МАГНИТОМЯГКИЙ ПОРОШОК Российский патент 2017 года по МПК H01F1/24 H01F41/02 

Область техники, к которой относится изобретение

Настоящее изобретение относится к магнитомягкому композитному порошковому материалу для приготовления магнитомягких компонентов, а также магнитомягких компонентов, полученных путем использования данного магнитомягкого композитного порошка. В частности, изобретение относится к таким порошкам для приготовления магнитомягких компонентов для работы при высоких частотах, компонентов, пригодных в качестве катушек или конденсаторов для силовой электроники.

Уровень техники изобретения

Магнитомягкие материалы используют в различных случаях, таких как материал сердечников в катушках, статоры и роторы для электромашин, двигатели, датчики и сердечники трансформатора. Как правило, магнитомягкие сердечники, такие как роторы и статоры электромашин, изготовлены из многослойных стальных слоистых материалов. Магнитомягкие композиты могут быть основаны на магнитомягких частицах, обычно на основе железа, с электроизолирующим покрытием на каждой частице. При желании в случае прессования изолированных частиц со смазочными материалами и/или связующими с применением традиционного способа в порошковой металлургии можно получить магнитомягкие компоненты. При использовании порошковой металлургической технологии можно получить такие компоненты с более высокой степенью свободы при разработке, чем при использовании стальных многослойных структур, поскольку компоненты могут обеспечивать трехмерный магнитный поток, и в результате прессования могут быть получены трехмерные структуры.

Настоящее изобретение относится к магнитомягкому композитному порошку на основе железа, в котором частицы-ядра покрыты тщательно выбранным покрытием, благодаря чему свойства материала становятся пригодными для производства катушек индуктивности при прессовании порошка с последующей термообработкой.

Катушка или реактор – это пассивный электрический компонент, способный сохранять энергию в форме магнитного поля, создаваемого электрическим током, проходящим через указанный компонент.

Способность катушек сохранять энергию, индуктивность (L), измеряют в единицах Генри (Г). Как правило, катушка – это изолированный провод, закрученный в спираль. Электрический ток, протекающий через кольца спирали, создает магнитное поле через спираль, где напряженность поля пропорциональна току и числу колец/длине спирали. Переменный ток создает переменное магнитное поле, индуцирующее напряжение, противоположное создающему его изменению тока.

Электромагнитную силу (EMF), противодействующую изменению тока, измеряют в Вольтах (В); она связана с индуктивностью согласно следующей формуле:

(L – это индуктивность, t – это время , v(t) – это переменное напряжение на катушке, а i(t) – это переменный ток).

Иными словами, катушка с индуктивностью 1 Г создает EMF, равную 1 В, при изменении тока через индуктор на 1 А/с.

В катушках с ферромагнитными или железными сердечниками используют магнитные сердечники из ферромагнитного или ферримагнитных материалов, таких как железо или феррит, для повышения индуктивности спирали в несколько тысяч раз путем усиления магнитного поля вследствие более высокой проницаемости материала сердечника.

Магнитная проницаемость μ материала – это показатель его способности поддерживать магнитный поток или его способности намагничиваться. Проницаемость определяют как соотношение индуцированного магнитного потока, обозначаемого B и измеряемого в Н/А*м или в В*с/м², к намагничивающей силе или напряженности поля, обозначаемой H и измеряемой в Амперах/м (А/м). Таким образом, магнитная проницаемость обладает размерностью В*с/А*м. Как правило, магнитную проницаемость выражают в виде относительной проницаемости μ_r=μ/μ₀, деленной на проницаемость вакуума μ₀=4*Π*10^-7 В⋅с/А⋅м. Проницаемость также можно выражать в виде индуктивности на единицу длины, Г/м.

Магнитная проницаемость не только зависит от материала, пропускающего магнитный поток, но также и от приложенного электрического поля и его частоты. В технических системах ее часто называют максимальной относительной проницаемостью, которая представляет собой максимальную относительную проницаемость, измеренную за один цикл переменного электрического поля.

Сердечник катушки можно использовать в силовых электронных системах для фильтрации нежелательных сигналов, таких как различные гармоники. Для эффективного функционирования сердечник катушки для такого устройства должен обладать низкой максимальной относительной проницаемостью, что означает, что относительная проницаемость должна быть более линейной характеристикой в отношении прилагаемого электрического поля, т.е. стабильной дифференциальной проницаемостью μ_Δ (определяемой как ΔB=μ_Δ*ΔH) и высокой магнитной индукцией насыщения. Это позволяет катушке работать более эффективно в более широком диапазоне электрических токов; это также можно выразить следующим образом: катушка обладает "хорошим смещением постоянным током". Смещение постоянным током может быть выражено в виде доли от максимальной дифференциальной проницаемости при данном приложенном электрическом поле, например при 4000 А/м. Далее, низкая максимальная относительная проницаемость и стабильная дифференциальная проницаемость в сочетании с высокой магнитной индукцией насыщения позволяет катушке пропускать более высокий электрический ток, что в том числе полезно в случае, когда размер является лимитирующим фактором; таким образом, можно использовать меньшую катушку.

