ПОРОШОК С ФОСФАТНЫМ ПОКРЫТИЕМ И СПОСОБ ЕГО ИЗГОТОВЛЕНИЯ Российский патент 2001 года по МПК B22F1/02 H01F1/20 

Изобретение относится к новому порошку на основе железа. В частности, настоящее изобретение относится к новому порошку на основе железа, используемого для изготовления магнито-мягких материалов с улучшенными свойствами при использовании при высоких и низких частотах. Изобретение также относится к новому способу изготовления нового порошка на основе железа.

Частицы на основе железа в течение долгого времени используются в качестве основного материала при изготовлении конструкционных компонентов посредством способов порошковой металлургии. Частицы на основе железа сначала формуют прессованием в матрице штампа под высоким давлением для получения требуемой формы. После операции формования конструкционный компонент обычно подвергают операции спекания для придания компоненту необходимой прочности.

Компоненты магнитного сердечника также изготавливаются посредством таких способов порошковой металлургии, но частицы на основе железа, используемые в этих способах, обычно имеют покрытие из окружающего их слоя изоляционного материала.

Двумя ключевыми характеристиками компонента железного сердечника являются его магнитная проницаемость и потери в сердечнике. Магнитная проницаемость материала характеризует способность материала намагничиваться или его способность нести магнитный поток. Проницаемость определяется как отношение индуцированного магнитного потока к намагничивающей силе или напряженности намагничивающего поля. При воздействии на магнитный материал очень быстро изменяющегося поля суммарная энергия в сердечнике снижается за счет имеющих место потерь на гистеризис и/или потерь на вихревые токи. Потери на гистерезис обусловлены расходом энергии, необходимым для преодоления остаточных магнитных сил внутри компонента железного сердечника. Потери на вихревые токи обусловлены возникновением электрических токов в компоненте железного сердечника вследствие изменения потока, вызванного условиями переменного тока (АС).

Компоненты магнитного сердечника часто изготавливают из ламинированных (слоистых) листов стали, но эти компоненты вызывают трудности при изготовлении конечной чистой формы небольших сложных деталей и огромные потери в сердечнике при более высоких частотах. Применение этих ламинированных (слоистых) сердечников также ограничивается необходимостью переносить магнитный поток только в плоскости листа для исключения чрезмерных потерь на вихревые токи. Для замены ламинированной стали в качестве материала для компонентов магнитных сердечников использовали спеченные металлические порошки, но эти спеченные детали также имеют высокие потери в сердечнике и ограничиваются, в основном, режимами постоянного тока.

Исследования в области изготовления компонентов магнитных сердечников посредством порошковой металлургии с использованием порошков на основе железа, имеющих покрытие, были направлены на создание составов железных порошков, усиливающих некоторые физические и магнитные свойства в отсутствие вредного воздействия на другие свойства. К желательным свойствам относятся высокая магнитная проницаемость в расширенном диапазоне частот, высокая прочность после прессования, низкие потери в сердечнике и пригодность для технологии формования прессованием.

При прессовании компонента сердечника для применений при переменном токе для снижения потерь в сердечнике обычно необходимо, чтобы частицы железа имели электроизолирующее покрытие.

В литературе описаны различные типы изоляционных покрытий, используемых для частиц железа.

Согласно патенту DE 1291028 порошок железа обрабатывают раствором фосфорной кислоты и затем последовательно промывают и сушат. Этот процесс характеризуется тем, что размер частиц порошка железа составляет не более 10 мкм, а также тем, что порошок в дополнение к обработке фосфорной кислотой обрабатывают хромовой кислотой. В публикации не описаны магнитные свойства материалов, приготовленных с использованием порошка железа.

