專(zhuān)利名稱(chēng)：經(jīng)過(guò)磷化處理的鐵粉及其制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種新的鐵基粉末。更具體一些，本發(fā)明涉及一種用于制備軟磁材料的新的鐵基粉末，該軟磁材料在高頻和低頻下使用時(shí)都具有改進(jìn)的性能。本發(fā)明還涉及一種用于制造新的鐵基粉末的新方法。
在用粉末冶金方法制造結(jié)構(gòu)元件時(shí)，鐵基顆粒曾長(zhǎng)期被用作基體材料。鐵基顆粒首先在高壓下在模具中被模制，以便得到所要求的形狀。在模制步驟之后，結(jié)構(gòu)元件通常要經(jīng)過(guò)燒結(jié)步驟，從而賦予零件以必要的強(qiáng)度。
磁芯元件也曾經(jīng)用這種粉末冶金方法制造，但是，在這些方法中所用的鐵基顆粒通常都涂覆以環(huán)繞的絕緣材料層。
鐵芯元件的兩個(gè)主要特性是其磁導(dǎo)率和鐵芯損耗特性。材料的磁導(dǎo)率是其被磁化的能力或其傳播磁通量的能力的指標(biāo)。磁導(dǎo)率被定義為感應(yīng)的磁通量與磁化力或磁場(chǎng)強(qiáng)度之比。當(dāng)磁性材料受到快速變化的磁場(chǎng)的作用時(shí)，芯部的總能量由于產(chǎn)生滯后回線損失和/或渦流損耗而減少。滯后回線損失是由于必須消耗能量，以在鐵芯元件中克服剩余磁力而產(chǎn)生的。渦流損耗的產(chǎn)生是因?yàn)橛捎诮涣?AC)條件所引起的磁通變化而在鐵芯元件中產(chǎn)生電流。
磁芯元件通常用層壓的薄鋼板制造，但是這些元件難于制造成得到小的復(fù)雜零件的網(wǎng)狀，并且在高頻時(shí)遭受大的鐵芯損耗。這些疊片基芯子的應(yīng)用還受到這樣的限制，即必須只在薄板的平面中傳播磁通量，以免有過(guò)大的渦流損耗。作為用于磁芯元件的材料，曾經(jīng)用燒結(jié)的金屬粉末代替層壓的薄鋼板，但是這些燒結(jié)的零件也有高的鐵芯損失并且主要限于直流(DC)工作。
采用包覆鐵基粉末通過(guò)粉末冶金制造磁芯元件的研究曾經(jīng)針對(duì)鐵粉成分的研制，這種鐵粉成分能加強(qiáng)某些物理性能和磁性能，而且不會(huì)不利地影響其它性能。所要求的性能包括經(jīng)過(guò)寬廣的頻率范圍的高磁導(dǎo)率，高的壓縮強(qiáng)度，低的鐵芯損耗和用于壓縮模制技術(shù)的適合性。
當(dāng)模制一用于AC動(dòng)力場(chǎng)合的芯部元件時(shí)，通常要求鐵顆粒有電絕緣涂層，以減少鐵芯損耗。
在文獻(xiàn)中公開(kāi)了各種類(lèi)型的用于鐵顆粒的絕緣涂層。
按照DE 129 1028，用磷酸溶液處理鐵粉，接著經(jīng)過(guò)洗滌和干燥。這一工藝的特征為，鐵粉的顆粒尺寸最大為10μm，并且除了磷酸以外還用鉻酸處理鐵粉。該公報(bào)沒(méi)有公開(kāi)由鐵粉制備的材料的磁性能。
此領(lǐng)域中的另一公開(kāi)文獻(xiàn)為DE2825235，它公開(kāi)了一種由被涂覆以氧化物層的顆粒組成的鐵粉。顆粒尺寸在0.05mm至0.15mm之間，并且顆粒具有氧化物涂層，該涂層按顆粒重量計(jì)算包括0.3％-0.8wt％的氧。氧化物涂層可以通過(guò)在空氣中加熱或通過(guò)化學(xué)氧化得到，但是沒(méi)有公開(kāi)任何工藝參數(shù)和包覆粉粒的分析。根據(jù)一些例子可以計(jì)算出，所得到的磁導(dǎo)率的范圍為30-35。
歐洲專(zhuān)利申請(qǐng)434669涉及一種磁粉，其中，電絕緣涂層將磁粉顆粒分開(kāi)。顆粒具有10-300μm的平均顆粒尺寸，并且包覆磁粉的每個(gè)顆粒的絕緣材料包括厚度為10μm或更小的連續(xù)絕緣膜，而且此膜包括一金屬酚鹽或其分解產(chǎn)物。
WO 95/29490公開(kāi)了通過(guò)采用一種以水中的磷酸為基礎(chǔ)的方法得到的絕緣層。
最后，DE專(zhuān)利3439397公開(kāi)了由磷酸鹽涂層電絕緣的鐵顆粒。這種涂層可以例如是磷酸鎂或磷酸鋅。絕緣的磷酸鹽涂層應(yīng)當(dāng)為鐵顆粒的重量的0.1％-1.5％。此公開(kāi)文獻(xiàn)的例1較詳細(xì)地披露了這種電絕緣的涂層是通過(guò)在濃度為89％的磷酸在丙酮中的溶液中攪拌鐵粉而得到的。按照WO專(zhuān)利申請(qǐng)的粉末和按照DE專(zhuān)利的粉末之間的比較性研究表明，按照DE專(zhuān)利的絕緣層包括比按照WO申請(qǐng)的粉末多得多的氧和磷。
