Порошковая ферромагнитная композиция и способ ее получения
Изобретение относится к порошковой металлургии, в частности к получению ферромагнитной порошковой композиции. Может использоваться в качестве сердечника в катушках индуктивности, статорах и роторах электрических машин, силовых приводах, датчиках и сердечниках трансформаторов. Композиция содержит смазочное вещество в виде твердых частиц и магнитно-мягкие базовые частицы на основе железа, поверхность которых покрыта первым неорганическим изолирующим слоем на основе фосфора и, по меньшей мере, одним металлоорганическим слоем, расположенным снаружи от первого слоя. Металлоорганическое соединение имеет следующую общую формулу: R1[(R1)×(R2)y(MOn-1)]nR1, где M - центральный атом, выбранный из Si, Ti, Al или Zr; O - кислород; R1 - гидролизуемая группа; R2 - органическая часть, в которой, по меньшей мере, один R2 содержит, по меньшей мере, одну аминогруппу; n - количество повторяемых структурных единиц, от 1 до 20; x - целое число от 0 до 1; y - целое число от 1 до 2. К металлоорганическому слою прочно присоединено металлическое или полуметаллическое соединение в виде твердых частиц, обладающее твердостью по Моосу менее чем 3,5. Обеспечивается получение материала, обладающего высокой прочностью, максимальной магнитной проницаемостью и индуктивностью при минимизации потерь на гистерезис и снижении потерь на вихревые токи. 4 н. и 11 з.п. ф-лы, 5 табл., 5 пр.
ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Настоящее изобретение относится к порошковой композиции, включающей электроизоляционный порошок на основе железа, и к способу получения упомянутой композиции. Изобретение дополнительно относится к способу получения магнитно-мягких композитных компонентов, приготовленных из композиции, а также полученного компонента.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Магнитно-мягкие материалы используют для таких практических применений, как материалы сердечников в катушках индуктивности, статорах и роторах электрических машин, силовых приводах, датчиках и сердечниках трансформаторов. Традиционно магнитно-мягкие сердечники, такие как роторы и статоры в электрических машинах, изготавливают из собранных в пакеты стальных пластин. Основой магнитно-мягких композитных (SMC) материалов являются магнитно-мягкие частицы, обычно на основе железа, с электроизоляционным покрытием на каждой частице. Магнитно-мягкие композитные компоненты получают прессованием изолированных частиц с использованием традиционных способов прессования порошковой металлургии (ПМ), необязательно со смазывающим веществом и/или связующим веществом. Используя методы порошковой металлургии, можно получить материалы, обладающие более высокой степенью свободы в структуре магнитно-мягких композитных (SMC) материалов, чем при использовании стальных пластин, поскольку магнитно-мягкие композитные (SMC) материалы могут проводить трехмерный магнитный поток и поскольку с помощью способов прессования могут быть получены трехмерные формы.
Двумя ключевыми характеристиками компонента железного сердечника являются его магнитная проницаемость и потери в сердечнике. Магнитная проницаемость материала является указателем его способности намагничиваться или его способности проводить магнитный поток. Проницаемость определяют как отношение величины индуцированного магнитного потока к напряженности магнитного поля. Если магнитный материал подвергают воздействию переменного магнитного поля, потери энергии возникают как из-за потерь, связанных с гистерезисом, так и из-за потерь на вихревые токи. Потери из-за гистерезиса (DC-потери), которые составляют основную часть общих потерь сердечника в большинстве областей применения электродвигателей, влекут за собой необходимость расхода энергии на преодоление остаточных магнитных сил в железном сердечнике компонента. Эти силы могут быть минимизированы с помощью улучшения чистоты и качества базового порошка, но наиболее эффективно за счет увеличения температуры и/или времени термической обработки (т.е. снятием напряжений) компонента. Потери на вихревые токи (AC-потери) вызваны возникновением электрических токов в железном сердечнике компонента из-за изменения магнитного потока, вызванного переменным током (AC). Для того чтобы минимизировать вихревые токи, требуется высокое удельное электрическое сопротивление компонента. Уровень удельного электрического сопротивления, который требуется для минимизирования AC-потерь, зависит от вида практических применений (рабочей частоты) и размера компонента.
Исследования в области изготовления компонентов магнитных сердечников методами порошковой металлургии с использованием порошков с покрытием на основе железа направлены на разработку порошковых композиций железа, которые улучшают определенные физические и магнитные свойства без оказания вредного воздействия на другие свойства конечного компонента. Требуемые свойства компонента включают, например, высокую магнитную проницаемость в расширенном диапазоне частот, низкие потери в сердечнике, высокую магнитную индукцию насыщения и высокую механическую прочность. Требуемые свойства порошка дополнительно включают пригодность для способов компрессионного формования, которые означают, что порошок может быть легко формован до компонента с высокой плотностью, который может быть легко извлечен из оборудования для формования без повреждения поверхности компонента.
