CN1700367A - 一种用于导磁构件的软磁复合材料及导磁构件生产工艺（二） - Google Patents

Abstract

一种用于电机导磁构件的软磁复合材料，其特征在于：由含铁原料、导磁介质及添加剂混合而成，其中含铁元素含量为82－99.％，导磁元素为0.5－13％，添加剂为0.5－5％；所述含铁原料在软磁复合材料中重量配比X及导磁介质在软磁复合材料中重量配比Y为：82≤xa₁+ya₂≤99；0.5≤xb₁+yb₂≤13。所述含铁原料为铁基材料，导磁介质为可增加导磁构件磁性能之粉状合金，添加剂为绝缘剂或粘结剂或润滑剂或改性剂，可单独使用或组合使用。其导磁构件工艺为：混合、成形、固化、防锈或精整处理。本发明材料所制成的导磁构件，含铁原料材料来源广，含铁量高，生产成本低廉，涡流损耗小，饱和磁感应强度低，导磁率及电阻率很高，具有较高的磁性能、力学性能及成形精度。

Description

一种用于导磁构件的软磁复合材料及导磁构件生产工艺(二)

技术领域：

本发明涉及一种软磁复合材料，具体涉及一种电机电器中构成导磁构件之软磁复合材料以及由其制造导磁构件的生产工艺。

背景技术：

随着社会的发展，具有导磁构件的电机、电器，已经在日常生活中广泛应用。目前，这些电器中的导磁构件材料多为硅钢片，大量用于中低频变压器和电机铁芯，尤其是工频变压器。硅钢的特点是具有常用软磁材料中最高的饱和磁感应强度(2.0T以上)，因此作为变压器铁芯使用时可以在很高的工作点工作(如工作磁感值1.5T)。但是，硅钢在常用的软磁材料中铁损也是最大的，为了防止铁芯因损耗太大而发热，它的使用频率不高，一般只能工作在20KHz以下。硅钢一般采用薄片状结构，其生产工艺步骤为：

1)将硅钢片冲片；

2)将硅钢片组装成所需的磁齿状；

3)对硅钢片进行绝缘层护理，将铜线绕在磁齿上，当铜线通电时导磁构件即会产生磁场。

但上述方法有着比较明显的弱点，即生产的直接成本高，原因是：

1)、由于各种构件的形状不规则，材料的使用率比较低，所生产的废料较多；

2)、硅钢片价格昂贵；

3)、废料不易回收。

中国专利局已公开了一种《用软磁复合材料制造的电机电器》之发明专利申请(申请号：03128171.0，公开号CN 1461089A)，在该公开说明书所披露的技术信息中，导磁构件由纯铁粉、绝缘剂和润滑剂构成，其主要原料仅为纯铁粉，原料选择范围窄，且价格非常昂贵，市场价目前已高达7000元/吨以上，成本较高，由此原料制造的电机、电器相应的生产成本随之也非常高。同时，纯铁粉在软磁材料所含比重为80％-90％，由于铁的含量在软磁材料中具有很重要的作用，当铁原料含量低于90％时，其磁饱和率远远不能满足导磁构件的性能要求，直接影响导磁构件的磁性能，磁导率也较低，难以适应目前不断提高的产品品质需求和市场需求。另外，其导磁构件产品成形时，混合物“需要在1100-1300℃的加热炉中烧结2-3个小时”才能达到其设计要求，因此，加工时必须由一设备要求较高之高温加热炉才能实现，而加热到这样的高温需要的能源成本会很大。同时，由于导磁构件中绝缘剂、润滑剂含量比重大，一般成形时尺寸收缩相当厉害，且在这种高温工艺环境条件下，绝缘剂、润滑剂所产生物理变化和化学变化更大，其结果会带来导磁构件的磁性能和力学性能上较大的变化以及成形时结构尺寸的变形，影响加工质量。由于含量大，上述物质在烧结过程中加热到高温时并不能完全被气化，仍会有部分残留于导磁构件中，影响产品的性能。另外，上述物质经化学变化后，还会残留有其他不能被气化或溶解之化合物在烧结炉中，经常需要进行清理，既麻烦，又耗费工时。

