ES2203784T3

ES2203784T3 - Polvo de hierro recubierto de fosfato y metodo para su fabricacion.

Info

Publication number: ES2203784T3
Application number: ES97905537T
Authority: ES
Inventors: Patricia Jansson; Lars-Ake Larsson
Original assignee: Hoganas AB
Current assignee: Hoganas AB
Priority date: 1996-02-23
Filing date: 1997-02-19
Publication date: 2004-04-16
Anticipated expiration: 2017-02-19
Also published as: US6348265B1; WO1997030810A1; AU714473B2; DE69724589T2; CN1211943A; AU2238297A; PL183359B1; PL328509A1; ATE248674T1; EP0881959B1; MX220648B; JP2000504785A; JP4187266B2; EP0881959A1; KR100454855B1; DE69724589D1; RU2176577C2; BR9707648A; KR19990087118A; CN1223422C

Abstract

LA INVENCION SE REFIERE A UN NUEVO POLVO CON BAJO CONTENIDO DE OXIGENO QUE COMPRENDE PARTICULAS DE UN POLVO BASE CONSTITUIDO ESENCIALMENTE POR HIERRO PURO QUE TIENE UNA BARRERA AISLANTE QUE CONTIENE OXIGENO Y FOSFORO. EL CONTENIDO DE OXIGENO DEL NUEVO POLVO ES COMO MAXIMO UN 0,2 % EN PESO MAYOR QUE EL CONTENIDO DE OXIGENO DEL POLVO BASE, Y LA RELACION O:P ESTA ENTRE 30 Y 1, PREFERIBLEMENTE ENTRE 15 Y 2 Y MAS PREFERIBLEMENTE ENTRE 10 Y 3 SEGUN SE MIDE POR EL METODO ESCA. LA INVENCION TAMBIEN SE REFIERE A UN NUEVO METODO DE PREPARACION DE POLVO BASADO EN HIERRO QUE COMPRENDE LOS PASOS DE PREPARAR UN POLVO BASE CONSISTENTE EN POLVO DE HIERRO ATOMIZADO CON AGUA O UN POLVO DE ESPONJA DE HIERRO, SOMETER LA MEZCLA A UN TRATAMIENTO CON UNA SOLUCION DE ACIDO FOSFORICO EN UN SOLVENTE ORGANICO Y SECAR LA MEZCLA OBTENIDA, SIENDO ROCIADA LA SOLUCION DE ACIDO FOSFORICO SOBRE EL POLVO BASE MIENTRAS SE MEZCLA.

Description

Polvo de hierro recubierto de fosfato y método para su fabricación.

El presente invento concierne a un nuevo polvo basado en hierro. Más específicamente, el invento concierne a un nuevo polvo basado en hierro que es útil para la preparación de materiales magnéticos blandos que tienen propiedades mejoradas cuando se usan tanto a altas como a bajas frecuencias. El invento también concierne a un nuevo método para la fabricación del nuevo polvo basado en hierro.

Las partículas basadas en hierro se han usado durante mucho tiempo como un material base en la fabricación de componentes estructurales mediante métodos pulvimetalúrgicos. Las partículas basadas en hierro se moldean primero en una prensa bajo elevadas presiones para producir la forma deseada. Después de la etapa de moldeo, el componente estructural sufre normalmente una etapa de sinterización para conferir la resistencia necesaria al componente.

También se han fabricado componentes de núcleo magnético mediante tales métodos pulvimetalúrgicos, pero las partículas basadas en hierro usadas en estos métodos están recubiertas generalmente con una capa circunferencial de material aislante.

Dos características clave de un componente con núcleo de hierro son sus características de permeabilidad magnética y pérdida de núcleo. La permeabilidad magnética de un material es una indicación de su capacidad para magnetizarse o su capacidad para transportar un flujo magnético. La permeabilidad se define como la relación entre el flujo magnético inducido y la fuerza magnetizante o la intensidad del campo. Cuando un material magnético se expone a un campo que varía rápidamente, la energía total del núcleo se reduce por existencia de pérdidas por histéresis y/o pérdidas por corrientes parásitas. La pérdida por histéresis está ocasionada por el consumo de energía necesario para superar las fuerzas magnéticas retenidas dentro del componente de núcleo de hierro. La pérdida por corriente parásita está ocasionada por la producción de corrientes eléctricas en el componente de núcleo de hierro debido al flujo cambiante causado por las condiciones de corriente alterna (AC).

Los componentes de núcleo magnético están a menudo hechos de chapas de acero laminado, pero estos componentes son difíciles de fabricar en forma de red para pequeñas piezas intrincadas, y experimentan grandes pérdidas de núcleo a frecuencias más elevadas.

