CN100403627C - 音圈电机磁路 - Google Patents

Abstract

一种具有0.1到5mm的重规和在0到10赫兹的带材内磁场强度发生变化的铁合金带材，该带材由铁合金构成，铁合金基本包括，以重量百分比表示，0.0001-0.02%的C，0.0001-5%的Si，0.001-0.2%的Mn，0.0001-0.05%的P，0.0001-0.05%的S，0.0001-5%的Al，0.001-0.1%的0，0.0001-0.03%的N，0-10%的Co，0-10%的Cr，占总量0.01-5%的Ti、Zr、Nb、Mo、V、Ni、W、Ta和/或B，和余量铁，和具有饱和磁通量密度为1.7-2.3特斯拉，最大相对磁导率为1200-22000和矫顽磁力为20-380A/m，适用作音圈电机磁路的磁轭。该铁合全带材具有很高的耐蚀性，并且不需要抗蚀性涂层。

Description

音圈电机磁路

本发明涉及具有非常高的磁通量密度和耐蚀性，适合用作磁轭来构建磁记录设备中音圈电机的磁路的铁合金带材。本发明也涉及用于音圈电机磁路的磁轭。

发明背景

通常，硬盘部件包括具有磁记录膜的介质，用于在预定旋转速度下旋转介质的主轴电动机，用于读写信息数据的磁头，用于驱动磁头的音圈电机(VCM)，控制设备等。音圈电机具有磁路，该磁路由产生磁通量的永久磁铁和与之结合的磁轭构建成，并用作驱动磁头的激励器。在用于CD和DVD驱动器的磁路中，用于产生磁通量的永久磁铁和与之结合的磁轭被用来构建驱动检波器透镜的激励器。当前在制造商间的急剧竞争造成需要在音圈电机方面进一步降低成本。

在VCM中使用的部件首先是清洁的或无尘的。通常对表面进行耐蚀性处理之后使用磁轭和其它易于生锈的铁部件，因为铁锈会释放污染物颗粒，该颗粒会污染硬盘和检波器元件的磁头和透镜。除此之外，在清洁的制造工序条件下，制造部件本身会不可避免地增加部件的成本。尽管如此，需要严格的清洁管理以避免在磁头和介质之间的破碎和透镜的污染。

当磁路中的磁轭构成音圈电机时，通常使用便宜的SPCC、SPCD和SPCE轧辊钢带来满足减少成本的需要。这种通常使用的轧辊钢带的特点在于容易加工例如冲切和弯曲和低成本，但是不能防止生锈。为解决生锈的问题，通常在现有技术中实施的方法是，当钢带被压床等加工以后，为防止生锈进行昂贵的无电的Ni-P电镀。

为减少磁路成本，使用如上所述便宜的材料例如SPCC。因为通常的轧辊钢带不能抗腐蚀，必须通过镍电镀形成昂贵的耐蚀金属涂层。不可避免的结果是成本增加。

如上述讨论的，因为在进行冲切、成型、冲孔、弯曲和压纹中改进的生产率和低成本，最经常使用冷轧钢带例如SPCC。但是，由于缺少令人满意的饱和磁化强度和耐蚀性，当制成小尺寸和薄壁时，这些钢带很难避免在部分VCM磁路中磁性饱和，不能充分地将来自于高磁通量密度的永久磁铁的磁通量运送到磁路中。通过与整个设备有关的限制来限定磁轭的量规，这样不能有效的利用高性能磁铁的所有磁通量，导致部分饱和或磁路中间位置的磁通量泄漏。

磁通量泄漏不仅减少穿过磁路空隙的磁通量密度，而且对临近的磁记录介质和控制元件有影响。对于从VCM磁路中泄漏的磁通量有规定的界限，从产品中泄漏的磁通量必须低于规定的值

而且，为了避免颗粒污染物例如灰尘，必须形成表面处理膜，这样使得减少成本变得相当困难。

非常需要成型磁轭磁材料，该材料会消除磁通量的泄漏，充分利用永久磁铁固有的高磁通量密度和在低成本下制造。

发明概述

本发明的一个目的是提供一种用作VCM磁路的磁轭铁合金带材，该材料具有高磁通量密度和足够高的耐蚀性以至于可以忽略随后形成的耐蚀性金属涂层，和可以低成本制造。另一个目的是提供一种用于VCM磁路的磁轭。