Один из важных параметров для улучшения эффективности магнитомягкого компонента – это снижение такой характеристики, как потери в сердечнике. При воздействии переменного поля на магнитный материал имеют место потери энергии, связанные как с потерями на гистерезис, так и с потерями на вихревые токи. Потери на гистерезис пропорциональны частоте переменных магнитных полей, тогда как токовихревые потери пропорциональны квадрату частоты. Таким образом, при высоких частотах потери на вихревые токи имеют большее значение, и особенно необходимо снизить вихревые потери, сохраняя при этом низкий уровень гистерезисных потерь. Это означает, что желательно повысить удельное сопротивление магнитных сердечников.

В поиске путем улучшения удельного сопротивления были использованы и предложены различные методы. Один метод основан на обеспечении электрических изолирующих покрытий или пленок на частицах порошка до того, как эти частицы подвергают прессованию. Таким образом, имеется большое число патентных публикаций, где описаны различные типы электроизолирующих покрытий. Примеры опубликованных патентов, относящихся к неорганическим покрытиям, – это патент US № 6309748, патент US № 6348265 и патент US № 6562458. Покрытия из органических материалов известны, например, из патента US № 5595609. Покрытия, включающие как неорганические, так и органические материалы, известны, например, из патентов US № 6372348 и 5063011 и публикации патента Германии № DE 3439397, согласно которой частицы заключены в слой фосфата железа и термопластический материал. Европейский патент EP1246209B1 описывает порошок на основе ферромагнитного металла, где на поверхность порошка на основе металла нанесено покрытие из кремнийорганической смолы и мелкодисперсные частицы глинистых минералов со слоистой структурой, таких как бентонит или тальк.

В патенте US № 6756118 B2 описан магнитомягкий металлический композитный порошок, по меньшей мере, из двух оксидов, формирующих оболочку металлических частиц порошка, где, по меньшей мере, два оксида образуют, по меньшей мере, одну общую фазу.

В патентной заявке JP2002170707A описана частица легированного железа, покрытая фосфорсодержащим слоем; легирующие элементы могут представлять собой кремний, никель или алюминий. На второй стадии порошок с покрытием смешивают с водным раствором силиката натрия с последующей сушкой. Порошковые сердечники изготавливают путем формования порошка и термообработки формованного изделия при температуре 500-1000°C.

Силикат натрия упомянут в JP51-089198 как связующее для частиц железного порошка при производстве порошковых сердечников для формирования порошка железа с последующей термообработкой формованного изделия.

Для получения высокоэффективных магнитомягких композитных компонентов также должно быть возможно подвергнуть электроизолированный порошок компрессионному прессованию при высоких давлениях, так как часто желательно получить детали с высокой плотностью. Высокие плотности обычно отвечают улучшенным магнитным свойствам. В частности, высокие плотности необходимы для сохранения низкого уровня гистерезисных потерь и получения высокой магнитной индукции насыщения. Кроме того, электроизоляция должна выдерживать необходимое давление сжатия без повреждения при извлечении прессованной части из пресс-формы. Это, в свою очередь, означает, что сила извлечения не должна быть слишком высокой.

Кроме того, для снижения гистерезисных потерь требуется термообработка прессованного изделия для снятия напряжений. Для обеспечения эффективного снятия напряжений термообработку предпочтительно проводить при температуре выше 300°C и ниже температуры, при которой можно повредить изолирующее покрытие, около 700°C, в атмосфере, например азота, аргона или воздуха.

Настоящее изобретение было выполнено ввиду потребности в порошковых сердечниках, которые предназначены, прежде всего, для применения при повышенных частотах, т.е. частотах более 2 кГц и, в особенности, между 5 и 100 кГц, где важны более высокое удельное сопротивление и меньшие потери в сердечнике. Предпочтительно, чтобы магнитная индукция насыщения была достаточно высокой для снижения размеров сердечника. Кроме того, должно быть возможно изготовлять сердечники без прессования металлического порошка с применением смазывания стенок пресс-форм и/или повышенных температур. Предпочтительно устранить эти стадии.

