RU2549904C2 - Ферромагнитная порошковая композиция и способ ее получения - Google Patents

Ферромагнитная порошковая композиция и способ ее получения Download PDF

Info

Publication number
RU2549904C2
RU2549904C2 RU2012115446/04A RU2012115446A RU2549904C2 RU 2549904 C2 RU2549904 C2 RU 2549904C2 RU 2012115446/04 A RU2012115446/04 A RU 2012115446/04A RU 2012115446 A RU2012115446 A RU 2012115446A RU 2549904 C2 RU2549904 C2 RU 2549904C2
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
powder
composition according
organometallic
composition
layer
Prior art date
Application number
RU2012115446/04A
Other languages
English (en)
Other versions
RU2012115446A (ru
Inventor
Бьерн СКОРМАН
Чжоу Е
Original Assignee
Хеганес Аб
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Хеганес Аб filed Critical Хеганес Аб
Publication of RU2012115446A publication Critical patent/RU2012115446A/ru
Application granted granted Critical
Publication of RU2549904C2 publication Critical patent/RU2549904C2/ru

Links

Classifications

    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01FMAGNETS; INDUCTANCES; TRANSFORMERS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR MAGNETIC PROPERTIES
    • H01F1/00Magnets or magnetic bodies characterised by the magnetic materials therefor; Selection of materials for their magnetic properties
    • H01F1/01Magnets or magnetic bodies characterised by the magnetic materials therefor; Selection of materials for their magnetic properties of inorganic materials
    • H01F1/03Magnets or magnetic bodies characterised by the magnetic materials therefor; Selection of materials for their magnetic properties of inorganic materials characterised by their coercivity
    • H01F1/12Magnets or magnetic bodies characterised by the magnetic materials therefor; Selection of materials for their magnetic properties of inorganic materials characterised by their coercivity of soft-magnetic materials
    • H01F1/14Magnets or magnetic bodies characterised by the magnetic materials therefor; Selection of materials for their magnetic properties of inorganic materials characterised by their coercivity of soft-magnetic materials metals or alloys
    • H01F1/20Magnets or magnetic bodies characterised by the magnetic materials therefor; Selection of materials for their magnetic properties of inorganic materials characterised by their coercivity of soft-magnetic materials metals or alloys in the form of particles, e.g. powder
    • H01F1/22Magnets or magnetic bodies characterised by the magnetic materials therefor; Selection of materials for their magnetic properties of inorganic materials characterised by their coercivity of soft-magnetic materials metals or alloys in the form of particles, e.g. powder pressed, sintered, or bound together
    • H01F1/24Magnets or magnetic bodies characterised by the magnetic materials therefor; Selection of materials for their magnetic properties of inorganic materials characterised by their coercivity of soft-magnetic materials metals or alloys in the form of particles, e.g. powder pressed, sintered, or bound together the particles being insulated
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22FWORKING METALLIC POWDER; MANUFACTURE OF ARTICLES FROM METALLIC POWDER; MAKING METALLIC POWDER; APPARATUS OR DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR METALLIC POWDER
    • B22F1/00Metallic powder; Treatment of metallic powder, e.g. to facilitate working or to improve properties
    • B22F1/10Metallic powder containing lubricating or binding agents; Metallic powder containing organic material
    • B22F1/102Metallic powder coated with organic material
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22FWORKING METALLIC POWDER; MANUFACTURE OF ARTICLES FROM METALLIC POWDER; MAKING METALLIC POWDER; APPARATUS OR DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR METALLIC POWDER
    • B22F1/00Metallic powder; Treatment of metallic powder, e.g. to facilitate working or to improve properties
    • B22F1/16Metallic particles coated with a non-metal
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01FMAGNETS; INDUCTANCES; TRANSFORMERS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR MAGNETIC PROPERTIES
    • H01F41/00Apparatus or processes specially adapted for manufacturing or assembling magnets, inductances or transformers; Apparatus or processes specially adapted for manufacturing materials characterised by their magnetic properties
    • H01F41/02Apparatus or processes specially adapted for manufacturing or assembling magnets, inductances or transformers; Apparatus or processes specially adapted for manufacturing materials characterised by their magnetic properties for manufacturing cores, coils, or magnets
    • H01F41/0206Manufacturing of magnetic cores by mechanical means
    • H01F41/0246Manufacturing of magnetic circuits by moulding or by pressing powder

Abstract

Изобретение относится к ферромагнитной порошковой композиции и способу ее получения. Предложена ферромагнитная порошковая композиция, включающая магнитно-мягкие частицы сердцевины на основе железа, имеющие насыпную плотность 3,2-3,7 г/мл, и при этом поверхность частиц сердцевины снабжена неорганическим изоляционным слоем на основе фосфора и по меньшей мере одним металлоорганическим слоем из металлоорганического соединения предложенной структуры, расположенным снаружи первого неорганического изоляционного слоя на основе фосфора. При этом с металлоорганическим слоем сцеплен дисперсный оксид висмута. Изобретение также относится к способу получения композиции и способу изготовления магнитно-мягких композиционных материалов, приготовленных из этой композиции, а также к полученному материалу. Технический результат - предложенная композиция позволяет получать материалы с высоким удельным сопротивлением и низкими потерями в сердечнике экологичным способом. 5 н. и 13 з.п. ф-лы, 7 табл., 7 пр.

