НОВЫЙ КОМПОЗИТНЫЙ МАТЕРИАЛ И СПОСОБ ЕГО ИЗГОТОВЛЕНИЯ

Область техники

Настоящее изобретение относится к магнитомягкому композитному порошковому материалу для приготовления магнитомягких компонентов, а также к магнитомягким компонентам, которые получаются при использовании этого магнитомягкого композитного порошка. Конкретно, изобретение относится к таким порошкам для приготовления магнитомягких материалов для компонентов, работающих на высоких частотах, для компонентов, пригодных для индукционных катушек или силовых катушек для электроники больших мощностей.

Уровень техники

Магнитомягкие материалы используются для различных приложений, например, в качестве материалов сердечников в индукционных катушках, в статорах и роторах для электрических машин, в приводах, датчиках и в трансформаторных сердечниках. Традиционно, магнитомягкие сердечники, например, роторы и статоры в электрических машинах, делаются из пакетированных стальных ламинатов. Магнитомягкие композиты могут быть образованы магнитомягкими частицами, обычно на основе железа, с электрически изолирующим покрытием на каждой частице. Спрессовывая изолированные частицы, при необходимости вместе со смазками и/или со связующими веществами, используя традиционный процесс порошковой металлургии, могут быть получены магнитомягкие компоненты. Используя методику порошковой металлургии, оказывается возможным произвести такие компоненты с большей степенью свободы в конструкции, чем при использовании стальных ламинатов, поскольку такие компоненты могут заключать в себе трехмерный магнитный поток, и поскольку трехмерные формы могут быть получены процессом прессования.

Настоящее изобретение относится к магнитомягкому композитному порошку на основе железа, базовые частицы которого покрываются тщательно выбранным покрытием, делающим свойства материала подходящими для производства катушек индуктивности с помощью прессования порошка с последующей термической обработкой.

Индукционная катушка, или силовая индукционная катушка, представляет собой пассивный электрический компонент, который может сохранять энергию в виде магнитного поля, создаваемого электрическим током, проходящим через упомянутый компонент. Способность катушек индуктивности сохранять энергию, индуктивность (L), измеряется в Генри (Гн). Обычно, индукционная катушка представляет собой спирально намотанный изолированный провод. Электрический ток, протекающий через витки катушки, создает магнитное поле вокруг катушки, причем напряженность поля пропорциональна величине тока и числу витков/длине катушки. Переменный ток создает переменное магнитное поле, которое индуцирует напряжение, препятствующее изменению тока, который его создал.

Электродвижущая сила (ЭДС), которая препятствует изменению тока, измеряется в Вольтах (В) и связана с индуктивностью посредством формулы:

v(t)=Ldi(t)/dt

(L - индуктивность, t - время, v(t) - изменяющееся во времени напряжение на выводах индукционной катушки, и i(t) - изменяющийся во времени ток.)

То есть индукционная катушка, имеющая индуктивность в 1 Генри производит ЭДС 1 В, когда текущий через катушку индуктивности ток изменяется как 1 Ампер/секунда.

Индукционные катушки с ферромагнитным, или железным, сердечником используют магнитный сердечник, выполненный из ферромагнитного или ферримагнитного материала, например, железа или феррита, для увеличения индуктивности катушки в несколько тысяч раз посредством увеличения магнитного поля благодаря большей магнитной проницаемости материала сердечника.

Магнитная проницаемость, μ, материала представляет собой меру его способности поддерживать магнитный поток или его способность к намагничиванию. Проницаемость определяется как отношение индуцированного магнитного потока, обозначаемого как B и измеряемого в Ньютон/Ампер⋅метр, или в Вольт⋅секунда/метр², к намагничивающей силе или напряженности поля, обозначаемого как H и измеряемого в Амперах/метрах, A/м. Следовательно, магнитная проницаемость имеет размерность Вольт⋅секунда/Ампер⋅метр. Обычно магнитная проницаемость выражается как относительная проницаемость μ_r=μ/μ₀, относительно проницаемости свободного пространства μ₀=4π⋅10^-7 В⋅с/А⋅м.

Магнитная проницаемость также может быть выражена как индуктивность на единицу длины, Генри/метр. Магнитная проницаемость зависит не только от материала, содержащего в себе магнитный поток, но также и от приложенного электрического поля и его частоты. В технических системах это часто соотносится с максимальной относительной проницаемостью, которая является максимальной относительной проницаемостью, измеренной в течение одного цикла переменного электрического поля.

Сердечник индукционной катушки может быть использован в электронных системах электропитания для фильтрации нежелательных сигналов, например, для фильтрации различных гармоник. Для эффективного функционирования устройства, сердечник индукционной катушки для такого применения должен иметь низкую максимальную относительную проницаемость, что означает лучшую линейность характеристики относительной проницаемости относительно приложенного электрического поля, то есть стабильное приращение проницаемости, μ_Δ (определяемое в соответствии с соотношением ΔΒ=μ_Δ⋅ΔΗ), и высокую плотность насыщенного магнитного потока. Это дает возможность индукционной катушке работать более эффективно в большем диапазоне изменения электрического тока, и это также может быть выражено как то, что индукционная катушка имеет "хорошее смещение постоянным током". Смещение постоянным током может быть выражено как проценты от максимального приращения проницаемости при данном приложенном поле, например при поле в 4000 А/м. Кроме того, низкая максимальная относительная проницаемость и стабильное приращение проницаемости, в комбинации с высокой плотностью насыщенного магнитного потока позволяют индукционной катушке выдерживать больший электрический ток, что, среди прочего, оказывается полезным, когда размер является ограничивающим фактором и в таком случае может использоваться индукционная катушка меньших размеров.

