ПОРОШКОВЫЕ МЕТАЛЛОПОЛИМЕРНЫЕ КОМПОЗИТЫ
METALLURGICAL POWDER METAL-POLYMER COMPOSITES

Область техники, к которой относится изобретение
Данное изобретение относится к новому способу изготовления композитной детали. Способ включает стадию уплотнения порошковой композиции с образованием уплотненной заготовки, последующую стадию термообработки, посредством которой образуется структура с открытыми порами, и последующую стадию инфильтрации. Изобретение также относится к композитной детали.
Уровень техники
Магнитомягкие материалы могут быть использованы для материалов сердечников в индукторах, статорах и роторах для электрических машин, исполнительных механизмов, датчиков и сердечниках трансформаторов. Обычно магнитомягкие сердечники, такие как роторы и статоры в электрических машинах, изготавливаются из ламинатов на базе стальных листов. Однако в последние несколько лет существует интерес к так называемым магнитомягким композиционным материалам (SMC). Магнитомягкие материалы основаны на магнитомягких частицах, обычно на базе железа, с электроизолирующим покрытием на каждой частице. Детали из магнитомягких материалов изготавливают уплотнением изолированных частиц, необязательно везде вместе со смазочными материалами и/или связующими, при использовании обычного процесса порошковой металлургии. Посредством использования технологии порошковой металлургии возможно изготовление материалов, обладающих более высокой степенью свободы в отношении конструктивных решений для деталей из магнитомягкого материала по сравнению с использованием ламинатов из стальных листов, так как такой магнитомягкий материал может переносить объемный магнитный поток и с помощью процесса уплотнения ему могут быть приданы объемные формы.
Вследствие повышенного интереса к магнитомягким материалам улучшение магнитных характеристик магнитомягких материалов является предметом интенсивных исследований, для того чтобы расширить область применения этих материалов.
Для того чтобы достигнуть такого улучшения, непрерывно разрабатываются новые порошки и способы.
3
Двумя ключевыми характеристиками железного сердечника являются его магнитная проницаемость и потери в сердечнике. Магнитная проницаемость материала является показателем его способности к намагничиванию или его способности к переносу магнитного потока. Проницаемость определяется отношением индуцированного магнитного потока к намагничивающей силе или напряженности поля. Когда магнитный материал подвергается воздействию переменного поля, такого как, например, переменное электрическое поле, то происходят потери энергии как на гистерезис, так и потери, обусловленные вихревыми токами. Потери на гистерезис обусловлены необходимостью затрат энергии на преодоление остаточных магнитных сил внутри железного сердечника и пропорциональны частоте, например, переменного электрического поля. Потери на вихревые токи обусловлены генерацией электрических токов в железном сердечнике вследствие изменения потока, вызванного переменным током, и пропорциональны квадрату частоты переменного электрического поля. Соответственно, желательно высокое электрическое удельное сопротивление, чтобы минимизировать вихревые токи, что особенно важно в случае повышенных частот, таких как, например, выше примерно 60 Гц. Для того чтобы уменьшать потери на гистерезис и увеличить магнитную проницаемость сердечника, обычно требуется термообработка уплотненной детали, в результате чего снижаются механические напряжения, индуцированные уплотнением. Кроме того, чтобы достигнуть желательных магнитных свойств, таких как высокая магнитная проницаемость, высокая индукция и низкие потери в сердечнике, часто требуется высокая плотность уплотненной детали. Высокая плотность здесь определяется как плотность выше 7,0, предпочтительно, выше 7,3 и наиболее предпочтительно, примерно 7,5 г/см для уплотненной детали на базе железа.
В дополнение к магнитомягким свойствам, важны также соответствующие механические свойства. Высокая механическая прочность часто является необходимым условием, чтобы избежать образования трещин, расслаивания и выламывания материала и чтобы обеспечить хорошие магнитные свойства прессованных порошковых деталей, которые после уплотнения и термообработки подвергаются механическим обработкам. Также смазывающие свойства сетчатой структуры из импрегнированного полимера могут существенно увеличить срок службы режущих инструментов.
Для того чтобы обеспечить расширение сферы использования элементов из магнитомягких материалов, важным свойством является высокая прочность при повышенных температурах, например, для элементов, используемых в таких видах применения, как сердечники двигателей, катушки зажигания и инжекторные клапаны в автомобилях.
Посредством примешивания связующего к порошковому магнитомягкому материалу перед уплотнением может быть достигнута повышенная механическая прочность уплотненного и термообработанного элемента. В патентной литературе сообщается о нескольких видах органических смол, таких как термопластичные и термоотверждающиеся смолы, неорганических связующих, таких как силикаты или кремнийорганические смолы. Термообработка элементов с органической смолой в качестве связующего ограничивается сравнительно низкими температурами, ниже примерно 250°C, поскольку органический материал разрушается при температуре выше примерно 250°C. Механическая прочность элементов с органической смолой в качестве связующего при условиях окружающей среды высокая, однако ухудшается выше 100°C. Неорганические смолы могут быть подвергнуты более высоким температурам без изменения их механических свойств, однако использование неорганических связующих часто ухудшает свойства порошка, вызывая ухудшение способности к прессованию, способности к обработке, и такие связующие часто требуются в увеличенном количестве, что делает невозможным достижение повышенных величин плотности.
Патент США 6485579 описывает способ увеличения механической прочности элемента из магнитомягкого материала термообработкой данного элемента в присутствии водяного пара. Сообщается о более высоких значениях механической прочности по сравнению с элементами, термообработанными на воздухе, однако наблюдается увеличение потерь в сердечнике. Сходный способ описывается в WO 2006/135324, где достигнута высокая механическая прочность в сочетании с улучшенной магнитной проницаемостью при использовании смазочных материалов, не содержащих металл. Смазочные материалы испаряются в невосстановительной атмосфере перед воздействием на элемент водяного пара. Однако окисление частиц железа, когда элемент подвергается обработке паром, будет также увеличивать коэрцитивную силу и, соответственно, потери в сердечнике.