В противоположность многим используемым и предлагаемым методам, в которых желательны низкие потери в сердечнике, особым преимуществом настоящего изобретения является то, что не требуется использовать органические связующие в составе порошка, каковой позже спрессовывают на стадии прессования. Термообработку не спеченной прессовки таким образом можно проводить при более высокой температуре без риска разложения органического связующего; более высокая температура термообработки также улучшает плотность магнитного потока и снижает потери в сердечнике. Отсутствие органического материала в конечном термообработанном сердечнике также позволяет использовать сердечник в средах с повышенной температурой без риска снижения напряженности в результате размягчения и разложения органического связующего и позволяет улучшить термостабильность.

Цели изобретения

Цель изобретения заключается в получении нового композитного порошка на основе железа, включающего ядро из чистого железного порошка, на поверхность которого нанесено новое композитное электроизолирующее покрытие. Новый композитный порошок на основе железа особенно пригоден для применения при производстве сердечников катушек для силовой электроники.

Еще одна цель изобретения – создать способ производства таких сердечников катушек.

Еще одна цель изобретения заключается в получении сердечника катушки с "хорошим" смещением постоянным током, низкими потерями в сердечнике и высокой магнитной индукцией насыщения.

Краткое изложение сущности изобретения

Не менее одной из этих целей осуществлено далее:

– Порошок на основе железа с нанесенным покрытием, где покрытие включает первый фосфорсодержащий слой и второй слой, содержащий сочетание силиката щелочного металла и частиц глин, содержащих заданные листовые силикаты. Согласно одному из вариантов осуществления покрытие состоит только из этих двух слоев.

– Способ производства прокаленного сердечника катушки, включающий стадии:

a) получения железного порошка с покрытием, как указано выше,

b) прессование порошка железа в оболочке, в некоторых случаях смешанного со смазочным материалом, в одноосном прессе в пресс-форме при давлении сжатия 400–1200 МПа,

c) извлечение спрессованного компонента из пресс-формы,

d) термообработку извлеченного компонента при температуре до 700°C.

– Компонент, такой как сердечник катушки, произведенный, как описано выше.

Подробное описание сущности изобретения

Порошок на основе железа – это преимущественно порошок из чистого железа с низким содержанием примесей, таких как углерод или кислород. Содержание железа предпочтительно выше 99,0 вес.%, однако возможно также использовать железный порошок, легированный, например, кремнием. Для чистого железного порошка или для порошка на основе железа, легированного специально добавленными примесями, порошки содержат помимо железа и возможные легирующие элементы, следовые элементы, относящиеся к неизбежным примесям, возникающим в связи со способом производства. Следовые элементы присутствуют в столь малых количествах, что они не влияют на свойства материала. Примеры следовых элементов: углерод до 0,3%, сера и фосфор до 0,3% каждый и марганец до 0,3%.

Размер частиц порошка на основе железа определяется предполагаемым использованием, т.е. тем, на какую частоту рассчитан компонент. Средний размер частиц порошка на основе железа, который также отвечает среднему размеру порошка с покрытием, поскольку покрытие очень тонкое, может составлять 20–300 мкм. Примеры среднего размера частиц, пригодные для порошков на основе железа – это, например, 20-80 мкм, так называемый 200 mesh-порошок, 70-130 мкм, 100 mesh-порошок, или 130-250 мкм, 40 mesh-порошок.

Первое фосфорсодержащее покрытие, обычно наносимое на чистый порошок на основе железа, можно сформировать при помощи способов, описанных в патенте US № 6348265. Это означает, что железный или железосодержащий порошок смешан с фосфорной кислотой, растворенной в растворителе, таком как ацетон, с последующей сушкой для получения тонкого покрытия на порошке, содержащего фосфор и кислород. Количество добавленного раствора зависит, в том числе, от размера частиц порошка, однако количество должно быть достаточным для получения покрытия с толщиной от 20 до 300 нм.

В другом случае можно добавить тонкое фосфорсодержащее покрытие путем смешивания порошка на основе железа с раствором фосфата аммония, растворенного в воде, или с использованием других сочетаний фосфорсодержащих веществ и других растворителей. Полученное фосфорсодержащее покрытие вызывает повышение содержания фосфора в порошке на основе железа от 0,01 до 0,15%.