发明内容：

本发明所要解决的技术问题是，克服上述现有技术中所存在的诸多缺陷，提供一种既能保证导磁构件较高的磁性能、力学性能及成形精度，又能达到降低生产成本目的之软磁复合材料及由其制造导磁构件的生产工艺。

本发明为解决上述技术问题所提出技术方案是：

一种用于导磁构件的软磁复合材料，其特征在于：由含铁原料、导磁介质及添加剂混合而成，由此得到的导磁构件中铁元素含量为：82％-99％，导磁元素的含量为：0.5％-13％，添加剂含量为：0.5％-5％；

所述含铁原料在软磁复合材料中重量配比X及导磁介质在软磁复合材料中重量配比Y为：

82≤xa₁+ya₂≤99；

0.5≤xb₁+yb₂≤13

其中：a₁为含铁原料中的铁元素含量百分比；a₂为含铁原料中导磁元素含量百分比；

b₁为导磁介质中铁元素含量百分比；b₂为导磁介质中导磁元素含量百分比；

所述含铁原料包括还原铁粉、雾化铁粉、羟基铁粉和铁合金粉，其颗粒分布为20-500目；

所述导磁介质为含有硅、铝、镍、磷、钴、铜、钼或其他可增加导磁构件磁性能之粉状合金材料，其颗粒分布为20-500目；

所述添加剂为绝缘剂，或粘结剂，或润滑剂，或改性剂，上述添加剂单独使用，或上述任意两种的组合，或上述任意三种的组合，或上述四种的全部组合，其总配比为0.5％-5％。

所述绝缘剂为纳米碳酸钙粉末，或陶瓷粉，或磁性氧化物粉末，或其他粉状绝缘材料；

所述润滑剂为微粉蜡；

所述粘结剂为有机粘结剂；

所述改性剂为可增加强度、抗氧化、防伸缩之化合物。

一种由软磁复合材料制造导磁构件的生产工艺，其特征在于包括下述步骤：

一、混合：将含铁原料、导磁介质和添加剂按重量比采用干性方式或添加适量溶剂湿性均匀混合；

二、成形：将上述混合物制成所需形状；

三、固化：将成形后的导磁构件脱模，然后采用低温、常温或烧结方式固化；

四、防锈或精整处理；

所述成形工艺采用单轴向刚性模具压制成形、金属注射成形、粉末锻造成形、温压成形、热等静压成形或冷等静压成形；

所述烧结固化工艺为：将脱模后的导磁构件置于加热炉内进行加温，其温度为800℃-1100℃，时间为20-60分钟。

本发明之材料主要成分含铁原料来源广，相对于纯铁粉可选择范围大，成本比纯铁粉低很多，可适应不同要求导磁构件的需要，其中还原铁粉的价格仅为纯铁粉价格之五分之二，使直接生产成本大大降低。含铁元素在其构件中所占重量最高可达99％，有效地保证了导磁构件具有足够的磁饱和率，提高了构件的磁性能和力学性能。本发明材料中所含有的导磁介元素，可进一步提高并保证导磁构件的导磁率，最低限度地降低了导磁构件涡流，确保了导磁构件工作的可靠性，增加了软磁材料品质。

本发明所含之添加剂可根据需要选择，选择面广，适应范围大，所添加的绝缘剂可使软磁复合材料粉末颗粒之间被绝缘剂隔离开来，避免因直流信号的偏磁导致构件被磁化到饱和，降低其导磁性能；润滑剂可保证混合物的堆密度、流动性、均匀堆积密度、填充密度，提高压制后之脱模力；粘结剂可加强粉末颗粒之间的连接；改性剂可根据导磁构件需要增加强度，提高抗氧化能力，降低构件固化后收缩率，进一步保证加工精度。

本发明粉末颗粒呈分级分布，可保证混合物压制后的致密度和均匀性，增加构件的表面光洁度，进一步提高了导磁构件的加工质量。

本发明产品成形过程中可根据需要选择，即使采用高温烧结，其最高温度亦为1100℃，且烧结时间短，与现有技术比，节约了能源，降低了生产成本，既解决了压制过程中的均匀性等方面的工艺问题，避免了长时间的高温固化带来的工艺缺陷而导致构件的性能上的改变，又可以使导磁构件达到所需的磁性能，可使其具有非常高的机械强度，力学性能提高。因此，本发明可以满足各种电机电器对导磁构件的不同要求。