本发明提供一种用作VCM磁路的磁轭的铁合金带材，该带材具有0.1到5mm的量规和在0到10赫兹的带材内磁场强度发生变化。该带材由铁合金构成，铁合金基本包括，以重量百分比表示，0.0001到0.02％的C，0.0001到5％的Si，0.001到0.2％的Mn，0.0001到0.05％的P，0.0001到0.05％的S，0.0001到5％的Al，0.001到0.1％的0，0.0001到0.03％的N，0到10％的Co，0到10％的Cr，占总量0.01到5％的至少一种合金元素选自Ti、Zr、Nb、Mo、V、Ni、W、Ta和B，和余量铁和偶然的杂质，和具有饱和磁通量密度为1.7到2.3特斯拉，最大相对磁导率为1200到22000和矫顽磁力为20到380A/m。也提供用于VCM磁路的上述定义的包括铁合金带材的磁轭。因为铁合金带材具有良好的耐蚀性，本发明的带材排除了随后在其表面形成耐蚀性金属涂层，例如金属涂层如Ni、Cu、Sn、Au、Pt、Zn、Fe、Co或Al或含有至少20％重量这种金属的合金。

当保持令人满意的特性时，使用上述铁合金带材，可以制造具有改进耐蚀性的音圈电机。特别是，因为昂贵而较少经常使用的钴，对于改进饱和磁化强度很有效。增加带材的饱和磁化强度可以有效地传送由高性能永久磁铁产生的磁通量到磁路中。而且，铬的加入给予高的耐蚀性以至于消除处理表面膜的需要，导致降低制造成本。进一步优选碳化物和/或至少一种选自Ti、Zr、Nb、Mo、V、Ni、W、Ta和B的合金元素的氧化物作为添加元素在合金的晶界和/或颗粒内以精细分散的形式沉积。

优选实施例详述

在整个说明书中，使用的与合金组成有关的所有百分比都以重量百分比表示。

如概述部分所述，用作VCM磁路磁轭的铁合金带材是由含有特定量的C、Si、Mn、P、S、Al、O和N的铁合金制成的，优选特定量的Co和Cr，和特定量的选自Ti、Zr、Nb、Mo、V、Ni、W、Ta和B的一种或多种元素。

对各种材料进行研究和探讨能够改进其耐蚀性的元素，由此在该目的下达到上述目标，发明者发现钢材料例如SPCC，当在空气中加热时，产生加速氧化作用的鳞。原因如下所述。FeO和Fe₃O₄是金属贫瘠的n-形半导体并在Fe⁺⁺的迁移推动力下生长，而Fe₂O₃是富有金属的p-形半导体并在O的迁移推动力下生长。然后氧穿透氧化层以至于氧化层下面的铁的氧化作用继续进行。为了中断氧化作用，氧化层必须是密集的、不开裂、和足够粘着可以防止氧在内部迁移。因为Al、Cr和Si比Fe和具有金属的合金更容易发生氧化，形成稳定的氧化物，它们在Fe之前选择性的被氧化分别地形成Al₂O₃、Cr₂O₃和SiO₂的致密薄膜，防止氧化反应进一步进行。更具体来说，Al和Cr形成复合氧化物FeO·Al₂O₃和FeO·Cr₂O₃，和Si形成复合氧化物2FeO·SiO₂。所以如果具有小容积，形成的氧化层缺乏抗氧化性并且不能完全覆盖下层表面，相反地，如果具有大容积，会扩展或开裂，也失去抗氧化性。当具有适当体积的致密氧化层完全覆盖表面时，会得到最好的结果。

发明者也研究了在SPCC和相似钢材料的组成元素中具有减少磁通量密度功能的元素。因为C、Al、Si、P、S和Mn相对于铁或来自于铁基质中的不同磁矩来说没有磁矩，但是产生一种现象，这些元素的存在减少了附近铁的磁矩。具体来说，P和S不仅减少磁通量密度，而且对耐蚀性有消极影响。但是，减少这种元素的含量达到极低的水平会损失初始原料的制造成本。只要将包括的这些元素限定在微量的范围内，就能得到令人满意的性能。

