通過(guò)改進(jìn)的mim加工得到的凈成形的對(duì)準(zhǔn)且燒結(jié)的磁體的制作方法
【專(zhuān)利說(shuō)明】通過(guò)改進(jìn)的MIM加工得到的凈成形的對(duì)準(zhǔn)且燒結(jié)的磁體
【背景技術(shù)】
[0001] 本發(fā)明總的來(lái)說(shuō)涉及用于電動(dòng)馬達(dá)的永磁體及其制造，并且更具體地涉及通過(guò)使 用改進(jìn)的金屬注射成型（MIM)工藝在不需要機(jī)加工的情況下以基本上凈成形的方式形成稀 土（RE)永磁體的方法。
[0002] 永磁體被用在各種設(shè)備中，這包括用于混合動(dòng)力和電動(dòng)車(chē)輛的DC電動(dòng)馬達(dá)，以及 風(fēng)力渦輪機(jī)、空調(diào)單元和小體積與高功率密度的組合可能是有益的的其它應(yīng)用中。帶有RE 元素添加劑，例如，鏑（Dy)或鋱（Tb)，的燒結(jié)釹-鐵-硼（Nd-Fe-B)永磁體具有令人滿(mǎn)意的 磁性，其中用Dy和/或Tb代替Nd-Fe-B磁體中的Nd導(dǎo)致了各向異性場(chǎng)和矯頑磁性的增加 以及飽和磁化的降低。事實(shí)上，由RE磁體產(chǎn)生的磁場(chǎng)可以是傳統(tǒng)的鐵氧體磁體或陶瓷磁體 的量級(jí)大小或更高。
[0003] 盡管通過(guò)使用DY、Tb或相關(guān)的RE元素使得磁性有顯著改進(jìn)，但是像制造方法 一樣，它們的稀有性和伴隨而來(lái)的成本阻礙了它們的廣泛使用，在制造方法中通常使用 粉末冶金或相關(guān)工藝。僅作為示例，用于車(chē)輛應(yīng)用中的牽引電動(dòng)馬達(dá)的典型磁體可包含 約6到10重量百分比之間的這種添加劑以滿(mǎn)足所要求的磁性。假設(shè)每個(gè)車(chē)輛電動(dòng)馬達(dá) 的永磁體零件的重量是約1-1. 5kg，那么就會(huì)要求每個(gè)馬達(dá)的通常約55-65%、2-3kg永磁 體的機(jī)加工零件的產(chǎn)量。除了機(jī)加工以外，傳統(tǒng)的Nd-Fe-B永磁體生產(chǎn)中的其它步驟還 包括稱(chēng)重、磁場(chǎng)下加壓、燒結(jié)和老化(這個(gè)最后的步驟通常約5-30小時(shí)，在真空中約500 flC-1100fiC的溫度下）。也可使用額外的表面處理，這包括磷化處理、無(wú)電鍍鎳、環(huán)氧樹(shù)脂 涂覆等。
[0004] 目前的燒結(jié)磁體技術(shù)對(duì)尺寸控制較差，因此必須通過(guò)切割和機(jī)加工磁體到其期望 形狀來(lái)制造凈成形燒結(jié)磁體。甚至簡(jiǎn)單的形狀，例如圓柱形、正方形或矩形經(jīng)常都包括一 些機(jī)加工。因此，機(jī)加工是傳統(tǒng)磁體形成工藝中對(duì)整體成本的顯著貢獻(xiàn)者，因?yàn)轱@著量的 Dy、Tb或相關(guān)的珍貴材料被從最終零件去除。機(jī)加工的問(wèn)題還在于，Nd-Fe-B燒結(jié)磁體的 磁性在磁體大小被降低時(shí)而降級(jí)，因?yàn)闄C(jī)加工表面引入了表面損傷，該表面損傷提供了導(dǎo) 致相反的磁疇的成核位置。2012年9月27日提交的、名稱(chēng)為" Sintered Magnets with REDUCED DySPROSIUM or TERblUM"飽卑請(qǐng)W說(shuō)汾忪撕在Re永磁體中實(shí)現(xiàn)Dy或Tb的變化的表面濃度的方法，該文獻(xiàn)此后被稱(chēng)為149申請(qǐng)，其內(nèi) 容已被轉(zhuǎn)讓給本發(fā)明的受讓人并且通過(guò)引用被全部并入本文。