Примеры опубликованных патентов описаны ниже.
Патент US 6309748 (автор Lashmore) описывает ферромагнитный порошок, имеющий размер в диаметре приблизительно от 40 приблизительно до 600 мкм и покрытие неорганическими оксидами каждой частицы.
Патент US 6348265 (автор Jansson) сообщает о порошке железа с нанесенным тонким покрытием, содержащим фосфор и кислород, порошок с покрытием, который удобен для прессования в магнитно-мягкие сердечники, которые могут быть термообработаны.
Патент US 4601765 (автор Soileau) сообщает о прессованных железных сердечниках, в которых используют железный порошок, на который сначала наносят покрытие пленкой силиката щелочного металла, а затем перекрывают полимерной кремниевой смолой.
Патент US 6149704 (автор Moro) описывает ферромагнитный порошок с электроизолирующим покрытием из фенольной смолы и/или кремниевой смолы и необязательно из золя оксида титана или оксида циркония. Полученный порошок перемешивают со смазкой стеарата металла и прессуют в ферритовый сердечник.
Патент US 7235208 (автор Moro) сообщает о ферритовых сердечниках, выполненных из ферромагнитного порошка, обладающего связующим, в котором диспергирован ферромагнитный порошок, где изолирующее связующее включает трехфункциональную алкилфенилсиликоновую смолу и необязательно неорганический оксид, карбид или нитрид.
Дополнительными документами в области мягких магнитов являются Японская заявка на патент JP 2005-322489, имеющая номер опубликования JP 2007-129154, автор Yuuichi; Японская заявка на патент JP 2005-274124, имеющая номер опубликования JP 2007-088156, автор Maeda; Японская заявка на патент JP 2004-203969, имеющая номер опубликования JP 2006-0244869, автор Masaki; Японская заявка на патент 2005-051149,имеющая номер опубликования 2006-233295, автор Ueda и Японская заявка на патент 2005-057193, имеющая номер опубликования 2006-245183, автор Watanabe.
ЗАДАЧИ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Одной задачей изобретения является предоставление порошковой композиции на основе железа, включающей электроизоляционный порошок на основе железа, прессованный в магнитно-мягкие компоненты, обладающие высокой прочностью, компонент которой может быть термообработан при оптимальной температуре без разрушения электроизоляционного покрытия порошка на основе железа.
Также задачей изобретения является предоставление порошковой композиции на основе железа, включающей электроизоляционный порошок на основе железа, прессованный в магнитно-мягкие компоненты, обладающие высокой прочностью, высокой максимальной магнитной проницаемостью и высокой индуктивностью при минимизации потерь на гистерезис и поддержании на низком уровне потерь на вихревые токи.
Также задачей изобретения является предоставление способа получения порошковой композиции на основе железа, без необходимости использования любых токсичных или неблагоприятных для окружающей среды растворителей или процессов сушки.
Также задачей изобретения является предоставление способа получения прессованного и необязательно термообработанного магнитно-мягкого композитного компонента на основе железа, имеющего низкие потери в сердечнике в сочетании с достаточной механической прочностью и приемлемой плотностью магнитного потока (индукции) и максимальной магнитной проницаемостью.
РАСКРЫТИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Для достижения, по меньшей мере, одной из вышеупомянутых задач изобретения/или дополнительных неупомянутых задач изобретения, которые будут понятны из следующего описания, настоящее изобретение касается ферромагнитной порошковой композиции, включающей магнитно-мягкие базовые частицы на основе железа, в котором поверхность базовых частиц предоставлена первым неорганическим изолирующим слоем на основе фосфора и, по меньшей мере, одним металлоорганическим слоем, расположенным снаружи от первого слоя, металлоорганического соединения, имеющего следующую общую формулу:
R 1 [(R 1 )×(R 2 ) y (MO n-1 )] n R 1,
в которой M - центральный атом, выбранный из Si, Ti, Al или Zr;
O - кислород;
R1 - гидролизуемая группа;
R2 - органическая часть , в которой, по меньшей мере, один R2 содержит, по меньшей мере, одну аминогруппу;
в которой n - количество повторяемых структурных единиц, являющееся целым числом в диапазоне от 1 до 20;
в которой x - целое число от 0 до 1;
в которой y - целое число от 1 до 2;
в котором металлическое или полуметаллическое соединение в виде твердых частиц, обладающее твердостью по Моосу менее чем 3,5, прочно присоединено, по меньшей мере, к одному металлоорганическому слою;
и в котором порошковая композиция дополнительно включает смазочное вещество в виде твердых частиц.