現(xiàn)在已經(jīng)非常意外地發(fā)現(xiàn)，通過(guò)采用按照本發(fā)明的新的低氧粉末可以得到顯著改進(jìn)的性能。這些性能包括強(qiáng)度、密度、磁感和磁導(dǎo)率，同時(shí)有較低的損耗。
新的粉末以一種基體粉末為基礎(chǔ)，它主要由純鐵組成并且可以例如是可從市場(chǎng)上得到的水粉碎鐵粉或具有圓的，不規(guī)則的或扁平的顆粒的海綿鐵粉?？梢允褂玫牟灰?guī)則的、水粉碎的鐵粉的典型例子為可以從瑞典Hgans公司得到的ABC 100和ASC100系列的粉末。基體粉末的顆粒尺寸取決于粉末的預(yù)定最終用途并且通常小于200μm，而且最好小于150μm。對(duì)于較高的頻率，優(yōu)選小于45μm的顆粒尺寸。更為優(yōu)選的是，多數(shù)鐵基粉末的顆粒應(yīng)有大于10μm的顆粒尺寸。
按照本發(fā)明，此基體粉末設(shè)有一氧涂層或隔離層，其與眾不同的新特征在于，新粉末的氧氣量只比基體粉末的略高一些。更具體一些，新粉末中的氧氣量按重量百分比計(jì)比基體粉末中的至多多0.2％，最好至多多0.15％。
可以認(rèn)為，對(duì)于新粉末的性能來(lái)說(shuō)，顆粒的表面結(jié)構(gòu)和成分是重要的，為此，曾經(jīng)用FSCA法研究了新粉末(參看“第六屆國(guó)際X射線光學(xué)和微量分析會(huì)議會(huì)刊”東京大學(xué)出版社，1972,385～392頁(yè)和393～398頁(yè)；或Anthony R.west著的“固體化學(xué)及其應(yīng)用”，由John willey and sons出版社出版1984，第86頁(yè)和第92～96頁(yè))。按照此方法，O∶P比此應(yīng)當(dāng)小于30并大于1。此比例最好應(yīng)小于15，且大于2，小于10并大于3更好。
新粉末的顆粒的表面膈離層的另一重要特征為厚度，而且通過(guò)使用AES方法(參看上面所引用的出版物“固體化學(xué)及其應(yīng)用”)已發(fā)現(xiàn)，絕緣膈離層或涂層應(yīng)當(dāng)小于100nm，最好小于70nm，更好的是小于50nm。
按照本發(fā)明的絕緣涂層是通過(guò)以一段足以得到所要求的量的時(shí)間用有機(jī)溶劑中的磷酸處理基體粉末而施加在基體粉末上的。磷酸在有機(jī)溶劑中的濃度應(yīng)當(dāng)大大地低于在DE專(zhuān)利中公開(kāi)的濃度并在0.5％～50％之間變化，最好在0.5％～20％之間變化，更好一些在1％～5％之間變化。新粉末可以通過(guò)在一段足以達(dá)到上述水平的時(shí)間內(nèi)將磷酸溶液噴射在基體粉末上而得到。磷酸的濃度最好應(yīng)當(dāng)小于按重量計(jì)的l0％，更好一些小于5％。
按照本發(fā)明的新的鐵基粉末在壓實(shí)步驟之前可以與按重量計(jì)為0.1％～1.0％的潤(rùn)滑劑和任選的一種有機(jī)熱固性或熱塑性樹(shù)脂結(jié)合。潤(rùn)滑劑的代表性例子為Kenolube、H蠟、EBS和像硬脂酸鋅這樣的硬脂酸鹽。有機(jī)樹(shù)脂可以從由Peracit、Ultem組成的組中選取。
壓實(shí)可以在最高達(dá)1000Mpa的傳統(tǒng)壓力下進(jìn)行，而且壓實(shí)可在環(huán)境溫度或高溫下進(jìn)行。
本發(fā)明進(jìn)一步地由下列試驗(yàn)說(shuō)明。
使1kg在市場(chǎng)上可從瑞典Hgans公司得到的粉末ABC100。30的試樣分別通過(guò)使用在水和乙醇中的正磷酸而受到涂層處理。在一段足以得到氧和磷的涂層或膈離層的時(shí)間內(nèi)，將其量在2.5～120ml/kg間變化的溶液噴射在鐵基粉末上隨后干燥所有的試樣，以便去掉溶劑。所得到的粉末的ESCA分析顯示，通過(guò)使用水溶液得到的粉末的O∶P比(原子％O∶原子％P)約為30，而且通過(guò)采用按照本發(fā)明的方法得到的同樣比例在5～10之間變化。
