CN101022904A - 用于制造压粉铁芯压坯的方法和压粉铁芯压坯 - Google Patents

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Abstract

一种用于制造压粉铁芯压坯的方法以及由该方法制造的压粉铁芯压坯，该方法包括如下步骤：通过将具有平均颗粒直径Da的软磁粉末(21)在压力Pa下压力成形，形成压坯部件(22)；并且通过将具有平均颗粒直径Db的软磁粉末(31)和所述压坯部件(22)在压力Pb下压力成形，形成压坯。所述软磁粉末(21和31)的平均颗粒直径Da和Db满足关系Da/Db≥2，并且在所述压力成形过程中施加的压力Pa和Pb满足关系Pa/Pb≤1/2。所述压粉铁芯压坯具有高强度并且即使在具有复杂形状时也能够被制造。

Description

用于制造压粉铁芯压坯的方法和压粉铁芯压坯
技术领域
一般而言，本发明涉及一种用于制造压粉铁芯压坯的方法及所述的压粉铁芯压坯。更具体而言，本发明涉及一种使用软磁粉末制造压粉铁芯压坯的方法和所述的压粉铁芯压坯。
背景技术
常规上，已知通过将多个永磁发电机线圈部件在圆周方向上组合来制造环形永磁发电机线圈的方法。在日本专利公开号2003-235186(专利文件1)中公开了该制造方法。
根据在专利文件1中公开的用于制造永磁发电机的方法，多个具有在连接部分形成的凹部和凸部的永磁发电机线圈元件通过将凹部和凸部相互啮合相互连接。将得到的永磁发电机线圈放置在外壳内，之后将外壳冷却。因为外壳在其冷却时收缩，所以永磁发电机线圈被收缩配合到外壳的内围表面上。
另外，机械结构和电气/电子部件如上述永磁发电机线圈已经由通过将装填到模具中的软磁粉末压力成型而得到的压粉铁芯压坯制备。
专利文件1：日本专利公开号2003-235186
发明内容
本发明将要解决的问题
然而，根据在专利文件1中公开的制造方法，因为可能在改变尺寸精度的情况下形成由磁性材料如磁性钢板形成的永磁发电机线圈元件，所以当多个永磁发电机线圈元件被收缩配合到外壳的内围表面上时，在永磁发电机线圈元件之间的连接部分可能产生间隙或过剩的应力。间隙或过剩的应力的产生导致永磁发电机线圈磁性的劣化。
此外，当尝试通过压力成形获得复杂形状的结构，如作为整体结构的永磁发电机线圈时，不能将足够的成型压力施加到模具内的某些位置。在这种情况下，得到的压粉铁芯压坯具有不均匀的密度，从而不能达到需要的磁性。
尽管可以想到使各自具有分开的一件成品的形状的多个压粉铁芯压坯部件成型，之后通过收缩配合或用螺杆固定将它们连接在一起的方法，但是所述方法也导致与在专利文件1公开的制造方法中类似的问题。
因此，本发明的一个目的是解决上述问题，并且提供一种用于制造压粉铁芯压坯的方法，所述压粉铁芯压坯具有高强度并且即使在其具有复杂形状时也能够被制造；以及提供所述压粉铁芯压坯。
用于解决问题的手段
一种用于制造压粉铁芯压坯的方法包括如下步骤：通过将具有平均颗粒直径Da的第一软磁粉末在压力Pa下压力成形，形成压坯部件；并且通过将具有平均颗粒直径Db的第二软磁粉末和所述压坯部件在压力Pb下压力成形，形成压坯。第一软磁粉末的平均颗粒直径Da和第二软磁粉末的平均颗粒直径Db满足关系Da/Db≥2。在压力成形过程中施加的压力Pa和Pb满足关系Pa/Pb≤1/2。
根据如上所述构造的用于制造压粉铁芯压坯的方法，通过将第一软磁粉末进行压力成形(以下也称为预备成型)形成压坯部件，之后将所述压坯部件和第二软磁粉末进行压力成形(以下也称为最终成型)使第二软磁粉末成型并且将所述压坯部件和第二软磁粉末粘合以得到压坯。因此，即使在压坯具有复杂形状时，也可以在此形状下容易地形成具有均匀密度的压坯。
