МАГНИТНО-МЯГКИЙ ПОРОШОК Российский патент 2011 года по МПК H01F1/24 B22F1/02 

Область техники, к которой относится изобретение

Настоящее изобретение относится к порошку для приготовления магнитно-мягких материалов, а также к магнитно-мягким материалам, которые получают с использованием данного порошка. В частности, изобретение относится к порошкам для приготовления магнитно-мягких композитных материалов, работающих на высоких частотах.

Предпосылки создания изобретения

Магнитно-мягкие материалы используют для таких применений, как материалы сердечников в индукторах, статорах и роторах для электрических машин, приводов, датчиков и сердечников трансформаторов. Традиционно магнитно-мягкие сердечники, такие как роторы и статоры в электрических машинах, изготавливают из наборных стальных пластинчатых магнитопроводов. Магнитно-мягкие композиционные (ММК) материалы основаны на магнитно-мягких частицах, обычно на основе железа, с электроизолирующим покрытием на каждой частице. Путем прессования изолированных частиц, необязательно вместе со смазками и/или связующими, с использованием традиционного процесса порошковой металлургии, получают ММК-детали. Путем использования данной порошковой металлургической технологии можно получать ММК-компоненты с более высокой степенью свободы по конструкции, чем при использовании стальных пластинчатых магнитопроводов, поскольку ММК-материал может переносить трехмерный магнитный поток, а также поскольку в результате процесса прессования могут быть получены трехмерные формы. Для того чтобы сделать ММК-детали высокоэффективными и уменьшить их размеры, необходимо улучшить эксплуатационные характеристики магнитно-мягких порошков.

Одним важным параметром для улучшения эксплуатационных характеристик ММК-деталей является снижение их характеристик потерь в сердечнике. Когда магнитный материал подвергают воздействию переменного поля, возникают потери энергии как из-за потерь на гистерезис, так и из-за потерь на вихревые токи. Потери на гистерезис пропорциональны частоте знакопеременных магнитных полей, тогда как потери на вихревые токи пропорциональны квадрату частоты. Таким образом, при высоких частотах имеют значение преимущественно потери на вихревые токи, и возникает особая необходимость в снижении потерь на вихревые токи и в то же время в поддержании низкого уровня потерь на гистерезис. Это означает, что является желательным повышение удельного электросопротивления магнитных сердечников.

В ходе поиска путей улучшения удельного электросопротивления были использованы и предложены различные способы. Один способ основан на обеспечении электроизолирующих покрытий или пленок на частицах порошка перед тем, как эти частицы будут подвергнуты прессованию. При этом существует большое количество патентных публикаций, в которых рассмотрены различные типы электроизолирующих покрытий. Примерами недавно опубликованных патентов, относящихся к неорганическим покрытиям, являются патент США № 6309748, патент США № 6348265 и патент США № 6562458. Покрытия из органических материалов известны, например, из патента США № 5595609. Покрытия, содержащие как органические, так и неорганические материалы, известны из патентов США № 6372348 и 5063011 и патентной публикации DE 3439397, согласно которой частицы окружены слоем фосфата железа и термопластическим материалом.

Для того чтобы получить высокоэффективные ММК-частицы, также должно быть возможно подвергать электрически изолированный порошок прессованию в пресс-форме при высоких давлениях, поскольку это очень часто является желательным для получения деталей с высокой плотностью. Высокие плотности обычно улучшают магнитные свойства. В частности, высокие плотности необходимы для поддержания потерь на гистерезис на низком уровне и для получения высокой магнитной индукции насыщения. Дополнительно, электрическая изоляция должна выдерживать необходимые высокие давления сжатия без повреждения при выталкивании спрессованной детали из пресс-формы. Это, в свою очередь, означает, что силы выталкивания не должны быть слишком высокими.

Кроме того, для того чтобы еще больше снизить потери на гистерезис, требуется термообработка спрессованной детали для снятия напряжений. Для достижения эффективного снятия напряжений термообработку следует предпочтительно осуществлять при температуре выше 300°C и ниже температуры, при которой изолирующее покрытие будет повреждено, т.е. примерно 600°C, в невосстанавливающей атмосфере.

Настоящее изобретение было создано ввиду потребности в порошковых сердечниках, которые в первую очередь предназначены для использования при более высоких частотах, т.е. частотах выше 2 кГц и, в частности, между 5 и 100 кГц, где существенны более высокое удельное электросопротивление и более низкие потери в сердечнике. Материал сердечника должен также обладать высокой магнитной индукцией насыщения для уменьшения размера сердечника. Кроме того, должно быть возможно получение сердечников без необходимости в прессовании металлического порошка с использованием смазывания стенок пресс-формы и/или повышенных температур. Предпочтительно, чтобы эти этапы были исключены.

