KR101594585B1 - 강자성 파우더 조성물 및 그 생산 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 연자성 철계 코어 입자를 포함한 강자성 파우더 조성물에 관한 것이고, 이 경우 코어 입자의 표면에는 제 1 인-계(phosphorus-based) 무기 절연층 및 상기 제 1 인-계 무기 절연층의 외부에 위치한 이하의 화학식을 가진 금속 유기 화합물로 된 하나 이상의 금속 유기층이 제공되고, R1[(R1)x(R2)y(MOn -1)]nR1 , 이 경우 M은 Si, Ti, Al 또는 Zr로부터 선택된 중앙 원자; O는 산소; R1은 가수 분해 가능한 그룹; R2는 유기 모이어티(organic moiety)로서, 하나 이상의 R2는 하나 이상의 아미노 그룹을 포함하는 유기 모이어티; n은 1 내지 20의 정수인 반복 가능한 유닛의 숫자이며; x는 0 내지 1의 정수이고; y는 1 내지 2의 정수이며; 3.5 미만의 모오스 경도(Mohs hardness)를 가진 금속 또는 세미-금속 미립자 화합물은 하나 이상의 금속 유기층에 부착되고, 파우더 조성물은 미립자 윤활제를 추가로 포함한다. 또한, 본 발명은 이러한 조성물을 생산하기 위한 프로세스 및 조성물로부터 제조된 연자성 복합 구성요소의 제조를 위한 방법뿐만 아니라 얻어진 구성요소에 관한 것이다.
Description
본 발명은 전기적으로 절연된 철계 파우더를 포함한 파우더 조성물에 관한 것이고, 이러한 조성물을 생산하기 위한 프로세스에 관한 것이다. 또한, 본 발명은 이 조성물로부터 제조된 연자성 복합 구성요소(soft magnetic composite components)를 제조하기 위한 방법 및 그렇게 얻어진 구성요소에 관한 것이다.
연자성 물질은 전기 기계, 액츄에이터, 센서 및 변압기 코어를 위한 인덕터(inductor), 스테이터(stator) 및 로터(rotor)에서의 코어 물질과 같은 용도에 이용된다. 전통적으로 전기 기계에서의 로터 및 스테이터와 같은 연자성 코어는 스택된 강 라미네이트(stacked steel laminates)로 만들어진다. 연자성 복합물(SMC) 물질은 각각의 입자 상에 전기적 절연 코팅을 가진 일반적으로 철계의 연자성 입자에 기초한다. SMC 구성요소는 선택적으로 윤활제 및/또는 바인더와 함께 전통적인 분말 야금학적(powder metallurgical; PM) 압축 프로세스(compaction process)를 이용하여 절연된 입자를 압축(compacting) 시킴에 의해 얻어진다. 분말 야금학적 기술을 이용하여, 강 라미네이트를 이용하는 것 보다 SMC 구성요소의 설계에서 높은 자유도를 갖는 물질을 생산하는 것이 가능하고, SMC 물질은 3차원 자속을 수반할 수 있으며 3차원 형상이 압축 프로세스에 의해 얻어질 수 있다.
철 코어 구성요소의 두 가지 핵심적 특성은 자기적 투자율 및 코어 손실 특성이다. 물질의 자기적 투자율은 자화되는 능력 또는 자속을 운반하는 능력의 표시이다. 투자율은 자화력 또는 자화 필드 강도에 대한 유도된 자속의 비율로서 정의된다. 자기 물질이 가변 필드에 노출될 때, 이력 손실(hysteresis losses) 및 와전류 손실(eddy curret losses) 모두에 의해 에너지 손실이 일어난다. 대부분의 모터 응용에서 총 코어 손실의 대부분을 구성하는 이력 손실(DC-loss)은, 철 코어 구성요소 내에서 유지된 자화력을 극복하기 위해 에너지의 필요한 지출에 의해 일어난다. 자화력은 기본 파우더 순도 및 품질을 향상시키고, 주로 구성요소의 열처리(즉, 응력 방출(stress release))의 온도 및/또는 시간을 증가시킴에 의해 최소화될 수 있다. 와전류 손실(AC 손실)은 교류(AC) 조건에 의해 야기된 변화하는 자속에 의해 철 코어 구성요소에서의 전류의 생산에 의해 야기된다. 구성요소의 높은 전기적 비저항은 와전류를 최소화시키기 위해 바람직하다. AC 손실을 최소화하는데 필요한 전기적 비저항의 레벨은 용도(작동 주파수) 및 구성요소 크기의 유형에 의존한다.
코팅된 철계 파우더를 이용하여 자기 코어의 분말 야금학적 제조에서의 연구는 최종 구성요소의 다른 성질에 유해하게 영향을 미치지 아니하면서 일정한 물리적 및 자기적 성질을 향상시키는 철 파우더 조성물의 개발에 관한 것이었다. 바람직한 구성요소 성질은, 예를 들어 확장된 주파수 범위를 통한 높은 투자율, 낮은 코어 손실, 높은 포화 유도(high saturation induction), 및 높은 기계적 강도를 포함한다. 바람직한 파우더 성질은 압축 몰딩 기술(compression moulding techniques)에 대한 적절성을 추가로 포함하고, 이는 파우더가 고밀도 구성요소로 쉽게 몰드될 수 있음을 의미하고, 이는 구성요소 표면에 손상 없이 몰딩 장비로부터 쉽게 방출될 수 있음을 의미한다.
공개된 특허의 예는 아래와 같다.
