CN110165840B - 具有磁性部件的发动机及形成和使用该磁性部件的方法 - Google Patents

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Abstract

本公开提供一种方法，其包括：在磁性金属体的一个或多个受保护部分上形成一个或多个氧化物阻挡层；以及通过将具有形成于其上的所述一个或多个氧化物阻挡层的所述磁性金属体暴露于氮中来将所述磁性金属体的一个或多个未受保护部分转变成较小磁性材料。所述磁性金属体中位于所述一个或多个氧化物阻挡层下方的一个或多个受保护部分不转变成所述较小磁性材料。所述方法可以用于形成层叠式电动机的一个或多个层。本公开还涉及用所述方法形成的电动机。

Description

具有磁性部件的发动机及形成和使用该磁性部件的方法
技术领域
本说明书中所描述的主题涉及改变材料特性例如材料磁性的方法。
背景技术
材料特性可以通过掺杂或以其他方式将物质引入材料中来改变。例如，金属合金的特性可以通过将物质扩散到金属合金中来改变，例如通过将氮扩散到金属表面中以形成表面硬化的表面来改变。
氮化可以用于改变金属的磁特性。可以将金属暴露于氮中，以便将至少一部分氮掺入金属中。氮的掺入可以将金属从磁性材料变为非磁性材料，或者磁性比暴露于氮中之前更小的材料。
由于氮化过程期间发生氮的扩散，可能难以控制暴露于氮中的金属区域。控制在氮化过程期间接收氮的金属区域的一种方法涉及将陶瓷掩膜涂覆到金属上。具有陶瓷掩膜的位置几乎不接收氮，并且因此保持金属在氮化过程之前所具有的磁特性。没有陶瓷掩膜的位置接收氮并且丧失磁特性(例如，这些位置不再磁性吸附磁体，或者对磁体的磁性吸附减小)。这些位置不再是铁素体的。
但是，此陶瓷掩膜可能难以去除。所述去除可能涉及掩膜的化学和/或机械蚀刻，因此可能损害下层材料。此外，此去除操作增加了用于产生具有磁性区域和非磁性区域的材料的过程的成本和复杂性。
发明内容
在一个实施例中，一种方法包括：在磁性金属体的一个或多个受保护部分上形成一个或多个氧化物阻挡层；以及通过将具有形成于其上的所述一个或多个氧化物阻挡层的所述磁性金属体暴露于氮中来将所述磁性金属体的一个或多个未受保护部分转变成较小磁性材料。所述磁性金属体中位于所述一个或多个氧化物阻挡层下方的一个或多个受保护部分不转变成所述较小磁性材料。
在一个实施例中，一种方法包括：氧化金属体的一个或多个磁性部分，所述金属体是磁性体；将所述金属体暴露于氮中，使得所述金属体的一个或多个被转变部分转变成较小磁性材料，以形成由所述一个或多个磁性部分以及包括所述较小磁性材料的所述一个或多个被转变部分这两者形成的转变后金属体；并且将所述转变后金属体包括到机器中，而不去除被氧化的所述一个或多个磁性部分。
在一个实施例中，一种电动机包括由彼此层叠的若干金属层形成的转子或定子中的一者或多者。所述金属层包括磁性部分和较小磁性部分，所述金属层的所述磁性部分包括氧化物层，所述氧化物层设置在位于所述较小磁性部分与所述金属层的相邻金属层之间的所述磁性部分上。
技术方案1.一种方法，包括：
在磁性金属体的一个或多个受保护部分上形成一个或多个氧化物阻挡层；以及
通过将具有形成于其上的所述一个或多个氧化物阻挡层的所述磁性金属体暴露于氮气中，来将所述磁性金属体的一个或多个未受保护部分转变成较小磁性材料，
其中所述磁性金属体中位于所述一个或多个氧化物阻挡层下方的一个或多个受保护部分不转变成所述较小磁性材料。
技术方案2.根据技术方案1所述的方法，其中将所述磁性金属体的所述一个或多个未受保护部分转变成所述较小磁性材料使得与所述一个或多个受保护部分和磁体之间的较大磁吸力相比，所述较小磁性材料对所述磁体的磁吸力较小。
技术方案3.根据技术方案1所述的方法，其中形成所述一个或多个氧化物阻挡层包括对所述磁性金属体的所述一个或多个受保护部分进行电化学氧化。
技术方案4.根据技术方案3所述的方法，其中对所述磁性金属体的所述一个或多个受保护部分进行电化学氧化包括将整个所述磁性金属体浸入氢氧化钾溶液中并且向所述磁性金属体施加电流。
技术方案5.根据技术方案1所述的方法，进一步包括：
在形成所述一个或多个氧化物阻挡层之前，通过将一个或多个掩膜设置在所述一个或多个未受保护部分上来掩蔽所述磁性金属体的所述一个或多个未受保护部分。
技术方案6.根据技术方案5所述的方法，进一步包括：
在将所述磁性金属体暴露于所述氮中之前去除所述磁性金属体的所述一个或多个掩膜。
技术方案7.根据技术方案1所述的方法，其中在所述磁性金属体的所述一个或多个受保护部分上形成所述一个或多个氧化物阻挡层包括在所述磁性金属体的表面中的全部或大体全部上形成所述一个或多个氧化物阻挡层。
技术方案8.根据技术方案1所述的方法，进一步包括：
将具有所述一个或多个未受保护部分的所述磁性金属体包括在机器中而不去除所述一个或多个氧化物阻挡层，其中所述一个或多个未受保护部分具有所述较小磁性材料。
技术方案9.根据技术方案8所述的方法，其中所述磁性金属体是电动机的层叠板。
技术方案10.根据技术方案1所述的方法，其中所述磁性金属体由铁素体钢形成。
技术方案11.一种方法，包括：
氧化金属体的一个或多个磁性部分，所述金属体是磁性体；
将所述金属体暴露于氮中，使得所述金属体的一个或多个被转变部分转变成较小磁性材料，以形成由所述一个或多个磁性部分以及包括所述较小磁性材料的所述一个或多个被转变部分这两者形成的转变后金属体；以及
将所述转变后的金属体包括到机器中而不去除被氧化的所述一个或多个磁性部分。
技术方案12.根据技术方案11所述的方法，其中氧化所述金属体的所述一个或多个磁性部分包括在所述金属体的所述一个或多个磁性部分上形成一个或多个氧化物阻挡层。
技术方案13.根据技术方案11所述的方法，其中氧化所述金属体的所述一个或多个磁性部分包括对所述金属体的至少所述一个或多个磁性部分进行电化学氧化。
技术方案14.根据技术方案11所述的方法，其中氧化所述金属体的所述一个或多个磁性部分包括将整个所述金属体浸入氢氧化钾溶液中并且向所述金属体施加电流。
技术方案15.根据技术方案11所述的方法，进一步包括：
在氧化所述金属体的所述一个或多个磁性部分之前，通过将一个或多个掩膜设置在所述一个或多个被转变部分上来掩蔽所述金属体的所述一个或多个被转变部分。
技术方案16.根据技术方案15所述的方法，进一步包括：
在将所述金属体暴露于所述氮中之前去除所述金属体的所述一个或多个掩膜。
技术方案17.根据技术方案11所述的方法，进一步包括：
将具有所述一个或多个较小磁性部分的所述金属体包括在机器中而不去除所述金属体的被氧化部分，其中所述一个或多个较小磁性部分具有所述磁性材料。
技术方案18.根据技术方案17所述的方法，其中所述金属体是电动机的层叠板。
技术方案19.一种电动机，包括：
由彼此层叠的若干个金属层形成的转子或定子中的一者或多者，其中所述金属层包括磁性部分和较小磁性部分，所述金属层的所述磁性部分包括氧化物层，所述氧化物层设置在位于所述较小磁性部分与所述金属层的相邻金属层之间的所述磁性部分上。
技术方案20.根据技术方案19所述的电动机，其中所述氧化物层不设置在所述金属层的所述磁性部分上。
附图说明
参照附图阅读以下对非限制性实施例的描述可以理解本发明的主题，其中：
图1示出根据一些实施例的包括第一区域和第二区域的磁性部件；
图2示出根据一些实施例的包括多个第一区域和第二区域的磁性部件；
图3示出根据一些实施例的包括多个第一区域、第二区域和第三区域的磁性部件；
图4示出根据一些实施例的本说明书中所述方法可以使用的磁性部件中的掩膜配置；
图5示出根据一些实施例的本说明书中所述方法可以使用的磁性部件中的掩膜配置；
图6示出根据一些实施例的本说明书中所述方法可以使用的磁性部件中的掩膜配置；
图7示出根据一些实施例的本说明书中所述方法可以使用的磁性部件中的掩膜配置；
图8示意性示出根据一些实施例的可以获得的多相磁性部件的饱和磁化强度值；
图9示出根据一些实施例的使用本说明书中所述方法制备的多相部件的截面图；
图10示意性示出至少部分使用层叠式金属体形成的机器设备，其中所述层叠式金属体具有使用本说明书中所述的一个或多个实施例构造的磁性部分；