Еще одним патентом, относящимся к этой области, является патент DE 2825235, в котором описан железный порошок, частицы которого имеют покрытие из оксидного слоя. Размер частиц находится в диапазоне 0,05 - 0,15 мм, при этом частицы имеют оксидное покрытие, которое из расчета на вес частиц содержит 0,3 - до 0,8 вес.% кислорода. Оксидное покрытие может быть получено путем нагревания в воздухе или путем химического окисления, но не описаны ни параметры процесса, ни анализ состава частиц с покрытием. Из примеров путем расчета могут быть получены магнитные проницаемости в диапазоне 30 - 35.

В европейском патенте 434669 описан магнитный порошок, магнитные частицы которого разделены электроизоляционным покрытием. Средний размер частиц составляет 10-300 мкм, и изоляционный материал, покрывающий каждую частицу магнитного порошка, имеет вид сплошной изоляционной пленки с толщиной 10 мкм и ниже, при этом эта пленка содержит алкоголят металла или продукт его разложения.

В патенте WO 95/29490 описаны изоляционные слои, полученные посредством способа, применяющего раствор фосфорной кислоты в воде.

Наконец, в патенте DE 3439397 описаны железные частицы с фосфатным электроизолирующим покрытием. Это покрытие может быть, например, фосфатом магния или фосфатом цинка. Изолирующее фосфатное покрытие должно составлять 0,1 - 1,5% от веса железных частиц. В примере 1 этой публикации более подробно описано, что это электроизолирующее покрытие получено путем перемешивания железного порошка в растворе 89% фосфорной кислоты в ацетоне. Сравнительное исследование порошка согласно патенту WO и порошка согласно патенту DE показало, что изолирующий слой согласно патенту DE содержит значительно больше кислорода и фосфора, чем порошок согласно патенту WO.

Задача предлагаемого изобретения состоит в создании нового порошка, а также способа получения этого порошка, при использовании которого достигаются значительно улучшенные свойства, а именно прочность, плотность, индукция и проницаемость в сочетании с более низкими потерями.

Для решения указанной задачи в порошке с низким содержанием кислорода, содержащем частицы порошка основы, представляющие собой, по существу, чистое железо и имеющие кислород- и фосфорсодержащее покрытие, содержание кислорода в порошке выше содержания кислорода в порошке основы не более чем на 0,2 вес.%, отношение O:P, измеренное посредством метода ESCA, составляет от 15 - 2 и толщина покрытия, измеренная посредством метода AES, составляет не более 100 нм.

Согласно другому предпочтительному варианту отношение O:P составляет 10 - 3.

Преимуществом является то, что порошком основы является порошок губчатого железа или порошок железа, полученный путем распыления водой.

В одном из предпочтительных вариантов толщина покрытия составляет менее 70 нм, предпочтительнее менее 50 нм.

Новый порошок основан на порошке основы, содержащем, по существу, чистое железо, и может быть, например, промышленно производимым железным порошком, полученным путем распыления водой, или порошком губчатого железа с круглыми, неправильной формы или плоскими частицами. Типичными примерами порошков неправильной формы, полученных путем распыления водой, которые могут быть использованы в настоящем изобретении, являются порошки серий ABC 100 и ASC 100, поставляемые фирмой Hoganas AB, Швеция. Размер частиц порошка основы зависит от заданного конечного применения порошка и обычно составляет менее 200 мкм, предпочтительнее менее 150 мкм. Для более высоких частот предпочтительнее частицы с размером менее 45 мкм. Наиболее предпочтительным является, чтобы размер большей части частиц железного порошка основы составлял около 10 мкм.

Согласно настоящему изобретению этот порошок основы имеет кислородное покрытие или барьер и совершенно новым признаком является то, что количество кислорода в новом порошке только немного выше количества кислорода в порошке основы. Конкретнее, содержание кислорода в новом порошке не более чем на 0,2 вес. %, предпочтительнее не более чем на 0,15 вес.% выше, чем содержание кислорода в порошке основы.