Lashmore의 US 6,309,748호는 약 40 내지 약 600 미크론의 지름 크기와 각각의 입자 상에 배치된 무기 산화물의 코팅을 가진 강자성 파우더를 설명한다.
Jansson의 US 6,348,265호는 얇은 인 및 산소 함유 코팅으로 코팅된 철 파우더를 개시하고, 코팅된 파우더는 열처리될 수 있는 연자성 코어로의 압축에 적절하다.
Soileau의 US 4,601,765호는 철 파우더를 이용하는 압축된 철 코어를 개시하고, 이러한 철 파우더는 먼저 알칼리 금속 실리케이트의 필름으로 코팅되며 이후 실리콘 수지 폴리머로 오버-코팅된다.
Moro의 US 6,149,704호는 페놀 수지 및/또는 실리콘 수지의 코팅 및 선택적으로 티타늄 산화물 또는 지르코늄 산화물의 졸(sol)로 전기적으로 절연된 강자성 파우더를 개시한다. 얻어진 파우더는 금속 스테아르산염 윤활제와 혼합되고 더스트 코어(dust core)로 압축된다.
Moro의 US 7,235,208호는 강자성 파우더가 분산된 절연 바인더를 가진 강자성 파우더로 만들어진 더스크 코어를 개시하고, 이 경우 절연 바인더는 삼작용(trifunctional) 알킬-페닐 실리콘 수지 그리고 선택적으로 무기 산화물, 카바이드 또는 질화물을 포함한다.
연자성 분야의 추가적인 서류는, Yuuichi의 공개 번호 JP 2007-129154호를 가진 일본 특허 출원 JP 2005-322489호; Maeda의 공개 번호 JP 2007-088156호를 가진 일본 특허 출원 JP 2005-274124호; Masaki의 공개 번호 JP 2006-0244869호를 가진 일본 특허 출원 JP 2004-203969호; Ueda의 공개 번호 JP 2006-233295호를 가진 일본 특허 출원 JP 2005-051149호; 및 Watanabe의 공개 번호 JP 2006-245183호를 가진 일본 특허 출원 JP 2005-057193호이다.
*본 발명의 목적
본 발명의 목적은 높은 강도를 가진 연자성 구성요소로 압축된 전기적으로 절연된 철계 파우더를 포함한 철계 파우더 조성물을 제공하는 것이고, 이러한 구성요소는 철계 파우더의 전기적으로 절연된 코팅이 악화되지 아니하면서 최적의 열처리 온도에서 열처리될 수 있다.
본 발명의 목적은 낮은 레벨로 와전류 손실을 유지하고 이력 손실을 최소화하면서 고강도, 높은 최대 투자율, 및 높은 유도(high induction)를 가진 연자성 구성요소로 압축된 전기적으로 절연된 철계 파우더를 포함한 철계 파우더 조성물을 제공하는 것이다.
본 발명의 목적은 유독한 또는 환경적으로 유해한 용매 또는 건조 과정 없이 철계 파우더 조성물을 생산하기 위한 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 목적은 충분한 기계적 강도 및 수용 가능한 자속 밀도(유도) 및 최대 투자율과 함께 낮은 코어 손실을 가진 압축되고 선택적으로 열처리되며 연자성 철계 복합 구성요소를 생산하기 위한 프로세스를 제공하는 것이다.
*본 발명의 요약
이하의 설명으로부터 나타날 것처럼 상기 언급된 목적 및/또는 언급되지 않은 추가적인 목적 중 하나 이상을 이루기 위해, 본 발명은 연자성 철계 코어 입자를 포함한 강자성 파우더 조성물에 관한 것이고, 코어 입자의 표면에는 제 1 인-계(phosphorus-based) 무기 절연층 및 상기 제 1 인-계 무기 절연층의 외부에 위치한 이하의 화학식을 가진 금속 유기 화합물로 된 하나 이상의 금속 유기층이 제공되며,
R1[(R1)x(R2)y(MOn -1)]nR1
이 경우 M은 Si, Ti, Al 또는 Zr로부터 선택된 중앙 원자;
O는 산소;
R1은 가수 분해 가능한 그룹;
R2는 유기 모이어티(organic moiety)로서, 하나 이상의 R2는 하나 이상의 아미노 그룹을 포함하는 유기 모이어티;
n은 1 내지 20의 정수인 반복 가능한 유닛의 숫자이며;
x는 0 내지 1의 정수이고;
y는 1 내지 2의 정수이며;
3.5 미만의 모오스 경도(Mohs hardness)를 가진 금속 또는 세미-금속 미립자 화합물이 하나 이상의 금속 유기층에 부착되고, 파우더 조성물은 미립자 윤활제를 추가로 포함한다.
또한, 본 발명은 강자성 파우더 조성물의 제조를 위한 프로세스에 관한 것이고, 이러한 프로세스는 a) 연자성 철계 코어 입자를 혼합하는 단계; b) 선택적으로 얻어진 입자를 상기와 같은 추가적인 금속 유기 화합물과 혼합하는 단계; c) 파우더를 3.5 미만의 모오스 경도를 가진 금속 또는 반금속 미립자 화합물과 혼합하는 단계; 및 d) 파우더를 미립자 윤활제를 혼합하는 단계를 포함하고, 이 경우 코어 입자의 표면은 인계 무기 절연층에 의해 전기적으로 절연된다. 또한, 선택적으로 단계 b)이후의 단계에 더하여, 단계 c)는 단계 b) 이전에 선택적으로 수행될 수 있거나, 또는 단계 b) 이후의 단계에 대신에 단계 b) 이전에 수행될 수도 있다.