對(duì)試樣的化學(xué)分析表明，通過(guò)使用水溶液得到的粉末的氧含量要比基體粉末中的高0.2％以上，而通過(guò)采用按照本發(fā)明的方法得到的粉末的氧含量要比基體粉末中的高0.2％以下。試樣的AES分析表明，所有試樣的氧化物厚度均小于100nm。
下表綜合了用由A指代的新粉末得到的數(shù)據(jù)，以與本發(fā)明范圍以外的粉末比較。
表1
采用以單色Al作為X射線源的KRATOS AXIS HS光譜儀的ESCA測(cè)量O/P比，Kα=1486.6eV；-39.5nm。
O和P的量用化學(xué)分析測(cè)量。
參考B是根據(jù)在WO 95/29490中公開(kāi)的方法用水溶液制備的試樣。
表2公開(kāi)了與本發(fā)明范圍以外的粉末相比，用從新型粉末制備的材料得到的濕強(qiáng)度和密度。粉末在800Mpa下壓實(shí)并加入0.6％的Kenolube作為潤(rùn)滑劑。
表2
參考C是按照DE專(zhuān)利3439397制備的試樣。


圖1示出了按照本發(fā)明的低氧粉末在用低氧粉末制備的試樣的磁性能方面的改進(jìn)效果。粉末曾經(jīng)用其由ESCA方法測(cè)量的O/P比定義。試樣通過(guò)在800MP下壓實(shí)粉末并在500℃加熱壓實(shí)的試樣30min而制備?！皡⒖糂”代表通過(guò)對(duì)同樣的鐵基粉末采用水處理而得到的結(jié)果。可以看出，采用按照本發(fā)明的新的低氧鐵可以得到驚人的改進(jìn)。
圖2公開(kāi)了作為圖1中示出的試樣的總含氧量的函數(shù)的改進(jìn)效果。
權(quán)利要求
1．一種低氧粉末，包括主要由具有絕緣的含氧和含磷膈離層的純鐵構(gòu)成的基體粉末的顆粒，其特征為，粉末的含氧量按重量計(jì)至多比基體粉末的含氧量高0.2％，并且用ESCA方法測(cè)量，O∶P比在30和1之間，較好地是在15和2之間，最好在10和3之間。
2．如權(quán)利要求1所述的低氧粉末，其特征為，基體粉末為海綿鐵粉或水粉碎的鐵粉。
3．如權(quán)利要求1或2所述的低氧粉末，其特征為，用AES方法測(cè)量，氧膈離層的厚度至多為100nm。
4．一種用于制備鐵基粉末的方法，它包括下列步驟制備由水粉碎鐵粉或海綿鐵粉構(gòu)成的基體粉末，用磷酸在有機(jī)溶劑中的溶液處理混合物并干燥所得到的混合物，其特征為，在混合的同時(shí)將磷酸溶液噴射到基體粉末上。
5．如權(quán)利要求4所述的方法，其特征為，磷酸在有機(jī)溶劑中的濃度在按重量計(jì)為0.5％～20.0％之間變化，最好在按重量計(jì)為0.5％～5％之間變化。
6．如權(quán)利要求4或5所述的方法，其特征為，有機(jī)溶劑是從包括乙醇和丙酮的組中選取的。
7．如權(quán)利要求4至6中的任一項(xiàng)所述的方法，其特征為，在一段足以提供一按AES方法測(cè)量至多為100nm的絕緣涂層的時(shí)間里將磷酸溶液噴射到鐵基粉末上。
8．如權(quán)利要求4至7中的任一項(xiàng)所述的方法，其特征為，在一段足以提供按重量計(jì)最多比基體粉末的含氧量高0.2％的粉末的含氧量的時(shí)間里，將磷酸溶液噴射到鐵基粉末上。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種新穎的低氧粉末,它包括主要由具有絕緣的含氧和含磷隔離層的純鐵構(gòu)成的基體粉末的顆粒。新粉末的含氧量按重量計(jì)至多比基體粉末的含氧量高0.2%,并且在用ESCA方法測(cè)量時(shí),O:P比為30～1,最好為15～12,更好為10～3。本發(fā)明還涉及一種制備鐵基粉末的新方法,它包括下列步驟:制備由水粉碎鐵粉或海綿鐵粉構(gòu)成的基體粉末;用磷酸在有機(jī)溶劑中的溶液處理混合物并干燥得到的混合物,由此在混合的同時(shí)將磷酸溶液噴射到基體粉末上。
文檔編號(hào)B22F9/16GK1211943SQ9719245
公開(kāi)日1999年3月24日 申請(qǐng)日期1997年2月19日 優(yōu)先權(quán)日1996年2月23日
發(fā)明者帕特里西亞·詹森, 拉爾斯－艾克·拉爾森 申請(qǐng)人:赫加奈斯公司