本发明所提供的产品和工艺制造的导磁构件在较大压力下即可溃散变成碎块，用磁力分离器很容易将软磁复合材料和铜线分离，废料容易回收，不会造成任何的社会公害，可以做到真正的环保。

经过试验，本发明制造的导磁构件的导磁性能、磁饱和率、绝缘效果、强度等方面与硅钢片生产的电机指标接近，完全符合不同电机对磁导磁构件的要求，但本发明成本仅为原硅钢片生产的电机成本的50％，市场前景十分广阔。

具体实施方式：

在磁性材料领域里，磁芯材料要求具有高的饱和磁通密度、低的矫顽力、高的导磁率和零磁致伸缩。因此，构成磁性原料的成分、各成分之间的相应配比，制造适合用途的制品、提高导磁构件的磁性能和其力学性能，开发新的磁性材料进行基础性研究、寻找新的应用领域并促使其发展、为目前该领域研究人员的重要课题。

本发明提供了一种用于制造导磁构件的软磁复合材料，其特征在于：该复合材料由含铁原料、导磁介质及添加剂混合而成，由此得到的导磁构件中铁元素含量为：82％-99％，导磁元素的含量为：0.5％-13％，添加剂含量为：0.5％-5％。上述含量的选用是根据目前市场对导磁构件的性能要求、原料成本、加工工艺成本及加工精度等诸多因素综合考虑及反复试验的结果。

本发明含铁原料在软磁复合材料中所含重量配比X及导磁介质在软磁复合材料中重量配比Y可由下述表达式获得：

85≤xa₁+ya₂≤99

0.5≤xb₁+yb₂≤13

其中：a₁为含铁原料中的铁元素含量百分比，a₂为含铁原料中导磁元素含量百分比；

b₁为导磁介质中铁元素含量百分比，b₂为导磁介质中导磁元素含量百分比。

上述含铁原料中的铁元素含量百分比、导磁元素含量百分比及导磁介质中铁元素含量百分比、导磁元素含量百分比在选择某一类型材料时已有明确的固定值。一般地，当含铁原料中含有具有导磁元素含量小于0.1％、导磁介质中铁元素含量小于90％时，含铁原料所占总重量配比约为82％-99％，导磁介质所占总重量配比约为0.5％-13％，添加剂为0.5％-5％，导磁介质、添加剂所含比例太高会导致铁元素含量的降低，影响导磁构件的力学性能，还会带来成本的增加。

含铁原料作为软磁材料之基料，是构成导磁构件之最主要的原料，可采用具有广泛发展前景的粉末冶金材料，其来源广，加工成构件所采用的工艺及设备简单，成本低，性能优良，具有高纯度、低杂质、一致性好、压缩性和成型性好等特点，本发明含铁原料在其总重量中配比高，含铁量为82％-99％，通过与相应比例的导磁介质有机结合，并按需要加入适量的添加剂，可全面改善导磁构件性能，达到导磁构件所需要的磁饱和率、导磁率和机械强度。

所述含铁原料可包括还原铁粉、雾化铁粉、羟基铁粉或铁合金粉，其中还原铁粉可采用一次还原铁粉和二次还原铁粉。

还原铁粉、雾化铁粉、羟基铁粉为高纯度、高品位的铁基料，价格低廉，含铁量高，饱和磁感应强度很低(0.5T以下)，导磁率较高，而且电阻率很高，因此非常有利于降低涡流损耗。

铁合金粉中含有硅、铝、磷、镍、铜、钼等元素，既可增加材料的强度和硬度，提高其力学性能，又可增加导磁构件的导磁率，尤其是含有硅、铝、铜元素的铁合金，价格便宜，在导磁构件中可广泛使用。

由于铁基料矫顽力小、容易磁化和退磁，但具有很高的导磁率，可以起到很好的聚集磁力线的作用，因此，本发明在其含铁原料中适当辅以导磁性能较强、具有较高的导磁率和较低铁耗系数之导磁介质，可进一步改善软磁材料之导磁率和电阻率，降低铁损，提高磁性能，增加软磁材料品质。

