专利名称：包含绝缘颗粒和选自有机硅烷、钛酸酯、铝酸酯和锆酸酯的润滑剂的软磁性粉末组合物及 ...的制作方法
技术领域：
本发明涉及新型金属粉末组合物。具体而言，本发明涉及一种新型铁基粉末，其可用于制备以高频和低频使用时具有改善特性的软磁性材料。本发明还涉及一种方法，用于制造由该粉末制备的软磁性复合材料。
背景技术：
软磁性材料用于各种装置，例如感应器的芯材、发电机的定子和转子、激励器、传感器以及变压器芯。传统上，软磁性芯由堆叠的钢叠片制成，例如发电机的定子和转子。软磁性复合体(SMC)材料基于通常是铁基的软磁性颗粒，每个颗粒上带有电绝缘涂层。采用传统粉末冶金方法将绝缘颗粒压制，非必须地与润滑剂和/或粘结剂一起压制，得到SMC部件。与采用钢叠片相比，采用这种粉末冶金方法可以生产在SMC部件的构造中具有更高自由度的材料，因为SMC材料可以携带三维磁通量，并且因为经过压制过程可以获得三维形状。
铁芯元件的两个关键特征是导磁率和铁芯损耗特征。材料的导磁率是其变得磁化的能力或其携带磁通量的能力的指标。导磁率的定义是感应磁通量与磁化力或场强度之比。当磁性材料暴露于变化的场中时，由于滞后损失和涡流损失而产生能量损失。滞后损失由克服铁芯元件内的剩余磁力所需的能量支出造成。涡流损失由于交流电(AC)环境引起变化的通量、在铁芯元件中产生电流而产生。为使涡流最小化，期望高电阻率的元件。
在采用已涂覆铁基粉末的磁芯元件的粉末冶金制造中，已经致力于研究开发增强最终元件的特定物理和磁性质而不显著影响其它性质的铁粉组合物。期望的元件性质包括例如在广泛频率范围内的高导磁率、低铁芯损耗、高饱和感应以及高强度。在能够保持足够的电阻率的前提下，元件密度的增加通常能增强所有这些性质。期望的粉末性质包括对压模法的适应性，即粉末可被容易地模制成高密度元件，该元件能被容易地从模制装置推出而元件表面无损伤。
发明概述本发明涉及一种新型铁磁粉组合物，适于压成高密度复合元件。具体而言，本发明涉及一种粉末组合物，包含软磁性铁或铁基芯颗粒，颗粒表面由电绝缘无机涂层包围，该组合物还包含润滑剂量的硅烷、钛酸酯、铝酸酯或锆酸酯。
本发明还包括由这些组合物制备高密度生料、非必须地热处理过的压制品的方法。这种方法包括步骤提供组合物；非必须地将所述组合物与添加剂混合，例如常用润滑剂(即特定润滑剂)和粘合剂以及流动增强剂；在型模中高压单轴向挤压并推出随后可进行热处理的生料。
发明详述此处所用铁磁粉由铁或含铁合金组成，非必须地与至多20重量％的一种或多种选自铝、硅、铬、铌、钼、镍和钴的元素相结合。优选该新型粉末基于基本上由纯铁构成的基粉。这种粉末可以是例如可商购的水雾化或气雾化的铁粉或还原铁粉，如海绵铁粉。粉末颗粒的形状可以是圆形、不规则形或扁平形。
可以按照本发明使用的电绝缘涂料优选US6348265中所述的薄含磷型涂层，在此将该文引入作为参考。此外，优选采用其它无机涂层，例如基于Cr、Mg、Mo、Zn、Ni或Co的涂层。按照本发明使用的润滑剂为有机硅烷型、有机钛酸酯型、有机铝酸酯型或有机锆酸酯型。取决于它们所连接的基团的化学官能团，常常将这类物质称为表面改性剂、偶联剂或交联剂。可按照本发明使用并且可以称之为有机金属化合物的特定类型的有机硅烷、有机钛酸酯、有机铝酸酯或有机锆酸酯以存在至少一个可水解基团和至少一个润滑有机基团为特征。可将这类化合物定义为以下通式M(R1)n(R2)m其中M是中心原子，选自Si、Ti、Al和Zr；R1是可水解基团；R2是由润滑有机基团构成的基团；其中m+n之和必须等于中心原子的配位数，并且n是≥1的整数，m是≥1的整数。
