzw. Flusskonzentrator zusammensintern
zu lassen. Ein besonderer Vorteil einer solchen Verfahrensführung
ist, dass durch das Zusammensintern der Beschichtungen eine besonders
hohe Packungsdichte der Elektrobleche erreicht werden kann. Das
Zusammensintern kann gegebenenfalls dadurch verbessert werden, dass
die mindestens zwei Elektrobleche während Schritt d) von
Anspruch 1 aufeinander gepresst werden, wobei bereits ein relativ
geringer Druck, beispielsweise in einem Bereich von etwa 0,25 g/cm2 bis 100 g/cm2 ausreichend
sein kann. Die optimalen Werte für den Druck können
in jedem Einzelfall durch einige wenige Versuche ermittelt werden.
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Selbstverständlich
können lamellierte magnetische Kerne oder Flusskonzentratoren
auch durch die oben beschriebenen Verfahrensschritte hergestellt
werden, ohne dass nach dem obigen Schritt c) oder Schritt d) ein
in Form bringen erfolgt. Dies ist zum Beispiel dann möglich,
wenn die verwendeten Elektrobleche bereits in ihrer ursprünglich
verwendeten Form und/oder Größe dem entsprechen,
was beispielsweise für einen lamellierten magnetischen
Kern oder Flusskonzentrator erforderlich ist.
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Für
die erfindungsgemäßen magnetischen Kerne und Flusskonzentratoren
aus Sol-Gel-beschichteten weichmagnetischen Elementen ergibt sich
somit nicht nur ein großer Vorteil bei der technischen
Verwendung (hohe Hitzebeständigkeit; keine Notwendigkeit
einer Kühlvorrichtung), sondern auch bereits bei ihrer
Herstellung, da das Fügen der weichmagnetischen Elemente
und die Wärmebehandlung der Sol-Gel-Beschichtungen in einem
gemeinsamen Prozessschritt zusammengefasst werden können.
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Erfindungsgemäß können
somit in vorteilhafter Weise ein elektrisch isoliertes Elektroblech
sowie ein lamellierter magnetischer Kern bzw. Flusskonzentrator
erhalten werden, wobei der lamellierte magnetische Kern bzw. Flusskonzentrator
zumindest zwei aufeinander angeordnete erfindungsgemäß elektrisch
isolierte Elektrobleche aufweist, wobei eine elektrisch isolierende
Beschichtung zwischen benachbarten Elektroblechen vorhanden ist.
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Mit
Hilfe der erfindungsgemäßen hitzebeständigen
magnetischen Kerne und Flusskonzentratoren lassen sich neue und
vorteilhafte Induktionsheizvorrichtungen realisieren. Wie oben bereits
erwähnt, werden derartige Induktionsheizvorrichtungen beispielsweise
zur induktiven Randschicht- und Ganzflächenhärtung
von Bauteilen verwendet, wobei in den Bauteilen Temperaturen von über
500°C bis 900°C erzeugt werden. Da die Induktionsheizvorrichtungen
in der Regel so gestaltet sind, dass zwischen der äußeren
Oberfläche der Heizvorrichtung und der behandelten Oberfläche
des Bauteils ein möglichst geringer Abstand besteht, wirken
die in den Bauteilen erzeugten Temperaturen in Form von Strahlungswärme
auf die Induktionsheizvorrichtungen und die darin enthaltenen magnetischen
Kerne bzw. Flusskonzentratoren ein. Bei den erfindungsgemäßen
Induktionsheizvorrichtungen, die zumindest einen erfindungsgemäßen
hitzebeständigen magnetischen Kern oder Flusskonzentrator
aufweisen, stellen solche erhöhten Temperaturen keine Gefahr
für die Qualität und den Bestand der zwischen
den Elektroblechen vorhandenen Isolierung dar, da die erfindungsgemäße, elektrisch
isolierende Schicht eine ausgezeichnete Temperaturbeständigkeit
aufweist. Auf Grund dieser Temperaturbeständigkeit kann
oftmals auf eine zusätzliche Kühlvorrichtung in
bzw. für die erfindungsgemäße Induktionsheizvorrichtung
bzw. die darin vorhandenen magnetischen Kerne und/oder Flusskonzentratoren
verzichtet werden.