Изобретение дополнительно касается способа приготовления порошковой ферромагнитной композиции, включающей a) перемешивание магнитно-мягких базовых частиц на основе железа, поверхность которых электрически изолирована неорганическим изолирующим слоем на основе фосфора, с металлорганическим соединением, как упоминается выше; b) необязательно перемешивание полученных частиц с дополнительным металлоорганическим соединением, как упоминается выше; c) перемешивание порошка с твердыми частицами металлического или полуметаллического соединения, имеющими твердость по Моосу менее 3,5; и d) перемешивание порошка с твердыми частицами смазывающего вещества.
Стадия с) может, но не необязательно, быть выполнена перед стадией b) в добавление к выполнению после стадии b) или вместо выполнения после стадии b) может быть выполнена перед стадией b).
Изобретение дополнительно касается способа приготовления магнитно-мягких композитных материалов, включающего: соосное прессование композиции, в соответствии с изобретением, в пресс-форме при давлении прессования, по меньшей мере, около 600 МПа; необязательный предварительный нагрев пресс-формы до температуры ниже температуры плавления добавленных твердых частиц смазывающего вещества; извлечение полученного сырого материала; и необязательная термическая обработка сырого материала. Композитный компонент в соответствии с изобретением будет типично иметь содержание P между 0,01-0,1% от веса компонента, содержание добавленного Si к базовому порошку между 0,02-0,12% от веса компонента и содержание Bi между 0,05-0,35% веса компонента.
ДЕТАЛЬНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Базовый порошок
Частицы магнитно-мягкого сердечника на основе железа могут быть измельчены водой, газом или могут быть губчатым порошком железа, хотя измельченный водой порошок более предпочтителен.
Частицы магнитно-мягкого сердечника на основе железа могут быть выбраны из группы, состоящей, в основном, из чистого железа, сплава железа Fe-Si, имеющего до 7% по весу, предпочтительно до 3% по весу кремния, сплава железа, выбранного из группы Fe-Al, Fe-Si-Al, Fe-Ni, Fe-Ni-Co или их сочетаний. В основном, предпочтительно чистое железо, например, железо с постоянными примесями.
Частицы могут иметь сферическую или неправильную форму, частицы неправильной формы более предпочтительны. Средняя плотность может быть между 2,8 и 4,0 г/см3, предпочтительно между 3,1 и 3,7 г/см3.
Средний размер частиц в сердечнике на основе железа находится между 25 и 600 мкм, предпочтительно между 45 и 400 мкм, наиболее предпочтительно между 60 и 300 мкм.
Первый слой покрытия (неорганический)
Частицы сердечника предоставляют первый неорганический изоляционный слой, который предпочтительно основан на фосфоре. Этот первый слой покрытия может быть выполнен с помощью обработки порошка на основе железа фосфорной кислотой, растворенной или в воде, или в органическом растворителе. В растворители на водной основе необязательно добавляют ингибиторы коррозии и поверхностно-активные вещества. Предпочтительный способ покрытия частиц порошка на основе железа описан в патенте US 6348265. Обработка для фосфатирования может быть проведена повторно. Изолирующее неорганическое покрытие на основе фосфора для частиц сердечника на основе железа предпочтительно без любых добавок, таких как легирующие примеси, ингибиторы коррозии или поверхностно-активные вещества.
Содержание фосфата в слое 1 может быть между 0,01 и 0,1 вес.% композиции.
Металлоорганический слой (второй слой покрытия)
По меньшей мере, один металлорганический слой снаружи первого слоя на основе фосфора. Металлорганический слой является металлорганическим соединением общей формулы
R 1 [(R 1 )×(R 2 ) y (MO n-1 )] n R 1,
в которой M - центральный атом, выбранный из Si, Ti, Al или Zr;
O - кислород;
R1 -гидролизуемая группа;
R2 является органической частью , в которой, по меньшей мере, один R2 содержит, по меньшей мере, одну аминогруппу;
в которой n - количество повторяемых структурных единиц, являющееся целым числом от 1 до 20 (между 1 и 20);
в которой x является целым числом от 0 до 1;
в которой y является целым числом от 1 до 2 (x может таким образом быть 0 или 1, а y может таким образом быть 1 или 2).
Металлорганическое соединение может быть выбрано из следующих групп: модификаторы поверхности, связывающие агенты или сшивающие агенты.
R1 в металлорганическом соединении может быть алкоксигруппой, имеющей меньше чем 4, предпочтительно меньше чем 3 атома углерода.
R2 является органической частью, которая означает, что группа R2 содержит органическую часть или долю. R2 может включать 1-6, предпочтительно 1-3 атома углерода. R2 может дополнительно включать один или более гетероатомов, выбранных из группы, состоящей из N, O, S и P. Группа R2 может линейной, разветвленной, циклической или ароматической.
