CN101794657A - 稀土类永磁体 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及稀土类永磁体。提供了对于汽车用内部永磁体型电动机最优化的稀土类永磁体，其能够提高抗腐蚀性、抗磨损性和抗冲击性。通过在R-Fe-B系永磁体(22)的表面上形成厚度为15μm以上、30μm以下并且形状为柱状晶体结构的电镀Ni涂膜(21)，构成稀土类永磁体(16)，其中R是稀土元素。电镀Ni涂膜(21)具有维氏硬度为300以上、600以下的高硬度区域以及维氏硬度为150以上、300以下的低硬度区域。在如下状态下使用稀土类永磁体(16)：稀土类永磁体(16)插入到汽车用IPM型电动机的转子轭中的槽中。

Description

稀土类永磁体
技术领域
本发明涉及插入到汽车用IPM型电动机的转子轭中的槽中的稀土类永磁体。
背景技术
作为稀土类永磁体，R-Fe-B系稀土类永磁体(R是稀土元素)是公知的。作为高质量永磁体，R-Fe-B系稀土类永磁体用于要求这种高质量的电动汽车或混合动力车。但是，由于R-Fe-B系稀土类永磁体包含容易氧化的稀土元素和铁作为主要成分，所以存在如下的问题：其抗腐蚀性相对较低，并由于腐蚀而引起磁性的劣化和偏差。
另外，由于电动汽车或混合动力车的电动机要求高性能，所以在许多情况下采用了内部永磁体(IPM)型电动机。IPM型电动机具有这样的转子结构，其中磁体插入到设置在轭内的槽中，轭是通过层叠硅钢片而形成的。由于轭是通过对冲孔的硅钢片进行层叠而制造的，所以在槽的表面上可能出现诸如冲孔刃的污损或刮擦的凹凸。因此，当将表面涂有抗腐蚀层的R-Fe-B系永磁体插入槽中时，该抗腐蚀层可能被这种凹凸而刮擦。结果，磁体的抗腐蚀存在问题，使得磁气特性和电动机特性可能劣化。另外，由于IPM型电动机的旋转达6000rpm以上，所以在旋转过程中，对槽中的磁体施加大的离心力以及磁体的大的磁吸引力。
因此，磁体在槽中在径向上移动，使得磁体可能与轭碰撞。结果，也存在如下的问题：涂层被刮擦或磨损，并且涂层中出现裂纹。
由于该原因，在汽车用IPM型电动机的R-Fe-B系永磁体的表面处理中，除了抗腐蚀性(不易腐蚀的性质)之外，还需要抗磨损性(不易磨损的性质)和抗冲击性(不易破裂的性质)。
为了提高抗腐蚀性、抗磨损性和抗冲击性，提出了如下技术：在稀土类永磁体的表面上形成由抗氧化金属构成的保护层。例如，日本特开平(JP-A)9-7810号公报公开了一种叠层涂层，通过组合低硬度不光亮Ni涂膜和高硬度光亮Ni涂膜而形成该叠层涂层，以提高抗腐蚀性并且保证抗磨损性。另外，日本特开(JP-A)2003-97429号公报公开了一种Ni-P涂层，该Ni-P涂层形成铁系烧结材料的表面上，具有大约690至820的维氏硬度，以提高铁系烧结材料的抗磨损性。
但是，在JP-A 9-7810号公报和JP-A 2003-97429号公报中公开的稀土类永磁体不能同时满足抗腐蚀性、抗磨损性和抗冲击性的全部要求。因此，需要满足全部这些要求的稀土类永磁体。
发明内容
本发明旨在提供对于汽车用IPM型电动机来说最优的稀土类永磁体，其能够提高抗腐蚀性、抗磨损性和抗冲击性。
根据本发明的实施方式，提供一种插入到汽车用IPM型电动机的转子轭中的槽中的稀土类永磁体，其中，在R-Fe-B系永磁体(R是稀土元素)的表面上形成有厚度为15μm以上并且30μm以下的单层电镀Ni涂膜，其中，所述电镀Ni涂膜具有维氏硬度为300以上并且600以下的高硬度区域、以及维氏硬度为150以上并且300以下的低硬度区域，并且其中所述高硬度区域和所述低硬度区域混合布置在二维平面中。