-
Durch
die technische Lehre der vorliegenden Erfindung ist es in überraschender
Weise möglich, elektrisch isolierende Schichten mit einer
Schichtdicke von bis zu 20 μm rissfrei auf Elektroblechen
abzuscheiden. Dies war bisher z. B. mit metallorganischen Sol-Gel-Routen
ausschließlich auf der Basis von Metallalkoholaten, wie
sie beispielsweise im Patent
EP
0494424 (
DE 691 31
710 ) beschrieben sind, nicht möglich. Erfahrungsgemäß können
damit nur Schichten mit Schichtdicken bis maximal 300 nm rissfrei
abgeschieden werden. Die Ursache hierfür liegt darin, dass
Gel-Schichten auf der Basis von Metallalkoholaten einer größeren
Schrumpfung unterliegen. Im Unterschied zu aus dem Stand der Technik bekannten
Verfahren zur Herstellung elektrisch isolierter Elektrobleche werden
in der vorliegenden Erfindung Sol-Gel-Routen auf der Basis von Organosilanen
eingesetzt. Die Organosilane erhöhen die Duktilität
der Gel-Schichten, so dass die Schrumpfung der Gel-Schichten bei
der Pyrolysebehandlung besser kompensiert werden kann als bei Sol-Gel-Beschichtungen,
deren Sol ausschließlich Metallalkoholate enthalten. Erfindungsgemäß werden
deshalb für die Beschichtung von Elektroblechen Sole verwendet,
deren Anteil an metallorganischen Monomeren aus mindestens 30 Mol%
Organosilan(en) besteht. Durch das erfindungsgemäße
Verfahren werden auch besonders glatte Beschichtungen mit Rauheitswerten
Ra < 0,1 μm
erhalten.
-
Im
Nachfolgenden wird mittels zwei Beispielen und drei Figuren die
Erfindung weiter erläutert. Diese Beispiele und die Figuren
dienen lediglich dazu, zwei der möglichen Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung zu beschreiben. Die Beispiele und Figuren
dürfen nicht so verstanden werden, dass sie den Schutzbereich
der Patentansprüche in irgendeiner Weise beschränken.
-
Die
Figuren zeigen:
-
1:
Die Viskosität von Essigsäure katalysierten TEOS-MIES-Solen
in Abhängigkeit des Lösungsmittelanteils (Ethanol);
-
2:
Ein Schemabild von Verfahrensschritten zur Herstellung eines erfindungsgemäßen
magnetischen Kerns gemäß einer erfindungsgemäßen Ausführungsform;
-
3:
Eine abgeschiedene Schichtdicke d in Abhängigkeit der Dip-Geschwindigkeit
vdip und des molaren Ethanolanteils nach
der zweiten Wärmebehandlung bei 300°C für
30 min;
-
Beispiel 1
-
In
diesem Beispiel der vorliegenden Erfindung wird die Herstellung
eines weichmagnetischen Kerns beschrieben, der aus 4 mit Sol-Gel-SiOxCy beschichteten
weichmagnetischen Scheiben (Durchmesser 40 mm, Dicke 1,5 mm) zusammengesetzt
ist.
-
Für
die Scheiben wird weichgeglühtes Reineisen (ARMCO-Eisen)
verwendet, wobei die Glühbehandlung für die Einstellung
der weichmagnetischen Eigenschaften bei 800°C für
5 h unter Vakuum erfolgt. Aufgrund der geringe Korrosions- und Oxidationsbeständigkeit
des Reineisens wird erfindungsgemäß ein basisches
Sol unter Verwendung von Tetraethoxyorthosilan (TEOS; Si(OC2H5)4)
und Methyltriethoxysilan (MIES; CH3Si(OC2H5)3)
hergestellt.
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In
einem mit Argon gefluteten Kolben werden 2,37 g Natronplätzchen
(NaOH) gegeben. Der Kolben wird anschließend mit einem
Septum luftdicht verschlossen und es werden 49,1 ml Methyltriethoxysilan
und 13,8 ml Tetraethoxyorthosilan über eine Kanüle
im Septum in den Kolben eingefüllt. Die Lösung wird
für 24 h in dem verschlossen Kolben mit einem Magnetrührer
gerührt, bis sich die festen Natronplätzchen vollständig
in dem flüssigen Methyltriethoxysilan und Tetraethoxyorthosilan
gelöst haben. Am zweiten Tag werden in ein Becherglas 6,3
ml destilliertes Wasser und 4,7 ml Ethanol gegeben und ca. 10 Minuten
mit einem Magnetrührer gerührt. Anschließend
wird der gesamte Inhalt des Becherglases über eine Kanüle
im Septum in den verschlossenen Kolben gegeben. Dabei sollte die
Temperatur der Lösung im Kolben nicht über 35°C
ansteigen. Anschließend wird das Sol unter ständigem
Rühren auf Raumtemperatur abgekühlt und durch
einen 0,45 μm Filter gepresst, um kleine Schwebteilchen
zu entfernen. Danach wird das Sol ca. zwei Tage bei Raumtemperatur
in einer verschließbaren Glasflasche gelagert bevor die
Beschichtung der weichmagnetischen Scheiben erfolgt. Unmittelbar
vor der Durchführung der Beschichtung werden die mit Korrosionsschutzöl
eingesprühten Stahlscheiben mit Aceton im Ultraschallbad
entfettet. Die Sol-Abscheidung erfolgt durch Spin-Coating mit einer
Rotationsfrequenz von 1000 U/min. Über eine automatische
Pipette werden jeweils 3 ml Sol auf die rotierende Stahlscheibe
aufgebracht, wobei sich das Sol aufgrund von Fliehkräften
gleichmäßig auf der Oberfläche verteilt.