Один из важных параметров улучшения работы магнитомягкого компонента (сердечника) заключается в снижении его характеристических потерь. Когда магнитный материал подвергается действию переменного поля, потери энергии происходят и вследствие гистерезисных потерь, и вследствие потерь на вихревые токи. Гистерезисные потери пропорциональны частоте переменных магнитных полей, тогда как потери на вихревые токи пропорциональны квадрату частоты. Таким образом, на высоких частотах главным образом проявляются потери на вихревые токи, в связи с чем необходимо уменьшать именно потери на вихревые токи при поддержании низкого уровня гистерезисных потерь. Это означает, что желательно увеличивать удельное сопротивление магнитных сердечников.

В поиске вариантов улучшения удельного сопротивления использовались и предлагались различные способы. Один из способов основан на предоставлении электрически изолирующего покрытия, или пленки, на порошковых частицах, до того, как эти частицы подвергнутся прессованию. Таким образом, имеется большое количество патентных публикаций, которые предоставляют различного типа электрически изолирующие покрытия. Примеры опубликованных патентов относительно неорганических покрытий - это Патент США No.6309748, Патент США No.6348265 и Патент США No.6562458. Покрытия из органических материалов известны, например, из Патента США No.5595609. Покрытия, содержащие и неорганический, и органический материал известны, например, из Патентов США No.6372348 и 5063011 и патентной публикации DE No.3439397, в соответствии с которыми частицы окружаются слоем фосфата железа и термопластическим материалом. Европейский Патент EP1246209B1 описывает порошок на основе ферромагнитного металла, причем поверхность порошка на основе металла покрыта покрытием, состоящим из силиконового полимера и мелких частиц глинистых минералов, имеющих слоистую структуру, например, структуру бентонита или талька.

Патент США No.6756118B2 предлагает магнитомягкий порошковый металлический композит, содержащий, по меньшей мере, два оксида, заключающих в себя порошковые металлические частицы, и эти, по меньшей мере, два оксида формируют, по меньшей мере, одну общую фазу.

Патентная заявка JP2002170707A описывает сплавленную железную частицу, покрытую слоем, содержащим фосфор, легирующими элементами могут быть кремний, никель или алюминий. На втором этапе покрытый порошок смешивается с водным раствором силиката натрия с последующим просушиванием. Прессованные ферритовые сердечники производятся формованием порошка и термической обработкой формованной детали при температуре 500-1000°C.

Силикат натрия упоминается в Патенте JP 51-089198 в качестве связующего агента для железных порошковых частиц при производстве прессованного ферритового сердечника посредством формования железного порошка с последующей термической обработкой формованной детали.

Для получения высокоэффективных магнитомягких композитных компонентов, необходимо также иметь возможность подвергать электрически изолированный порошок прессовочному формованию при высоком давлении, поскольку часто желательно получить детали, имеющие высокую плотность. Высокие плотности обычно улучшают магнитные свойства. Конкретно, высокие плотности необходимы для поддержания гистерезисных потерь на низком уровне и для получения высокой плотности насыщенного потока. Кроме того, электрическая изоляция должна быть устойчива относительно применяемых давлений прессования и не иметь повреждений, когда прессованная деталь извлекается из пресс-формы. Это, в свою очередь, означает, что применяемые при извлечении усилия не должны быть слишком большими.

Кроме того, для снижения гистерезисных потерь, требуется термообработка, снимающая внутренние напряжения прессованной детали. Для получения эффективного снятия напряжений, термообработка предпочтительно должна быть выполнена при температуре выше 300°C, и ниже температуры, при которой изолирующее покрытие будет повреждено, например, в атмосфере азота, аргона или воздуха, или в вакууме.

Настоящее изобретение было реализовано в связи с потребностью в порошковых сердечниках, которые, прежде всего, предназначены для использования на достаточно высоких частотах, то есть на частотах выше 2 кГц и, в частности, в интервале 5-100 кГц, когда существенны наибольшее удельное сопротивление и наименьшие потери в сердечнике. Предпочтительно плотность насыщенного потока должна быть достаточно высокой при снижении габаритов сердечника. Кроме того, должна иметься возможность производства сердечников без прессования металлического порошка с использованием смазки стенок пресс-формы и/или с использованием повышенных температур. Предпочтительно эти этапы должны быть исключены.

В отличие от многих используемых и предложенных способов, в которых желательны малые потери в сердечнике, особенное преимущество настоящего изобретения заключается в том, что нет необходимости в использовании какого-либо органического связующего агента для порошкового состава, который позднее прессуется на этапе прессования. Поэтому, термообработка неспеченной прессовки может быть выполнена при более высокой температуре, без риска того, что какой-либо органический связующий агент разложится; более высокая температура термообработки также улучшит плотность потока и уменьшит потери в сердечнике. Отсутствие органического материала в конечном, термически обработанном сердечнике, также позволяет использовать сердечник в средах с повышенными температурами, без риска снижения прочности вследствие размягчения и разложения органического связующего и, таким образом, достигается улучшение температурной стабильности.

Цели изобретения

Цель изобретения заключается в том, чтобы предоставить новый композитный порошок на основе железа, содержащий, основу из порошка на основе железа, поверхность которого покрыта новым композитным электрически изолирующим покрытием. Новый композитный порошок на основе железа особенно подходит для использования в производстве сердечников индукционных катушек для силовых электронных устройств.