从这些观点出发，依据本发明用作VCM磁路中的磁轭的铁合金带材含有，以重量百分比表示，0.0001到0.02％的C，0.0001到5％的Si，0.001到0.2％的Mn，0.0001到0.05％的P，0.0001到0.05％的S，0.0001到5％的Al，和余量的铁，优选0.0005到0.015％，特别是0.001到0.01％的C，0.0005到5％，特别是0.001到5％的Si，0.001到0.2％，特别是0.01到0.2％的Mn，0.0001到0.05％，特别是0.001到0.05％的P，0.0001到0.05％，特别是0.001到0.05％的S，0.0005到5％，特别是0.001到5％的Al。

O和N同样也会影响磁性能，和优选含有0.001到0.1％O和0.0001到0.03％N的铁合金。在这些范围内的氧和氮的含量不能有效的降低饱和磁通量密度。优选，含有0.005到0.09％，特别是0.005到0.08％的O和0.0005到0.03％，特别是0.0005到0.02％的N。

Co和Cr的含量每种是0到10％。特别是，已经知道随铬含量的增加Fe-Cr合金会经历自发的磁矩的线性下降。添加大量的铬会导致磁通量的下降。当退火时，基本上10到80％的合金组分会改变它们的物理性能。当在475℃下退火时，例如这些合金在机械方面***和变脆，由此机械性和塑料加工(例如冲切)性能基本降低，伴随脆性耐蚀性降低。当在约700℃下长时间加热合金时，在晶界处σ相沉淀，导致失去晶粒间的耐蚀性和机械强度。所以，Cr的浓度限定在10％和更少。Cr的含量可以少，因为使用VCM磁路的磁轭的铁合金带材和依据本发明VCM磁路的磁轭的环境不同于需要使用不锈钢的盐损害环境和化学环境。从耐蚀性的立场出发，更优选0.02到10％的Cr，和特别是4到10％的Cr。

另一方面，具有壳外电子多于铁原子的钴可以用来增加磁通量密度并且对本发明很重要。添加钴的量最大为10％，在这个范围内的钴会增加合金的饱和磁通量密度。如果钴的含量超过10％，会增加合金强度或者使合金变得太硬而不能进行轧辊加工，因为钴是昂贵的金属，会带来经济上的缺点。钴含量为0.1到10％，特别优选4到10％。通过添加上述含量的钴可以补偿因添加元素而导致的磁通量密度的减少，与现有技术SPCC和相似材料的磁通量密度相比，具有改进。

作为添加元素，至少一种元素选自：Ti、Zr、Nb、Mo、V、Ni、W、Ta和B。在材料中当这种添加元素形成具有铁素体相的固态溶液时，该添加元素会引起磁通量密度的下降，但是，会产生偶然夹带有C、O和N的金属间化合物并形成碳化物、氧化物和氮化物。结果，这些化合物细致、均一地沉淀在合金结构中，排除在塑性加工阶段的错位迁移。这样减少合金的过多延展和在冲切带材阶段在剪切部分抑制毛刺。甚至当从退火温度淬火时，含有能够束缚C、O和N的元素的合金不会被敏化，具有良好的晶粒间的耐蚀性和防止晶粒长大。

在添加元素中，Mo、V和Ni对于改进铁合金带的耐蚀性与在不锈钢中发现的一样有效。低碳合金基本是脆的，当在440到540℃温度下回火时，进行第二次硬化，这种回火脆化是由于与Cr碳化。添加Mo、V和Ni发生碳的收集，通过收集碳改进抗回火软化性。W、Ta和B对于改进带的轧辊性能是有效的，有助于减少加工费用。但是，因为这些元素都会减少饱和磁化强度，优选添加的上述元素不超过总量的5％。所以，这些添加元素的量为总量的0.01到5％。

余量是铁。优选含有Fe的量占总量的至少50％，特别是至少75％的铁合金。

除此之外，本发明的铁合金带材应当具有饱和磁通量密度为1.7到2.3特斯拉。虽然具有高饱和磁通量密度，如果最大相对磁导率低或者矫顽磁力高，磁路会增加抗磁性，导致空隙的磁通量密度减少。所以，最大相对磁导率应当具有的范围是1200到22000和矫顽磁力的范围是20到380A/m。更优选饱和磁通量密度为1.8到2.3特斯拉，特别是2.0到2.3特斯拉，最大相对磁导率为1500到22000，特别是2000到22000，和矫顽磁力为20到350A/m，特别是20到300A/m。

当增加磁轭材料的硬度时，需要加工的力例如冲切或弯曲会增加，有时超出压床的能力。而且，也在压模上增加负荷，导致压模寿命变短。所以优选磁轭材料具有不超过HRB90的洛式(Rockwell)硬度，特别是不超过85。