또한, 본 발명은 연자성 복합 물질의 제조에 대한 프로세스에 관한 것이고, 이러한 프로세스는, 적어도 약 600MPa의 압축 압력에서 다이에서 본 발명에 따른 조성물을 단일축 방향으로 압축시키는 단계; 부가된 미립자 윤활제의 용융 온도 아래의 온도로 다이를 선택적으로 사전 가열시키는 단계; 얻어진 그린 바디(green body)를 방출하는 단계; 및 선택적으로 그린 바디를 열처리하는 단계를 포함한다. 본 발명에 따른 복합 구성요소는 중량%로 0.01-0.1%의 P 함유량, 중량%로 0.02-0.12%의 기본 파우더에 대해 부가된 Si의 함유량, 및 중량%로 0.05-0.35%의 Bi 함유량을 일반적으로 가질 것이다.
기본 파우더
물 분무된 파우더가 바람직하지만, 철계 연자성 코어 입자는 분무된 물, 분무된 가스 또는 스펀지 철 파우더일 수 있다.
철계 연자성 코어 입자는, 본질적으로 순수한 철, 실리콘을 중량으로 7% 이하, 바람직하게는 3% 이하를 갖는 합금 철 Fe-Si, 또는 Fe-Al, Fe-Si-Al, Fe-Ni, Fe-Ni-Co의 그룹으로부터 선택된 합금 철, 또는 이의 조합으로 이루어진 그룹으로부터 선택될 수 있다. 본질적으로 순수한 철이 바람직한데, 즉 피할 수 없는 불순물을 가진 철이 바람직하다.
입자는 구형 또는 불규칙한 형상일 수 있고, 불규칙한 형상의 입자가 바람직하다. AD는 2.8 내지 4.0g/cm3, 바람직하게는 3.1 내지 3.7g/cm3일 수 있다.
철계 코어 입자의 평균 입자 크기는 25 내지 600μm, 바람직하게 45 내지 400μm, 가장 바람직하게는 60 내지 300μm이다.
제 1 코팅층(무기)
코어 입자에는 바람직하게는 인계인 제 1 무기 절연층이 제공된다. 이러한 제 1 코팅층은 물 또는 유기 용매에 용해된 인산으로 철계 파우더를 처리함에 의해 이루어질 수 있다. 수계 용매에서 방청제(rust inhibitor) 및 계면활성제(tensides)가 선택적으로 부가된다. 철계 파우더 입자를 코팅하는 바람직한 방법은 US 6,348,265호에서 설명된다. 인산염화(phosphatizing) 처리는 반복될 수 있다. 철계 코어 입자의 인계 절연 무기 코팅은, 도펀트, 방청제, 또는 계면활성제의 부가가 없는 것이 바람직하다.
층 1에서 인산염의 함유량은 조성물의 0.01 내지 0.1wt%일 수 있다.
금속 유기층(제 2 코팅층)
적어도 하나의 금속 유기층이 제 1 인계 층 외부에 위치한다. 금속 유기층은 이하의 일반식을 가진 금속 유기 화합물로 이루어진다:
R1[(R1)x(R2)y(MOn -1)]nR1
이 경우 M은 Si, Ti, Al 또는 Zr로부터 선택된 중앙 원자;
O는 산소;
R1은 가수 분해 가능한 그룹;
R2는 유기 모이어티로서, 하나 이상의 R2는 하나 이상의 아미노 그룹을 포함는 유기 모이어티;
n은 1 내지 20의 정수인 반복 가능한 유닛의 숫자이며;
x는 0 내지 1의 정수이고; y는 1 내지 2의 정수이다(x는 0 또는 1, 그리고 y는 1 또는 2일 수 있다).
금속 유기 화합물은 이하의 그룹으로부터 선택될 수 있다: 표면 변경제(surface modifier), 커플링제(coupling agents), 또는 가교제.
금속 유기 화합물에서의 R1은 4 탄소 원자 미만, 바람직하게는 3 탄소 원자 미만을 가진 알콕시 그룹일 수 있다.
R2는 유기 모이어티이고, 이는 R2 그룹은 유기 부분을 함유함을 의미한다. R2는 1-6, 바람직하게는 1-3 탄소 원자를 포함할 수 있다. R2는 N, O, S 및 P로 이루어진 그룹으로부터 선택된 하나 이상의 헤테로 원자를 추가로 포함할 수 있다. R2 그룹은 선형, 브랜치형, 고리형 또는 방향족일 수 있다.
R2는 이하의 기능성 그룹 중 하나 이상을 포함할 수 있다: 아민, 디아민, 아미드, 이미드, 에폭시, 히드록실, 에틸렌 산화물, 우레이도, 우레탄, 이소시안나토, 아크릴레이트, 글리세릴 아크릴레이트, 벤질-아미노, 비닐-벤질-아미노. R2 그룹은 언급된 기능성 R2-그룹 중 어느 것 그리고 반복 가능한 유닛을 가진 하이드로포빅 알킬 그룹 사이에서 변경될 수 있다.
금속 유기 화합물은 실란, 실록산 및 실세스퀴옥산의 파생물, 중간물 또는 올리고머, 또는 상응하는 티타네이트, 알루미네이트 또는 지르코네이트로부터 선택될 수 있다.
일 실시예에 따르면, 하나의 금속 유기층에서의 하나 이상의 금속 유기 화합물은 모노머(n=1)이다.
다른 실시예에 따르면, 하나의 금속 유기층에서의 하나 이상의 금속 유기 화합물은 올리고머(n=2-20)이다.
