通过改进的mim加工得到的净成形的对准且烧结的磁体的制作方法
【专利说明】通过改进的MIM加工得到的净成形的对准且烧结的磁体
【背景技术】
[0001] 本发明总的来说涉及用于电动马达的永磁体及其制造，并且更具体地涉及通过使 用改进的金属注射成型（MIM)工艺在不需要机加工的情况下以基本上净成形的方式形成稀 土（RE)永磁体的方法。
[0002] 永磁体被用在各种设备中，这包括用于混合动力和电动车辆的DC电动马达，以及 风力涡轮机、空调单元和小体积与高功率密度的组合可能是有益的的其它应用中。带有RE 元素添加剂，例如，镝（Dy)或铽（Tb)，的烧结钕-铁-硼（Nd-Fe-B)永磁体具有令人满意的 磁性，其中用Dy和/或Tb代替Nd-Fe-B磁体中的Nd导致了各向异性场和矫顽磁性的增加 以及饱和磁化的降低。事实上，由RE磁体产生的磁场可以是传统的铁氧体磁体或陶瓷磁体 的量级大小或更高。
[0003] 尽管通过使用DY、Tb或相关的RE元素使得磁性有显著改进，但是像制造方法 一样，它们的稀有性和伴随而来的成本阻碍了它们的广泛使用，在制造方法中通常使用 粉末冶金或相关工艺。仅作为示例，用于车辆应用中的牵引电动马达的典型磁体可包含 约6到10重量百分比之间的这种添加剂以满足所要求的磁性。假设每个车辆电动马达 的永磁体零件的重量是约1-1. 5kg，那么就会要求每个马达的通常约55-65%、2-3kg永磁 体的机加工零件的产量。除了机加工以外，传统的Nd-Fe-B永磁体生产中的其它步骤还 包括称重、磁场下加压、烧结和老化(这个最后的步骤通常约5-30小时，在真空中约500 flC-1100fiC的温度下）。也可使用额外的表面处理，这包括磷化处理、无电镀镍、环氧树脂 涂覆等。
[0004] 目前的烧结磁体技术对尺寸控制较差，因此必须通过切割和机加工磁体到其期望 形状来制造净成形烧结磁体。甚至简单的形状，例如圆柱形、正方形或矩形经常都包括一 些机加工。因此，机加工是传统磁体形成工艺中对整体成本的显著贡献者，因为显著量的 Dy、Tb或相关的珍贵材料被从最终零件去除。机加工的问题还在于，Nd-Fe-B烧结磁体的 磁性在磁体大小被降低时而降级，因为机加工表面引入了表面损伤，该表面损伤提供了导 致相反的磁畴的成核位置。2012年9月27日提交的、名称为" Sintered Magnets with REDUCED DySPROSIUM or TERblUM"饱卑请W说汾忪撕在Re永磁体中实现Dy或Tb的变化的表面浓度的方法，该文献此后被称为149申请，其内 容已被转让给本发明的受让人并且通过引用被全部并入本文。
[0005] 金属注射成型（MM)是一种对于被大量生产的复杂形状的零件而言相比传统的生 产方法更具优势的工艺。利用MIM，包含金属粉末和热塑性粘合剂的原料被注射成型，此后 粘合剂被移除以允许被成形的零件随后被烧结。MIM兼具利用注射成型进行成形的益处以 及传统的粉末冶金的益处，其中金属粉末与粘合剂或润滑剂混合，成为可压缩成型的预制 体以进行随后的烧结。虽然传统的粉末冶金工艺不适合于具有复杂几何形状的工件的生 产，但MM基本上允许形成任何部件形状，并且尤其适合于小部件的制造。
[0006] 尽管如此，MM没有考虑到粉末原料在被压紧时粉末原料的磁对准。更具体地说， 在没有磁场的情况下，试图将MM工艺应用到包含磁性粉末的原料会产生各向同性(随机 取向）的磁体。对于在烧结磁体中使用的粉末，例如基于Nd-Fe-B等的那些，在MM工艺中 没有考虑过对充分利用材料的磁性来说是必要的的对准。
【发明内容】
