CN106158224B - 一种用于磁性器件的芯铁及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于磁性器件的芯铁。该芯铁不仅包括轴，以及由铁基非晶合金带材绕行在轴上并经退火处理而形成的非晶合金体，还包括用于封装该铁基非晶合金，使其与外界环境隔离的封装层。该芯铁不仅具有优异的磁性能，而且能够有效避免非晶合金直接裸露在表面，经摩擦碰撞而掉渣、断裂，以及与外界环境、其他结构单元直接接触而存在的应力敏感性大、抗腐蚀性能差等问题。另外，本发明优选采用不同宽度的铁基非晶合金带材绕行的制备方法，克服了非晶合金体结构加工难度大、精度低的问题，在电磁铁、电磁阀等器件中具有良好应用前景。

Description

一种用于磁性器件的芯铁及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种用于电磁铁、电磁阀、继电器、电磁起重机等磁性器件的芯铁及其制备方法。

背景技术

现代电力电子技术的不断发展，有源器件的进步，电子产品的体积和重量大大减少，推动了包括电磁铁、电磁阀、继电器和电磁起重机在内的电子元器件向轻、薄、小的方向发展。同时，国家节能减排政策的实施以及“低碳经济”的趋势也推动了电磁铁、电磁阀、继电器和电磁起重机向低能耗环保方向发展。因此，用于电磁铁、电磁阀、继电器、电磁起重机等器件中的芯铁的生产工艺也面临向高频化、低损耗、轻重量、小体积方向的变革。

传统工艺中，用于电磁铁、电磁阀、继电器、电磁起重机等器件中的芯铁材料为软磁不锈钢、硅钢、电工纯铁等。但是，这些材料作为芯铁材料时其加工工艺、磁性能、能耗等方面仍然有待进一步提高。

例如，目前电磁四通换向阀的先导阀芯铁采用不锈钢软磁制备，但是制备过程复杂，费时、费力并且高能耗，另外不锈钢的软磁性能差，制得的四通换向阀存在响应速度慢、励磁电流大、匝数多以及能耗高等缺点。公开号为CN 103805875 A的发明专利公布了一种不锈钢电磁阀芯铁的制备方法，采用高温感应熔炉炼铸、1200℃以上锻造、车削成型加工、1000℃以上正火热处理，以及磨加工等过程，工艺复杂，并且高温锻造和高温正火热处理过程耗能高。

非晶合金是采用快速凝固工艺，将熔融状态的高温钢水喷射到高速旋转的冷却辊上，以每秒达百万度的速度迅速冷却，使原子来不及重新排列就被凝固而形成的具有长程无序微观结构的合金材料。与晶态合金相比，非晶合金在物理性能、化学性能和机械性能等方面都发生了显著的变化。铁基非晶合金一般具有高饱和磁感应强度、低矫顽力、高磁导率和低损耗等优点，同时，由于非晶合金制造和使用过程节能，因此被称为“绿色材料”和二十一世纪“双节能”材料。

与软磁不锈钢、硅钢、电工纯铁等相比，铁基非晶合金材料具有以下的优点：(1)能耗低：由于非晶金属软磁材料比传统晶体金属软磁材料电阻率高，软磁性能好，铁基非晶合金材料作为芯铁时的铁损低，是普通硅钢片芯铁的1/3－1/5；(2)磁性能优异：铁基非晶合金的磁导率可达硅钢、软磁不锈钢和电工纯铁的几十百甚至几百倍；(3)稳定性高：铁基非晶合金的温度稳定性高、时效稳定性高、磁冲击稳定性高；另外，铁基非晶合金还具有频率适应范围、生产工艺简单、环保、价格低等优点。因此，由铁基非晶合金制备的芯铁的综合性能较高。