所述导磁介质可为含有硅、铝、镍、磷、钴、铜、钼或其他可增加导磁构件磁性能之粉状合金材料，其中优选为含有硅、铝、磷、铜类粉末材料，价格低廉，可降低生产成本。

所述粉状含铁材料和导磁介质颗粒呈20-500目分布，可按适当的比例在上述范围内分级混合，可充分填充粉末颗粒之间的间隙，以保证构件具有较好均匀性和较高的致密度。

本发明在含铁原料、导磁介质中还加有添加剂，其总配比为0.5％-5％，添加剂可为绝缘剂，或粘结剂，或润滑剂，或改性剂，上述添加剂可根据需要单独使用，或为上述任意两种的组合，或为上述任意三种的组合，或上述四种的全部组合，其中：1)绝缘剂与润滑剂组合使用之配比分别为0.3％-3％和0.2％-2％；2)绝缘剂与粘结剂组合使用之配比分别为0.3％-3％和0.2％-2％；3)绝缘剂与改性剂剂组合使用之配比分别为0.3％-3％和0.2％-2％；4)润滑剂与粘结剂组合使用之配比分别为0.3％-3％和0.2％-2％；5)润滑剂与改性剂组合使用之配比分别为0.3％-3％和0.2％-2％；6)改性剂与粘结剂组合使用之配比分别为0.2％-2％和0.3％-3％；7)绝缘剂、润滑剂与粘结剂组合使用之配比分别为0.25％-2％、0.15％-1.5％和0.1％-1.5％；8)绝缘剂、改性剂与粘结剂组合使用之配比分别为0.25％-2％、0.15％-1.5％和0.1％-1.5％；9)绝缘剂、润滑剂与改性剂组合使用之配比分别为0.2％-2％、0.15％-2％和0.15％-1％；10)润滑剂、改性剂与粘结剂组合使用之配比分别为0.2％-2％、0.15％-1.5％和0.15％-1.5％；11)绝缘剂、润滑剂、改性剂与粘结剂组合使用之配比分别为0.15％-1.5％、0.15％-1.5％、0.1％-1％和0.1％-1％。

绝缘剂可使软磁复合材料粉末颗粒之间被绝缘剂隔离开来，避免因直流信号的偏磁导致构件被磁化到饱和，降低其导磁性能。绝缘剂可采用纳米碳酸钙或陶瓷粉或磁性氧化物粉末。

所述纳米碳酸钙是一种新型超细固体材料。粒径在1-100纳米(nm)之间，由于纳米级碳酸钙粒子的超细化，其晶体结构和表面电子结构发生变化，产生了普通碳酸钙所不具有的量子尺寸效应、小尺寸效应、表面效应和宏观量子效应，具有粒径细且均匀，分布窄，比表面积大，表面活性及分散性好，表面能高，在磁性、催化性、光热阻和熔点等方面与常规材料相比显示出优越的性能，是一种较好的绝缘剂。

所述陶瓷粉是一种高强、高模量、高性能材料，耐高温、耐酸碱、阻燃和具有高韧性，亦为一种较好且可耐高压的绝缘材料。

所述磁性氧化物粉末具有优良的附着力、硬度、耐化学腐蚀性及物理机械性能，并具有良好的绝缘性。

导磁构件中采用润滑剂可减少挤压力，使粉状材料流动性好，压制时构件壁厚均匀，卸料力小，可提高压制构件的表面光洁度。但润滑剂的选用及添加量对于软磁复合材料粉末之混合的堆密度、混合物的流动性、均匀堆积密度、填充密度、压制后之脱模力有很大的影响，本发明润滑剂采用微粉蜡。微粉蜡是一种硬而脆的长链脂肪酸二酰胺，为高熔点的有机硬质合成蜡，不溶于水，微溶于低沸点的有机溶剂内，溶解于高温、高沸点的溶剂中，具有良好的润滑性能以及烧结脱蜡阶段中具有良好的热解重量行为。微粉蜡在烧结中加热到600℃几乎完全气化而不留残渣在烧结炉中，较好地保证了导磁构件原有的品质。