다른 실시예에 따르면, 제 1 층의 외부에 위치한 금속 유기층은 금속 유기 화합물의 모노머로 이루어지고, 최외곽 금속 유기층은 금속 유기 화합물의 올리고머로 이루어진다. 모노머 및 올리고머의 화학적 기능성은 필수적으로 동일하지 아니하다. 금속 유기 화합물의 모노머로 된 층 및 금속 유기 화합물의 올리고머의 층의 중량비는 1:0 내지 1:2, 바람직하게는 2:1-1:2일 수 있다.
금속 유기 화합물이 모노머라면, 이는 트리알콕시 및 디알콕시 실란, 티타네이트, 알루미네이트, 또는 지르코네이트로 이루어진 그룹으로부터 선택될 수 있다.따라서, 금속 유기 화합물의 모노머는 3-아미노프로필-트리메톡시실란, 3-아미노프로필-트리에톡시실란, 3-아미노프로필-메틸-디에톡시실란, N-아미노에틸-3-아미노프로필-트리메톡시실란, N-아미노에틸-3-아미노프로필-메틸-디메톡시실란, 1,7-비스(트리에톡시시릴)-4-아자헵탄, 트리아미노-기능성 프로필-트리메톡시실란, 3-우레이도프로필-트리에톡시실란, 3-이소시안나토프로필-트리에톡시실란, 트리스(3-트리메톡시시릴프로필)-이소시안우레이트, 0-(프로파르길록시)-N-(트리에톡시시릴프로필)-우레탄, 1-아미노메틸-트리에톡시실란, 1-아미노에틸-메틸-디메톡시실란 또는 이의 혼합물로부터 선택될 수 있다.
금속 유기 화합물의 올리고머는 실란, 티타네이트, 알루미네이트 또는 지르코네이트로 된 알콕시-종결된 알킬-알콕시-올리고머로부터 선택될 수 있다. 따라서, 금속 유기 화합물의 올리고머는 메톡시, 에폭시 또는 아세톡시-종결된 아미노-실세스퀴옥산, 아미노-실록산, 올리고머릭 3-아미노프로필-메톡시-실란, 3-아미노프로필-알콕시-실란, 프로필-알콕시-실란, N-아미노에틸-3-아미노프로필-알콕시-실란, 또는 N-아미노에틸-3-아미노프로필-알콕시-실란, N-아미노에틸-메틸-알콕시-실란, 또는 이의 혼합물로부터 선택될 수 있다.
금속 유기 화합물의 총량은 조성의 중량으로 0.05-0.6%, 바람직하게는 0.05-0.5%, 더욱 바람직하게는 0.1-0.4%, 가장 바람직하게는 0.2-0.3%일 수 있다. 이러한 종류의 금속 유기 화합물은 Evonik lnd., Wacker Chemi AG, Dow Corning 등과 같은 회사로부터 상업적으로 얻을 수 있다.
금속 유기 화합물은 알칼라인 특성을 갖고, 또한 커플링 성질을 포함할 수 있는데, 즉 소위 커플링제는 철계 파우더의 제 1 무기층에 커플링될 것이다. 이러한 물질은 제 1 층으로부터 초과 산 및 산성 부산물(bi-product)을 중화시켜야 한다. 아미노알킬 알콕시-실란, -티타네이트, -알루미네이트, 또는 -지르코네이트의 그룹으로부터 커플링제가 이용된다면, 이 물질은 가수 분해되고 부분적으로 중합시킬 것이다(알콕시 그룹의 일부는 따라서 알콜의 형성으로 가수 분해될 것이다). 또한, 금속 유기 화합물의 커플링 또는 가교 성질은 금속 또는 세미-금속 미립자 화합물로 커플링되는 것으로 믿어지고, 이러한 화합물은 압축된 복합 구성요소의 기계적 안정성을 향상시킬 수 있다.
금속 또는 세미-금속 미립자 화합물
또한, 코팅된 연자성 철계 파우더는 하나 이상의 화합물, 금속 또는 세미-금속 미립자 화합물을 함유해야 한다. 금속 또는 세미-금속 미립자 화합물은 3.5 미만의 모오스 경도를 가지며 연성이어야 하고, 미세한 입자 또는 콜로이드로 구성되어야 한다. 화합물은 5μm 미만, 바람직하게는 3μm 미만, 가장 바람직하게는 1μm의 평균 입자 크기를 갖는 것이 바람직할 수 있다. 금속 또는 세미-금속 미립자 화합물은 중량으로 95% 초과, 바람직하게는 98% 초과, 가장 바람직하게는 99% 초과의 순도를 가질 수 있다. 금속 또는 세미-금속 미립자 화합물의 모오스 경도는 바람직하게 3 또는 그 미만, 더욱 바람직하게는 2.5 또는 그 미만이다. SiO2, Al2O3, MgO, 및 TiO2는 연마용이고, 3.5를 훨씬 넘는 모오스 경도를 가지며, 본 발명의 범위 내에 있지 아니하다. 나노 크기의 입자와 같은 연마용 화합물은 전기적으로 절연시키는 코팅에 회복할 수 없는 손상을 야기할 수 있고, 이는 열등한 방출, 그리고 열처리 구성요소의 나쁜 자기적 및/또는 기계적 성질을 제공한다.
금속 또는 세미-금속 미립자 화합물은 이하의 그룹으로부터 선택된 하나 이상일 수 있다: 납, 인듐, 비스무트, 셀레늄, 붕소, 몰리브덴, 망간, 텅스텐, 바나듐, 안티몬, 주석, 아연, 세륨.