在这种场合下，因为在满足关系Pa/Pb≤1/2的较小压力Pa下进行预备成型，所以形成压坯部件，其中在第一软磁粉末的颗粒之间提供某种程度的间隙。因此，通过在满足上述关系的较大压力Pb下进行最终成型，可以将第二软磁粉末的颗粒导入到间隙中。另外，因为第二软磁粉末具有满足关系Da/Db≥2的较小平均颗粒直径Db，所以可以容易地将第二软磁粉末的颗粒导入到第一软磁粉末的颗粒之间。因此，可以形成压坯，其中第一软磁粉末和第二软磁粉末在它们之间的边界位置相互杂乱地啮合，从而具有优异的强度。
优选地，形成压坯部件的步骤包括：通过将第一软磁粉末在不高于400MPa的压力Pa下压力成形，形成压坯部件的步骤。根据如上所述构造的用于制造压粉铁芯压坯的方法，可以进行预备成型，其中在第一软磁粉末的颗粒之间提供更大的间隙。因此，通过最终成型得到的压坯可以具有进一步提高的强度。
优选地，形成压坯部件的步骤包括：形成压坯部件以使其与第二软磁粉末粘合的表面被成形为具有凹部和凸部的步骤。根据如上所述构造的用于制造压粉铁芯压坯的方法，在最终成型中可以增加在压坯部件和第二软磁粉末之间的接触面积。因此，第一软磁粉末和第二软磁粉末可以相互杂乱地啮合，从而进一步提高压坯的强度。
此外，第一软磁粉末和第二软磁粉末各自包含多个金属磁性颗粒和包围所述多个金属磁性颗粒中每个的表面的绝缘包覆膜。在上所述构造的用于制造如压粉铁芯压坯的方法中，第一软磁粉末和第二软磁粉末的表面覆盖有绝缘包覆膜，从而在进行压力成形时，不能实现在颗粒之间的金属粘合。因此，本发明通过第一磁性粉末和第二软磁粉末之间的物理啮合作用提高压坯的强度，可以得到更有效的应用。
优选地，用于制造压粉铁芯压坯的方法还包括：在形成压坯的步骤之后，在不低于200℃并且不高于500℃的温度加热处理所述压坯的步骤。根据如上所述构造的用于制造压粉铁芯压坯的方法，在不低于200℃的温度加热处理所述压坯可以消除通过压力成形而相互粘合的绝缘包覆膜之间的界面，因此所述压坯可以具有进一步提高的强度。另外，通过设定加热处理温度不高于500℃，可以抑制通过加热导致的绝缘包覆膜的绝缘击穿。因此，绝缘包覆膜可以充分地作为在金属磁性颗粒之间的绝缘层。
根据本发明的压粉铁芯压坯是使用上述用于制备压粉铁芯压坯的方法中任何一种制备的压粉铁芯压坯。在所述压粉铁芯压坯中，构成第二软磁粉末的颗粒与构成第一软磁粉末的颗粒在第一软磁粉末和第二软磁粉末之间的边界位置啮合。根据如上所述构造的压粉铁芯压坯，所述压粉铁芯压坯具有第一软磁粉末的颗粒和第二软磁粉末的颗粒在它们之间的边界位置相互啮合的结构，从而在所述位置可以达到优异的粘合强度。
发明效果
如上所述，根据本发明，可以提供一种用于制造压粉铁芯压坯的方法，所述压粉铁芯压坯具有高强度并且即使在具有复杂形状时也能够被制造；并且提供所述压粉铁芯压坯。
附图简述
图1是显示在本发明的第一实施方案中的用于制造压粉铁芯压坯的方法的第一步骤的示意图。
图2是显示通过图1中所示的步骤得到的压坯部件的示意图。
图3是显示在本发明的第一实施方案中的用于制造压粉铁芯压坯的方法的第二步骤的示意图。
图4是显示在本发明的第一实施方案中的用于制造压粉铁芯压坯的方法的第三步骤的示意图。
图5是显示在图4中被双点划线V包围的区域的示意图。
图6是显示通过图4中所示的步骤得到的压坯的示意图。
图7是显示在本发明的第二实施方案中的用于制造压粉铁芯压坯的方法的步骤的横截面图。