Description

Область изобретения
Настоящее изобретение относится к порошковой композиции, включающей электрически изолированный порошок на основе железа, и к способу ее получения. Изобретение также относится к способу изготовления магнитно-мягких композиционных компонентов, приготовленных из этой композиции, а также к полученному компоненту.
Предпосылки изобретения
Магнитно-мягкие материалы используют по таким назначениям, как материалы сердечников в индукторах, статорах и роторах электрических машин, приводов, датчиков и сердечников трансформаторов. Традиционно магнитно-мягкие сердечники, такие как в роторах и статорах электрических машин, изготавливают из наборных стальных пластин. Магнитно-мягкие композиционные (ММК) материалы выполнены на основе магнитно-мягких частиц, обычно на основе железа, с электроизоляционным покрытием на каждой частице. ММК-Компоненты получают прессованием изолированных частиц, используя традиционный для порошковой металлургии (ПМ) способ прессования, необязательно вместе со смазками и/или связующими. При использовании методов порошковой металлургии можно изготавливать материалы, имея более высокую степень свободы в разработке ММК-компонентов, чем при использовании стальных пластин, потому что ММК-материал может нести трехмерный магнитный поток, а также потому, что способом прессования можно получать трехмерные формы.
Две основные характеристики компонента - железного сердечника представляют собой его характеристики магнитной проницаемости и потерь в сердечнике. Магнитная проницаемость материала является показателем его способности становиться намагниченным или его способности проводить магнитный поток. Проницаемость определяют как отношение индуцированного магнитного потока к намагничивающей силе или напряженности поля. Когда на магнитный материал воздействует переменное поле, возникают потери энергии вследствие потерь на гистерезис и потерь на вихревые токи. Потери на гистерезис (потери постоянного тока), которые составляют основную часть суммарных потерь в сердечнике при большинстве применений в электродвигателях, вызваны необходимыми расходами энергии на преодоление сохранившихся магнитных сил внутри компонента - железного сердечника. Эти силы можно свести к минимуму путем улучшения чистоты и качества основного порошка, но наиболее важным является увеличение температуры и/или времени термической обработки (т.е. снятие напряжений) компонента. Потери на вихревые токи (потери переменного тока) обусловлены возникновением электрических токов в железном сердечнике вследствие изменяющегося потока, вызванного условиями переменного тока. Для минимизации вихревых токов желательно высокое удельное электрическое сопротивление компонента. Уровень удельного электрического сопротивления, который требуется для минимизации потерь переменного тока, зависит от типа применения (рабочей частоты) и размера компонента.
Потери на гистерезис пропорциональны частоте переменных электрических полей, в то время как потери на вихревые токи пропорциональны квадрату частоты. Таким образом, при высоких частотах потери на вихревые токи вносят основной вклад, и особенно важно сокращать потери на вихревые токи при одновременном сохранении низкого уровня потерь на гистерезис. Для устройств, работающих на высоких частотах, где используют изолированные магнитно-мягкие порошки, желательно использовать порошки с частицами меньшего размера, поскольку создаваемые вихревые токи можно ограничить меньшим объемом при условии достаточной электрической изоляции отдельных частиц порошка (вихревые токи внутри частиц). Таким образом, тонкодисперсные порошки, а также высокое удельное электрическое сопротивление станут более важными для компонентов, работающих на высокой частоте. Независимо от того, насколько хорошо работает изоляция частиц, всегда существует вызывающая потери часть неограниченных вихревых токов в объеме компонента. Потери на объемные вихревые токи пропорциональны площади поперечного сечения прессованной детали, которая проводит магнитный поток. Таким образом, компонентам с большой площадью поперечного сечения, которые проводят магнитный поток, потребуется более высокое удельное электрическое сопротивление для того, чтобы ограничить потери на объемные вихревые токи.
Изолированный магнитно-мягкий порошок на основе железа со средним размером частиц 100-400 мкм, например, от примерно 180 мкм до 250 мкм, и менее чем 10% частиц с размером менее 45 мкм (порошок 40 меш), обычно используют для компонентов, работающих на частоте до 1 кГц. Порошки со средним размером частиц 50-150 мкм, например, от примерно 80 мкм до 120 мкм, и 10-30% частиц менее чем 45 мкм (порошок 100 меш), можно использовать для компонентов, работающих от 200 Гц до 10 кГц, в то время как компоненты, работающие на частотах от 2 кГц до 50 кГц, обычно изготавливают на основе изолированных магнитно-мягких порошков со средним размером частиц примерно 20-75 мкм, например, от примерно 30 мкм до 50 мкм, и более чем 50% частиц менее чем 45 мкм (порошок 200 меш). Средний размер частиц и распределение частиц по размерам следует предпочтительно оптимизировать согласно требованиям применения. Таким образом, примеры среднемассовых размеров частиц составляют 10-450 мкм, 20-400 мкм, 20-350 мкм, 30-350 мкм, 30-300 мкм, 20-80 мкм, 30-50 мкм, 50-150 мкм, 80-120 мкм, 100-400 мкм, 150-350 мкм, 180-250 мкм, 120-200 мкм.
Исследование производства методом порошковой металлургии компонентов магнитных сердечников с использованием порошков на основе железа с покрытием было направлено на разработку железных порошковых композиций, которые улучшают определенные физические и магнитные свойства без отрицательного влияния на другие свойства конечного компонента. Желательные свойства компонента включают, например, высокую проницаемость в расширенном диапазоне частот, низкие потери в сердечнике, высокую индукцию насыщения и высокую механическую прочность. Желательные свойства порошка дополнительно включают пригодность для методов компрессионного формования, означающую, что из порошка можно легко формовать высокоплотный компонент, который можно легко извлекать из формовочного оборудования без повреждений на поверхности компонента.
Ниже приведены примеры опубликованных патентов.
Патент США № 6309748 (Lashmore) описывает ферромагнитный порошок с диаметром частиц от примерно 40 до примерно 600 микрон нанесенным на каждую частицу покрытием из неорганических оксидов.
Патент США № 6348265 (Jansson) описывает железный порошок, на который нанесено тонкое фосфор- и кислородсодержащее покрытие, причем порошок с покрытием пригоден для прессования в магнитно-мягкие сердечники, которые можно подвергать термической обработке.
Патент США № 4601765 (Soileau) описывает прессованный железный сердечник, в котором использован железный порошок, сначала покрытый пленкой силиката щелочного металла, поверх которой затем нанесена смола из кремнийорганического полимера.
Патент США № 6149704 (Moro) описывает ферромагнитный порошок, электрически изолированный покрытием из фенольной смолы и/или силиконовой смолы и, необязательно, золя оксида титана или оксида циркония. Полученный порошок смешивают со смазкой стеаратом металла и прессуют в порошковый сердечник.
Патент США № 7235208 (Moro) описывает порошковый сердечник, изготовленный из ферромагнитного порошка, содержащего изоляционное связующее, в котором диспергирован ферромагнитный порошок, причем изоляционное связующее включает трифункциональную алкилфенилсиликоновую смолу и, необязательно, неорганический оксид, карбид или нитрид.
Следующие документы в области мягко-магнитных материалов представляют собой японскую патентную заявку JP 2005-322489, опубликованную под номером JP 2007-129154 (Yuuichi); японскую патентную заявку JP 2005-274124, опубликованную под номером 2007-088156 (Maeda); японскую патентную заявку JP 2004-203969, опубликованную под номером JP 2006-0244869 (Masaki); японскую патентную заявку JP 2005-051149, опубликованную под номером JP 2006-233295 (Ueda); и японскую патентную заявку JP 2005-057193, опубликованную под номером JP 2006-245183 (Watanabe).
Задачи изобретения
Одна задача настоящего изобретения заключается в том, чтобы предложить порошковую композицию на основе железа, включающую электрически изолированный порошок на основе железа, предназначенный для прессования в магнитно-мягкие компоненты с высоким удельным сопротивлением и низкими потерями в сердечнике.
Одна задача изобретения заключается в том, чтобы предложить порошковую композицию на основе железа, включающую электрически изолированный порошок на основе железа, предназначенный для прессования в магнитно-мягкие компоненты, имеющие высокую прочность, причем компонент можно подвергать термической обработке при оптимальной температуре термической обработки, не повреждая электрически изолированное покрытие порошка на основе железа.
Одна задача изобретения заключается в том, чтобы предложить порошковую композицию на основе железа, включающую электрически изолированный порошок на основе железа, предназначенный для прессования в магнитно-мягкие компоненты, имеющие высокую прочность, высокую максимальную проницаемость и высокую индукцию при минимизации потерь на гистерезис и сохранении на низком уровне потерь на вихревые токи.
Одна задача изобретения заключается в том, чтобы предложить способ изготовления прессованных и термически обработанных магнитно-мягких компонентов, имеющих высокую прочность, высокую максимальную проницаемость, высокую индукцию и низкие потери в сердечнике, полученных при сведении к минимуму потерь на гистерезис с одновременным сохранением на низком уровне потерь на вихревые токи.
Одна задача изобретения заключается в том, чтобы предложить способ изготовления порошковой композиции на основе железа без необходимости в каких-либо токсичных или неблагоприятных для окружающей среды растворителях или процедурах сушки.
Одна задача заключается в том, чтобы предложить способ изготовления прессованного, и необязательно термически обработанного, магнитно-мягкого композиционного компонента на основе железа, имеющего низкие потери в сердечнике в сочетании с достаточной механической прочностью и приемлемой плотностью магнитного потока (индукцией) и максимальной проницаемостью.
Сущность изобретения
Для решения по меньшей мере одной из вышеупомянутых задач и/или других не упомянутых задач, которые проявятся из нижеследующего описания, настоящее изобретение относится к ферромагнитной порошковой композиции, включающей магнитно-мягкие частицы сердцевины на основе железа с насыпной плотностью 3,2-3,7 г/мл, при этом поверхность частиц сердцевины снабжена неорганическим изоляционным слоем на основе фосфора.
Необязательно, в другом варианте реализации снаружи первого неорганического изоляционного слоя на основе фосфора расположен по меньшей мере один металлоорганический слой из металлоорганического соединения, имеющего следующую общую формулу:
R1[(R1)x(R2)y(MOn-1)]nR1,
где M представляет собой центральный атом, выбранный из Si, Ti, Al или Zr;
O представляет собой кислород;
R1 представляет собой гидролизуемую группу, выбранную из алкоксигрупп, содержащих менее чем 4, предпочтительно менее чем 3 атома углерода;
R2 представляет собой органическую составляющую, и при этом по меньшей мере одна R2 содержит по меньшей мере одну аминогруппу;
где n представляет собой число повторяющихся звеньев и является целым числом от 1 до 20;
где x представляет собой целое число от 0 до 1;
где y представляет собой целое число от 1 до 2.
Предпочтительный вариант реализации согласно настоящее изобретение относится к ферромагнитной порошковой композиции, включающей магнитно-мягкие частицы сердцевины на основе железа, имеющие насыпную плотность 3,2-3,7 г/мл, и при этом поверхность частиц сердцевины снабжена неорганическим изоляционным слоем на основе фосфора и по меньшей мере одним металлоорганическим слоем, расположенным снаружи первого неорганического изоляционного слоя на основе фосфора, из металлоорганического соединения, имеющего следующую общую формулу:
R1[(R1)x(R2)y(MOn-1)]nR1,
где M представляет собой центральный атом, выбранный из Si, Ti, Al или Zr;
O представляет собой кислород;
R1 представляет собой алкоксигруппу, содержащую менее чем 4 атома углерода;
R2 представляет собой органическую составляющую, и при этом по меньшей мере одна R2 содержит по меньшей мере одну аминогруппу;
где n представляет собой число повторяющихся звеньев и является целым числом от 1 до 20;
где x представляет собой целое число от 0 до 1;
где y представляет собой целое число от 1 до 2.
