专利名称：：软磁性复合材料的制作方法
技术领域：
：本发明涉及到一种新型软磁性复合材料。具体说，本发明涉及到一种软磁特性得到提高的新型软磁性复合材料的制备方法。
背景技术：
：软磁材料有许多应用，诸如用作电感器、电机中的定子和转子、致动器、传感器和变压器芯中的芯材料。传统上，诸如电机中的转子和定子等软磁芯是由堆叠的钢片构成的。然而，在过去的几年中，对所谓的软磁复合(SoftMagneticComposite,SMC)材料产生了很大的兴趣。所述SMC材料基于软磁颗粒，所述软磁颗粒通常是4失基的，并且在每个颗粒上都有一层电绝缘层。使用传统的粉末冶金过程，通过对所述绝缘了的颗粒可选择地连同润滑剂和/或粘合剂进行压制，可以得到SMC部件。与使用钢片相比，使用粉末冶金4支术可以制备出在SMC部件的设计中具有更高自由度的材料，因为SMC材料可以载有三维磁通，并且使用压制过程可以获得三维形状，由于对SMC材料的兴趣的增加，SMC材料软磁特性的提高就成为仔细研究的课题，以便使这些材料的使用得到扩展。为了实现这种提高，正在不断地开发新的粉末和过程。除了软磁特性外，好的机械特性也是非常基本的。在这点上，对压制的复合体进行蒸汽处理给出了有希望的结果，如在美国专利6，485，579中所公布的。根据本发明发现，设若有关粉末和润滑剂的类型以及工艺参数的某些条件得到满足，那么，进行蒸汽处理不仅给出有关机械特性，而且给出有关软磁特性的意想不到的好结果。简言之，与所述美国专利所乂>布的发明相对照发现，在要进行压制的铁或M成分中所使用的润滑剂应该具有有机属性，并且在进行蒸汽处理之前该润滑剂应该蒸发掉，在压制件内不留下任何残余物。
发明内容本发明涉及一种制造软磁性复合部件的方法，该方法包括的步骤有-对粉末组分进行模具压制成型，所述粉末组分包含软磁性铁或铁基粉末、以及有机润滑剂的混合物，其中所述铁或M粉末的芯颗粒由电绝缘的无机涂层所包围，有机润滑剂的量占所述组分重量的0.05到1.5%，所述有机润滑剂不含金属，并且其蒸发温度小于所述涂层的分解温度；-将压制件从所述才莫具中弹出；-将所述压制件在非还原性气氛中加热到高于所述润滑剂的蒸发温度而低于所述无机涂层的分解温度的某个温度，用来从所述压制件中去除所述润滑剂，以及-在水汽中在300。C到600'C之间的某个温度上对所获得的压制件进行热处理。根据本发明，通过粉末冶金技术可以制备具有出色的机械和磁性特性的压制件。这些压制件以其出色的特性而与众不同，例如，其横向断裂强度至少为100MPa，磁导率至少为700,1特斯拉和400Hz下的芯损失最多为70W/kg,更进一步地说，其横向断裂强度至少为120MPa，磁导率至少为800，1特斯拉和400Hz下的芯损失最多65W/kg。具体实施例方式根据本发明所使用的软磁粉末由铁或含有铁的合金构成。所述软磁粉末优选基本上由纯铁构成。这种粉末可以是例如商用水雾化或气雾化《失粉或还原铁粉，诸如海绵铁粉。根据本发明可以使用的优选电绝缘层为具有美国专利6,348,265中所述类型的薄的含磷层或阻挡层，该专利通过引用结合在这里。其它类型的绝缘层在例如美国专利6,562,458和6,419,877中给出。具有绝缘了的颗粒并且根据本发明是适合的起始材料的粉末可以是例如瑞典的H6ganasAB所生产的Somaloy500和Somaloy700。迄今为止，在具有粗颗粒的粉末上获得了非常有趣的结果，其中这种粉末的平均颗粒尺寸在106到425微米之间。更具体地说，至少20%的颗粒其颗粒尺寸优选在212孩t米以上。铁或铁基粉末合成物中所用的润滑剂的类型是很重要的，该润滑剂从这样的有机润滑物质中选择，该润滑物质在高于环境温度而低于无机电绝缘涂层的分解温度的温度上蒸发，不会留下任何对所述无机绝缘材料有害的残留物，也不会留下可以堵塞孔洞从而阻止本发明中随后的氧化过程的残留物。