CN104715918A - 通过改进的mim加工得到的净成形的对准且烧结的磁体 - Google Patents

Abstract

本申请涉及通过改进的MIM加工得到的净成形的对准且烧结的磁体。一种制造永磁体的方法和永磁体。该方法包括使用金属注射成型混合磁性材料和粘合剂以形成普通原料，并将该原料注射成型为预定磁体形状。原料的注射成型与磁场的应用同时发生，使得原料中的磁性成分中的至少一些与所应用的磁场对准。在磁性成分对准之后，可烧结所成形的零件。在一种形式中，磁性成分可由钕-铁-硼永磁体前体材料，以及一个或多个稀土原料组成。

Description

通过改进的MIM加工得到的净成形的对准且烧结的磁体

背景技术

本发明总的来说涉及用于电动马达的永磁体及其制造，并且更具体地涉及通过使用改进的金属注射成型（MIM）工艺在不需要机加工的情况下以基本上净成形的方式形成稀土（RE）永磁体的方法。

永磁体被用在各种设备中，这包括用于混合动力和电动车辆的DC电动马达，以及风力涡轮机、空调单元和小体积与高功率密度的组合可能是有益的的其它应用中。带有RE元素添加剂，例如，镝（Dy）或铽（Tb），的烧结钕-铁-硼（Nd-Fe-B）永磁体具有令人满意的磁性，其中用Dy和/或Tb代替Nd-Fe-B磁体中的Nd导致了各向异性场和矫顽磁性的增加以及饱和磁化的降低。事实上，由RE磁体产生的磁场可以是传统的铁氧体磁体或陶瓷磁体的量级大小或更高。

尽管通过使用DY、Tb或相关的RE元素使得磁性有显著改进，但是像制造方法一样，它们的稀有性和伴随而来的成本阻碍了它们的广泛使用，在制造方法中通常使用粉末冶金或相关工艺。仅作为示例，用于车辆应用中的牵引电动马达的典型磁体可包含约6到10重量百分比之间的这种添加剂以满足所要求的磁性。假设每个车辆电动马达的永磁体零件的重量是约1-1.5kg，那么就会要求每个马达的通常约55-65％、2-3kg永磁体的机加工零件的产量。除了机加工以外，传统的Nd-Fe-B永磁体生产中的其它步骤还包括称重、磁场下加压、烧结和老化（这个最后的步骤通常约5-30小时，在真空中约500                                                -1100的温度下）。也可使用额外的表面处理，这包括磷化处理、无电镀镍、环氧树脂涂覆等。

目前的烧结磁体技术对尺寸控制较差，因此必须通过切割和机加工磁体到其期望形状来制造净成形烧结磁体。甚至简单的形状，例如圆柱形、正方形或矩形经常都包括一些机加工。因此，机加工是传统磁体形成工艺中对整体成本的显著贡献者，因为显著量的Dy、Tb或相关的珍贵材料被从最终零件去除。机加工的问题还在于，Nd-Fe-B烧结磁体的磁性在磁体大小被降低时而降级，因为机加工表面引入了表面损伤，该表面损伤提供了导致相反的磁畴的成核位置。2012年9月27日提交的、名称为“ Method of Making Nd-Fe-B Sintered Magnets with REDUCED DySPROSIUM or TERbIUM ”的美国申请13/628149描述了在Re永磁体中实现Dy或Tb的变化的表面浓度的方法，该文献此后被称为149申请，其内容已被转让给本发明的受让人并且通过引用被全部并入本文。

金属注射成型（MIM）是一种对于被大量生产的复杂形状的零件而言相比传统的生产方法更具优势的工艺。利用MIM，包含金属粉末和热塑性粘合剂的原料被注射成型，此后粘合剂被移除以允许被成形的零件随后被烧结。MIM兼具利用注射成型进行成形的益处以及传统的粉末冶金的益处，其中金属粉末与粘合剂或润滑剂混合，成为可压缩成型的预制体以进行随后的烧结。虽然传统的粉末冶金工艺不适合于具有复杂几何形状的工件的生产，但MIM基本上允许形成任何部件形状，并且尤其适合于小部件的制造。