Другая цель изобретения заключается в том, чтобы предоставить способ для производства таких сердечников индукционных катушек.

Еще одна цель изобретения заключается в том, чтобы предоставить сердечник индукционной катушки, имеющий "хорошее" смещение постоянным током, малые потери в сердечнике и высокую плотность насыщенного потока.

Настоящее изобретение предоставляет железную порошковую смесь, и способы обработки для обработки упомянутой смеси, которые могут быть использованы для приготовления, например, индукционных катушек, имеющих большую плотность насыщенного потока, малые потери в сердечнике, и процесс изготовления которых может быть упрощен.

Сущность изобретения

По меньшей мере, одна из этих целей достигается посредством:

- порошкового состава на основе железа с покрытием, причем покрытие содержит первый слой, содержащий фосфор, и второй слой, содержащий комбинацию силиката щелочного металла и частиц глин, содержащих определенные филлосиликаты, причем порошковый состав на основе железа содержит смесь железного порошка и сендаста. В соответствии с вариантом реализации покрытие составлено только из вышеупомянутых двух слоев.

- Способ для производства сердечника индукционной катушки, содержащего этапы:

a) предоставления железного порошкового состава с покрытием, как указано выше,

b) прессования порошковой смеси покрытого железа и сендаста, при необходимости смешанной со смазкой при одноосном движении пресса в пресс-форме при давлении прессования в интервале значений 400 и 1200 МПа,

c) извлечения спрессованного компонента из пресс-формы,

d) термообработки извлеченного компонента при температуре до 800°C,

- компонент, например, сердечник индукционной катушки, произведенный в соответствии с вышесказанным.

Подробное описание изобретения

Состав может быть композитным порошковым составом на основе железа, содержащим базовые частицы, покрытые слоем, содержащим силикат щелочного металла, объединенный с глинистым минералом, содержащим филлосиликат, причем и объединенный кремниево-кислородный тетраэдрический слой, и гидроксидные октаэдрические слои предпочтительно электрически нейтральны, и причем базовые частицы представляют собой смесь из

(a) частиц железного сплава, состоящего по существу из 7%-13% по весу кремния, 4%-7% по весу алюминия и при балансе с железом, и

(b) измельченных железных частиц.

Частицы железного сплава могут также быть обозначены как "сендаст" или "частицы сендаста".

В одном варианте реализации, частицы сендаста покрываются слоем, содержащим фосфор, до покрытия упомянутым щелочным силикатом, объединенным с глинистым минералом, содержащим филлосиликат. Для краткости, это покрытие можно назвать "щелочным силикатным покрытием", или "глинистым покрытием". Это покрытие может быть, например, на основе каолина или талька.

В другом варианте реализации, и частицы железного сплава, и измельченные частицы покрыты слоем, содержащим фосфор, до покрытия упомянутым щелочным силикатным покрытием.

Всюду по тексту, термины "слой" и "покрытие" могут использоваться взаимозаменяемо.

Железные частицы могут быть в виде чистого железного порошка, имеющего малое содержание загрязнений, например, углерода или кислорода. Содержание железа составляет предпочтительно выше 99,0% по весу, однако возможно также использовать железный порошок, сплавленный, например, с кремнием. Для чистого железного порошка, или для порошка на основе железа, сплавленного со специально добавленными легирующими элементами, порошки содержат, помимо железа и возможно присутствующих легирующих элементов, рассеянные элементы, появляющиеся от неизбежных примесей, обусловленных способом производства. Рассеянные элементы присутствуют в таком малом количестве, что они не влияют (или только незначительно влияют) на свойства материала. Примерами рассеянных элементов может быть углерод до 0,1%, кислород до 0,3%, сера и фосфор до 0,3%, каждый, и марганец до 0,3%.

Размер частиц порошка на основе железа определяется предполагаемым использованием, то есть тем, для какой именно рабочей частоты предназначается компонент. Средний размер частиц порошка на основе железа, который является также средним размером покрытого порошка, если покрытие достаточно тонкое, может быть в интервале 20-300 мкм. Примеры средних размеров частицы для подходящих порошков на основе железа составляют, например, 20-80 мкм для порошка с так называемым классом зернистости 200, 70-130 мкм для порошка с классом зернистости 100 или 130-250 мкм для порошка с классом зернистости 40.

Частицы железного сплава могут состоять по существу из 7%-13% по весу кремния, 4%-7% по весу алюминия, при балансе с железом и остатком в виде примесей.

Такой порошок известен в данной области техники как сендаст. Как правило, сендаст по существу содержит 84-86% Fe, 9-10% Si и 5-6% Al, исходя из веса.

Железные частицы могут быть распылены водой или могут быть распылены газом. Способы для измельчения железа методом распыления известны в литературе.

Покрытие, содержащее фосфор, которое обычно применяется для чистого порошка на основе железа, может быть применено в соответствии со способами, описанными в Патенте США 6348265. Это означает, что железный порошок, или порошок на основе железа, смешиваются с фосфорной кислотой, разбавленной в растворителе, например, в ацетоне, с последующим высушиванием для получения на порошке тонкого покрытия, содержащего фосфор и кислород. Количество добавленного раствора зависит, среди прочего, от размера частиц порошка; однако, это количество должно быть достаточным для получения покрытия, имеющего толщину в интервале 20-300 нм.

