MXPA02007803A - Polvo de hierro para la preparacion del mismo. - Google Patents

Abstract

La invencion se refiere a un procedimiento para la preparacion de un polvo magnetico, suave, aislado que comprende las etapas de mezclar las particulas de un polvo de base de hierro magnetico, suave con una solucion de formacion de capa de aislamiento, acuosa, acida, en donde el MgO se ha disuelto, y secar la mezcla obtenida para obtener una capa que contiene Mg electricamente aislante sobre las superficies de la particula; la invencion tambien se refiere al polvo por si mismo, asi como los nucleos de polvo magnetico, suave, comprimidos preparados a partir del polvo.

Description

POLVO DE HIERRO Y MÉTODO PARA LA PREPARACIÓN DEL MISMO CAMPO DE LA INVENCIÓN Esta invención describe un método para proporcionar una capa superficial eléctricamente aislante, delgada sobre partículas de polvo de hierro las cuales se usan para aplicaciones magnéticas, suaves. La invención también describe el polvo por si mismo, así como un método relativo al tratamiento con calor y la compactación de tales polvos. Específicamente los polvos de acuerdo a la invención son adecuados para la preparación de materiales magnéticos, suaves para aplicaciones de alta frecuencia. r<- ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN Las partículas a base de hierro se han usado por mucho tiempo como un material base en la fabricación de componentes estructurales a través de métodos metalúrgicos de polvo. Los componentes del núcleo magnético también se han fabricado por tales métodos metalúrgicos de polvo, pero las partículas a base de hierro usadas en estos métodos en general se recubren con una capa circunferencial de material de aislamiento. La investigación en la fabricación metalúrgica de polvo de los componentes de núcleo magnético que usan polvos a base de hierro recubiertos se han dirigido al desarrollo de composiciones de polvo de hierro que aumentan ciertas propiedades físicas y magnéticas sin afectar perjudicialmente otras propiedades. Las propiedades deseadas ¡ncluyen una permeabilidad alta a través de una escala de frecuencia extendida, una resistencia al prensado alta, pérdidas de núcleo bajas y adaptabilidad para las técnicas de moldeo por compresión. Diferentes tipos de recubrimientos de aislamiento que se usan para las partículas de hierro se describen en la literatura. De esta manera la solicitud de patente Alemana 1291028 describe un método para proporcionar recubrimientos eléctricos al mezclar un polvo de hierro con agua, incluyendo el ácido crómico y el ácido fosfórico a una temperatura elevada, lavando y secando el polvo. El polvo de hierro debe tener un tamaño de partícula de menos de 10 µm. La publicación no describe ninguna de las propiedades magnéticas para los materiales preparados al usar ei polvo de hierro. Otra publicación dentro de este campo es el documento DE 2 825235, que describe un polvo de hierro que consiste de partículas las cuales se recubren con una capa de óxido. El tamaño de partícula se encuentra entre 0.05 y 0.15 mm y las partículas tiene un recubrimiento de óxido el cual, calculado en el peso de la partícula, incluye del 0.3 al 0.8% en peso de oxígeno. El recubrimiento de óxido se puede obtener por medio de calentamiento en aire o por la oxidación química, pero no se describen los parámetros del procedimiento y el análisis de las partículas recubiertas. De los ejemplos se puede calcular que las permeabilidades obtenidas se encuentran en la escala de 30 a 35. La solicitud de patente europea 434 669 se refiere a un polvo magnético en donde un recubrimiento eléctricamente aislante separa las partículas de polvo magnético. Las partículas tienen un tamaño de partícula promedio de 10 a 300 µm, y el material de aislamiento que cubre cada una de las partículas del polvo magnético comprende una película de aislamiento continuo que tiene un grosor de 10 µm o menos y esta película comprende un alcóxido de metal o un producto de descomposición de ia misma. WO 95/29490 describe partículas de polvo de hierro que tienen una capa de aislamiento que se obtiene al usar una solución acuosa de ácido fosfórico y WO 97/30810 describe capas de aislamiento extremadamente delgadas que se obtienen con ei ácido fosfórico en solventes orgánicos. La patente DE 3 439 397 describe partículas de hierro que son aisladas eléctricamente por medio de un recubrimiento de fosfato. Este recubrimiento puede ser por ejemplo el fosfato de magnesio o de zinc y preferiblemente el recubrimiento es un recubrimiento de fosfato de hierro. El recubrimiento de fosfato aislante debe estar entre el 0.1 y el 1.5% del peso de las partículas de hierro. La preparación del recubrimiento de fosfato de hierro que involucra el mezclado de las partículas de hierro con una solución de ácido fosfórico en acetona al 89% se describe en el Ejemplo 1. Las partículas entonces se compactan y posteriormente se calientan en una atmósfera de oxidación. Antes de la etapa de compactación las partículas de hierro aisladas de fosfato opcionalmente se mezclan con una resina, preferiblemente una resina epoxídica. A fin de obtener pérdidas bajas de histéresis se recomiendan temperaturas de calentamiento arriba de los 500°C y debajo de los 800°C. Además este tratamiento con calor preferiblemente se debe llevar a cabo de forma escalonada con presiones reducidas y normales o incrementadas alternativamente y con temperaturas incrementadas de forma escalonada durante períodos diferentes. Las ventajas de este procedimiento conocido se describen en forma experimental para un tratamiento con calor, en donde la etapa final se realiza a una temperatura de al menos 600°C. Ei cuadro IV de esta patente describe que las capas de fosfato de aislamiento son efectivas para frecuencias comparativamente bajas, es decir, frecuencias debajo de 1 kHz. El documento EP 810 615 concierne a partículas de polvo cubiertas por una capa de fosfato de aislamiento. De acuerdo a esta patente la capa de aislamiento se obtiene al usar una solución de fosfatación específica, que comprende un solvente y sales de fosfato y una sustancia antioxidante, que es un compuesto orgánico que contiene nitrógeno y/o azufre el cual tiene un solo par de electrones que suprimen la formación de óxido de hierro y de agente tensioactivo. Este polvo es útil para la preparación de materiales magnéticos suaves para aplicaciones de alta frecuencia.