La aplicación de estos núcleos basados en laminación está también limitada por la necesidad de transportar el flujo magnético en el plano de la chapa sólo para evitar excesivas pérdidas por corrientes parásitas. Se han utilizado los polvos de metal sinterizados para reemplazar el acero laminado como material para el componente de núcleo magnético, pero estas piezas sinterizadas también tienen elevadas pérdidas de núcleo y están limitadas principalmente a operaciones de corriente continua (DC).

La investigación en el campo de la fabricación pulvimetalúrgica de componentes de núcleo magnético usando polvos basados en hierro recubiertos se ha dirigido al desarrollo de composiciones de polvo de hierro que aumentan ciertas propiedades físicas y magnéticas sin detrimento de otras propiedades. Propiedades deseables incluyen una elevada permeabilidad a través de un amplio intervalo de frecuencias, resistencia a elevada presión, bajas pérdidas de núcleo y adecuación para las técnicas de moldeo por compresión.

Cuando se moldea un componente de núcleo para aplicaciones energéticas AC, generalmente se requiere que las partículas de hierro tengan un recubrimiento eléctricamente aislante para disminuir las pérdidas de núcleo.

En la literatura se describen diferentes tipos de recubrimientos aislantes que se usan para partículas de hierro.

De acuerdo con el documento DE 1.291.028, el polvo de hierro se trata con una disolución de ácido fosfórico y seguidamente se lava y seca. Este procedimiento se caracteriza porque el polvo de hierro tiene un tamaño de partícula de 10 \mum como máximo, y porque el polvo se trata con ácido crómico además de ácido fosfórico. La publicación no describe las propiedades magnéticas para materiales preparados usando el polvo de hierro.

Otra publicación dentro de este campo es la publicación DE 2.825.235, que describe un polvo de hierro que consiste en partículas que están recubiertas con una capa de óxido. El tamaño de partícula está entre 0,05 y 0,15 mm y las partículas tienen un recubrimiento de óxido que, calculado sobre el peso de partícula, incluye de 0,3 a 0,8% en peso de oxígeno. El recubrimiento de óxido se puede obtener calentando al aire o mediante oxidación química, pero no se describen los parámetros del procedimiento ni el análisis de las partículas recubiertas. A partir los ejemplos puede calcularse que las permeabilidades obtenidas están en el intervalo de 30 a 35.

La Solicitud de Patente Europea 434.669 concierne a un polvo magnético en el que un recubrimiento eléctricamente aislante separa las partículas de polvo magnéticas. Las partículas tienen un tamaño de partícula medio de 10-300 \mum, y el material aislante que recubre cada partícula del polvo magnético comprende una película continua aislante que tiene un espesor de 10 \mum o menos, y esta película comprende un alcóxido de metal o un producto de su descomposición.

El documento WO 95/29490 describe capas aislantes que se obtienen usando un método basado en ácido fosfórico en agua. El propósito del invento descrito en esta publicación es proporcionar un método para mejorar las propiedades magnéticas blandas. Este propósito se alcanza sometiendo un cuerpo compactado de partículas de polvo aisladas a un tratamiento térmico a temperaturas entre 350 y 550ºC. Otro propósito es proporcionar un método que no requiere el uso de disolventes orgánicos. A pesar de que los resultados obtenidos de acuerdo a la publicación WO son satisfactorios en relación con las propiedades magnéticas blandas, se requirieron o se necesitaron mejoras en relación con la pérdida total para ciertas aplicaciones. Fue encontrado inesperadamente por los presentes inventores que el problema de cómo obtener menores pérdidas puede resolverse sometiendo las partículas de polvo al método de mezcla con pulverización de acuerdo con el presente invento. Como puede verse de los datos comparativos en los ejemplos de la presente solicitud, los resultados obtenidos de acuerdo a la publicación WO son claramente inferiores en comparación con los resultados obtenidos mediante el método de pulverización.

Finalmente, la patente DE 3.439.397 describe partículas de hierro que están eléctricamente aisladas mediante un recubrimiento de fosfato. Este recubrimiento podía ser por ejemplo fosfato de magnesio o de zinc. El recubrimiento aislante de fosfato debería ser de entre 0,1 y 1,5% del peso de las partículas de hierro. El ejemplo 1 de esta publicación describe en más detalle que este recubrimiento eléctricamente aislante se obtiene agitando el polvo de hierro en una disolución del 89% de ácido fosfórico en acetona. Un estudio comparativo entre el polvo de acuerdo a la solicitud de patente WO y el polvo de acuerdo a la patente DE ha revelado que la capa aislante de acuerdo con la patente DE incluye más oxígeno y fósforo considerablemente que el polvo de acuerdo con la solicitud WO.