尽管如此，MIM没有考虑到粉末原料在被压紧时粉末原料的磁对准。更具体地说，在没有磁场的情况下，试图将MIM工艺应用到包含磁性粉末的原料会产生各向同性（随机取向）的磁体。对于在烧结磁体中使用的粉末，例如基于Nd-Fe-B等的那些，在MIM工艺中没有考虑过对充分利用材料的磁性来说是必要的的对准。

发明内容

本发明的一个方面包括一种制造永磁体的方法，其改进了MIM工艺以将令人满意的磁对准性质考虑在内。在一个实施例中，该方法包括在金属粉末或相关前体经历注射成型工艺时应用外部磁场以将金属粉末或相关前体磁对准，以作为一种消除对昂贵的且浪费的机加工操作的需要的方式。重要的是，使用MIM允许形成任何令人满意的磁体形状，其中在一种特定的形式中，被用作前体的粉末微粒可在聚合物涂覆之前被预筛到期望粒度分布，从而实现最终零件的改善的尺寸稳定性。而且，尽管在本公开中所讨论的都是Nd-Fe-B磁体，但前体磁体粉末材料可以是任何其它合适的配方，包括基于铁氧体、磁钢（以铁为基本成分并带有铝、镍和钴）、钐-钴等，只要所得到的最终零件具有必要的磁性。这些合适的前体中的许多还具有不规则（即，非圆形）粉末，这些粉末可得益于本文讨论的方法。而且，本发明的方法还与扩散提高技术兼容，例如用于提高Dy含量的晶界扩散或其它已知的技术（例如化学气相沉积（CVD）或物理气相沉积（PVD）），该Dy含量可进一步提高矫顽磁性或其它令人满意的磁性。烧结优选在惰性环境（例如，气态的氮、氩等，在约15到30psi下）下被执行以阻止氧化和污染，使得磁性不被降级。如下面更详细地提到的，一个特定的实施例可允许减少或消除对粘合剂的需要，其中可采用通过MIM引入的磁性材料的振动减少的致密或压实。

本发明的另一方面包括一种制造永磁体的方法，该方法包括：提供磁性材料和聚合物粘合剂，将它们混合成原料，将该原料传送到限定了最终零件的形状的模具，对模具中的原料施加磁场以将磁性材料中的至少一部分对准，以及此后烧结带有被对准的磁性材料的被成形原料。在一个特定形式中，磁体是由高度各向异性场和固有的矫顽磁性材料制成的，该材料还表现出高饱和磁化性质，例如Nd-Fe-B。在一个更特定的形式中，这种磁体可包括RE添加剂元素，例如Dy、Tb等。

本发明的又一方面包括一种制造永磁体马达的方法。该方法包括构造转子和定子中的至少一个以具有设置在其中的永磁体，其中该磁体通过如下步骤制造：混合磁性材料和聚合物粘合剂成为原料、在模具中对该原料进行注射成型以将其形成为对应转子或定子中的互补形状的预定形状、以及然后在注射成型中的某个位置处应用磁场到该原料；该被应用的磁场优选地在磁性材料被成型（例如，在位于磁场中的模具中）以及被烧结成所述预定形状的同时将磁性材料的至少一部分对准。任选地，根据需要烧结磁体此后可被表面处理以增添保护涂层，以及被处理以进行进一步的磁性提高技术。此后，磁体可被放置在转子或定子中的至少一个中的互补形状中，并且此后将转子和定子放置成彼此旋转合作，使得在给该马达应用电流时，转子相对于定子旋转。