R2 может включать одну или более следующих функциональных групп: амино, диамино, амидо, имидо, эпоксидной, гидроксильной, этиленоксидной, уреидо, уретановой, изоцианатной, акрилатной, глицерилакрилатной, бензиламино, винилбензиламиногруппы. Группа R2 может изменяться между любыми упомянутыми функциональными группами R2 и гидрофобной алкильной группой с повторяемыми структурными единицами.
Металлоорганическое соединение может быть выбрано из производных, промежуточных продуктов или олигомеров силанов, силоксанов и силсесквиоксанов или соответствующих титанатов, алюминатов или цирконатов.
В соответствии с одним вариантом осуществления, по меньшей мере, одно металлоорганическое соединение в одном металлорганическом слое является мономером (n=1).
В соответствии с другим вариантом осуществления, по меньшей мере, одно металлоорганическое соединение в одном металлорганическом слое является олигомером (n=20).
В соответствии с другим вариантом осуществления металлоорганический слой, расположенный снаружи от первого слоя, является мономером металлоорганического соединения, и где крайний металлоорганический слой является олигомером металлоорганического соединения. Необходимо, чтобы химические функциональные возможности мономера и олигомера не были одинаковыми. Весовое соотношение слоя мономера металлоорганического соединения и слоя олигомера металлорганического соединения может находиться между 1:0 и 1:2, предпочтительно между 2:1-1:2.
Если металлоорганическое соединение является мономером, оно может быть выбрано из группы триалкокси- и диалкоксисиланов, титанатов, алюминатов или цирконатов. Мономер металлоорганического соединения может, таким образом, быть выбран из 3-аминопропил-триметоксисилана, 3-аминопропил-триэтоксисилана, 3-аминопропил-диэтоксисилана, N-аминоэтил-3-аминопропил-триметоксисилана, N-аминоэтил-3-аминопропил-метил-диметоксисилана, 1,7-бис(триэтоксисилил)-4-азагептана, триаминфункционального пропил-триметоксисилана, 3-уреидо-пропил-третоксисилана, 3-изоцианатопропил-триэтоксислана, трис(3-триметоксисилилпропил)-изоцианурата, 0-(пропаргилокси)-N-(триэтоксисилилпропил)-уретана, 1-аминометил-триэтоксисилана, 1-аминоэтил-метил-диметоксисилана или их смеси.
Олигомер металлоорганического соединения может быть выбран из алкил-алкоксиолигомеров силанов, заканчивающихся алкоксигруппой, титанатов, алюминатов или цирконатов. Олигомер металлоорганического соединения может, таким образом, быть выбран из аминосилсесквиоксанов, заканчивающихся метокси-, этокси- или ацетоксигруппами, аминосилоксанов, олигомерного 3-аминопропил-метоксисилана, 3-аминопропил/пропил-алкоксисиланов, N-аминоэтил-3-аминопропил-алкоксисиланов или N-аминоэтил-3-аминопропил/метил-алкоксисиланов или их смеси.
Общее количество металлорганического соединения может быть 0,05-0,6%, предпочтительно 0,05-0,5%, более предпочтительно 0,1-0,4% и наиболее предпочтительно 0,2-0,3 % по весу композиции. Эти виды металлоорганических соединений могут быть коммерчески доступны от таких компаний, как Evonik Ind., Wacker Chemie AG, Dow Corning, и т.д.
Металлоорганическое соединение имеет щелочной характер, а также может включать свойства связывающего, например, так называемый связывающий агент, который будет присоединять порошок на основе железа к первому неорганическому слою. Вещество следует нейтрализовать избытком кислот и кислыми побочными продуктами из первого слоя. Если используют связывающие агенты из групп аминоалкилалкоксисиланов, -титанатов, -алюминатов или -цирконатов, субстанция будет гидролизована и частично полимеризована (некоторые алкоксигруппы будут гидролизованы с образованием соответственно спиртов). Большое значение для присоединения к металлическому или полуметаллическому соединению в виде твердых частиц придают также связующим или сшивающим свойствам металлоорганических соединений, которые могут улучшить механическую прочность прессованного композитного соединения.
Металлическое или полуметаллическое соединение в виде твердых частиц
Магнитно-мягкий порошок на основе железа с покрытием должен также содержать, по меньшей мере, одно соединение, металлическое или полуметаллическое, в виде твердых частиц. Металлическое или полуметаллическое соединение в виде твердых частиц должно быть мягким, обладающим твердостью по Моосу менее чем 3,5 и должно представлять собой мелкие частицы или коллоидное вещество. Предпочтительно, чтобы соединение могло иметь средний размер частиц меньше 5 мкм, предпочтительно меньше 3 мкм и наиболее предпочтительно ниже 1 мкм. Металлическое или полуметаллическое соединение в виде твердых частиц может иметь чистоту более чем 95%, предпочтительно более чем 98% и наиболее предпочтительно более чем 99% по весу. Твердость по Моосу металлического или полуметаллического соединения в виде твердых частиц составляет предпочтительно менее 3, более предпочтительно менее 2,5 или меньше. SiО2, Al2O3, MgO и TiO2 являются абразивами и обладают твердостью по Моосу намного выше 3,5 и остаются за рамками изобретения. Абразивные соединения, даже в виде частиц, имеющих наноразмеры, вызывают необратимые дефекты электроизоляционного покрытия, приводя к некачественному извлечению и худшим магнитным и или/механическим свойствам компонента, подвергнутого термообработке.