Альтернативно, можно было бы добавить тонкое покрытие, содержащее фосфор, смешивая порошок на основе железа с раствором фосфата аммония, растворенного в воде, или используя другие комбинации содержащих фосфор веществ и другие растворители. Образующееся покрытие, содержащее фосфор, приводит к увеличению содержания фосфора в порошке на основе железа между 0,01 и 0,15%.

Покрытие щелочным силикатом применяется к покрытому фосфором порошку на основе железа посредством смешивания порошка с частицами глины, или со смесью содержащего глину определенного филлосиликата и растворимого в воде щелочного силиката, обычно известного как жидкое стекло, с последующим этапом высушивания при температуре в интервале 20-250°C или в вакууме.

Филлосиликаты образуют тип силикатов, где силиконовые тетраэдры соединяются друг с другом в форме слоев, имеющих формулу (Si₂O₅^2-)_n. Эти слои объединяются, по меньшей мере, с одним октаэдрическим слоем гидроокиси, формируя общую структуру. Октаэдрические слои могут, например, содержать или алюминий, или гидроокиси магния, или их комбинацию. Кремний в слое силиконовых тетраэдров может быть частично заменен другими атомами. Эти комбинированные слоистые структуры могут быть электронейтральными или электрически заряженными, в зависимости от того, какие присутствуют атомы.

Было отмечено, что тип филлосиликата имеет решающее значение для достижения целей настоящего изобретения. Таким образом, филлосиликат должен быть такого типа, который имеет незаряженные или электронейтральные слои объединенного слоя кремниевых тетраэдров и октаэдров гидроокиси. Примеры таких филлосиликатов - каолинит, имеющийся в глинистом каолине, пирофиллит, имеющийся в филите, или содержащий магний минеральный тальк. Средний размер частиц глин, содержащих определенные филлосиликаты, должен быть ниже 15, предпочтительно ниже 10, предпочтительно ниже 5 мкм, еще более предпочтительно ниже 3 мкм. Количество глины, содержащей определенные филлосиликаты, смешиваемые с покрытым порошком на основе железа, должно быть между 0,2-5%, предпочтительно между 0,5-4% по весу покрытого композитного порошка на основе железа.

Количество силиката щелочного металла, рассчитанного как твердый силикат щелочного металла, смешиваемый с покрываемым порошком на основе железа, должно быть между 0,1-0,9% по весу покрываемого композитного порошка на основе железа, предпочтительно между 0,2-0,8% по весу порошка на основе железа. Было показано, что могут быть использованы различные типы водорастворимых щелочных силикатов, таким образом, могут быть использованы натриевый, калиевый и литиевый силикат.

Обычно водорастворимый щелочной силикат характеризуется своим отношением, то есть количеством SiO₂, разделенным на количество применяемого Na₂O, K₂O или Li₂O, либо как молярное отношение, либо как весовое отношение. Молярное отношение водорастворимого силиката щелочного металла должно быть 1,5-4, включая обе крайние точки. Если молярное отношение ниже, чем 1,5, раствор становится слишком щелочным, если молярное отношение будет выше 4, то SiO₂ будет выпадать в осадок.

Имеется возможность не осаждать второе покрытие каолин-силикат натрия на частицы Сендаста и при этом можно достичь очень хороших магнитных свойств. Однако, для дальнейшего улучшения магнитных свойств второй покрывающий слой должен покрыть и Сендаст, и железный порошок.

В альтернативном варианте реализации, покрытие силикатом щелочного металла (или глиной) может быть заменено металлоорганическим покрытием (второе покрытие)

В этом случае, по меньшей мере, один металлоорганический слой располагается вне первого фосфористого слоя. Металлоорганический слой представляет собой металлоорганическое соединение, имеющее общую формулу:

R₁ [(R_l)_x (R₂)_y (MO_n-1)]_nR₁

причем:

М - центральный атом, выбранный из Si, Ti, Al или Zr;

O - кислород;

R₁ - гидролизируемая группа;

R₂ - органическая составляющая, и причем, по меньшей мере, одна из R₂ содержит, по меньшей мере, одну аминогруппу;

причем n - число повторяющихся блоков, являющееся целым числом между 1 и 20;

причем x - целое число между 0 и 1; причем y - целое число между 1 и 2 (x может, таким образом, быть 0 или 1, и y может быть 1 или 2).

Металлоорганическое соединение может быть выбрано из следующих групп: поверхностные модификаторы, связующие агенты, или сшивающие агенты.

R₁ в металлоорганическом составе может быть алкокси-группой, имеющей меньше чем 4, предпочтительно меньше чем 3 атома углерода.

R₂ - органическая составляющая, что означает, что R₂-группа содержит органическую часть или участок. R₂ может включать в себя 1-6, предпочтительно 1-3 атомов углерода. R₂ может дополнительно включать в себя один или более гетероатомов, выбранных из группы, состоящей из N, O, S и P. Группа R₂ может быть линейной, ветвящейся, циклической или ароматической.

R₂ может включать в себя одну или более из следующих функциональных групп: амин, диамин, амид, имид, эпоксид, гидроксил, этиленовая окись, уреид, уретан, изоционат, акрилат, глицерил акрилат, бензиламин, винилбензиламин. Группа R₂ может чередоваться между любыми из упомянутых функциональных R₂-групп и гидрофобной алкильной группой с повторяющимися блоками.

Металлоорганическое соединение может быть выбрано из производных, промежуточных звеньев или олигомеров силанов, силоксанов и силсесквиоксанов или соответствующих титанатов, алюминатов или цирконатов.