图11示意性示出图10中所示的转子的侧视图；
图12示出用于形成氮化阻挡层的方法的一个实施例的流程图；
图13示意性示出图10中所示金属体的一个实施例在所述金属体中构造磁性部分之前的顶视图；
图14示意性示出具有沉积在金属体上的掩膜的图10中所示金属体的一个实施例的顶视图；
图15示意性示出电化学沉积系统的一个实施例；
图16示意性示出具有位于金属体的受保护部分上的氧化物阻挡层的图10中所示金属体的一个实施例的顶视图；
图17示出根据本发明主题的一个实施例的处于氮化过程期间的图10中所示金属体的内部部分；
图18还示出根据本发明主题的一个实施例的处于氮化过程期间的图10中所示金属体的内部部分；以及
图19还示出根据本发明主题的一个实施例的处于氮化过程期间的图10中所示金属体的内部部分。
具体实施方式
本说明书中所描述的本发明主题的一个或多个实施例涉及磁性部件的不同区域中的氮含量和饱和磁化强度不同的磁性部件，以及改变所述磁性部件的不同区域中的饱和磁化强度的方法。
在一些实施例中，公开一种磁性部件。本说明书中所述的磁性部件包括第一区域和第二区域，其中所述第一区域和第二区域的特征在于氮含量彼此不同。
本说明书中所使用的术语“磁性部件”是指任何产品，例如电动机转子叠片(rotorlamination)的磁性部分。在一些实施例中，所述磁性部件由铁磁材料形成，具有最终应用所需的尺寸和形状。图1示出根据一些实施例的磁性部件10。所述磁性部件10通常由碳浓度小于0.05％重量百分比的组合物(composition)形成，并且可以具有任何形状和尺寸。为便于理解本说明书，所述磁性部件10被设想成具有顶面12和底面14的矩形形状。
在一些实施例中，所述磁性部件10可以具有特定长度(1)、宽度(w)和厚度(t)。所述磁性部件10包括两个被标出区域，即第一区域20和第二区域30，其中所述第一区域20和第二区域30的特征在于氮含量彼此不同。此外，所述第一区域20和第二区域30中的至少一者是部分磁性区域并且它们具有的氮含量在此区域的约0.1％重量百分比到约0.4％重量百分比的范围内。
某个区域中的氮含量与此特定区域的磁性相关联。在一些实施例中，某个区域的磁性随此区域中氮含量的减小而增大。因此，在一些实施例中，如果某个区域的氮含量小于此区域的0.1％重量百分比，则此区域是磁性区域，并且如果某个区域的氮含量大于此区域的0.4％重量百分比，则此区域是非磁性区域。此外，如果氮含量在此区域的约0.1％重量百分比到约0.4％重量百分比的范围内，则此区域是部分磁性区域。
本说明书中所用的术语“磁性区域”是指其中有约99％体积百分比以上具备磁性的区域。此外，术语“磁性区域”是指相对磁导率大于1的区域。在一些实施例中，所述磁性区域的相对磁导率可以大于100，并且在一些实施例中，所述磁性区域的相对磁导率可以大于200。在一些实施例中，所述磁性区域的饱和磁化强度大于1.5特斯拉(Tesla)。在某些实施例中，所述磁性区域的饱和磁化强度大于1.8特斯拉(Tesla)。
本说明书中所用的术语“非磁性区域”是指其中有90％体积百分比以上为非磁性的区域。此外，术语“非磁性区域”是指相对磁导率约等于1的区域。在一些实施例中，所述非磁性区域的饱和磁化强度约为零。
本说明书中所用的术语“部分磁性区域”是指其中有约10％体积百分比到约99％体积百分比具备磁性且相对磁导率大于1的区域。在一些实施例中，所述部分磁性相的饱和磁化强度在约0.01到约1.5特斯拉的范围内。在一些实施例中，所述部分磁性区域的饱和磁化强度在约0.5到约1.5特斯拉的范围内。
在一些实施例中，某个区域中的氮含量和饱和磁化强度跨此区域内的体积大体上恒定。例如，在一些实施例中，磁性区域中的氮含量具有小于0.1％重量百分比的大体恒定值，并且饱和磁化强度跨此磁性区域的体积具有大于1.5特斯拉的大体恒定值。在一些实施例中，非磁性区域中的氮含量具有大于0.4％重量百分比的大体恒定值，并且饱和磁化强度跨所述非磁性区域的体积约为零。此外，在一些实施例中，部分磁性区域中的氮含量具有在从约0.1％重量百分比到约0.4％重量百分比的范围内的大体恒定值，并且饱和磁化强度跨所述部分磁性区域的体积具有在从约0.5特斯拉到约1.5特斯拉的范围内的大体恒定值。
在一些实施例中，第一区域20的氮含量小于第一区域20的0.1％重量百分比，并且第二区域30的氮含量在第二区域30的约0.1％重量百分比到约0.4％重量百分比的范围内。在这些实施例中的一些实施例中，第一区域20是磁性区域，并且第二区域30是部分磁性区域。
在一些实施例中，第一区域20的氮含量大于第一区域20的0.4％重量百分比，并且第二区域30的氮含量在第二区域30的约0.1％重量百分比到约0.4％重量百分比的范围内。在这些实施例中的一些实施例中，第一区域20是非磁性区域，并且第二区域30是部分磁性区域。
在一些实施例中，第一区域20的氮含量具有在第一区域20的约0.1％重量百分比到约0.4％重量百分比的范围内的大体恒定值，并且第二区域30的氮含量具有在第二区域30的约0.1％重量百分比到约0.4％重量百分比的范围内的大体恒定值，其中所述第一区域20和第二区域30的所述大体恒定值彼此不同。在这些实施例中的一些实施例中，所述第一区域20和第二区域30这两者均为部分磁性区域，但其特征在于氮含量彼此不同。
根据一些实施例，磁性部件可以包括任何数量、任何尺寸和形状的第一区域和第二区域。在一些实施例中，所述磁性部件包括彼此邻近的多个第一区域和第二区域。
图2示出根据本公开一些实施例的磁性部件10。在一些实施例中，如图2中所示，磁性部件10可以包括多个第一区域和第二区域。在图2所示的实施例中，所述第一区域和第二区域图示成以彼此相邻方式设置，或者以交替方式设置。但是，第一区域和第二区域以无规则方式设置在所述磁性部件的体积各处的实施例也在本说明书的范围内。在这些实施例中的一些实施例中，两个或更多个部分磁性区域可以以彼此相邻方式设置。
再次参照图2，所述磁性部件10包括：第一部分22，所述第一部分包括以彼此相邻方式设置的多个第一区域20；第二部分24，所述第二部分包括以彼此相邻方式设置的多个第二区域30；以及第三部分25，所述第三部分包括以交替方式设置的多个第一区域20和第二区域30。在一些实施例中，第一部分22中的所述多个第一区域20可以具有相似的相对磁导率和饱和磁化强度值。类似地，在一些实施例中，第二部分24中的所述多个第二区域30可以具有相似的相对磁导率和饱和磁化强度值。
此外，在一些实施例中，第三部分25中的第一区域20的相对磁导率可以与第一部分22中的第一区域20的相对磁导率相同，并且第三部分25中的第一区域20的饱和磁化强度可以与第一部分22中的第一区域20的饱和磁化强度相同。此外，在一些实施例中，第三部分25中的第二区域30的相对磁导率可以与第二部分24中的第二区域30的相对磁导率相同，并且第三部分25中的第二区域30的饱和磁化强度可以与第二部分24中的第二区域30的饱和磁化强度相同。
在一些其他实施例中，第三部分25中的第二区域30的相对磁导率可以与第二部分24中的第二区域30的相对磁导率不同，并且第三部分25中的第二区域30的饱和磁化强度可以与第二部分24中的第二区域30的饱和磁化强度不同。此外，在一些实施例中，第二部分24中的多个第二区域30的相对磁导率可以彼此相同或不同，并且第二部分24中的多个第二区域30的饱和磁化强度可以彼此相同或不同。
在本公开中，如果两个区域之间的指定值的差异为所述两个区域中的任何一个区域的所述指定值的至少5％，则表明所述两个区域的特定参数(例如，氮含量、磁性区域的体积百分比，或者饱和磁化强度)是不同的。本说明书中所用的术语“差异”是指从另一个区域的参数值(例如，第二区域30中的氮含量)中减去一个区域的参数值(例如，第一区域20中的氮含量)得到的数学差异。因此，在一些实施例中，如果第一区域20的氮含量与第二区域30的氮含量之间的数学差异为第一区域20和第二区域30中的任何一者的氮含量的至少5％，则认为第一区域20中的氮含量和第二区域30中的氮含量是不同的。在一些实施例中，第一区域和第二区域之间的氮含量差异大于10％。