特别地，R1是具有少于12个C原子的烷氧基。优选那些具有少于6个C原子的烷氧基，最优选具有1～3个C原子的烷氧基。R1也可以是螯合基团，例如羟基乙酸的残基(-OC(O)-CH2O-)或乙二醇的残基(-OCH2CH2O-)。
R2是含有6～30个之间，优选10～24个碳原子的有机基团，非必须地含有一个或多个选自N、O、S或P的杂原子。R2是由有机基团构成的基团，其不易水解，常常是亲脂性的，可以是烷基、醚、酯、含磷烷基、含磷脂类或含磷胺的链。磷可以以磷酸酯基团(phosphato group)、焦磷酸酯基团(pyrophosphato group)或亚磷酸酯基团(phosphito group)的形式存在。此外，R2可以是直链、支化、环状或芳香型的。
本发明所述润滑硅烷优选选自烷基-烷氧基硅烷和聚醚-烷氧基硅烷。此外，用十六碳烷基-三甲氧基硅烷、异丙基-三异硬脂基钛酸酯、异丙基-三(二辛基)磷酸酯合钛酸酯(isopropyl-tri(dioctyl)phosphato titanate)、新戊基(二烯丙基)氧-三(二辛基)磷酸酯合锆酸酯(nopentyl(diallyl)oxy-tri(dioctyl)phosphato zirconate)、新戊基(二烯丙基)氧-三新癸基锆酸酯和二异丁基-乙酰乙酰基铝酸酯已经获得令人鼓舞的结果。
化合物优选以基于组合物重量0.05重量％的量存在，例如以0.05-0.5重量％的量，优选0.07-0.45重量％，最优选0.08-0.4重量％。润滑剂的量过低导致高密度，但是使推出行为变劣，并且由此使工具和/或SMC部件的表面状况变劣。然而，润滑剂的量过高得到优异的推出行为，但是会使元件密度变小。此外，优选化合物以绝缘颗粒上的润滑层形式存在。然而，应当指出元件和材料的几何形状以及工具的质量对推出后SMC部件的表面状况有很大影响。
从US4820338和6537389获知化合物有机硅烷、有机钛酸酯、有机铝酸酯的用途。根据US4820338，为加速磁性粉末颗粒与电绝缘有机粘合剂聚合物之间的偶联而使用硅烷、钛酸酯或铝酸酯。粉末颗粒不具有无机涂层。
US6537389公开了多种作为分子前体的含硅、铝或硼的化合物，用于在软磁性粉末上制造电绝缘陶瓷。该前体化合物经热处理转化为陶瓷型、金属型或金属间型终产物，以增强其耐高温性和耐溶剂性。US6537389与本发明的差别尤其在于将有机金属化合物用作制造耐腐蚀和耐热涂层的前体，而不是作为促进高密度元件生产的关键组分。此外，US6537389实施例中所述的前体化合物不包含润滑基团。
按照本发明使用的润滑化合物可以以这种方式使用将它溶解或分散在适当的溶剂中，例如有机溶剂，如丙酮或乙醇。随后在混合和非必须的加热期间，将所得溶液或分散液加到铁基粉末中。最后非必须地将溶剂真空蒸发。
根据本发明的一种实施方式，所用粉末具有粗颗粒，即该粉末基本没有细颗粒。术语“基本没有细颗粒”意在指少于约5％的铁或铁基粉末颗粒具有低于45μm的粒度，如SS-EN24497中所述的方法测定。迄今为止，已经用基本由大于约106μm、尤其大于约212μm的颗粒构成的粉末获得了最引人注目的结果。术语“基本由...构成”意在指至少40％、优选至少60％的颗粒分别具有大于106和212μm的粒度。迄今为止，已经用平均粒度约250μm且仅少于3％小于106μm的粉末获得了最佳结果。最大粒度可以为约5mm。PM制造中所用铁基粉末的粒度分布通常分布为高斯型分布，平均粒径在30～100μm区域内并且约10～30％小于45μm。可以通过除去粉末的较细部分或通过制造具有期望粒度分布的粉末来获得基本不含细颗粒的铁基粉末。