Полагают, что поверхностная структура и состав нового порошка очень важны для свойств нового порошка и по этой причине новый порошок исследовали посредством метода ESCA (см. "Proceedings of the sixth international conference on X-ray optics and microanalysis", University of Tokio Press, 1972, pp. 385-392 and 393-398 или "Solid State Chemistry and its applications" by Anthony R. West, published by John Wilew and Sons, 1984, p. 86 and pp. 92-96). Согласно этому способу отношение O:P должно составлять менее 15 и более 2, наиболее предпочтительно менее 10 и более 3.

Еще одной важной характеристикой поверхностного барьера частиц нового порошка является толщина, и путем использования метода AES (см. "Solid State Chemistry and its applications", упоминаемую выше) было установлено, что толщина изоляционного барьера или покрытия должна составлять менее 100 нм, предпочтительнее менее 70 нм, наиболее предпочтительно менее 50 нм.

Для решения указанной задачи способ получения порошка на основе железа, включающий операции приготовления порошка основы, содержащего порошок железа, полученный путем распыления водой, или порошок губчатого железа, обработки порошка основы раствором фосфорной кислоты в органическом растворителе и сушки порошка, включает также разбрызгивание раствора фосфорной кислоты на порошок основы в процессе смешивания.

Изоляционное покрытие согласно настоящему изобретению наносится на порошок основы путем обработки порошка основы раствором фосфорной кислоты в органическом растворителе в течение периода времени, достаточного для получения обнаруживаемых количеств. Концентрация фосфорной кислоты в органическом растворителе должна быть значительно ниже, чем концентрация, указанная в патенте DE, и изменяется от 0,5 до 50,0%, предпочтительнее 0,5 до 20,0% и наиболее предпочтительно от 1 до 5%. Новый порошок может быть получен путем разбрызгивания фосфорной кислоты на порошок основы в течение периода времени, достаточного для достижения уровней, указанных выше. Концентрация фосфорной кислоты должна составлять, предпочтительнее менее 10 вес.% и наиболее предпочтительно менее 5 вес.%.

Новый порошок на основе железа согласно настоящему изобретению может быть соединен со связующим в количестве от 0,1 - 1,0 вес.% и, необязательно, с термореактивной или термопластической смолой перед операцией уплотнения. Характерными примерами связующих являются Kenolube^R, H восковая масса, EBS и стеараты, например стеарат цинка. Органическая смола может быть выбрана из группы, включающей Peracit, Ultem.

Прессование может осуществляться при обычных давлениях до 1000 МПа, при этом оно может осуществляться как при температуре окружающей среды, так и при повышенной температуре.

Изобретение далее иллюстрируется следующими опытами. Один килограмм образцов порошка ABC 100.30, поставляемого фирмой Hogonas AB, Швеция, подвергали процессу нанесения покрытия путем применения раствора ортофосфорной кислоты в воде и этаноле соответственно. Растворы разбрызгивали на порошок на основе железа в количестве, изменяющемся от 2,5 до 120 мл/кг, в течение периода времени, достаточного для получения покрытия или барьера из кислорода и фосфора. Все образцы затем были высушены для удаления растворителя. Анализ полученных порошков посредством метода ESCA показал, что отношение O: P (атомный % O : атомный % P) порошка, полученного путем применения водного раствора, составило около 30, тогда как эти же отношения, полученные для порошков с использованием способа настоящего изобретения, изменялись от 5 до 10.

Химический анализ образцов показал, что содержание кислорода порошка, полученного путем применения водного раствора, было выше содержания кислорода в порошке основы более чем на 0,2%, тогда как содержание кислорода в порошке, полученном путем применения способа согласно изобретению, было выше содержания кислорода в порошке основы менее чем на 0,2%. Анализ образцов посредством метода AES показал толщину оксида менее 100 нм для всех образцов.

В таблице 1 суммированы данные, полученные для нового порошка, упоминаемого как A, в сравнении с порошками вне пределов настоящего изобретения.