[0005] 金屬注射成型（MM)是一種對(duì)于被大量生產(chǎn)的復(fù)雜形狀的零件而言相比傳統(tǒng)的生 產(chǎn)方法更具優(yōu)勢(shì)的工藝。利用MIM，包含金屬粉末和熱塑性粘合劑的原料被注射成型，此后 粘合劑被移除以允許被成形的零件隨后被燒結(jié)。MIM兼具利用注射成型進(jìn)行成形的益處以 及傳統(tǒng)的粉末冶金的益處，其中金屬粉末與粘合劑或潤(rùn)滑劑混合，成為可壓縮成型的預(yù)制 體以進(jìn)行隨后的燒結(jié)。雖然傳統(tǒng)的粉末冶金工藝不適合于具有復(fù)雜幾何形狀的工件的生 產(chǎn)，但MM基本上允許形成任何部件形狀，并且尤其適合于小部件的制造。
[0006] 盡管如此，MM沒(méi)有考慮到粉末原料在被壓緊時(shí)粉末原料的磁對(duì)準(zhǔn)。更具體地說(shuō)， 在沒(méi)有磁場(chǎng)的情況下，試圖將MM工藝應(yīng)用到包含磁性粉末的原料會(huì)產(chǎn)生各向同性(隨機(jī) 取向）的磁體。對(duì)于在燒結(jié)磁體中使用的粉末，例如基于Nd-Fe-B等的那些，在MM工藝中 沒(méi)有考慮過(guò)對(duì)充分利用材料的磁性來(lái)說(shuō)是必要的的對(duì)準(zhǔn)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 本發(fā)明的一個(gè)方面包括一種制造永磁體的方法，其改進(jìn)了MM工藝以將令人滿(mǎn)意 的磁對(duì)準(zhǔn)性質(zhì)考慮在內(nèi)。在一個(gè)實(shí)施例中，該方法包括在金屬粉末或相關(guān)前體經(jīng)歷注射成 型工藝時(shí)應(yīng)用外部磁場(chǎng)以將金屬粉末或相關(guān)前體磁對(duì)準(zhǔn)，以作為一種消除對(duì)昂貴的且浪費(fèi) 的機(jī)加工操作的需要的方式。重要的是，使用MIM允許形成任何令人滿(mǎn)意的磁體形狀，其 中在一種特定的形式中，被用作前體的粉末微?？稍诰酆衔锿扛仓氨活A(yù)篩到期望粒度分 布，從而實(shí)現(xiàn)最終零件的改善的尺寸穩(wěn)定性。而且，盡管在本公開(kāi)中所討論的都是Nd-Fe-B 磁體，但前體磁體粉末材料可以是任何其它合適的配方，包括基于鐵氧體、磁鋼（以鐵為基 本成分并帶有鋁、鎳和鈷)、釤-鈷等，只要所得到的最終零件具有必要的磁性。這些合適的 前體中的許多還具有不規(guī)則（即，非圓形）粉末，這些粉末可得益于本文討論的方法。而且， 本發(fā)明的方法還與擴(kuò)散提高技術(shù)兼容，例如用于提高Dy含量的晶界擴(kuò)散或其它已知的技 術(shù)(例如化學(xué)氣相沉積（CVD)或物理氣相沉積（PVD))，該Dy含量可進(jìn)一步提高矯頑磁性或 其它令人滿(mǎn)意的磁性。燒結(jié)優(yōu)選在惰性環(huán)境(例如，氣態(tài)的氮、氬等，在約15到30psi下)下 被執(zhí)行以阻止氧化和污染，使得磁性不被降級(jí)。如下面更詳細(xì)地提到的，一個(gè)特定的實(shí)施例 可允許減少或消除對(duì)粘合劑的需要，其中可采用通過(guò)M頂引入的磁性材料的振動(dòng)減少的致 密或壓實(shí)。
[0008] 本發(fā)明的另一方面包括一種制造永磁體的方法，該方法包括：提供磁性材料和聚 合物粘合劑，將它們混合成原料，將該原料傳送到限定了最終零件的形狀的模具，對(duì)模具中 的原料施加磁場(chǎng)以將磁性材料中的至少一部分對(duì)準(zhǔn)，以及此后燒結(jié)帶有被對(duì)準(zhǔn)的磁性材料 的被成形原料。在一個(gè)特定形式中，磁體是由高度各向異性場(chǎng)和固有的矯頑磁性材料制成 的，該材料還表現(xiàn)出高飽和磁化性質(zhì)，例如Nd-Fe-B。在一個(gè)更特定的形式中，這種磁體可包 括RE添加劑元素，例如Dy、Tb等。