Второе покрытие наносят на порошок на основе железа с фосфорным покрытием путем смешивания порошка с частицами глины или со смесью глин, содержащих заданный листовой силикат и водорастворимый силикат щелочного металла, обычно называемый жидким стеклом, с последующей стадией сушки при температуре между 20-250°C или в вакууме. Листовые силикаты – это вид силикатов, в которых кремниевые тетраэдры соединены между собой в виде слоев с формулой (Si₂O₅^2–)_n. Эти слои сочетаются, по меньшей мере, с одним октаэдрическим гидроксидным слоем, образуя комбинированную структуру. Октаэдрические слои могут, например, содержать гидроксид алюминия, гидроксид магния либо их сочетания. Кремний в слое кремниевых тетраэдров может быть частично замещен другими атомами. Эти комбинированные слоистые структуры могут быть электронейтральными или заряженными, в зависимости от того, какие имеются атомы.

Было отмечено, что тип листового силиката имеет огромное значения для осуществления целей настоящего изобретения. Таким образом, листовой силикат должен содержать незаряженные или электронейтральные соли комбинированных тетраэдрических кремниевых и октаэдрических гидроксидных слоев. Примеры таких листовых силикатов – это каолин, имеющийся в каолиновой глине, пирофиллит, имеющийся в филлите, или магний в минеральном тальке.

Средний размер частиц глин, содержащих заданные листовые силикаты, должен быть ниже 15, предпочтительно ниже 10, предпочтительно ниже 5 мкм и еще более предпочтительно ниже 3 мкм. Количество глины, содержащей данные силикаты, для смешения с порошком на основе железа с нанесенным покрытием должно быть 0,2-5%, предпочтительно 0,5-4 вес.% в расчете на порошок на основе железа с нанесенным покрытием.

Количество силиката щелочного металла в расчете на твердый силикат щелочного металла для смешивания с порошком на основе железа с покрытием должно быть в диапазоне 0,1-0,9 вес.% от композитного порошка на основе железа с нанесенным покрытием, предпочтительно 0,2-0,8 вес.% от порошка на основе железа. Было показано, что можно использовать разные типы водорастворимых силикатов; так, можно использовать силикат натрия, калия и лития. Как правило, водорастворимый силикат щелочного металла отвечает заданному соотношению, т.е. количеству SiO₂, деленному на количество Na₂O, K₂O или Li₂O, в зависимости от конкретного случая, либо в виде мольной доли, либо в виде весовой доли. Молярная доля водорастворимого силиката щелочного металла должна быть 1,5-4, включительно. Если молярная доля ниже 1,5, раствор становится слишком щелочным; если молярная доля выше, будет осаждаться SiO₂.

Прессование и термообработка

До прессования порошок на основе железа с покрытием можно смешать с подходящим органическим смазочным материалом, таким как воск, олигомер или полимер, производное на основе жирной кислоты или их сочетания. Примеры подходящих смазочных веществ: EBS, т.е. этилен-бис(стеарамид), Kenolube® производства Hoganas AB, Швеция, стеараты металлов, такие как стеарат цинка, или жирные кислоты и другие их производные. Смазочное вещество можно добавлять в количестве 0,05-1,5% от всей смеси, предпочтительно между 0,1-1,2 вес.%. Прессование можно проводить при давлении прессования 400-1200 МПа при температуре окружающей среды или при повышенной температуре.

После прессования спрессованные компоненты подвергают термообработке при температуре до 700°C, предпочтительно в диапазоне 500-690°C. Примеры подходящих атмосфер для термообработки – азот или аргон; пример окислительной атмосферы – воздух.

Магнитные ядра порошка в настоящем изобретении получают при помощи давления при формировании магнитного порошка на основе железа с нанесением нового электроизолирующего покрытия. Сердечнику, как правило, отвечают низкие общие потери в области частот 2-100 кГц, обычно 5-100 кГц, менее 28 Вт/кг при частоте 10 кГц и индукции 0.1 Тл. Далее требуется удельное сопротивление ρ более 1000, предпочтительно более 2000 и наиболее предпочтительно более 3000 мкОм м, и плотность магнитного потока насыщения Bs более 1.2, предпочтительно более 1.4 и наиболее предпочтительно более 1.6 Тл. Далее, коэрцитивность должна быть менее 300 А/м, предпочтительно менее 280 А/м, наиболее предпочтительно менее 250 А/м, а смещение постоянным током – не менее 50% при 4000 А/м.

ПРИМЕРЫ

Следующий пример предназначен для иллюстрации конкретных вариантов осуществления, но не для ограничения объема изобретения.