在一些实施例中，如果第一区域20的饱和磁化强度和第二区域30的饱和磁化强度之间的数学差异为第一区域20和第二区域30中的任何一者的饱和磁化强度的至少5％，则认为所述第一区域和第二区域的饱和磁化强度是不同的。在一些实施例中，第一区域和第二区域之间的饱和磁化强度差异大于10％。
应注意，图1和图2仅用于说明目的，并且尽管所述多个第一区域和第二区域的尺寸和形状图示成大体类似，但是所述区域的形状和尺寸可以不同。例如，图2中所示的第一区域和第二区域，或者第一部分、第二部分和第三部分不必总是沿所述磁性部件10的长度(1)、或者沿所述磁性部件10的宽度(w)或厚度(t)设置。所述磁性部件10可以设计成使得不同的第一区域20可以具有相同或不同形状、长度(l1)、宽度(w1)和厚度(t1)值。例如，所述第一部分22中的第一区域20的形状(未具体示出)、长度(l1)、宽度(w1)和厚度(t1)可以分别与第三部分25中的第一区域20的形状、长度、宽度和厚度相同或不同。
此外，所述第二部分24中的第二区域30的形状(未具体示出)、长度(l2)、宽度(w2)和厚度(t2)可以分别与第三部分25中的第二区域30的形状、长度、宽度和厚度相同或不同。此外，在一些实施例中，第二部分24中的多个第二区域30的形状、长度(l2)、宽度(w2)和厚度(t2)可以彼此相同或不同。
在一些实施例中，所述磁性部件10可以进一步包括第三区域40，如图3所示。所述第三区域40的特征在于氮含量与所述第一区域和第二区域的氮含量不同。因此，在一些实施例中，第一区域20的氮含量大于第一区域的0.4％重量百分比，并且第二区域30的氮含量在第二区域的约0.1％重量百分比到约0.4％重量百分比的范围内，并且进一步地，第三区域40的氮含量小于所述第三区域的0.1％重量百分比。在这些实施例中的一些实施例中，所述第一区域是非磁性区域、所述第二区域是部分磁性区域，并且所述第三区域40是磁性区域。
在一些实施例中，第一区域20的氮含量小于第一区域的0.1％重量百分比，并且第二区域30的氮含量在第二区域的约0.1％重量百分比到约0.4％重量百分比的范围内，并且第三区域40的氮含量大于所述第三区域的0.4％重量百分比。在这些实施例中的一些实施例中，所述第一区域20是磁性区域、所述第二区域30是部分磁性区域，并且所述第三区域40是非磁性区域。在一些实施例中，所述部分磁性区域30设置在磁性区域20与非磁性区域40之间，如图3所示。
电动机部件中不同饱和磁化强度区域，例如磁性区域、部分磁性区域和非磁性区域的存在使得能够精确控制通过电机体积的磁通量分布。所述机器内的磁通量密度可以在磁性区域中最高、在部分磁性区域中较低，而在非磁性区域中最低。此外，部分磁性区域和非磁性区域可以有助于在操作期间将高饱和磁化强度区域固定在一起并且保持机器的机械完整性。此外，有多个不同饱和磁化强度区域分布在机器体积的各处使得机器设计者能够控制所述机器内的磁通量分布。
在一些实施例中，第一区域20和第二区域30这两者的氮含量均在相应区域的约0.1％重量百分比到约0.4％重量百分比的范围内，其中第一区域20的氮含量与所述第二区域30的氮含量不同。此外，第三区域40的氮含量大于第三区域的0.4％重量百分比。在这些实施例中的一些实施例中，所述第一区域和第二区域是部分磁性区域，并且所述第三区域40是非磁性区域。在一些其他实施例中，所述第一区域和第二区域是部分磁性区域，并且所述第三区域是磁性区域。
根据一些实施例，磁性部件10可以具有位于磁性部件10的任何部分中的任何数量、任何尺寸和形状的第一区域、第二区域和第三区域。在一些实施例中，所述第一区域、第二区域和第三区域可以定位成彼此相邻，或者可以彼此分离。在一些实施例中，所述磁性部件可以包括分别与磁性区域、部分磁性区域和非磁性区域相对应的多个第一区域、第二区域和第三区域，其中所述部分磁性区域设置在所述磁性区域与非磁性区域之间。在这些实施例中，所述磁性区域和非磁性区域彼此分离，并且所述部分磁性区域与所述磁性区域和非磁性区域相邻。
在一些实施例中，所述磁性部件10可以具有包括至少一个部分磁性区域的多个区域。所述多个区域中所存在的其他区域可以是磁性区域、非磁性区域或部分磁性区域。例如，在一些实施例中，所述多个区域可以包括至少一个部分磁性区域和至少一个磁性区域。在一些实施例中，所述多个区域可以包括至少一个部分磁性区域和至少一个非磁性区域。在一些实施例中，所述多个区域可以包括至少两个部分磁性区域。在一些实施例中，所述磁性部件可以包括至少一个磁性区域、至少一个部分磁性区域和至少一个非磁性区域，如上文所讨论。在一些实施例中，所述磁性部件10为整体式。本说明书中所用的术语“整体式”是指大体上不包括任何接头的连续结构。在一些实施例中，所述整体式磁性部件可以在加工期间形成为一个结构，而无需任何铜焊或多次烧结步骤。当所述磁性部件使用单一材料制造时，通过确保磁性部件10的可靠性、气密性(hermeticity)并且增加接合强度来减少接合不同区域的负面影响。
在一些实施例中，整体式磁性部件可以通过增材制造来制造。在一些实施例中，在任何烧结步骤之前，将磁性部件制造成整体结构。在某些实施例中，所述整体式磁性部件整体使用成分与起始材料相同的粉末制造。
因此，在一些实施例中，所述磁性部件10可以由单一材料制备。例如，所述磁性部件可以由包括磁性材料的起始材料制备。本说明书中所使用的磁性材料可以是单一元素、合金、复合材料或其任何组合。在一些实施例中，所述磁性部件可以包括位于第一区域20和第二区域30这两者中的铁基合金。
如上文所公开，在一些实施例中，所述磁性部件内某个区域中的氮含量与此特定区域的磁性相关联。在一些实施例中，某个区域的磁性与此区域中的氮含量之间的关联可以根据用于形成所述磁性部件的合金的成分变化，因为氮溶解度的差异由合金成分决定。因此，在一些实施例中，能够包括在由一种铁基合金构成的磁性区域中的最大氮含量可以与能够包括在由不同成分的另一种铁基合金构成的磁性区域中的最大氮含量不同。此外，能够包括在所述不同成分的两种铁基合金中以形成部分磁性区域的氮含量范围可以是不同的，并且能够包括在所述两种不同铁基合金中以形成非磁性区域的最小氮含量可以根据这两种铁基合金的成分而变。
在一些实施例中，所述铁基合金可以进一步包括铬、锰或其组合。在一些实施例中，所述铁基合金可以具有铁素体或马氏体结构。在一些实施例中，所述铁基合金的成分为20％重量百分比的铬和5％重量百分比的锰，其余大体上为铁。在一些实施例中，所述铬和锰的浓度可以分别为介于14％重量百分比与20％重量百分比之间以及介于2％重量百分比与5％重量百分比之间，其余为铁。在一些实施例中，所述铁部分可以替换成最高35％重量百分比的钴。在一些实施例中，所述铬部分可以替换成最高8％重量百分比的铝。在一些实施例中，所述铁部分可以替换成最高35％重量百分比的钴，而所述铬部分可以替换成最高8％重量百分比的铝。在一些实施例中，此合金的磁性区域的氮含量小于此区域的0.1％重量百分比，非磁性区域的氮含量大于此区域的0.4％重量百分比，并且部分磁性区域的氮含量在此区域的约0.1％重量百分比到约0.4％重量百分比的范围内。如上文所讨论，铁素体或马氏体结构转变成奥氏体会增加此合金中的非磁性相和部分磁性相。
奥氏体也称为γ相铁(y-Fe)，它是铁的金属顺磁同素异形体。将铁、铁基金属或钢加热到使晶体结构从铁素体变为奥氏体的温度称为奥氏体化(austenitization)。在一些实施例中，奥氏体化可以通过添加某些合金元素来进行。例如，在一些实施例中，添加某些合金元素例如锰、镍和碳可以稳定奥氏体结构，即使是在室温下。通过在室温下稳定选定区域各部分的奥氏体，可以将所述选定区域变为部分磁性区域。此外，可以通过在室温下稳定所述磁性部件的一些区域的奥氏体，同时使所述磁性部件的一些其他区域保留一部分强铁磁性马氏体或铁素体相来形成多相磁性部件。
目前已知，碳的存在用于稳定非磁性奥氏体结构。之前的努力方向是将成形碳化物溶解在磁性部件的选定区域中，以稳定磁性部件的这些区域中的非磁性相。在一些实施例中，通过添加氮而不是碳来稳定低渗透性奥氏体结构，从而形成所述磁性部件的部分磁性区域。目前已知，作为次生相的碳化物是磁性部件所不需要的。因此，在一些实施例中，所述磁性部件大体上不含碳。
