CN1656575A - 软磁体粉末复合材料、它的制造方法和应用 - Google Patents

软磁体粉末复合材料、它的制造方法和应用 Download PDF

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Abstract

提出一种软磁体粉末复合材料，由至少99.4％重量百分比的纯铁粉、磷化处理的铁粉或者铁合金粉与0.05％至0.6％重量百分比的软铁氧体粉组成，主要用在机动车发动机中的快速开关电磁阀中。此外还提出一种用于制造这类软磁体粉末复合材料的方法，包括以下方法步骤：a)用纯铁粉、磷化处理的铁粉或者铁合金粉与软铁氧体粉制备原始混合物，b)混合该原始混合物，c)在一个压力机中在提高的压力下压实该原始混合物，d)在惰性气体气氛中或者富氧气氛中将该压实的原始混合物脱粘结剂，和e)在氧化气氛中在410℃至500℃的温度下对该压实的原始混合物热处理。

Description

软磁体粉末复合材料、它的制造方法和应用
本发明涉及一种按照独立权利要求所述类型的软磁体粉末复合材料，一种用于制造这种粉末复合材料的方法以及它的应用。
现有技术
现代汽油发动机和柴油发动机总是要求高效率的电磁喷射阀，以满足例如降低油耗和降低有害物质的要求。已知的快速开关电磁喷射阀用软磁体材料例如FeCr合金或FeCo合金制造或者用具有尽可能高的比电阻的粉末复合材料制造。然而，在采用金属材料时，通过合金技术措施只能达到最大为1μΩm的比电阻。
另外也已经知道，在柴油喷射阀(共轨系统，Common Rail System)中使用由铁粉和有机结合剂组成的磁性材料。虽然这些材料的比电阻比上面提到的软磁体合金材料较高，但它们在耐燃料性和耐温度性方面受到限制，此外也不易加工。
在DE 199 60 095 A1中介绍了一种烧结的软磁体复合材料和其制造方法，在这种材料中，在原始混合物中使用铁磁性原始组分作为主要组成部分、铁氧体原始组分作为辅助组成部分，这种原始混合物在热处理之后形成一种软磁体复合材料。在原始混合物热处理成复合材料之后，第二原始组分形成晶界相。第一原始组分例如是纯铁粉或者是磷化处理的铁粉，第二原始组分例如是铁氧体粉，特别是软铁氧体粉，例如锰锌铁氧体或者镍锌铁氧体。在原始混合物中，铁粉的含量为重量百分比的95至99％，铁氧体粉的含量为重量百分比的1至25％。
本发明的任务是，提供一种软磁体粉末复合材料，这种粉末复合材料具有尽可能高的磁饱和极化和导磁率以及尽可能高的比电阻，特别是改善了DE 199 60 095 A1所述的复合材料的特性。
本发明的优点
与现有技术相比，本发明软磁体粉末复合材料的优点是，它具有1.85特斯拉(Tesla)以上、特别是1.90特斯拉至2.05特斯拉的磁饱和极化，并且，它具有1μΩm以上、特别是5μΩm至15μΩm的、与现有技术相比明显提高的比电阻。该比电阻约通常在10μΩm左右。此外有利的是，本发明软磁体粉末复合材料在圆柱体试样上测得的抗弯曲强度在120MPa以上。用这种材料制造的呈喷射阀磁钵形式的构件的边缘断裂强度(Kantenbruchfestigkeit)高于45KN，此外，所得到的软磁体粉末复合材料可以至少耐400℃的温度，而且耐燃油。就此而言，它很适合用于制造快速开关的电磁阀，如在汽车发动机中的柴油喷射装置中所必需的电磁阀。
在本发明的用于制造软磁体粉末材料的方法中，有利的是，通过向原始混合物中添加压制辅助剂，例如微蜡，可以使压制更容易，所得到的粉末复合材料的特性可以很简单地通过在脱粘结剂或者说热处理时的气体气氛和温度程序来调节。
根据从属权利要求中所列出的措施可以得到本发明的进一步有利的构造。
如果使用的软铁氧体粉是一种MnZn铁氧体粉、一种NiZn铁氧体粉或者是两种粉末的混合物，是特别有利的。另外有利的是，所使用的纯铁粉、铁合金粉或者优选使用的磷化处理的铁粉的粉末粒子的平均粒度在30μm到150μm之间，相比而言，所使用的软铁氧体粉的粒度有利地明显较小，平均小于20μm。优选的是，所使用的软铁氧体粉末的平均粒度小于5μm，特别是小于1μm。
实施例说明
为了制造软磁体粉末复合材料，首先从原始混合物出发，原始混合物由一种纯铁粉或者一种磷化处理的铁粉与一种软铁氧体粉组成。或者，也可以使用铁合金粉如FeCr粉或者FeCo粉来替换铁粉。
优选使用磷化处理的铁粉，因为这样粉末复合材料可以达到最好的电性能。
此外，在原始混合物中还可以添加一种压制辅助剂，如微蜡，这种压制辅助剂在后面对原始混合物进行热处理以便制造软磁体粉末复合材料的过程中又被除去。压制辅助剂在原始混合物中的含量为质量百分比0％至最大0.8％。除压制辅助剂之外，原始混合物由至少99.4％质量百分比的纯铁粉或磷化处理的铁粉与0.1％至0.6％质量百分比的软铁氧体粉组成。优选的是，纯铁粉或磷化处理的铁粉的含量高于99.5％质量百分比，特别是99.7％至99.8％质量百分比。优选的是，软铁氧体粉的含量低于0.5％质量百分比，特别是0.1％至0.3％质量百分比。在这里计算所得到的、在对起先制造的原始混合物进行混合、压实、脱粘结剂和热处理之后产生的软磁体复合材料成分时，忽略了起先添加的压制辅助剂的可能还存在的、不可避免的杂质或者说微量残余。
优选的是，使用的软铁氧体粉是锰锌铁氧体(MnZnOFe2O3)或者是镍锌铁氧体(NiZnOFe2O3)或者是由两种粉末组成的混合物。优选的是，使用磷化处理的铁粉或者磷化处理的纯铁粉和这两种软铁氧体粉中的一种。
纯铁粉或者磷化处理的铁粉的粉末粒子平均粒度为50μm至100μm。优选的是，所使用的软铁氧体粉末的粒度明显低于20μm，尤其是低于5μm。例如，粒度在0.5μm至2μm之间的范围内，特别是在1μm。
此外还要强调，对于基本上由纯铁粉或磷化处理的铁粉与软铁氧体粉组成的原始混合物成份，根据所得到的材料的计划用途，通过改变材料的组成，可以一方面将重点放在尽可能高的磁饱和极化和尽可能高的导磁率上，也就是说μmax大于800，或者可以另一方面将重点放在尽可能高的比电阻上。
如所解释的那样，前面介绍的粉末首先以原始混合物的形式准备好，这些原始混合物被混合并且接着借助于压力在提高的压力下被压实，制成所希望的形状。紧接着将这样制成的坯体在一个炉子里在惰性气体气氛中例如氮气氛中、或者在富氧气氛中脱粘结剂。为此，被压实的原始混合物在炉中被加热到400℃至500℃的温度并且在那里停留10分钟至1小时的持续时间。脱粘结剂时的温度主要取决于所使用的压制辅助剂，也就是说所使用的微蜡。就这点来说，温度也可以低于所述的400℃，例如在220℃至300℃的范围内。
在脱粘结剂之后，对已脱粘结剂的、压实的原始混合物在氧化气氛下在炉中在410℃至500℃的温度下进行进一步的热处理。在这里，压坯在炉中被加热到这个温度并且在那里停留20分钟至400分钟的持续时间，例如200分钟。炉中的气体气氛例如是空气。
该这个过程结束之后得到软磁体粉末复合材料，其中，所使用的软铁氧体至少很大程度地作为晶界相存在，也就是说，软铁氧体粉末粒子包围着在粉末复合材料中使用的铁粉粒子。
在制造过程中使用压制辅助剂可以使得原始混合物在压制时的压实和成型更容易。另一方面，压制辅助剂应当在脱粘结剂时再被完全去除或者蒸发掉，这样，不会对所得到的软磁体粉末复合材料的可达到的材料特性值产生直接影响。这主要是通过使用微蜡作为压制辅助剂达到的。
优选的是，通过在最好为500MPa至1000Mpa的压力下单轴向压制来进行对原始混合物在高压下在模子中的压实。
最后还要提到的是，用本发明软磁体粉末复合材料制造的电磁阀在机动车柴油喷射装置中在典型使用条件下可以不受限制地耐燃油和耐高温。此外，它们不仅在抗弯曲强度方面、而且在边缘断裂强度方面都具有很好的机械负荷能力。