图8是显示在本发明的第二实施方案中的用于制造压粉铁芯压坯的方法的变化的横截面图。
图9是显示在一个实施例中制造的横向试样的透视图。
图10是显示在所述实施例中，在预备成型过程中施加的压力和横向断裂强度之间的关系的图。
参考标记的说明
21，31软磁粉末，22压坯部件，41压坯。
实施本发明的最佳方式
将参考附图描述本发明的实施方案。
第一实施方案
图1至6是显示在本发明的第一实施方案中的用于制造压粉铁芯压坯的方法的步骤的示意图。在附图中，示意性地显示了在每个步骤中的软磁粉末的状态。以下将描述本实施方案中使用用于制造压粉铁芯压坯的方法制造压粉铁芯的步骤。
参考图1，首先制备软磁粉末21，即多个软磁颗粒(以下也称为颗粒)的聚集体。所述软磁颗粒包含金属磁性颗粒和包围所述金属磁性颗粒的表面的绝缘包覆膜。软磁粉末21具有平均颗粒直径Da。例如，通过使用具有适当的筛目大小的筛子的分级，可以得到具有这种平均颗粒直径的软磁粉末21。应指出在此描述的平均颗粒直径是指：在通过激光散射和衍射测量的颗粒直径的柱状图中，在颗粒直径的升序中增加的颗粒的质量之和达到总质量的50％时得到的颗粒直径，即50％颗粒直径D。
金属磁性颗粒由例如下列材料制成：铁(Fe)、铁(Fe)-硅(Si)基合金、铁(Fe)-氮(N)基合金、铁(Fe)-镍(Ni)基合金、铁(Fe)-碳(C)基合金、铁(Fe)-硼(B)基合金、铁(Fe)-钴(Co)基合金、铁(Fe)-磷(P)基合金、铁(Fe)-镍(Ni)-钴(Co)基合金和铁(Fe)-铝(Al)-硅(Si)基合金。金属磁性颗粒可以由单一金属制成或者可以是合金。
通过使用磷酸处理金属磁性颗粒而形成绝缘包覆膜。此外，所述绝缘包覆膜优选包含氧化物。作为包含氧化物的绝缘包覆膜，可以使用氧化物绝缘体，如含磷和铁的磷酸铁、磷酸锰、磷酸锌、磷酸钙、氧化硅、氧化钛、氧化铝或氧化锆。绝缘包覆膜可以以一层或多层的形式覆盖金属磁性颗粒。
绝缘包覆膜作为在金属磁性颗粒之间的绝缘层。通过用绝缘包覆膜覆盖金属磁性颗粒，所获得的压粉铁芯可以具有增加的电阻率ρ。这可以抑制涡流在金属磁性颗粒之间的流动，并且降低由于涡流的产生所导致的压粉铁芯的铁损。
接着，将制备的软磁粉末21装填到成型装置的模具10中，并且在压力Pa下压力成形(预备成型步骤)。在这种场合下，压力Pa优选不高于400MPa。此外，优选在惰性气体气氛或减压气氛中进行压力成形，从而可以抑制软磁粉末21被在气氛中的氧气氧化。参考图2，通过上述预备成型步骤制造压坯部件22。根据将要在后续步骤中最终得到的压坯的形状，适当地改变压坯部件22的形状。
参考图3，然后将刚制备的软磁粉末31与通过在前的预备成型步骤制造的压坯部件22放置在成型装置的模具10中。软磁粉末31在结构方面与在预备成型步骤中使用的软磁粉末21类似，并且具有平均颗粒直径Db。通过以与软磁粉末21中相同的方法进行的分级，可以得到具有平均颗粒直径Db的软磁粉末31。在此描述的平均颗粒直径也指上述50％颗粒直径D。软磁粉末21的平均颗粒直径Da和软磁粉末31的平均颗粒直径Db满足关系Da/Db≥2。
参考图4，然后将在模具10中放置的压坯部件22和软磁粉末31在压力Pb下压力成形(最终成型步骤)。在预备成型过程中施加的压力Pa和在最终成型过程中施加的压力Pb满足关系Pa/Pb≤1/2。同样，在这种成型步骤中，优选在惰性气体气氛或减压气氛中进行压力成形。