Objetivos de la invención Un objetivo de la presente invención es proporcionar un polvo a base de hierro novedoso, cuyas las partículas cuentan con una capa de aislamiento delgada. Un segundo objetivo es el proporcionar un polvo novedoso que sea adecuado específicamente para la preparación de materiales magnéticos, suaves que se destinan para aplicaciones en altas frecuencias. Un tercer objetivo es el proporcionar un polvo que tenga una permeabilidad alta a través de una escala de frecuencia extendida y que sea resistente a temperaturas altas. Un cuarto objetivo es el de proporcionar un polvo que se pueda compactar a densidades altas. Un quinto objetivo es el de proporcionar una capa de aislamiento la cual se pueda obtener por medio de un procedimiento de ahorro de energía y tiempo, ambientalmente aceptable, que no requiera el uso de solventes orgánicos, de metales tóxicos o de aditivos orgánicos especiales.

BREVE DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN El polvo novedoso se basa en el descubrimiento de que una capa o recubrimiento de aislamiento efectivo que cumple los objetivos anteriores se puede obtener si la capa de aislamiento tiene una cantidad limitada de magnesio. Tal capa se puede obtener al tratar un polvo de base de hierro con un ácido en solvente, preferiblemente el agua, incluyendo el magnesio. La invención también se refiere a un método para elaborar un componente que tiene propiedades magnéticas, suaves, mejoradas especialmente en frecuencias altas, al compactar o prensar con troquel una composición en polvo de este polvo de hierro aislado opcionalmente en combinación con una resina termofraguable o termoplástica y posteriormente someter la composición compactada a un tratamiento con calentamiento a una temperatura preferiblemente no mayor de 750°C.