Импрегнирование, инфильтрация и уплотнение при литье под давлением или для элементов из порошкового металла (P/M), например, при использовании органической сетчатой структуры являются известными способами предотвращения коррозии поверхности или уплотнения пористой поверхности. Степень проникновения органической сетчатой структуры в значительной степени зависит от плотности и условий обработки деталей из порошкового металла и будет различной. Низкие величины плотности (<89% от теоретической плотности) и мягкие условия спекания или термообработки обусловливают более легкое проникновение и полное импрегнирование. Для высокоэффективных материалов, обладающих высокой плотностью и низкой пористостью, предпосылки для достижения полного импрегнирования ограничены.
Импрегнирование элементов из магнитомягкого материала для улучшения обрабатываемости при изготовлении деталей в соответствии с известным уровнем техники или для улучшения их коррозионной стойкости рассмотрена, например, в заявке на патент JP 2004178643, в которой жидкость для импрегнирования образована в основном маслами. Помимо того, что обрабатываемость при этом способе улучшается незначительным образом, он приводит к образованию маслянистых и скользких поверхностей, плохо пригодных для обращения с деталями. Масло не увеличивает существенным образом срок службы режущего инструмента, поскольку оно никоим образом не затвердевает. Аналогичным образом, неотвержденные или мягкие уплотнительные материалы имеют небольшую ценность для механической обработки. Надежный механизм отверждения для полимера вместе с высокой механической прочностью композитной детали является наилучшей гарантией подходящих характеристик механической обработки.
3
3
Патенты США 6331270 и 6548012 описывают способы изготовления магнитомягких элементов для переменного тока из непокрытых ферромагнитных порошков посредством уплотнения порошков вместе с подходящим смазочным материалом с последующей термообработкой. Также установлено, что для областей применения, требующих повышенную механическую прочность, элементы могут быть импрегнированы, например, эпоксидной смолой. Поскольку используются непокрытые порошки, то эти способы имеют ограниченное применение вследствие высоких потерь на вихревые токи, имеющих место в случае, если детали используются в видах применения с повышенными частотами, выше примерно 60 Гц. Патент США 5993729 рассматривает главным образом непокрытый порошок на базе железа и инфильтрацию в прессованные порошковые детали низкой плотности, изготовленные с использованием смазывания стенки матричной формы. Патент также упоминает порошки, частицы которых покрыты индивидуальным образом несвязующим электроизолирующим слоем, содержащим оксиды, который нанесен либо зольгелиевым способом, либо фосфатацией. Виды применения уплотненных магнитомягких элементов в соответствии с патентом США 5993729 ограничиваются функционированием при низких частотах, ниже примерно 60 Гц, вследствие низкого электрического удельного сопротивления. Помимо этого, окислительная термообработка порошка или прессованных порошковых деталей перед импрегнированием будут ограничивать или полностью предотвращать проникновение импрегнирующей жидкости в поры, особенно для прессованных порошковых деталей высокой плотности, выше примерно 7,0 г/см, и особенно выше примерно 7,3 г/см.
Цель изобретения
3
Целью данного изобретения является предоставление способа увеличения механической прочности термообработанных элементов (из магнитомягкого материала), в особенности элементов, имеющих плотность более примерно 89% от теоретической плотности (для элементов, изготовленных из порошков на базе железа с плотностью более примерно 7,0 г/см) и имеющих более низкую коэрцитивную силу по сравнению с деталями из прессованного порошкового магнитомягкого материала, в которых повышенная механическая прочность достигается обычной термообработкой в окислительной атмосфере.
Другой целью данного изобретения является предоставление способа изготовления импрегнированных элементов, обладающих как высокой плотностью, так и высокой механической прочностью при повышенных температурах, например, выше примерно 150°C.
Сущность изобретения
Вышеуказанные цели изобретения достигаются способом изготовления композитных деталей, данный способ включает стадии уплотнения порошковой композиции, содержащей смазочный материал, с образованием уплотненной заготовки; нагревания уплотненной заготовки до температуры выше температуры испарения смазочного материала, так что смазочный материал в основном удаляется из уплотненной заготовки, воздействия на полученную термообработанную уплотненную заготовку жидким полимерным композитом, содержащим наноразмерные и/или микроразмерные упрочняющие структуры, и затвердевания термообработанной уплотненной заготовки, содержащей жидкий полимерный композит, посредством сушки и/или посредством по меньшей мере одного отверждения.
Посредством воздействия на термообработанную уплотненную заготовку жидкого полимера, содержащего наноразмерные и/или микроразмерные упрочняющие структуры, данный жидкий полимерный композит может импрегнировать и/или проникать в термообработанную уплотненную заготовку, также в случае, если уплотненная заготовка содержит небольшие полости. Посредством последующего затвердевания термообработанной уплотненной заготовки, содержащей жидкий полимерный композит, создается взаимопроникающая сетка, содержащая наноразмерные и/или микроразмерные упрочняющие структуры, что приводит в результате к образованию термообработанной уплотненной заготовки с повышенной механической прочностью и улучшенной обрабатываемостью, по сравнению с обычными способами импрегнирования и/или инфильтрации.
Органическая взаимопроникающая сетка по данному изобретению обеспечивает возможность получения, помимо повышенной механической прочности, также улучшенной способности к обработке, по сравнению с обычными способами импрегнирования или инфильтрации. Органический полимер может быть выбран, чтобы получить импрегнированную прессованную порошковую деталь с высокой механической прочностью при повышенных температурах, более примерно 100 МПа при примерно 150°C.
