軟磁元件的熱處理的製作方法

2023-05-31 21:44:51

專利名稱：軟磁元件的熱處理的製作方法
技術領域：
本發明涉及軟磁複合材料元件。更具體地，本發明涉及一種通過控制軟磁複合材料元件的熱處理過程中的條件，從而提高這種元件的性能的方法。
背景技術：
軟磁材料用作例如感應器、定子、轉子、發電機、致動器和傳感器中的磁芯材料。通常，軟磁磁芯-例如電機中的轉子和定子-由鋼片堆疊而成。軟磁複合材料(SMC)基於通常是鐵基的軟磁顆粒，每個顆粒上具有電絕緣塗層。利用傳統的粉末冶金工藝，通過將絕緣顆粒與潤滑劑和/或粘合劑一起壓制，從而製成SMC零件。由於SMC材料可以承載三維的磁通，並且由於通過壓制工藝可以獲得三維的形狀，所以通過使用這種由粉末冶金製成的材料可以在SMC元件的設計中獲得比使用鋼疊片更高的自由度。
然而，將絕緣粉末顆粒壓製成SMC元件會產生應力，特別是當元件被壓成較高密度時。這些應力對磁性性能-例如磁導率和磁滯損耗-具有消極影響。熱處理具有應力釋放作用，因此可以部分地恢復磁導率和磁滯損耗。然而，熱處理必須不能導致絕緣層/塗層的損壞，因為這樣會發生金屬與金屬的接觸，從而增加渦流損耗。另外，為進免在擠壓操作中鐵的顆粒之間的冷焊並保持連續的塗層，推薦在絕緣粉末中添加潤滑劑。
對由粉末冶金製成的SMC元件進行熱處理時出現的一個問題是磁性性能會根據熱處理條件而變化。在工業生產中尤其如此。在工業生產中觀察到的另一個問題是元件表面有瑕疵。

發明內容
本發明的一個目的是提供一種使元件的磁性性能得到提高並且更穩定的方法。
本發明的另一個目的是提供一種使元件表面沒有瑕疵的方法。
簡而言之，已發現，可以通過控制SMC元件在其中進行熱處理的爐內氣氛而實現這些目的和下文中顯而易見的其它目的。具體而言，已發現，應該控制爐內氣氛的CO含量。