在本发明中，优选的是，所述高硬度区域中的维氏硬度为350以上并且600以下，所述低硬度区域中的维氏硬度为150以上并且250以下。根据该结构，可以实现高性能涂层，该涂层具有作为冲击吸收材料的功能和作为具有高硬度和优异可滑动性的抗磨损材料的功能。
在本发明中，优选的是，所述电镀Ni涂膜具有柱状晶体结构。由于晶体结构，可以可靠地覆盖具有大晶粒和粗糙表面的磁体本体的晶界(grain boundary)部分，使得可以可靠地掩埋针孔(pinhole)。
按照该方式，根据本发明，在稀土类永磁体的表面上形成有电镀Ni涂膜，该电镀Ni涂膜具有作为冲击吸收材料的功能和作为具有高硬度和优异可滑动性的抗磨损材料的功能。因此，即使在稀土类永磁体用于插入到汽车用IPM型电动机的转子轭的槽中的情况下，也可以抑制由涂层的刮擦所引起的磁体基部的暴露以及涂层的裂纹，这可以为磁体提供优异的抗腐蚀性、抗磨损性和抗冲击性。
附图说明
结合附图，根据对特定优选实施方式的以下描述，本发明的上述特征和优点将变得更明显，在附图中：
图1是例示采用了根据本发明的稀土类永磁体的IPM型电动机的结构的分解立体图；
图2是例示IPM型电动机的主要部分的正面图；
图3是例示根据本发明实施方式的稀土类永磁体的结构的示意性截面图；以及
图4是例示保护层的截面中的维氏硬度分布的示意图。
具体实施方式
下面将参考附图来详细地描述本发明的优选实施方式。
图1是例示采用了根据本发明的稀土类永磁体的IPM型电动机的结构的分解立体图。图2是例示IPM型电动机的主要部分的正面图。
如在图1中所示，IPM型电动机10包括定子12和布置在定子12内的转子14。转子14包括轭14a和布置在轭14a中的稀土类永磁体16。
多个定子磁极12a被布置为从定子12的内周向定子12的中心突出。每一个定子磁极12a中装配有线圈(未示出)。突起12b被布置为从定子12的外周突出。将各个突起12b通过将螺栓(未示出)插入在其中穿孔的孔中而固定到壳体(未示出)。
通过层叠多个硅钢片而构造转子14的轭14a。多个转子磁极14b被布置为从转子14突出而面对定子磁极12a。通过穿孔而在各个转子磁极14b中形成磁体插入槽14c。稀土类永磁体16在转子的径向上布置在槽14c的内侧。
根据本实施方式的IPM型电动机10由薄的内部转子型无刷电动机构成。转子14的中心侧处的安装表面18的螺栓接合部18a(图2中示出)与汽车引擎的曲柄轴(未示出)的端部螺栓接合，转子14的圆周侧处的安装表面20的螺栓接合部20a(图2中示出)与变速器(transmission)(未示出)螺栓接合，使得电动机用作混合动力车的驱动源。
图3是例示根据本发明实施方式的稀土类永磁体16的结构的示意性截面图。
如图3中所示，稀土类永磁体16形成为大致板状，其中在其几乎全部表面上布置有保护层21。保护层21由单层镀金属涂膜构成。该镀金属涂膜具有多晶结构，并优选地具有柱状晶体结构。这是因为，通过使用具有柱状晶体结构的镀金属涂膜，可以获得高的抗腐蚀性。
柱状晶体优选地在径向上生长。根据该结构，在晶体晶界相对较复杂地交叉的情况下，可以抑制外界腐蚀材料透过晶界扩散。关于柱状晶体的大小，优选的是，平均长方向直径是2μm以上，平均短方向直径是1μm以下。由于诸如磁体基体22的粉末冶金处理中的烧结合金的晶粒直径较粗，所以一些涂膜可能不能覆盖磁体基体22的晶界部分(换言之，可能不能掩埋针孔)。但是，由于具有柱状晶体结构的涂膜在电结晶化中密集地生长，所以这样的涂膜适于掩埋针孔。