В противоположность многим используемым и предложенным способам, в которых желательны низкие потери в сердечнике, особое преимущество настоящего изобретения состоит в том, что отсутствует необходимость в использовании какого-либо органического связующего вещества в порошковой композиции, которую используют на этапе прессования. Поэтому термообработку неспеченной прессовки можно осуществлять при более высокой температуре без риска того, что органическое связующее вещество будет разлагаться. Более высокая температура термообработки также будет улучшать магнитную индукцию и снижать потери в сердечнике. Отсутствие органического материала в готовом, термообработанном сердечнике также позволяет использовать этот сердечник в средах с повышенными температурами без риска снижения прочности из-за размягчения и разложения органического связующего, и, таким образом, достигается повышенная температурная стабильность.

Порошковый магнитный сердечник

Порошковый магнитный сердечник по настоящему изобретению получают путем формования давлением (штамповки) магнитного порошка на основе железа, покрытого новым электроизолирующим покрытием. Этот сердечник может охарактеризоваться низкими общими потерями в диапазоне частот 2-100, предпочтительно 5-100 кГц, и удельным электросопротивлением, ρ, более 1000, предпочтительно более 2000, а наиболее предпочтительно более 3000 мкОм, а также магнитной индукцией насыщения Bs выше 1,5, предпочтительно выше 1,7, а наиболее предпочтительно выше 1,9 (Тл).

Железный базовый порошок

В соответствии с настоящим изобретением термин «железный базовый порошок» предполагается охватывающим железный порошок, состоящий из чистого железа и имеющий содержание железа в 99,0% или более. Примерами порошков с такими содержаниями железа являются ABC100.30 или ASC300, выпускаемые компанией Höganäs AB, Швеция. Особо предпочтительными являются полученные распылением водой порошки с частицами неправильной формы.

Кроме того, частицы железного базового порошка должны обладать размером частиц менее 100 мкм. Предпочтительно, размеры частиц должны составлять менее 75 мкм (200 меш). Более предпочтительно, порошки, используемые для изготовления магнитных сердечников согласно настоящему изобретению, должны обладать таким размером частиц, чтобы D₉₀ составлял 75 мкм или менее, а D₅₀ составлял между 50 мкм и 10 мкм. (D₉₀ и D₅₀ означают, что соответственно 90 процентов по массе и 50 % по массе частиц обладают размером ниже значений D₉₀ и D₅₀).

Изоляционное покрытие

Изолирующее покрытие на поверхностях соответствующих частиц магнитного порошка на основе железа является существенным для получения порошкового магнитного сердечника, проявляющего большее удельное сопротивление и низкие потери в сердечнике.

Как указывалось ранее, есть несколько публикаций, раскрывающих различные типы изолирующих покрытий или пленок на порошковых частицах. На практике оказались успешными пленки или покрытия, основанные на использовании фосфорной кислоты. Способы приготовления этих покрытий включают в себя, например, смешивание фосфорных кислот в воде или органических растворителях с магнитными порошками на основе железа. Таким образом, эти магнитные порошки могут быть, например, погружены в растворы фосфорной кислоты. В качестве альтернативы, такие растворы распыляют на порошки. Примерами органических растворителей являются этанол, метанол, изопропиловый спирт, ацетон, глицерин и т.д. Подходящие способы приготовления пленок или покрытий на железных порошках раскрыты в патентах США №№ 6372348 и 6348265. Изолирующий материал может наноситься любым способом, который приводит к образованию практически однородного и сплошного изолирующего слоя, окружающего каждую из железных базовых частиц. Таким образом, можно использовать смесители, которые предпочтительно оборудованы соплом для распыления изолирующего материала на железные базовые частицы. Смесители, которые можно использовать, включают, например, смесители со спиральными лопастями, смесители с лемешными лопастями, смесители с непрерывным шнеком, конусные и винтовые смесители, или смесители с ленточными винтовыми мешалками.

При применении данного способа для обеспечения более толстых покрытий, например, путем использования высоких концентраций фосфорной кислоты, могут быть улучшены изолирующие свойства, т.е. может быть в некоторой степени повышено удельное электросопротивление.

Для того чтобы получить более высокое удельное электросопротивление, было обнаружено, что этого можно достигнуть, повторяя обработку железного базового порошка раствором фосфорной кислоты. Эту обработку можно осуществлять при тех же или отличных концентрациях фосфорной кислоты в воде или органическом растворителе указанного выше типа.