금속 또는 세미-금속 미립자 화합물은 산화물, 수산화물, 탄산염, 인산염, 플루오라이트, 설파이드, 설페이트, 설파이트, 옥시클로라이드, 또는 이의 혼합물일 수 있다.
바람직한 실시예에 따르면, 금속 또는 세미-금속 미립자 화합물은 비스무트, 또는 더욱 바람직하게는 비스무트 (III) 산화물이다. 금속 또는 세미-금속 미립자 화합물은 알칼리 금속 또는 알칼리 토류 금속으로부터 선택된 제 2 화합물과 혼합될 수 있고, 이 경우 이러한 화합물은 탄산염, 바람직하게는 칼슘, 스트론튬, 바륨, 리튬, 포타슘 또는 소듐의 탄산염일 수 있다.
금속 또는 세미-금속 미립자 화합물 또는 화합물의 혼합물은 조성물의 중량으로 0.05-0.5%, 바람직하게는 0.1-0.4%, 가장 바람직하게는 0.15-0.3%의 양만큼 존재할 수 있다.
금속 또는 세미-금속 미립자 화합물 또는 화합물 혼합물은 하나 이상의 금속 유기층에 부착된다. 본 발명의 일 실시예에서, 금속 또는 세미-금속 미립자 화합물은 최외곽 금속-유기층에 부착된다.
윤활제
본 발명에 따른 파우더 조성물은 미립자 윤환제를 포함한다. 미립자 윤활제는 중요한 역할을 하고 다이 벽 윤활을 인가할 필요 없이 압축을 가능하게 한다. 미립자 윤활제는 주요 그리고 보조 지방산 아미드, 트랜스-아미드(비스아미드) 또는 지방산 알콜로 이루어진 그룹으로부터 선택될 수 있다. 미립자 윤활제의 윤활 모이어티(lubricating moiety)는 12-22 탄소 원자를 함유한 포화된 불포화된 체인일 수 있다. 미립자 윤활제는 바람직하게 스테아르아미드, 에루카미드, 스테아릴-에루카미드, 에루실-스테아르아미드, 베헤닐 알콜, 에루실 알콜, 에틸렌-비스스테아르미드(즉, EBS 또는 아미드 왁스)로부터 선택될 수 있다. 미립자 윤활제는 조성의 중량으로 0.15-0.55%, 바람직하게는 0.2-0.4%의 함유량으로 존재할 수 있다.
조성물의 제조 프로세스
본 발명에 따른 강자성 파우더 조성물의 제조를 위한 프로세스는 a) 연자성 철계 코어 입자를 상기 개시된 것과 같은 금속-유기 화합물과 혼합하는 단계로서, 코어 입자의 표면은 인계(phosphorous-based) 무기 절연층에 의해 전기적으로 절연되는, 단계; b) 상기 개시된 것과 같은 추가적인 금속-유기 화합물과 얻어진 입자를 선택적으로 혼합하는 단계; c) 3.5 미만의 모오스 경도를 가진 금속 또는 세미-금속 미립자 화합물을 파우더와 혼합하는 단계; 및 d) 미립자 윤활제와 파우더를 혼합하는 단계를 포함한다. 이 경우 단계 c)는 선택적으로, 단계 b) 이후에 실시되는 것에 더하여 단계 b) 이전에 수행되거나, 또는 단계 b) 이후에 실시되는 것 대신에 단계 b) 이전에 수행될 수 있다.
제 1 무기 절연층이 제공된 코어 입자는 금속-유기 화합물과 혼합되기 이전에 알칼리 화합물과 함께 사전 처리될 수 있다. 사전 처리는 제 1 층 및 제 2 층 사이의 커플링을 위한 필요 조건을 향상시킬 수 있고, 이는 전기적 비저항 및 자기적 복합 구성요소의 기계적 강도 모두를 향상시킬 수 있다. 알칼리 화합물은 암모니아, 히드록실 아민, 테트라알킬 암모늄 히드록사이드, 알킬-아민, 알킬-아미드로부터 선택될 수 있다. 사전-처리는 파우더화 혼합된 바람직하게 적절한 용매에서 용해되며 선택적으로 건조된 상기 리스트된 화학 물질을 이용하여 수행될 수 있다.
연자성
구성요소를 생산하기 위한 프로세스
본 발명에 따른 연자성 복합 물질의 제조를 위한 프로세스는, 적어도 약 600MPa의 압축 압력에서 다이에서 본 발명에 따른 조성물을 단일 축방향으로 압축하는 단계; 부가된 미립자 윤활제의 녹는점 아래의 온도로 다이를 선택적으로 사전 가열하는 단계; 얻어진 그린 바디를 방출하는 단계; 및 선택적으로 그린 바디를 열처리하는 단계를 포함한다.
압축은 콜드 다이 압축(cold die compaction), 웜(warm) 다이 압축 또는 고속 압축일 수 있고, 바람직하게는 가열되지 않은 파우더를 구비한 제어된 다이 온도(50-120℃)가 이용된다.
열처리 프로세스는 진공의 비환원성 비활성으로 또는 약하게 산화시키는 대기로, 예를 들어 0.01 내지 3% 산소, 또는 스팀으로 일어날 수 있고, 이는 무기 네트워크의 형성을 촉진시키며 압축의 강요를 증가시키지 아니한다. 선택적으로, 열처리는 비활성 대기에서 수행되고, 이후 높은 강도의 표면상 크러스트를 만들기 위해 스팀과 같은 산화시키는 대기에서 빠르게 노출된다. 이러한 온도는 700℃ 이하일 수 있다.