通常在铁或4A^粉末的模具压制成型中使用的金属皂会在该部件中留下金属氧化物残留物，所以是不合适的。广泛使用的硬脂酸锌(Zn-stearate)例如会留下氧化锌，这对例如含磷绝缘层的绝缘特性会产生有害的影响。当然，根据本发明所使用的润滑剂中可以存在杂质和金属的痕迹。适合做润滑剂的有机物包括脂肪醇、脂肪酸、脂肪酸的衍生物、以及蜡。优选脂肪醇的例子有硬脂醇(stearylalcohol)、山嵛醇(behenylalcohol)、以及它们的组合。也可以使用饱和脂肪酸或不饱和脂肪酸的伯酰胺和仲酰胺(primaryandsecondaryamides),例如》更脂酸酰胺(Stearamide)、芥酸硬脂酸酰胺(erucylstearamide)、以及其组合。所述蜡优选从聚亚烃基蜡(polyalkylenewaxes)中选择，诸如乙撑双硬脂酰胺(EthyleneBis-Stearamide)。此外，尽管润滑剂可以以其它形式存在，但优选该润滑剂存在于要被压制成特殊形状的所述合成物中。所用润滑剂的量可以变化，通常为待压制合成物重量的0.05-1.5%,优选为0.05-1.0%,更优选为0.05-0.7%,最优选为0.05-0.6%。润滑剂的量少于0.05%会产生差的润滑性能，导致弹出部件和才莫具壁的表面划伤，并且主要是由于该部件表面绝缘层的损坏而导致压制件电阻率的降4氐。另外，表面划伤了的部件的表面孔洞的堵塞情况较严重，这反过来会阻止润滑剂自由地蒸发。因此，在随后的涉及在蒸汽(即水蒸汽)中进行氧化的步骤中，这种润滑剂去除得不干净的部件不易使蒸汽穿透并通体氧化该压制件。因此会导致强度低以及电阻率差。如果在达到足以使无机绝缘层变坏的温度之前蒸汽已经穿透并通体氧化了压制件的话，那么所述压制件的无机绝缘层，从而其电阻率，就可以在高温下得到更好的保护。润滑剂的量多于1.5%则会改善弹出特性，但一般会导致压制件的压坯密度太低，从而使磁感应强度和磁导率低得不能接受。压制可以在室温或在高温下进行。因此，粉末和/或压模在压制前可以预热。迄今为止，将模具加热到一个受控的并且是预定的高温，在这样的高温下进行压制所获得的结果最令人感兴趣。合适地将模具温度调节到最高60r的温度，在所用润滑物质的熔化温度之下。对于例如硬脂酸酰胺，优选的模具温度为60-100°C，因为硬脂酸酰胺在约IOO'C时熔化。压制通常在400到2000Mpa下进行，优选在600到1300Mpa下进4亍。随后，在高于润滑剂的蒸发温度但低于无机绝缘涂层的分解温度的温度下对压制件进行热处理以便去除润滑剂。对于许多目前所使用的润滑剂和绝缘层来说，这意味着蒸发温度应该小于500。C,适合在200到"0'C之间。到目前为止，在蒸发温度小于400'C的润滑剂上获得了最令人感兴趣的结果。然而，本发明所述的方法具体不限于这些温度，在不同步骤中所使用的温度基于电绝缘层的分解温度和润滑剂的蒸发温度之间的关系来确定。蒸发处理优选在惰性气氛(诸如氮气)中进行。然而，在某些条件下，在氧化气氛(诸如空气)中蒸发有机润滑剂更有意义。在这种情形中，所述蒸发过程应该在比铁或g颗粒的表面发生明显氧化的温度低的温度下进行，以防止表面孔洞的堵塞，而表面孔洞的堵塞会俘获未蒸发的润滑剂或者会在该部件内留下润滑剂的分解物。这意味着，与目前所使用的磷基无机涂层一道使用的润滑剂在例如空气中的蒸发温度应该低于400'C，最好在200到350'C之间。因此，对于蒸发温度较高(高于约350X:)的润滑剂，去除润滑剂的过程必须在惰性气体气氛中进行，以避免表面孔洞的预氧化。，在300'C到600X:之间的某个温度上对去除了润滑剂的部件进行蒸汽处理。