Количество фосфорной кислоты, растворенной в растворителе, должно соответствовать желаемой толщине покрытия на частицах покрытого порошка, как определено ниже. Было обнаружено, что подходящая концентрация фосфорной кислоты в ацетоне составляет между 5 и 100 мл фосфорной кислоты на литр ацетона, а общее количество раствора ацетона, добавляемое к 1000 граммам порошка, составляет от 5 до 300 мл. Включение в жидкости для нанесения покрытия, предназначенные для электрической изоляции магнитно-мягких частиц, таких элементов, как Cr, Mg, B, или других веществ или элементов, которые были предложены ранее, не является необходимым или даже предпочтительным. Следовательно, в настоящее время является предпочтительным использовать только фосфорную кислоту в растворителе при таких концентрациях и периодах обработки, чтобы получить указанное соотношение между размером частиц, содержанием кислорода и фосфора. Между обработками порошок можно полностью или частично высушивать.

Кроме того, и в контексте настоящей заявки, следует отметить, что изолирующее покрытие является очень тонким и на практике пренебрежимым по отношению к размеру частиц железного базового порошка. Размер изолированных частиц порошка, таким образом, является практически тем же самым, что и у базового порошка.

Электрически изолированный железный порошок

Покрытые фосфатом частицы железного базового порошка согласно изобретению могут быть дополнительно охарактеризованы следующим образом. Покрытые частицы содержат частицы железного базового порошка, имеющие содержание кислорода менее 0,1 % по массе. Кроме того, порошок из электрически изолированных частиц имеет содержание кислорода по большей мере на 0,8 % по массе и содержание фосфора по меньшей мере на 0,04 % по массе большие, чем эти содержания в базовом порошке. Дополнительно, частное общего содержания кислорода в изолированном порошке и разности между содержанием фосфора в порошке с изолированными частицами и его содержанием в базовом порошке, O_tot/ΔP, составляет между 2 и 6.

В частности, соотношение между содержанием кислорода, разностью между содержанием фосфора в базовом порошке и содержанием фосфора в изолированном порошке, ΔP, и средним размером частиц, D₅₀, выраженное как ΔP/(O_tot·D₅₀), составляет между 4,5 и 50 1/мм.

Значение ниже 4,5 в вышеуказанном соотношении приведет к большим потерям в сердечнике из-за повышенных вихревых токов, возникающих внутри отдельных частиц на основе железа или внутри всего компонента. Значение выше 50 приведет к неприемлемо низкой магнитной индукции насыщения.

Этап перемешивания

Порошок с изолированными таким образом частицами впоследствии перемешивают со смазкой, такой как металлическое мыло, например, стеарат цинка, воск, такой как EBS или полиэтиленовый воск, первичные или вторичные амиды жирных кислот или другие производные жирных кислот, амидные полимеры или амидные олигомеры, Kenolube®, и т.д. Обычно количество смазки составляет менее 1,0 % от массы порошка. Примеры диапазонов содержания смазки составляют 0,1-0,6, более предпочтительно, 0,2-0,5 % по массе.

Хотя настоящее изобретение представляет особый интерес с точки зрения прессования с внутренним смазыванием, т.е. когда смазку перемешивают с порошком перед этапом прессования, было обнаружено, что для определенных применений, где высокая плотность имеет особое значение, изолированные порошки могут спрессовываться только с внешним смазыванием или с сочетанием внутреннего и внешнего смазывания (смазывания стенок пресс-формы).

Как упоминалось ранее, особым преимуществом является то, что нет необходимости в использовании какого-либо связующего для получения высокого удельного электросопротивления и низких общих потерь в сердечнике. Тем не менее, использование связующих в подлежащих прессованию композициях не исключается, и если они присутствуют, связующие, такие как PPS, амидолигомеры, полиамиды, полиимиды, полиэтеримиды, можно использовать в количествах между 0,05% и 0,6%. Также могут представлять интерес и другие неорганические связующие, такие как жидкое стекло.

Этап прессования

Порошки согласно изобретению впоследствии подвергают одноосному прессованию (уплотнению) в пресс-форме при давлениях, которые могут варьироваться между 400 и 1500 МПа, а точнее, между 600 и 1200 МПа. Прессование предпочтительно осуществляют при температуре окружающей среды, но прессование также можно осуществлять с нагретыми пресс-формами и/или порошками.