열처리 조건은 윤활제가 가능한 완전히 증발되게 할 것이다. 이는 일반적으로 약 300 내지 500℃를 넘어 열처리 사이클의 제 1 부분 동안 얻어진다. 더 높은 온도에서, 금속 또는 세미-금속 화합물은 금속-유기 화합물과 반응할 수 있고, 부분적으로 유리질 네트워크(glassy network)를 형성할 수 있다. 이는 추가적으로 구성요소의 기계적 강도뿐만 아니라 전기적 비저항을 향상시킬 것이다. 최대 온도(600-700℃)에서, 압축은 완전한 응력 방출에 도달할 수 있고, 여기서 보자력 및 복합 물질의 이력 손실이 최소화된다.
본 발명에 따라 제조된 압축되며 열처리된 연자성 복합 물질은 구성요소의 중량으로 0.01-0.1%의 P 함유량, 구성요소의 중량으로 0.02-0.12%의 기본 파우더에 대해 첨가된 Si의 함유량, 그리고 구성요소의 중량으로 0.05-0.35%의 Bi의 함유량을 갖는 것이 바람직하다.
본 발명은 이하의 예에 의해 추가적으로 도시된다.
예 1
철계 물 분무된 파우더는 약 220μm의 평균 입자 크기를 가지며, 입자의 5% 미만은 45μm 미만의 입자 크기를 갖는다(40 메쉬 파우더). 순수 철 파우더인 이러한 파우더에는 전기적으로 절연시키는 얇은 인-계 층이 먼저 제공되었다(인은 코팅된 파우더의 중량마다 약 0.045%이다). 이후 0.2중량%의 아미노알킬-알콕시 실란(Dynasylan®1146, Evonik lnd.)의 올리고머와 함께 뒤섞음에 의해 혼합되었다. 조성물은 비스무트 (III) 산화물의 미세 파우더의 0.2중량%와 추가로 혼합되었다. 각각 실란 및 비스무트를 이용하여 표면 변경이 없는 상응하는 파우더가 비교를 위해 이용되었다. 파우더는 압축 이전에 미립자 윤활제, EBS와 최종적으로 혼합되었다. 이용된 윤활제의 양은 조성물의 0.3중량%였다.
45mm의 내부 지름, 55mm의 외부 지름 및 5mm의 높이를 가진 자기 토로이드는 60℃의 다이 온도에서 각각 800 및 1100MPa의 두 개의 상이한 압축 압력에서 단일 단계로 단일 축방향으로 압축되었다. 압축 이후 부품은 질소에서 30분 동안 650℃에서 열처리되었다. 참고 물질은 공기중에서(A6, A8) 그리고 스팀에서(A7) 30분 동안 530℃에서 처리되었다. 얻어진 열처리된 토로이드는 100 센스 턴(sense turns) 및 100 드라이브 턴(drive turns)으로 감긴다. 자기적 측정은 브록하우스(Brockhaus) 이력 그래프를 이용하여 100 드라이브 턴 및 100 센스 턴을 가진 토로이드 샘플 상에서 측정되었다. 총 코어 손실은 각각 1Tesla에서 400Hz 및 1000Hz로 측정되었다. 횡방향 파열 강도(Transverse Rupture Strength; TRS)는 ISO 3995에 따라 측정되었다. 특정 전기적 비저항은 4 포인트 측정 방법(four point measuring method)에 의해 링 샘플 상에서 측정되었다.
이하의 표 1은 얻어진 결과를 도시한다.
하나 이상의 코팅층이 배제된다면, 자기적 성질 및 기계적 성질은 부정적으로 영향을 받는다. 인계 층을 그대로 두는 것(leaving out)은 수용 불가능한 전기적 비저항을 초래할 것이고, 따라서 높은 와전류 손실(A3)을 줄 것이다. 금속-유기 화합물을 배제하는 것은 수용 불가능한 전기적 비저항 또는 기계적 강도를 줄 것이다(A4, A5).
스웨덴의 회가내스 아베로부터 구입 가능한 Somaloy®700 또는 Somaloy®3P와 같은 현존하는 상업적인 참고 물질(A6-A8)과 비교할 때, 본 발명의 복합 물질은 고온에서 열처리될 수 있고, 이에 의해 상당히 이력 손실(DC-loss/cycle)을 감소시킨다.
예 2
3.3g/cm3의 겉보기 밀도를 가진 약 95μm와 10-30%의 45μm 미만의 평균 입자 크기를 가진 철계 물 분무된 파우더(100 메쉬 파우더)가 시작 물질로서 이용되었고, 철 입자는 인계의 전기적으로 절연시키는 코팅에 의해 둘러싸인다. 코팅된 파우더는 아미노알킬-트리알콕시 실란(Dynasylan®Ameo)의 0.2중량%, 및 이후 아미노알킬-알콕시 실란, 알킬-알콕시 실란(Dynasylan®1146)의 올리고머의 0.2중량%를 뒤섞음에 의해 추가적으로 혼합되고, 이러한 두 물질은 모두 Evonik lnd에서 생산되었다. 조성물은 비스무트 (III) 산화물의 미세한 파우더의 0.2중량%와 추가로 혼합되었다. 파우더는 압축 이전에 미립자 윤활제, EBS와 최종적으로 혼합되었다. 이용된 윤활제의 양은 조성물의 0.4중량% 이었다. 파우더 조성물은 각각 600 및 800 MPa 이용하여, 예 1에서 설명된 것처럼 추가로 처리되었다. 표 2는 얻어진 결과를 도시한다.
