CN104028752B - 增强软磁粉末冶金材料强度的方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于软磁材料技术领域，尤其涉及一种增强软磁粉末冶金材料强度的方法，旨在解决现有技术中的软磁复合材料由于需要保持绝缘层的阻抗而不能在高温下进行热处理进而导致软磁复合材料产品的强度很低而且质脆易碎的技术问题。软磁复合材料起到基体的作用，在压制过程中通过粉末的塑性变形而形成粉末间的相互咬合，并最终经过热处理后而得到具有一定强度而且磁性能优良的连续基体相。该方法不但可以保持现有技术提供的软磁复合材料基体的三维导磁、设计自由度高、高频下涡流损耗低等优点，而且还能够提高粉末冶金软磁复合材料零件的强度，有效解决软磁复合材料零件的脆性问题，从而大幅拓展软磁复合材料的使用领域。

Description

增强软磁粉末冶金材料强度的方法

技术领域

本发明属于软磁材料技术领域，尤其涉及一种增强软磁粉末冶金材料强度的方法。

背景技术

传统的硅钢片具有磁导率高、损耗低、加工工艺成熟、价格低廉等优点，被广泛应用于电机制造行业。但为了降低材料在交变磁场下的涡流损耗，硅钢片一般只加工为片层状结构，只在其自身的内部呈现优良的磁性能，而相邻的硅钢片间的导磁性能较差，因此，硅钢片在进行常规叠片处理后的产品只具有二维导磁的特点，也就是磁性各向异性，从而极大的限制了电机设计的自由度。同时，由于硅钢片采用冲裁的加工方式获得最终的形状，电机定子或转子的绕线槽处的硅钢片会被冲裁掉而成为废料，严重的降低了硅钢片材料的利用率，造成很大的资源浪费。

软磁复合材料(soft magnetic composite,SMC)以具有表面绝缘层的导磁粉末为原材料，通过粉末冶金工艺而获得最终的产品。软磁复合材料具有各项同性的三维导磁性能，用于电机时可以拥有非常高的设计自由度，例如，通过内凹绕线齿等方式能够节省大量的铜线。同时，由于软磁复合材料的内阻抗比较高，材料在高频率下的涡流损耗低，尤其适合高频率的使用环境。此外，采用的粉末冶金成型工艺，可以确保材料的利用率高于95％，实现资源的高效利用。但是，由于软磁复合材料需要保持绝缘层的阻抗以避免涡流损耗升高而不能在高温下进行热处理(一般只在500-700℃的范围内保温5-60分钟)，导致软磁复合材料产品的热处理程度不高，强度很低而且质脆易碎。通常，综合反映其强度及脆性的抗弯强度只有50-150MPa，因此目前只能应用于一些对强度要求低的特殊场合，如轴向磁场电机、横向磁场电机、外转子高速电机等对强度要求不高的特种电机，极大的限制了软磁复合材料的推广及应用。

发明内容

本发明的目的在于提供一种增强软磁粉末冶金材料强度的方法，旨在解决现有技术中的软磁复合材料热处理程度不高而导致软磁复合材料产品的强度很低而且质脆易碎的技术问题。

本发明是这样实现的，一种增强软磁粉末冶金材料强度的方法，其包括如下步骤：

S1)提供增强体、润滑剂与包覆有绝缘层的导磁粉末；

S2)将所述导磁粉末、所述增强体与所述润滑剂混合以形成混合物，所述混合物包括如下重量分数的组分：所述导磁粉末为70-99份，所述增强体为1-30份，所述润滑剂为0.1-2份；