В другом варианте реализации с по меньшей мере одним металлоорганическим слоем сцеплено дополнительное дисперсное соединение металла или полуметалла, имеющее твердость по шкале Мооса менее чем 3,5.
В еще одном варианте реализации порошковая композиция включает дисперсную смазку. Смазка может быть добавлена в композицию, включающую частицы сердцевины, снабженные неорганическим изоляционным слоем на основе фосфора и по меньшей мере одним металлоорганическим слоем; или, необязательно, композицию, также включающую дисперсное соединение металла или полуметалла.
Частицы сердцевины должны иметь измеряемую согласно стандарту ISO 3923-1 насыпную плотность (НП), составляющую 3,2-3,7 г/мл, предпочтительно 3,3-3,7 г/мл, предпочтительно 3,3-3,6 г/мл, предпочтительнее в интервале от более 3,3 г/мл до менее или равной 3,6 г/мл, предпочтительно от 3,35 до 3,6 г/мл; или от 3,4 до 3,6 г/мл; или от 3,35 до 3,55 г/мл; или от 3,4 до 3,55 г/мл.
Изобретение также относится к способу приготовления ферромагнитной порошковой композиции, включающему нанесение на магнитно-мягкие частицы сердцевины на основе железа, обладающие насыпной плотностью 3,2-3,7 г/мл или, например, в более предпочтительных интервалах, указанных выше, неорганического изоляционного слоя на основе фосфора так, чтобы поверхность частиц сердцевины была электрически изолированной.
Необязательно, в другом варианте реализации дополнительно включены стадии: a) смешивание упомянутых магнитно-мягких частиц сердцевины на основе железа, электрически изолированных неорганическим изоляционным слоем на основе фосфора, с металлоорганическим соединением, указанным выше; и b) необязательное смешивание полученных частиц с дополнительным металлоорганическим соединением, указанным выше.
Предпочтительный вариант реализации согласно настоящему изобретению относится к способу приготовления ферромагнитной порошковой композиции, включающему нанесение на магнитно-мягкие частицы сердцевины на основе железа, обладающие насыпной плотностью 3,2-3,7 г/мл, неорганического изоляционного слоя на основе фосфора так, чтобы поверхность частиц сердцевины была электрически изолированной; и
a) смешивание упомянутых магнитно-мягких частиц сердцевины на основе железа, изолированных неорганическим изоляционным слой на основе фосфора, с металлоорганическим соединением, при этом снаружи первого неорганического изоляционного слоя на основе фосфора предусмотрен по меньшей мере один металлоорганический слой из металлоорганического соединения, имеющего следующую общую формулу:
R1[(R1)x(R2)y(MOn-1)]nR1,
где M представляет собой центральный атом, выбранный из Si, Ti, Al или Zr;
O представляет собой кислород;
R1 представляет собой алкоксигруппу, содержащую менее чем 4 атома углерода;
R2 представляет собой органическую составляющую, и при этом по меньшей мере одна R2 содержит по меньшей мере одну аминогруппу;
где n представляет собой число повторяющихся звеньев и является целым числом от 1 до 20;
где x представляет собой целое число от 0 до 1;
где y представляет собой целое число от 1 до 2; и
b) необязательное смешивание полученных частиц с дополнительным металлоорганическим соединением, описанным в подпункте a).
В другом варианте реализации способ дополнительно включает стадию c) смешивания данного порошка с дисперсным соединением металла или полуметалла, имеющим твердость по шкале Мооса менее чем 3,5. Стадию c можно необязательно, помимо ее проведения после стадии b, проводить перед стадией b или вместо ее проведения после стадии b проводить перед стадией b.
В еще одном варианте реализации способ включает стадию d) смешивания данного порошка с дисперсной смазкой. Эту стадию можно осуществлять непосредственно после стадии b), если дисперсное соединение металла или полуметалла не включено в композицию.
Изобретение также относится к способу приготовления магнитно-мягких композиционных материалов, включающему: одноосное прессование композиции согласно изобретению в пресс-форме при давлении прессования, составляющем по меньшей мере примерно 600 МПа; необязательно, предварительное нагревание пресс-формы до температуры ниже температуры плавления добавленной дисперсной смазки; извлечение полученной необработанной заготовки; и необязательно, термическую обработку заготовки. Композиционный компонент согласно изобретению будет обычно иметь содержание P 0,01-0,1% по массе, содержание добавленного в основной порошок Si 0,02-0,12% по массе, и, если Bi добавлен в виде дисперсного соединения металла или полуметалла, имеющего твердость по шкале Мооса менее чем 3,5, содержание Bi составит 0,05-0,35% по массе.
Подробное описание изобретения
Основной порошок
Магнитно-мягкие частицы сердцевины на основе железа могут представлять собой распыленный водой, распыленный газом или губчатый железный порошок, хотя предпочтительным является распыленный водой порошок.
Магнитно-мягкие частицы сердцевины на основе железа можно выбирать из группы, состоящей из практически чистого железа, легированного железа Fe-Si, содержащего до 7 мас.%, предпочтительно до 3 мас.% кремния, легированного железа, выбранного из групп Fe-Al, Fe-Si-Al, Fe-Ni, Fe-Ni-Co или их сочетаний. Предпочтительным является практически чистое железо, т.е. железо с неизбежными примесями.
Кроме того, сейчас было неожиданно обнаружено, что дополнительное улучшение удельного электрического сопротивления прессованного и термически обработанного компонента согласно изобретению можно получить, если использовать основные порошки с менее грубыми поверхностями частиц. Такая подходящая морфология проявляется, например, увеличением насыпной плотности более чем на 7%, или более чем на 10%, или более чем на 12%, или более чем на 13% для железа или порошка на основе железа, в результате чего насыпная плотность составляет 3,2-3,7 г/мл, предпочтительно выше 3,3 г/мл и ниже или равна 3,6 г/мл, предпочтительно от 3,4 до 3,6 г/мл или от 3,35 до 3,55 г/мл. Такие порошки с желательной насыпной плотностью можно получить из распыленных газом или распыленных водой порошков. Если используют распыленные водой порошки, их предпочтительно подвергают измельчению, помолу или другим процессам, которые физически изменяют неправильную поверхность распыленных водой порошков. Если насыпная плотность порошков чрезмерно увеличивается, выше примерно 25% или выше 20%, что означает плотность распыленного водой порошка на основе железа выше примерно 3,7 или 3,6 г/мл, суммарные потери в сердечнике будут возрастать.
Кроме того, обнаружено, что форма частиц порошка влияет на результаты по, например, удельному сопротивлению. Использование неправильных частиц приводит к меньшей насыпной плотности и меньшему удельному сопротивлению, чем если бы частицы имели менее неровную и более гладкую форму. Таким образом, согласно настоящему изобретению предпочтительными являются узловатые, т. е. скругленные неправильные частицы, или же сферические или почти сферические частицы.
Поскольку высокое удельное сопротивление становится более важным для компонентов, работающих на высоких частотах, где предпочтительно используют порошки с частицами меньшего размера (такого как 100 и 200 меш), «высокая НП» становится более важным для этих порошков. Однако повышенное удельное сопротивление также обнаружено у более крупных порошков (40 меш). Крупные порошки, обычно подходящие для низкочастотных применений (<1 кГц), могут при увеличенной насыпной плотности за счет операций измельчения, или аналогичных им, приобретать значительно повышенное удельное электрическое сопротивление согласно настоящему изобретению. Таким образом, согласно настоящему изобретению можно изготавливать компоненты с большей площадью поперечного сечения для проведения магнитного потока, все еще демонстрирующие низкие потери в сердечнике.
Композиция согласно изобретению, содержащая порошки на основе железа, демонстрирует насыпную плотность, близкую к насыпной плотности порошка на основе железа.
Первый слой покрытия (неорганический)
Частицы сердцевины снабжены первым неорганическим изоляционным слоем, который предпочтительно выполнен на основе фосфора. Этого первого слоя покрытия можно добиться, обрабатывая порошок на основе железа фосфорной кислотой, растворенной в воде или органических растворителях. В растворитель на водной основе необязательно добавляют ингибиторы коррозии и поверхностно-активные вещества. Предпочтительный способ покрытия частиц порошка на основе железа описан в патенте США № 6348265. Фосфатирующую обработку можно повторять. Изоляционное неорганическое покрытие на основе фосфора частиц сердцевины на основе железа предпочтительно выполнено без каких-либо добавок, таких как легирующие присадки, ингибиторы коррозии или поверхностно-активные вещества.
Содержание фосфата в слое 1 может составлять от 0,01 до 0,15 мас.% композиции.
Металлоорганический слой (необязательный второй слой покрытия)
Необязательно имеется по меньшей мере один металлоорганический слой, расположенный снаружи первого слоя на основе фосфора. Металлоорганический слой состоит из металлоорганического соединения, имеющего следующую общую формулу:
R1[(R1)x(R2)y(MOn-1)]nR1,
в которой:
M представляет собой центральный атом, выбранный из Si, Ti, Al или Zr;
O представляет собой кислород;
R1 представляет собой гидролизуемую группу, выбранную из алкоксигруппы, содержащей менее чем 4, предпочтительно менее чем 3 атома углерода;
R2 представляет собой органическую составляющую, что означает, что группа R2 содержит органическую часть или долю, причем по меньшей мере одна R2 содержит по меньшей мере одну аминогруппу;
где n представляет собой число повторяющихся звеньев и является целым числом от 1 до 20;
где x представляет собой целое число от 0 до 1; где y представляет собой целое число от 1 до 2 (таким образом, число x может быть равно 0 или 1, а число y может быть равно 1 или 2).
Металлоорганическое соединение можно выбирать из следующих групп: модификаторы поверхности, связующие вещества или сшиватели.
Группа R2 может включать 1-6, предпочтительно 1-3 атома углерода. Кроме того, R2 может включать один или более гетероатомов, выбранных из группы, состоящей из N, O, S и P. Группа R2 может быть линейной, разветвленной, циклической или ароматической.
Группа R2 может включать одну или более из следующих функциональных групп: амин, диамин, амид, имид, эпоксид, гидроксил, этиленоксид, уреид, уретан, изоцианат, акрилат, глицерилакрилат, бензиламин, винилбензиламин.
Металлоорганическое соединение можно выбирать из производных, промежуточных продуктов или олигомеров силанов, силоксанов и силсесквиоксанов, причем центральный атом представляет собой Si, или соответствующих титанатов, алюминатов или цирконатов, причем центральный атом представляет собой соответственно Ti, Al и Zr или их смеси.
Согласно одному варианту реализации по меньшей мере одно металлоорганическое соединение в одном металлоорганическом слое представляет собой мономер (n=1).
Согласно другому варианту реализации по меньшей мере одно металлоорганическое соединение в одном металлоорганическом слое представляет собой олигомер (n=2-20).
Согласно другому варианту реализации металлоорганический слой, расположенный снаружи первого слоя, состоит из мономера металлоорганического соединения, и при этом наиболее внешний металлоорганический слой состоит из олигомера металлоорганического соединения. Химические функциональные группы мономера и олигомера необязательно являются одинаковыми. Массовое соотношение слоя мономера металлоорганического соединения и слоя олигомера металлоорганического соединения может составлять от 1:0 до 1:2, предпочтительно 2:1-1:2.
Если металлоорганическое соединение представляет собой мономер, его можно выбрать из группы триалкокси- и диалкоксисиланов, титанатов, алюминатов или цирконатов. Таким образом, мономер металлоорганического соединения можно выбрать из 3-аминопропилтриметоксисилана, 3-аминопропилтриэтоксисилана, 3-аминопропилметилдиэтоксисилана, N-аминоэтил-3-аминопропилтриметоксисилана, N-аминоэтил-3-аминопропилметилдиметоксисилана, 1,7-бис(триэтоксисилил)-4-азагептана, триаминофункционального пропилтриметоксисилана, 3-уреидпропилтриэтоксисилана, 3-изоцианатпропилтриэтоксисилана, трис(3-триметоксисилилпропил)изоцианурата, 0-(пропаргилокси)-N-(триэтоксисилилпропил)уретана, 1-аминометилтриэтоксисилана, 1-аминоэтилметилдиметоксисилана или их смесей.