通过选择适合的原料和钢进行加工可以调整合金成分达到所需范围。从产率和质量的立场出发，优选连续铸造过程。为了小批量制造，真空熔化等过程是适合的。铸造以后，为生产具有所需量规的钢带，进行热轧或冷轧。通过塑性加工例如冲切、成型、冲孔、弯曲或借助于机械压力机、液压机、精密落料冲床等压纹将上述得到的铁合金带材插进所需磁轭型材中。然后，进行去毛刺、倒棱、机械抛光、化学抛光、电子抛光等，生产出量规为0.1到5mm的磁轭构件，优选0.5到4.5mm和磁场强度在0到10Hz的带材内发生变化，优选0到5Hz，其适用于在VCM中使用。

如果磁轭带的量规少于0.1mm，由于太薄导致磁路性能不能得到重要改进，甚至当带材的饱和磁化强度在一定程度上改进时。相反。如果磁轭量规大于5mm，由于太厚导致磁路饱和问题不能发生，甚至不能采用本发明的方法。如果在磁轭带内磁场强度变化超过10Hz，与加热磁轭带的频率的平方成比例的涡电流流动，以至于增加氧化反应，不能完成令人满意的耐蚀性。

为了除去磁轭元件上的毛刺，可以使用的方法包括***性燃烧、滚磨抛光等。为了修整，使用的方法包括机械抛光(例如磨光)、化学抛光或电子抛光。因为，在机械接地表面存在由非晶体的特细颗粒组成的部件Beilby层，破碎的晶体是由于金属晶体的细分布造成的，少于几微米的含有通过加工变形而形成塑性变形区域的损坏层，仅通过抛光形成的类似镜面的修整会离开下面的损坏层，不能达到所需要的性能。然后，进行额外的化学抛光，优选需要电子抛光。电子抛光对于择优地溶解掉表面的突起有作用并且造成全面的融解，进而完全地消除损坏层。结果成为光滑的表面。电子抛光是减少产生破坏记录数据颗粒的最好处理方法。对于电子抛光，通过混合高氯酸、硫酸、盐酸、硝酸、醋酸、磷酸、酒石酸、柠檬酸、氢氧化钠、乙酸钠、苏打硫氰酸盐(soda rhodanide)、尿素、硝酸钴或硝酸铁和醇例如乙醇和丙醇、丁基溶纤剂、丙三醇和纯水，制备电解溶液。

因为通过上述方法制造的VCM磁路磁轭具有改进的耐蚀性，不需要在磁轭表面形成抗蚀涂层。不需要在磁轭表面通过适合的技术例如电镀、无电电镀或离子电镀形成金属和合金的抗蚀层，因为额外的涂层步骤会增加磁轭的成本。也就是说，依据本发明的铁合金带材在抑制产品的制造成本方面是成功的，因为在铁合金带材表面没有例如Ni、Cu、Sn、Au、Pt、Zn、Fe、Co或Al的金属涂层，或含有至少20％重量的这种金属的合金涂层。

实施例

下面给出的本发明实施例是为了解释说明，而不限制本发明。

实施例1-14

熔化和连续铸造具有如表1中实施例1-14所示组分的钢合金物质，生产出宽200mm、长500mm和厚50mm的合金钢锭。

在大气气氛下，在1200℃温度下，加热合金钢锭。在该温度下开始热轧，在950℃或更低温度下重复60％的堆积辊轧，在850℃下结束。在热轧结束时，将带材空气冷却到室温。然后进行冷轧，在900℃下完成退火，和酸洗、生产出量规为1mm的钢带。

通过冲压机将钢带冲切成磁轭形状，得到上部磁轭和下部磁轭两个磁轭元件。将得到的磁轭元件进行滚磨倒棱和电子抛光。具有400KJ/m³的最大能量产品的永久磁铁放置在上部和下部磁轭内并且在磁轭中心确保安全，构成磁路。

分别的，从上述制备好的磁轭带上切割大约4mm平方的片并且通过震动样品磁强计产生最大磁场为1.9MA/m测量饱和磁通量密度。

从带材中冲切下磁轭，制备具有外直径为45mm和内直径为33mm的环样品。依据JIS C 2531(1999)的方法，在两个圆环中间***空白纸将两个圆环堆在一起。绝缘带围绕圆环包起来，和具有直径为0.26mm的铜线围绕圆环缠绕，各自地，每50圈构成一个激磁线圈和一个磁化强度探测线圈。使用具有最大磁场为±1.6kA/m的DC磁化强度性能自动记录仪器，绘制磁滞曲线，从中可以确定最大相对磁导率和矫顽磁力。