但是在本公开的其他实施例中，所述磁性部件可以包括相对较小碳含量，这在某些情况下可以提高磁性部件的抗拉强度。在这些实施例中，所述磁性部件的所有区域中的碳总量可以小于约0.05％重量百分比。在一些实施例中，如上所述，所述磁性部件10具有第一区域和第二区域，其中所述第一区域和第二区域的特征在于氮含量彼此不同。在一些实施例中，所述磁性部件10的第一区域20和第二区域30中的碳浓度小于相应区域的0.05％重量百分比。
在一些实施例中，公开一种制造磁性部件10的方法。可以使用热力计算和经验来预测在高温下加入氮以形成奥氏体相之后的磁性部件10成分。使用设计合金成分的磁性部件10可以通过使用常规方法制造。在一些实施例中，对以此制成的近似最终形式的磁性部件进行局部渗氮(selective nitriding)，而不需要在渗氮之后显著改变所形成磁性部件的形状和尺寸。本说明书中所用的术语“局部渗氮”是指对磁性部件的一些(预期)区域进行可控渗氮，而不显著改变附近区域的铁磁性质。如果附近区域的平均饱和磁化强度减小量达到此区域的约5％体积百分比以上，则此区域的铁磁性质可以视作“显著改变”。
所述磁性部件可以设计成在渗氮之前具备氮溶解性，并且可以通过局部渗氮来实现不同饱和磁化强度的区域。最终磁性部件的饱和磁化强度可以是磁性部件在渗氮步骤之前的饱和磁化强度的一部分。由于材料加工条件的局部差异，最终磁性部件的体积各处的饱和磁化强度可能不同。
可以通过使用不同渗氮方法来实现磁性部件的局部渗氮。可以向磁性部件的不接受渗氮区域提供化学、物理或机械封阻，以保持磁性。例如，阻止氮扩散到磁性部件中的化学成分可以用作某些区域的“氮封阻”材料。可以使用物理方法来选择性地在选定区域引入氮，同时使氮无法进入其他区域。机械封阻能够以机械方式阻止某些区域处的氮扩散。
因此，在一些实施例中，提出一种改变磁性部件不同区域中的(饱和)磁化强度值的方法。所述方法包括：将包括氮封阻材料的涂层设置在所述部件的至少一部分上以形成掩膜；以及在富氮气氛中对所述部件进行热处理以形成第一区域和第二区域。所述热处理的温度可以高于700℃。本说明书中所用的术语“氮封阻材料”是指能够大体上阻止氮进入此区域中的材料。所述封阻材料本身不必要含氮。由于所述方法包括选择性地将氮引入所述第一区域和第二区域，所述第一区域和第二区域的特征在于氮含量彼此不同。此外，对所述第一区域和第二区域的氮引入进行控制，使得所述第一区域和第二区域中的至少一者是部分磁性区域并且氮含量在此区域的约0.1％重量百分比到约0.4％重量百分比的范围内。
在一些实施例中，可以在磁性部件上使用模板以阻挡一些区域并且露出要涂覆氮封阻材料的其他区域。所述涂层材料可以通过使用不同方法设置在磁性部件上。用于将所述涂层设置在磁性部件上的方法的非限制性示例可以包括浸涂、喷涂、旋涂、粉浆浇铸、流延成型和层叠以及凝胶浇铸。在某些实施例中，所述涂层通过在磁性部件上喷涂浆液形式的氮封阻材料来设置。
在一些实施例中，设计成具备部分磁性的区域被涂层掩蔽，使得允许氮的可控部分扩散。在一些实施例中，设计成具备磁性的区域被掩蔽，以阻止对这些区域的氮扩散。此外，在一些实施例中，设计成非磁性的区域保持不被掩蔽，以便氮扩散到这些区域中。
因此，以示例方式，如果预期磁性部件的第一区域是磁性区域并且氮含量小于0.1％重量百分比，并且第二区域是部分磁性区域、氮含量在约0.1％重量百分比到约0.4％重量百分比的范围内，并且第三区域是非磁性区域、氮含量大于0.4％重量百分比，则所述涂层可以设置在第一区域和第二区域上。应注意，为实现部分磁性区域，可以将涂层设置在与磁性区域类似的特定区域上，但是可以改变涂层参数以实现预期氮含量。
因此，在一些实施例中，磁性部件10的第一区域20与第二区域30之间的氮含量差异通过改变涂层参数来实现。所述涂层参数包括但不限于涂层厚度、涂层密度和表面涂层面积百分比中的一者或多者。这些涂层参数的差异可以通过不同方法实现。在一些实施例中，可以通过控制用于设置涂层的沉积参数来改变涂层参数。适当的沉积参数包括但不限于沉积方法、材料成分、固体载荷、密度、沉积涂层厚度、沉积速度、干燥方法、干燥速度、烧结温度、时间和涂层气氛。例如，在某些实施例中，所述第一区域与第二区域之间的氮含量差异通过设置具有可变厚度的涂层来实现。因此，在沉积本身期间，第一区域中的涂层厚度可以与第二区域中的涂层厚度不同，使得第一区域和第二区域中穿过被掩蔽表面进入磁性部件中的氮扩散是不同的。
在一些实施例中，如图4所示，部件10的第一和第二区域被掩蔽，使得磁性部件10中与第一区域20相对应的部分被具有厚度t1的涂层32掩蔽以阻止氮扩散，并且磁性部件10中与第二区域30相对应的部分被具有较小厚度t2的涂层32掩蔽，使得允许计算所得量的氮扩散到第二区域30中。在这些实施例中，第一区域20设计成磁性区域，并且第二区域30设计成部分磁性区域。
在一些实施例中，可以对涂层32的厚度t2进行控制，使得第二区域30的不同部分在渗氮之后具有不同氮含量和磁性区域的不同体积百分比。
现在转到图5，在一些实施例中，磁性部件上的氮封阻材料掩膜可以设计成使得磁性部件10中与第一区域20相对应的部分不被掩蔽，并且磁性部件10中与第二区域30相对应的部分被厚度为t2的涂层32掩蔽。所述未掩蔽部分允许氮扩散通过磁性部件10，使得第一区域20成为非磁性区域，并且被厚度为t2的涂层32掩蔽的所述部分允许氮部分扩散，从而使第二区域30成为部分磁性区域。所属领域中的技术人员将理解，根据所需磁性区域、部分磁性区域和非磁性区域的形状和尺寸，所述掩膜可以设计成具有不同形状和特性。
如上所讨论，一些实施例中不改变涂层的厚度，而是可以改变密度或表面涂层面积百分比以控制氮的扩散。例如，与致密涂层相比，具有较低密度的涂层可以允许更大量的氮扩散通过。此外，如果第一区域20的表面涂层面积百分比(或者，被涂层覆盖区域的百分比)低于第二区域30的表面涂层面积百分比，则更大量的氮可以扩散到第一区域20中。在一些实施例中，所述第一区域20与第二区域30之间的氮含量差异通过在热处理步骤之前选择性地去除所述区域中的一个区域中的涂层部分来实现，从而改变这些区域中涂层的表面涂层面积百分比或密度。涂层的部分可以通过不同方法选择性地去除，包括但不限于蚀刻和喷砂处理。
如上所述，在一些实施例中，所述第一区域20和第二区域30这两者可以均为部分磁性区域。在所述实施例中，所述两个区域可以例如通过在第一区域和第二区域中设置不同厚度、密度或表面涂层面积百分比的涂层，或者通过在所述区域中的一个区域中选择性地去除涂层的一部分来形成在磁性部件中。在某些实施例中，所述磁性部件10可以包括三个不同区域，使得所述第一区域20是磁性区域，第二区域30是部分磁性区域，并且第三区域40是非磁性区域，如图3所示。在这些实施例中，所述第一区域可以用具有预期厚度、密度和表面积覆盖范围的涂层掩蔽，以阻止氮进入第一区域中。通过改变涂层的厚度、密度和表面涂层面积百分比中的一者或多者，可以部分地封阻第二区域，以允许预期量的氮扩散到第二区域30中。所述第三区域可以完全不被涂覆，以允许最高量的氮扩散到第三区域40中。因此，在所述实施例中，可以对渗氮进行控制，使得第一区域20的氮含量小于第一区域20的0.1％重量百分比，第二区域30的氮含量在第二区域30的约0.1％重量百分比到约0.4％重量百分比的范围内，并且第三区域40的氮含量大于第三区域40的0.4％重量百分比。此外，可以将第一区域、第二区域和第三区域中的碳浓度控制成小于相应区域的0.05％重量百分比。
渗氮可以通过固体、液体、气体或等离子体路径进行。在一些实施例中，使用高温气体渗氮将氮引入所述部分中。在某些实施例中，高温气体渗氮包括在高温下在氮气气氛中对所述磁性部件进行热处理。或者，可以使用氨和氢混合物中的热处理来实现氮扩散。本发明技术中的高温允许氮快速扩散，从而提供快速处理路径。在一些实施例中，可以通过在含有氰化物、氰酸盐或其组合的熔融盐浴中进行热处理来实现氮扩散。在一些实施例中，可以使用等离子体渗氮来实现氮扩散。