图5以不同于图4的表示法示意性地显示了在图4所示的步骤中的软磁粉末的状态。参考图4和5，因为相对于在过程中施加的压力Pb，将在预备成型过程中施加的压力Pa控制为具有满足关系Pa/Pb≤1/2的值，所以使压坯部件22成型，其中在软磁粉末21的颗粒之间形成了间隙23。因此，当在最终成型过程中使用压力Pb施加到软磁粉末31时，软磁粉末31的颗粒被接连地导入到间隙23中。在这种场合下，因为软磁粉末21的平均颗粒直径Da和平软磁粉末31的均颗粒直径Db满足关系Da/Db≥2，所以可以容易地将具有较小平均颗粒直径Db的软磁粉末31导入到在具有较大平均颗粒直径Da的软磁粉末21的颗粒之间形成的间隙23中。
此外，因为压力Pb相对于在预备成型过程中施加的压力Pa满足上述关系，所以在进行最终成型时，可以进一步降低在通过预备成型获得的软磁粉末21的颗粒之间的距离。因此，在压坯部件22和软磁粉末31之间的接合位置，可以获得其中软磁粉末21和31的颗粒相互杂乱地啮合的状态。
参考图6，通过上述最终成型步骤制造出压坯41。之后，可以在不低于200℃并且不高于500℃的温度加热处理得到的压坯41。所述加热处理可以软化构成压坯41的绝缘包覆膜，并且消除在相邻的绝缘包覆膜之间延伸的界面。从而可以提高压坯41的强度。此外，所述加热处理可以降低由于压力成形导致的在压坯41内部产生的畸变，并且降低将在后续步骤中得到的压粉铁芯的磁滞损耗。通过设定加热处理温度不高于500℃，可以防止绝缘包覆膜由于加热导致的劣化。因此，可以保持其中金属磁性颗粒覆盖有绝缘膜的状态，并且可以降低在后续步骤中获得的压粉铁芯的涡流损耗。
最后，通过如挤压、切割等将压坯41适当地加工以完成压粉铁芯。
在本发明的第一实施方案中的用于制造压粉铁芯压坯的方法包括如下步骤：通过将作为第一软磁粉末的具有平均颗粒直径Da的软磁粉末21在压力Pa下压力成形，形成压坯部件22；并且将作为第二软磁粉末的具有平均颗粒直径Db的软磁粉末31和压坯部件22在压力Pb下压力成形，形成压坯41。软磁粉末21的平均颗粒直径Da和软磁粉末31的平均颗粒直径Db满足关系Da/Db≥2。在压力成形过程中施加的压力Pa和Pb满足关系Pa/Pb≤1/2。
根据如上所述构造的用于制造压粉铁芯压坯的方法，通过两个成型步骤，即预备成型步骤和最终成型步骤，制造具有最终形状的压坯41。因此，即使在压坯41具有复杂的形状时，也可以容易地获得这种形状。此外，因为通过在最终成型过程中将压坯部件22和软磁粉末31压力成形制造压坯41，所以无需使用粘合剂等。因此，压坯41在其中没有非磁性层如粘合剂，从而可以获得具有优异磁性的压粉铁芯。
此外，通过控制软磁粉末21和31的平均颗粒直径以及在预备成型和最终成型过程中施加的压力以满足适当的关系，在压坯部件22和软磁粉末31之间的接合位置，可以获得其中软磁粉末21和31的颗粒相互杂乱地啮合的状态。因此，两种粉末被稳固地粘合，并且可以达到优异的粘合强度。
可以将在本实施方案中的用于制造压粉铁芯压坯的方法用于制造压粉铁芯、扼流线圈、开关电源元件、磁头、各种类型的发动机部件、汽车用螺管线圈、各种类型的磁传感器和电磁阀等。此外，在不限于这些磁性部件的情况下，还可以使用所述方法将例如没有绝缘包覆膜的铁粉进行压力成形，以制造机械部件。
第二实施方案
图7显示了在第一实施方案中参考图3描述的步骤。在本实施方案中的用于制造压粉铁芯压坯的方法具有与在第一实施方案中的用于制造压粉铁芯压坯的方法的那些步骤基本上相同的步骤。以下将不重复相同步骤的描述。