Пример 1

В качестве частиц-ядер использовали атомизованный в чистой воде железный порошок с содержанием железа более 99,5 вес.%. Средний размер части железного порошка составлял около 45 мкм. Железный порошок обрабатывали фосфорсодержащим раствором согласно патенту US № 6348265. Полученный железный порошок с сухим фосфорным покрытием далее смешивали с каолином и силикатом натрия, как показано в следующей таблице 1. После сушки при 120°C в течение 1 ч для получения сухого порошка порошок смешивали с 0,6% Kenolube® и прессовали при 800 МПа в кольца с внутренним диаметром 45 мм, внешним диаметром 55 мм и высотой 5 мм. Прессованные компоненты затем подвергали термообработке при 530°C или при 650°C в атмосфере азота в течение 0,5 ч.

Удельное сопротивление полученных образцов измеряли при помощи четырехзондового метода. Для измерений максимальной проницаемости, μmax и коэрцитивности кольца обматывали 100 раз в первичном контуре и 100 раз во вторичном контуре, что позволяло проводить измерения магнитных свойств при помощи гистерезисографа Brockhaus MPG 100. Для измерения потерь в сердечнике кольца обматывали 30 раз в первичном контуре и 30 раз во вторичном контуре при помощи инструмента Walker Scientific Inc. AMH-401POD.

При измерении возрастания проницаемости кольца обматывали третьей обмоткой, обеспечивающей постоянный ток смещения 4000 А/м. Смещение постоянным током рассчитывали как долю максимальной дифференциальной проницаемости.

Если не указано иное, все тесты в следующих примерах проводили этим способом.

Для выявления эффекта наличия каолина и силиката натрия во втором покрытие на свойства прессованного и термообработанного компонента готовили образцы A-D согласно таблице 1, где также приведены результаты тестирования компонентов. Образцы A-C – это образцы для сравнения, а образец D соответствует изобретению.

Таблица 1 Образец Добавки Температура термообработки Свойства компонента вес.%
Каолин вес.%
Силикат натрия Удельное сопротивление
[мкОм⋅м] Смещение постоянным током при 4000
А/м [%] μmax [-] Коэрци-тивность [А/м] Потери в сердечнике при 0.05 Тл, 35 кГц [Вт/кг] Потери в сердечнике при 0.1 Тл
10 кГц
[Вт/кг] Индукция Bs при 10 кГц [Тл] A сравн. 530°C 8000 40 203 306 26 25 2,01 A сравн. 650°C 1 20 190 220 109 52 2,00 B сравн. 2% 530°C 3000 60 85 422 37 38 1,85 B сравн. 2% 650°C 10 30 80 420 110 50 1,85 C сравн. 0,4% 650°C 10 30 199 211 60 58 1,89 D изобр. 2% 0,4% 650°C 20000 75 97 222 22 22 1,85

Как можно видеть в таблице 1, сочетание каолина и силиката натрия значительно улучшает удельное сопротивление и таким образом снижает потери в сердечнике. Было получено смещение постоянным током 75% в образце согласно изобретению по сравнению со смещением постоянным током 30-60% в образцах для сравнения.

Пример 2

Для иллюстрации важности применения чистого железного порошка с фосфорным покрытием вместе со вторым покрытием описанный выше образец D сравнивали со сходным образцом E за тем исключением, что образец E был изготовлен на основе железного порошка, обработанного в не содержащем фосфор растворе. Термообработку проводили при 650°C в азоте.

Таблица 2 Образец Добавки Свойства компонента P-покрытие вес.%
Каолин вес.%
Силикат натрия Удельное сопротив-ление
[мкОм·м] Смещение постоянным током при 4000
А/м [%] μmax
[-] Коэрцитивность
[А/м] Потери в сердечнике при 0,05 Тл, 35 кГц
[Вт/кг] Потери в сердечнике при 0,1 Тл
10 кГц
[Вт/кг] Индукция Bs при 10 кГц
[Тл] D изобр. Да 2% 0,4% 20000 75 97 222 22 22 1,85 E сравн. Нет 2% 0,4% 200 60 113 230 30 31 1,86

Как видно из таблицы 2, предпочтительно, чтобы железный порошок был покрыт фосфорсодержашим слоем до нанесения второго слоя.

Пример 3

В этом примере показано, что концепцию двойного покрытия согласно настоящему изобретению можно использовать в случае различных размеров частиц железного порошка, продолжая получать желаемый эффект. В случае образца F) был использован средний размер частиц железного порошка ~45мкм; в случае образца G) был использован железный порошок со средним размером частиц ~100 мкм, а в случае образца H) – железный порошок со средним размером частиц ~210 мкм. Порошки были покрыты первым фосфорсодержащим слоем. После этого некоторые образцы еще раз обработали 1% каолином и 0,4% силикатом натрия, как описано выше.

Термообработку проводили при 650°C в азоте.

Результаты тестирования образцов F-H со вторым слоем и без него показаны в таблице 3.