目前，由非晶合金材料制备芯铁的方法通常是：采用铁基非晶带材绕制形成筒状，然后进行退火处理，最后根据器件所需芯铁的实际结构进行加工。

但是，该方法制得的非晶合金芯铁主要存在如下问题：(1)脆性大：铁基非晶带材经退火处理后脆性较大，该方法中，经绕制、退火后的铁基非晶带材进行 结构加工，然后直接作为芯铁应用在器件中，一方面存在在加工过程中由于脆性开裂、断裂等隐患，另一方面在应用过程中经摩擦、碰撞，存在芯铁掉渣、开裂、断裂等问题；(2)应力敏感、抗腐蚀性差：利用该方法制得的铁芯中，铁基非晶合金材料直接裸露在表面，在应用过程中与外界环境、周围结构单元直接接触，从而导致该芯铁的应力敏感性大、抗腐蚀性能差。

发明内容

针对上述技术现状，本发明旨在提供一种用于磁性器件的芯铁，该芯铁具有优良的磁性能与力学性能，同时具有良好的耐腐蚀性能与抗冲击性能。

为了实现上述技术目的，本发明所采用的技术方案为：

一种用于磁性器件的芯铁，包括轴以及套接在轴上的非晶合金体，所述的非晶合金体是铁基非晶合金带材绕行在轴上并经退火处理而形成的，其特征是：还包括封装层，所述封装层设置在非晶合金体外围，用于封装所述铁基非晶合金体，使其与外界环境隔离。

作为优选，所述封装层为环氧树脂、聚缩醛树脂、聚苯醚等中的一种或两种以上材料。

作为优选，所述封装层为两层结构，由设置在非晶合金体外围的第一封装层与设置在第一封装层外围的第二封装层组成。作为进一步优选，所述第一封装层为环氧树脂层，第二封装层为聚缩醛树脂层。

所述轴材料不限，包括不锈钢、硅钢、纯铁、环氧树脂、聚缩醛树脂等；作为优选，所述轴材料为环氧树脂、聚缩醛树脂、聚苯醚等中的一种或两种以上材料。

所述封装层用于装封所述非晶合金体，使其与外界环境隔离，作为优选，所述封装层还设置在轴侧面，同时用于封装轴，使其与外界环境隔离。

所述的磁性器件不限，包括电磁铁、电磁阀、继电器、电磁起重机等器件。

所述轴的直径不限，可根据所需芯铁内孔的直径进行调整。

本发明还提出一种制备上述用于磁性器件的芯铁的方法，包括如下步骤：

(1)将铁基非晶带材绕行在轴上，得到非晶合金体；

(2)将步骤(1)得到的非晶合金体进行退火热处理；

(3)用封装材料对步骤(2)处理后的非晶合金体进行封装，使之与外界隔离。

所述的步骤(2)中，作为优选，退火热处理在氩气或氮气热处理炉子中进行。

所述的步骤(2)中，退火热处理过程为：:首先升温至一定温度，然后冷却。作为优选，退火热处理的过程为：首先以一定的升温速率升温至320～420℃，保温一定时间，然后随炉冷却至室温或降温至200℃后空冷。作为进一步优选，所述的升温速率为3～10℃/s，所述的保温时间为0.5～2h。

所述的步骤(3)中，封装方法不限，包括将液状的封装材料涂覆、喷涂或 浸漆在步骤(2)制得的非晶合金体表面，然后固化。

在实际应用中，器件所需芯铁的结构往往较复杂，目前一般采用将铁基非晶带材绕制形成筒状非晶合金，然后再进行结构加工，使之结构与所需芯铁结构相同。但是，在实际操作中，该结构加工的难度较大，得到的非晶合金的结构精度往往较低。为了降低该结构加工难度，提高结构精度，本发明人优化了上述步骤(1)，该优化的步骤(1)包括如下步骤(1-1)与步骤(1-2)：

(1-1)设Y轴方向沿待制备芯铁中的非晶合金体的厚度方向，将该待制备芯铁中的非晶合金体沿Y轴分割为若干非晶合金单元，每个单元中，沿X轴方向的宽度相同；

将铁基非晶合金带材剪裁为若干铁基非晶合金子带材；每个子带材中，沿长度方向该铁基非晶合金子带材的宽度相同；使其中一个铁基非晶合金子带材的宽度与待制备芯铁中某一非晶合金单元沿X轴方向的宽度相对应；