예 3
동일한 인계 절연층을 가진 예 1에서와 동일한 기본 파우더가 이용되었다. 이 파우더는 먼저 베이직 아미노알킬-알콕시 실란(Dynasylan®Ameo)의 상이한 양을 그리고 아미노알킬-알콕시 실란, 알킬-알콕시 실란(Dynasylan®1146)의 올리고머로 1:1 관계를 이용하여 뒤섞음에 의해 혼합되었고, 이러한 물질은 모두 Evonik lnd에서 생산되었다. 조성물은 비스무트 (III) 산화물(>99wt%; D50 ~0.3μm)의 미세 파우더의 상이한 양으로 추가로 혼합되었다. 샘플 C5는 낮은 순도 및 큰 입자 크기(>98wt%; D50 ~5μm)를 가진 Bi2O3와 혼합되었다. 파우더는 1100MPa에서 압축 이전에 아미드 왁스(EBS)의 상이한 양과 마지막으로 혼합되었다. 파우더 조성물은 예 1에서 설명된 것처럼 추가적으로 처리되었다. 이 결과는 표 3에서 도시되고, 자기적 성질 및 기계적 성질(TRS)에 대한 영향을 도시한다.
샘플 C1-C4은 금속-유기 화합물, 비스무트 산화물 또는 윤활제의 상이한 양을 이용하는 효과를 도시한다. 샘플 C5에서, 샘플 C6와 비교하여 전기적 비저항은 낮아지지만 TRS는 약간 향상된다.
예 4
샘플 D10(0.06wt% P) 및 D11(0.015wt% P)을 제외하고 동일한 인계 절연층을 가진 예 1에서와 동일한 기본 파우더가 이용되었다. 파우더 샘플(D1 내지 D11)은 표 4에 따라 추가적으로 처리되었다. 모든 샘플은 0.3wt% EBS와 최종적으로 혼합되었고, 800MPa로 압축되었다. 이후 연자성 구성요소는 질소에서 30분 동안 650℃에서 열처리되었다.
샘플 D1 내지 D3는 층 2-1 또는 2-2가 생략될 수 있음을 도시하지만, 최선의 결과는 두 층 모두를 조합함에 의해 얻어진다. 샘플 D4 및 D5는 공기에서 1시간 120℃에서 건조가 뒤따르는 희석된 암모니아를 이용한 사전 처리된 파우더를 도시한다. 사전 처리된 파우더는 아민-기능성 올리고머릭 실란과 추가적으로 혼합되었고, 수용 가능한 성질을 제공한다.
샘플 D10 및 D11은 층 1의 인 함유량의 영향을 도시한다. 입자 크기 분포 및 조직 형태(morphology)와 같은 입자 기본 파우더의 성질에 기초하여, 모든 바람직한 성질에 도달하기 위해 최적의 인 농도(0.01 내지 0.1wt%)가 제공된다.
예 5
동일한 인계 절연층을 가진 예 1에서와 동일한 기본 파우더가 이용되었다. 금속 화합물의 부가가 상이한 점을 제외하고는, 모든 3개의 샘플은 샘플 D1과 유사하게 처리되었다. 샘플 E1은, 칼슘 탄산염이 비스무트(III) 산화물에 적은 양으로 부가된다면, 전기적 비저항이 향상된다는 것을 도시한다. 샘플 E2는 다른 소프트한 금속 화합물, MoS2의 영향을 도시한다.
나노 크기의 입자가 됨에도 불구하고, 3.5 미만의 모오스 경도를 가진 연마성의 단단한 화합물의 부가와 코런덤(Al2O3) 또는 쿼츠(SiO2)(E3)와 같은 3.5를 훨씬 넘는 모오스 경도를 가진 연마성의 단단한 화합물과 대조로, 연자성 성질은 열등한 전기적 비저항 및 기계적 강도에 의해 수용 가능하지 못하게 될 것이다.
* 아세톤으로 NH3를 이용하여 사전 처리하고 이후 공기에서 1시간 120℃에서 건조시킴.
** 샘플 D8은 루이스(Lewis) 계-기능화된 금속-유기 화합물을 포함하지 아니함.
*** 층 1은 0.06wt% P를 포함함.
**** 층 1은 0.015wt% P를 포함함.
Claims (15)
- 연자성 철계 코어 입자(soft magnetic iron-based core particles)를 포함하는 강자성 파우더 조성물(ferromagnetic powder composition)로서,
코어 입자의 표면은 제 1 인계(phosphorus-based) 무기 절연층 및 하나 이상의 금속 유기층을 구비하고,
상기 하나 이상의 금속 유기층은, 상기 제 1 인계 무기 절연층의 외부에 위치하고 이하의 화학식을 갖는 금속 유기 화합물에 속하며,
상기 화학식은, R1[(R1)x(R2)y(MOn-1)]nR1 로서,
M은 Si, Ti, Al 또는 Zr로부터 선택된 중심 원자이고;
O는 산소이고;
R1은 가수 분해 가능한(hydrolysable) 그룹이고;
R2는 유기 모이어티(organic moiety)로서 하나 이상의 아미노 그룹을 포함하며;
n은 1 내지 20의 정수이며;
x는 0 내지 1의 정수이고;
y는 1 내지 2의 정수인, 화학식이며,
3.5 미만의 모오스 경도(Mohs hardness)를 갖는 금속 또는 세미-금속(semi-metallic) 미립자 화합물이 하나 이상의 금속 유기층에 부착되고,
상기 파우더 조성물이 미립자 윤활제(particulate lubricant)를 추가로 포함하는,
강자성 파우더 조성물.
- 제 1 항에 있어서,
상기 하나 이상의 금속 유기층 중 임의의 하나의 금속 유기층에서 상기 금속 유기 화합물이 모노머(monomer)(n=1)인,
강자성 파우더 조성물.