Таблица 3 Добавки Свойства компонента Образец вес.%
Каолин вес.%
Силикат натрия Удельное сопротивление
[мкОм м] Смещение постоянным током при 4000
А/м [%] μmax
[-] Коэрцитивность
[А/м] Потери в сердечнике при 0.05 Тл, 35 кГц
[Вт/кг] Потери в сердечнике при 0.1 Тл
10 кГц
[Вт/кг] Bs при 10 кГц
[Тл] F изобр. 1% 0,4% 15000 70 104 226 21 21 1,90 Образец F, только первый слой. Сравн. 1 20 190 230 109 52 2,01 G изобр. 1% 0,4% 19000 55 130 177 31 30 1,92 Образец G, только первый слой. Сравн. 1 15 260 180 151 72 2,03 H изобр. 1% 0,4% 35000 40 135 140 40 40 1,94 Образец H, только первый слой. Сравн. 1 10 554 140 200 80 2,08

В таблице 3 показано, что вне зависимости от размера частиц железного порошка были получены значительные улучшения в отношении удельного сопротивления, потерь в сердечнике и смещения постоянным током для компонентов согласно настоящему изобретению.

Пример 4

Пример 4 показывает, что можно использовать различные типы жидкого стекла и различные типы глин, содержащих заданные листовые силикаты. Покрытие порошков было выполнено, как описано выше, за исключением того, что были использованы различные силикаты (Na, K и Li) и различные глины – каолин и тальк, содержащие листовые силикаты с электронейтральными слоями. В сравнительных примерах были использованы глины, содержащие листовые силикаты с электрически заряженным слоем – Veegum® и слюда. Veegum® – это торговое название глины из группы смектитов, содержащей минерал монтмориллонит. Использованная слюда представляла собой мусковит. Второй слой во всех тестах содержал 1% глины и 0,4 вес.% жидкого стекла. Термообработку проводили при 650°C в азоте.

В следующей таблице 4 приведены результаты тестирования компонентов.

Таблица 4 Образец Добавки Свойства компонента Тип глины Тип силиката Мольная концентрация силиката Удельное сопротивление
[мкОм⋅м] Смещение постоянным током при 4000
А/м
[%] μmax
[-] Коэрцитивность
[А/м] Потери в сердечнике при 0.05 Тл, 35 кГц
[Вт/кг] Потери в сердечнике при 0.1 Тл
10 кГц
[Вт/кг] Bs при 10 кГц
[Тл] I изобр. Каолин Na 2,5 15000 70 118 213 21 21 1,90 J изобр. Тальк Na 2,5 15000 55 143 211 22 21 1,93 K сравн. Veegum® Na 2,5 20 55 137 213 31 30 1,90 L сравн. Слюда Na 2,5 80 40 175 219 34 32 1,95 M изобр. Каолин Na 2,32 15000 65 125 217 20 20 1,90 N изобр. Каолин K 3,37 18000 65 128 223 24 24 1,91 O изобр. Каолин Li 2,5 16000 75 110 235 23 23 1,89

Как видно из таблицы 4, можно использовать различные типы жидкого стекла и глин, содержащих заданные листовые силикаты, при условии, что листовой силикат содержит электронейтральные слои.

Пример 5

Пример 5 показывает, что свойства прессованного и термообработанного компонента можно контролировать и оптимизировать путем варьирования количества глины и силиката щелочного металла во втором слое. Образцы готовили и тестировали, как описано выше. Образцы для измерения сопротивления поперечному разрыву готовили и тестировали согласно SS-ISO 3325. Термообработку проводили при 650°C в атмосфере азота.

В следующей таблице 5 приведены результаты тестирования.

Таблица 5 Образец Добавки Свойства компонента Тип глины Тип силиката Сопротивление поперечному разрыву
TRS
[МПа] Удельное сопротивление
[мкОм⋅м] Смещение постоянным током при 4000
А/м
[%] μmax
[-] Коэрцитивность
[А/м] Потери в сердечнике при 0,05 Тл,
35 кГц
[Вт/кг] Потери в сердечнике при 0,1 Тл
10 кГц
[Вт/кг] Bs при 10 кГц
[Тл] P сравн. 0,4 55 1 30 199 211 60 58 1,96 Q изобр. 0,5 0,4 43 3000 65 134 217 22 21 1,93 R изобр. 1 0,2 35 5000 66 134 213 23 22 1,92 S изобр. 1 0,3 35 10000 68 130 211 22 22 1,90 T изобр. 1 0,4 30 15000 75 118 213 21 21 1,90 U изобр. 1 0,6 29 12000 75 115 212 23 21 1,89 V изобр. 1 0,8 29 10000 77 110 226 22 23 1,88 W сравн. 1 1 31 500 75 116 201 21 22 1,86 X сравн. 1 1,2 30 200 70 122 211 21 21 1,89 Y сравн. 2 20 3000 65 85 242 30 29 1,85 Z изобр. 2 0,4 24 20000 75 97 222 22 22 1,85 Aa изобр. 2 0,8 24 15000 78 80 253 24 23 1,80 Bb изобр. 3 0,4 18 25000 70 120 222 24 25 1,80 Cc изобр. 5 0,4 8 10000 60 160 234 32 31 1,70