另外，保护层21的厚度优选为15μm到30μm。如果厚度小于15μm，则不能掩埋针孔，并且不能获得足够的抗腐蚀性。如果厚度超过30μm，则该厚度大大影响尺寸精度，并且不能获得有效的磁气特性。因此，可能增加成本和/或膜淀积时间。
另外，同一层中的平面方向上的保护层21的维氏硬度优选是300以上、600以下，即，在高硬度区域，更优选为350以上、600以下。由于该高硬度区域，可以获得全部保护层中的高抗磨损性。另外，如果维氏硬度为600以上，则全部保护层中的硬度都很高，使得保护层21可能容易断裂或剥落。因此，降低了抗冲击性。
另外，同一层中的平面方向上的保护层21的维氏硬度优选为150以上、300以下，即，在低硬度区域，更优选为150以上、250以下。由于该低硬度区域的柔性，可以减缓冲击，使得可以获得高的抗冲击性。另外，如果维氏硬度为150以下，则保护层21太软，使得由于冲击而出现大的变形。因此增加了保护层的磨损量和磨损速度。
保护层21优选由镍制造。由于镍，可以获得高的抗腐蚀性、抗磨损性和抗冲击性。
保护层21优选由电镀形成。可以根据希望的镀层来选择电镀槽。此时，通过调节电镀槽的类型和电镀时的电流密度，可以控制保护层21的平均晶体晶粒直径及其晶体形状。例如，通过施加较高的电压，电流密度可以为0.3A/dm2以上、10A/dm2以下；通过添加适当的光亮剂，可以将保护层21构成为具有细晶体。另外，例如，电流密度可以为0.01A/dm2以上、0.3A/dm2以下；通过添加适当的光亮剂，可以将保护层21构成为具有柱状晶体结构。
作为电镀用光亮剂的示例，按照需要可以使用半光亮添加剂或光亮添加剂。作为半光亮添加剂的示例，存在不包含硫的有机材料，如丁炔二醇、邻吡喃酮、丙炔醇或甲醛水。另外，在光亮添加剂中，作为一次光亮剂的示例，存在糖精、1，5-萘二磺酸钠、1，3，6-萘三磺酸三钠、对甲苯磺酰胺等。作为二次光亮剂的示例，存在邻吡喃酮、2-丁炔1，4-二醇、乙撑氰醇、丙炔醇、甲醛、硫脲、喹啉、嘧啶等。
如上所述，在根据本实施方式的稀土类永磁体中，由于在稀土类永磁体的表面上形成单层电镀Ni涂膜，所以即使在稀土类永磁体插入到IPM型电动机10的转子14中的轭14a的槽中的情况下，也可以抑制由于涂层的刮擦而引起的磁体基部的暴露以及在涂层中出现裂纹。因此，可以为磁体提供优异的抗腐蚀性、抗磨损性和抗冲击性。具体来说，根据本发明，由于在同一层上同时布置有具有高维氏硬度(Hv，300-600)的区域和具有低维氏硬度(Hv，150-300)的区域，所以可以实现如下的高性能涂层，该涂层具有作为冲击吸收材料的功能、和作为具有高硬度和优异可滑动性的抗磨损材料的功能。另外，根据本发明，由于镀Ni涂层具有柱状晶体结构，所以可以安全地覆盖具有大晶粒和粗糙表面的磁体基体22的晶界部分，使得可以可靠地掩埋针孔。
实施例
通过使用粉末冶金处理而形成的Nd-Fe-B烧结体在氩氛围中经受600℃的热处理达两个小时，将得到的产品塑形为15×40×8(mm)的尺寸，并通过滚桶研磨处理而对其进行斜面(chamfer)加工，从而获得磁体基体。接着，在用脱脂碱溶液对磁体基体进行漂洗之后，通过硝酸溶液使其表面活化，此后用水进行清洗。
随后，通过电镀，在磁体基体的表面上形成由镀镍膜构成的、厚度为20μm的保护层。此时，通过使用滚桶镀处理，在镀槽中，将六水合硫酸镍调整为240g/L；将六水合氯化镍调整为50g/L；将硼酸调整为30g/L；将2-丁炔1，4-二醇调整为0.5g/L；并且将pH调整为4.5。另外，将溶液的温度调整为50℃，并且将平均电流密度调整为0.3A/dm2的恒定值。结果，获得根据实施例1的稀土类永磁体(样本1)。