В соответствии с одним вариантом реализации, по меньшей мере, одно металлоорганическое соединение в одном металлоорганическом слое представляет собой мономер (n=1).

В соответствии с другим вариантом реализации, по меньшей мере, одно металлоорганическое соединение в одном металлоорганическом слое представляет собой олигомер (n=2-20).

В соответствии с другим вариантом реализации металлоорганический слой, расположенный вне первого слоя, представляет собой мономер металлоорганического соединения, и причем внешний металлоорганический слой представляет собой олигомер металлоорганического соединения. Химическая функциональность мономера и олигомера принципиально не одинаковая. Отношение по весу слоя мономера металлоорганического соединения и слоя олигомера металлоорганического соединения может быть между 1:0 и 1:2, предпочтительно между 2:1-1:2.

Если металлоорганическое соединение представляет собой мономер, то он может быть выбран из группы триалкокси- и диалкоксисиланов, титанатов, алюминатов, или цирконатов. Таким образом, мономер металлоорганического соединения может быть выбран из 3-аминопропил-триметоксисилана, 3-аминопропил-триэтоксисилана, 3-аминопропил-метил-диэтоксисилана, N-аминоэтил-3-аминопропил-триметоксисилана, N-аминоэтил-3-аминопропил-метил-диметоксисилана, 1,7-бис(триэтоксисилил)-4-азагептана, триамино-функционального пропил-триметоксисилана, 3-уреидопропил-триэтоксисилана, 3-изоционатпропил-триэтоксисилана, трис(3-триметоксисилилпропил)-изоцианурата, 0-(пропаргилокси)-N-(триэтоксисилилпропил)-уретана, 1-аминометил-триэтоксисилана, 1-аминоэтил-метил-диметоксисилана, или их смесей.

Олигомер металлоорганического соединения может быть выбран из алкокси-связанных алкил-алкокси-олигомеров силанов, титанатов, алюминатов, или цирконатов. Таким образом, олигомер металлоорганического соединения может быть выбран из метокси, этокси или ацетокси-связанных амино-силсесквиоксанов, амино-силоксанов, олигомерного 3-аминопропил-метокси-силана, 3-аминопропил/пропил-алкокси-силанов, N-аминоэтил-3-аминопропил-алкокси-силанов или N-аминоэтил-3-аминопропил/метил-алкокси-силанов, или их смесей.

Общее количество металлоорганического 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 состава. Эти виды металлоорганических соединений могут быть получены от коммерческих компаний, например, Evonik Ind., Wacker Chemie AG, Dow Corning, и т.д.

Металлоорганическое соединение имеет щелочной характер и может также включать в себя связующие свойства, то есть так называемый агент связи, который связывается с первым неорганическим слоем порошка на основе железа. Вещество должно нейтрализовать избыток кислоты и кислые би-продукты из первого слоя. Если используются связующие агенты из группы аминоалкилалкокси-силанов, -титанатов, -алюминатов или -цирконатов, то вещество будет гидролизироваться и частично полимеризироваться (некоторые из алкокси групп будут гидролизироваться с образованием алкоголя, соответственно). Связующие, или сшивающие свойства металлоорганических соединений, как предполагается, относятся также и к связыванию металлического или полуметаллического дисперсного соединения, которое может улучшить механическую стабильность прессуемого композитного компонента.

Металлическое или полуметаллическое дисперсное соединение

Покрытый магнитомягкий порошок на основе железа может также содержать, по меньшей мере, одно металлическое или полуметаллическое дисперсное соединение. Металлическое или полуметаллическое дисперсное соединение должно быть мягким, имеющим твердость по Моосу меньше, чем 3,5, и образовывать мелкие частицы или коллоиды. Соединение может предпочтительно иметь средний размер частиц менее 5 мкм, предпочтительно менее 3 мкм, и наиболее предпочтительно менее 1 мкм. Металлическое или полуметаллическое дисперсное соединение может иметь чистоту более чем 95%, предпочтительно более чем 98%, и наиболее предпочтительно более чем 99% по весу. Твердость по Моосу металлического или полуметаллического дисперсного соединения предпочтительно составляет 3 или менее, более предпочтительно 2,5 или менее. Соединения SiO₂, Al₂O₃, MgO, и TiO₂ являются абразивными и имеют твердость по Моосу много более 3,5 и не попадают в пределы объема притязаний изобретения. Абразивные соединения, даже наноразмерные частицы, вызывают необратимые повреждения электрически изолирующего покрытия, давая малый выход и худшие магнитные и/или механические свойства термически обработанного компонента.

Металлическое или полуметаллическое дисперсное соединение 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 дисперсное соединение может быть окисью, гидроокисью, гидратом, карбонатом, фосфатом, флюоритом, сульфидом, сульфатом, сульфитом, оксихлоридом или их смесью.

В соответствии с предпочтительным вариантом реализации металлическое или полуметаллическое дисперсное соединение представляет собой висмут, или более предпочтительно - (III) окись висмута. Металлическое или полуметаллическое дисперсное соединение может быть смешано со вторым соединением, выбранным из щелочных или щелочноземельных металлов, причем соединение может быть карбонатами, предпочтительно карбонатами кальция, стронция, бария, лития, калия или натрия.

Металлическое или полуметаллическое дисперсное соединение или смесь соединений может присутствовать в количестве 0,05-0,5%, предпочтительно 0,1-0,4%, и наиболее предпочтительно 0,15-0,3% по весу состава.