Как можно видеть в Таблице 5, если содержание силиката натрия во втором слое превышает 0,9 вес.%, удельное сопротивление снижается. Удельное сопротивление также снижается при уменьшении содержания силиката натрия; таким образом, содержание силиката натрия должно быть в диапазоне 0,1-0,9 вес.%, предпочтительно 0,2-0,8 вес.% от всего композитного порошка на основе железа. Дальнейшее увеличение содержания глины во втором слое примерно до 4% приведет к возрастанию удельного сопротивления, но снижению потерь в сердечнике в результате повышения коэрцитивности, понижения TRS, индукции и смещения постоянным током. Таким образом, содержание глины во втором слое должно быть ниже 5%, предпочтительно ниже 4 вес.% от композитного порошка на основе железа. Нижний предел содержания глины составляет 0,2%, предпочтительно 0,4%, поскольку слишком низкое содержание глины оказывает отрицательное влияние на удельное сопротивление, потери в сердечнике и смещение постоянным током.

Пример 6

Следующий пример 6 показывает, что компоненты, полученные из порошка согласно изобретению, можно обработать термически в различных атмосферах. Приведенные ниже образцы были обработаны как описано ниже, содержание каолина во втором слое составляло 1%, а содержание силиката натрия было равно 0,4 вес.% от композитного железного порошка. Образцы Dd и Ee были термообработаны при 650°C в азоте и воздухе соответственно. Результаты тестирования показаны в Таблице 6.

Таблица 6 Образец Атмосфера термообработки Свойства компонента Сопротивление поперечному разрыву
TRS
[МПа] Удельное сопротивление
[мкОм⋅м] Смещение постоянным током при 4000
А/м [%] μmax
[-] Коэрцитивность
[А/м] Потери в сердечнике при 0,05 Тл, 35 кГц
[Вт/кг] Потери в сердечнике при 0,1 Тл
10 кГц
[Вт/кг] Bs при 10 кГц
[Тл] Dd Азот 30 15000 77 118 206 21 21 1,88 Ee Воздух 35 12000 72 131 240 24 23 1,88

В Таблице 6 показано, что можно получить высокое удельное сопротивление, низкие потери в сердечнике, высокую индукцию и хорошее смещение постоянным током для компонентов согласно изобретению, термообработанных при 650°C вне зависимости от того, были ли они термообработаны в азоте или на воздухе.

Настоящее изобретение относится к магнитомягкому композитному порошковому материалу на основе железа, пригодному для изготовления сердечников в катушках, работающих при высоких частотах, более 2 кГц. Предложенный композитный порошок на основе железа с нанесенным покрытием, которое включает первый фосфорсодержащий слой и второй слой, содержащий сочетание силиката щелочного металла и частиц глин, содержащих заданные листовые силикаты, хорошо пригоден для компрессионного прессования при высоких давлениях, что позволяет получать детали с высокой плотностью и с улучшенными магнитными свойствами. После извлечения спрессованного компонента из пресс-формы его подвергали термообработке в атмосфере азота. Настоящее изобретение также относится к способу производства магнитомягких компонентов и компоненту, работающему при высоких частотах. Повышение удельного сопротивления магнитного сердечника и снижение потерь на вихревые токи является техническим результатом изобретения. 4 н. и 20 з.п. ф-лы, 6 табл., 6 пр.

1. Композитный порошок на основе железа для получения магнитомягких компонентов для работы при высоких частотах, включающий частицы-ядра с оболочкой из первого фосфорсодержащего слоя и второго слоя, содержащего силикат щелочного металла в сочетании с глинистым минералом, содержащим листовой силикат, комбинированный кремний-кислородный тетраэдрический слой и октаэдрические гидроксидные слои которого в целом образуют электрически нейтральную структуру, причем содержание силиката щелочного металла составляет 0,1-0,9 вес.% композитного порошка на основе железа, при этом содержание глинистого минерала составляет 0,2-5 вес.% композитного порошка на основе железа, при этом силикат щелочного металла выбирают из силиката натрия, силиката калия или силиката лития, а их соответствующее молярное отношение, рассчитанное как количество SiO₂, деленное на количество Na₂O, K₂O или Li₂O, соответственно составляет 1,5-4, и при этом средний размер частиц глинистого минерала ниже 15 мкм.