[0009] 本發(fā)明的又一方面包括一種制造永磁體馬達(dá)的方法。該方法包括構(gòu)造轉(zhuǎn)子和定子 中的至少一個(gè)以具有設(shè)置在其中的永磁體，其中該磁體通過(guò)如下步驟制造：混合磁性材料 和聚合物粘合劑成為原料、在模具中對(duì)該原料進(jìn)行注射成型以將其形成為對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)子或定子 中的互補(bǔ)形狀的預(yù)定形狀、以及然后在注射成型中的某個(gè)位置處應(yīng)用磁場(chǎng)到該原料；該被 應(yīng)用的磁場(chǎng)優(yōu)選地在磁性材料被成型(例如，在位于磁場(chǎng)中的模具中）以及被燒結(jié)成所述預(yù) 定形狀的同時(shí)將磁性材料的至少一部分對(duì)準(zhǔn)。任選地，根據(jù)需要燒結(jié)磁體此后可被表面處 理以增添保護(hù)涂層，以及被處理以進(jìn)行進(jìn)一步的磁性提高技術(shù)。此后，磁體可被放置在轉(zhuǎn)子 或定子中的至少一個(gè)中的互補(bǔ)形狀中，并且此后將轉(zhuǎn)子和定子放置成彼此旋轉(zhuǎn)合作，使得 在給該馬達(dá)應(yīng)用電流時(shí)，轉(zhuǎn)子相對(duì)于定子旋轉(zhuǎn)。
[0010] 本申請(qǐng)還提供了如下方案： 方案1. 一種制造永磁體的方法，該方法包括： 使用金屬注射成型，其包括： 提供磁性材料； 提供聚合物粘合劑； 將所述磁性材料和所述聚合物粘合劑混合成原料；以及 對(duì)所述原料進(jìn)行注射成型以將其形成為預(yù)定形狀； 應(yīng)用磁場(chǎng)到所述原料以將所述磁性材料中的至少一部分對(duì)準(zhǔn)；以及 燒結(jié)所述預(yù)定形狀。
[0011] 方案2.如方案1所述的方法，其中所述至少一個(gè)磁性材料包含釹、鐵和硼。
[0012] 方案3.如方案2所述的方法，其中所述至少一個(gè)磁性材料還包含鏑和鋱中的至 少一個(gè)。
[0013] 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 和所述聚合物粘合劑。
[0014] 方案5.如方案1所述的方法，其中所述燒結(jié)發(fā)生在保護(hù)性環(huán)境中。
[0015] 方案6.如方案1所述的方法，其中所述應(yīng)用磁場(chǎng)到所述原料包括將磁化線(xiàn)圈放 置在包含所述原料的模具附近，并且使電流流過(guò)所述磁化線(xiàn)圈。
[0016] 方案7.如方案6所述的方法，其中所述線(xiàn)圈被嵌入到所述模具。
[0017] 方案8.如方案6所述的方法，其中所述模具由軟磁材料構(gòu)成，所述軟磁材料被構(gòu) 造成將所述磁場(chǎng)定向?yàn)闄M過(guò)所述模具內(nèi)的保持所述原料的空間。
[0018] 方案9.如方案1所述的方法，其中所述應(yīng)用磁場(chǎng)到所述原料包括將軟磁體分路 器放置在包含所述原料的模具附近，并且通過(guò)使電流流過(guò)與所述分路器電磁合作地放置的 導(dǎo)線(xiàn)線(xiàn)圈來(lái)磁化所述分路器。
[0019] 方案10.如方案1所述的方法，其中所述應(yīng)用磁場(chǎng)到所述原料包括將軟磁體分路 器放置在包含所述原料的模具附近，并且將至少一個(gè)永磁體包含在所述分路器內(nèi)以磁化所 述分路器。
[0020] 方案11