S3)将所述混合物压制成型得到坯体；

S4)将所述坯体热处理。

进一步地，所述导磁粉末为铁基软磁复合材料、镍基软磁复合材料、非晶、纳米晶中的至少一种。

进一步地，所述增强体为碳纤维、玻璃纤维、铁、镍、硅钢片中的至少一种。

进一步地，于步骤S1)中，所述增强体呈条状或者片状。

或者，于步骤S1)中，所述增强体呈不规则状。

进一步地，于步骤S1)与步骤S2)之间，还包括步骤20)对所述增强体进行表面绝缘包覆工序，所述表面绝缘包覆工序为对所述增强体进行化学包覆或者物理涂覆。

进一步地，于步骤S2)中，将所述导磁粉末、所述增强体与所述润滑剂混合的时间范围是15-45分钟。

进一步地，于步骤S3)中，压制成型中采用的正向压强范围是600-1800MPa。

进一步地，于步骤S4)中，热处理中采用的热处理温度范围是500-700℃且保温时间范围是5-60分钟。

进一步地，所述的润滑剂为硬脂酸锌、硬脂酸钙、硬脂酸、硬脂酸丁酯、油酰胺、乙撑双硬脂酰胺中的至少一种。

本发明相对于现有技术的技术效果是：以现有技术中的软磁复合材料为基体，在基体的导磁粉末内添加增强体，混合均匀后按照粉末冶金工艺进行压制成型工序及热处理工序。软磁复合材料起到基体的作用，在压制过程中通过粉末的塑性变形而形成粉末间的相互咬合，并最终经过热处理后而得到具有一定强度而且磁性能优良的连续基体相。增强体在压制时镶嵌于软磁复合材料基体内，增强体表面与基体材料产生非常强的摩擦力，在产品受到负载或者冲击时，基体与增强体相互协调作用，通过增强体的拉拔而消化大量的冲击能量，从而大幅提高产品的强度，并有效解决产品的脆性。该方法不但可以保持现有技术提供的软磁复合材料基体的三维导磁、设计自由度高、高频下涡流损耗低等优点，而且还能够提高粉末冶金软磁复合材料零件的强度，有效解决软磁复合材料零件的脆性问题，不但可以用于轴向磁场电机、横向磁场电机及外转子高速电机等特殊场合，还可以应用于串激电机、无刷电机等对强度有较高要求的常规电机上，从而大幅拓展软磁复合材料的使用领域。同时，通过选择成本合适的增强体，还能有效降低产品的成本，提高材料的资源利用率。

附图说明

图1是依据本发明实施例提供的增强软磁粉末冶金材料强度的方法而制作的成品剖面图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

请参阅图1，本发明实施例提供的一种增强软磁粉末冶金材料强度的方法，其包括如下步骤：

S1)提供增强体(图1所示条状物)、润滑剂(图未示)与包覆有绝缘层的导磁粉末(图1所示点状物)。导磁粉末上的绝缘层作为涂敷导磁粉末的涂层并含有氧化物。根据实际所需压制产品的形状及尺寸，以不影响粉末装填于压制成型工序中的模具以及粉末在模具中的流动性能为基本原则，将增强体通过剪裁、冲裁等方法得到形状及尺寸符合要求的条状、片状或者不规则状等的形状。

S2)将所述导磁粉末、所述增强体与所述润滑剂混合以形成混合物，所述混合物包括如下重量分数的组分：所述导磁粉末为70-99份，所述增强体为1-30份，所述润滑剂为0.1-2份。以现有技术中的软磁复合材料为基体，在基体的导磁粉末内添加尺寸、形状、成本及比重合适的增强体，然后混合均匀。增强体的尺寸及添加比例需要根据最终所需产品的实际情况而决定，以不影响混合后粉末的装填流动性、能装填入成型模具为基本要求，兼顾考虑产品的涡流损耗及机械强度的要求，通常选择5-30％重量比的添加量为宜，产品形状复杂程度高，则添加量相对减少。以V型混料机等搅拌设备将软磁复合材料粉末、增强体及硬脂酸锌等润滑剂混合均匀15-45分钟而得到混合物。