Nach dem Spin-Coating-Prozess werden die einseitig beschichteten
Scheiben erfindungsgemäß für eine Stunde
in einen Trockenschrank bei 80°C gestellt. Anschließend
wird auch die Rückseite der Scheiben auf die gleiche Weise
wie die Vorderseite der Scheiben durch Spin-Coating beschichtet
und die Scheiben anschließend ein weiteres mal eine Stunde
bei 80°C im Trockenschrank behandelt. Nach der Trocknungsbehandlung
erfolgt erfindungsgemäß eine Pyrolysebehandlung
bei 300°C unter Luft für 120 min. Nach dem Abkühlen
der Scheiben auf Raumtemperatur werden sie passgenau aufeinander
gestapelt und mit einem Gewicht von 1000 g aufeinander gepresst,
gefolgt von einer abschließenden Wärmebehandlung
der Scheiben bei 600°C für 120 min unter Vakuum.
Diese abschließende Wärmbehandlung dient dazu,
die Schichten dicht zu sintern, ohne dass es dabei zu einer Oxidation
der weichmagnetischen Eisenscheiben kommt. Durch das aufeinander
stapeln und das Gewicht von 1000 g sintern die Scheiben bei dieser
abschließenden Wärmebehandlung zusammen und werden
so fest miteinander verbunden, so dass ein einziger magnetischer
Kern bestehend aus vier gegeneinander elektrisch isolierten ARMCO-Scheiben
entsteht. Die Dicke der einzelnen Schichten der Beschichtung nach
der Vakuumwärmebehandlung beträgt jeweils 4 μm.
Da bei der Vakuumwärmebehandlung jeweils 2 Lagen aufeinander gesintert
wurden beträgt der Abstand der weichmagnetischen Scheiben
ca. 8 μm.
-
Beispiel 2
-
In
diesem Beispiel wird die Herstellung eines weichmagnetischen Kerns
beschrieben, der aus insgesamt 5 Sol-Gel-SiOxCy-beschichteten weichmagnetischen Siliciumstahlelementen
(2,5% Silicium, 0,02% Kohlenstoff) 200 × 20 × 1,5
mm3 zusammensetzt ist. Im Gegensatz zum
ersten Ausführungsbeispiel wird für die Herstellung
des weichmagnetischen Kerns ein säurekatalysiertes Sol
verwendet, dessen pH-Wert erfindungsgemäß größer
6,5 eingestellt wird.
-
Es
wird ein mit Essigsäure katalysiertes Sol auf Basis von
Tetraethoxyorthosilan (TEOS; Si(OC2H5)4) und Methyltriethoxysilan
(MIES; CH3Si(OC2H5)3) hergestellt.
In einem luftdicht verschlossenen und mit Argon gefluteten Kolben
werden mit einer Kanüle über ein Septum 57,5 ml
Ethanol und 12,1 ml destilliertes Wasser gegeben und ca. 5 Minuten
mit einem Magnetrührer vermischt. Unter weiterem Rühren
erfolgt die Zugabe von 29,8 ml Tetraethoxyorthosilan und 40,9 ml
Methyltriethoxysilan. Es folgt eine weitere Rührphase von
10 Minuten bevor 10,5 ml Essigsäure zugeben werden. Aufgrund der
relativ geringen Essigsäuremenge von 0,5 Molanteilen bezogen
auf die Gesamtmolmenge der enthaltenen metallorganischen Monomere,
wird das Sol erfindungsgemäß einer Rührphase
von 24 h unter Argonatmosphäre bei 60°C ausgesetzt,
um Hydrolyse und (Poly)Kondensation entsprechend zu beschleunigen.
Dabei darf das Argon nicht durch den Kolben strömen, da
hierdurch das flüchtige Ethanol aus dem Sol abdampfen würde.