在一些实施例中，通过在高于700摄氏度(℃)的温度下进行热处理，氮可以通过富氮气氛中的气体渗氮而扩散到磁性部件10中。在一些实施例中，通过在高于800℃的温度下进行热处理来执行气体渗氮。
在一些实施例中，用于气体渗氮的压力大于0.5个大气压(atm.)。通常，预期氮扩散随着热处理温度的升高以及氮平衡表面浓度的增加而增加。围绕磁性部件10的气体压力的增加通常导致氮的表面浓度增加。因此，在纯氮气氛中的给定条件下，大于大气压的氮气压力以及高温通常会提供更快的渗氮过程。在一些实施例中，使用大于1atm.的环境压力以及大于约900℃的温度进行渗氮。在进一步实施例中，所述渗氮温度高于1000℃。
在一些实施例中，使用富氮气氛进行渗氮。在一些实施例中，所述富氮气氛包括大于90％的氮。在一些实施例中，渗氮在大体纯氮气氛中进行。通过在抽空炉腔中空气之后向此炉腔中填充氮气，并且在加工期间使用氮气或者通过连续氮气流吹扫，可以产生大体纯氮气氛。可以根据磁性部件10的预期氮扩散(和非扩散)模式将涂层涂覆在部件上。例如，在图6中，厚度为t1的涂层32设置在磁性部件10中与不同第一区域20相对应的所有表面部分上，并且第二区域30的表面部分被部分地涂覆具有小于t1的厚度t2的涂层32。具有较小厚度t2的涂层32设计成在渗氮期间允许氮的部分扩散。与第二区域30相对应的厚度为t2的涂层32设置在顶面12部分和底面14部分上(涂层未明确图示成位于底面14中)。在这些实施例中，磁性部件10的渗氮仅通过位于顶面12和底面14上的第二区域30的部分涂覆表面部分发生。现在转到图7，穿过磁性部件10的厚度t的正面16和背面18进一步包括第二区域30的部分涂覆表面部分，因此图7中的磁性部件10的渗氮可以通过位于磁性部件10的顶面12部分、底面14部分以及正面16部分和背面18部分上的第二区域30的表面部分发生。
当图7中所示的磁性部件10经受气体渗氮时，氮扩散通过所述部件、通过所述部件10的所有表面，包括顶面12、底面14以及所述磁性部件的侧面16、17、18和19的未涂覆部分(如有)和部分涂覆部分。所述扩散的氮与磁性部件的成分一起改变这些区域中的局部相稳定性，并且将这些区域转变成非磁性奥氏体。即使氮扩散通过所述表面，渗氮参数使得氮能够通过磁性部件10的所有表面进一步扩散到所述磁性部件的长度、宽度和厚度中，而被掩蔽区域或部分掩蔽区域区域防止大量氮扩散通过这些区域。
通过经验计算和热力计算，可以调整渗氮参数，并且可以预测磁性部件10的某些区域在不同方向上的氮扩散，并且相应地，可以改变掩膜尺寸和形状，以便所得到的最终产品大约是渗氮过程的预期结果。
在一些实施例中，进入磁性部件的内部区域中的氮扩散可以取决于氮在磁性部件10内行进的距离。例如，如果渗氮仅分别通过顶面12和底面14，如图6所示，则氮扩散到磁性部件10的内部部分中所需的持续时间可以取决于磁性部件10的厚度t。在一些实施例中，磁性部件10的厚度在约0.1mm到约5mm的范围内。此部件的预期磁性区域、非磁性区域和部分磁性区域模式可以通过使氮扩散通过被选择性掩蔽的顶面12和底面14，从而保持厚度t的侧面完全被遮蔽来获得。
所述被部分遮蔽的第二区域30的掩膜宽度42(如图4所示)是第一区域20之间的尺寸，并且可以根据磁性部件10的要求设计。在一些实施例中，所述表面中的第一区域20中的每个第一区域的宽度44大于约0.5mm。在进一步实施例中，所述第一区域20中的每个第一区域在垂直于厚度t的平面中的宽度大于0.5mm。(如上文在图1中所说明，尺寸“w”表示磁性部件10的总宽度。)
图8示意性示出磁性部件10的一部分的饱和磁化强度(MSat)沿从A到B方向的假设性变化。如本说明书中所使用，特定区域的饱和磁化强度MSat表示为此特定区域在渗氮前的饱和磁化强度百分比。
根据具体应用，磁性区域、部分磁性区域和非磁性区域的形状可以改变，并且氮的扩散可以设计成满足这些要求。因此，在一些实施例中，位于磁性部件10的表面和内部部分中的部分磁性区域的体积百分比等于或大于位于所述表面和内部部分中的磁性区域或非磁性区域的体积百分比。在一些实施例中，所述磁性部件的部分磁性区域具有互连几何形状，不论所述部分磁性区域的不同部分的饱和磁化强度差异。本说明书中所使用的“互连几何形状”意味着某个区域完全通过此部件连接，因此不完全与相似区域分离、完全被其他区域围绕。
不同拓扑结构可以包括上述的多相磁性材料，并且可以制造包括上述磁性部件的电机。例如，内部永磁电机和感应电机可以设计成通过磁极成形具有更高功率密度、改进的功率因数和减小的转矩涟波(torque ripple)，并且可以设计成具有无传感器控制。开关磁阻电机可以设计成在高速下的风阻损失减小，并且进一步减小转矩涟波。同步磁阻电机可以设计成具有更高功率密度、改进的功率因数、更宽恒定功率速度范围、更低转矩涟波和无传感器控制。
例如，可以设计若干不同类型的同步磁阻电机，包括定子以及操作性设置在所述定子的界限内的转子轴。图9示出可以受益于多相材料的拓扑结构的示例。部件50可以表示所述磁阻电机的一部分，包括磁性区域52和部分磁性区域54，下文中统称为“层叠段”。所述部件50的选择性成形转子55配置为四极机器。每个极可以包括多个轴向延伸、径向定位(“堆叠”)的层叠段56、58、60等，它们从每个极延伸、终止于中心转子轴62处。根据磁阻电机的特定设计，极数和叠片数可以显著不同。
继续参照图9，层叠段有效地引导磁通量进出转子55。所述磁性区域52约束磁通量的通路，而部分磁性区域54确保相对较高密度的磁通线从转子表面穿出，并且进入转子与定子之间的空气间隙中。在根据常规技术制造这些类型的磁阻电机时，磁性叠片和部分磁性叠片通常必须通过各种机械/金属加工步骤例如切割和焊接组装。本申请的发明人已经发现，预期机器配置在使用多相材料及制造这些材料的方法时可以取得更高效率，如一些实施例中所述。
本说明书中提供的不同实施例可以使电动机设计者能够精确地控制通过电机体积的磁通量分布。这可以通过设计分布在所述机器体积各处的不同饱和磁化强度区域来实现。在具有较高饱和磁化强度的区域中，机器内的磁通密度较高。饱和磁化强度较低的区域仍可用于保持机器的机械完整性。因此，在一些实施例中，可以使用低磁化强度区域来在机器在操作中旋转期间将高饱和磁化强度区域紧固在一起。
本说明书中所描述的本发明主题的一个或多个额外实施例提供用于在磁体上形成氮化阻挡层的方法，以及包括具有所述氮化阻挡层的磁性体的机器。
一些机器例如磁性电动机依赖于掩避用于形成机器的层叠材料部分，使得层叠材料的被掩蔽部分在氮化步骤期间不转变成非铁素体(例如，非磁性或较小磁性)成分的能力。例如，金属体(例如，板)的不同区域可以具有施加到所述区域的氮化阻挡层，以防止氮扩散到所述金属体中的所述区域中。这些区域保持磁性或铁素体性(例如，这些区域被磁性吸附到磁体)。金属体中没有氮化阻挡层的其他区域在氮化过程期间接收至少一部分氮，使得这些区域转变成不磁性吸附到磁体的非铁素体成分。视情况而定，这些非铁素体成分区域可能仍然是磁性的，但磁性显著减小。例如，磁体与所述金属体中具有氮化阻挡层的区域之间的磁力可以是同一磁体与所述金属体中不具有氮化阻挡层的区域之间的磁力的两倍、三倍、五倍、大一个量级或更大值。
本说明书中所述的本发明主题涉及在金属体(例如铁素体钢板)的表面上生长氧化物以用作氮化阻挡层。在一个实施例中，所述氧化物可以使用电化学氧化来生长。或者，所述氧化物使用另一种技术生长。具有一个或多个氮化阻挡层的金属体随后在氮化过程中暴露于含氮退火气氛中。所述金属体可以仅在氮化过程期间暴露于氮中，或者可以暴露于若干种含氮元素或化合物中，例如氮气(N2)和氢气(H2)的混合物，但是可以将其他气体(例如氨气NH4)添加到此混合物。在一个实施例中，在氮化过程期间使用的退火气氛的至少一个组分(component)必须在所述至少一个组分的化学式中含氮。例如，所述金属体可以在氢气(H2)和氨气(NH4)的混合物中氮化。当将此混合物加热到升高的退火温度时，氮从氨气(NH4)中放出。