2. Композитный порошок на основе железа по п. 1, где глубина фосфорсодержащего слоя составляет от 20 до 300 нм.

3. Композитный порошок на основе железа по п. 1, где фосфорсодержащий слой получен в результате контакта между частицами-ядрами и фосфорным соединением в растворителе с последующим удалением растворителя путем сушки.

4. Композитный порошок на основе железа по п. 2, где фосфорсодержащий слой получен в результате контакта между частицами-ядрами и фосфорным соединением в растворителе с последующим удалением растворителя путем сушки.

5. Композитный порошок на основе железа по п. 3, где фосфорное соединение - это фосфорная кислота или фосфат аммония.

6. Композитный порошок на основе железа по п. 4, где фосфорное соединение - это фосфорная кислота или фосфат аммония.

7. Композитный порошок на основе железа по любому из пп. 1-6, где частицы-ядра - это частицы железа с содержанием железа более 99,5 вес.%.

8. Композитный порошок на основе железа по любому из пп. 1-6, где содержание силиката щелочного металла составляет 0,2-0,8 вес.% композитного порошка на основе железа.

9. Композитный порошок на основе железа по п. 7, где содержание силиката щелочного металла составляет 0,2-0,8 вес.% композитного порошка на основе железа.

10. Композитный порошок на основе железа по любому из пп. 1-6 и 9, где содержание глинистого минерала составляет 0,5-4 вес.% композитного порошка на основе железа.

11. Композитный порошок на основе железа по п. 7, где содержание глинистого минерала составляет 0,5-4 вес.% композитного порошка на основе железа.

12. Композитный порошок на основе железа по п. 8, где содержание глинистого минерала составляет 0,5-4 вес.% композитного порошка на основе железа.

13. Композитный порошок на основе железа по любому из пп. 1-6, 9, 11 и 12, где глинистый минерал выбирают из каолина или талька.

14. Композитный порошок на основе железа по п. 7, где глинистый минерал выбирают из каолина или талька.

15. Композитный порошок на основе железа по п. 8, где глинистый минерал выбирают из каолина или талька.

16. Композитный порошок на основе железа по п. 10, где глинистый минерал выбирают из каолина или талька.

17. Композитный порошок на основе железа по любому из пп. 1-6, 9, 11, 12 и 14-16, где частицы-ядра обладают средним размером частиц, равным 20-300 мкм.

18. Композитный порошок на основе железа по п. 7, где частицы-ядра обладают средним размером частиц, равным 20-300 мкм.

19. Композитный порошок на основе железа по п. 8, где частицы-ядра обладают средним размером частиц, равным 20-300 мкм.

20. Композитный порошок на основе железа по п. 10, где частицы-ядра обладают средним размером частиц, равным 20-300 мкм.

21. Композитный порошок на основе железа по п. 13, где частицы-ядра обладают средним размером частиц, равным 20-300 мкм.

22. Способ производства прессованного и термообработанного магнитомягкого компонента для работы при высоких частотах, включающий следующие стадии:

a) получение железного порошка в оболочке по любому из пп. 1-21,

b) прессование порошка железа в оболочке, необязательно смешанного со смазочным материалом, в одноосном прессе в пресс-форме при давлении сжатия 400-1200 МПа,

c) извлечение спрессованного компонента из пресс-формы,

d) термообработка извлеченного компонента в невосстановительной атмосфере при температуре до 700°C.

23. Магнитомягкий компонент для работы при высоких частотах, произведенный согласно способу, описанному в п. 22.

24. Магнитомягкий компонент для работы при высоких частотах, произведенный согласно способу, описанному в п. 22, который представляет собой сердечник катушки индуктивности с удельным сопротивлением ρ более 1000, предпочтительно выше 2000 и наиболее предпочтительно выше 3000 мкОм⋅м,

и с плотностью магнитного потока насыщения Bs выше 1.2, предпочтительно выше 1.4 и наиболее предпочтительно выше 1,6 (Т), и смещением постоянным током не ниже 50%,

с потерями в сердечнике менее 28 Вт/кг при частоте 10 кГц и индукции 0,1 Тл, при этом

коэрцитивность должна быть менее 300 А/м, предпочтительно менее 280 А/м, наиболее предпочтительно менее 250 А/м, а смещение постоянным током - не менее 50% при 4000 А/м.