本发明粘接剂可采用有机粘结剂。粘接剂的采用既可加强粉末颗粒之间的连接，又可使粉末颗粒之间相互隔离，避免导磁构件被磁化饱和，降低其导磁性能。

由于导磁构件中含有较多的铁元素，采用改性剂可增加导磁构件强度，增加构件的抗氧化性能和抗压缩性能，可选用钨铁粉。

上述配比所制成的软磁材料，可以获得非常高的磁通密度、导磁率和电阻率，其力学性能较好，能够满足某些对导磁性能要求较高的构件要求。

本发明由上述配比构成的软磁复合材料可制造电机、电器上所采用的导磁构件，所述导磁构件的生产工艺步骤为：

一、将含铁原料、导磁介质和添加剂按重量比搅拌均匀，或在上述原料中加适量溶剂搅拌均匀；

二、将搅拌均匀的混合粉装于成形模具中，在一定的压力下成形，然后将压坯从模具中脱出。可采用单轴向刚性模具压制成形、金属注射成形、粉末锻造成形、温压成形、热等静压成形或冷等静压成形方式。

本发明优选温压成形方式，与普通的模压相比较，粉末及模具仅加热到80℃～150℃左右，故可在普通粉末压机上添加加热***就可实现，所需投入不大。而且采用温压工艺生产的生坯强度高，不会带来由高温产生的缺陷，又可直接进行附加的机加工，而且压制压力和脱模压力均较低，故模具寿命高，可大大降低生产成本。同时，采用温压工艺可提高零部件生坯密度，能使铁粉部件的生坯密度达到7.25～7.45g/cm³，与传统工艺相比提高了0.15～0.3g/cm³，产品具有高强度。与传统模压工艺相比，零件的疲劳强度提高10-40％，极限抗拉强度提高10％，烧结态极限抗拉强度≥1200MPa，压坯的脱模压力低(降低30％以上)，压坯强度高(提高125～200％)，而弹性后效小(0.1～0.16％)，烧结收缩率少(0.025～0.08％)，压制后粉末密度均匀：一般压坯各部分密度差能减少0.1～0.2g/cm³。因此，温压工艺所制成的产品性能远优于现有技术。

三、将成形后的导磁构件脱模，然后采用低温、常温或烧结方式固化，使产品形状固定。

传统高温烧结温度一般在1100℃以上，时间至少为2小时以上，本发明经过试验，采用的烧结固化工艺为：将脱模后的导磁构件置于加热炉内进行加温，其温度为800℃-1100℃，时间为20-60分钟，即可达到所需性能要求，节约了能源，亦降低了构件制造成本。

实际应用中，导磁构件还可由多片叠合而成，可避免产生涡流损失。现有技术中导磁构件的多片组合是通过铆接方式实现的，加工时必须在构件上打上定位孔，然后再相互铆接。这种方法会导致片与片之间的连接不紧密，降低加工质量，同时会降低构件的力学性能。本发明在单片导磁构件压制成形后，可将多块叠合一起烧结，利用各片接合界面之间的结晶，可达到与焊接相同的效果，加强了片与片之间的粘接强度，保证其叠合严密，不会降低构件机械强度，同时还可增加结合体外表面的美感。

四、防锈处理或精整处理：由于导磁构件中含有大量铁元素，成形后构件表面容易产生锈蚀，因此，必须作防锈处理，以去除构件表面锈蚀，保证构件加工质量。采用精整处理可提高构件表面光洁度。

本发明具体应用之实施例一：将95％的一次还原铁粉、3％之磷合金粉末、1％的纳米碳酸钙粉末、1％的微粉蜡混匀，然后将上述混合物在加热装置上加热至80℃左右，放入设定的模具中，压制成所需要的磁齿形，再将粉末及模具放入加热装置上加热到150℃左右进行刚性模压制，可按尺寸要求压制成5mm-20mm厚的磁齿形，脱模后，将压坯从模具中脱出，再将压坯置于高温烧结炉中，加温到800℃～1100℃，30分钟后取出，作防锈处理和精整处理后进行成品包装。