Металлическое или полуметаллическое соединение в виде твердых частиц может быть, по меньшей мере, одним выбранным из группы: свинец, индий, висмут, селен, бор, молибден, марганец, вольфрам, ванадий, сурьма, олово, цинк, церий.
Металлическое или полуметаллическое соединение в виде твердых частиц может быть оксидом, гидроксидом, карбонатом, фосфатом, флюоритом, сульфидом, сульфатом, сульфитом, оксихлоридом или их смесью.
В соответствии с предпочтительным вариантом осуществления металлическим или полуметаллическим соединением в виде твердых частиц является висмут или более предпочтительно оксид висмута (III). Металлическое или полуметаллическое вещество в виде твердых частиц может быть перемешано со вторым соединением, выбранным из щелочных или щелочноземельных металлов, в которых соединения могут быть карбонатами, предпочтительно карбонатами кальция, стронция, бария, лития калия или натрия.
Металлическое или полуметаллическое соединение в виде твердых частиц может присутствовать в количестве 0,05-0,5%, предпочтительно в количестве 0,1-0,4% и наиболее предпочтительно в количестве 0,15-0,3 % от веса композиции.
Металлическое или полуметаллическое соединение в виде твердых частиц сцепляется, по меньшей мере, с одним металлоорганическим слоем. В одном варианте осуществления изобретения металлическое или полуметаллическое соединение в виде твердых частиц сцепляется с крайним металлоорганическим слоем.
Смазывающее вещество
Порошковая композиция в соответствии с изобретением включает смазывающее вещество в виде твердых частиц. Смазывающее вещество в виде твердых частиц играет важную роль и позволяет выполнять прессование без необходимости нанесения смазки на стенки пресс-формы. Смазывающее вещество в виде твердых частиц может быть выбрано из группы, состоящей из первичных и вторичных амидов жирных кислот, транс-амидов (бис-амидов) или спиртов жирных кислот. Смазывающая доля смазывающего вещества в виде твердых частиц может быть насыщенной или ненасыщенной цепью, содержащей 12-22 атома углерода. Смазывающее вещество в виде твердых частиц предпочтительно может быть выбрано из стеарамида, эрукамида, стеарилэрукамида, эруцил-стеарамида, бигенилового спирта, эруцилового спирта, этилен-бис-стеарамида (например, ЭБС или амида воска). Смазывающее вещество в виде твердых частиц может присутствовать в количестве 0,15-0,55%, предпочтительно в количестве 0,2-0,4% от веса композиции.
Способ приготовления состава
Способ приготовления ферромагнитного порошкового состава в соответствии с изобретением включает: a)перемешивание магнитно-мягких частиц сердечника на основе железа, у которых поверхность частиц сердечника электрически изолирована неорганическим изолирующим слоем на основе фосфора, с металлорганическим соединением, как описано выше; b) необязательное смешивание полученных частиц с дополнительным металлоорганическим соединением, как описано выше; c) перемешивание порошка с твердыми частицами металлического или полуметаллического соединения, имеющих твердость по Моосу менее 3,5; и d) перемешивание порошка с твердыми частицами смазывающего вещества (со смазывающим веществом в виде твердых частиц). Стадия с) может, но не необязательно, быть выполнена перед стадией b) в добавление к выполнению после стадии b) или вместо выполнения после стадии b) может быть выполнена перед стадией b).
Твердые частицы сердечника, предоставленные первым неорганическим изолирующим слоем, могут быть предварительно обработаны щелочным соединением перед тем, как их перемешают с металлоорганическим соединением. Предварительная обработка может создать хорошие условия для связывания между первым и вторым слоями, что может улучшить электрическое удельное сопротивление и механическую прочность магнитного композитного компонента. Щелочное соединение может быть выбрано из аммиака, гидроксиламина, тетраалкилгидроокиси аммония, алкиламинов, алкиламидов. Предварительная обработка может быть проведена с использованием любого из вышеперечисленных химикатов, предпочтительно разбавленных соответствующим растворителем, перемешанных с порошком и необязательно высушенных.
Способ получения магнитно-мягких компонентов
Способ приготовления магнитно-мягких композитных материалов в соответствии с изобретением включает: соосное прессование композиции в соответствии с изобретением в пресс-форме при давлении прессования, по меньшей мере, около 600 МПа; необязательно предварительный нагрев пресс-формы до температуры ниже температуры плавления добавленных твердых частиц смазывающего вещества; извлечение полученного сырого материала; и необязательно термическая обработка сырого материала.