Данное изобретение обеспечивает возможность успешного импрегнирования прессованных порошковых деталей плотностью 98% или менее от теоретической плотности. Также введение взаимопроникающей сетки, которая может обладать смазывающими свойствами, с образованием уплотненной заготовки может существенно увеличить срок службы режущих инструментов и оборудования, используемого для обработки термообработанной уплотненной заготовки по сравнению с обычными способами импрегнирования и/или инфильтрации.
В варианте осуществления изобретения порошковая композиция также содержит магнитомягкий порошок, предпочтительно, магнитомягкие частицы на базе железа, при этом частицы также содержат электроизолирующее покрытие.
Соответственно, данным способом можно также изготавливать магнитомягкие детали/элементы и тем самым объединять повышенную механическую прочность термообработанной уплотненной заготовки с улучшенными магнитомягкими свойствами.
Помимо этого, способ может улучшить способность к обработке элемента из магнитомягкого материала, который может сохранить хорошие магнитные свойства после механической обработки.
Помимо этого, способ делает возможным изготовление импрегнированных магнитомягких элементов, обладающих как высокой плотностью, так и высокой механической прочностью. Увеличенные плотность и механическая прочность могут также проявляться при повышенных температурах, например, более примерно 150°C.
Помимо этого, изобретение, соответственно, предоставляет способ изготовления магнитомягкого композитного элемента, обладающего способностью к снижению шума или акустическому демпфированию, например, для шума, обусловленного динамическими усилиями, такими как магнитострикционные силы.
В варианте осуществления изобретения, упрочняющие структуры содержат углеродные нанотрубки, предпочтительно, одностенные углеродные нанотрубки.
Углеродные нанотрубки обеспечивают увеличенную прочность термообработанной уплотненной заготовки. Упрочняющие структуры могут быть химически функционализированы.
В варианте осуществления изобретения способ также включает стадию спекания термообработанной заготовки после термообработки уплотненной заготовки.
Таким образом, способ в соответствии с данным изобретением может быть применен, например, к спеченным деталям. Соответственно, данным способом могут быть также изготовлены элементы, подвергнутые нагреванию до температур, при которых происходит спекание. В случае спекания частицы порошка не нуждаются в покрытии.
Другие варианты осуществления способа описаны в подробном описании ниже вместе с зависимыми пунктами формулы изобретения и фигурами.
Помимо этого, изобретение также описывает композитную деталь.
3
В противоположность известным способам импрегнирования или инфильтрации, данное изобретение делает возможным полное проникновение жидкого полимерного композита в заготовки даже при их таких высоких плотностях как 7,70 г/см в случае прессованных порошковых деталей, изготовленных из порошков на базе железа. Импрегнированная прессованная порошковая деталь из магнитомягкого материала в соответствии с данным изобретением может, соответственно, проявлять неожиданно высокую механическую прочность в широком интервале от криогенных до высоких температур (например, более примерно 150°C), улучшенную способность к механической обработке и повышенную коррозионную стойкость.
Другой особенностью прессованных порошковых деталей из магнитомягкого материала, импрегнированного полимером, является способность к демпфированию акустических колебаний (т.е. снижению шума) в видах применения с высокой индукцией и при высокой частоте. Шум, обусловленный динамическими усилиями, такими как, например, магнитострикция, или другими механическими нагрузками, может быть уменьшен импрегнированием по сравнению с неимпрегнированными прессованными порошковыми деталями. Степень уменьшения шума возрастает с увеличением объемной доли импрегнирующего вещества (т.е. при более низкой плотности в уплотненном состоянии).
Магнитомягкие порошки, используемые в соответствии с данным изобретением, могут быть электроизолированными порошками на базе железа, такими как порошки чистого железа или порошки, содержащие сплав железа и других элементов, таких как Ni, Co, Si или Al. Например, магнитомягкий порошок может состоять в основном из чистого железа или по меньшей мере быть на базе железа. Например, такой порошок может быть порошком железа, полученным атомизацией водой или газом или порошком восстановленного железа, таким как порошки губчатого железа.
Электроизолирующие слои, которые могут быть использованы в соответствии с данным изобретением, могут быть тонкими фосфорсодержащими слоями и/или барьерами и/или покрытиями вида, описанного в патенте США 6348265, который настоящим включен в данный документ посредством ссылки. Другие виды изолирующих слоев также могут быть использованы, и они раскрыты, например, в патентах США 6562458 и 6419877. Порошками, которые имеют изолированные частицы и которые могут быть использованы в качестве исходных материалов в соответствии с данным изобретением, являются, например, Somaloy500 и Somaloy700, доступные от Höganäs A.B, Швеция.
Вид смазочного материала, используемого в металлопорошковой композиции, может быть важен и может быть выбран, например, из органических смазочных веществ, которые испаряются при температурах выше примерно 200°C, и если они применимы ниже температуры разложения электроизолирующего покрытия или слоя.
3
Может быть выбран такой смазочный материал, который испаряется, не оставляя какого-либо остатка, который может блокировать поры и тем самым препятствовать последующему импрегнированию. Металлические мыла, например, которые обычно используются для уплотнение в форме железных порошков или порошков на базе железа, оставляют остатки оксида металла в сформованном элементе. Однако в случае плотности меньше 7,5 г/см негативное влияние этих остатков выражено менее резко, что позволяет использовать металлсодержащие смазочные материалы при этом условии.