本发明具体应用之实施例二：将90.5％的二次还原铁粉、5.5％之铜合金粉末、1.5％的陶瓷粉末、1％的微粉蜡、1％的有机粘结剂、0.5％的钨铁粉混匀，然后将上述混合物在加热装置上加热至80℃左右，放入设定的模具中，压制成所需要的磁齿形，再将粉末及模具放入加热装置上加热到150℃左右进行刚性模压制，可按尺寸要求压制成5mm-20mm厚的磁齿形，脱模后，在加热炉内将已压制成型的导磁构件加温到200-300℃，对导磁构件进行低温固化，1小时后后取出，作防锈处理和精整处理后进行成品包装。

由于本发明构件压制成型及固化温度不高，因此，其加工工艺对构件本身性能不会产生任何影响，更不会带来因高温加热而引起的构件的物理变化和化学变化，可使其具有非常高的机械强度，有效地保证了构件力学性能的稳定。

本发明所制造的导磁构件在较大压力下即可溃散变成碎块，用磁力分离器很容易将软磁复合材料和铜线分离，废料很容易回收，符合目前环保要求。

本发明提供的材料以及工艺适用于制造10W以上的感应电机和1000W以下的串击电机、电容电机。

Claims (10)

1、一种用于导磁构件的软磁复合材料，其特征在于：由含铁原料、导磁介质及添加剂混合而成，由此得到的导磁构件中铁元素含量为：82％-99％，导磁元素的含量为：0.5％-13％，添加剂含量为：0.5％-5％。

2、根据权利要求1所述的一种用于导磁构件的软磁复合材料，其特征在于：所述含铁原料在软磁复合材料中重量配比X及导磁介质在软磁复合材料中重量配比Y为：

82≤xa₁+ya₂≤99

0.5≤xb₁+yb₂≤13

其中：a₁为含铁原料中的铁元素含量百分比；

a₂为含铁原料中导磁元素含量百分比；

b₁为导磁介质中铁元素含量百分比；

b₂为导磁介质中导磁元素含量百分比。

3、根据权利要求1或2所述的一种用于导磁构件的软磁复合材料，其特征在于：所述含铁原料包括还原铁粉、雾化铁粉、羟基铁粉和铁合金，其颗粒分布为20-500目。

4、根据权利要求1或2所述的一种用于导磁构件的软磁复合材料，其特征在于：所述导磁介质为含有硅、铝、镍、磷、钴、铜、钼或其他可增加导磁构件磁性能之粉状合金材料，其颗粒分布为20-500目。

5、根据权利要求1或2所述的一种用于导磁构件的软磁复合材料，其特征在于：所述添加剂为绝缘剂，或粘结剂，或润滑剂，或改性剂，上述添加剂单独使用，或上述任意两种的组合，或上述任意三种的组合，或上述四种的全部组合，其总配比为0.5％-5％。

6、根据权利要求5所述的一种用于导磁构件的软磁复合材料，其特征在于：所述绝缘剂为纳米碳酸钙粉末，或陶瓷粉，或磁性氧化物粉末，或其他粉状绝缘材料。

7、根据权利要求5所述的一种用于导磁构件的软磁复合材料，其特征在于：所述润滑剂为微粉蜡。

8、根据权利要求5所述的一种用于导磁构件的软磁复合材料，其特征在于：所述粘结剂为有机粘结剂。

9、根据权利要求5所述的一种用于导磁构件的软磁复合材料，其特征在于：所述改性剂为可增加强度、抗氧化之化合物。

10、一种由软磁复合材料制造导磁构件的生产工艺，其特征在于包括下述步骤：

一、混合：将含铁原料、导磁介质和添加剂按重量比采用干性方式或添加适量溶剂湿性均匀混合；

二、成形：将上述混合物制成所需形状；

三、固化：将成形后的导磁构件脱模，然后采用低温、常温或烧结方式固化；

四、防锈或精整处理；

所述成形工艺采用单轴向刚性模具压制成形、金属注射成形、粉末锻造成形、温压成形、热等静压成形或冷等静压成形；

所述烧结固化工艺为：将脱模后的导磁构件置于加热炉内进行加温，其温度为800℃-1100℃，时间为20-60分钟。