DESCRIPCIÓN DETALLADA DE LA INVENCIÓN El polvo novedoso se basa en un polvo de base que preferiblemente consiste de hierro esencialmente puro y que podría ser, por ejemplo, un polvo de hierro pulverizado disponible comercialmente o un polvo de hierro esponja con partículas redondas, irregulares o planas. Sin embargo, el polvo de base también puede ser polvo de base de hierro tai como la aleación Fe-Si, una aleaciónFe-AI, Permalloy o Sendust. El tamaño de partícula del polvo de base depende en el uso final propuesto del polvo y en general es menor de 400 µm y preferiblemente menor de 150 µm. Para frecuencias más altas se prefieren tamaños de partículas debajo de 45 µm. El procedimiento de aislamiento incluye las etapas de tratamiento del polvo con una solución, preferiblemente una solución acida, que incluye el magnesio en una cantidad correspondiente al 0.015-0.3% de MgO (es decir del 0.15-3 gramos) por cada kg de polvo de hierro. Preferiblemente, la solución es una solución acuosa, ya que la solubilidad del MgO es muy pequeña en los solventes orgánicos tal como la acetona. La solución de aislamiento preferiblemente se prepara al disolver MgO en un ácido y una pequeña cantidad de agua. Preferiblemente, el ácido es el ácido fosfórico, aunque se pueden usar otros ácidos tal como el ácido nítrico. El ácido se usa e? una cantidad de 1 -10 ml/kg de polvo. Después del secado del polvo, opcionaimente a una temperatura elevada, un análisis revela que el contenido de Mg del polvo, que se basa esencialmente en hierro puro, varía entre 0.008 y 0.1% en peso del polvo total para un polvo pulverizado con agua y entre 0.059 y 0.151% en peso para un polvo esponja. Sin embargo es obvio que el contenido de Mg total del polvo aislado varía dependiendo del tipo y contenido de Mg del polvo de base.

El contenido de Mg de la capa de aislamiento también se puede definir usando una técnica SEM como sigue: Las partículas (1500X amplificación) se analizan en un SEM Jeol 5800 con ayuda de EDS (espectómetro de dispersión de energía). El detector en estado sólido consiste de un cristal simple extremadamente puro de germanio, enfriado a la temperatura del nitrógeno líquido. Los rayos X absorbidos por el detector generan un número de pares de hoyos electrónicos, proporcionales a la energía de cada quantum de rayos X. La señal del detector además se amplifica, se alimenta a un analizador de canales múltiples donde los pulsos se clasifican de acuerdo a su amplitud. La información se presenta en un diagrama de energía donde la intensidad, es decir el número de quanta, se traza versus la energía del quantum en KeV. La información cualitativa se obtiene a partir de la posición de los picos en el diagrama y la información cuantitativa a partir de las áreas debajo de los picos. La cuantificación debe proseguir a través de varias fases: la remoción esencial, la desconvolución de los picos traslapados y el cálculo de la concentración elemental. Los espectros de energía se obtienen a partir de análisis puntuales. La profundidad de la penetración del haz es de aproximadamente 3-5 µm. La cuantificación se realiza usando un procedimiento con correcciones ZAF, es decir, correcciones para un número atómico (Z), absorción (A) y fluorescencia (F). La escala de energía se calibra contra el estándar del Cobalto antes de la cuantificación.

De acuerdo a esta técnica, que a continuación se refiere como un análisis SEM, la superficie de la partícula de un polvo de hierro pulverizado con agua preferiblemente debe tener un contenido de Mg de 0.04 a 2.6%. Como se puede observar de la figura 1 existe una buena correlación entre la cantidad de MgO añadido y el contenido de Mg en la superficie de la partícula de acuerdo al análisis SEM. La presente invención también incluye un procedimiento para la preparación de un núcleo de polvo magnético, suave, comprimido que comprende las etapas de: el mezclado de forma opcional del polvo novedoso con un lubricante y/o una resina termofraguable o termoplástica; la compactación de la mezcla obtenida a una presión de entre 300 y 1500 MPa; el calentamiento del cuerpo compactado a una temperatura de entre 100 y 750°C por un período de entre aproximadamente 5 y aproximadamente 60 minutos en una atmósfera inerte o de oxidación; el enfriamiento del cuerpo recocido. La cantidad de lubricante puede ser de aproximadamente de 0.1 a 1.0% en peso del polvo y opcionalmente se puede añadir una resina termofraguable o termoplástica orgánica antes de la etapa de compactación.