Прессование может быть холодным, горячим или высокоскоростным, предпочтительно использовать регулируемую температуру пресс-формы (50-120°C) для ненагретого порошка.
Термообработка может быть осуществлена в вакууме, не восстанавливающей, инертной или в слабоокисляющей атмосфере, например, от 0,01 до 3% кислорода, или в атмосфере пара, что может способствовать образованию неорганической решетки, но без возрастающей коэрцитивной силы прессованной порошковой заготовки. Термообработку необязательно выполняют в инертной атмосфере, а после этого осуществляют быструю выдержку в окисляющей атмосфере, такой как пар, для наращивания твердого поверхностного слоя более высокой прочности. Температура может быть вплоть до 700°C.
Условия термообработки должны позволять смазывающему веществу испаряться настолько полно, насколько это возможно. Это осуществляют обычно в течение первой части цикла термообработки, при температуре выше чем приблизительно от 300 до 500°C. При более высоких температурах металлическое или полуметаллическое соединение может реагировать с металлоорганическим соединением и частично образовывать стеклообразную решетку. Это дополнительно усиливает механическую прочность, а также повышает электрическое удельное сопротивление компонента. При максимальной температуре (600-700°C) можно достичь полного снятия напряжения в порошковой прессованной заготовке, при котором коэрцитивная сила и, следовательно, потери на гистерезис композитного материала будут минимизированы.
Спрессованный и подвергнутый термообработке магнитно-мягкий композитный материал, приготовленный в соответствии с изобретением, предпочтительно имеет содержание P между 0,01-0,1% от веса компонента, содержание добавленного Si к базовому порошку между 0,02-0,12% от веса компонента и содержание Bi между 0,05-0,35% от веса компонента.
Изобретение дополнительно иллюстрируют следующие примеры.
ПРИМЕР 1
В качестве исходного материала использовали измельченный водой порошок на основе железа, имеющий средний размер частиц приблизительно 220 мкм и имеющий менее 5% частиц с размером менее 45 мкм (порошок 40 меш). Этот порошок, который является порошком чистого железа, был сначала покрыт тонким электроизоляционным слоем на основе фосфора (содержание фосфора в котором приблизительно 0,045% от веса порошка с покрытием). После этого его перемешали с олигомером аминоалкил-алкоксисилана (Dynasylan®1146, Evonik Ind.) в количестве 0,2% по весу. Композицию дополнительно перемешивали с мелкими частицами порошка оксида висмута (III) в количестве 0,2% по весу. Для сравнения использовали соответствующие порошки без модифицирования поверхности с использованием силана и висмута соответственно. Порошки перед прессованием окончательно перемешивали со смазывающим веществом ЭБС (EBS) в виде твердых частиц. Количество использованного смазывающего вещества составляло 0,3% от веса композиции.
Кольцевые сердечники с внутренним диаметром 45 мм и наружным диаметром 55 мм и высотой 5 мм были соосно спрессованы в одну стадию при двух различных давлениях прессования 800 и 1100 МРа соответственно; температура пресс-формы 60°C. После прессования детали были подвергнуты термообработке при 650°C в течение 30 мин в азоте. Эталоны были обработаны при 530°C в течение 30 мин воздухом (А6, А8) и (водяным) паром (А7). На полученные подвергнутые термообработке кольцевые сердечники были намотаны 100 витков измерительной катушки и 100 витков катушки возбуждения. Магнитные измерения были проведены на образцах кольцевых сердечников для 100 витков катушки возбуждения и 100 витков измерительной катушки с использованием гистерезисографа от Brockhaus. Общие потери в сердечнике были измерены при 1 Тесла, 400 Гц и 1000 Гц соответственно. Сопротивление поперечному разрыву было измерено согласно ISO 3995. Конкретное удельное электрическое сопротивление было измерено на круглых образцах катушек с помощью четырехточечного способа измерения.
Следующая таблица 1 демонстрирует полученные результаты:
На магнитные и механические свойства отрицательно влияет исключение одного или более слоев покрытия. Исключение слоя на основе фосфата приведет к неприемлемому удельному электрическому сопротивлению, что повысит, таким образом, потери на вихревые токи (А3). Исключение металлоорганического соединения приведет как к неприемлемому удельному электрическому сопротивлению, так и к неприемлемой механической прочности (А4, А5).
По сравнению с существующими промышленными эталонами, такими как Somaloy®700 или Somaloy®3P, доступными от Hëganäs AB, Швеция (A6-A8), композитные материалы по настоящему изобретению могут быть подвергнуты термообработке при более высокой температуре, что снижает потери на гистерезис (DC-потери/цикл).