在此氮化过程中，层叠金属体的未被掩蔽区域转变成非铁素体(较小磁性或非磁性)成分。氧化物膜足够薄，使其能够保留在金属体上，而不需要执行掩膜去除步骤。例如，所述金属体可以是与若干个其他金属板层叠在一起以形成电动机层叠式转子(laminatedrotor)的铁素体钢板。金属板的区域从铁素体金属转变成非铁素体金属意味着这些区域从磁性转变成非磁性。这些磁性区域可以被吸附到在电动机定子中产生的磁极。
由一个或多个所述氧化物膜形成的阻挡层可以通过对所述金属体区域进行电化学氧化来产生。本说明书中所描述主题的发明人已经发现至少一种电解质溶液和电化学氧化条件集(例如，电压、时间和温度)，使得氧化物膜生长成足够厚防止金属体的被覆盖部分从磁性(例如，铁素体)转变成非磁性(例如，非铁素体)，同时使得所述氧化物膜不至过厚以导致所述膜干扰金属体的操作(例如，所述氧化物膜无法避免金属板的磁性部分被磁性吸附到电动机定子中的磁极)。本说明书中所述的本发明过程可以消除使用难以去除的高温陶瓷材料来掩蔽金属体的需要。
图10示意性示出至少部分使用层叠式金属体102形成的机器设备100，其中所述层叠金属体具有使用本说明书中所述的本发明主题的一个或多个实施例构造的磁性部分104。图示的机器设备100是具有转子106和定子108的电动机。所述转子106可以由彼此层叠的若干个金属体102形成。替代地，转子106可以由单个金属体102形成。
图11示意性示出图10中所示的转子106的侧视图。如图11所示，金属体102层叠在一起以形成转子106。所述金属体102的纵横比(aspect ratio)可以与图11中所示的不同。
金属体102具有由磁性部分104形成的若干个(例如，三个)磁极。所述金属体102的其余部分可以是非磁性的。例如，金属体102可以由铁素体钢形成，并且磁性部分104通过氮化过程从铁素体钢转变成非铁素体金属。所述定子108可以包括对应的极110，所述对应极可以在不同时间被激发成磁性并且使得转子106在定子108内旋转。所述电动机仅为可以由本说明书中所述金属体中的一个或多个金属体形成的机器设备100的一个示例。替代地，所述机器设备100可以是另一装置或者另一类型的装置。并非本发明主题的所有实施例都限于产生用于层叠在一起以形成电动机或电动机一部分的金属板。
图12示出用于形成氮化阻挡层的方法300的一个实施例的流程图。所述方法300可以用于在金属体102上形成氮化阻挡层，并且视情况在金属体102中形成非磁性部分。在302中，在金属磁性体的部分上形成一个或多个掩膜。例如，掩膜可以沉积或生长在作为金属体102中的一个金属体的铁素体钢板的外表面的区域上。所述掩膜可以定位在金属体102中要转变成非铁素体成分的位置上，或者不转变成磁性材料的位置上。
继续参照图12中所示的方法300的流程图，图13示意性地示出在金属体102中形成非磁性部分之前，图10中所示金属体102的一个实施例的顶视图。所述金属体102可以是有两个尺寸大于第三尺寸的金属板或金属合金板(例如平板)。金属体102由具备金属性和磁性的金属和金属合金形成。例如，所述金属体102中的金属或金属合金的晶体结构可以是铁素体的。如在整个金属体102上保持一致的交叉阴影线所示，整个金属体102由磁性材料形成，使得所述金属体102的任何部分被吸附到任何磁体。
图14示意性示出具有沉积在金属体102上的掩膜500的金属体102的一个实施例的顶视图。所述掩膜500是在图12中所示方法300的流程图中的302中施加到金属体102的掩膜。所述掩膜500可以由一种或多种非陶瓷材料的材料形成。例如，所述掩膜500可以由光致抗蚀剂或另一种聚合物形成。所述掩膜500沉积在金属体102上，使得一个或多个受保护部分或区域502保持裸露。本说明书中所述的掩膜500定位在金属体102上以使所述一个或多个受保护部分502保持裸露，使得阻挡层随后生长在所述一个或多个受保护部分502上。所述阻挡层避免氮进入所述一个或多个受保护部分502中的金属层102中，从而避免所述金属层102的所述一个或多个受保护部分502转变成非铁素体材料或非磁性材料。通过将掩膜500沉积在金属体102中不包括所述受保护部分502的区域上或者通过去除所述区域中的掩膜500，将所述受保护部分502保持裸露。所述金属体102中不被掩膜500覆盖的部分可以称为金属体102的未受保护部分504。
在图12中所示方法300的流程图中的304中，在金属体上形成一个或多个阻挡层。所述阻挡层可以形成在金属体102的未受保护部分504上。视情况而定，所述阻挡层也可以形成在所述金属体102的受保护部分502上，其中当掩膜500从所述金属体102去除时，所述阻挡层中位于所述受保护部分502中的掩膜500上的部分被去除。即使掩膜500在金属体102的某些区域中位于金属体102与阻挡层之间，阻挡层也可以形成在金属体102上，因为掩膜500将阻挡层与金属体102互连。替代地，所述阻挡层可以仅形成在金属体102中通过掩膜500而保持裸露的未受保护部分504上。
在一个实施例中，所述阻挡层是使用电化学沉积形成在金属体102的至少受保护部分502上的阳极层。例如，所述阻挡层可以是使用金属体102的受保护部分502的电化学氧化形成的氧化物层。替代地，所述阻挡层可以是以另一种方式，例如通过将金属体102的受保护部分502暴露在高温下形成的氧化物层。
图15示意性示出电化学沉积系统600的一个实施例。所述系统600包括容纳电解质溶液604的罐或容器602。整个金属体102(例如，具有掩膜500，在图15中未示出)可以浸入溶液604中，例如通过将整个金属体102下放到溶液604中。替代地，可以仅将金属体102的一部分(但不是全部)放入溶液604中，例如通过仅浸渍金属体102中包括金属体102的一个或多个未受保护部分504的部分。
金属体102(或金属体102的未受保护部分504中的至少一个未受保护部分)可以通过连接器608(例如，夹具或其他联轴器)与电源606例如电池、电网等的正极端子以导电方式连接。电源606的负极端子可以与阴极610，例如另一金属体(例如，形成金属体102的相同材料、铝板等)、罐602的表面等连接。
金属体102(或者至少金属体102的受保护部分502)在电化学氧化过程中作为阳极操作。金属体102从电源606接收正电流，使得金属体102的受保护部分502被氧化。受保护部分502的所述氧化在金属体102的至少所述受保护部分502上产生氧化物阻挡层。
可以控制或改变系统600的若干不同设置或参数，以控制或指示生长在金属体102的受保护区域502上的氧化物层的厚度。这些设置或参数包括电解质溶液604的含量、电解质溶液604在氧化期间保持的温度、电源606施加的电流量和/或金属体102浸入电解质溶液604中并且被电源606施加电流的时间。
在一个实施例中，电解质溶液604包括氢氧化钾。例如，电解质溶液604可以是由30％到70％重量百分比(或者替代地，体积百分比)的氢氧化钾以及70％到30％重量百分比(或者替代地，体积百分比)的水形成的30％到70％氢氧化钾水溶液。在优选实施例中，电解质溶液604可以是由40％到60％重量百分比(或者替代地，体积百分比)的氢氧化钾以及60％到40％重量百分比(或者替代地，体积百分比)的水形成的40％到60％氢氧化钾水溶液。在更优选实施例中，电解质溶液604可以是由45％到55％重量百分比(或者替代地，体积百分比)的氢氧化钾以及55％到45％重量百分比(或者替代地，体积百分比)的水形成的45％到55％氢氧化钾水溶液。在进一步更优选实施例中，电解质溶液604可以是由一半重量百分比(或者替代地，体积百分比)的氢氧化钾以及一半重量百分比(或者替代地，体积百分比)的水形成的50％氢氧化钾水溶液。
在一个实施例中，在受保护区域502的电化学氧化期间，溶液604可以保持在升高的温度，例如40摄氏度与80摄氏度之间。在优选实施例中，在受保护区域502的电化学氧化期间，溶液604可以保持在介于50摄氏度与70摄氏度之间的温度下。在更优选实施例中，在受保护区域502的电化学氧化期间，溶液604可以保持在介于55摄氏度与65摄氏度之间的温度下。在进一步更优选实施例中，在受保护区域502的电化学氧化期间，溶液604可以保持在60摄氏度温度下。可以使用加热元件(未示出)将溶液604的温度保持在这些选定温度中的一者或多者，所述加热元件可以至少部分浸入溶液604中或者与罐602热接触以加热溶液604。