Термообработка

Термообработку осуществляют в невосстановительной атмосфере, такой как воздух, чтобы не было негативного влияния на изоляционное покрытие. Температура термообработки ниже 300°C будет оказывать лишь незначительный эффект снятия напряжений, а температура выше 600°C будет ухудшать фосфорсодержащее покрытие. Период термообработки обычно варьируется между 5 и 500 минутами, а точнее, между 10 и 180 мин.

Порошковый магнитный сердечник, полученный путем использования изобретенного порошка, можно применять для различных видов электромагнитного оборудования, такого как двигатели, приводы, трансформаторы, индукционные нагреватели (ИН) и акустические системы. Однако, порошковый магнитный сердечник является особенно пригодным для индуктивных элементов, используемых в инверторах или в преобразователях, работающих на частотах между 2 и 100 кГц. Полученное сочетание высокой магнитной индукции насыщения и низких потерь на гистерезис и вихревые токи, которые дают низкие общие потери в сердечнике, позволяет уменьшить размеры компонентов, повысить кпд по энергии и повысить рабочие температуры.

ПРИМЕРЫ

Следующий пример предназначен для иллюстрации конкретных вариантов воплощения и не ограничивает объем изобретения.

Гранулометрический состав различных полученных распылением водой базовых порошков чистого железа измеряли с помощью лазерно-дифракционного устройства Sympathec.

ПРИМЕР 1

Раствор для нанесения покрытия приготовили путем растворения 30 мл 85 мас.% фосфорной кислоты в 1000 мл ацетона.

Образцы a-d), являющиеся сравнительными примерами, обработали раствором фосфорной кислоты в ацетоне так, как описано в патенте США № 6348265, тогда как образцы e-g) согласно изобретению обработали в соответствии с нижеуказанным;

Образец e) обработали полностью 50 миллилитрами раствора ацетона на 1000 грамм порошка.

Образец f) обработали полностью 40 миллилитрами раствора ацетона на 1000 грамм порошка.

Образец g) обработали полностью 60 миллилитрами раствора ацетона на 1000 грамм порошка.

ПРИМЕР 2 - Дополнительная обработка

Порошки дополнительно перемешали с 0,5% смазки KENOLUBE^® и отформовали при температуре окружающей среды в кольца с внутренним диаметром 45 мм, внешним диаметром 55 мм и высотой 5 мм при давлении 800 МПа. Провели процесс термообработки при 500°C в течение 0,5 ч в атмосфере воздуха.

Удельное электросопротивление полученных образцов измеряли четырехточечным методом согласно работе Koefoed О., 1979, Geosounding Principles 1: Resistivity sounding measurements. Elsevier Science Publishing Company, Amsterdam.

Для измерений потерь в сердечнике и магнитной индукции насыщения кольца были «свиты» в провод с 112 витками для первичной цепи и 25 витками для вторичной цепи, что позволило провести измерения магнитных свойств, измеряемых соответственно при 0,1 Тл, 10 кГц и 0,2 Тл, 10 кГц с помощью гистерезисографа Brockhaus MPG 100.

В Таблице 1 показаны гранулометрический состав, содержание кислорода и фосфора в базовом порошке, а также в порошке с нанесенным покрытием, и соотношение между O_tot, ΔP и D₅₀.

В Таблице 2 показаны удельное электросопротивление, потери в сердечнике и магнитная индукция насыщения полученных термообработанных деталей. Кроме того, Таблица 2 показывает, что для компонентов, изготовленных из порошка согласно изобретению, было получено сочетание высокого удельного электросопротивления, низких потерь в сердечнике и высокой магнитной индукции.

Таблица 1 Образец Базовый порошок D50/D90 P в базовом порошке O в базовом порошке P_tot (%) O_tot (%) O_tot/ΔP ΔP/(O_tot·D50) a ABC100.30 95/150 0,005 0,03 0,055 0,17 3,4 3,1 b ABC100.30 95/150 0,005 0,03 0,016 0,08 7,3 1,4 c ASC300 35/45 0,005 0,05 0,047 0,34 8,2 3,5 d Железный порошок высокой чистоты 200/300 0,005 0,03 0,029 0,09 3,7 1,4 e Железный порошок высокой чистоты 40/63 0,005 0,05 0,075 0,3 4,3 5,8 f Железный порошок высокой чистоты 40/63 0,005 0,05 0,06 0,2 3,6 6,9 g Железный порошок высокой чистоты 40/63 0,005 0,05 0,09 0,3 3,5 7,1