ПРИМЕР 2
В качестве исходного материала использовали измельченный водой порошок на основе железа, имеющий средний размер частиц приблизительно 95 мкм и 10-30% частиц, имеющих размер меньше 45 мкм (порошок 100 меш), с наблюдаемой плотностью около 3,3 кг/см3, частицы железа, окруженные электроизолирующим слоем на основе фосфатов. Порошок с покрытием был дополнительно перемешан с 0,2% от веса аминоалкил-триаклоксисиланом ((Dynasylan®Ameo), а после этого перемешан с 0,2% от веса олигомером аминоалкил/алкил-алкоксисиланом (Dynasylan®1146), оба изготовленные Evonik Ind. Композицию дополнительно перемешивали с 0,2% по весу мелкого порошка оксида висмута (III). Окончательно, перед прессованием, порошки перемешивали со смазывающим веществом ЭБС (EBS) в виде твердых частиц. Количество использованного смазывающего вещества составляло 0,4% от веса композиции. Порошковые композиции были дополнительно обработаны, как описано в примере 1, но с использованием 600 и 800 МПа, соответственно. Таблица 2 показывает полученные результаты.
ОБРАЗЕЦ 3
Был использован такой же базовый порошок, что и в примере 1, имеющий такой же изолирующий слой на основе фосфора. Этот порошок был перемешан с различными количествами первого основного аминоалкил-алкоксисилана ((Dynasylan®Ameo), а после этого с олигомером аминоалкил/алкил-алкоксисилана (Dynasylan®1146), в соотношении 1:1, оба изготовленные Evonik Ind. Композицию в заключение перемешивали с различными количествами мелкого порошка оксида висмута (III)(>99 вес.%; D50~0,3 мкм). Образец С5 перемешивают с Bi2O3 более низкой степенью чистоты и большим размером частиц (>98 вес.%; D50~5 мкм). В заключение порошковые композиции перемешивали перед прессованием при 1100 МПа с различными количествами амидного воска (ЭБС). Дополнительно порошковые композиции были обработаны, как описано в примере 1. Результаты продемонстрированы в таблице 3 и показывают воздействие на магнитные свойства и механическую прочность (сопротивление поперечному разрыву-TRS).
Образцы с С1 по С4 иллюстрируют воздействие использованных различных количеств металлорганического соединения, оксида висмута или смазывающего вещества. Образец С5 имеет более низкое удельное электрическое сопротивление, но TRS немного улучшено по сравнению с образцом С6.
ПРИМЕР 4
Был использован такой же базовый порошок, что и в примере 1, имеющий такой же изолирующий слой на основе фосфора, за исключением образцов D10 (0,06 вес.% P) и D11 (0,015 вес.% P). Образцы порошков с D1 по D11 дополнительно были обработаны в соответствии с таблицей 4. В заключение все образцы были перемешаны с 0,3 вес.% ЭБС (EBS) и спрессованы при 800 МПа. Магнитно-мягкие компоненты были после этого дополнительно подвергнуты термообработке при 650°C в течение 30 мин в азоте.
Образцы с D1 по D3 иллюстрируют, что или слой 2-1, или 2-2 могут быть исключены, но наилучшие результаты будут получены при сочетании обоих слоев. Образцы D4 и D5 иллюстрируют порошки, подвергнутые предварительной обработке с использованием разбавленного аммиака, с последующей сушкой при 120°C в течение 1 ч на воздухе. Предварительно обработанные порошки дополнительно перемешивали с аминофункциональными олигомерными силанами, обладающими приемлемыми свойствами.
Образцы D10 и D11 иллюстрируют воздействие содержания фосфора в слое 1. В зависимости от свойств базового порошка, таких как распределение размера твердых частиц и морфологии частицы, существует оптимальная концентрация фосфора (между 0,01 и 0,1 вес.%) для того, чтобы получить все требуемые свойства.
ПРИМЕР 5
Был использован такой же базовый порошок, что и в примере 1, имеющий такой же изолирующий слой на основе фосфора. Все три образца были подвергнуты такой же обработке, что и образец D1, за исключением того, что металлическое соединение было разным. Образец Е1 показывает, что электрическое удельное сопротивление улучшается, если к оксиду висмута (III) в небольшом количестве добавляют карбонат кальция. Образец Е2 демонстрирует влияние другого мягкого металлического соединения MoS2.
В отличие от добавления абразивных и твердых соединений с твердостью по Моосу ниже 3,5 добавление абразивных и твердых соединений с твердостью по Моосу значительно выше 3,5, таких как корунд (Al2O3) или кварц (SiO2), приведет к тому, что свойства мягких магнитов будут неприемлемыми из-за недостаточного удельного электрического сопротивления и механической прочности, несмотря на то что частицы имеют наноразмеры.