S3)将所述混合物压制成型得到坯体。具体的压制成型工序可以参考现有技术中的粉末冶金工艺的压制成型工序。

S4)将所述坯体热处理。具体的热处理工序可以参考现有技术中的粉末冶金工艺的热处理工序

以现有技术中的软磁复合材料为基体，在基体的导磁粉末内添加增强体，混合均匀后按照粉末冶金工艺进行压制成型工序及热处理工序。软磁复合材料起到基体的作用，在压制过程中通过粉末的塑性变形而形成粉末间的相互咬合，并最终经过热处理后而得到具有一定强度而且磁性能优良的连续基体相。增强体在压制时镶嵌于软磁复合材料基体内，增强体表面与基体材料产生非常强的摩擦力，在产品受到负载或者冲击时，基体与增强体相互协调作用，通过增强体的拉拔而消化大量的冲击能量，从而大幅提高产品的强度，并有效解决产品的脆性。该方法不但可以保持现有技术提供的软磁复合材料基体的三维导磁、设计自由度高、高频下涡流损耗低等优点，而且还能够提高粉末冶金软磁复合材料零件的强度，有效解决软磁复合材料零件的脆性问题，不但可以用于轴向磁场电机、横向磁场电机及外转子高速电机等特殊场合，还可以应用于串激电机、无刷电机等对强度有较高要求的常规电机上，从而大幅拓展软磁复合材料的使用领域。同时，通过选择成本合适的增强体，还能有效降低产品的成本，提高材料的资源利用率。

进一步地，所述导磁粉末为铁基软磁复合材料、镍基软磁复合材料、非晶、纳米晶中的至少一种。具体地，根据产品的实际工作频率、磁导率等情况选用导磁综合性能良好的铁基、镍基等软磁复合材料或者非晶、纳米晶等软磁材料。

进一步地，所述增强体为碳纤维、玻璃纤维、铁、镍、硅钢中的至少一种。具体地，增强体不但可以选用常用的碳纤维、玻璃纤维等非导磁材料，更可以选择铁、镍或者电机常用的硅钢等固体导磁金属材料，同时起到增强、导磁的功能。

进一步地，于步骤S1)中，所述增强体呈条状或者片状。或者，于步骤S1)中，所述增强体呈不规则状。不规则状是指相对于规则形状的形状，可以为各种规则形状的组合，如条状、片状、球状、圆锥状、柱状中至少两种的组合，还可以为其他不规则的不易描述的形状。增强体既可以为规则形状也可以为不规则状，只要能与导磁粉末混合之后经过压制成型与热处理，获得比现有技术的软磁粉末冶金材料成品更高抗弯强度的成品即可。由于增强体可以采用无规则的形状，因此可以选用铁片、铁丝、硅钢片等的边角废料为增强体原料，通过剪裁、冲裁等处理方法，获得形状及尺寸合适的增强体。通过选用边角废料为增强体原材料，不但可以有效降低材料的整体成本而获得良好的经济效益，还可以实现边角料的重复利用，提高资源的利用率，达致减排、环保的社会效益。

进一步地，于步骤S1)与步骤S2)之间，还包括步骤20)对所述增强体进行表面绝缘包覆工序，所述表面绝缘包覆工序为对所述增强体进行化学包覆或者物理涂覆。为避免在压制为最终产品后部分金属增强体的表面相互接触而引起产品的涡流损耗增加，有必要对增强体表面也进行绝缘包覆处理，包覆工艺可以选择基体软磁复合材料常用的化学包覆，也可根据增强体材料的形状而选择工艺相对简单的溶胶凝胶等物理涂覆的方法。

进一步地，于步骤S2)中，将所述导磁粉末、所述增强体与所述润滑剂混合的时间范围是15-45分钟。进一步地，于步骤S3)中，压制成型中采用的正向压强范围是600-1800MPa。进一步地，于步骤S4)中，热处理中采用的热处理温度范围是500-700℃且保温时间范围是5-60分钟。采用以上工艺参数制作的粉末冶金产品能达到增强软磁粉末冶金材料强度的理想效果。

进一步地，所述的润滑剂为硬脂酸锌、硬脂酸钙、硬脂酸、硬脂酸丁酯、油酰胺、乙撑双硬脂酰胺中的至少一种。

采用本发明所提供的增强软磁粉末冶金材料强度的方法制作的粉末冶金产品中，软磁复合材料起到基体的作用，在压制过程中通过粉末的塑性变形而形成粉末间的相互咬合，并最终经过热处理后而得到具有一定强度而且磁性能优良的连续基体相。增强体在压制时镶嵌于软磁复合材料基体内，增强体表面与基体材料产生非常强的摩擦力，在产品受到负载或者冲击时，基体与增强体相互协调作用，通过增强体的拉拔而消化大量的冲击能量，从而大幅提高产品的强度，并有效解决产品的脆性。另外，增强体若选择铁、镍或者电机常用的硅钢等固体导磁金属材料，增强体具有良好的导磁性能，而且表面也经过绝缘包覆处理，因此，经过增强处理的产品能够保持原有的综合磁性能。