参考图7，在本实施方案中，在预备成型步骤中，在压坯部件22的顶部表面22a中形成凹部25。接着，将软磁粉末31装填到具有在其中形成的凹部25的顶部表面22a上，并且在预定压力下进行最终成型步骤。在这种情况下，因为在软磁粉末31和压坯部件22之间的接触面积增加，所以可以制造具有进一步相互啮合的软磁粉末21和31的压坯41。从而可以进一步提高压坯41的强度。
图8显示了在本发明的第二实施方案中的用于制造压粉铁芯压坯的方法的变化。参考图8，在这种变化中，可以在预备成型步骤中将压坯部件22的整个顶部表面22a形成为具有凹部和凸部。还在这种情况下，可以达到与上述相同的效果。
实施例
通过下述实施例评价根据本发明的用于制造压粉铁芯压坯的方法。
准备由Hoeganaes Japan K.K制造的包覆有磷酸盐的铁粉(产品名称：″Somaloy 550″，平均颗粒直径Da＝265μm)作为软磁粉末21。此外，使用筛子将由Hoeganaes Japan K.K.制造的包覆有磷酸盐的铁粉(产品名称：″Somaloy 500″，平均颗粒直径：110μm)分级，以制备具有不同平均颗粒直径的包覆有磷酸盐的铁粉样品A至C作为软磁粉末31。在这种场合下，使用筛目大小为200目、147目和80目的筛子进行分级。使用Microtrac(由Nikkiso Co.，Ltd.制造)，通过激光散射和衍射测量包覆有磷酸盐的铁粉样品A至C的平均颗粒直径Db。表1显示了通过测量得到的每一种样品的平均颗粒直径Db和Da/Db值。
[表1]
样品号   平均颗粒直径Db(μm)    平均颗粒直径Da/平均颗粒直径Db
    A     52     5.1
    B     110     2.4
    C     147     1.8
接着，使用具有直径为20mm的圆柱形加压空间的成型装置，根据下述程序进行预备成型步骤和最终成型步骤。首先，将适当的模具润滑剂涂覆到成型装置中的模具的内壁上，并且将作为软磁粉末21的包覆有磷酸盐的铁粉″Somaloy 550″装填到加压空间中。之后，用在1吨/cm2和12吨/cm2之间的范围内改变的施加压力Pa，进行压力成形，以制造在不同的施加压力下成型的多个压坯部件22(预备成型步骤)。
接着，将作为软磁粉末31的包覆有磷酸盐的铁粉″Somaloy 500″的样品A至C装填到得到的压坯部件22上。之后，在12吨/cm2的施加压力Pb下进行压制成，以制造压坯41(最终成型步骤)。在这种场合下，存在如下一些情况，即在压坯部件22和包覆有磷酸盐的铁粉样品A至C之间的粘合取决其组合而得不到实现。
此外，准备由Hoeganaes Japan K.K.制造的铁粉(产品名称：″ABC100.30″，平均颗粒直径Da＝110μm，没有绝缘包覆膜)。还使用筛子将这种粉末分级以制备具有不同颗粒直径作为软磁粉末21的铁粉样品D和作为软磁粉末31的铁粉样品E。在这种场合下，通过使用筛目大小为115目(124μm)的筛子的分级获得铁粉样品D，并且通过使用筛目大小为200目(74μm)的筛子的分级获得铁粉样品E。使用Microtrac(由Nikkiso Co.，Ltd.制造)，通过激光散射和衍射测量铁粉样品D的平均颗粒直径Da和铁粉样品E的平均颗粒直径Db。表2显示了通过测量得到的样品D的平均颗粒直径Da和样品E的平均颗粒直径Db以及Da/Db值。
[表2]
Figure A20058003134000131
接着，使用制备的铁粉样品D(平均颗粒直径Da＝138μm)作为软磁粉末21进行上述预备成型步骤以制造在不同施加压力下成型的多个压坯部件22。此外，使用制备的铁粉样品E(平均颗粒直径Db＝58μm)作为软磁粉末31进行上述最终成型步骤以制造压坯41。