Nach einem Tag wird der Kolben geöffnet und es werden 5,36
g Polyvinylpyrrolidon-Pulver (PVP) unter ständigem Rühren
langsam zugegeben. PVP ist ein organisches Additiv, das einerseits
die Solviskosität erhöht, so dass bei gleichen Spin-Coating-Bedingungen
dickere Sol-Gel-Schichten abgeschieden werden können und
das andererseits die Rissanfälligkeit der Sol-Gel-Schichten
deutlich reduziert. Mehr über die Wirkungsweise von PVP ist
in: H. Kozuka, S. Takenaka, H. Tokita, Toshihiro Hirano,
Y. Higashi, T. Hamatani, Stress and Cracks in Sol-Gel-Derived Ceramic
Coatings and Thick Film Formation, J. Sol-Gel Sci. and Technol.
26 (2003) 681–686 beschrieben. Nach der PVP-Zugabe
folgt eine weiteres Rühren des Sols bei einer Temperatur von
60°C ± 5°C für insgesamt 60
Minuten. Danach wird das Sol für mindestens 2 Tage bei
Raumtemperatur in einer verschließbaren Glasflasche gelagert. Eine
Lagerzeit von mindesten 2 Tagen ist erforderlich, da in den ersten
beiden Tagen noch eine Viskositätszunahme beobachtet wird.
Das Sol ist dann ca. 6 bis 8 Wochen einsetzbar.
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Für
das in diesem Beispiel hergestellte Sol beträgt das Molverhältnis
des Lösungsmittels Ethanol zu den metallorganischen Monomeren
gleich drei. Für ein solches Sol beträgt die Sol-Viskosität
gemäß 1 knapp 60 mPa s. Durch Erhöhung
des Lösungsmittelanteils kann die Viskosität entsprechend dem
Diagramm in 1 reduziert werden.
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Die
Beschichtung der weichmagnetischen Bleche erfolgt mit einer handelsübliches
Tauchbeschichtungsapparatur, wobei die Elektrobleche in das hergestellte
Sol getaucht und mit einer Extraktionsgeschwindigkeit von 10 cm/min
wieder herausgezogen werden. Nach einer Trocknungsphase von 60 Minuten
an Luft bei 80°C werden die beschichteten Elektrobleche
in einer geeigneten Vorrichtung chargiert und bei 250°C
unter Luft für 120 min wärmebehandelt. Aufgrund
der Probenhalterung bleiben ca. 5 mm am oberen Rand der Bleche unbeschichtet,
so dass die Bleche, nachdem sie auf Raumtemperatur abgekühlt
sind, ein zweites Mal beschichtet werden, wobei sie umgehrt eingespannt
werden. Tauchbeschichtung und Wärmebehandlung erfolgen
entsprechend dem ersten Beschichtungsvorgang.
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Anschließend
werden 5 zweifach beschichtete Elektrobleche passgenau aufeinander
gelegt und mit einem Gewicht von 1000 g zusammengepresst und bei
600°C für 4 h in einer Schutzgasatmosphäre
in einen Ofen gestellt. Die zusammengepressten Bleche werden dann
nach einer Abkühlphase von ca. 1 h aus dem Ofen entnommen.
Die Bleche sind dann über die Beschichtung fest miteinander versintert,
so dass ein kompakter weichmagnetischer Kern aus gegeneinander elektrisch
isolierten Blechen vorliegt. Eine schematische Darstellung der Prozessschritte
zur Herstellung eines derartigen magnetischen Kerns ist in 2 dargestellt.
-
Die
Schichtdicke zwischen den weichmagnetischen Elementen beträgt
ca. 8 μm. Diese Schichtdicke bietet eine sehr gute elektrische
Isolation der magnetischen Elemente gegeneinander. Die Durchschlagsfestigkeit
der Beschichtung beträgt etwa 2 kV und liegt damit deutlich über
dem Anforderungsprofil typischer magnetischer Kerne und Flusskonzentratoren.
Aufgrund des sehr geringen Schichtvolumens sind durch die Beschichtung
nur minimale Verluste der Sättigungsmagnetisierung bezogen
auf das Gesamtvolumen des magnetischen Kern zu erwarten. Die Dauertemperaturbeständigkeit
dieses Kerns liegt bei 450°C.
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Die
abgeschiedene Schichtdicke hängt von der Extraktionsgeschwindigkeit
bei dem Tauchbeschichtungsprozess und von der Sol-Viskosität
ab. 3 zeigt die abgeschiedene Schichtdicke für
verschiedene TEOS/MTES-Sole mit unterschiedlichen Ethanolanteilen.
-
Soweit
in der vorliegenden Anmeldung auf Publikationen Bezug genommen wird,
wird die Offenbarungen dieser Publikationen durch Bezugnahme in ihrer
Gesamtheit in diese Anmeldung einbezogen, um vollständiger
den Stand der Technik zu beschreiben, der den Fachleuten zum Zeitpunkt
der hier beschriebenen und beanspruchten Erfindung bekannt war.
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
Diese Liste
der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert
erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information
des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen
Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt
keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
-
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