Отношения O/P были измерены посредством метода ESCA с использованием спектрометра AXIS HS с монохроматическим A1 в качестве источника рентгеновских лучей K_α = 1486,6 эВ; ~395 нм.

Содержание O и P было определено посредством химического анализа. Сравнительный образец В являлся образцом, полученным из водного раствора согласно способу, описанному в WO 95/29490.

В таблице 2 представлены прочность и плотность неспеченного материала для материалов, полученных из нового порошка, в сравнении с этими характеристиками порошков, выходящих за пределы настоящего изобретения. Порошки прессовали при 800 МПа с добавлением в качестве связующего 0,6% Kenolube.

"Сравнительный C" относится к образцу, приготовленному согласно патенту DE 3439397.

Улучшенное воздействие порошков с низким содержанием кислорода согласно настоящему изобретению на магнитные свойства образцов, приготовленных из порошков с низким содержанием кислорода, показано на фиг. 1. Порошки определяли посредством их отношений O/P, измеренных методом ESCA. Образцы готовили путем прессования порошков при 800 МПа и нагревания прессованных образцов в течение 30 мин при 500^oC. "Справ. B" показывает результаты, полученные за счет применения водного процесса к тому же самому порошку на основе железа. Из таблицы 2 видно, что с новым порошком с низким содержанием кислорода согласно настоящему изобретению достигнуто значительное улучшение.

На фиг. 2 показан улучшенный эффект как функции суммарного содержания кислорода образцов, представленных на фиг. 1.

Изобретение относится к области порошковой металлургии и может быть использовано для изготовления магнитомягких материалов с улучшенными свойствами при использовании при высоких и низких частотах. Порошок с низким содержанием кислорода содержит частицы порошка основы, представляющие собой, по существу, чистое железо и имеющие кислород- и фосфоросодержащее покрытие, при этом содержание кислорода в порошке выше содержания кислорода в порошке основы не более чем на 0,2 вес.%, отношение 0:Р, измеренное посредством метода ESCA, составляет 15 - 2 и толщина покрытия, измеренная посредством метода АЕС, составляет не более 100 нм. Способ получения порошка включает приготовление порошка основы, содержащего порошок железа, полученный путем распыления водой, или порошок губчатого железа, обработку порошка основы раствором фосфорной кислоты в органическом растворителе путем разбрызгивания на порошок основы в процессе смешивания и сушку порошка. Изобретение позволяет получить порошок, при использовании которого достигаются значительно улучшенные свойства, именно: прочность, плотность, индукция и проницаемость в сочетании с более низкими потерями. 2 с. и 3 з.п.ф-лы, 2 табл., 2 ил.

1. Порошок с низким содержанием кислорода, содержащий частицы порошка основы, представляющие собой, по существу, чистое железо и имеющие кислород- и фосфоросодержащее покрытие, отличающийся тем, что содержание кислорода в порошке выше содержания кислорода в порошке основы не более чем на 0,2 вес. %, отношение O: Р, измеренное посредством метода ESCA, составляет 15 - 2 и толщина покрытия, измеренная посредством метода АЕС, составляет не более 100 нм. 2. Порошок по п. 1, отличающийся тем, что отношение 0:Р составляет предпочтительно 10 - 3. 3. Порошок по п.1, отличающийся тем, что порошком основы является порошок губчатого железа или порошок железа, полученный распылением водой. 4. Порошок по одному из пп.1-3, отличающийся тем, что толщина покрытия составляет менее 70 нм, предпочтительнее менее 50 нм. 5. Способ получения порошка на основе железа, включающий операции приготовления порошка основы, содержащего порошок железа, полученный путем распыления водой, или порошок губчатого железа, обработки порошка основы раствором фосфорной кислоты в органическом растворителе и сушки порошка, отличающийся тем, что раствор фосфорной кислоты разбрызгивают на порошок основы в процессе смешивания.