Другим примером смазочного агента являются жирные спирты, жирные кислоты, производные жирных кислот и воски. Примерами жирных спиртов являются стеариловый спирт, бегениловый спирт и их комбинации. Также могут быть использованы первичные и вторичные амиды насыщенных и ненасыщенных жирных кислот, например стеарамид, эруцилстеарамид и их комбинации. Воски могут быть, например, выбраны из полиалкиленовых восков, таких как этилен-бис-стеарамид.
Количество используемого смазочного материала может варьироваться и может составлять, например, 0,05-1,5%, в качестве варианта 0,05-1,0%, в качестве варианта 0,1-0,6% от массы уплотняемой композиции.
При количестве смазочного материала менее 0,05% от массы композиции может иметь место недостаточная смазывающая способность, что может привести к образованию царапин на поверхности выталкиваемого элемента, что, в свою очередь, может блокировать поры на поверхности и затруднить последующие операции испарения и импрегнирования. На электрическое удельное сопротивление уплотненных элементов, изготовленных из покрытых порошков, может оказываться негативное влияние, главным образом вследствие ухудшенных свойств изолирующего слоя, что обусловлено плохим внутренним и внешним смазыванием.
При количестве смазочного материала более 1,5% от массы композиции может улучшаться способность к выталкиванию, однако обычно это приводит к слишком низкой плотности сформованного сырого элемента, соответственно предоставляя низкую магнитную индукцию и магнитную проницаемость.
Уплотнение может быть выполнено при комнатной или повышенной температуре. Порошок и/или форма могут быть предварительно нагреты перед уплотнением. Например, температура формы может быть отрегулирована до температуры не более чем на 60°C ниже температуры плавления используемого смазочного материала. Например, для стеарамида, температура формы может составлять 40-100°C, поскольку стеарамид плавится при примерно 100°C.
Уплотнение может быть выполнено при давлении в интервале от 400 до 1400 МПа. В качестве варианта, уплотнение может быть выполнено при давлении в интервале от 600 до 1200 МПа.
Уплотненная заготовка затем может быть подвергнута термообработке для удаления смазочного материала в неокислительной атмосфере при температуре выше температуры испарения смазочного материала. В случае, когда порошок покрыт изолирующим слоем, температура термообработки может быть ниже температуры разложения неорганического электроизолирующего слоя.
Например, для многих смазочных материалов и изолирующих слоев это означает, что температура испарения должна быть ниже 650°C, например, ниже 500°C, такой как между 200 и 450°C. Способ в соответствии с данным изобретением, однако, не ограничивается особым образом этими температурами. Термообработка может быть проведена в инертной атмосфере, в частности, в неокислительной атмосфере, например, в атмосфере азота или аргона.
Если термообработка проводится в окислительной атмосфере, то может иметь место окисление поверхности железных частиц или частиц на базе железа и может ограничиваться или предотвращаться затекание импрегнирующего вещества, (т.е. пропиточной жидкости) в пористую сетчатую структуру уплотненной заготовки. Степень окисления зависит от температуры и потенциала кислорода в атмосфере. Например, если температура ниже примерно 400°C в случае воздуха, то может иметь место адекватное проникновение импрегнирующего вещества. Это может обеспечить придание импрегнированной прессованной порошковой детали приемлемой механической прочности, однако, в качестве следствия, может привести к неприемлемой релаксации напряжений с плохими магнитными свойствами.
Обезжиренная заготовка может быть затем погружена в импрегнирующее вещество, например, в резервуар для импрегнирования. Затем давление в резервуаре для импрегнирования может быть уменьшено. После достижения давлением в резервуаре для импрегнирования величины ниже примерно 0,1 мбар (0,01 Па) давление возвращается к атмосферному, посредством чего импрегнирующее вещество принуждается к затеканию в поры уплотненной заготовки до тех пор, пока давление не выровняется. В зависимости от вязкости импрегнирующего вещества, плотности и размера прессованной порошковой детали время и давление, требующиеся для полного импрегнирования прессованной порошковой детали, могут варьироваться.
Импрегнирование может быть выполнено при повышенных температурах (например, при 50°C или ниже), чтобы уменьшить вязкость жидкости и улучшить проникновение импрегнирующего вещества в уплотненную заготовку, а также для уменьшения времени, требующегося для проведения такой обработки.
Кроме того, прессованная порошковая деталь может быть подвергнута воздействию пониженного давления и/или повышенных температур перед ее погружением в импрегнирующее вещество. Тем самым, захваченный воздух и/или сконденсированные газы, присутствующие в прессованных порошковых деталях, могут быть удалены, и, соответственно, последующее импрегнирование может быть выполнено быстрее. Проникновение может также быть выполнено быстрее и/или более полным образом, если давление повышается выше давления окружающей среды после импрегнирования при низком давлении.
Однако требуется следить за тем, чтобы стехиометрия импрегнирующего вещества не изменялась вследствие потерь летучего материала во время обработки в вакууме. Соответственно, время, давление и температура импрегнирования могут быть определены специалистом в данной области, принимая во внимание плотность элемента, температуру и/или атмосферу, в которой элемент был термообработан, а также желательную прочность, глубину проникновения и вид импрегнирующего вещества.
Импрегнирование инициируется на поверхности уплотненной заготовки и распространяется к центру заготовки. В некоторых случаях может быть выполнено частичное импрегнирование и, таким образом, в соответствии с одним из вариантов изобретения, процесс импрегнирования заканчивается прежде, чем поверхности всех частиц уплотненной заготовки будут подвергнуты воздействию импрегнирующей жидкости. В этом случае импрегнированная корка может окружать неимпрегнированную сердцевину. Соответственно, при условии, что степень проникновения предоставляет элементу приемлемый уровень механической прочности и способности к механической обработке, процесс импрегнирования может быть закончен перед полным проникновением через уплотненную заготовку.