经过实验验证，在压制、热处理等均相同的工艺条件下，添加了硅钢片薄片为增强体的混合型软磁复合材料，其磁导率、涡流损耗等磁性能基本与没有添加增强体的纯软磁复合材料一致，但抗弯强度却至少提高了一倍，能达到100-300MPa，增强效果非常的显著。

具体地，以100目纯铁基软磁复合材料粉末为基体原材料，采用800MPa的压强进行压制成型，以600℃的温度进行热处理30分钟，得到的样品的抗弯强度大约为60MPa。

以100目纯铁基软磁复合材料粉末为基体原材料，将0.5mm厚的硅钢片剪切成宽度约2-3mm、长度约5mm的小片用作为增强体，按10％的重量比添加到软磁复合基体材料内并混合均匀，在相同的压制成型、热处理等工艺条件下，其磁导率、涡流损耗等磁性能基本与没有添加增强体的纯软磁复合材料一致，但抗弯强度却达到了100MPa左右。

以100目纯铁基软磁复合材料粉末为基体原材料，将0.5mm厚的硅钢片剪切成宽度约2-3mm、长度约5mm的小片用作为增强体，按20％的重量比添加到软磁复合基体材料内并混合均匀，在相同的压制成型、热处理等工艺条件下，其磁导率、涡流损耗等磁性能基本与没有添加增强体的纯软磁复合材料一致，但抗弯强度提高至大约120MPa。

由此可见，采用在软磁复合材料中添加增强体获得成品的抗弯强度增强效果是非常显著的，同时还不会引起其磁性能的改变。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种增强软磁粉末冶金材料强度的方法，其包括如下步骤：

S1)提供增强体、润滑剂与包覆有绝缘层的导磁粉末；

S20)对所述增强体进行表面绝缘包覆工序，所述表面绝缘包覆工序为对所述增强体进行化学包覆或者物理涂覆；

S2)将所述导磁粉末、所述增强体与所述润滑剂混合以形成混合物，所述混合物包括如下重量分数的组分：所述导磁粉末为70-99份，所述增强体为1-30份，所述润滑剂为0.1-2份；

S3)将所述混合物压制成型得到坯体；

S4)将所述坯体热处理。

2.如权利要求1所述的增强软磁粉末冶金材料强度的方法，其特征在于：所述导磁粉末为铁基软磁复合材料、镍基软磁复合材料、非晶、纳米晶中的至少一种。

3.如权利要求1所述的增强软磁粉末冶金材料强度的方法，其特征在于：所述增强体为碳纤维、玻璃纤维、铁、镍、硅钢中的至少一种。

4.如权利要求1所述的增强软磁粉末冶金材料强度的方法，其特征在于：于步骤S1)中，所述增强体呈条状或者片状。

5.如权利要求1所述的增强软磁粉末冶金材料强度的方法，其特征在于：于步骤S1)中，所述增强体呈不规则状。

6.如权利要求1至5任一项所述的增强软磁粉末冶金材料强度的方法，其特征在于：于步骤S2)中，将所述导磁粉末、所述增强体与所述润滑剂混合的时间范围是15-45分钟。

7.如权利要求1至5任一项所述的增强软磁粉末冶金材料强度的方法，其特征在于：于步骤S3)中，压制成型中采用的正向压强范围是600-1800MPa。

8.如权利要求1至5任一项所述的增强软磁粉末冶金材料强度的方法，其特征在于：于步骤S4)中，热处理中采用的热处理温度范围是500-700℃且保温时间范围是5-60分钟。

9.如权利要求1至5任一项所述的增强软磁粉末冶金材料强度的方法，其特征在于：所述的润滑剂为硬脂酸锌、硬脂酸钙、硬脂酸、硬脂酸丁酯、油酰胺、乙撑双硬脂酰胺中的至少一种。