圖1示出在不同CO含量下，初始磁導率隨頻率的變化；圖2示出在不同CO含量和1特斯拉磁感應強度下，磁芯損耗隨頻率的變化；圖3示出在不同爐溫下，元件溫度隨停留時間的變化；圖4示出在不同溫度和停留時間下進行熱處理時，初始磁導率隨頻率的變化；圖5a-c示出熱處理過的元件的表面狀況。
具體實施例方式
SMC元件適於由鐵磁粉末製備，該鐵磁粉末的顆粒上具有電絕緣塗層。壓制前，將該粉末與一種有機潤滑劑混合。隨後對壓制後的元件在一含氧爐內氣氛例如空氣中進行熱處理。
專門根據本發明而考慮(使用)的鐵磁粉末基於主要由純鐵組成的基粉，並且可以是例如可買得到的水霧化鐵粉或具有圓的、不規則的或扁平的顆粒的海綿鐵粉。可使用的不規則的水霧化粉末的典型例子是瑞典Hoganas AB公司的ABC 100和ASC 100系列粉末。基粉的顆粒尺寸取決於粉末預期的最終用途，並且通常小於500μm。對於(用於)較高頻率(的粉末)，顆粒尺寸優選地小於45μm。這些基粉上有一氧塗層或隔層，並且一個突出特徵是，該粉末的氧含量與基粉的氧含量相比僅有少量提高。更具體的，該粉末中氧含量按重量計算比基粉中的氧含量最多高0.2％，優選地最多高0.15％。通過在有機溶劑中用磷酸對基粉進行處理可以使基粉上塗覆該絕緣層，如美國專利6,348,265中所述，該專利在此被引作參考。因此，本發明具體針對軟磁粉末，其中，絕緣的粉末顆粒由主要是純鐵的基粉組成，該基粉具有一很薄的含氧和磷的絕緣隔層。
現已發現，爐內氣氛的CO含量對於最終的SMC壓製件的性能起著重要的作用，該爐內氣氛按體積計算優選包含至少10％的氧氣。爐內氣氛的CO的含量根據所使用的潤滑劑的類型和數量以及熱處理過程中爐內的潤滑劑的分解程度而變化。在爐內氣氛中最高可獲得按體積計算5％的CO。通過將CO的含量控制在按體積計算0.25％以下，不僅發現可以獲得更穩定的磁性性能，而且還發現磁性性能-例如初始磁導率的損耗和頻率穩定性-可以得到提高。爐內氣氛中CO的含量越低，這種優點就越顯著。因此，優選地，CO的含量按體積計算低於約0.1％或甚至低於0.05％。在不受任何特定理論束縛的情況下，可以認為，高含量的CO會損害絕緣的粉末顆粒的表面塗層，結果在高濃度CO下被熱處理過的材料的頻率穩定性較低。而且，已發現，CO濃度的減少會導致總損耗的減少。因此，通過控制爐內氣氛中CO的含量，可以提高SMC零件的磁性性能。
在實踐中，本發明方法適於通過在整個熱處理循環期間測量熱處理爐的至少一個位置處的CO的濃度而進行，並將所測量的CO濃度的值用於控制爐內氣氛。因此，CO的含量可以通過控制流經爐子的氣流進行調節。此外，爐溫可設定為高於最高預期元件的溫度的一個值。然後，對SMC元件的溫度進行測量，並且當元件的溫度達到預期元件溫度時終止熱處理循環。因而，可以在元件達到至少400℃的溫度時終止熱處理。優選的是，熱處理一直進行直到元件達到450℃和650℃之間的一個溫度，並且最優選的是達到450℃和600℃之間的一個溫度。爐子的合適的溫度設定為約450℃至1000℃。可在熱處理過程後測量元件溫度，並當達到最終元件溫度時中斷熱處理。在爐中對元件進行熱處理的時間根據元件的尺寸和所要求的元件的最終溫度而變化，並可由本領域技術人員很容易地確定。
本發明另一優點是，通過測量元件溫度，可以使較高的爐溫與較短的停留時間相結合，利用這一點可消除經過應力釋放處理的元件表面的有機潤滑劑的殘留物。
優選地在空氣中對熱處理過的元件進行後續的冷卻，但爐冷或在其它介質中的冷卻也是可以的。
將通過如下例子對本發明進行進一步說明例1通過壓制具有連續塗層的Somaloy 500TM純鐵基粉末和0.5％的KenolubeTM潤滑劑生產出內徑為45mm、外徑為55mm並且高為5mm的磁性環。壓制壓力是800MPa，並且獲得了7.35g/cm3的壓坯密度。在500℃空氣中、在連續生產爐中、在通過調節流過爐子的氣流獲得的不同的CO濃度下對該環進行熱處理。
對隨頻率而變化的初始磁導率進行測量。所獲得的SMC元件在較高頻率下保持初始磁導率的能力被稱為頻率穩定性。
圖1示出，在較低的CO濃度下進行熱處理的材料的頻率穩定性較高。對於0.25％及以下的CO濃度，可以獲得合格的頻率穩定性的值。
同時對總損耗進行了測量，並且圖2示出在三種不同CO濃度下進行熱處理的材料的總損耗。圖2示出，當CO濃度減小時，總損耗也減小。
例2利用與例1中相同的鐵基粉末混合物生產出直徑為80mm、高為30mm並且重量約為1kg的圓柱形SMC元件，並分別在兩種不同的爐溫，即500℃和600℃下進行熱處理。對於在500℃下進行熱處理的元件，熱處理分別在30分鐘和55分鐘後結束。對於在600℃下進行熱處理的元件，該過程在28分鐘後結束。
圖3示出元件的溫度曲線，可以推斷，在600℃爐溫下進行熱處理的元件的溫度在28分鐘後達到550℃。
圖4示出，在500℃下進行55分鐘熱處理的元件和在600℃下進行28分鐘熱處理的元件可以獲得相同的磁導率，而在500℃下進行30分鐘熱處理的元件在頻率達到80kHz之前的磁導率較低。
在600℃爐溫下進行28分鐘熱處理的元件和在500℃爐溫下進行50分鐘熱處理的元件的頻率穩定性是合格的，並且由於在(頻率)低於80kHz時這些元件的磁導率高於在500℃下進行30分鐘熱處理的元件的磁導率，所以優選使用較高爐溫和較短停留時間的方法。
對元件表面就表面光潔度進行目測評價。圖5b示出，在600℃下進行28分鐘熱處理的元件與圖5a中的在500℃下進行30分鐘熱處理的元件相比具有較好的表面光潔度。圖5c中的在500℃下進行50分鐘熱處理的元件的表面光潔度是合格的，並且比在500℃下進行30分鐘熱處理的元件的表面光潔度要好得多，但其光澤比在600℃下進行28分鐘熱處理的元件的光澤差。因此，通過使用較高熱處理溫度和較少停留時間，可以提高生產率，同時不會損害磁導率。同時還可獲得更好的表面光潔度。
權利要求
1.一種提高由粉末冶金生產的SMC元件的磁性性能的方法-在爐內氣氛中對由絕緣粉末顆粒形式的軟磁材料和有機潤滑劑組成的壓制體進行應力釋放熱處理；-將該爐內氣氛中CO的含量控制在按體積計算小於0.25％；以及-當該元件達到至少400℃的溫度時，終止該熱處理。
2.根據權利要求1所述的方法，其特徵在於，所述爐內氣氛中CO的含量按體積計算小於0.1％，優選地，按體積計算小於0.05％。
3.根據權利要求1或2所述的方法，其特徵在於，所述絕緣粉末顆粒由一種主要是純鐵的基粉組成，該基粉具有一含氧和磷的絕緣隔層。
4.根據權利要求1-3中任一項所述的方法，其特徵在於，當該元件達到450℃和650℃之間的一個溫度，優選地達到450℃和600℃之間的一個溫度時，終止該熱處理。
5.根據權利要求1-4中任一項所述的方法，其特徵在於，該熱處理在這樣的條件下進行爐內氣氛按體積計算包含至少10％的氧氣；爐溫設定在450℃和1000℃之間。
6.根據權利要求1-5中任一項所述的方法，其特徵在於，在該整個熱處理循環中，在該熱處理爐中的至少一個位置對CO的濃度進行測量。
7.根據權利要求1-6中任一項所述的方法，其特徵在於，通過控制流過該爐子的空氣流，將該CO含量減少到按體積計算小於0.25％，優選地小於0.1％並且最優選地小於0.05％的值。
全文摘要
本發明涉及一種提高由粉末冶金生產的SMC壓制體的性能的方法，該壓制體由絕緣粉末顆粒形式的軟磁材料和有機潤滑劑組成，並在爐內在CO含量按體積計算小於0.25％的含氧氣氛中進行應力釋放熱處理，直到元件溫度達到至少400℃。
文檔編號H01F1/24GK1706012SQ200380101842
公開日2005年12月7日 申請日期2003年10月22日 優先權日2002年10月25日
發明者葉舟, P·拉松, H·安德松, L·胡爾特曼 申請人:霍加納斯股份有限公司