本申请还提供了如下方案：

方案1. 一种制造永磁体的方法，该方法包括：

使用金属注射成型，其包括：

提供磁性材料；

提供聚合物粘合剂；

将所述磁性材料和所述聚合物粘合剂混合成原料；以及

对所述原料进行注射成型以将其形成为预定形状；

应用磁场到所述原料以将所述磁性材料中的至少一部分对准；以及

烧结所述预定形状。

方案2. 如方案1所述的方法，其中所述至少一个磁性材料包含钕、铁和硼。

方案3. 如方案2所述的方法，其中所述至少一个磁性材料还包含镝和铽中的至少一个。

方案4. 如方案1所述的方法，其中所述混合包括混合粉末形式的所述磁性材料和所述聚合物粘合剂。

方案5. 如方案1所述的方法，其中所述烧结发生在保护性环境中。

方案6. 如方案1所述的方法，其中所述应用磁场到所述原料包括将磁化线圈放置在包含所述原料的模具附近，并且使电流流过所述磁化线圈。

方案7. 如方案6所述的方法，其中所述线圈被嵌入到所述模具。

方案8. 如方案6所述的方法，其中所述模具由软磁材料构成，所述软磁材料被构造成将所述磁场定向为横过所述模具内的保持所述原料的空间。

方案9. 如方案1所述的方法，其中所述应用磁场到所述原料包括将软磁体分路器放置在包含所述原料的模具附近，并且通过使电流流过与所述分路器电磁合作地放置的导线线圈来磁化所述分路器。

方案10. 如方案1所述的方法，其中所述应用磁场到所述原料包括将软磁体分路器放置在包含所述原料的模具附近，并且将至少一个永磁体包含在所述分路器内以磁化所述分路器。

方案11. 如方案10所述的方法，其中所述永磁体被嵌入到所述模具。

方案12. 如方案1所述的方法，其中所述应用磁场到所述原料包括将永磁体放置在包含所述原料的模具附近。

方案13. 如方案1所述的方法，还包括在所述注射成型期间加热所述原料。

方案14. 如方案1所述的方法，其中限定了所述预定形状的所述永磁体的实现不包括任何机加工。

方案15. 一种制造永磁体的方法，该方法包括：

提供磁性材料；

提供聚合物粘合剂；

将所述磁性材料和所述聚合物粘合剂混合成原料；

将所述原料传送给限定了预定磁体形状的模具；

应用磁场到所述模具中的所述原料以将所述磁性材料中的至少一部分对准；以及

烧结所述预定形状。

方案16. 如方案15所述的方法，其中所述应用所述磁场发生在所述原料已经被接收到所述模具内之后。

方案17. 如方案15所述的方法，其中所述应用所述磁场基本上与将所述原料引入所述模具同时发生。

方案18. 如方案15所述的方法，其中所述传送所述原料到模具是通过金属注射成型。

方案19. 一种制造永磁体马达的方法，该方法包括：

构造所述马达的转子和定子中的至少一个以具有设置在其中的永磁体，所述构造包括：

将磁性材料和聚合物粘合剂混合成原料；

注射成型所述原料以将其在模具形成为预定形状，所述预定形状对应所述至少一个转子或定子中的互补形状；

应用磁场到所述模具中的所述原料以将所述磁性材料中的至少一部分对准；

烧结所述预定形状；以及

将所述烧结磁体放置到所述至少一个转子或定子中的所述互补形状中；以及

将所述转子和所述定子放置成彼此旋转合作，使得当向所述马达施加电流时，所述转子相对于所述定子旋转。

方案20. 如方案19所述的方法，其中所述注射成型包括金属注射成型。

附图说明

在结合下面附图阅读时，可最佳地理解本发明的如下具体描述，其中同样的结构由同样的附图标记指示，附图中：

图1是联合本发明被使用的金属注射成型工艺的示意图；

图2示出了本发明一个方面的简化图；

图3示出了本发明另一个方面的简化图；以及

图4示出了用于车辆应用的带有根据本发明制造的磁体的永磁体马达的分解图。

具体实施方式

先参照图1，示出了当前的MIM工艺。其中，金属粉末（或材料）100被与合适的热塑性粘合剂110混合115以产生均匀的原料120。热塑性粘合剂110有助于确保聚合物材料中固有的一直的、可重复的成形。原料120然后被引入到注射成型机器或装置130中以形成带有至多约40体积百分比塑料粘合剂的未经处理零件140。此后，使未经处理零件140经受溶剂和热脱粘操作150以去除粘合剂。一开始大部分粘合剂110都被化学地去除，而任何残留的（经常因其在注射成型期间将临时的部件保持在一起的能力而被称为“龙骨”）的粘合剂此后通过热去除来烘干掉。此后，得到的部件（被称为半处理零件160）进而被烧结170成具有期望的最终形状的高密度零件或物件180，其中少量的收缩导致了基本上紧实的金属部件。