Claims (13)

1、软磁体粉末复合材料，由至少99.4％重量百分比的纯铁粉、磷化处理的铁粉或者铁合金粉与0.05％至0.6％重量百分比的软铁氧体粉组成。
2、按照权利要求1所述的软磁体粉末复合材料，其特征为，该软铁氧体粉是锰锌铁氧体粉、镍锌铁氧体粉或者是由这两者组成的混合物。
3、按照权利要求1或2所述的软磁体粉末复合材料，其特征为，该纯铁粉或者磷化处理的铁粉的粉末粒子的平均粒度在30μm到150μm之间。
4、按照权利要求1或2所述的软磁体粉末复合材料，其特征为，该软铁氧体粉的粉末粒子的平均粒度小于20μm。
5、按照权利要求4所述的软磁体粉末复合材料，其特征为，粉末粒子的平均粒度在5μm以下，特别是在1μm以下。
6、按照前面权利要求之一所述的软磁体粉末复合材料，其特征为，它具有1.85特斯拉以上、特别是1.90特斯拉至2.05特斯拉的饱和极化。
7、按照前面权利要求之一所述的软磁体粉末复合材料，其特征为，它具有1μΩm以上、特别是5μΩm至15μΩm的比电阻。
8、用于制造特别是按照前面权利要求之一所述的软磁体粉末复合材料的方法，具有以下方法步骤：a)用纯铁粉、磷化处理的铁粉或者铁合金粉与软铁氧体粉制备原始混合物，b)混合该原始混合物，c)在一个压力机中在提高的压力下压实该原始混合物，d)在惰性气体气氛中或者富氧气氛中将该压实的原始混合物脱粘结剂，和e)在氧化气氛中在410℃至500℃的温度下对该压实的原始混合物热处理。
9、按照权利要求8所述的方法，其特征为，在原始混合物中在混合之前添加压制辅助剂，特别是微蜡。
10、按照权利要求8所述的方法，其特征为，在400℃至520℃的温度下经过10分钟至1小时的持续时间进行脱粘结剂。
11、按照权利要求8所述的方法，其特征为，经过20分钟至400分钟的持续时间进行热处理。
12、按照权利要求8或10所述的方法，其特征为，在氮气氛中或者氧-氮混合气中或者在空气中经过10分钟至70分钟的持续时间进行脱粘结剂，该氧-氮混合气特别是具有5％至30％体积百分比的氧气。
13、按照前面权利要求之一所述的软磁体粉末复合材料的使用，用在快速开关的电磁阀中，特别是机动车发动机的喷射柴油装置中。
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