为了检验上述制造的VCM磁路的性能，使用在现有的磁记录设备中使用的平面线圈和磁通量计(Lakeshore的480磁通量计)测量穿过磁路空隙的所有磁通量。依据JIS Z 2245测量硬度。

为评价耐蚀性，将带材样品放置在环境温度为80℃和相对湿度为90％的条件下200小时。评定◎为不生锈，○为褪色和×为生锈。

对照实施例1-6

为对照的目的，如实施例1测定，在市场中可以得到的量规为1mm的普通SPCC-SD产品(对照实施例1)，和如实施例1所示从具有如表1中对照实施例2-6所示组分的钢合金物质制造的量规为1mm的钢带的磁性能。

结果如表1所示。在表1中，标题“相对于SPCC”指相对于对照实施例1的磁通量的磁通百分数的增加或减少。

表1

实施例15-30

通过电炉、转炉脱气连续铸造步骤，熔化和铸造具有如表2中实施例15-30所示组分的钢物质，生产出厚200mm的板坯。通过RH脱气和真空氧脱碳(VOD)步骤精炼熔化铁。

在1100-1200℃下加热和均热200mm厚的板坯和在终止温度为850-950℃下通过热轧机辊轧成大约10mm厚度。然后在850-900℃通过退火重结晶、酸洗和冷轧成大约4mm厚度。然后进一步通过在大约850℃完成退火和酸洗，生产出测试钢带。

通过冲压机将钢带冲切成磁轭形状，得到上部和下部两个磁轭元件。将得到的磁轭元件通过***性燃烧和化学抛光进行去毛刺。具有400KJ/m³最大能量产品的永久磁铁放置在上部和下部磁轭内并且在磁轭中心确保安全地构成磁路。

如实施例1所示测量磁轭带的磁性能。

结果如表2所示。在表2中，标题“相对于SPCC”指相对于对照实施例1的磁通量的磁通百分数的增加或减少。

表2

从表1和2可以看出，具有的组成成分落入本发明保护范围内的钢带，与对照实施例比较，相对于SPCC的穿过磁通量空隙的整个磁通量，显示相对增加的磁导率和减少的矫顽磁力。没有发现明显的生锈，表明避免了颗粒污染。

本发明改进了0.5-5mm量规的用作磁记录设备中构建VCM磁路元件的磁轭元件的磁性能和耐蚀性，允许由磁铁产生的磁通量有效地传送到磁路中，用于保持穿过空隙的磁通量密度。因为基质材料在耐蚀性方面得到改进，可以在低成本下简单地通过化学抛光或电子抛光构建磁路，这样完成随后的去毛刺和倒棱和不需要耐蚀性涂层。

在本文中结合日本专利申请No.2001-239334作为参考。

尽管已经叙述了一些优选的具体实施例，但是在上述教导下可以进行许多修整和改变。所以，可以理解除了已经详细论述的内容之外，不偏离所附权利要求保护范围的本发明的实施都是可以的。

Claims (4)

1.一种音圈电机磁路，包括由铁合金带材制成的磁轭，该带材具有0.1到5mm的量规和在0到10赫兹的带材内磁场强度变化，该带材由铁合金构成，铁合金基本成分为，以重量百分比表示，0.0001到0.02％的C，0.0001到5％的Si，0.001到0.2％的Mn，0.0001到0.05％的P，0.0001到0.05％的S，0.0001到5％的Al，0.001到0.1％的O，0.0001到0.03％的N，4到10％的Co，4到10％的Cr，占总量0.01到5％的至少一种合金元素，其选自Ti、Zr、Nb、Mo、V、Ni、W、Ta和B，和余量铁和偶然的杂质，和具有饱和磁通量密度为1.7到2.3特斯拉，最大相对磁导率为1200到22000和矫顽磁力为20到380A/m，该磁轭在其表面上没有耐蚀金属涂层。

2.按照权利要求1的磁路，其中Cr含量为6-10％。

3.按照权处要求1或2的磁路，其中磁轭具有电抛光表面处理层。

4.按照权利要求1的磁路，其中磁轭的铁磁合金带材具有0.5-4.5mm量规。