Олигомер металлоорганического соединения можно выбрать из содержащих концевые алкоксигруппы алкилалкоксиолигомеров силанов, титанатов, алюминатов или цирконатов. Таким образом, олигомер металлоорганического соединения можно выбрать из содержащих концевые метокси-, этокси- или ацетоксигруппы аминосилсесквиоксанов, аминосилоксанов, олигомерного 3-аминопропилметоксисилана, 3-аминопропил/пропилалкоксисиланов, N-аминоэтил-3-аминопропилалкоксисиланов или N-аминоэтил-3-аминопропил/метилалкоксисиланов или их смесей.
Суммарное количество металлоорганического соединения может составлять 0,05-0,8%, или 0,05-0,6%, или 0,1-0,5%, или 0,2-0,4%, или 0,3-0,5% от массы композиции.
Данные виды металлоорганических соединений поставляют на продажу такие компании, как Evonik Ind., Wacker Chemie AG, Dow Corning, Mitsubishi Int. Corp., Famas Technology Sàrl и другие.
Дисперсное соединение металла или полуметалла
Имеющий покрытие магнитно-мягкий порошок на основе железа должен, в случае его использования, дополнительно содержать по меньшей мере одно дисперсное соединение, соединение металла или полуметалла. Это дисперсное соединение металла или полуметалла должно быть мягким, имея твердость по шкале Мооса менее чем 3,5, и состоять из тонкодисперсных частиц или коллоидов. Средний размер частиц данного соединения может составлять предпочтительно менее 5 мкм, предпочтительно менее 3 мкм, а наиболее предпочтительно менее 1 мкм. Твердость по шкале Мооса дисперсного соединения металла или полуметалла составляет предпочтительно 3 или менее, предпочтительнее 2,5 или менее. SiO2, Al2O3, MgO и TiO2 представляют собой абразивы и имеют твердость по шкале Мооса значительно выше 3,5, и не попадают в объем изобретения. Абразивные соединения, даже в виде наноразмерных частиц, вызывают необратимые повреждения электроизоляционного покрытия, приводя к плохому извлечению из пресс-формы и ухудшая магнитные и/или механические свойства термически обработанного компонента.
Дисперсное соединение металла или полуметалла может представлять собой по меньшей мере одно соединение, выбранное из групп: соединения на основе свинца, индия, висмута, селена, бора, молибдена, марганца, вольфрама, ванадия, сурьмы, олова, цинка, церия.
Дисперсное соединение металла или полуметалла может представлять собой оксид, гидроксид, гидрат, карбонат, фосфат, фторид, сульфид, сульфат, сульфит, оксихлорид или их смесь. Согласно предпочтительному варианту реализации дисперсное соединение металла или полуметалла представляет собой оксид висмута или, предпочтительнее, висмута(III).
Дисперсное соединение металла или полуметалла можно смешивать со вторым соединением, выбранным из соединений щелочных или щелочноземельных металлов, причем данное соединение может представлять собой карбонаты, предпочтительно карбонаты кальция, стронция, бария, лития, калия или натрия.
Дисперсное соединение металла или полуметалла или смесь соединений может присутствовать в количестве, составляющем 0,05-0,8%, или 0,05-0,6%, или 0,1-0,5%, или 0,15-0,4% от массы композиции.
Дисперсное соединение металла или полуметалла сцеплено с по меньшей мере одним металлоорганическим слоем. В одном варианте реализации изобретения дисперсное соединение металла или полуметалла сцеплено с наиболее внешним металлоорганическим слоем.
Смазка
Порошковая композиция согласно изобретению может необязательно включать дисперсную смазку. Дисперсная смазка играет важную роль и обеспечивает возможность прессования без необходимости в нанесении смазки на стенки пресс-формы. Дисперсную смазку можно выбрать из группы, которую составляют первичные и вторичные амиды жирных кислот, транс-амиды (бисамиды) или спирты жирных кислот. Придающая смазочные свойства составляющая дисперсной смазки может представлять собой насыщенную или ненасыщенную цепь, содержащую от 12 до 22 атомов углерода. Дисперсную смазку можно предпочтительно выбрать из стеарамида, эрукамида, стеарилэрукамида, эруцилстеарамида, бегенилового спирта, эруцилового спирта, этиленбисстеарамида (т.е. EBS или амидный воск). Дисперсная смазка может присутствовать в количестве, составляющем 0,1-0,6%, или 0,2-0,4%, или 0,3-0,5%, или 0,2-0,6% от массы композиции.
Способ приготовления композиции
Способ приготовления ферромагнитной порошковой композиции согласно изобретению включает в себя: нанесение на магнитно-мягкие частицы сердцевины на основе железа, изготовленные и обработанные для получения насыпной плотности 3,2-3,7 г/мл, неорганического соединения на основе фосфора для получения неорганического изоляционного слоя на основе фосфора, делающего поверхность частиц сердцевины электрически изолированной.
Частицы сердцевины a) смешивают с металлоорганическим соединением, которое описано выше; и b) необязательно смешивают полученные частицы с дополнительным металлоорганическим соединением, которое описано выше.
Кроме того, на еще одной необязательной стадии с) данного способа порошок смешивают с дисперсным соединением металла или полуметалла, имеющим твердость по шкале Мооса менее чем 3,5. Стадию c можно необязательно, помимо ее проведения после стадии b, проводить перед стадией b, или, вместо ее проведения после стадии b, проводить перед стадией b. Предпочтительно, стадию c проводят между стадиями a и b.
Следующая необязательная стадия d) данного способа - смешивание порошка с дисперсной смазкой.
Частицы сердцевины, снабженные первым неорганическим изоляционным слоем, можно предварительно обрабатывать щелочным соединением до его смешивания с металлоорганическим соединением. Предварительная обработка может улучшать предварительные условия для связывания между первым слоем и вторым слоем, что могло бы повышать как удельное электрическое сопротивление, так и механическую прочность магнитного композиционного компонента. Щелочное соединение можно выбрать из аммиака, гидроксиламина, гидроксида тетраалкиламмония, алкиламинов, алкиламидов. Предварительную обработку можно осуществлять, используя любое из перечисленных выше химических веществ, предпочтительно разбавленное в подходящем растворителе, смешанное с порошком и необязательно высушенное.
Способ изготовления магнитно-мягких компонентов
Способ изготовления магнитно-мягких композиционных материалов согласно изобретению включает в себя: одноосное прессование композиции согласно изобретению в пресс-форме при давлении прессования, составляющем по меньшей мере примерно 600 МПа; необязательно, предварительное нагревание пресс-формы до температуры ниже температуры плавления добавленной дисперсной смазки; необязательно, предварительное нагревание порошка до 25-100°C перед прессованием; извлечение полученной необработанной заготовки; и, необязательно, термическую обработку заготовки.
Процесс термической обработки можно осуществлять в вакууме, невосстановительной, инертной, азотоводородной (N2/H2) или слабоокислительной атмосферах, например, от 0,01 до 3% кислорода. Необязательно, термическую обработку осуществляют в инертной атмосфере и быстро воздействуют в окислительной атмосфере, такой как водяной пар, чтобы получить поверхностную корку или слой более высокой прочности. Температура может составлять до 750°C.
Условия термической обработки должны обеспечивать как можно более полное испарение смазки. Оно обычно происходит во время первой части цикла термической обработки, выше примерно 150-500°C, предпочтительно выше примерно 250-500°C. При более высоких температурах соединение металла или полуметалла может реагировать с металлоорганическим соединением и частично образовывать сетчатую структуру. Это дополнительно повышает механическую прочность, а также удельное электрическое сопротивление компонента. При максимальной температуре (550-750°C, или 600-750°C, или 630-700°C, или 630-670°C) прессовка может достигать полного снятия напряжений, при котором минимизируется коэрцитивность и, следовательно, потери на гистерезис композиционного материала.
Прессованный и термически обработанный магнитно-мягкий композиционный материал, приготовленный согласно настоящему изобретению, предпочтительно имеет содержание P 0,01-0,15% от массы компонента, содержание добавленного к основному порошку Si 0,02-0,12% от массы компонента, и, если Bi добавлен в виде дисперсного соединения металла или полуметалла, имеющего твердость по шкале Мооса менее чем 3,5, то содержание Bi будет составлять 0,05-0,35% от массы компонента.
Примеры
Далее изобретение проиллюстрировано следующими примерами. Примеры 1-4 описывают изготовление магнитно-мягких порошковых композиций, не имеющих определенной насыпной плотности по настоящему изобретению, и иллюстрируют процедуру для следующих примеров 5-7 согласно настоящему изобретению.
Пример 1
Пример 1 иллюстрирует влияние различных слоев покрытия и влияние введения дисперсного соединения металла или полуметалла на магнитные, электрические и механические свойства прессованных и термически обработанных деталей, изготовленных из порошка железа 40 меш, имеющего насыпную плотность 3,0 г/мл.
Распылением водой получен порошок на основе железа, у которого средний размер частиц составляет примерно 220 мкм и менее чем 5% частиц имеют размер менее 45 мкм (порошок 40 меш). Этот порошок, который представляет собой порошок чистого железа, сначала снабжали тонким электроизоляционным слоем на основе фосфора (содержание фосфора составляет примерно 0,045% от массы порошка с покрытие). После этого его смешивали при перемешивании с 0,2 мас.% олигомера аминоалкилалкоксисилана (Dynasylan®1146 от фирмы Evonik Ind.). Затем композицию смешивали с 0,2 мас.% тонкодисперсного порошка оксида висмута(III). Для сравнения использовали соответствующие порошки без модификации поверхности с помощью силана и висмута соответственно (A3, A4, A5). Наконец, перед прессованием порошки смешивали с дисперсной смазкой, EBS. Количество использованной смазки составляло 0,3% от массы композиции.
Магнитные тороиды с внутренним диаметром 45 мм, внешним диаметром 55 мм и высотой 5 мм получали одноосным прессованием в одну стадию при двух различных давлениях прессования 800 и 1100 МПа соответственно; температура пресс-формы 60°C. После прессования детали подвергали термической обработке при 650°C в течение 30 минут в азоте. Контрольные материалы A6 и A8 обрабатывали при 530°C в течение 30 минут на воздухе, и контрольный материал A7 обрабатывали при 530°C в течение 30 минут в водяном паре. На полученные термически обработанные тороиды наматывали 100 витков считывания и 100 витков возбуждения. Магнитные измерения проводили на образцах тороидов со 100 витками считывания и 100 витками возбуждения, используя гистерезиграф Брокгауза. Суммарные потери в сердечнике измеряли при 1 Тесла, 400 Гц и 1000 Гц соответственно. Поперечную прочность на разрыв (ППР) измеряли согласно ISO 3995. Удельное электрическое сопротивление измеряли на кольцевых образцах, используя четырехточечный способ измерения.
Следующая таблица 1 демонстрирует полученные результаты.
Таблица 1
Образец Плотность (г/см3) Удельное сопротивление (мкОм·м) B при 10 кА/м (Тл) Максимальная проницаемость Потери в сердечнике за цикл при 1 Тл и 200 Гц (Вт/кг) Потери постоянного тока при 1 Тл и 1 кГц (Вт/кг) Потери в сердечнике за цикл при 1 Тл и 1 кГц (Вт/кг) ППР (МПа)
A1.
(800 МПа)
7,47 480 1,54 580 16 71 108 60
A2.
(1100 МПа)
7,56 530 1,59 610 14 68 105 60
A3. Без фосфата (1100 МПа) 7,57 65 1,61 650 23 69 124 65
A4. Без смолы (1100 МПа) 7,57 100 1,60 570 17 68 116 40
A5. Без Bi2O3 (1100 МПа) 7,57 120 1,60 580 17 69 116 70
A6. Somaloy®700 (0,4% Kenolube®; 800 МПа) 7,48 400 1,53 650 20 97 131 41
A7. Somaloy®3P (0,3% Lube*; 1100 МПа) 7,63 290 1,64 750 21 94 132 100
A8. Somaloy®3P (0,3% Lube*; 1100 МПа) 7,63 320 1,65 680 19 88 124 60
* Смазка: смазочная система материалов Somaloy®3P
На магнитные и механические свойства отрицательно влияет исключение одного или более из слоев покрытия. Исключение слоя на основе фосфата приводит к более низкому удельному электрическому сопротивлению и, следовательно, высоким потерям в сердечнике (потерям на вихревые токи) (A3). Исключение металлоорганического соединения приводит либо к более низкому удельному электрическому сопротивлению, либо к меньшей механической прочности (A4, A5).
По сравнению с существующими промышленными контрольными материалами, такими как Somaloy®700 или Somaloy®3P (A6-A8), которые поставляет шведская фирма Höganäs AB, композиционные материалы A1 и A2 можно подвергать термической обработке при более высокой температуре, тем самым существенно уменьшая потери на гистерезис (потери постоянного тока за цикл).
Пример 2
Пример 2 иллюстрирует влияние различных количеств двойного слоя металлоорганического покрытия и влияние различных добавленных количеств дисперсного соединения металла или полуметалла на магнитные, электрические и механические свойства прессованных и термически обработанных деталей, изготовленных из порошка железа 40 меш, имеющего насыпную плотность примерно 3,0 г/мл.