Se ha encontrado ahora bastante inesperadamente que se pueden obtener propiedades notablemente mejoradas usando el nuevo polvo de bajo contenido en oxígeno de acuerdo con el presente invento. Estas propiedades incluyen resistencia, densidad, inducción y permeabilidad en combinación con una menor pérdida.

El nuevo polvo está basado en un polvo base que consiste esencialmente en hierro puro y podría ser, por ejemplo, un polvo de hierro pulverizado con agua disponible comercialmente o un polvo de hierro esponjoso con partículas redondas, irregulares o planas. Ejemplos típicos de polvos irregulares, vaporizados con agua que pueden usarse son los polvos de las series ABC 100 y ASC 100 disponibles en Höganäs AB, Suecia. El tamaño de partícula del polvo base depende de la intención de uso final del polvo, y es generalmente menor de 200 \mum y preferiblemente menor de 150 \mum. Para frecuencias más elevadas, se prefieren tamaños de partícula por debajo de 45 \mum. Se prefiere además que la mayoría de las partículas del polvo basado en hierro tengan un tamaño de partícula por encima de 10 \mum.

De acuerdo con el invento este polvo base se proporciona con un recubrimiento o barrera de oxígeno, y es una nueva característica distintiva que la cantidad de oxígeno del nuevo polvo es sólo ligeramente elevada en comparación con la del polvo base. Más específicamente, la cantidad de oxígeno en el nuevo polvo es como mucho 0,2% en peso, preferiblemente como mucho 0,15% en peso mayor que en el polvo base.

Se cree que la estructura de la superficie y la composición de las partículas es importante para las propiedades del nuevo polvo, y por esta razón se ha estudiado el nuevo polvo mediante el método ESCA (comparar "Proceedings of the sixth international conference on X-ray optics and microanalysis", University of Tokyo Press, 1972, págs. 385-392 y 393-398 o "Solid state chemistry and its applications" por Anthony R. West, Publicado por John Wilew e hijos, 1984, pág. 86 y págs. 92-96). De acuerdo con este método, la relación O:P debería ser menos de 30 y más de 1. Preferiblemente esta relación debería ser menos de 15 y más de 2, y más preferiblemente menos de 10 y más de 3.

Otra característica importante de la barrera de superficie de las partículas del nuevo polvo es el espesor, y usando el método AES (véase la publicación "Solid state chemistry and its applications" referida a lo anterior) se ha encontrado que la capa aislante o recubrimiento debería ser menor que 100 nm, preferiblemente menor que 70 nm, y más preferiblemente menor que 50 nm.

La capa aislante de acuerdo con el presente invento se aplica en el polvo base tratando el polvo base con ácido fosfórico en un disolvente orgánico durante un período de tiempo suficiente para obtener las cantidades indicadas. La concentración del ácido fosfórico en el disolvente orgánico debería ser considerablemente menor que la concentración descrita en la patente DE y varía entre 0,5 y 50%, preferiblemente entre 0,5 y 20%, y más preferiblemente entre 1 y 5%. El nuevo polvo se puede obtener pulverizando la disolución de ácido fosfórico en el polvo base durante un período de tiempo suficiente para obtener los niveles indicados anteriormente. La concentración del ácido fosfórico debería ser preferiblemente menor que 10 y más preferiblemente menor que 5% en peso.

El nuevo polvo basado en hierro de acuerdo con el invento se puede combinar con un lubricante en una cantidad de 0,1 a 1% en peso y, opcionalmente, con una resina termoendurecible o una resina termoplástica antes de la etapa compactante. Ejemplos representativos de lubricantes son Kenolube®, H wax, EBS y estearatos, tales como estearato de zinc. La resina orgánica podría seleccionarse del grupo consistente en Peracit, Ultem.

La compactación podría llevarse a cabo a presiones convencionales de hasta 1000 Mpa, y la compactación podría llevarse a cabo a temperatura ambiente y Temperatura elevada.

El invento se ilustra además mediante los siguientes experimentos.

Muestras de 1 Kg del polvo ABC100.30, que está comercialmente disponible en Höganäs AB, Suecia, se sometieron a un procedimiento de recubrimiento, mediante el uso de ácido ortofosfórico en agua y etanol, respectivamente. Las disoluciones se pulverizaron sobre el polvo basado en hierro en cantidades variables de 2,5 a 120 ml/kg durante un período de tiempo suficiente para obtener un recubrimiento o barrera de oxígeno y fósforo. Todas las muestras se secaron posteriormente para eliminar el disolvente. El análisis ESCA de los polvos obtenidos revela que la relación O:P (% de átomos O:% de átomos P) del polvo obtenido mediante el uso de la disolución acuosa era de aproximadamente 30 y que las mismas relaciones obtenidas usando el procedimiento de acuerdo con el presente invento variaban entre 5 y 10.