处理时间通常在5到120分钟之间变化，优选在5到60分钟之间。如果在低于30ox:的温度下进行蒸汽处理，那么，获得足够强度所需的时间会长得不可接受。另一方面，如果压制件的蒸汽处理在高于约600匸的温度下进行，那么无机绝缘层会受到损害。因此，蒸汽处理的时间和温度由熟悉本技术的人员根据所希望得到的强度、润滑剂的类型和电绝缘涂层的类型来适合地确定。本发明所优选使用的水蒸汽可以是分压为一个大气压的超热蒸汽。如果超热蒸汽被加压的话，有望得到改进的效果，即得到较短的处理时间或较厚的氧化层。为了就压制件的机械强度、磁性特性和表面外观获得最好的结果，应该小心地保证所述蒸汽不被稀释或污染。不需要使用任何具体的理论就可以知道，蒸汽处理对g颗粒的表面具有特殊的氧化效果。所述氧化过程开始于压制件的表面，然后向里朝着压制件的中心穿透。才艮据本发明的一个实施例，在所有颗粒的表面都经受了所述特殊的氧化处理之前所述氧化过程就停止了。在这种情形中，氧化了的外壳就包围住未氧化的芯(参见图1)。假设压制件的机械强度达到了某个可接受的水平，那么在压制件通体被完全氧化之前可以停止氧化处理。这意味着有可能相对于芯的损失优化机械强度和磁导率。氧化了的材料使得强度和磁导率得到提高，但芯的损失也较高一点。所述过程可以间歇式进行，也可以在炉子中连续进行，所述炉子可以由例如JBFurnaceEngineeringLtd、SARNESIngenie訓OHG、FluidthermTechnologyP.Ltd等提供。从下面的例子中可以看到，采用本发明所述的方法所获得的软磁性复合部件就横向断裂强度、电阻率、磁感应强度、磁导率而言具有4艮好的特性。图1显示了使用瑞典H6ganUsAB所提供的纯铁粉末Somaloy⑧500和Somaloy700才艮据本发明所制造的不同部件的不同的截面图。这些粉末的颗粒由含磷层来绝缘。在图1中显示了完全被氧化了的部件和具有氧化外壳的部件。图2显示了具有不同润滑剂的压制件的热解重量分析。例子通过下面的非限定性例子来进一步说明本发明。例1使用Somaloy700作为起始材料。根据表1,所述起始材料与不同量(0.2-0.5wt%)的有机润滑剂、硬脂酸酰胺相混合。将不同西己方的材料压制(600-1100MPa)成内径45mm、外径55mm、高5mm的环形样品，以及压制成"横向断裂强度，，样品(TRS样品)，其密度如表1所指定的。将模具温度控制为80X:的温度以及室温(样品E)。在压制成型后，将样品弹出模具，并在300*€下在空气中对其进行热处理20分钟，随后在520'C下进行蒸汽处理45分钟。使用一种样品作为参考，该样品含0.3%硬脂酸酰胺，在800MPa下压制后，在空气中在520'C下进行单步骤的热处理30分钟。根据ISO3995对TRS样品测量横向断裂强度。使用Brockhaus的迟滞回线仪对带有100匝驱动线圈和100匝检测线圏的环形样品测量磁性特性。测量了在4kA/m的外加电场下的最大磁导率。表l<table>complextableseeoriginaldocumentpage9</column></row><table>Ml可以看到，与只在空气中进行了热处理的参考部件相比，当部件(样品A到G)根据本发明进行了蒸汽处理时，可以获得非常高的TRS值和非常高的最大磁导率。此外，使用未加热的模具时，得到的密度较低，磁性特性稍差一点(样品E)。例2Somaloy700粉末与0.4wt。/。的硬脂酸酰胺混合，使用例1中的才莫具温度80。C，在800Mpa的压强下进行压制(密度7.53g/cm3)。在惰性气体气氛中在300"C下对这些样品(D、H和I)进一步进行20分钟的热处理，随后再分别在300"C、520t;和620'C的温度下进行蒸汽处理。