Использовали такой же основной порошок, как в примере 1, содержащий такой же изоляционный слой на основе фосфора. Этот порошок смешивали при перемешивании сначала с различными количествами сначала основного аминоалкилалкоксисилана (Dynasylan®Ameo), а после этого с олигомером аминоалкил/алкилалкоксисилана (Dynasylan®1146), используя соотношение 1:1, причем оба силана изготовлены фирмой Evonik Ind. Затем композицию смешивали с различными количествами тонкодисперсного порошка оксида висмута(III) (>99 мас.%; D50~0,3 мкм). Образец C6 смешивали с Bi2O3 с меньшей степенью чистоты и большим размером частиц (>98 мас.%; D50~5 мкм). Наконец, порошки смешивали с различными количествами амидного воска (EBS) перед прессованием при 1100 МПа. Порошковые композиции далее обрабатывали так, как описано в примере 1. Результаты представлены в таблице 2 и показывают влияние на магнитные свойства и механическую прочность (ППР).
Таблица 2
Образец Всего металлоорганического соединения (мас.%) Bi2O3 (мас.%) EBS
(мас.%)
Плотность (г/см3) Удельное сопротивление (мкОм∙м) B при 10 кА/м (Тл) Максимальная проницаемость Потери переменного тока при 1 Тл и 1 кГц (Вт/кг) Потери постоянного тока при 1 Тл и 1 кГц (Вт/кг) ППР (МПа)
C1 0,10 0,10 0,20 7,67 80 1,65 650 54 68 28
C2 0,30 0,10 0,20 7,61 180 1,62 600 48 70 33
C3 0,30 0,30 0,20 7,62 230 1,61 590 39 71 55
C4 0,30 0,30 0,40 7,50 1200 1,52 410 38 82 53
C5 0,20 0,20 0,30 7,57 620 1,59 620 35 68 60
C6 0,20 0,20 0,30 7,57 220 1,60 570 41 68 65
Образцы C1-C5 иллюстрируют влияние использования различных количеств металлоорганического соединения, оксида висмута или смазки. В образце C6 удельное электрическое сопротивление ниже, но ППР несколько улучшена по сравнению с образцом C5.
Пример 3
Пример 3 иллюстрирует влияние различных количеств и типов единственного или двойного слоев металлоорганического покрытия и влияние различных добавленных количеств дисперсного соединения металла или полуметалла на магнитные, электрические и механические свойства прессованных и термически обработанных деталей, изготовленных из порошка железа 40 меш, имеющего насыпную плотность примерно 3,0 г/мл.
Использовали такой же основной порошок, как в примере 1, содержащий такой же изоляционный слой на основе фосфора, за исключением образцов D10 (0,06 мас.% P) и D11 (0,015 мас.% P). Образцы порошков D1-D11 подвергали дальнейшей обработке согласно таблице 3. Наконец, все образцы смешивали с 0,3 мас.% EBS и прессовали при 800 МПа. После этого магнитно-мягкие компоненты подвергали термической обработке при 650°C в течение 30 минут в азоте.
Образцы D1-D3 иллюстрируют, что первый или второй металлоорганический слой (2:1 или 2:2) можно исключить, но наилучшие результаты будут получены при сочетании обоих слоев. Образцы D4 и D5 иллюстрируют порошки, предварительно обработанные разбавленным раствором аммиака с последующей сушкой при 120°C, 1 ч на воздухе. Предварительно обработанные порошки затем смешивали с аминофункциональными олигомерными силанами, придающими приемлемые свойства.
Образцы D10 и D11 иллюстрируют влияние содержания фосфора в слое 1. В зависимости от свойств основного порошка, таких как распределение частиц по размерам и морфология частиц, существует оптимальная концентрация фосфора (от 0,01 до 0,15 мас.%). Таблица 3 показывает полученные результаты.
Figure 00000001
Пример 4
Пример 4 иллюстрирует влияние различных количеств и типов дисперсных соединений металлов или полуметаллов на магнитные электрические и механические свойства прессованных и термически обработанных деталей, изготовленных из порошка железа 40 меш, имеющего насыпную плотность примерно 3,0 г/мл.
Использовали такой же основной порошок, как в примере 1, содержащий такой же изоляционный слой на основе фосфора. Все три образца обрабатывали аналогично образцу D1, за исключением того, что различалась добавка дисперсного соединения металла или полуметалла. Образец E1 иллюстрирует, что удельное электрическое сопротивление повышается, если карбонат кальция добавляют в небольшом количестве к оксиду висмута(III). Образец E2 демонстрирует эффект другого мягкого соединения металла, MoS2. Таблица 4 показывает полученные результаты.
Таблица 4
Металлоорганическое соединение (слой 2:1) Количество по массе Металлоорганическое соединение (слой 2:2) Количество по массе Дисперсное соединение металла или полуметлла Количество по массе Плотность Удельное сопротивление Максимальная проницаемость ППР (МПа)
E1 Аминопропилтриалкоксисилан 0,15% Олигомер аминопропил/пропилалкокси-силана 0,15% Bi2O3/CaCO3 (3:1) (>99 %, D50 0,3мкм) 0,2% 7,57 1050 560 65
E2 Аминопропилтриалкоксисилан 0,15% Олигомер аминопропил/пропилалкоксисилана 0,15% MoS2 (>99 %, D50 1мкм) 0,2% 7,57 650 500 45
E3 Аминопропилтриалкоксисилан 0,15% Олигомер аминопропил/пропилалкоксисилана 0,15% SiO2 (>99 %, D50 0,5мкм) 0,2% 7,57 45 630 23
В отличие от добавления абразивных и твердых соединений с твердостью по шкале Мооса ниже 3,5, добавление абразивных и твердых соединений с твердостью по шкале Мооса значительно выше 3,5, таких как корунд (Al2O3) или кварц (SiO2) (E3), несмотря на то, что они представляют собой наноразмерные частицы, отрицательно влияет на магнитно-мягкие свойства и механические свойства.
Пример 5
Пример 5 показывает влияние использования порошка железа 40 меш, имеющего различную насыпную плотность, в пределах и за пределами указанной насыпной плотности (НП), в сочетании с другими признаками изобретения на электрические и магнитные свойства прессованных и термически обработанных деталей. Использованный исходный порошок имел насыпная плотность примерно 3,0 г/мл.
Водой распыляли порошок на основе железа, в котором средний размер частиц составлял примерно 220 мкм и менее чем 5% частиц имели размер менее 45 мкм (порошок 40 меш). Этот порошок, который представляет собой порошок чистого железа, измельчали. Раскрыты три образца с различной насыпной плотностью, т. е. 3,04, 3,32 и 3,50 г/мл, обозначенные E1, E2 и E3 соответственно. Затем эти три образца снабжали электроизоляционным тонким слоем на основе фосфора (содержание фосфора составляло примерно 0,045% от массы порошка с покрытием). После этого образцы смешивали при перемешивании с 0,3 мас.% основного аминоалкилалкоксисилана (Dynasylan®Ameo) и, во-вторых, с олигомером аминоалкилалкоксисилана (Dynasylan®1146), используя соотношение 1:1, причем оба силана изготовлены фирмой Evonik Ind. Затем композиции смешивали с 0,2 мас.% тонкодисперсного порошка оксида висмута(III) (>98 мас.%; D50~5 мкм). Затем композиции смешивали с амидным воском (EBS), используя 0,3 мас.%, и обрабатывали так, как описано в примере 1, при давлении 1100 МПа; температура пресс-формы 60°C. Термическую обработку осуществляли при 650°C в течение 30 минут в азоте. Испытание проводили согласно примеру 1. Таблица 5 показывает полученные результаты.
Таблица 5
Образцы НП (г/мл) Плотность кольца (г/см3) Удельное сопротивление кольца (мкОм·м) B при 10 кА/м (Тл) Потери в сердечнике при 1 Тл и 200 Гц (Вт/кг) Потери в сердечнике при 1 Тл и 1 кГц (Вт/кг)
Поперечное сечение* 5×5 мм
Потери в сердечнике при 1 Тл и 2 кГц (Вт/кг)
Поперечное сечение* 5×5 мм
Потери в сердечнике при 1 Тл и 1 кГц (Вт/кг)
Поперечное сечение* 20×20 мм
E1 3,04 7,56 530 1,59 14,0 105,0 215,0 132,0
E2 3,32 7,56 6000 1,58 14,0 104,5 210,0 106,0
E3 3,50 7,55 12000 1,57 14,1 104,3 209,5 105,7
*Наибольшая площадь поперечного сечения прессованной детали, которая проводит магнитный поток.
Как показано в таблице 5, удельное сопротивление и потери в сердечнике можно резко улучшить, если увеличить НП основного порошка. Удельное электрическое сопротивление прессованной детали повышается при более высокой НП, что приводит к улучшенным потерым в сердечнике при более высоких рабочих частотах (2 кГц) и/или для компонентов с большими поперечными сечениями (20×20 мм).
Пример 6
Пример 6 демонстрирует влияние использования порошка железа 100 меш, имеющего различную насыпную плотность, в пределах и за пределами указанной насыпной плотности, в сочетании с другими признаками изобретения на электрические и магнитные свойства прессованных и термически обработанных деталей. Использованный исходный порошок имел насыпную плотность примерно 3,0 г/мл.
Распыленный водой порошок на основе железа, в котором средний размер частиц составлял примерно 95 мкм и 10-30% частиц были менее чем 45 мкм (порошок 100 меш), механически измельчали. Представлено четыре образца с различной насыпной плотностью в интервале от 2,96 до 3,57 г/мл. После измельчения частицы железа окружали электроизоляционным покрытием на основе фосфата (0,060% фосфора от массы порошка с покрытием). После этого порошок с покрытием смешивали при перемешивании с 0,2 мас.% аминоалкилтриалкоксисилана (Dynasylan®Ameo) и затем с 0,15 мас.% олигомера аминоалкил/алкилалкоксисилана (Dynasylan®1146), причем оба силана изготовлены фирмой Evonik Ind. Затем композицию смешивали с 0,2 мас.% тонкодисперсного порошка оксида висмута(III). Наконец, перед прессованием порошки смешивали с дисперсной смазкой, EBS. Количество использованной смазки составляло 0,3% от массы композиции. Порошковые композиции далее обрабатывали так, как описано в примере 1, за исключением использования лишь давления 1100 МПа и температуры пресс-формы 100°C. Термическую обработку проводили при 665°C в течение 35 минут в азоте. Испытание осуществляли согласно примеру 1. Таблица 6 показывает полученные результаты.
Таблица 6
Образцы НП (г/мл) Плотность кольца (г/см3) Удельное сопротивление кольца (мкОм·м) B «новой кривой» при 10 кА/м (Тл) Потери в сердечнике при 1 Тл и 400 Гц (Вт/кг) Потери в сердечнике при 1 Тл и 1 кГц (Вт/кг) Потери в сердечнике при 0,1 Тл и 10 кГц (Вт/кг) Потери в сердечнике при 0,2 Тл и 5 кГц (Вт/кг)
F1 2,96 7,51 73 1,51 38,2 115,6 36,8 48,9
F2 3,18 7,50 520 1,51 35,5 101,2 22,8 34,3
F3 3,39 7,49 6319 1,51 35,8 101,3 21,5 32,8
F4 3,57 7,50 7744 1,50 36,6 103,4 22,2 33,6
Удельное сопротивление и магнитные свойства по потерям в сердечнике у порошков 100 меш можно значительно улучшить, если увеличить насыпную плотность основного порошка вплоть до по меньшей мере выше примерно 3,3 г/мл. Потери в сердечнике при более высоких рабочих частотах (>1 кГц) существенно уменьшаются благодаря улучшенному удельному электрическому сопротивлению.
Пример 7
Пример 7 демонстрирует влияние использования порошка железа 200 меш, имеющего различную насыпную плотность, в пределах и за пределами указанной насыпной плотности, в сочетании с другими признаками изобретения на электрические и магнитные свойства прессованных и термически обработанных деталей. Использованный исходный порошок имел насыпную плотность примерно 3,0 г/мл.
Распыленный водой порошок на основе железа, в котором средний размер частиц составлял примерно 40 мкм и 60% частиц были менее чем 45 мкм (порошок 200 меш), механически измельчали и таким образом приготовляли два образца с различной насыпной плотностью. После этого частицы железа окружали электроизоляционным покрытием на основе фосфата (0,075% фосфора от массы порошка с покрытием). После этого порошок с покрытием смешивали при перемешивании с 0,25 мас.% аминоалкилтриалкоксисилана (Dynasylan®Ameo) и затем с 0,15 мас.% олигомера аминоалкил/алкилалкоксисилана (Dynasylan®1146), причем оба силана изготовлены фирмой Evonik Ind. Затем композицию смешивали с 0,3 мас.% тонкодисперсного порошка оксида висмута(III). Наконец, перед прессованием порошки смешивали с дисперсной смазкой, EBS. Количество использованной смазки составляло 0,3% от массы композиции.
Порошковые композиции далее обрабатывали так, как описано в примере 1, за исключением использования лишь давления 1100 МПа и температуры пресс-формы 100°C. Термическую обработку проводили при 665°C в течение 35 минут в азоте. Испытание осуществляли согласно примеру 1. Таблица 7 показывает полученные результаты.
Таблица 7
Образцы НП (г/мл) Плотность кольца H5мм (г/см3) Удельное сопротивление кольца (мкОм·м) B при 10 кА/м (Тл) Потери в сердечнике при 1 Тл и 100 Гц (Вт/кг) Потери в сердечнике при 0,1 Тл и 10 кГц (Вт/кг) Потери в сердечнике при 0,2 Тл и 5 кГц (Вт/кг)
G1 3,01 7,40 300 1,36 9,2 35,0 55,0
G2 3,45 7,40 6000 1,36 9,1 17,0 27,6
Удельное сопротивление и потери в сердечнике у порошков 200 меш можно значительно улучшить, если увеличить насыпную плотность основного порошка вплоть до по меньшей мере выше примерно 3,4 г/мл. Потери в сердечнике при более высоких рабочих частотах (>1 кГц) существенно уменьшаются благодаря улучшенному удельному электрическому сопротивлению.