根据本发明的一种优选实施方式并与粉末冶金术中的通常实践(其中将常规PM润滑剂用在铁基粉末混合物中，或将润滑剂与粘合剂和/或表面处理结合使用)相反，不必在传送到型模之前将铁或铁基粉末与单独的(特定的)润滑剂混合。也不必使用外部润滑(模壁润滑)(其中在挤压之前给模壁提供了润滑剂)。然而，本发明不排除在有利时采用传统内部润滑(量为至多0.5重量％)、外部润滑或二者的组合的可能性。待挤压粉末也可以包含选自粘合剂、润滑剂和流动增强剂的添加剂。除有机PM润滑剂之外，可以使用的无机润滑剂的例子为六方氮化硼和MoS2。
根据本发明，密度至少为7.45g/cm3的软磁性复合材料可以通过在型模中高挤压压力下单轴向挤压该新型粉末组合物并且不润滑模壁来制造。当生坯从挤压工具中推出时，可用最高约700℃的温度对其进行热处理。
术语“在高挤压压力下”意在指在至少约800MPa的压力下。以更高的压力获得更令人注目的结果，如高于900MPa的压力、更优选高于1000MPa并且最优选高于1100MPa。由于为从型模推出压制品需要强大的力、伴生型模高磨耗且元件表面倾向于亮度降低或劣化的事实，普遍认为使用传统含较细颗粒的粉末的传统的高压挤压(即以高于约800MPa的压力挤压)是不适宜的。即使用高挤压压力来实现高密度，也能够获得高电阻。通过使用本发明的粉末，已经出人意料地发现在约1000MPa的高压力下推出力减小，并可以得到具有可接受或甚至完美的表面的元件。
可以用标准装置实施挤压操作，这意味着无需昂贵的投资就可以实施该新方法。在环境温度或升高的温度下、单轴向并且优选在一步中实施挤压操作。另外，可在冲击机(来自Hydropulsor的HYP35-4型)的辅助下实施挤压操作，如WO 02/38315中所述。
可在各种类型的气氛中或减压以及非必须地在蒸汽存在下，在通常所用的温度例如最高约700℃的温度下进行热处理。热处理之前可非必须地将压过的元件进行生料加工和/或清理。
本发明的主要目的是获得高密度产品，为此目的，优选使用上述粗颗粒。然而，已经发现与含较高量细颗粒的粉末即当今PM工业中通常使用的粉末类型结合也可以获得这些润滑效果。以下的实施例3和5例示了本发明的有机金属化合物在传统粉末和粗粉末上的润滑效果。如可观察到的，用含较高量细颗粒的传统粉末也获得高密度。包括当今通常使用的粒度分布的含铁或铁基粉末的组合物以及本发明所述的润滑剂对某些应用可能有特殊意义，因此也在本发明的范围之内。
术语“高密度”意在指密度为至少约7.45g/cm3的压制品。“高密度”不是一个绝对值。根据仅一次热处理、仅一次压制元件的技术状况，典型的可获得的密度约为7.2g/cm3。通过采用热挤压操作，可以获得约0.2g/cm3的增加。本文中，取决于所用添加剂的类型和用量，以及所用铁基粉末的类型，术语“高密度”意在指具有约7.45-7.65g/cm3或更高密度的压制品。当然也可以制造密度较低的元件，但是这样的元件意义较小。
简单地说，通过使用本发明所述粉末和方法所获得的益处在于高密度SMC部件可以被经济地制造。能够获得具有格外高的磁感应水平同时具有低铁芯损耗的SMC部件。其它优点在于热处理后机械强度增加，还在于尽管具有高密度，仍然可以从型模成功地推出具有高电阻的压制元件，而对型模壁的精加工和/或对压制的SMC部件的表面无负面影响。由此可以获得具有优异表面精加工的元件。可以以单个挤压步骤获得这些结果。对于新型粉末压制品，具有特殊意义的产品的例子是感应器、发电机的定子和转子、激励器、传感器以及变压器芯。
用以下的实施例进一步解释说明本发明。应当理解本发明不限于此。