В случаях, когда отсутствует хорошая химическая совместимость между металлической сетчатой структурой уплотненной заготовки и импрегнирующим веществом, поверхность пор для проникновения в уплотненной заготовке может быть обработана агентами для модификации поверхности, сшивающими агентами, аппретами и/или агентами, повышающими смачивающую способность, такими как органические функциональные силаны или силазаны, титанаты, алюминаты или цирконаты, перед импрегнированием в соответствии с данным изобретением. Могут быть также использованы другие алкоксиды металлов, а также неорганические силаны, силазаны, силоксаны и сложные эфиры кремниевой кислоты.
В некоторых случаях, когда проникновение жидкого полимерного композита в уплотненную заготовку особенно затруднено, импрегнирование может быть улучшено с помощью магнитострикционных сил. Детали, уплотненная заготовка и импрегнирующая жидкость могут в соответствии с этим быть подвергнуты воздействию внешнего переменного магнитного поля во время процесса импрегнирования.
Избыток импрегнирующего вещества может быть удален перед отверждением импрегнированной прессованной порошковой детали при повышенной температуре и/или в анаэробной атмосфере. Избыточное импрегнирующее вещество может быть, например, удалено центробежной силой и/или сжатым воздухом, и/или погружением в подходящий растворитель. Могут быть использованы такие процедуры импрегнирования как, например, способы, используемые SoundSeal A.B, Швеция, и P.A. System srl, Италия. Процесс удаления избыточного импрегнирующего вещества может, например, быть выполнен партиями в вакуумных камерах и/или вакуумных печах, которые имеются в продаже.
Полимерные системы для импрегнирования в соответствии с данным изобретением могут, например, быть отверждающимися органическими смолами, термоотверждающимися смолами и/или плавкими полимерами, которые затвердевают ниже их температуры плавления до термопластичного материала.
Полимерная система может быть любой системой или комбинацией систем, которая подходит для интеграции с наноразмерными структурами под действием физических и/или химических сил, таких как, например, ван-дер-ваальсовые силы, водородные связи и ковалентные связи.
Для того чтобы упростить обращение и использовать смолу в непрерывных операциях, полимерные системы могут, например, быть выбраны из группы смол, которые отверждаются при повышенных температурах (например, выше примерно 40°C) и/или в анаэробном окружении. Примерами таких полимерных систем для импрегнирования могут, например, быть эпоксидные или акриловые смолы, проявляющие низкую вязкость при комнатной температуре и имеющие хорошую термостабильность.
Термоотверждающиеся смолы в соответствии с данным изобретением могут, например, быть сшитыми полимерами, такими как полиакрилаты, цианатные сложные эфиры, полиимиды и эпоксидные смолы. Термоотверждающиеся смолы, примерами которых являются эпоксидные смолы, могут быть смолы, в которых сшивание происходит между компонентом эпоксидной смолы, содержащей эпоксидные группы, и отверждающими агентами, содержащими соответствующие функциональные группы для сшивания. Процесс сшивания называется «отверждением».
Полимерная система может быть любой системой или комбинацией систем, которая подходит для интеграции с наноразмерными структурами под действием физических и химических сил, таких как ван-дер-ваальсовые силы, водородные связи и ковалентные связи.
Примеры эпоксидных смол включают, однако не ограничиваются ими, диглицидиловый эфир бисфенола A (DGBA), смолу на базе бисфенола F, смолу на базе тетраглицидилметилендианилина (TGDDM), новолачную эпоксидную смолу, циклоалифатическую эпоксидную смолу, бромированную эпоксидную смолу.
Примеры соответствующих отверждающих агентов содержат, однако не ограничиваются ими, амины, ангидриды кислот, амиды и т.д. Разнообразие отверждающих агентов может быть также проиллюстрировано аминами: циклоалифатическими аминами, такими как бис-парааминоциклогексилметан (PACM), алифатическими аминами, такими как триэтилентетраамин (TETA) и диэтиленэтилентриамин (DETA), ароматическими аминами, такими как диэтилтолуолдиамин и другие.
Анаэробные смолы могут быть выбраны на базе любого полимера или олигомера, который сшивается при отсутствии кислорода, и их примерами являются акриловые смолы, такие как уретанакрилат, метакрилат, метилметакрилат, метакрилатный сложный эфир, полигликолевый ди- или моноакрилат, аллилметакрилат, тетрагидрофурфурилметакрилат и более сложные молекулы, такие как гидроксиэтилметакрилат-N-N-диметил-п-толуидин-N-оксид, и их комбинации.
Термопласты в соответствии с данным изобретением могут быть плавкими материалами, которые также могут быть нагреты для импрегнирования. Примеры материалов для импрегнирования включают интервал от низкотемпературных полимеров, таких как полиэтилен (PE), полипропилен (PP), этиленвинилацетат, до высокотемпературных материалов, таких как полиэфиримид (PEI), полиимид (PI), фторэтиленпропилен (FEP), полифениленсульфид (PPS), полиэфирсульфон (PES) и др. Полимерные системы могут также содержать добавки, такие как пластификаторы, агенты, предотвращающие ухудшение свойств, например, антиоксиданты, разбавители, агенты для увеличения жесткости, синтетический каучук, и их комбинации, однако не ограничивающиеся этими примерами.
Структура полимерной системы делает возможным достижение желательных свойств импрегнированной уплотненной заготовки, таких как улучшенная механическая прочность, термостойкость, акустические свойства и/или обрабатываемость.