Металлическое или полуметаллическое дисперсное соединение сцепляется, по меньшей мере, с одним металлоорганическим слоем. В одном варианте реализации изобретения металлическое или полуметаллическое дисперсное соединение сцепляется с внешним металлоорганическим слоем.

Металлоорганический слой может быть образован смешением порошка посредством перемешивания с различными количествами первого основного аминоалкил-алкокси силана (Dynasylan®Ameo) и затем с олигомером аминоалкил/алкил-алкокси силаном (Dynasylan®1146), например, используя отношение 1:1, оба произведенные Evonik Inc. Состав может быть дополнительно смешан с различными количествами мелкого порошка (III) окиси висмута (>99% по весу; D₅₀~0,3 мкм).

Эта хорошая плотность насыщенного магнитного потока, достигнутая материалом в соответствии с изобретением, позволяет уменьшить габариты и массу компонентов индукционных катушек при поддержании хороших магнитных свойств.

Прессование и термообработка

Перед прессованием, покрытый состав на основе железа может быть смешан с подходящей органической смазкой, например, парафином, олигомером или полимером, производной жирных кислот или с их комбинациями. Примеры подходящих смазок - это EBS, то есть этилен бистеарамид, Kenolube®, доступный от Hoganas AB, Швеция, металлические стеараты, например, цинковый стеарат или жирные кислоты, или другие их производные. Смазка может быть добавлена в количестве 0,05-1,5% от полной смеси, предпочтительно в интервале 0,1-1,2% по весу.

Прессование может быть выполнено при давлении прессования 400-1200 МПа при комнатной или повышенной температуре.

После прессования, спрессованные компоненты подвергаются термообработке при температуре до 800°C, предпочтительно в интервале 600-750°C. Примеры подходящих атмосфер при термообработке - это инертная атмосфера, например, азот или аргон, или окисляющая атмосфера, например, воздух.

Порошковый магнитный сердечник настоящего изобретения получается формованием под давлением магнитного порошка на основе железа, покрытого новым, электрически изолирующим покрытием. Сердечник может быть охарактеризован малыми общими потерями в частотном диапазоне 2-100 кГц, обычно 5-100 кГц, приблизительно меньше, чем 12 Вт/кг на частоте 20 кГц и индукции 0,05 T. Кроме того, удельное сопротивление, ρ, должно быть больше, чем 1000, предпочтительно больше, чем 2000 и наиболее предпочтительно больше, чем 3000 мкОм⋅м, и плотность Bs магнитного насыщенного потока должна быть выше 1,1, предпочтительно выше 1,2 и наиболее предпочтительно выше 1,3 T. Кроме того, коэрцитивная сила должна быть ниже 210 А/м, предпочтительно ниже 200 А/м, наиболее предпочтительно ниже 190 А/м, и смещение постоянным током должно быть не меньше, чем 50% при 4000 А/м.

Примеры

Следующие примеры предназначены для иллюстрации конкретных вариантов реализации и не должны рассматриваться как ограничение объема притязаний изобретения.

Пример 1

Два типа железного порошка использовались как базовые частицы: распыленный чистой водой железный порошок, имеющий содержание железа выше 99,5% по весу и чистое губчатое железо, имеющее содержание железа выше 99,5% по весу. Средний размер частиц обоих типов порошка составлял приблизительно 45 мкм. базовые частицы были смешаны с размолотым Сендастом (обычно 85% Fe, 9,5% Si и 5,5% Al), и порошковая смесь была затем обработана раствором, содержащим фосфор, в соответствии с Патентом WO2008/069749. Если кратко, то покрывающий раствор был приготовлен растворением 30 мл 85%-ой по весу фосфорной кислоты в 1000 мл ацетона, и 40 мл-60 мл раствора ацетона использовались на 1000 граммов порошка. После смешивания раствора фосфорной кислоты с металлическим порошком смесь оставлялась для высушивания.

Полученный сухой смешанный порошок из покрытого фосфором железа-сендаста был дополнительно перемешан с каолином и силикатом натрия в соответствии с нижеследующей Таблицей 1. После высушивания при 120°C порошок был смешан с 0,6% Kenolube® и спрессован при 800 МПа в кольца с внутренним диаметром 45 мм, внешним диаметром 55 мм и высотой 5 мм. Спрессованные компоненты были затем подвергнуты процессу термообработки при 700°C в атмосфере азота в течение 0,5 часов.

Удельные сопротивления полученных образцов были измерены с помощью четырехконтактной методики. Для измерений максимальной проницаемости μ_max и коэрцитивной силы кольца были "обмотаны" проволокой со 100 витками для первичной цепи и 100 витками для вторичной цепи, позволяя измерить магнитные свойства с помощью гистерезисного графопостроителя Brockhaus MPG 100. Для измерения потерь в сердечнике кольца были "обмотаны" проволокой с 30 витками для первичной цепи и 30 витками для вторичной цепи с помощью прибора Walker Scientific Inc AMH-401 POD.

При измерении дифференциальной проницаемости, кольца были обмотаны третьей обмоткой, питаемой смещающим постоянным током для напряженности магнитного поля 4000 А/м. Смещение постоянным током было выражено как процент от максимальной дифференциальной проницаемости.

Если иначе не заявлено, все тесты в нижеследующих примерах были выполнены соответственно.

