[发明专利]磁性粉末冶金材料

说明书

相关申请的交叉引用

本申请要求2010年4月1日提交的美国临时申请No.61/319,987的权益，该临时申请以其全文结合于此。

技术领域

本发明涉及涂覆有磁性或预磁性涂层的冶金粉末组合物，以及使用所述粉末制作的压实的金属部件。

背景技术

交变电流（AC）指的是将电力传送到大多数家庭及工商企业时所采用的正弦波。靠AC运转的装置几乎无一例外地含有由“层压钢条（laminated steel strip）”制成的芯，所述芯用于传送将电能转换为机械能所必需的磁通量。通过从薄的、即通常为约0.045英寸到约0.010英寸（约1.1mm到约0.25mm）厚的金属片冲压成所需形状来制备这些“层压件（laminate）”，所述金属通常为用或没用合金元素例如硅制造的锻钢。为避免沿着钢条表面产生涡电流，所述层压件必须是薄的。涡电流是当导体处于变化的磁场中的时候所产生的一种电学现象，在导体上产生了电子的循环流，即电流。电流的这些循环涡流产生了与原磁场的变化相反的感应磁场，在导体和磁体之间引起排斥力或拖曳力。涡电流抵抗磁通量并产生热量，使得装置的效率降低。涡电流的强度与金属的厚度成正比。可以根据下式计算由涡电流引起的损耗：

涡电流损耗=K*(freq^2*Ind^2*厚度^2)/电阻率

其中，K=常数；Freq=交变电流的频率；Ind=感应的作用级别（operating level of induction）；以及厚度=片或粉末冶金部件的厚度。

对于大多数装置而言，单个层压条不足以传送所需量的磁通量。所以，通常将多个层压条相互叠加产生具有所需尺寸的部件。当层压条的叠加产生更大、“更厚”的部件时，对形成涡电流的影响被叠加条之间存在的磁阻氧化物降到最低，所述氧化物在层压件的制备过程中自然形成于层压件的表面上。层压件之间的磁阻和电阻氧化物防止了由所产生的叠加件的厚度形成的有害的涡电流。

尽管很受欢迎且已使用超过100年，但层压钢条还是具有缺点。例如，由于所述条是从片材冲压而成的，无法将金属片全部冲压成条就不可避免的带来材料的损失。另外，由于所述条是通过辊压形成的，因此，磁通量沿辊压的方向传播。所以，不能用层压钢条来制备在大于一个方向上需要磁通量的装置。

粉末冶金（PM）是一种生产技术，其中，将金属粉末在非常高的压力下在模子或模具中压缩，以产生压实的部件。然后可以将压实的部件退火和/或烧结来增加最终金属部件的强度。用粉末冶金（PM）方法制备的部件已被认为是层压钢条的替代物；粉末冶金没有钢条制备过程中存在的材料损失问题——在制备压实的部件的过程中，没有浪费任何粉末。但PM不适用于形成钢条，因为用目前的PM方法不能获得所需要的薄度。

尽管PM通常不利于形成薄钢条，但它对制备其它种类的金属部件却很有效。PM提供了独特的、极好的塑形能力，并可以制备效率优化的三维形体。而且，如果单个的粒子之间互相绝缘，在压实并烧结的部件中，涡电流可被最小化。以前使粉末粒子绝缘的尝试依赖于将聚合物或其它材料沉积到铁粉表面上。出于这个目的，特别优选的是磷酸铁。但是，这些材料是绝缘体，而且他们的存在阻碍磁流穿过金属部件。因此，需要更多的电能来弥补减少的磁流，这是不希望的。而且，使用这些材料的涂层是薄的，并在升高的温度下分解，导致不能被“应力缓解（stress relieved）”的粉末，即，在压实期间引起的应变降低。

另外，尽管磷酸铁和聚合物有助于维持在压实的部件中的金属粉末的离散粒子特性，但它们使温度稳定性降低。例如，磷酸铁系统仅能被加热到约425°C。大多数基于聚合物的系统仅能被加热到约250°C。因此，压实的部件的磁响应不能通过通常在高于650°C的温度下进行的退火或烧结来提高。

铁素体是主要组分为氧化铁（III）（Fe₂O₃）的陶瓷，但它们常常包含氧化镍、氧化锌和/或氧化镁。很多类型的铁素体是具有磁性的，并被用于制造永磁体、变压器的铁素体芯等。这些铁素体，也称作软铁素体，具有低矫顽力，这指的是这些材料的磁化可以在不消耗很多能量的条件下轻易地颠倒方向，同时铁素体的高电阻率防止了涡电流。