Un análisis químico de las muestras mostraba que el contenido de oxígeno del polvo obtenido usando la disolución acuosa era por encima del 0,2% más alto que en el polvo base, mientras que el contenido en oxígeno del polvo obtenido usando el proceso de acuerdo con el invento tenía un contenido en oxígeno menor del 0,2% más alto que el del polvo base. Un análisis AES de las muestras mostraba un espesor de óxido por debajo de 100 nm para todas las muestras.

La tabla siguiente resume los datos obtenidos con el nuevo polvo, referidos como A, en comparación con los polvos de fuera del ámbito del invento.

TABLA 1

Muestra	O/P	% Átomos P	% Átomos O	O total	O añadido	P_{total}	P _{añadido}
Polvo base (1)		0,00	53,98	0,067	0	0,003	0
A4	9,3	5,83	53,98	0,070	0,003	0,004	0,001
A3	6,95	5,91	41,13	0,093	0,026	0,014	0,011
A2	4,6	13,49	61,92	0,171	0,104	0,048	0,045
Ref B	29,7	1,92	57,01	0,214	0,147	0,013	0,010

Se midieron las relaciones O/P mediante ESCA usando un espectrómetro KRATOS AXIS HS con Al monocromático como fuente de rayos-X K_{\alpha} = 1486,6 eV; \cong 395 nm.

La cantidad de O y P se midió mediante análisis químico.

La ref. B era una muestra preparada a partir de una disolución acuosa, de acuerdo con el método descrito en el documento WO 95/29490.

La tabla 2 describe la resistencia en crudo y la densidad obtenida para materiales preparados a partir del nuevo polvo en comparación con polvos fuera del alcance del invento. Los polvos se compactaron a 800 MPa y se añadió Kenolube al 0,6% como lubricante

TABLA 2

Material	Resistencia en verde	Densidad (g/cm^{3})
Ref B	26,71	7,25
A	39,55	7,31
Ref C	19,24	7,14

La referencia C concierne a una muestra preparada de acuerdo a la patente DE 3.439.397.

El efecto mejorado de los polvos de bajo contenido en oxígeno de acuerdo con el presente invento sobre las propiedades magnéticas de muestras preparadas de los polvos de bajo contenido en oxígeno se ilustra en la Fig. 1. Los polvos se han definido por sus relaciones O/P medidas mediante el método ESCA. Las muestras se prepararon mediante compactación de los polvos a 800 MPa y calentamiento de la muestra compactada durante un período de 30 min a 500ºC. "Ref B" indica los resultados obtenidos usando el procedimiento acuoso para el mismo polvo basado en hierro. Como se puede ver, se puede obtener una mejora espectacular con el nuevo polvo de hierro de bajo contenido en oxígeno de acuerdo con el presente invento.

La Fig. 2 describe el efecto mejorado como una función del contenido de oxígeno total de las muestras descritas en la Fig. 1.

Claims

1. Un método para preparar un polvo basado en hierro, de bajo contenido en oxígeno, que comprende partículas de un polvo base que consiste en hierro esencialmente puro, que tiene una barrera aislante que contiene oxígeno y fósforo, siendo el contenido de oxígeno del polvo de 0,2% como máximo y como mínimo 0,003% en peso mayor que el contenido de oxígeno del polvo base, estando la relación O:P entre 15 y 2, más preferiblemente entre 10 y 3, medido mediante el método ESCA, que comprende las etapas de preparar un polvo base que consiste en un polvo de hierro atomizado con agua o una esponja de polvo de hierro, someter la mezcla a pulverización con una disolución de ácido fosfórico en un disolvente orgánico y secar la mezcla obtenida, en el que la disolución de ácido fosfórico se pulveriza sobre el polvo base mientras que se está mezclando durante un período de tiempo suficiente para proporcionar una barrera aislante de cómo máximo 100 nm, medida sobre las partículas mediante el método AES.

2. El método de acuerdo con la reivindicación 1, en el que la concentración del ácido fosfórico en el disolvente orgánico varía entre 0,5 y 20,0% en peso, preferiblemente entre 0,5 y 5% en peso.

3. El método de acuerdo con la reivindicación 1 ó 2, en el que el disolvente orgánico se selecciona del grupo consistente en etanol y acetona.