Данное изобретение предоставляет возможность проектирования и разработки разнообразных полимерных фаз для разных видов применения посредством включения наноразмерных и/или микроразмерных упрочняющих структур, таких как, например, частицы, пластинки, нитевидные кристаллы, волокна и/или трубки, в качестве функциональных наполнителей в полимерные системы. Термин «наноразмерный» здесь означает размеры, при которых по меньшей мере два измерения трехмерной структуры находятся в интервале от 1 нм до 200 нм. Также и микроразмерные материалы, такие как волокна, нитевидные кристаллы и частицы в интервале от 200 нм до 5 мкм могут быть, например, использованы, когда поры взаимопроникающей сетки в уплотненной заготовке большие.
Эти структуры могут содействовать улучшению свойств взаимопроникающих сеток полимерных систем/импрегнирующих веществ. Для достижения желательного диспергирования в полимерной фазе наноразмерные структуры могут быть химически функционализированы. Функционализированные наноразмерные и/или микроразмерные структуры могут быть также диспергированы в полимерной фазе посредством добавления совместимых растворителей, обработки с нагреванием, обработки в вакууме, перемешивания, каландрования или обработки ультразвуком с образованием жидкого полимерного композита, описанного в данном документе.
Углеродные нанотрубки (УНТ), а именно одностенные или многостенные нанотрубки (ОСНТ, МСНТ), и/или другие наноразмерные материалы могут, например, быть использованы в качестве упрочняющих структур в полимерных системах.
По меньшей мере два измерения каждой отдельной составной части функционального наполнителя и/или упрочняющей структуры могут, например, быть меньше 200 нм, в качестве варианта, например, меньше 50 нм и в качестве варианта меньше 10 нм.
Форма функционального наполнителя и/или упрочняющих составных частей может, например, быть вытянутой, такой как трубки и/или волокна, и/или нитевидные кристаллы, например, имеющие длину между 0,2 мкм и 1 мм.
Поверхность функционального наполнителя и/или упрочняющих составных частей может быть, например, химически функционализирована, чтобы быть совместимой с выбранной полимерной системой. Тем самым функциональный наполнитель и/или упрочняющие составные части могут быть по существу полностью диспергированы в полимерной системе, и предотвращена их агрегация. Такая функционализация может быть, например, выполнена при использовании агентов для модификации поверхности, сшивающих агентов, аппретов и/или агентов, повышающих смачивающую способность, которые могут являться различными видами органических функциональных силанов или силазанов, титанатов, алюминатов или цирконатов. Могут быть также использованы другие алкоксиды металлов, а также неорганические силаны, силазаны, силоксаны и сложные эфиры кремниевой кислоты.
Наноразмерные структуры, такие как углеродные нанотрубки и наночастицы, доступны от большого и все увеличивающегося числа поставщиков. Полимерные смолы, упрочненные УНТ поставляются в продажу, например, Amroy Europe, Inc (Hybtonite) или Arkema/Zyvex Ltd (NanoSolve).
В общем, любая из технических особенностей и/или любой из вариантов осуществления, описанных выше и/или ниже, могут быть объединены в один вариант осуществления. В качестве варианта или дополнения любая из технических особенностей и/или любой из вариантов осуществления, описанных выше и/или ниже, могут быть реализованы в отдельных вариантах осуществления. В качестве варианта или дополнения любая из технических особенностей и/или любой из вариантов осуществления, описанных выше и/или ниже, могут быть объединены с любым числом других технических особенностей и/или вариантов осуществления, описанных выше и/или ниже, чтобы осуществить любое число вариантов осуществления.
Хотя некоторые варианты осуществления описаны и показаны в деталях, данное изобретение не ограничивается ими и может быть также осуществлено другими путями в пределах объема объекта, определяемого в последующей формуле изобретения. В частности, следует понимать, что могут быть реализованы другие варианты осуществления и могут быть сделаны другие структурные и функциональные модификации без отклонения от объема данного изобретения.
В пунктах формулы изобретения с перечислением нескольких средств некоторые из этих средств могут быть реализованы одним и тем же элементом аппаратного обеспечения. Сам по себе тот факт, что некоторые показатели перечисляются в отличных один от другого зависимых пунктах формулы изобретения или описываются в разных вариантах осуществления, не означает, что не может быть использована выгодным образом комбинация этих показателей.
Следует также подчеркнуть, что термин «содержит», когда он использован в этом описании, указывает на присутствие определенных деталей конструкции, чисел, стадий или компонентов, однако не исключает присутствия или добавления одной или нескольких других деталей, чисел, стадий, компонентов и/или их групп.
Как можно видеть из представленных ниже примеров, способом в соответствии с данным изобретением может быть получен новый вид магнитомягких композитных элементов.
ПРИМЕРЫ
Изобретение, кроме того, проиллюстрировано представленными ниже неограничивающими примерами.
Пример 1
В качестве исходного материала использовали Somaloy 700 от Höganäs A.B. Одну композицию (образец A) смешивали с 0,3 мас.% органического смазочного материала, стеарамида, и другую композицию (образец B) - с 0,6 мас.% связующего органического смазочного материала, полиамида Orgasol 3501.
Композиции уплотняли при 800 МПа с образованием тороидальных образцов, имеющих внутренний диаметр 45 мм, внешний диаметр 55 мм и высоту 5 мм, и образцов для определения сопротивления поперечному разрыву (TRS-образцов) до величин плотности, указанных в таблице 1. Температуру формы регулировали до температуры 80°C.
После уплотнения образцы выталкивали из формы и подвергали термообработке. Три прессованные порошковые детали, представляющие собой образец A, обрабатывали при 530°C в течение 15 минут на воздухе (A1) и в атмосфере азота (A2, A3), соответственно. Образец A2 затем подвергали импрегнированию в соответствии с данным изобретением при использовании эпоксидной смолы, упрочненной УНТ. Третью прессованную порошковую деталь, являющуюся образцом A, обрабатывали в атмосфере азота, затем подвергали обработке паром при 520°C в соответствии со способом, описанным в WO 2006/135324 (A3). Прессованную порошковую деталь, являющуюся образцом B, обрабатывали при 225°C в течение 60 минут на воздухе.