- 제 1 항에 있어서,
상기 하나 이상의 금속 유기층 중 임의의 하나의 금속 유기층에서 상기 금속 유기 화합물은 올리고머(oligomer)(n=2 내지 20)인,
강자성 파우더 조성물.
- 제 1 항에 있어서,
상기 금속 유기 화합물에서 R1은 4개 미만의 탄소 원자를 갖는 알콕시(alkoxy) 그룹인,
강자성 파우더 조성물.
- 제 1 항에 있어서,
R2는 1개 내지 6개의 탄소 원자를 포함하는,
강자성 파우더 조성물.
- 제 1 항에 있어서,
상기 금속 유기 화합물의 R2 그룹은 N, O, S 및 P로 이루어진 그룹으로부터 선택된 하나 또는 둘 이상의 헤테로(hetero) 원자를 포함하는,
강자성 파우더 조성물.
- 제 1 항에 있어서,
R2는 아민(amine), 디아민(diamine), 아미드(amide), 이미드(imide), 에폭시(epoxy), 메르캅토(mercapto), 디술피도(disulfido), 클로로알킬(chloroalkyl), 히드록실(hydroxyl), 에틸렌 산화물(ethylene oxide), 우레이도(ureido), 우레탄(urethane), 이소시안나토(isocyanato), 아크릴레이트(acrylate), 글리세릴 아크릴레이트(glyceryl acrylate)의 작용기 중 하나 또는 둘 이상을 포함하는,
강자성 파우더 조성물.
- 제 1 항에 있어서,
상기 금속 유기 화합물은 트리알콕시 및 디알콕시 실란(trialkoxy and dialkoxy silanes), 티타네이트(titanates), 알루미네이트(aluminates), 또는 지르코네이트(zirconates)로부터 선택된 모노머인,
강자성 파우더 조성물.
- 제 1 항에 있어서,
상기 금속 유기 화합물은 실란, 티타네이트, 알루미네이트 또는 지르코네이트의,
알콕시-종결된(terminated) 알킬-알콕시 올리고머로부터 선택된 올리고머인,
강자성 파우더 조성물.
- 제 3 항에 있어서,
상기 금속 유기 화합물의 올리고머는 알콕시-종결된 아미노-실세스퀴옥산(amino-silsesquioxanes), 아미노-실록산(amino-siloxanes), 올리고머릭 3-아미노프로필-알콕시-실란(oligomeric 3-aminopropyl-alkoxy-silane), 3-아미노프로필-알콕시-실란(3-aminopropyl-alkoxy-silane), 프로필-알콕시-실란(propyl-alkoxy-silane), 또는 N-아미노에틸-3-아미노프로필-알콕시-실란(N-aminoethyl-3-aminopropyl-alkoxy-silane), N-아미노에틸-메틸-알콕시-실란(N-aminoethyl-methyl-alkoxy-silane), 또는 이의 혼합물로부터 선택되는,
강자성 파우더 조성물.
- 제 1 항에 있어서,
상기 금속 또는 세미-금속 미립자 화합물은 비스무트 산화물(bismuth oxide)인,
강자성 파우더 조성물.
- 강자성 파우더 조성물의 제조(preparation)를 위한 프로세스로서,
a) 인계 무기 절연층에 의해 표면이 전기적으로 절연되는 연자성 철계 코어 입자를 청구항 제 1 항 내지 제 11 항 중 어느 한 항에 기재된 금속 유기 화합물과 혼합하는 단계;
b) 선택적으로, 혼합된 상기 코어 입자를 추가적인 청구항 제 1 항 내지 제 11 항 중 어느 한 항에 기재된 금속 유기 화합물과 혼합하는 단계;
c) 상기 코어 입자를 3.5 미만의 모오스 경도를 갖는 금속 또는 세미-금속 미립자 화합물과 혼합하는 단계; 및
d) 상기 코어 입자를 미립자 윤활제와 혼합하는 단계;를 포함하고,
단계 c)는, 단계 b)의 실시 이전에 실시되거나, 단계 b)의 실시 이후에 실시되거나, 또는 단계 b)의 실시 이전 및 이후 모두에 실시될 수 있는,
강자성 파우더 조성물의 제조를 위한 프로세스.
- 강자성 파우더 조성물로서,
제 12 항에 따른 프로세스에 따라 얻을 수 있는,
강자성 파우더 조성물.
- 연자성 복합 물질(soft magnetic composite materials)의 제조(preparation)를 위한 프로세스로서,
a) 다이(die)에서 제 1 항 내지 제 11 항 중 어느 한 항에 따른 조성물을 단일축 방향으로(uniaxially) 600MPa 이상의 압축 압력(compaction pressure)에서 압축하는 단계;
b) 선택적으로, 상기 다이를 부가된 미립자 윤활제의 용융 온도 아래의 온도로 사전 가열하는 단계;
c) 얻어진 그린 바디(green body)를 방출하는 단계; 및
d) 선택적으로, 상기 그린 바디를 열처리하는 단계;를 포함하는,
연자성 복합 물질의 제조를 위한 프로세스.
- 제 14 항에 따른 프로세스에 따라 제조된 압축되고 열처리된 연자성 복합 물질로서,
성분의 0.01-0.1 중량%의 P 함유량, 성분의 0.02-0.12 중량%로 기본 파우더(base powder)에 대해 부가된 Si의 함유량, 및 성분의 0.05-0.35 중량%의 Bi 함유량을 가지는,
연자성 복합 물질.
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