Claims (18)

1. Ферромагнитная порошковая композиция, включающая магнитно-мягкие частицы сердцевины на основе железа, имеющие насыпную плотность 3,2-3,7 г/мл, и при этом поверхность частиц сердцевины снабжена неорганическим изоляционным слоем на основе фосфора и по меньшей мере одним металлоорганическим слоем, расположенным снаружи первого неорганического изоляционного слоя на основе фосфора, из металлоорганического соединения, имеющего следующую общую формулу:
R1[(R1)x(R2)y(MOn-1)]nR1,
где Μ представляет собой центральный атом Si;
О представляет собой кислород;
R1 представляет собой алкоксигруппу, содержащую менее чем 4 атома углерода;
R2 содержит алкил, и при этом по меньшей мере одна R2 содержит по меньшей мере одну аминогруппу;
где n представляет собой число повторяющихся звеньев и является целым числом от 1 до 20;
где x представляет собой целое число от 0 до 1;
где y представляет собой целое число от 1 до 2,
при этом с упомянутым по меньшей мере одним металлоорганическим слоем сцеплено дисперсное соединение металла или полуметалла, имеющее твердость по шкале Мооса менее чем 3,5 и представляющее собой оксид висмута.
2. Композиция по п.1, при этом частицы сердцевины имеют насыпную плотность 3,3-3,7 г/мл, предпочтительно 3,3-3,6 г/мл, предпочтительно 3,35-3,6 г/мл; например, 3,4-3,6 г/мл, 3,35-3,55 г/мл или 3,4-3,55 г/мл.
3. Композиция по п.1, при этом R1 представляет собой алкоксигруппу, содержащую менее чем 3 атома углерода.
4. Композиция по любому из пп.1-3, при этом упомянутая порошковая композиция дополнительно включает дисперсную смазку.
5. Композиция по любому из пп.1-3, при этом упомянутое металлоорганическое соединение в одном металлоорганическом слое представляет собой мономер (n=1).
6. Композиция по любому из пп.1-3, при этом упомянутое металлоорганическое соединение в одном металлоорганическом слое представляет собой олигомер (n=2-20).
7. Композиция по любому из пп.1-3, при этом R2 включает 1-6, предпочтительно 1-3 атома углерода.
8. Композиция по любому из пп.1-3, при этом металлоорганическое соединение представляет собой мономер, выбранный из триалкокси- и диалкоксисиланов.
9. Композиция по любому из пп.1-3, при этом металлоорганическое соединение представляет собой олигомер, выбранный из содержащих концевые алкоксигруппы алкил/алкоксиолигомеров силанов.
10. Композиция по п.7, при этом олигомер металлоорганического соединения выбран из содержащих концевые алкоксигруппы аминосилсесквиоксанов, аминосилоксанов, олигомерного 3-аминопропилалкоксисилана, 3-аминопропил/пропилалкоксисилана, N-аминоэтил-3-аминопропилалкоксисилана или N-аминоэтил-3-аминопропил/метилалкоксисилана или их смесей.
11. Композиция по п.1, при этом оксид висмута представляет собой оксид висмута(III).
12. Композиция по любому из пп.1-3, при этом насыпная плотность основного порошка была увеличена на по меньшей мере 7-25% с помощью измельчения, помола или других процессов, которые физически изменят неправильную поверхность.
13. Способ приготовления ферромагнитной порошковой композиции, включающий нанесение на магнитно-мягкие частицы сердцевины на основе железа, имеющие насыпную плотность 3,2-3,7 г/мл, неорганического изоляционного слоя на основе фосфора так, чтобы поверхность частиц сердцевины была электрически изолированной; и
(a) смешивание упомянутых магнитно-мягких частиц сердцевины на основе железа, изолированных неорганическим изоляционным слоем на основе фосфора, с металлоорганическим соединением по любому из пп.1-3 и 5-7;
(b) необязательное смешивание полученных частиц с дополнительным металлоорганическим соединением по любому из пп.1-3 и 5-7; и
(c) смешивания порошка с дисперсным соединением металла или полуметалла, имеющим твердость по шкале Мооса менее чем 3,5 и представляющим собой оксид висмута.
14. Способ по п.13, при этом стадию (с) можно необязательно, помимо ее проведения после стадии (b), проводить перед стадией (b), или, вместо ее проведения после стадии (b), проводить перед стадией (b).
15. Способ по п.13 или 14, дополнительно включающий стадию:
(d) смешивания порошка с дисперсной смазкой.
16. Ферромагнитная порошковая композиция, получаемая способом по любому из пп.13-15.
17. Способ приготовления магнитно-мягких композиционных материалов, включающий:
a) одноосное прессование композиции по любому из пп.1-12 в пресс-форме при давлении прессования по меньшей мере примерно 600 МПа;
b) необязательно, предварительное нагревание пресс-формы до температуры ниже температуры плавления добавленной дисперсной смазки;
c) извлечение полученной необработанной заготовки; и
d) термическую обработку заготовки при температуре 550-750°С в вакууме, невосстановительной, инертной, N2H2 или слабоокислительной атмосферах.
18. Прессованный и термически обработанный магнитно-мягкий композиционный материал, приготовленный по п.17 и имеющий содержание Ρ 0,01-0,1% от массы компонента, содержание добавленного к основному порошку Si 0,02-0,12% от массы компонента и содержание Bi 0,05-0,35% от массы компонента.
RU2012115446/04A 2009-09-18 2010-09-14 Ферромагнитная порошковая композиция и способ ее получения RU2549904C2 (ru)