按照例1那样测量磁性和机械特性。使用四点测量法在环形样品上测量电阻率。在l特斯拉和400Hz下测量总的芯损失。表2<formula>complextableseeoriginaldocumentpage10</formula>M2中可以看到，在蒸汽中在很大范围的热处理温度下(300'C到620X:)都获得了高的TRS值。然而，低的蒸汽处理温度产生较弱的材料弛豫，这导致较高的芯损失(样品H)。更低的温度(小于300°C)会导致没有氧化效应发生或处理时间长得不可接受。相反，太高的温度会损害绝缘层，并产生不可接受的低电阻率以及差的磁性特性(例如芯损失)(样品I)。例3Somaloy⑧700粉末分别与0.5wt。/。的硬脂酸酰胺、EBS蜡和硬脂酸锌混合，并压制到密度为7.35g/cm3。分别在350"C的空气中和在440"C的氮气气氛中对这些样品(J、K和L)进一步进行45分钟的热处理。随后，对去除了润滑剂的部件在530'C下进行30分钟的蒸汽处理。按照例1和例2那样测量磁性和机械特性，并将结果列在下面的表3中。表3<table>Complextableseetheoriginaldocumentpage11<table>*乙撑双硬脂酰胺(Acrawax)>^3中可以看到，进行蒸发的气氛和温度是非常重要的。根椐本发明，润滑剂应该蒸发掉，基本上不留下残余物，以〗更在蒸汽处理后获得具有高强度和高电阻率的压制件。在惰性气体和在空气中在300"C以上硬脂酸酰胺(样品J)被完全蒸发。优选采用最低可能的蒸发温度，因为这样会使电阻率提高，从而使芯损失较低。根据表3，EBS蜡(样品K)在空气中在350*€时不能被蒸发掉，但在氮气中在400'C以上时可以从压制件中去掉。>^3中可以看到，含有金属的润滑剂不能给出满意的结果，对于不同的有机润滑剂来说，气氛的类型和温度的选择很重要。对于润滑剂/绝缘层的每种组合，本领域技术人员可以确定合适的气氛和温度。例4Somaloy700粉末与0.3wt%的山杳醇(NACOL22-98)混合，在模具温度为55。C、压强为800MPa下进行压制。根据表4，在用于蒸发润滑剂的各种温度下在惰性气体气氛中对样品(M、N和O)进行30分钟的进一步热处理，随后在520'C下进行45分钟的蒸汽处理。表4<table>complextableseeoriginaldocumentpage12</column></row><table>按照例1和例2那样测量磁性和机械特性。表4显示了使用正确的润滑剂蒸发温度的重要性。蒸发温度太低会使润滑剂去除得不彻底，并使表面孔洞被堵塞(样品M)。相反，太高的蒸发温度(样品O)会使绝缘涂层在高温下暴露一段不必要长的时间，导致电阻率较低。例5Somaloy700粉末与0.5wt%的八种不同润滑剂相混合，这些样品在800Mpa下进行压制。所用的润滑剂为山嵛醇、硬脂酸酰胺、乙撑X5U更脂酰胺(EBS)、芥酸硬月旨酸酰胺(eurcylstearamide)、油酸酰胺、聚乙烯蜡(Mw=655g/mol,PW655)、聚酰胺(Orgasof3501)、以及硬脂酸锌。对这些样品(每个样品重0.68克)进行热解重量分析(thermogravimetricanalysis,TGA)。该TGA测量的是在受控气氛中作为温度(或时间)的函数的材料的重量变化。在氮气气氛中采用10'C/min的加热速率在20到500。C之间记录TGA曲线，并将结果示于图2。正如所看到的，对于各种润滑剂，润滑剂的蒸发进程不同。样品P、Q、R和S所含的润滑剂具有相对较4氐的沸点。这些润滑剂主要作为蒸气而挥发掉，并为压制件留下了干净的孔结构。