前体材料的组成决定了最终的物件180的整体组成并且根据期望的机械和磁性性质来选择前体材料的组成。如上所述，Nd-Fe-B当处于粉末或颗粒形式时形成了合适的磁性材料前体。同样地，聚合物粘合剂110（其可由两个或更多的聚合物成分构成）优选地是粉末形式以有利于与磁性材料前体的充分混合。粘合剂110可以是溶剂、润滑剂等的形式，粘合剂被用于通过有助于减少在前体粉末的表面之间的界面能以及避免表面粉末聚集来加速磁性材料前体的机械合金化和涂覆过程，减少界面能进而增加了表面粉末的均匀包裹或分布。溶剂可以是酒精、氯化物溶剂或商业上可获得的工业溶剂，以及固体润滑剂，例如氮化硼粉末、二硫化钼（MbS₂）粉末等。重要的是，本发明-其着重于使用MIM工艺-允许以更少成本的方式制造具有更好的磁性的净成形磁体。而且，由于消除了研磨或机加工操作而实现了更好的材料利用。

在另一实施例中，原料120可很少地依赖（或不依赖）聚合物粘合剂110，并且替代地可使用振动技术（例如声波或超声波振动）作为实现原料120压实措施的方式。在这种情况下，一旦磁性材料100被提供或以其它方式被引入到注射成型机器130内，使其经受振动或其它无粘合剂的压实方法能产生致密的部件，该部件具有高度的尺寸稳定性且不会有由后续的移除粘合剂110所导致的任何收缩。在一个特定的实施例中，可通过扬声器、换能器等将振动引入到填满原料的模具中。更具体地，可以不同的程度完成对模具内的成形磁体的振动施加（无论是声学的、超声波的还是其它的）。例如，可能有利的是避免原料120的完全（或接近完全）压实以仍然允许所施加的磁场适当地旋转或以其它方式对准磁性材料。无论如何，本方法可能是有益的，因为其能震动或以其他方式移开或重新布置磁性材料100的磁性微粒以使它们有更多的机会来旋转到所施加的磁场的对准方向。在优选的形式中，这种搅动将在外部磁场被施加的同时发生以最大化微粒对准的机会。如上所述，这种没有使用粘合剂110而是基于振动的方法将尤其有益于非圆形粉末。无论如何，超声波振动和磁性对准的组合将改善带有更高非圆形体积分数的粉末的取向，以及减少或消除本发明的改进的MIM工艺对聚合物粘合剂的使用。

虽然未示出，但是各种不同的其它步骤（其中的一些步骤在上面没有讨论）可被用作生产Nd-Fe-B（或相关的）永磁体的更大工艺的一部分。这些步骤可包括熔化初始合金、对其进行浇铸（例如通过稻谷（paddy）铸件、铰链式铸型铸件、条铸件等），然后对其进行粗碎或粗磨操作。由此，可使用各种粉末冶金步骤，例如粉碎或相关的精磨、共混、加压（例如通过轴向压力机、横向压力机、等静压压力机等）、烧结或老化、烧结、热处理和任选的表面处理，例如通过涂覆（包括电涂覆等）。另一步骤，这取决于对将最终的部件放置在特定构造（例如，基于永磁体的马达）中的需要，可包括现场磁化该材料，而在其它情况下，该零件可被预磁化。

接着参照图 2和3，改进图1的MIM工艺的两种不同方式允许磁粉末对准以由原料120生产完全定向（即，各向异性）的压实部件180。在任一种形式中，注射成型装置130在其输出端处或附近与磁化特征相组合。形式为共混的或混合的原料120的磁粉末前体被放置在料斗231、331或其它合适的容器中并由螺杆232、332沿着该螺杆的轴向尺寸供给到线性腔。可使用任选的加热器233、333来在原料120被供给到形成在注射成型机器230、330的远端（即，出口）端部的模具234、334内时升高原料120的温度。