(1-2)沿X轴方向放置轴，根据各非晶合金单元沿X轴方向的宽度选择相对应的铁基非晶合金子带材，沿Y轴依次将各铁基非晶合金子带材进行层叠绕行，绕行厚度与相对应的非晶合金单元的厚度一致，，即得到与待制备芯铁中的非晶合金体实际形状相同的非晶合金体。

综上所述，本发明采用铁基非晶合金材料形成磁性器件中的芯铁，利用铁基非晶合金材料磁性能优异、能耗低、稳定性高的优点提高了芯铁的磁性能，降低了能耗，并且提高了芯铁的稳定性；并且，本发明在芯铁外围设置封装层，将非晶合金体封装在其中，不仅有效避免了非晶合金体直接裸露在芯铁表面，经摩擦、碰撞而掉渣、开裂、断裂等问题，而且也有效避免了非晶合金体在应用过程中与外界环境、周围结构单元直接接触，导致该芯铁的应力敏感性大、抗腐蚀性能差的问题，从而提高了芯铁的使用寿命，保证了磁性器件的性能稳定。

另外，采用本发明中优选的铁基非晶合金带材绕行方法，还克服了所述绕行体结构加工难度大、加工精度低的问题。

因此，本发明所述的芯铁及其制备方法在包含芯铁的磁性器件中具有良好的应用前景，尤其适用于工作时芯铁存在位移、芯铁所处的工作环境具有腐蚀性等实际应用场合。

附图说明

图1是本发明实施例1中用于电磁阀的非晶合金芯铁的结构示意图；

图2是本发明实施例1中用于电磁阀的非晶合金芯铁与软磁不锈钢芯铁的矫顽力对比图；

图3是本发明实施例1中用于电磁阀的非晶合金芯铁与软磁不锈钢芯铁在不同励磁场下的磁化曲线图；

图4是本发明实施例1中用于电磁阀的未经封装的非晶合金芯铁的撞击实验结果；

图5是本发明本发明实施例1中用于电磁阀的经封装的非晶合金芯铁的的压缩实验图；

图6是本发明实施例3中用于电磁阀的非晶合金芯铁的结构示意图；

图7是本发明实施例4中用于电磁阀的非晶合金芯铁的结构示意图。

具体实施方式

以下结合附图与实施例对本发明作进一步详细描述，需要指出的是，以下所述实施例旨在便于对本发明的理解，而对其不起任何限定作用。

图1、6、7中的附图标记为：1-轴，2-连接体，3-第一铁基非晶合金子带材，4-第二铁基非晶合金子带材，5-第三铁基非晶合金子带材，6-第一封装层，7-第二封装层。

实施例1：

本实施例提供了一种用于电磁阀的芯铁。如图1所示，该芯铁包括轴1以及套接在轴1上的非晶合金体。

轴1为不锈钢材料。

非晶合金体呈中空圆筒状，其横截面结构如图1所示，即该非晶合金体由紧密套接在一起的第一非晶合金单元、第二非晶合金单元以及第三非晶合金单元组成。第一非晶合金单元、第二非晶合金单元、第三非晶合金单元均呈中空圆筒状。设Y轴方向沿着该非晶合金体的厚度方向，则沿着Y轴正方向，依次为第一非晶合金单元、第二非晶合金单元、第三非晶合金单元。并且，第一非晶合金单元、第二非晶合金单元、第三非晶合金单元沿X轴方向的宽度不相同；第一非晶合金单元、第二非晶合金单元、第三非晶合金单元沿Y轴方向的厚度不相同。

该芯铁还包括设置在非晶合金体外围的封装层，用于将该轴1与非晶合金体与外界相隔离。该封装层为两层结构，由设置在轴1与非晶合金体外围的第一封装层，以及设置在第一封装层外围的第二封装层组成。第一封装层为环氧树脂层，第二封装层为聚缩醛树脂层。