另一方面，样品T、U和V所含的润滑剂在高于450'C的温度下才蒸发，所以在这种情形中不适合使用。样品W中的硬脂酸锌在低于450X:的温度下会完全蒸发，但会留下ZnO残余物。因此，样品W不在本发明的范围内。表5显示了针对所述样品的不同润滑剂在惰性气氛中蒸发的温度范围。样品P到S所包含的润滑剂具有适合与所测试粉末一起使用的蒸发温度。表5<table>complextableseeoriginaldocumentpage13</column></row><table>例6根据表6，Somaloy700粉末与0.5wt%的金属有机润滑剂混合，在模具温度为80。C、压强为800MPa下进行压制。在空气中在300'C的温度下对所述样品进行20分钟的进一步热处理，随后在520'C下进行45分钟的蒸汽处理。按照例1和例2那样测量磁性和机械特性，并将结果列在下面的表6中。表6<table>complextableseeoriginaldocumentpage13</column></row><table>从表6中可以看到，与采用硬脂酸酰胺制备的样品G相比，具有不同金属含量的润滑剂(样品X、Y、Z)产生了较低的电阻率，因而产生了较高的芯损失。例7Somaloy700粉末与0.5wt%的EBS蜡(Acrawax)混合，并压制到密度为7.35g/cm3。根据本发明，一个样品(AA)首先在440'C的氮气气氛中进行45分钟的热处理。第二个样品(AB)不是先去掉润滑剂，而是根据美国专利6,485,579中所公开的方法直接进行蒸汽处理。这些样品的蒸汽处理在500'C的最高温度下进行30分钟按照例1和例2那样测量磁性和机械特性。表7<table>complextableseeoriginaldocumentpage14</column></row><table>*根据美国专利6，485，579中的描述>M>7中可以看到，样品AA的高的机械强度和出色的电阻率表明，根据本发明在蒸汽处理前去掉润滑剂可以给出出色的性能，而样品AB给出了相对较低的电阻率和机械强度。对于所使用的润滑剂(不含金属的润滑剂，在本例中为EBS蜡)而言，蒸汽处理的成功依赖于去润滑剂步骤。例8在本例中，使用瑞典的H6ganasAB所生产的Somaloy500粉末，其平均颗粒尺寸小于Somaloy700的平均颗粒尺寸。Somaloy500粉末与0.5wt。/Q的硬脂酸酖胺或1^11011^6@混合，并在模具温度为80r、压强为800MPa下进行压制。根据本发明，两个样品(AC和AD)在惰性气体中在300。C的温度下进行20分钟的进一步热处理，随后在520"C下进行45分钟的蒸汽处理。按照例1那样测量磁性和机械特性。表8<table>complextableseeoriginalpage15</column></row><table>*根据美国专利6,485,579中的描述表8清楚地表明，根据本发明采用较细的Somaloy⑧500粉末连同不含金属的润滑剂所制备出来的部件(样品AC)具有高的强度和可以接受的芯损失。很清楚，与样品AD相比，样品AC具有更好的TRS值、电阻率、磁导率以及芯损失。权利要求1.一种制造软磁性复合部件的方法，该方法包括的步骤有对粉末组分进行模具压制成型，所述粉末组分包含软磁性铁或铁基粉末、以及有机润滑剂的混合物构成，其中所述铁或铁基粉末的各个芯颗粒由电绝缘的无机涂层所包围，所述有机润滑剂的量占所述组分重量的0.05到1.5％，所述有机润滑剂不含金属，并且其蒸发温度低于所述涂层的分解温度；将所述压制件从所述模具中弹出；将所述压制件在非还原性气氛中加热到高于所述润滑剂的蒸发温度而低于所述无机涂层的分解温度的温度，用来从所述压制件中去除所述润滑剂，以及在水汽中在300℃到600℃之间的温度上对所获得的压制件进行热处理。