Los ejemplos representativos de los lubricantes son Kenoiube®, cera H, EBS y estearatos, tal como el estearato de zinc. La resina orgánica se puede seleccionar de las resinas termoplásticas o termofraguables, tal como Peracit®, Ultem® La compactación se puede realizar en ambas temperaturas ambiente y elevada. El calentamiento también se puede realizar en el aire o en atmósferas inertes. El nitrógeno es una atmósfera preferida para obtener las propiedades magnéticas mejoradas especialmente a temperaturas altas, tales como cerca de 700°C. Además, normalmente el calentamiento se realiza en una sola etapa. El magnesio como un constituyente de una capa de aislamiento se menciona en ambas la patente alemana 34 39 397 y la solicitud de patente europea 810615 referida anteriormente. Sin embargo, en la patente alemana no se describen ejemplos en cuanto a las cantidades posibles y preferidas de magnesio en la capa de aislamiento. El único ejemplo que menciona al magnesio es el ejemplo 10 de acuerdo al cual el óxido de magnesio se mezcla con el polvo antes del aislamiento. Esto significa que el magnesio será parte del polvo de base, el cual después del recocido a 1200°C se trata con ácido fosfórico a fin de obtener la capa de aislamiento. No se describe ningún efecto de aislamiento de una capa exterior que contenga magnesio. La solicitud de patente europea 810 615 muestra una capa de aislamiento que incluye el magnesio. La capa se obtiene de la solución de formación de capa de aislamiento que incluye el magnesio. Sin embargo, a fin de evitar los problemas con la oxidación se tienen que añadir sustancias químicas especiales a la solución de formación de capa de aislamiento. De acuerdo a la presente invención se ha descubierto inesperadamente que los problemas con la oxidación también se pueden evitar sin las sustancias antioxidantes, el ácido bórico, y/o agentes tensioactivos tales como los agentes tensioactivos de perfluoroalquilo, los agentes tensioactivos del ácido alquilbencenfulfónico, agentes tensioactivos anfotéricos y agentes tensioactivos de poliéter, los cuales son necesarios de acuerdo a la publicación europea. Como se demuestra en las figuras también se ha encontrado que las cantidades decisivas de magnesio también son necesarias a fin de alcanzar buenas propiedades magnéticas, tal como la alta permeabilidad y la estabilidad de la frecuencia. La invención se ilustra mediante los siguientes ejemplos no limitativos.

EJEMPLO 1 Este ejemplo ilustra el efecto de la presencia de Mg en la capa de aislamiento. El experimento se realiza como sigue: El MgO se disuelve en una solución de ácido fosfórico acuosa y se mezcla con polvo de base de hierro (polvo de hierro pulverizado con agua, de alta pureza con un tamaño de partícula < 150 µm). La cantidad de MgO es del 0.06% de 1000 g del polvo de hierro. Después de secar el polvo se mezcló con Kenolube® al 0.5% y las muestras se compactaron a 800 MPa y se trataron con calor a 400°C durante 30 minutos en nitrógeno. Un polvo de referencia se prepara del mismo polvo de base, pero no se añade óxido de magnesio a la solución acuosa acida.

CUADRO 1 Es evidente que la estabilidad de la frecuencia es superior para el polvo aislado con magnesio, novedoso.

EJEMPLO 2 Este ejemplo tiene el propósito de ilustrar el efecto de incrementar las cantidades de magnesio al detectarlas por el análisis SEM en la permeabilidad a 1 kHz y el % de Dµ, es decir, la estabilidad de la frecuencia en la escala de 10 kHz a 500 kHz.

Todas las muestras se compactaron a 800 MPa y se trataron con calor a 400°C durante 30 minutos en nitrógeno. Fácilmente se puede observar de la figura 2 y 3 que las cantidades de magnesio en la capa de aislamiento para obtener las propiedades mejoradas se encuentran dentro de límites estrechos.

EJEMPLO 3 Este ejemplo tiene el propósito de demostrar el efecto de diferentes tamaños de partícula en las propiedades magnéticas. Todas las muestras de acuerdo a este ejemplo se aislan por la superficie con la adición de óxido de magnesio al 0.06%. Después de la preparación del polvo se añade un lubricante en la forma de Kenolube® al 0.5%. Las muestras se compactaron a 800 MPa y se trataron con calor a 400°C por 30 minutos en nitrógeno. El cuadro 2 a continuación demuestra el efecto de los diferentes tamaños de partícula en la permeabilidad a 1 kHz. También se describe la estabilidad de la frecuencia Dµ en intervalos de 10-100 kHz y de 10-500 kHz.