在一种形式中（在图2中具体被示出），这可通过将被合适地构造的磁化线圈235放置在注射或压缩模具机器230的流动通道236周围来实现。以这种方式，在线圈235内形成的磁场在成型操作期间在原料120流过模具234时被施加到原料120，该模具234位于注射成型机器230的流体下游。所施加的磁场——其可通过高电流电源供应237形成在磁化线圈235内并且由开关238致动——将迫使每个粉末微粒在流过模具234的过程中或之后旋转，从而将其磁轴定向为沿着所应用的磁场，使得在后续对该零件致密时，这种定向被永久地设置。磁化线圈235在模具234的外部的放置、大小和形状产生了横跨以期望最终部件形状形成在模具234内的流动通道236的期望磁场。在线圈235、高电流电源供应237和开关238的替换方式中，磁化特征可由放置在室的周围的永磁体（未示出）构成并且被构造成产生期望的对准磁场，该室限定了流动通道236。

具体参照图3，图2中方法的替换方法包括使用软磁体分路器，该分路器起到带有线圈335的轭或其它磁顺从设备的作用。在一种形式中，该分路器由高导磁率铁、铁-钴、或钢制成，该分路器被用于施加横跨模具334的磁场。流动通道336因此被可磁化的轭334A和334B包围，使得穿过包裹在轭334A和334B的一部分周围的导线线圈的电流将它们磁化并且将磁场通过流动通道336传输横过形成在该分路器中的轭334A和334B中的间隙。替换地，永磁体（未示出）可被包含在轭334A和334B中以提供大磁场。如果构成模具334的材料本身是可磁化材料，那么磁场可通过适当地在沿着通道336的不同地点对模具334的厚度进行成形而被集中到横过流动通道336的合适部分。因此，将软磁体分路器放置在包含原料120的模具334附近并且通过穿过放置在分路器周围的导线线圈的电流将分路器磁化允许分路器将磁场定向为横跨模具334，使得原料120内的磁性材料由该磁场对准。在另一变型中，永磁体和/或缠绕的电线圈可被包含在模具自身的壁中。

因此，图2可利用了使用附接到模具的永磁体来提供对准磁场，而图3可利用了使用分路器内的永磁体来提供由该分路器传输到模具334的磁场的来源。如上所述，虽然图2的任一线圈235可被集成到模具234内，或者永磁体被嵌入到模具234内，但另一实施例（未示出）可利用模具234的合适的材料和几何特征来使用模具自身作为图3的分路器的一部分以提供期望的对准磁场构造。

重要的是注意到，磁对准优选是在成型操作期间被完成的，因为在成型之前将原料120对准是不切实际的，因为微粒在它们流过由相应的供给螺杆232、332建立的扭曲的流动路径和流动通道236、336时有旋转且不对准的趋势。而且，因为磁场引起设备（例如，电源供应237、337和开关238、338）的操作涉及了显著的费用，所以可能有利的是仅在原料120已经（或即将）被引入到模具234、334时，或者甚至在固化粘合剂之前的流动过程的结束附近或结束时才产生磁场，从而产生多组零件的更加高效的对准和压实，以及减少与这种磁场产生相关联的成本。同样地，在粉末被完全致密和固化（例如，在烧结期间发生）后粉末微粒很少或不会响应于所应用的磁场有进一步的相对运动。

接着参照图4，在分解图中示出了永磁体DC马达400。这种马达400可被用来提供牵引动力给有混合动力装置的车辆（也称为混合动力电动车辆（HEV）或增程式电动车辆（EREV），其是被称为电动车辆（EV）的更大类车辆的一部分）；这种马达400优选地与燃料电池或蓄电池组（哪一个都没有被示出）合作以传递推进动力到车辆的车轮。传统的内燃发动机（ICE，未示出）也可被使用；这种发动机可被直接地联接到传动系以将动力传递到车轮，或者可被联接到马达400以将轴马力转变成电功率。马达400包括同心地放置在转子402的周围的通常由可磁兼容的层压材料（例如，铁）制成的定子401，转子402由毂402A和层压芯402B制成。磁体403（类似于图1的零件180）被形成为围绕转子芯402B的边缘，使得当转子402与定子401组装时，磁体403与流过由定子401支撑的绕组405的电流的接近程度有利于在它们之间的电磁相互作用，该电磁相互作用进而引起转子402旋转。还示出了其它结构部件，例如轴承支撑组件和间隔环或板。在图4中描绘的设备的另一构造（未示出）中，永磁体405可不是被形成在转子402中，而是被形成在定子401中；本领域技术人员应意识到的是，任一种变型都适合于与按照本发明制成的磁体405一起使用。