以下将该芯铁称为非晶合金芯铁，该非晶合金芯铁的制备方法如下：

(1)根据图1所示的非晶合金体的结构，准备不同宽度的铁基非晶合金带材：第一铁基非晶合金子带材3，其宽度与第一非晶合金单元沿X轴方向的宽度相同；第二铁基非晶合金子带材4，其宽度与第二非晶合金单元沿X轴方向的宽度相同；第三铁基非晶合金子带材5，其宽度与第三非晶合金单元沿X轴方向的宽度相同；

(2)沿X轴方向放置轴1，沿Y轴将第一铁基非晶合金子带材3绕行在轴1上，直到其厚度达到第一非晶合金单元沿Y轴方向的厚度，得到第一非晶合金单元；

将第二铁基非晶合金子带材4绕行在第一非晶合金单元上，直到其厚度达到第二非晶合金单元沿Y轴方向的厚度，得到第二非晶合金单元；

将第三铁基非晶合金子带材5绕行在第二非晶合金单元上，直到其厚度达到第三非晶合金单元沿Y轴方向的厚度，得到第三非晶合金单元；该第一非晶合 金单元、第二非晶合金单元以及第三非晶合金单元组成非晶合金体；

(3)将步骤(2)得到的非晶合金体进行退火热处理：在氩气或氮气热处理炉中，首先以3～10℃/s升温速率升温至320～420℃，保温0.5～2h，然后随炉冷却至室温或降温至200℃后空冷；

(4)将环氧树脂涂覆在经步骤(3)处理后的非晶合金体表面与轴1的两侧表面，固化后得到第一封装层；然后，将聚缩醛树脂涂覆在第一封装层表面，固化后得到第二封装层。

通过直流B-H仪测试上述制得的非晶合金芯铁的矫顽力，将测试结果与具有相同结构的软磁不锈钢芯铁的矫顽力进行对比，如图2所示，显示该非晶合金芯铁的矫顽力为5.6A/m，远小于软磁不锈钢芯铁的矫顽力。

通过直流B-H仪测试上述制得的非晶合金芯铁在不同励磁场下的磁化曲线，将测试结果与具有相同结构的软磁不锈钢芯铁在不同励磁场下的磁化曲线进行对比，如图3所示，显示该非晶合金芯铁在2.5Oe、10Oe励磁场下的磁感应强度分别为1.1Oe、1.41Oe，远高于软磁不锈钢芯铁在30Oe励磁场下的磁感应强度。

因此，本实施例1中的非晶合金芯铁具有优异的软磁性能，在较低的磁化场下即可实现很高的磁感应强度，采用该非晶合金芯铁的电磁阀的铁励磁线圈匝数少、电流小，可实现低能耗。

通过维氏硬度仪测试该非晶合金芯铁的维氏硬度，将测试结果与具有相同结构的软磁不锈钢芯铁的维氏硬度进行对比，如下表所示：

	非晶合金芯铁	软磁不锈钢芯铁
			维氏硬度(HV)	980	270

表明该非晶合金芯铁的硬度远高于具有相同结构的软磁不锈钢芯铁。因此，若不采取低硬度材料对该非晶合金芯铁进行封装，电磁阀中的其他元件将被磨损，导致电磁阀寿命减少。

对上述步骤(3)处理后得到的未经封装的非晶合金芯铁进行撞击实验，如图4所示，该未经封装的非晶合金芯铁外围出现断裂和破碎。

通过万能试验机对上述步骤(4)处理后得到的经封装的非晶合金芯铁进行压缩实验，结果如图5所示，显示该经封装的非晶合金芯铁具有很高的强度，可满足电磁阀的受力和冲击要求。

实施例2：

本实施例提供了一种用于电磁铁的芯铁。该芯铁结构与实施例1中的芯铁结构基本相同，所不同的是轴1为环氧树脂材料。

该芯铁的制备方法与实施例1中的制备方法基本相同，所不同的是轴1为环氧树脂材料。

实施例3：

本实施例提供了一种用于电磁铁的芯铁。该芯铁的结构如图6所示，该结构与实施例2中的芯铁结构基本相同，所不同的该芯铁还包括连接体2，该连接体2的一端穿过封装层与轴1相连接，另一端用于连接其他功能单元，通过该连接体2能够实现芯铁与外界其他功能单元的功能连接，例如电连接等。