图9显示了在实施例中制造的横向试样。参考图9，将压坯41加工成尺寸为10mm×10mm×50mm的横向试样71，使得通过最终成型步骤粘合的位置位于中心。此外，为了比较，使包覆有磷酸盐的铁粉″Somaloy 550″在12吨/cm2的施加压力下成型为整体，然后由得到的压坯制造具有相同尺寸的横向试样。类似地，使铁粉样品D(平均颗粒直径：138μm)在12吨/cm2的施加压力下成型为整体，然后由得到的压坯制造具有相同尺寸的横向试样。将所有制造的横向试样在450℃加热处理。以40mm的跨距承载这些试样，并且在这种条件下将负荷施加到横向试样的中心部分。通过测量在横向试样断裂时的应力值(断裂应力值)，确定横向试样的横向断裂强度。
图10显示了在预备成型过程中施加的压力和横向断裂强度之间的关系。应指出当在最终成型中粘合得不到实现时，横向断裂强度表示为0。
在图10中可以看出，当满足关系Pa/Pb≤1/2时，即，当在预备成型过程中施加的压力Pa不高于6吨/cm2并且Da/Db不低于2时，能够得到高的横向断裂强度。特别是，当在预备成型过程中施加的压力Pa不高于4吨/cm2(≈400MPa)时，与成型为整体的横向试样相比，得到大于80％的强度，从而具有更优异的粘合强度。
应该理解上述公开的实施方案和实施例在所有方面只是说明性的，而不是限制性的。本发明的范围由权利要求说明，而不由上述描述说明，并且意在覆盖在与权利要求的那些等价的精神和范围内的所有修改。
工业适用性
本发明主要用于制造磁性部件，如压粉铁芯、扼流线圈、开关电源元件、磁头、各种类型的发动机部件、汽车用螺管线圈、各种类型的磁传感器和电磁阀；以及用于制造机械部件。

Claims (6)

1.一种用于制造压粉铁芯压坯的方法，所述方法包括如下步骤：
通过将具有平均颗粒直径Da的第一软磁粉末(21)在压力Pa下压力成形，形成压坯部件(22)；并且
通过将具有平均颗粒直径Db的第二软磁粉末(31)和所述压坯部件(22)在压力Pb下压力成形，形成压坯(41)，
其中所述第一软磁粉末(21)的平均颗粒直径Da和所述第二软磁粉末(31)的平均颗粒直径Db满足关系Da/Db≥2，并且在所述压力成形过程中施加的所述压力Pa和Pb满足关系Pa/Pb≤1/2。
2.根据权利要求1所述的用于制造压粉铁芯压坯的方法，其中形成所述压坯部件(22)的步骤包括：通过将所述第一软磁粉末(21)在不高于400MPa的压力Pa下压力成形，形成所述压坯部件(22)的步骤。
3.根据权利要求1所述的用于制造压粉铁芯压坯的方法，其中形成所述压坯部件(22)的步骤包括形成所述压坯部件(22)使得其将要与所述第二软磁粉末(31)粘合的表面(22a)被成形为具有凹部和凸部的步骤。
4.根据权利要求1所述的用于制造压粉铁芯压坯的方法，其中所述第一和第二软磁粉末(21，31)各自包含多个金属磁性颗粒和包围所述多个金属磁性颗粒中的每一个的表面的绝缘包覆膜。
5.根据权利要求4所述的用于制造压粉铁芯压坯的方法，所述方法还包括：在形成所述压坯(41)的步骤之后，在不低于200℃并且不高于500℃的温度加热处理所述压坯(41)的步骤。
6.一种使用根据权利要求1所述的用于制造压粉铁芯压坯的方法制造的压粉铁芯压坯，
其中构成所述第二软磁粉末(31)的颗粒在所述第一软磁粉末(21)和所述第二软磁粉末(31)之间的边界位置啮合构成所述第一软磁粉末(21)的颗粒。
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