也可采用对本发明来说有用的合适的烧结时间表的细节以及烧结后的烧结后热处理；代表性的烧结条件和热处理在149申请中被讨论。

如上所述，本发明的原料120可包括少量的Dy或Tb以增加图4的磁体403的性能。而且，磁体403可被表面处理以阻止锈蚀或相关的氧化。这种表面处理的示例可包括磷酸盐、无电镀镍、铝物理气相沉积（PVD）、环氧树脂涂覆或相关措施。

注意到像“优选地”、“一般地”和“通常地”这样的术语，当在本文中被使用时，不是用来限制所要求包含的发明的范围或暗示某些特征对所要求保护的发明的结构或功能来说是关键的、必不可少的、甚至是重要的。相反，这些术语仅是用于强调替代性的或额外的特征，这些特征在本发明的特定实施例可被利用或可不被利用。

为了描述和限定本发明的目的，注意到术语“设备”在本文中被用来代表部件的组合和一个个的单独部件，而不管这些部件是否与其它部件组合。同样地，本文中理解的车辆包括了数种自推进变型，包括轿车、卡车、飞机、宇宙飞船、船只或摩托车。

为了在本发明中描述和定义的目的，注意到术语“基本上”在本文中被用于代表固有的不确定程度，这些不确定程度可归因于任何定量比较、值、测量或其它描绘。术语“基本上”在本文中也用于表示在不导致所讨论的主题的基本功能改变的情况下定量表示可不同于所述参考的程度。

在已具体地并参照其具体实施例描述了本发明之后，显然的是，在不脱离所附权利要求所定义的实施例范围的情况下，可进行改进和改变。更具体地，虽然本发明的一些方面在本文中被认为是优选的或特别有利的，但是可行的是，本发明不必限于本发明的这些优选的方面。

Claims (10)

1.一种制造永磁体的方法，该方法包括：

使用金属注射成型，其包括：

提供磁性材料；

提供聚合物粘合剂；

将所述磁性材料和所述聚合物粘合剂混合成原料；以及

对所述原料进行注射成型以将其形成为预定形状；

应用磁场到所述原料以将所述磁性材料中的至少一部分对准；以及

烧结所述预定形状。

2.如权利要求1所述的方法，其中所述至少一个磁性材料包含钕、铁和硼。

3.如权利要求2所述的方法，其中所述至少一个磁性材料还包含镝和铽中的至少一个。

4.如权利要求1所述的方法，其中所述混合包括混合粉末形式的所述磁性材料和所述聚合物粘合剂。

5.如权利要求1所述的方法，其中所述烧结发生在保护性环境中。

6.如权利要求1所述的方法，其中所述应用磁场到所述原料包括将磁化线圈放置在包含所述原料的模具附近，并且使电流流过所述磁化线圈。

7.如权利要求6所述的方法，其中所述线圈被嵌入到所述模具。

8.如权利要求6所述的方法，其中所述模具由软磁材料构成，所述软磁材料被构造成将所述磁场定向为横过所述模具内的保持所述原料的空间。

9.一种制造永磁体的方法，该方法包括：

提供磁性材料；

提供聚合物粘合剂；

将所述磁性材料和所述聚合物粘合剂混合成原料；

将所述原料传送给限定了预定磁体形状的模具；

应用磁场到所述模具中的所述原料以将所述磁性材料中的至少一部分对准；以及

烧结所述预定形状。

10.一种制造永磁体马达的方法，该方法包括：

构造所述马达的转子和定子中的至少一个以具有设置在其中的永磁体，所述构造包括：

将磁性材料和聚合物粘合剂混合成原料；

注射成型所述原料以将其在模具形成为预定形状，所述预定形状对应所述至少一个转子或定子中的互补形状；

应用磁场到所述模具中的所述原料以将所述磁性材料中的至少一部分对准；

烧结所述预定形状；以及

将所述烧结磁体放置到所述至少一个转子或定子中的所述互补形状中；以及

将所述转子和所述定子放置成彼此旋转合作，使得当向所述马达施加电流时，所述转子相对于所述定子旋转。