该芯铁的制备方法与实施例2中的制备方法基本相同，所不同的是步骤(2)中首先采用不锈钢轴，将第一非晶合金子带材绕行在该不锈钢轴上，在步骤(3)中经退火热处理后取出该不锈钢轴，然后灌注环氧树脂形成环氧树脂轴。该制备方法具体如下：

(1)与实施例1中的步骤(1)相同；

(2)将第一铁基非晶合金子带材3绕行在不锈钢轴上，直到其厚度达到第一非晶合金单元沿Y轴方向的厚度，得到第一非晶合金单元；

将第二铁基非晶合金子带材4绕行在第一非晶合金单元上，直到其厚度达到第二非晶合金单元沿Y轴方向的厚度，得到第二非晶合金单元；

将第三铁基非晶合金子带材5绕行在第二非晶合金单元上，直到其厚度达到第三非晶合金单元沿Y轴方向的厚度，得到第三非晶合金单元；该第一非晶合金单元、第二非晶合金单元以及第三非晶合金单元组成非晶合金体；

(3)与实施例1中的步骤(3)相同；

(4)取出不锈钢轴，得到中空轴，在其中灌注环氧树脂，同时将连接体2一端插入该环氧树脂中，另一端裸露在外，然后固化；

(5)在经步骤(4)处理后的非晶合金体表面与环氧树脂轴的两侧表面涂覆环氧树脂，固化后得到第一封装层；然后，将聚缩醛树脂涂覆在第一封装层表面，固化后得到第二封装层；其中，连接体2一端穿过该第二装层、第一封装层与环氧树脂相连接，另一端用于连接外界其他功能单元。

采用实施例1中的测试方法测试实施例2-3中制得的非晶合金芯铁的矫顽力以及在不同励磁场下的磁化曲线，结果显示该非晶合金芯铁的矫顽力远小于具有相同结构的软磁不锈钢的矫顽力，磁感应强度远高于具有相同结构的软磁不锈钢的磁感应强度，即该非晶合金芯铁具有优异的磁性能。

采用实施例1中的测试方法测试实施例2-3中制得的非晶合金芯铁的维氏硬度与耐冲击性能，结果显示该非晶合金芯铁的硬度远高于具有相同结构的软磁不锈钢芯铁；当该非晶合金芯铁未经封装时，其外围出现断裂和破碎；当该非晶合金芯铁经封装后具有很高的耐受力性与耐冲击性。

实施例4：

本实施例提供了一种用于电磁铁的芯铁。该芯铁结构如图7所示，该结构与实施例3中的芯铁结构基本相同，所不同的是位于非晶合金体左侧端面的封装层 为环氧树脂构成的单层结构，与非晶合金体其他部位表面相比，该左侧端面较薄。该结构设计有利于提高芯铁的磁性吸力。

该芯铁的制备方法与实施例3中的制备方法基本相同，所不同的是制备第一封装层时，非晶合金体左侧端面涂覆厚度较薄的环氧树脂，固化后得到第一封装层；然后，除了该厚度较薄的环氧树脂层位置，将聚缩醛树脂涂覆在第一封装层表面其余位置，固化后得到第一封装层。

上述实施例用来解释说明本发明，而不是对本发明进行限制，在本发明的精神和权利要求的保护范围内，对本发明作出的任何修改和改变，都落入本发明的保护范围。

Claims (15)

1.一种用于磁性器件的芯铁的制备方法，所述芯铁包括轴以及套接在轴上的非晶合金体，所述的非晶合金体是铁基非晶合金带材绕行在轴上并经退火处理而形成的，其特征是：所述芯铁还包括封装层，所述封装层设置在所述非晶合金体外围，用于封装所述铁基非晶合金，使其与外界环境隔离；