Таблица 2 Образец Базовый порошок Плотность (г/мл) Электросо -противление (мкОм·м) Потери в сердечнике (Вт/кг) при 0,2Тл, 10кГц Потери в сердечнике (Вт/кг) при 0,1Тл, 10кГц Bs (Тл) a ABC100.30 7,33 3000 130 33 2 b ABC100.30 7,38 50   80   c ASC300 7,02 5000 170 43 1,85 d Железный порошок высокой чистоты 7,45 500 210 55 2,03 e Железный порошок высокой чистоты 7,30 5000 90 25 2 f Железный порошок высокой чистоты 7,33 5000 88 24 2,01 g Железный порошок высокой чистоты 7,28 9000 89 24 2

Предложенное изобретение относится к порошковому магнитному сердечнику для работы на высоких частотах, получаемому путем штамповки магнитного порошка на основе железа, покрытого изоляционной пленкой, с удельным сопротивлением менее 1000, предпочтительно менее 2000, а наиболее предпочтительно менее 3000 мкОм·м, магнитной индукцией насыщения выше 1,5, предпочтительно выше 1,7, а наиболее предпочтительно выше 1,9 Тл. Изобретение также относится к изготовлению таких сердечников, а также к порошку, пригодному для такого изготовления. Снижение потерь на вихревые токи, поддержание низкого уровня потерь на гистерезис, а также повышение удельного электосопотивления магнитных сердечников является техническим результатом изобретения. 4 н. и 7 з.п. ф-лы, 2 табл.

1. Железный порошок, состоящий из электрически изолированных частиц железного базового порошка, которые обладают размером частиц менее 100 мкм, причем железный базовый порошок имеет содержание кислорода менее 0,1% по массе, электрически изолированные частицы железного базового порошка имеют общее содержание кислорода, O_tot, по большей мере на 0,8% и общее содержание фосфора по меньшей мере на 0,04% по массе большие, чем эти содержания в частицах железного базового порошка, так что частное общего содержания кислорода в электрически изолированных частицах железного базового порошка и разности между общим содержанием фосфора в электрически изолированных частицах железного базового порошка и в частицах железного базового порошка, ΔР, составляет между 2 и 6, и при этом соотношение между общим содержанием кислорода в электрически изолированных частицах железного базового порошка и разностью между общим содержанием фосфора в электрически изолированных частицах железного базового порошка и содержанием фосфора в частицах железного базового порошка, ΔР, и средним размером частиц, D₅₀, выраженное как ΔP/(O_tot·D₅₀), составляет между 4,5 и 50 1/мм.

2. Железный порошок по п.1, в котором D₉₀ составляет ниже 75 мкм, a D₅₀ составляет между 10 мкм и 50 мкм.

3. Железный порошок по п.1 или 2, в котором P_tot равно или выше 0,05%.

4. Порошковый магнитный сердечник для работы на частотах между 2 и 100 кГц, предпочтительно между 5 и 100 кГц, полученный путем прессования железного порошка, частицы которого являются меньшими, чем 100 мкм, и эти частицы снабжены электроизолирующим неорганическим покрытием, причем упомянутый сердечник имеет:
- удельное сопротивление ρ выше 1000, предпочтительно выше 2000, а наиболее предпочтительно выше 3000 мкОм·м, и
- магнитную индукцию насыщения В выше 1,5, предпочтительно выше 1,7, а наиболее предпочтительно выше 1,9 (Тл).

5. Порошковый магнитный сердечник по п.4, в котором электрически изолированные частицы имеют D₉₀ в 75 мкм или менее и D₅₀ между 10 мкм и 50 мкм.

6. Порошковый магнитный сердечник по п.4 или 5, в котором электроизолирующее покрытие содержит фосфор.

7. Порошковый магнитный сердечник по п.4 или 5, обладающий общими потерями, составляющими по большей мере 30 Вт/кг при 0,1 Тл и 10 кГц.

8. Порошковый магнитный сердечник по п.6, обладающий общими потерями, составляющими по большей мере 30 Вт/кг при 0,1 Тл и 10 кГц.

9. Способ изготовления железного сердечника, включающий в себя этапы перемешивания изолированного порошка, охарактеризованного в любом из пп.1-3, со смазкой в количестве менее 1% по массе, наполнения полученной смесью пресс-формы, прессования упомянутой смеси, выталкивания полученного тела из пресс-формы и нагревания неспеченного тела.

10. Способ по п.9, в котором прессование осуществляют при температуре окружающей среды.

11. Способ получения железного порошка по п.1, включающий в себя этапы:
a) обработки железного базового порошка по меньшей мере один раз фосфорной кислотой, растворенной в растворителе;
b) высушивание полученного порошка с покрытием.