[0007] 本发明的一个方面包括一种制造永磁体的方法，其改进了MM工艺以将令人满意 的磁对准性质考虑在内。在一个实施例中，该方法包括在金属粉末或相关前体经历注射成 型工艺时应用外部磁场以将金属粉末或相关前体磁对准，以作为一种消除对昂贵的且浪费 的机加工操作的需要的方式。重要的是，使用MIM允许形成任何令人满意的磁体形状，其 中在一种特定的形式中，被用作前体的粉末微粒可在聚合物涂覆之前被预筛到期望粒度分 布，从而实现最终零件的改善的尺寸稳定性。而且，尽管在本公开中所讨论的都是Nd-Fe-B 磁体，但前体磁体粉末材料可以是任何其它合适的配方，包括基于铁氧体、磁钢（以铁为基 本成分并带有铝、镍和钴)、钐-钴等，只要所得到的最终零件具有必要的磁性。这些合适的 前体中的许多还具有不规则（即，非圆形）粉末，这些粉末可得益于本文讨论的方法。而且， 本发明的方法还与扩散提高技术兼容，例如用于提高Dy含量的晶界扩散或其它已知的技 术(例如化学气相沉积（CVD)或物理气相沉积（PVD))，该Dy含量可进一步提高矫顽磁性或 其它令人满意的磁性。烧结优选在惰性环境(例如，气态的氮、氩等，在约15到30psi下)下 被执行以阻止氧化和污染，使得磁性不被降级。如下面更详细地提到的，一个特定的实施例 可允许减少或消除对粘合剂的需要，其中可采用通过M頂引入的磁性材料的振动减少的致 密或压实。
[0008] 本发明的另一方面包括一种制造永磁体的方法，该方法包括：提供磁性材料和聚 合物粘合剂，将它们混合成原料，将该原料传送到限定了最终零件的形状的模具，对模具中 的原料施加磁场以将磁性材料中的至少一部分对准，以及此后烧结带有被对准的磁性材料 的被成形原料。在一个特定形式中，磁体是由高度各向异性场和固有的矫顽磁性材料制成 的，该材料还表现出高饱和磁化性质，例如Nd-Fe-B。在一个更特定的形式中，这种磁体可包 括RE添加剂元素，例如Dy、Tb等。
[0009] 本发明的又一方面包括一种制造永磁体马达的方法。该方法包括构造转子和定子 中的至少一个以具有设置在其中的永磁体，其中该磁体通过如下步骤制造：混合磁性材料 和聚合物粘合剂成为原料、在模具中对该原料进行注射成型以将其形成为对应转子或定子 中的互补形状的预定形状、以及然后在注射成型中的某个位置处应用磁场到该原料；该被 应用的磁场优选地在磁性材料被成型(例如，在位于磁场中的模具中）以及被烧结成所述预 定形状的同时将磁性材料的至少一部分对准。任选地，根据需要烧结磁体此后可被表面处 理以增添保护涂层，以及被处理以进行进一步的磁性提高技术。此后，磁体可被放置在转子 或定子中的至少一个中的互补形状中，并且此后将转子和定子放置成彼此旋转合作，使得 在给该马达应用电流时，转子相对于定子旋转。
[0010] 本申请还提供了如下方案： 方案1. 一种制造永磁体的方法，该方法包括： 使用金属注射成型，其包括： 提供磁性材料； 提供聚合物粘合剂； 将所述磁性材料和所述聚合物粘合剂混合成原料；以及 对所述原料进行注射成型以将其形成为预定形状； 应用磁场到所述原料以将所述磁性材料中的至少一部分对准；以及 烧结所述预定形状。
[0011] 方案2.如方案1所述的方法，其中所述至少一个磁性材料包含钕、铁和硼。
[0012] 方案3.如方案2所述的方法，其中所述至少一个磁性材料还包含镝和铽中的至 少一个。
[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 和所述聚合物粘合剂。
[0014] 方案5.如方案1所述的方法，其中所述烧结发生在保护性环境中。
[0015] 方案6.如方案1所述的方法，其中所述应用磁场到所述原料包括将磁化线圈放 置在包含所述原料的模具附近，并且使电流流过所述磁化线圈。
[0016] 方案7.如方案6所述的方法，其中所述线圈被嵌入到所述模具。
[0017] 方案8.如方案6所述的方法，其中所述模具由软磁材料构成，所述软磁材料被构 造成将所述磁场定向为横过所述模具内的保持所述原料的空间。
[0018] 方案9.如方案1所述的方法，其中所述应用磁场到所述原料包括将软磁体分路 器放置在包含所述原料的模具附近，并且通过使电流流过与所述分路器电磁合作地放置的 导线线圈来磁化所述分路器。
[0019] 方案10.如方案1所述的方法，其中所述应用磁场到所述原料包括将软磁体分路 器放置在包含所述原料的模具附近，并且将至少一个永磁体包含在所述分路器内以磁化所 述分路器。
[0020] 方案11