所述芯铁的制备方法包括如下步骤：

(1)将铁基非晶带材绕行在轴上，得到非晶合金体；

(2)将步骤(1)得到的非晶合金体进行退火热处理；

(3)用封装材料对步骤(2)处理后的非晶合金体进行封装，使之与外界隔离；

所述的步骤(1)包括如下步骤(1-1)与步骤(1-2)：

(1-1)设Y轴方向沿待制备芯铁中的非晶合金体的厚度方向，将该待制备芯铁的非晶合金体沿Y轴分割为若干非晶合金单元，每个单元中，沿X轴方向的宽度大体相同；

将铁基非晶合金带材剪裁为若干铁基非晶合金子带材；每个子带材中，沿长度方向该铁基非晶合金子带材的宽度相同；使其中一个铁基非晶合金子带材的宽度与待制备芯铁中某一非晶合金单元沿X轴方向的宽度相对应；

(1-2)沿X轴方向放置轴，根据各非晶合金单元沿X轴方向的宽度选择相对应的铁基非晶合金子带材，沿Y轴依次将各铁基非晶合金子带材进行层叠绕行，绕行厚度与相对应的非晶合金单元的厚度一致，即得到与待制备芯铁中的非晶合金体实际形状相同的非晶合金体。

2.如权利要求1所述的用于磁性器件的芯铁的制备方法，其特征是：所述封装层为环氧树脂、聚缩醛树脂、聚苯醚中的一种或两种以上材料。

3.如权利要求1所述的用于磁性器件的芯铁的制备方法，其特征是：所述封装层为两层结构，由设置在非晶合金体外围的第一封装层以及设置在第一封装层外围的第二封装层组成。

4.如权利要求3所述的用于磁性器件的芯铁的制备方法，其特征是：所述第一封装层为环氧树脂层，第二封装层为聚缩醛树脂层。

5.如权利要求1所述的用于磁性器件的芯铁的制备方法，其特征是：所述轴材料为不锈钢、硅钢、纯铁、环氧树脂、聚缩醛树脂中的一种或两种以上材料。

6.如权利要求4所述的用于磁性器件的芯铁的制备方法，其特征是：所述轴材料为环氧树脂、聚缩醛树脂、聚苯醚中的一种或两种以上材料。

7.如权利要求1所述的用于磁性器件的芯铁的制备方法，其特征是：所述封装层还设置在轴侧面，用于封装轴，使其与外界环境隔离。

8.如权利要求1所述的用于磁性器件的芯铁的制备方法，其特征是：所述芯铁还包括连接体，该连接体的一端穿过封装层与轴相连接，另一端用于连接其他功能单元。

9.如权利要求1至8中任一权利要求所述的用于磁性器件的芯铁的制备方法，其特征是：所述的磁性器件是电磁铁、继电器或者电磁起重机。

10.如权利要求9所述的用于磁性器件的芯铁的制备方法，其特征是：所述的电磁铁是电磁阀。

11.如权利要求1至8中任一权利要求所述的用于磁性器件的芯铁的制备方法，其特征是：所述轴的直径可根据所需芯铁内孔的直径进行调整。

12.如权利要求1所述的用于磁性器件的芯铁的制备方法，其特征是：所述的步骤(2)中，退火热处理在氩气或氮气热处理炉子中进行。

13.如权利要求1所述的用于磁性器件的芯铁的制备方法，其特征是：所述的步骤(2)中，退火热处理过程为：首先升温至一定温度，然后冷却。

14.如权利要求1所述的用于磁性器件的芯铁的制备方法，其特征是：退火热处理的过程为：首先以3～10℃/s升温速率升温至320～420℃，保温0.5～2h，然后随炉冷却至室温或降温至200℃后空冷。

15.如权利要求1所述的用于磁性器件的芯铁的制备方法，其特征是：所述的步骤(3)中，封装方法包括将液状的封装材料涂覆、喷涂或浸漆在步骤(2)制得的非晶合金体表面，然后固化。