Applications Claiming Priority (5)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US24371509P 2009-09-18 2009-09-18
US61/243,715 2009-09-18
SE0901200-6 2009-09-18
SE0901200 2009-09-18
PCT/EP2010/063448 WO2011032931A1 (en) 2009-09-18 2010-09-14 Ferromagnetic powder composition and method for its production

Publications (2)

Publication Number Publication Date
RU2012115446A RU2012115446A (ru) 2013-10-27
RU2549904C2 true RU2549904C2 (ru) 2015-05-10

Family

ID=42752469

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2012115446/04A RU2549904C2 (ru) 2009-09-18 2010-09-14 Ферромагнитная порошковая композиция и способ ее получения

Country Status (13)

Country Link
US (1) US9640306B2 (ru)
EP (1) EP2513918B1 (ru)
JP (1) JP5734984B2 (ru)
KR (1) KR101737422B1 (ru)
CN (1) CN102598163B (ru)
CA (1) CA2773441C (ru)
ES (1) ES2592383T3 (ru)
IN (1) IN2012DN03175A (ru)
MX (1) MX353519B (ru)
PL (1) PL2513918T3 (ru)
RU (1) RU2549904C2 (ru)
TW (1) TWI467603B (ru)
WO (1) WO2011032931A1 (ru)

Families Citing this family (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP2509081A1 (en) * 2011-04-07 2012-10-10 Höganäs AB New composition and method
JP5919144B2 (ja) * 2012-08-31 2016-05-18 株式会社神戸製鋼所 圧粉磁心用鉄粉および圧粉磁心の製造方法
DE102013200229A1 (de) * 2013-01-10 2014-07-10 Robert Bosch Gmbh Weichmagnetischer Verbundwerkstoff und Verfahren zum Herstellen eines solchen
JP2017004992A (ja) 2015-06-04 2017-01-05 株式会社神戸製鋼所 圧粉磁心用混合粉末および圧粉磁心
WO2018131536A1 (ja) * 2017-01-12 2018-07-19 株式会社村田製作所 磁性体粒子、圧粉磁心、およびコイル部品
CA3064270A1 (en) * 2017-06-02 2018-12-06 Tundra Composites Llc Surface modified metallic particulate in sintered products
EP3576110A1 (en) * 2018-05-30 2019-12-04 Höganäs AB (publ) Ferromagnetic powder composition
WO2023062242A1 (en) * 2021-10-15 2023-04-20 Höganäs Ab (Publ) A ferromagnetic powder composition and a method for obtaining thereof
DE102021133457A1 (de) 2021-12-16 2023-06-22 Schaeffler Technologies AG & Co. KG Verfahren und Vorrichtung zur Prüfung eines SMC-Statorkerns
WO2024041930A1 (en) * 2022-08-24 2024-02-29 Höganäs Ab (Publ) Ferromagnetic powder composition and method for producing the same