比较例1
通过使用除了下面的处理之外与实施例1的处理相同的处理，获得比较例1的稀土类永磁体。换言之，通过电镀形成由镀镍膜构成的、厚度为20μm的保护层。此时，通过使用滚桶镀处理，在镀槽中，将六水合硫酸镍调整为240g/L；将六水合氯化镍调整为50g/L；将硼酸调整为30g/L；将2-丁炔-1，4-二醇调整为0.5g/L；将糖精调整为1g/L；并且将pH调整为4.5。另外，将溶液的温度调整为50℃，并且将平均电流密度调整为1A/dm2的恒定值。结果，获得根据比较例1的稀土类永磁体(样本2)。
比较例2
通过使用除了下面的处理之外与实施例1的处理相同的处理，获得比较例2的稀土类永磁体。换言之，通过电镀形成由镀镍膜构成的、厚度为20μm的保护层。此时，通过使用滚桶镀处理，在镀槽中，将六水合硫酸镍调整为240g/L；将六水合氯化镍调整为50g/L；将硼酸调整为30g/L；并且将pH调整为4.5。另外，将溶液的温度调整为50℃，将平均电流密度调整为0.1A/dm2的恒定值。结果，获得根据比较例2的稀土类永磁体(样本3)。
在表1中，以百分比列出了保护层的截面中的维氏硬度在150到300的范围内的区域与维氏硬度在300到600的范围内的区域的比率。括号中的值表示维氏硬度Hv.的平均值。另外，根据ISO14577，通过纳米压痕试验来测量维氏硬度。另外，图4例示保护层的截面中的维氏硬度的分布。在图4中，上部表示表面侧，下部表示磁体的基部侧。
表1
Figure GSA00000009567400071
评价1：剧烈冲击疲劳试验
对这些样本执行剧烈冲击疲劳试验，其中对样本表面的任意两个位置施加1×10-4到3×10-4J的能量达107到109次。结果，在根据实施例1的稀土类永磁体样本1中，镀Ni保护层的平均磨损量是5μm，其最大磨损量是11μm。
在根据比较例1的稀土类永磁体样本2中，镀Ni保护层的磨损量在大约2到3μm的范围中。但是，存在保护层裂开或剥落的多个位置，使得暴露了部分的磁体基体。
在根据比较例2的稀土类永磁体样本3中，镀Ni保护层的平均磨损量是9μm，使得暴露了部分的磁体基体。
根据上述结果，可以理解，通过控制保护层的硬度的分布，可以大大地提高抗磨损性和抗冲击性。
评价2：抗腐蚀试验
对样本1至3执行抗腐蚀试验，其中将稀土类永磁体样本保持在50℃×95％的恒热恒湿槽中达72小时。根据试验的结果，发现在任一个样本中都没出现腐蚀，从而可以获得优异的抗腐蚀性。

Claims (3)

1.一种稀土类永磁体，该稀土类永磁体插入到汽车用内部永磁体型电动机的转子轭中的槽中，该稀土类永磁体包括：
R-Fe-B系永磁体，其中R是稀土元素；和
形成在所述R-Fe-B系永磁体上的具有单层的电镀Ni涂膜，该电镀Ni涂膜的厚度为15μm以上、30μm以下，
其中，所述电镀Ni涂膜具有维氏硬度为300以上、600以下的高硬度区域，以及维氏硬度为150以上、300以下的低硬度区域，
并且其中，所述高硬度区域和所述低硬度区域混合布置在二维平面中。
2.根据权利要求1所述的稀土类永磁体，其中，所述高硬度区域中的维氏硬度为350以上、600以下，所述低硬度区域中的维氏硬度为150以上、250以下。
3.根据权利要求1或权利要求2所述的稀土类永磁体，其中，所述电镀Ni涂膜具有柱状晶体结构。
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