CUADRO 2 EJEMPLO 4 Este ejemplo tiene el propósito de demostrar el efecto del tratamiento con calentamiento a diferentes temperaturas y en diferentes atmósferas sobre las propiedades magnéticas. Dos muestras de polvo de base de hierro se recubren con una solución que contiene magnesio para alcanzar un nivel de magnesio al 0.01% de acuerdo al análisis SEM. Se añade 0.5% en peso de lubricante de Kenolube® y las muestras se compactaron a 800 MPa, y se trataron con calor a temperaturas de 300 a 800°C en aire o nitrógeno. El efecto del tratamiento en la permeabilidad a 1 kHz se puede observar en la figura 4 y el efecto en la estabilidad de la frecuencia Dµ en el intervalo de 10-500 kHz se describe en la figura 5.

Claims (10)

NOVEDAD DE LA INVENCIÓN REIVINDICACIONES

1.- Un procedimiento para la preparación de un polvo magnético, suave, aislado que comprende las etapas de mezclar partículas de un polvo de base de hierro magnético, suave con una solución de formación de capa de aislamiento acuosa, acida, en donde el óxido de magnesio se ha disuelto en una cantidad de entre 0.15 y 3 g por kg de polvo de hierro; dicha solución de formación de capa de aislamiento esencialmente es libre de sustancias antioxidantes, del ácido bórico y/o agentes tensioactivos, tales como los agentes tensioactivos de perfluoroalquilo, agentes tensioactivos de ácido alquilbencenfulfónico, agentes tensioactivos anfotéricos, y agentes tensioactivos de poliéter, y secando la mezcla obtenida para obtener una capa que contiene magnesio eléctricamente aislante en las superficies de las partículas.

2.- El procedimiento de conformidad con la reivindicación 1 , caracterizado además porque la solución se ha preparado al disolver el óxido de magnesio en ácido fosfórico y agua.

3.- El procedimiento de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones 1 - 2, caracterizado además porque el polvo de base tiene un tamaño de partícula promedio de menos de 400 µm, preferiblemente menos de 150 µm.

4.- El procedimiento de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones 1 - 3, caracterizado además porque el polvo de base es un polvo de hierro esencialmente puro.

5.- El procedimiento de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones 1 - 4, caracterizado además porque el polvo de base es un polvo de hierro pulverizado con agua o un polvo de hierro esponja.

6.- Unas partículas de polvo que consisten de polvo de base de hierro, esencialmente puro, que tiene una capa eléctricamente aislante que incluye magnesio, en donde la cantidad de magnesio varía de entre 0.008 y 0.1 % en peso del polvo, cuando el polvo es un polvo de hierro pulverizado con agua, y entre 0.059 y 0.151% en peso cuando el polvo es un polvo esponja, las partículas de polvo que son esencialmente libres de las sustancias antioxidantes, el ácido bórico y/o agentes tensioactivos, tales como los agentes tensioactivos de perfluoroalquilo, los agentes tensioactivos de ácido alquilbencenfulfónico, agentes tensioactivos anfotéricos y agentes tensioactivos de poliéter.

7.- Las partículas de polvo preparadas de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones 1-3, caracterizadas además porque la cantidad de magnesio cuando se detecta por el análisis SEM en la superficie de la partícula está entre 0.04 y 2.6% para un polvo de hierro pulverizado con agua.

8.- Un procedimiento para la preparación de un núcleo de polvo magnético, suave compresible del polvo definido en las reivindicaciones 6 o 7 que comprende las etapas de mezclar opcionalmente el polvo aislado obtenido con un lubricante y/o una resina termoplástica o termofraguable; compactar la mezcla obtenida a una presión de entre 300 y 1500 MPa; calentar el cuerpo compactado a una temperatura de entre 100 y 750°C por un período entre 5 y 60 minutos en una atmósfera inerte o de oxidación; y enfriar el cuerpo recocido.

9.- El procedimiento de conformidad con ia reivindicación 8, caracterizado además porque el calentamiento se realiza en una sola etapa.

10.- El procedimiento de conformidad con cualquiera de ias reivindicaciones 8 o 9, caracterizado además porque el calentamiento se realiza en una atmósfera inerte, tal como el nitrógeno.