实施例1将铁基水雾化粉末(Somaloy 550TM，可从Hgans AB，瑞典获得)用作原材料。这种粉末具有212～425μm之间的平均粒度，少于5％的颗粒粒度小于45μm。这种粉末为纯铁粉末，其颗粒为薄含磷保护层所绝缘，用0.2重量％十六碳烷基-三甲氧基硅烷作为润滑剂处理这种粉末。润滑剂的加入实施如下将十六碳烷基-三甲氧基硅烷稀释在乙醇中成为20重量％溶液，搅拌该溶液60分钟。将对应0.2重量％的量的这种溶液在混合期间加入铁粉，铁粉先前已经在混合器中加热到了75℃。在同一混合器中进行剧烈搅拌3分钟，随后真空低速混合30分钟以蒸发溶剂。将与传统润滑剂混合的相应粉末用作对比物。挤压操作前将这种粉末与KenuolubeTM混合。所用润滑剂的量为组合物的0.5％，对于高压压制的元件，通常认为这是低含量润滑剂。
分别以800、1000和1200MPa的不同挤压压力在单个步骤中单轴向挤压内径47mm、外径55mm、高4mm的环。尽管有机金属润滑剂含量低、挤压压力高，但是元件的表面没有表现出劣化的迹象。
挤压操作后，在空气中500℃下热处理元件30分钟。给所得热处理的环缠以25感应圈和112驱动圈。在LDJ 3500磁滞曲线记录仪中测量磁特性。表1汇总了在DC条件下测量的分别在1500和6900A/m下的最大相对导磁率和磁感应。也测量了在1T及分别在50Hz和400Hz下的铁芯损耗/循环。
下表1列出所得的结果。
表1
如可从表1看到的，与对比实施例中所用材料相比，本发明所述粉末的未烧制密度明显更高，磁特性也因此改善。对比实施例也表明增加挤压压力至1000MPa和1200MPa不能获得或仅能获得很小的磁特性的改善。
尽管得到高密度试样，但是即使在400Hz，铁芯损耗也保持在低水平，这表明电解液层被保持。
在空气中于500℃热处理30分钟后，测试按照实施例1制造的试样的横向断裂强度(TRS)。按照ISO3995测试该横向断裂强度。
图1表明不同密度水平的横向断裂强度。应当指出，即使在相同的挤压密度下，根据本发明的材料的强度也出人意料地更高。
实施例2按照实施例1的步骤，分别用0.1％和0.2％的十六碳烷基-三甲氧基硅烷处理一种非常高纯水雾化铁基粉末，其颗粒具有薄绝缘涂层并且该粉末具有高于212μm的平均粒度。将无任何润滑剂的同样的铁基粉末用作参照物。
在1000MPa的挤压压力下以单轴向挤压运动挤压直径25mm、高4mm的柱型试样。
表2表示推出元件所需的推出能以及所得的未烧制密度。该推出能以对无润滑剂试样的推出能的百分数来表达。
表2
从表2可以看出，通过加入少量根据本发明的有机金属润滑剂，大大降低了推出所需的能量并改善了表面精加工。还可以看出润滑剂从0.1重量％增加到0.2重量％对推出能有正面作用。
实施例3这个实施例演示高压挤压后推出时有机金属化合物的不水解基团(R2)的链长对润滑特性的影响。在这个实施例中将各种类型和用量的烷基-烷氧基硅烷(中心原子Si)用作润滑剂。采用具有两种不同粒度分布的、带薄绝缘涂层的两种高纯水雾化铁基粉末，以表明粒度的影响。S-粉末的约14％的颗粒小于45μm，其重均粒度约为100μm。C-粉末具有明显较粗的粒度分布，重均粒度约为250μm，小于106μm的不到3％。
使用五种不同种类的有机硅烷(A-E)A甲基-三甲氧基硅烷B丙基-三甲氧基硅烷C辛基-三甲氧基硅烷D十六碳烷基-三甲氧基硅烷E带10个乙烯醚基团的聚乙烯醚-三甲氧基硅烷将0.05～3.0重量％的五种不同的烷基-烷氧基硅烷添加到绝缘的铁基粉末中，在1100MPa下在单轴向挤压运动中将所得混合物挤压成直径25mm、高12mm的毛坯。推出期间测量每单位滑行面积的动态推出力，推出之后评价生料表面精加工并测量密度，在表3中如下示出。