Сопротивление поперечному разрыву измеряли на TRS-образцах в соответствии с ISO 3995. Магнитные свойства измеряли на тороидальных образцах при 100 поворотах для привода и 100 для определения при использовании гистериографа от Brockhaus. Коэрцитивную силу измеряли при 10 кА/м, и потери в сердечнике измеряли при 1 Тл и 400 Гц.
Таблица 1
Образец
Добавка
Термообработка
Атмосфера
Плотность [г/см<sup>3</sup>]
TRS [МПа]
Предел прочности на разрыв (TS) [МПа]
Коэрцитивная сила, H<sub>c</sub> [А/м]
A1 (контрольный)
0,30 мас.% стеарамида
530°C, 15 мин
N2
7,54
43
8
200
A2
N2 + Импрегнирован
7,54
120
62
180
A3
N2 + Пар
7,54
130
66
220
В
0,60% полиамида
225°C, 60 мин
ВОЗДУХ
7,40
105
40
300
Как можно видеть из таблицы 1, высокая механическая прочность образцов может быть достигнута способом в соответствии с данным изобретением (A2), посредством внутреннего оксидирования (A3) или посредством добавления органического связующего к порошковой композиции (B). Однако использование органического связующего ограничивает температуру термообработки величиной в 225°C, что предоставляет недостаточно хорошие магнитные свойства. Образец (A3), обработанный паром, проявляет высокую прочность, однако имеет высокую коэрцитивную силу (Hc) по сравнению с импрегнированным образцом (A2). Образец (A2), изготовленный в соответствии с данным изобретением, проявляет высокую механическую прочность в сочетании с низкой коэрцитивной силой.
Пример 2
3
Электроизолированный магнитомягкий порошок, Somaloy 700, поставляемый Höganäs AB, смешивали с 0,5 мас.% стеарамида (C), этилен-бис-стеарамидного воска (EBS воска) (D) и стеарата Zn (E), соответственно, и уплотняли до 7,35 г/см. Образцы затем подвергали термообработке в течение 45 минут на воздухе при 350°C или в атмосфере азота при 530°C. Один из образцов со стеарамидом (C2) обезжиривали на воздухе при 530°C. Все обезжиренные элементы затем подвергали импрегнированию в соответствии с данным изобретением при использовании эпоксидной смолы, упрочненной УНТ. Магнитные и механические свойства, измеренные таким же образом, как и в случае примера 1, обобщены в таблице 2 ниже.
Таблица 2
Образец
Термообработка с испарением
TRS [МПа]
Удельное сопротивление [мкОм·м]
Потери в сердечнике [Вт/кг]
Общая характеристика
С (Стеарамид)
1. 350°C на воздухе
100
500
70
Плохой
2. 530°C на воздухе
50
200
50
Плохой
3. 530°C в N<sub>2</sub>
120
150
55
Хороший
D (EBS воск*)
1. 350°C в N<sub>2</sub>
40
450
73
Плохой
2. 530°C в N<sub>2</sub>
120
120
58
Приемлемый
E (Стеарат Zn)
1. 350°C в N<sub>2</sub>
40
400
76
Плохой
2. 530°C в N<sub>2</sub>
90
100
73
Приемлемый
* Этилен-бис-стеарамид (Acrawax).
Как можно видеть из таблицы 3, атмосфера и температура, при которых проводится испарение, имеют большое значение.
Стеарамид (образец C) полностью испарялся выше 300°C как в атмосфере инертного газа, так и на воздухе. Если испарение выполнялось на воздухе при слишком высокой температуре, поверхностные поры блокируются и предотвращают последующее импрегнирование, что имеет следствием низкую величину сопротивления поперечному разрыву (TRS) (C2). Если термообработка проводится в окислительной атмосфере при более низкой температуре, то импрегнирование может быть успешным, однако приводит к неприемлемым магнитным свойствам (C1).
EBS воск (образец D) не может быть испарен при 350°C, однако удаляется из прессованной порошковой детали при температуре выше 400°C. Если температура испарения слишком низкая, то остаточный органический смазочный материал будет блокировать поры. Стеарат Zn испаряется при температуре 480°C, однако оставляет ZnO, который приводит к получению плохо импрегнированных прессованных порошковых деталей, имеющих низкую прочность. Наибольшая возможная температура испарения является предпочтительной, поскольку это обеспечивает желательную релаксацию напряжений и, соответственно, уменьшает коэрцитивную силу и потери в сердечнике.
Пример 3
В этом примере использовался порошок Somaloy 500, поставляемый Höganäs A.B, который имеет средний размер частиц меньше среднего размера частиц Somaloy700. Somaloy500 смешивали с 0,5 мас.% стеарамида и уплотняли при 800 МПа при использовании формы, нагретой до 80°C. Два образца прессованных порошковых деталей затем подвергали термообработке в атмосфере инертного газа в течение 15 минут при 500°C (образец F и G). Образец G затем подвергали импрегнированию в соответствии с данным изобретением при использовании анаэробной акриловой смолы, упрочненной УНТ.
Магнитные и механические свойства измеряли аналогично примеру 1.
<b>Таблица 3</b>
<b>Образец</b>
<b>Плотность [г/см</b><sup>3</sup><b>]</b>
<b>TRS [МПа]</b>
<b>Удельное сопротивление [мкОм·м]</b>
<b>Потери в сердечнике [Вт/кг]</b>
F (Стеарамид)
7,36
45
200
65
G (Стеарамид)
7,36
130
200
65
Таблица 3 ясно показывает, что данное изобретение может быть использовано для изготовления элементов на базе электроизолированных порошков с тонкими частицами.