Для демонстрации влияния использования губчатого или измельченного железа вместе с размолотым сендастом, влияния слоя фосфористого покрытия и влияния присутствия каолина и силиката натрия во втором покрытии на свойства спрессованного и термически обработанного компонента, образцы A-H были приготовлены в соответствии с Таблицей 1, в которой также показаны результаты тестирования компонентов. В Таблице 1, изобретение также сравнивается с использованием губчатого железа без первого фосфористого покрывающего слоя (образец D) в соответствии с Патентом США 4177089.

Как можно видеть из таблицы 1, комбинация измельченного железа, сендаста, первичного фосфористого покрывающего слоя и второго покрывающего слоя, состоящего из каолина, и силикат натрия, значительно улучшает удельное сопротивление и, следовательно, понижает потери в сердечнике. Это также дает хорошую плотность насыщенного потока по сравнению со случаем 100% сендаста.

Пример 2

Для иллюстрации возможности допирования чистого, покрытого фосфором и каолином-силикатом натрия измельченного железного порошка Сендастом только с первым фосфористым покрывающим слоем, и значительного улучшения магнитных свойств спрессованного компонента, были приготовлены следующие образцы. В Таблице 2 также показаны результаты тестирования компонентов.

Как можно видеть из таблицы 2, выгодно иметь первый фосфористый покрывающий слой на частицах сендаста.

Пример 3

Оказывается возможным управлять магнитными свойствами спрессованного и термически обработанного компонента, изменяя содержание сендаста в измельченном железном порошке. Следующие образцы были все обработаны таким же образом - первый слой фосфорного покрытия и второе покрытие слоя состоит из 2% каолиновой глины и 0,4% силиката натрия, спрессованы при 800 МПа и термически обработаны при 700°C в течение 0,5 часа в атмосфере азота. Различие между образцами заключалось в том, что содержание сендаста в измельченном железном порошке варьировалось. В Таблице 3 также показаны результаты тестирования компонентов.

Как можно видеть из таблицы 3, даже малое количество сендаста в измельченном железном порошке улучшает магнитные свойства спрессованного и термически обработанного компонента.

Пример 4

Этот пример показывает, что идея фосфорного-, глинистого-, силикатного покрытия в соответствии с изобретением может быть применена к частицам железного порошка различных размеров - порошок Сендаста имеет фиксированный размер частиц приблизительно 45 мкм. Для образца V) использовался железный порошок, имеющий средний размер частиц ~45 мкм, для образца W) использовался железный порошок, имеющий средний размер частиц ~100 мкм, и для образца X) использовался железный порошок, имеющий средний размер частиц ~210 мкм. Смешанный порошок железо-Сендаст был покрыт первым слоем, содержащим фосфор. Затем некоторые образцы были дополнительно обработаны с 1%-ым каолином и 0,4% силикатом натрия, как описано выше. Термообработка выполнялась в течение 0,5 часов при 700°C в атмосфере азота.

Результаты тестирования образцов V-X) приведены в таблице 4.

Таблица 4 с очевидностью показывает, что независимо от размера частиц железного порошка, в соответствии с настоящим изобретением для компонентов получены улучшения удельного сопротивления и потерь в сердечнике.

Пример 5

Пример 5 показывает, что возможно использовать различные типы жидкого стекла и различные типы глин, содержащие определенные филлосиликаты. Порошковые смеси 60% измельченного железа - 40% сендаста были покрыты так, как описано выше, за исключением того, что использовались различные силикаты (Na, K и Li) и различные глины (каолин и тальк), содержащие филлосиликаты, имеющие электронейтральные слои. В сравнительных примерах использовались глины, содержащие филлосиликаты, имеющие электрически заряженный слой. Использовались Veegum® и слюда. Обозначение Veegum® - торговая марка глины из группы монтмориллонита. Используемая слюда была мусковитом. Второй слой во всех тестах содержал 1% глины и 0,4% по весу жидкого стекла. Термообработка выполнялась в течение 0,5 часа при 700°C в атмосфере азота.

Следующая таблица 5 показывает результаты тестирования компонентов.

Как видно из таблицы 5, различные типы жидкого стекла и глины, содержащие определенные филлосиликаты, могут быть использованы, если филлосиликат такого типа, который имеет электронейтральные слои.

Пример 6

Пример 6 показывает, что изменяя количества глины и силиката щелочного металла во втором слое, свойства спрессованного и термически обработанного компонента могут контролироваться и оптимизироваться. Образцы были приготовлены и протестированы так, как описано выше. Термообработка выполнялась в течение 0,5 часа при 700°C в атмосфере азота.

Следующая таблица 6 показывает результаты тестирования.

Как можно видеть из таблицы 6, удельное сопротивление падает, если содержание силиката натрия во втором слое превышает 0,7% по весу. Удельное сопротивление также уменьшается, когда содержание силиката натрия уменьшается так, что содержание силиката будет составлять в интервале 0,2-0,7% по весу, предпочтительно в интервале 0,3-0,6% по весу от общего количества порошковой смеси 60% измельченное железо - 40%-ое Сендаст. Кроме того, увеличенное содержание глины во втором слое приблизительно до 4% увеличивает удельное сопротивление, но снижает потери в сердечнике вследствие увеличения коэрцитивной силы. Таким образом, верхний предел глины во втором слое составляет 5%, предпочтительно 4%, по весу композитного порошка на основе железа. Нижний предел для содержания глины составляет 1%, предпочтительно 3%, поскольку слишком малое содержание глины будет плохо влиять на удельное сопротивление и потери в сердечнике.