表3
如可从表3中看到的，即使加入的量高，烷基链中低于8个碳原子的链长也不能产生令人满意的结果。因此，为成功推出元件润滑链基团(烷基或聚乙烯醚)中至少需要8个原子。由于会对未烧制元件的密度有负面影响，发明人认为高于0.5％的添加量意义较小。该表还表明当有机硅烷含量低于0.05％时，对于润滑烷基基团中含16个原子的硅烷“D”，不可能推出而对元件和型模表面无损害。然而，元件的几何形状以及工具的质量对推出后元件的表面状况有很大影响。因此，比0.05％更低的润滑剂量，非必须地与常规使用的即特定的润滑剂混合，会对于某些应用有意义。
从图3还可以总结出可以得到极高的密度。与标准粉末相比，粗粉末表现出更佳的推出特性。即使是具有标准粒度分布的粉末，也能被挤压成高密度(至少约7.60g/cm3)。如上所指出的，推出行为也极大地依赖于元件的几何形状和工具的材料及质量。因此，具有标准粒度分布的粉末在某些应用中会有意义。
实施例4这个实施例演示具有不同中心原子的有机金属化合物的润滑作用。在这个实施例中检测四种不同试剂的润滑作用，即分别以Si、Ti、Zr和Al为中心原子的硅烷、钛酸酯、锆酸酯和铝酸酯。各种中心原子具有不同的的配位数和化学特性。然而，选择有机金属化合物的化学结构，以使润滑基团(R2)的链长表现出与用十六碳烷基-三甲氧基硅烷(D)获得的性质相比可比的特性。
用0.2重量％的每种有机金属化合物作为润滑剂处理带薄绝缘涂层的高纯水雾化铁基粉末。在1100MPa下在单轴向挤压运动中将所得混合物挤压成直径25mm、高12mm的毛坯。推出期间测量每单位滑行面积的动态推出力，推出之后评价生料表面精加工并测量密度，在表4中如下示出。
检测四种不同类型的有机金属润滑剂A异丙基-三异硬脂基钛酸酯B新戊基(二烯丙基)氧-三新癸酰基锆酸酯C二异丁基(油基)乙酰-乙酰基铝酸酯D十六碳烷基-三甲氧基硅烷表4
如从图4可以看到的，所有化合物的润滑特性都是令人满意的。因此，表明中心原子的类型对润滑特性仅有轻微影响。表明不水解基团的链长，以及在某种程度上化学结构提供本发明所述的润滑特性。
实施例5进一步考察平均粒度和粒度分布的影响。根据表5，制备具有不同粒度分布的三种不同的高纯铁基粉末，所有三种粉末都以薄磷基电绝缘层绝缘。根据本发明用0.2重量％的十六碳烷基-三甲氧基硅烷按照实施例1中所述的步骤处理所有试样。
在1000MPa的挤压压力下以单轴向挤压运动挤压直径25mm、重50克的柱型试样，所有试样都得到高于7.6g/cm3的未烧制密度。
表5
*较高量的润滑剂改善表面精加工可以看出试样C的表面精加工分别优于试样A和B的表面精加工。
实施例6这个实施例举例说明无机绝缘层的重要性。
将其颗粒由薄含磷隔离层绝缘的高纯铁粉与无磷基无机绝缘层的相同粉末相对比。根据本发明用0.2重量％的十六碳烷基-三甲氧基硅烷作为润滑剂先后处理两种粉末。
在1100MPa的挤压压力下在单个步骤中单轴向挤压内径45mm、外径55mm、高5mm的环。挤压操作后，在空气中500℃下热处理元件30分钟。用四点法测量电阻率。
下表6示出由粉末制造的带或不带绝缘颗粒的复合物元件的电阻率和密度。
表权利要求
1.一种铁磁粉末组合物，其包含软磁性铁基芯颗粒和润滑剂量的化合物，其中芯颗粒表面由绝缘无机涂层包围，化合物选自硅烷、钛酸酯、铝酸酯、锆酸酯或其混合物。
2.权利要求1的组合物，其中化合物具有至少一个可水解基团和至少一个润滑有机基团。
3.权利要求1或2的组合物，其中化合物作为绝缘颗粒上的润滑层存在。