在一个实施例中，电源606将0.5伏特到1.5伏特的直流电施加到金属体102和阴极610。在优选实施例中，电源606将0.75伏特到1.25伏特的直流电施加到金属体102和阴极610。在更优选实施例中，电源606将一伏特的直流电施加到金属体102和阴极610。
本说明书中所描述主题的发明人已经发现使得在金属体102的受保护区域502上产生足够厚以防止氮扩散到位于所述受保护区域502中的所述金属体102中(如下所述)，但是足够薄以允许所述受保护区域502(稍后被转变成磁性)被吸附到磁体的氧化物阻挡层的系统600设置或参数组合。例如，所述金属体102可以由铁素体钢形成，所述铁素体钢浸入50％氢氧化钾水溶液中并且在60摄氏度下在通过电源606施加一伏特直流电至少五分钟但不超过三十分钟的情况下进行电化学阳极化。这可以在金属体102的受保护区域502上形成约50微米到约200微米厚(例如，50微米到200微米厚的5％到10％内)的氧化物阻挡层。所述设置或参数组合意外产生足够厚以防止金属体102的受保护部分502转变成非磁性，但是足够薄以允许金属体102与若干个其他金属体102层叠在一起以形成机器100的氧化物阻挡层，如上所述。
返回到图12中所示方法300的流程图的说明，在306中，可以在形成阻挡层之后去除金属体的掩膜。例如，可以使用溶剂或以其他方式去除形成掩膜500的光致抗蚀剂。去除掩膜500导致金属体102在金属体102的受保护部分502上具有氧化物阻挡层，并且在金属体102的未受保护部分504上没有氧化物阻挡层或掩膜500。
图16示意性示出具有位于金属体102上的受保护部分502上的氧化物阻挡层700的金属体102的一个实施例的顶视图。如图16所示，所述金属体102的未受保护区域504使所述金属体102裸露，而金属体102的受保护区域502使用氧化物阻挡层700覆盖金属体102。
返回到图12中所示方法300的流程图的说明，在308中，可以在金属体102中形成较小磁性部分。可以在金属体102的未受保护区域504中形成较小磁性部分。在一个实施例中，具有氧化物阻挡层700的金属体102可以放置在既被加热又包括含氮气氛的腔室(例如，烘箱或其他密封外壳)中。在一个实施例中，将金属体102放置在加热到约1000摄氏度(例如，950到1050摄氏度、975到1025摄氏度，或990到1010摄氏度)的腔室中，其中所述腔室包括气态氮。
金属体102的未受保护部分504随后经历氮化过程。在此过程中，氮扩散到金属体102的未受保护部分504中并且将这些部分504转变成较小磁性材料或非磁性材料(例如，通过将部分504中的金属体102的晶体结构改变成非铁素体结构)。所述部分504可以是较小磁性，因为磁体与部分504中的任何部分之间的磁力小于同一磁体与金属体102的任何受保护部分或区域502之间的磁力。图17到图19示出根据本发明主题的一个实施例的处于氮化过程期间的金属体102的内部部分800。如图17所示，在氮化之前，金属体102的内部部分800具有由晶体结构中以晶界804彼此分离的若干晶粒802形成的金属晶体结构。在一个实施例中，在氮化之前，晶粒802可以具有铁素体晶体结构。
如图16所示，金属体102现在具有形成于金属体102的受保护部分502上具有阻挡层700，并且在金属体102的未受保护部分504上没有阻挡层700。如图19所示，金属体102暴露于含氮气氛中使得氮以未被阻挡层700覆盖的体积或位置扩散到金属体102的晶粒802中。所述阻挡层700防止氮扩散到被阻挡层700覆盖的体积或位置中的晶粒802中。因此，所述金属体102的受保护部分502几乎不接收氮，而金属体102的未受保护部分504接收氮。例如，受保护部分502可能没有接收足够的氮以将金属体102中位于受保护部分502下方的体积转变成较少铁素体或非铁素体结构，而所述未受保护部分504接收足够的氮以将金属体102中位于未受保护部分504下方的体积转变成非铁素体结构。结果，所述金属体102的受保护部分504不转变成较小磁性或非磁性材料，而金属体102的未受保护部分504转变成较小磁性或非磁性材料104，如图19所示。
返回到图12中所示方法300的流程图的说明，在310中，可以将金属体包括到机器中，而不去除所述阻挡层。所述金属体102可以与若干个其他金属体102层叠在一起。所述金属体102可以层叠在一起，其中层叠式金属体102的磁性部分502彼此轴向对准。层叠式金属体102可以形成电动机的转子106或机器的另一部件。阻挡层700可以保留在金属体102上，因为薄层700不会抑制或干扰金属体102的部分502中的磁性材料的磁性。
在一个实施例中，所述阻挡层形成在金属体表面的全部或大体全部中。例如，阻挡层可以通过对金属体的整个表面进行电化学氧化来形成。此阻挡层可以在不使用掩膜来选择性地控制形成阻挡层的位置的情况下形成。相反，所述阻挡层形成在金属体的全部或大体全部(例如，至少95％)上。所述阻挡层可以形成在金属体的某个表面，例如将被层叠到另一金属体的表面中的全部或大体全部上。所述金属体的其他表面(例如，相对的背面和/或位于相对表面之间的一个或多个边缘)可以不具有形成于其上的阻挡层，或者多个或所有表面可以具有形成于在其上的阻挡层。然后可以选择性地去除金属体的一个或多个区域中的阻挡层。例如，所述掩膜可以形成于要保留阻挡层的区域中的电化学氧化阻挡层上。然后可以使用化学和/或机械蚀刻剂去除未被掩蔽区域(例如，不存在掩膜的位置)的阻挡层，以形成金属体的裸露区域。然后将所述裸露区域暴露于含氮气氛中以减少或消除所述区域中的金属体的磁性，与上述内容类似。
在一个实施例中，一种方法包括：在磁性金属体的一个或多个受保护部分上形成一个或多个氧化物阻挡层；以及通过将具有形成于其上的所述一个或多个氧化物阻挡层的所述磁性金属体暴露于氮中来将所述磁性金属体的一个或多个未受保护部分转变成较小磁性材料。所述磁性金属体中位于所述一个或多个氧化物阻挡层下方的一个或多个受保护部分不转变成所述较小磁性材料。
视情况而定，将所述磁性金属体的所述一个或多个未受保护部分转变成所述较小磁性材料使得当相较于磁体与所述一个或多个受保护部分之间的较大磁吸力时，所述较小磁性材料对所述磁体的磁吸力较小。
视情况而定，形成所述一个或多个氧化物阻挡层包括对所述磁性金属体的一个或多个被覆盖部分进行电化学氧化。
视情况而定，对所述磁性金属体的所述一个或多个被覆盖部分进行电化学氧化包括将整个所述磁性金属体浸入氢氧化钾溶液中并且向所述磁性金属体施加电流。
视情况而定，所述方法还包括在形成所述一个或多个氧化物阻挡层之前，通过将一个或多个掩膜设置在所述一个或多个未受保护部分上来掩蔽所述磁性金属体的所述一个或多个未受保护部分。
视情况而定，所述方法还包括在将所述磁性金属体暴露于氮中之前去除所述磁性金属体的所述一个或多个掩膜。
视情况而定，在所述磁性金属体的所述一个或多个受保护部分上形成所述一个或多个氧化物阻挡层包括在所述磁性金属体的表面的全部或大体全部上形成所述一个或多个氧化物阻挡层。
视情况而定，所述方法还包括将具有所述一个或多个未受保护部分的所述磁性金属体包括在机器中而不去除所述一个或多个氧化物阻挡层，其中所述一个或多个未受保护部分具有所述较小磁性材料。
视情况而定，所述磁性金属体是电动机的层叠板。
视情况而定，所述磁性金属体由铁素体钢形成。
在一个实施例中，一种方法包括：氧化金属体的一个或多个磁性部分，所述金属体是磁性体；将所述金属体暴露于氮中，使得所述金属体的一个或多个被转变部分转变成较小磁性材料，以形成由所述一个或多个磁性部分以及包括所述较小磁性材料的所述一个或多个被转变部分这两者形成的转变后金属体；并且将所述转变后金属体包括到机器中，而不去除被氧化的所述一个或多个磁性部分。
视情况而定，氧化所述金属体的所述一个或多个磁性部分包括在所述金属体的所述一个或多个磁性部分上形成一个或多个氧化物阻挡层。