1. Ферромагнитная порошковая композиция, включающая магнитно-мягкие базовые частицы на основе железа, в которой поверхность базовых частиц обеспечена первым неорганическим изолирующим слоем на основе фосфора и, по меньшей мере, одним металлоорганическим слоем, расположенным снаружи от первого слоя, металлоорганического соединения, имеющего следующую общую формулу:
R
1
[(R
1
)x(R
2
)
y
(MO
n-1
)]
n
R
1,
в которой M - центральный атом, выбранный из Si, Ti, Al или Zr;
O - кислород;
R1 - гидролизуемая группа;
R2 - органическая часть и, в которой, по меньшей мере, один R2 содержит, по меньшей мере, одну аминогруппу;
в которой n - количество повторяемых структурных единиц, являющееся целым числом в диапазоне от 1 до 20;
в которой x - целое число от 0 до 1;
в которой y - целое число от 1 до 2;
в котором металлическое или полуметаллическое соединение в виде твердых частиц, обладающее твердостью по Моосу менее чем 3,5, прочно присоединено, по меньшей мере, к одному металлоорганическому слою;
при этом порошковая композиция дополнительно включает смазочное вещество в виде твердых частиц.
2. Композиция по п.1, в которой упомянутое металлоорганическое соединение в одном металлоорганическом слое является мономером (n=1).
3. Композиция по п.1 или 2, в которой упомянутое металлоорганическое соединение в одном металлоорганическом слое является олигомером (n=2-20).
4. Композиция по п.1 или 2, в которой R1 в металлоорганическом соединении является алкоксигруппой, имеющей меньше чем 4, предпочтительно меньше чем 3 атома углерода.
5. Композиция по п.1 или 2, в которой R2 включает 1-6, предпочтительно 1-3 атома углерода.
6. Композиция по п.1 или 2, в которой R2 группа металлоорганического соединения включает один или более гетероатомов, выбранных из группы, состоящей из N, O, S и P.
7. Композиция по п.1 или 2, в которой R2 включает одну или более следующих функциональных групп: амино, диамино, амидо, имидо, эпоксидной, меркапто, дисульфидной, хлоралкильной, гидроксильной, этиленоксидной, уреидо, уретановой, изоцианатной, акрилатной, глицерилакрилатной группы.
8. Композиция по п.1 или 2, в которой металлоорганическое соединение является мономером, выбранным из триалкоксисиланов и диалкоксисиланов, титанатов, алюминатов или цирконатов.
9. Композиция по п.1 или 2, в которой металлоорганическое соединение является олигомером, выбранным из заканчивающегося алкоксигруппой алкила/алкоксиолигомеров силана, титаната, алюмината или цирконата.
10. Композиция по п.3, в которой олигомер металлоорганического соединения выбирают из заканчивающихся алкоксигруппой аминосилсесквиоксанов, амино-силоксанов, олигомерного 3-аминопропил-алкоксисилана, 3-аминопропил/пропил-алкоксисилана, N-аминоэтил-3-аминопропил-алкоксисилана или N-аминоэтил-3-аминопропил/метил-алкоксисилана или их смеси.
11. Композиция по п.1 или 2, в которой металлическим или полуметаллическим соединением в виде твердых частиц является висмут или предпочтительно оксид висмута (III).
12. Способ получения ферромагнитной порошковой композиции по любому из пп. 1-11, включающий:
a) перемешивание магнитно-мягких базовых частиц на основе железа, поверхность которых электроизолирована неорганическим изолирующим слоем на основе фосфора, с металлорганическим соединением;
b) необязательно перемешивание полученных частиц с дополнительным металлоорганическим соединением;
c) перемешивание порошка с твердыми частицами металлического или полуметаллического соединения, имеющих твердость по Моосу менее 3,5; и
d) перемешивание порошка с твердыми частицами смазывающего вещества,
при этом при проведении перемешивания частиц с дополнительным металлоорганическим соединением перемешивание порошка с твердыми частицами металлического или полуметаллическсого соединения, имеющими твердость по Моосу менее 3,5, осуществляют до и/или после него.
13. Способ приготовления магнитно-мягких композитных материалов, включающий:
a) соосное прессование ферромагнитной порошковой композиции по любому из пп.1-11 в пресс-форме при давлении прессования, по меньшей мере, около 600 МПа;
b) необязательно предварительный нагрев пресс-формы до температуры ниже температуры плавления добавленных твердых частиц смазывающего вещества;
c) извлечение полученного неспеченного материала; и
d) необязательно термическая обработка неспеченного материала.
15. Спрессованный и подвергнутый термообработке магнитно-мягкий композитный материал, приготовленный в соответствии с п.14, имеющий содержание P между 0,01-0,1% от веса компонента, содержание добавленного Si к базовому порошку между 0,02-0,12% от веса компонента и содержание Bi между 0,05-0,35% от веса компонента.