4.权利要求1～3中任一项的组合物，其中化合物具有以下通式M(R1)n(R2)m其中M是中心原子，选自Si、Ti、Al或Zr；R1是可水解基团；R2是由润滑有机基团构成的基团；其中m+n之和为中心原子的配位数；n是≥1的整数；并且m是≥1的整数。
5.权利要求4的组合物，其中R1是具有少于12个C原子、优选少于6个C原子、最优选少于3个C原子的烷氧基。
6.权利要求4的组合物，其中R1是螯合基团。
7.权利要求6的组合物，其中螯合基团是羟基乙酸的残基(-O(O＝C)-CH2O-)或乙二醇的残基(-OCH2CH2O-)。
8.权利要求4～7中任一项的组合物，其中R2是含有6～30个、优选10～24个碳原子，并且非必须地含有一个或多个选自N、O、S或P的杂原子的有机基团。
9.权利要求8的组合物，其中R2是直链、支化、环状或芳香型的。
10.权利要求8～9中任一项的组合物，其中R2是选自烷基、醚、酯、含磷烷基、含磷脂类或含磷胺的链。
11.权利要求10的组合物，其中R2选自磷酸酯、焦磷酸酯或亚磷酸酯。
12.权利要求1～10中任一项的组合物，其中化合物选自烷基-烷氧基硅烷和聚醚-烷氧基硅烷。
13.前述任一项权利要求的组合物，其中化合物选自辛基-三甲氧基硅烷、十六碳烷基-三甲氧基硅烷、聚乙烯醚-三甲氧基硅烷、异丙基-三异硬脂基钛酸酯、异丙基-三(二辛基)磷酸酯合钛酸酯、新戊基(二烯丙基)氧-三新癸酰基锆酸酯、新戊基(二烯丙基)氧-三(二辛基)磷酸酯合锆酸酯和二异丁基-乙酰乙酰基铝酸酯。
14.权利要求1～13中任一项的组合物，其中铁基颗粒的绝缘无机涂层是磷基的。
15.权利要求1～14中任一项的组合物，其中铁基芯颗粒基本由纯铁组成。
16.权利要求1～15中任一项的组合物，其中少于5％的铁基芯颗粒具有小于45μm的粒度。
17.权利要求1～16中任一项的组合物，其中至少40％、优选至少60％的铁基芯颗粒由粒度大于106μm的颗粒组成。
18.权利要求1～17中任一项的组合物，其中至少20％、优选至少40％、最优选至少60％的铁基芯颗粒由粒度大于212μm的颗粒组成。
19.权利要求1～18中任一项的组合物，其中化合物以0.05-0.5重量％、优选0.07-0.45重量％、最优选0.08-0.4重量％的量存在。
20.权利要求1～19中任一项的组合物，其非必须地与例如特定润滑剂、粘合剂或流动增强剂的添加剂混合。
21.制备密度至少为7.45g/cm3的软磁性复合材料的方法，其中包括以下步骤-提供权利要求1～20中任一项的铁或铁基粉末组合物；以及-在型模中在至少约800MPa的挤压压力下单轴向挤压所得软磁性粉末组合物；以及-从挤压工具中推出生坯；以及-非必须地热处理经压制的生坯。
22.权利要求21的方法，其中在至少约900MPa、更优选至少1000MPa、最优选高于1100MPa的压力下进行挤压操作。
23.权利要求21或22的方法，其中铁基芯粉的粒度如权利要求16～18中任一项所述。
全文摘要
本发明涉及一种新型铁磁粉末组合物，包含软磁性铁基芯颗粒和润滑剂量的化合物，其中芯颗粒表面由绝缘无机涂层包围，化合物选自硅烷、钛酸酯、铝酸酯、锆酸酯或其混合物。本发明还涉及用该新型粉末组合物制造软磁性复合材料的方法。
文档编号H01F1/24GK1732059SQ200380107358
公开日2006年2月8日 申请日期2003年12月22日 优先权日2002年12月23日
发明者M·凯泽尔曼, B·斯卡尔曼, P·斯科格隆, O·安德森, P·克努特松, H·维达尔森 申请人:霍加纳斯股份有限公司