视情况而定，氧化所述金属体的所述一个或多个磁性部分包括对所述金属体的至少所述一个或多个磁性部分进行电化学氧化。
视情况而定，氧化所述金属体的所述一个或多个磁性部分包括将整个所述金属体浸入氢氧化钾溶液中并且向所述金属体施加电流。
视情况而定，所述方法还包括在氧化所述金属体的所述一个或多个磁性部分之前，通过将一个或多个掩膜设置在所述一个或多个被转变部分上来掩蔽所述金属体的所述一个或多个被转变部分。
视情况而定，所述方法还包括在将所述金属体暴露于氮中之前去除所述金属体的所述一个或多个掩膜。
视情况而定，所述方法还包括将具有所述一个或多个较小磁性部分的所述金属体包括在机器中而不去除所述金属体的被氧化部分，其中所述一个或多个较小磁性部分具有所述磁性材料。
视情况而定，所述金属体是电动机的层叠板。
在一个实施例中，一种电动机包括由彼此层叠的若干金属层形成的转子或定子中的一者或多者。所述金属层包括磁性部分和较小磁性部分，所述金属层的所述磁性部分包括氧化物层，所述氧化物层设置在位于所述较小磁性部分与所述金属层的相邻金属层之间的所述磁性部分上。
视情况而定，所述氧化物层不设置在所述金属层的所述磁性部分上。
如本说明书中所使用，除非明确排除，否则以单数形式表示并前跟字词“一个”或“一种”的元件或步骤不排除多个所述元件或步骤。此外，所提及的本说明书中所述主题的“一个实施例”并不旨在解释成排除存在也包括所列举特征的其他实施例。此外，除非明确做出相反规定，否则“包括”或“具有”具备特定性质的元件或多个元件的实施例可以包括不具备此性质的额外所述元件。
以上说明是说明性而非限定性的。例如，上述实施例(和/或其方面)可以彼此结合使用。此外，在不脱离本说明书中所阐述主题的范围的情况下，可做出许多修改来使特定情况或材料适于本说明书中所阐述主题的教义。尽管本说明书中所述材料的尺寸和类型旨在限定本发明主题的参数，但是它们不以任何方式进行限制，而是示例性实施例。查阅上述描述后，许多其他实施例将对所属领域的技术人员而言显而易见。因此，本说明书中所述主题的范围应参照随附权利要求书以及这些权利要求所享有的等效物的完整范围来确定。在随附权利要求书中，术语“包括(including)”和“其中(in which)”用作相应术语“包括(comprising)”和“其中(wherein)”的简明英语等效物。此外，在随附权利要求书中，术语“第一”、“第二”和“第三”等仅用作标签，并不用于对相应对象做出数值要求。此外，随附权利要求书中的限制并非以装置加功能的格式撰写，并且并不旨在基于《美国法典》第35编第112(f)条来解释，除非且直到此类权利要求限制明确使用词语“装置用于”，后跟不含进一步结构的功能说明。
本说明书使用示例来公开本说明书中所阐述主题的若干实施例，包括最佳模式，同时也让所属领域中的普通技术人员能够实施所公开主题的实施例，包括制造并使用装置或系统，以及实施方法。本说明书中所述主题的专利保护范围由权利要求限定，并且可以包括所属领域中的普通技术人员得出的其他示例。如果其他示例的结构构件与权利要求书的字面意义相同，或如果所述示例包括的等效结构构件与权利要求书的字面意义无实质差别，则所述示例旨在属于权利要求书的范围内。

Claims (18)

1.一种使磁性金属体的不同部分中的饱和磁化强度不同的方法，包括：
在所述磁性金属体的一个或多个受保护部分上形成一个或多个氧化物阻挡层；以及
通过将具有形成于其上的所述一个或多个氧化物阻挡层的所述磁性金属体暴露于氮中，来将所述磁性金属体的一个或多个未受保护部分转变成较小磁性材料，
其中所述磁性金属体中位于所述一个或多个氧化物阻挡层下方的一个或多个受保护部分不转变成所述较小磁性材料；
其中形成所述一个或多个氧化物阻挡层包括对所述磁性金属体的所述一个或多个受保护部分进行电化学氧化。
2.根据权利要求1所述的使磁性金属体的不同部分中的饱和磁化强度不同的方法，其中将所述磁性金属体的所述一个或多个未受保护部分转变成所述较小磁性材料使得与所述一个或多个受保护部分和磁体之间的较大磁吸力相比，所述较小磁性材料对所述磁体的磁吸力较小。
3.根据权利要求2所述的使磁性金属体的不同部分中的饱和磁化强度不同的方法，其中对所述磁性金属体的所述一个或多个受保护部分进行电化学氧化包括将整个所述磁性金属体浸入氢氧化钾溶液中并且向所述磁性金属体施加电流。
4.根据权利要求1所述的使磁性金属体的不同部分中的饱和磁化强度不同的方法，进一步包括：
在形成所述一个或多个氧化物阻挡层之前，通过将一个或多个掩膜设置在所述一个或多个未受保护部分上来掩蔽所述磁性金属体的所述一个或多个未受保护部分。
5.根据权利要求4所述的使磁性金属体的不同部分中的饱和磁化强度不同的方法，进一步包括：
在将所述磁性金属体暴露于所述氮中之前去除所述磁性金属体的所述一个或多个掩膜。
6.根据权利要求1所述的使磁性金属体的不同部分中的饱和磁化强度不同的方法，其中在所述磁性金属体的所述一个或多个受保护部分上形成所述一个或多个氧化物阻挡层包括在所述磁性金属体的表面中的全部或大体全部上形成所述一个或多个氧化物阻挡层。
7.根据权利要求1所述的使磁性金属体的不同部分中的饱和磁化强度不同的方法，进一步包括：
将具有所述一个或多个未受保护部分的所述磁性金属体包括在机器中而不去除所述一个或多个氧化物阻挡层，其中所述一个或多个未受保护部分具有所述较小磁性材料。
8.根据权利要求7所述的使磁性金属体的不同部分中的饱和磁化强度不同的方法，其中所述磁性金属体是电动机的层叠板。
9.根据权利要求1所述的使磁性金属体的不同部分中的饱和磁化强度不同的方法，其中所述磁性金属体由铁素体钢形成。
10.一种使磁性的金属体的不同部分中的饱和磁化强度不同的方法，包括：
氧化所述金属体的一个或多个磁性部分，所述金属体是磁性体；
将所述金属体暴露于氮中，使得所述金属体的一个或多个被转变部分转变成较小磁性材料，以形成由所述一个或多个磁性部分以及包括所述较小磁性材料的所述一个或多个被转变部分这两者形成的转变后金属体；以及
将所述转变后的金属体包括到机器中而不去除被氧化的所述一个或多个磁性部分；
其中氧化所述金属体的所述一个或多个磁性部分包括对所述金属体的至少所述一个或多个磁性部分进行电化学氧化。
11.根据权利要求10所述的使磁性的金属体的不同部分中的饱和磁化强度不同的方法，其中氧化所述金属体的所述一个或多个磁性部分包括在所述金属体的所述一个或多个磁性部分上形成一个或多个氧化物阻挡层。
12.根据权利要求10所述的使磁性的金属体的不同部分中的饱和磁化强度不同的方法，其中氧化所述金属体的所述一个或多个磁性部分包括将整个所述金属体浸入氢氧化钾溶液中并且向所述金属体施加电流。
13.根据权利要求10所述的使磁性的金属体的不同部分中的饱和磁化强度不同的方法，进一步包括：
在氧化所述金属体的所述一个或多个磁性部分之前，通过将一个或多个掩膜设置在所述一个或多个被转变部分上来掩蔽所述金属体的所述一个或多个被转变部分。
14.根据权利要求13所述的使磁性的金属体的不同部分中的饱和磁化强度不同的方法，进一步包括：
在将所述金属体暴露于所述氮中之前去除所述金属体的所述一个或多个掩膜。
15.根据权利要求10所述的使磁性的金属体的不同部分中的饱和磁化强度不同的方法，进一步包括：
将具有所述一个或多个磁性部分的所述金属体包括在机器中而不去除所述金属体的被氧化部分，其中所述一个或多个磁性部分具有所述较小磁性材料。
16.根据权利要求15所述的使磁性的金属体的不同部分中的饱和磁化强度不同的方法，其中所述金属体是电动机的层叠板。
17.一种电动机，包括：
由彼此层叠的若干个金属层形成的转子或定子中的一者或多者，其中所述金属层包括磁性部分和较小磁性部分，所述金属层的所述磁性部分包括氧化物层，所述氧化物层设置在位于所述较小磁性部分与所述金属层的相邻金属层之间的所述磁性部分上，所述氧化物层通过对所述金属层的所述磁性部分进行电化学氧化而形成。
18.根据权利要求17所述的电动机，其中所述氧化物层不设置在所述金属层的所述磁性部分上。
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