[發明專利]一種磁極和電磁開關用鐵基粉末冶金軟磁材料的制備方法

有效

• 申請號: 201410718738.1
• 申請日: 2014-12-02
• 公開（公告）號: CN104399984A
• 公開（公告）日: 2015-03-11
• 發明（設計）人: 李麗婭;葛毅成
• 申請（專利權）人: 中南大學
• 主分類號: B22F3/16
• 分類號: B22F3/16;C22C38/10;C22C33/02;H01F1/147
• 代理公司: 長沙市融智專利事務所 43114
• 代理人: 顏勇

技術領域

本發明公開了一種磁極和電磁開關用鐵基粉末冶金軟磁材料的制備方法，特別是指采用粉末冶金技術制備密度中等、磁導率高、矯頑力低的汽車起動機、啟停電機的磁極和電磁開關用鐵基粉末冶金軟磁材料的制備方法，屬于粉末冶金軟磁材料制備技術領域。

背景技術

汽車起動機通過將蓄電池的電能轉化為機械能來驅動發動機飛輪旋轉實現發動機的啟動。磁極是起動機上最關鍵的磁性功能器件之一，它在汽車啟動瞬間(<5s)將大的直流電的能量轉化為磁場能；電磁開關是汽車起動機和啟停電機上的重要控制開關，通過產生電磁吸力使起動機小齒輪與發動機飛輪齒圈嚙合，同時推動開關觸點接通帶動發動機起動。磁極和電磁開關用軟磁材料的性能決定了電機工作時產生磁場能和電磁吸力的大小，是制備新型高效、低能耗電機的關鍵。

目前起動機和啟停電機上的磁極和電磁開關均采用10^#鋼通過冷擠、冷拉(冷拔)等工藝制備，具有磁導率μ_max低(1000-2000Gs/Oe)和矯頑力H_c高(300-800A/m)的特點，不利于電機性能的進一步提高。首先，高H_c使磁極和電磁開關具有高的磁滯損耗，極易導致工作時發熱量增大，特別是在起動機啟動時間過長或多次連續啟動時，溫度將大幅上升。所以對于10^#鋼鐵芯而言，都要求每次工作時間決不允許超過5s，重復起動應停歇1-2min，連續第三次起動應在檢查的基礎上停歇15min。其次，低磁導率增大了磁極和電磁開關的磁阻，使電—磁響應速度變慢。對于磁極而言，會降低起動機的空載轉速、增大空載電流，同時還會導致起動機的負載轉速降低、負載電流增大，從而降低電機效率。對于電磁開關而言，則會增大吸合電壓和釋放電壓，降低功率。10^#鋼磁極和電磁開關低的磁性能與其高碳(0.05～0.12％)、高硅(0.17～0.37％)和高錳(0.35～0.65％)含量有關。高濃度的Si、Mn等雜質元素固溶于Fe的晶格中，引起Fe的晶格畸變，產生晶格畸變內應力，導致H_c增大、μ_max降低。高濃度的C與Fe形成滲碳體，一方面阻礙疇壁移動使H_c增大、μ_max降低；另一方面導致居里溫度降低，使磁性能隨溫度的升高而快速下降，導致高溫下氣隙磁場密度減小。

在尺寸精度方面，由低碳鋼通過冷拉、冷拔工藝制備的起動機用軟磁材料的尺寸精度較低，嚴重影響了其裝配質量。現有的汽車起動機中，經常出現掃鏜現象(即電樞摩擦磁極一角)，特別對于氣隙較小的情況下，掃鏜現象更為嚴重。其大部分是由于磁極的尺寸精度不夠導致在裝配時出現擺動而造成的。另一方面，低碳鋼通過冷擠壓成形的零件表面質量好，尺寸精度高。但冷擠壓成形工藝復雜，包括：下料——退火——磷化皂化——正擠——校正——退火——磷化皂化——鐓頭——沖孔——切邊——退火——磷化皂化——彎曲——精壓。而且擠壓變形力大，需要大噸位設備，模具消耗大。通過冷擠方式制備的磁極材料成本遠高于冷拉、冷拔工藝。

提高起動機用軟磁材料的磁導率、降低矯頑力，并在此基礎上提高材料尺寸精度，是提高起動機效率的關鍵。粉末冶金技術以粉末為原材料，有利于實現成分的自主設計，以提高磁性能；通過控制成形模具精度和燒結溫度可以制備出高尺寸精度的產品。但是粉末冶金鐵基軟磁材料的磁性能和力學性能與材料的密度成正比。國產還原鐵粉和水霧化純鐵粉價格便宜，但是其壓制性較差，制備的材料密度只有約6.8-7.0g/cm³，不能滿足起動機用軟磁材料的使用要求。專利CN100515621C采用粉末冶金的復壓復燒工藝制備了高密度的鐵基比例電磁鐵磁軛。專利CN103305743A采用粉末冶金法，通過原始粉末的預處理，在高的壓制壓力和高的燒結溫度下制備出了密度達到7.6g/cm³的性能優良的純鐵、鐵磷軟磁合金產品。上述兩種方法制備的鐵基軟磁材料均具有高的密度、優異的軟磁性能和良好的力學性能，但由于采用了復壓復燒、高壓制壓力(1000-1200MPa)和高燒結溫度(1300-1400℃)，大幅提高了材料的制造成本，與現有的冷擠/冷拉等工藝相比，無價格優勢。另外采用進口水霧化鐵粉在普通的壓制燒結工藝下也可以制備出中等密度(7.2-7.5g/cm³)的鐵基軟磁合金制品，但是由于價格仍然遠高于10^#鋼的冷擠/冷拉制品，無市場應用前景。