Пример 7

Следующий пример 7 показывает, что порошок, произведенный в соответствии с изобретением, может быть спрессован при различных давлениях прессования и при различных температурах прессовочной пресс-формы. Нижеуказанные образцы были обработаны так, как описано выше, 60% измельченного железа и 40% Сендаста были покрыты фосфором и глиной - силикатом натрия, содержание каолина во втором слое было 2%, и содержание силиката натрия было 0,4% по весу композитного порошка железо - Сендаст.

Образцы o-v), были спрессованы при давлениях, вплоть до 400–1200 МПа, или при температура 20°C, или при температура 60°C прессовочной пресс-формы и термически обработаны в течение 0,5 часа при 700°C в атмосфере азота. Результаты тестирования приведены в таблице 7.

Таблица 7 показывает, что в соответствии с изобретением высокое удельное сопротивление и малые потери в сердечнике получены для компонентов, спрессованных при различных давлениях прессования и спрессованных при различных температурах прессовочной пресс-формы. Повышение плотности и снижение потерь может наблюдаться при повышении давления прессования от 400 до 800 МПа, однако, дополнительное увеличение давления прессования дает только небольшой эффект. Температура прессовочной пресс-формы только незначительно увеличивает удельное сопротивление и не дает дальнейшего улучшения магнитных свойств.

Пример 8

Следующий пример 8 показывает, что компоненты, произведенные из порошка в соответствии с изобретением могут быть термически обработаны в различных атмосферах и при различных температурах. Нижеуказанные образцы были обработаны так, как описано выше, 60% измельченное железо и 40% Сендаста были покрыты фосфором- и глиной-силикатом натрия, содержание каолина во втором слое было 2%, и содержание силиката натрия было 0,4% по весу композитного порошка железо-Сендаст.

Образцы w-Dd) были термически обработаны в интервале 550-750°C в атмосфере азота и воздуха, соответственно. Результаты тестирования приведены в таблице 8.

Таблица 8 показывает, что высокое удельное сопротивление и малые потери в сердечнике получаются в соответствии с изобретением для компонентов, термически обработанных в интервале 650°C-750°C в атмосфере азота или в смешанной атмосфере с азотом и воздухом.

Пример 9

Следующий пример 9 показывает, что возможно улучшить магнитные свойства компонентов, произведенных из порошка в соответствии с изобретением посредством добавления в смесь распыляемого газом FeSi. Порошковые смеси железо-Сендаст имеют первый фосфорный покрывающий слой и второй слой, состоящий из 2% каолина и 0,4% силиката натрия. Порошковые смеси были спрессованы при 800 МПа и термически обработаны при 700°C в течение 30 минут в атмосфере азота.

Как можно видеть из таблицы 9, добавление 10% FeSi в покрытую фосфором и каолином-силикатом натрия смесь железо-Сендаст увеличивает удельное сопротивление и понижает коэрцитивную силу и потери в сердечнике.

Пример 10

Распыленный чистой водой железный порошок, имеющий содержание железа выше 99,5% по весу, использовался как базовые частицы. Средний размер частиц порошка составлял приблизительно 45 мкм. базовые частицы были смешаны с Сендастом (обычно 85% Fe, 9% Si и 6% Al), и порошковая смесь была обработана содержащим фосфор раствором в соответствии с Патентом WO2008/069749. Полученная сухая, покрытая фосфором смесь железный порошок-сендаст была дополнительно обработана вторым (металлоорганическим) покрывающим слоем, как описано в Патенте WO2009/116938, а именно, смешивая порошок с различными количествами первого основного аминоалкил-алкокси силана (Dynasylan®Ameo) и затем с олигомером аминоалкил/алкил-алкоксисиланом (Dynasylan®1146), используя соотношение 1:1, оба произведенные Evonik Inc. Состав был дополнительно смешан с различными количествами мелкозернистого порошка (III) окиси висмута (>99% по весу; D₅₀~0,3 мкм).

После покрытия порошок был смешан с 0,4% амидным парафином и спрессован при 800 МПа в кольца с внутренним диаметром 45 мм, внешним диаметром 55 мм и высотой 5 мм. Спрессованные компоненты были, затем, подвергнуты процессу термообработки при 700°C в атмосфере азота в течение 0,5 часов.

Если иначе не заявлено, все тестирования в следующих примерах были выполнены соответственно.

Образцы Hh-Ii были приготовлены в соответствии с таблицей 10, которая также показывает результаты тестирования компонентов.

Как можно видеть из таблицы 10, комбинация измельченного железа, Сендаста, первичного фосфорного покрывающего слоя и второго (металлоорганического) покрывающего слоя значительно улучшает удельное сопротивление, смещение постоянным током и снижает потери в сердечнике и коэрцитивную силу по сравнению с использованием 100% измельченного железного порошка.

Пример 11

Оказывается возможным управлять магнитными свойствами спрессованного и термически обработанного компонента посредством варьирования содержания сендаста в измельченном железном порошке. Следующие образцы были все обработаны таким же образом - первый слой фосфорного покрытия и второй (металлоорганический) покрывающий слой. Различие между образцами заключается в том, что содержание сендаста в измельченном железном порошке было различно. Образцы были все спрессованы при 800 МПа и термически обработаны в течение 0,5 часа при 700°C в атмосфере азота. Таблица 11 также показывает результаты тестирования компонентов.

Как для покрытого измельченного железа глиной/силикатом натрия и сендаста-порошка-смеси, увеличенное содержание сендаста значительно улучшает удельное сопротивление и смещение постоянным током и, следовательно, понижает потери в сердечнике и коэрцитивную силу.