Пример 4
3
В качестве исходного материала использовали Somaloy700 от Höganäs A.B. Все порошковые образцы смешивали с 0,3 мас.% органического смазочного материала, стеарамида. Композиции уплотняли при 1100 МПа с образованием стержней для измерения сопротивления поперечному разрыву (TRS-стержней) (30×12×6 мм) плотностью 7,58 г/см. Температуру формы регулировали до температуры 80°C. Механические свойства, измеренные таким же образом, как и в случае примера 1, обобщены в таблице 4 ниже.
После уплотнения образцы подвергали термообработке в инертной атмосфере в течение 15 минут при 550°C. Сетчатую структуру прессованных порошковых деталей затем импрегнировали в соответствии с данным изобретением при использовании импрегнирующих веществ различного вида, а именно упрочненных отверждаемых полимерных систем. Все жидкие полимерные композиты проявляют низкую вязкость при температуре окружающей среды. Для упрочнения были использованы ОУНТ в количестве 1,0% от массы полимера.
<b>Таблица 4</b>
<b>Образец</b>
<b>Полимерная смола</b>
<b>Отвердитель</b>
<b>Упрочняющий материал</b>
<b>TRS при комнатной температуре [МПа]</b>
<b>TRS при 150°C [МПа]</b>
H (контрольный)
Нет
Нет
Нет
40
40
I
Эпоксидный полимер (Amroy G4)
Amroy CA 25
Нет
70
50
УНТ
130
110
J
Эпоксидный полимер (TGDDM)
Изофорондиамин
Нет
65
60
УНТ
120
110
К
Акриловый полимер (Omnifit 230M)
Анаэробный
Нет
60
45
CNT
120
105
L
Термопластичный полимер(полипропилен)
Нет
Нет
70
65
УНТ
120
110
Как можно видеть из таблицы 4, величина сопротивления поперечному разрыву (TRS) существенно улучшена для всех типов, однако в случае упрочнения улучшение механической прочности (например, TRS) наиболее велико. Посредством тщательного выбора полимерной системы (т.е. импрегнирующего вещества) механическая прочность может поддерживаться высокой при температурах 150°C или выше.
Пример 5
3
3
В качестве исходного материала использовали Somaloy700 от Höganäs A.B. Все порошковые образцы смешивали с 0,3 мас.% органического смазочного материала, стеарилэрукамида (SE). Композиции уплотняли при 800 МПа или 1100 МПа при использовании формы, нагретой до 60°C, до плотности 7,54 г/см, за исключением образца M3, который уплотняли до 7,63 г/см при использовании 0,2 мас.% SE.
После уплотнения образцы подвергали термообработке в инертной атмосфере при 550°C в течение 15 минут. Сетчатую структуру прессованных порошковых деталей затем заполняли при использовании импрегнирующих веществ различного вида, таких как отверждаемые полимерные системы или неотверждаемые масла, которые упрочнены или нет. Все импрегнирующие вещества проявляют низкую вязкость при температуре окружающей среды и приведены в таблице 6.
Магнитные свойства измеряли на цилиндрах с внешним диаметром 64 мм и высотой 20 мм после их механической обработки обтачиванием с образованием тороидов с внешним диаметром 64 мм, внутренним диаметром 35 мм и высотой 14,5 мм (100 приводов и 50 определений).
<b>Таблица 5</b>
<b>Импрегнирующее вещество</b>
<b>Упрочняющий материал</b>
<b>TRS при комнатной температуре [МПа]</b>
<b>Коэрцитивная сила [А/м]</b>
<b>Максимальная магнитная проницае-мость</b>
<b>Обрабатываемость</b>
M. Эпоксидная смола
1. Нет
70
180
500
Приемлемая
2. УНТ
120
175
550
Превосходная
3. УНТ*
100
170
570
Хорошая
N. Акриловая смола (Loctite 290)
1. Нет
80
182
350
Приемлемая
2. УНТ
130
178
450
Хорошая
O. Термопластик (полиэтилен низкой плотности)
1. Нет
60
184
450
Приемлемая
2. УНТ
120
180
550
Превосходная
P. Масло (Nimbus 410)
Нет
45
185
280
Плохая
Q. Loctite Resinol RTC
Нет
65
180
360
Приемлемая
R. Контрольный образец 1 Обработан паром**
--
120
225
250
Очень плохая
S. Контрольный образец 2 Обычный***
--
55
210
230
Плохая
* Плотность в спрессованном состоянии 7,63 г/см<sup>3</sup>.** Подвергнут механической обработке после обработки паром.*** Подвергнут механической обработке в сыром состоянии и затем термообработан на воздухе при 530°C.
Низкая магнитная проницаемость может указывать на наличие трещин и расслаивание, что обусловлено усилиями, возникающими при шлифовке, и вибрациями при механической обработке. Также коэрцитивная сила может увеличиваться при снижении способности к механической обработке. Признаками плохой механической обработки являются затертая поверхность после завершения обработки, участки выламывания материала, трещины и износ инструмента. Образцы с P по S включены для сравнения.
Детали, которые были обработаны в сыром состоянии (S) и окислены для улучшения прочности (R), проявляют не только большую коэрцитивную силу, но также плохую способность к механической обработке и, соответственно, плохие магнитные свойства. Превосходные магнитные свойства после механической обработки могут быть получены, когда импрегнированный элемент проявляет хорошую способность к механической обработке, наряду с высокой механической прочностью, особенно в случае образцов M-2, N-2 и O-2.