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP0205786A1 (en) * 1985-06-26 1986-12-30 Kabushiki Kaisha Toshiba Magnetic core and preparation thereof
RU2005115859A (ru) * 2002-10-25 2006-01-20 Хеганес Аб (Se) Термическая обработка магнитно-мягких деталей
RU2326461C2 (ru) * 2003-12-29 2008-06-10 Хеганес Аб Состав порошка, способ для изготовления мягких магнитных компонентов и мягкого магнитного составного компонента

Family Cites Families (37)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS5979432A (ja) * 1982-10-29 1984-05-08 Konishiroku Photo Ind Co Ltd 磁気記録媒体
US4601765A (en) 1983-05-05 1986-07-22 General Electric Company Powdered iron core magnetic devices
JPS61253634A (ja) * 1985-05-01 1986-11-11 Hitachi Maxell Ltd 磁気記録媒体
JPH0665734B2 (ja) * 1986-02-18 1994-08-24 トヨタ自動車株式会社 摩擦摩耗特性に優れた金属基複合材料
JPH0750648B2 (ja) * 1986-04-23 1995-05-31 日立金属株式会社 Fe−Si−A1系合金圧粉磁心の製造方法
JPS6421001A (en) * 1987-07-17 1989-01-24 Kobe Steel Ltd Production of iron powder having high apparent density
JP2611994B2 (ja) * 1987-07-23 1997-05-21 日立金属株式会社 Fe基合金粉末およびその製造方法
JPH0711006B2 (ja) * 1988-04-05 1995-02-08 川崎製鉄株式会社 焼結後の被削性と機械的性質に優れる、粉末冶金用鉄基混合粉
JPH07254522A (ja) * 1994-03-15 1995-10-03 Tdk Corp 圧粉コアおよびその製造方法
ES2203784T3 (es) 1996-02-23 2004-04-16 Hoganas Ab Polvo de hierro recubierto de fosfato y metodo para su fabricacion.
US5676877A (en) 1996-03-26 1997-10-14 Ferrotec Corporation Process for producing a magnetic fluid and composition therefor
US5982073A (en) 1997-12-16 1999-11-09 Materials Innovation, Inc. Low core loss, well-bonded soft magnetic parts
JP2000049008A (ja) 1998-07-29 2000-02-18 Tdk Corp 圧粉コア用強磁性粉末、圧粉コアおよびその製造方法
US6364927B1 (en) 1999-09-03 2002-04-02 Hoeganaes Corporation Metal-based powder compositions containing silicon carbide as an alloying powder
FR2784498B1 (fr) * 1999-11-30 2001-10-12 Ugimag Sa Procede de fabrication d'aimants du type ferrite
JP3507836B2 (ja) 2000-09-08 2004-03-15 Tdk株式会社 圧粉磁芯
US6464751B2 (en) * 2000-10-06 2002-10-15 Kawasaki Steel Corporation Iron-based powders for powder metallurgy
JP4365067B2 (ja) * 2002-05-14 2009-11-18 東レ・ダウコーニング株式会社 複合軟磁性体形成用硬化性シリコーン組成物および複合軟磁性体
US7153594B2 (en) * 2002-12-23 2006-12-26 Höganäs Ab Iron-based powder
JP2005113258A (ja) * 2002-12-26 2005-04-28 Jfe Steel Kk 圧粉磁心用金属粉末およびそれを用いた圧粉磁心
CA2452234A1 (en) * 2002-12-26 2004-06-26 Jfe Steel Corporation Metal powder and powder magnetic core using the same
CN100558488C (zh) * 2004-01-23 2009-11-11 杰富意钢铁株式会社 粉末冶金用铁基混合粉
US20070132113A1 (en) * 2004-03-16 2007-06-14 Daniel Hinterman Alkyl-phenyl silsesquioxane resins compositions
ES2381011T3 (es) 2004-03-31 2012-05-22 Sumitomo Electric Industries, Ltd. Material magnético blanco y núcleo magnético de polvo
JP4479998B2 (ja) * 2004-05-19 2010-06-09 株式会社ダイヤメット 高密度、高強度、高比抵抗および高磁束密度を有する複合軟磁性焼結材の製造方法
JP2006024869A (ja) 2004-07-09 2006-01-26 Toyota Central Res & Dev Lab Inc 圧粉磁心およびその製造方法
US20060147177A1 (en) * 2004-12-30 2006-07-06 Naiyong Jing Fluoropolymer coating compositions with olefinic silanes for anti-reflective polymer films
JP4483624B2 (ja) 2005-02-25 2010-06-16 Jfeスチール株式会社 圧粉磁心用の軟磁性金属粉末および圧粉磁心
JP4367709B2 (ja) * 2005-03-02 2009-11-18 三菱マテリアルPmg株式会社 積層酸化膜被覆鉄粉末
JP4480015B2 (ja) 2005-03-02 2010-06-16 株式会社ダイヤメット 積層酸化膜被覆鉄粉末
JP2006244869A (ja) 2005-03-03 2006-09-14 Pioneer Electronic Corp プラズマディスプレイパネルの検査装置、プラズマディスプレイパネルの製造方法、デバイスの検査方法
JP4706411B2 (ja) 2005-09-21 2011-06-22 住友電気工業株式会社 軟磁性材料、圧粉磁心、軟磁性材料の製造方法、および圧粉磁心の製造方法
JP2007129154A (ja) 2005-11-07 2007-05-24 Hitachi Powdered Metals Co Ltd 軟磁性圧粉体、磁性粉および軟磁性体の処理液ならびに処理方法、圧粉体を用いたモータ
JP4589374B2 (ja) * 2007-11-02 2010-12-01 株式会社豊田中央研究所 磁心用粉末及び圧粉磁心並びにそれらの製造方法
JP4802182B2 (ja) * 2007-12-14 2011-10-26 Jfeスチール株式会社 圧粉磁心用鉄粉
TW200933660A (en) * 2008-01-24 2009-08-01 Delta Electronics Inc Composite soft magnetic material and permanent magnetically biasing magnetic core
JP5697589B2 (ja) 2008-03-20 2015-04-08 ホガナス アクチボラグ (パブル) 強磁性粉末組成物及びその生産方法

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP0205786A1 (en) * 1985-06-26 1986-12-30 Kabushiki Kaisha Toshiba Magnetic core and preparation thereof
RU2005115859A (ru) * 2002-10-25 2006-01-20 Хеганес Аб (Se) Термическая обработка магнитно-мягких деталей
RU2326461C2 (ru) * 2003-12-29 2008-06-10 Хеганес Аб Состав порошка, способ для изготовления мягких магнитных компонентов и мягкого магнитного составного компонента

Also Published As

Publication number Publication date
KR101737422B1 (ko) 2017-05-18
KR20120094913A (ko) 2012-08-27
JP5734984B2 (ja) 2015-06-17
EP2513918A1 (en) 2012-10-24
RU2012115446A (ru) 2013-10-27
TWI467603B (zh) 2015-01-01
EP2513918B1 (en) 2016-07-13
CA2773441A1 (en) 2011-03-24
US20120211693A1 (en) 2012-08-23
CA2773441C (en) 2018-02-06
ES2592383T3 (es) 2016-11-29
CN102598163A (zh) 2012-07-18
US9640306B2 (en) 2017-05-02
BR112012006161A2 (pt) 2016-06-28
JP2013505563A (ja) 2013-02-14
MX353519B (es) 2018-01-16
TW201117239A (en) 2011-05-16
IN2012DN03175A (ru) 2015-09-25
MX2012003294A (es) 2012-04-20
WO2011032931A1 (en) 2011-03-24
CN102598163B (zh) 2017-05-03
PL2513918T3 (pl) 2017-01-31

Similar Documents

Publication Publication Date Title
RU2549904C2 (ru) Ферромагнитная порошковая композиция и способ ее получения
RU2510993C2 (ru) Порошковая ферромагнитная композиция и способ ее получения
JP6026889B2 (ja) 強磁性粉末組成物、及びその製造方法
RU2631246C2 (ru) Новый композитный материал и способ его изготовления
JPWO2007077689A1 (ja) 軟磁性材料、圧粉磁心、軟磁性材料の製造方法、および圧粉磁心の製造方法
JP2017508873A (ja) 軟磁性複合粉末及び軟磁性部材
JP2024016066A (ja) 強磁性粉末組成物
JP2009117484A (ja) 圧粉磁心の製造方法及び圧粉磁心
ES2640761T3 (es) Composición ferromagnética en polvo y un procedimiento para su producción
BR112012006161B1 (pt) Composição de pó ferromagnético, material compósito magnético macio e processos para preparação dos mesmos