2.根据权利要求l所述的方法，其中，所述压制过程在高温下进行，并且可选择地采用预热的粉末。3.根据权利要求2所述的方法，其中，所述压制过程在比所述有机润滑剂或多种有机润滑剂的熔化温度最多低60X:、优选最多低40"C、最优选的是最多低30C的温度下进行。4.根据权利要求l-3中的任何一项权利要求所述的方法，其中，所述非还原性气氛为惰性气体或空气。5.根据权利要求l-4中的任何一项权利要求所述的方法，其中，所述润滑剂的蒸发温度低于500'C，优选低于450'C，最优选的是低于400'C。6.根据权利要求l-5中的任何一项权利要求所述的方法，其中，在氧化气氛中所述润滑剂的蒸发温度低于400X:，优选低于350'C，最优选是低于300。C。7.根据权利要求l-6中的任何一项权利要求所述的方法，其中，在水汽中的所述热处理(蒸汽处理)在低于550。C的温度下进行。8.根据权利要求l-7中的任何一项权利要求所述的方法，其中，所述芯颗粒基本上由纯铁构成。9.根据权利要求l-8中的任何一项权利要求所述的方法，其中，将各个所述芯颗粒绝缘的无机涂层包含磷。10.根据权利要求1-9中的任何一项权利要求所述的方法，其中，所述绝缘了的粉末颗粒的平均颗粒尺寸介于106到425微米之间。11.根据权利要求1-10中的任何一项权利要求所述的方法，其中，所述绝缘了的粉末颗粒中至少20%的颗粒的大小超过212微米。12.根据权利要求l-ll中的任何一项权利要求所述的方法，其中，所述润滑剂的量占所述组分重量的0.05到1.0%，优选为占0.05-0.7%，最优选是占0.05-0.6%。13.根据前述权利要求中的任何一项权利要求所述的方法，其中，所述润滑剂从饱和或非饱和脂肪酸的伯酰胺和仲酰胺或其组合所构成的组中选择。14.根据前述权利要求中的任何一项权利要求所述的方法，其中，所述润滑剂从饱和或非饱和脂肪醇所构成的组中选择。15.根据前述权利要求中的任何一项权利要求所述的方法，其中，所述润滑剂从硬脂酸酰胺、芥酸硬脂酸酰胺和山嵛醇所构成的组中选择。16.根据前述权利要求中的任何一项权利要求所述的方法，其中，所述润滑剂从诸如乙撑双硬脂酰胺的酰胺蜡所构成的組中选择。17.根据前述权利要求中的任何一项权利要求所制备的软磁性复合部件，具有氧化了的外壳和未氧化的芯。18.—种软磁性复合部件，其横向断裂强度至少为100MPa，磁导率至少为700，在1特斯拉和400Hz下的芯损失最多为70W/kg。19.一种软磁性复合部件，其横向断裂强度至少为120MPa，磁导率至少为800，在1特斯拉和400Hz下的芯损失最多为65W/kg。全文摘要本发明涉及一种制造软磁性复合部件的方法，该方法包括的步骤有对粉末组分进行模具压制成型，所述粉末组分由软磁性铁或铁基粉末、以及有机润滑剂的混合物构成，其中所述铁或铁基粉末的芯材料由电绝缘的无机涂层所包围，有机润滑剂的量占所述组分重量的0.05到1.5％，所述有机润滑剂不含金属，并且其蒸发温度低于所述涂层的分解温度；将所述压制件从所述模具中弹出；将所述压制件在非还原性气氛中加热到高于所述润滑剂的蒸发温度而低于所述无机涂层的分解温度的某个温度，用来从所述压制件中去除所述润滑剂，以及在水汽中在300℃到600℃之间的温度上对所获得的压制件进行热处理。本发明也涉及一种软磁性复合部件，其横向断裂强度至少为100MPa，磁导率至少为700，在1特斯拉和400Hz下的芯损失最多70W/kg。文档编号H01F1/24GK101199030SQ200680021711公开日2008年6月11日申请日期2006年6月15日优先权日2005年6月15日发明者B·斯卡尔曼,P·扬松,舟叶申请人:霍加纳斯股份有限公司