减少其反复磁化损耗的部件以及其制造方法与流程

本发明涉及一种用于制造减少其反复磁化损耗 (“损耗减少”) 的部件的方法，以及一种借助该方法能够制造的减少其反复磁化损耗的部件。

背景技术：

电工钢片通常由铁硅合金组成，并经其后紧接退火的冷轧制工艺制造。在电气机械中使用该钢片时，该片材的电阻对铁损耗有很大影响。该电阻主要由合金中的硅含量或铝含量确定。标准电工钢片中的硅含量至多为3.5重量%的硅。其相应于比电阻为约0.45 µΩm。

因为硅含量超过4重量%的钢片是脆性的且不可冷成型，所以尽管其具有高的电阻也不作为电工钢片使用。然而可再借助于气体离析处理和热处理对硅含量约为3.0重量%的铁硅带材进行改性，以使硅含量提高到至多6.5重量%。其结果是达到明显更高的比电阻即为约0.8 µΩm。但这又导致降低的磁饱和度。

为使该电工钢片具有软磁特性 (即矫顽磁场强度H_c小于10 A/cm) 和特别是在低频下具有小的铁损耗，由含Si或Al成份的贫碳铁基合金制造该电工钢片。这使该电工钢片具有均匀的电阻。另一种具有高碳含量的成本很低的铁基钢片具有低的电阻。由于该钢片中的均匀的碳含量，其还具有由高的矫顽磁场强度表明的差的软磁特性。因此，这种铁基钢片仅在具有低效率要求的低成本电动机中使用。

非片状的实心部件如爪极发电机的转子需具有高的电阻和优良的软磁特性，这例如可通过使用基于贫碳铁基合金的高合金钢实现。另一方面，由于运行中的高的铁损耗可导致尤其在高转数时出现的高频交变场成份，该高频交变场成份在转子材料中产生涡流，该涡流可导致局部升温。

技术实现要素：

本发明的方法可制造一种特别是软磁性的减少其反复磁化损耗 (“损耗减少”) 的部件，其用在执行器中、用在电气机械的软磁转子或定子中、用作电工钢片或用在传感器中。该制造从由矫顽磁场强度H_c小于20 A/cm的原材料制成的部件开始实施，特别是从矫顽磁场强度H_c小于10 A/cm的软磁性原材料制成的部件开始实施。所提供的原材料含有49-99.97重量%的铁、0-7重量%的硅、0-20重量%的铬和0-50重量%的钴。因此，钝铁材料和铁钴材料都适合用作原材料。此外，该原材料还含有0.03-2.00重量%的碳，优选含有0.06-2.00重量%的碳，特别优选含有0.06-1.00重量%的碳。所以，其是一种低成本的富碳原材料。该原材料可含有0-5重量%的其它元素。这些元素特别选自锰、钼、钨、钒、硫和磷，因此选自通常与铁伴生出现的那些元素。在原材料中这些成分的总和为100重量%。

由该原材料制成的部件特别是经改性粉末涂覆有涂层。该涂层含有0-90重量%的铁、0-90重量%的硅、0-100重量%的铬、0-100重量%的磷、0-100重量%的钼、0-100重量%的钨、0-100重量%的钛、0-100重量%的镍、0-100重量%的钴、0-100重量%的硫和0-5重量%的其它元素。优选地，其含有0-90重量%的铁、0-90重量%的硅、0-100重量%的铬、0-20重量%的磷和0-5重量%的其它元素。该其它元素特别选自如原材料中的那些其它元素。在改性粉末中这些成分的总和为100重量%。

该经涂覆的部件经热处理，以得到本发明的损耗减少的材料。在此，该改性粉末和该原材料的元素相互交错扩散。通过增加硅含量、铬含量、磷含量、钼含量、钨含量、钛含量、镍含量、钴含量或硫含量，使整个原材料中的电阻得以增加，这就减少了其反复磁化损耗。同时降低碳在原材料中的溶解度。该碳优选在原材料的晶界上呈碳化铁析出，例如作为在组织结构中如部分作为珠光体出现的渗碳体析出。对此，该原材料仍不必具有碳化物微结构化。但在此方法中也可使用已具有微结构化如碳化物精细结构的原材料，然后再在所述方法中对其进行改性。该原材料的碳含量可经此方法在一定范围内降低到优质的贫碳材料的碳含量，由此获得这种材料的更好的软磁特性。尤其是通过形成碳微结构改进了损耗特性，该碳微结构局部增高了材料中的电阻。由此抑制了作用范围大的涡流和明显减少了铁损耗。如果该损耗减少的部件是一种钢片，则与原材料相比，该碳微结构明显改进了机械特性如屈服点。

如果该经处理过的部件的原材料是纯铁材料，则优选是其硅含量最大为4重量%。由此，该原材料首先具有高的延展性，其可简化加工。如果不再需要延展性，则与原材料相比，通过增加硅含量可能会脆化的本发明部件的材料的改性可紧接该原材料加工后进行。

该部件优选仍不具有在原材料晶界上的碳化物富集。这种碳化物富集通常在固化过程中形成，在固化过程中除在晶界上的碳化物富集外，还导致另外的碳化物析出。但这些附加的碳化物析出会有损于该原材料的软磁特性。

为能用改性粉末对该部件容易地进行涂覆，该改性粉末的数均粒度优选为1-400 µm，特别优选为1-200 µm。可利用常用的涂覆方法如擦涂压印、悬浮物浸渍、火焰镀锌或火焰金属化实施用改性粉末对该部件的涂覆。如果该部件呈片材形式，优选采用连续浸渍法，以可实现连续的涂覆。

该改性粉末优选具有共晶的组成，以可使其元素特别易于扩散进该部件中。

该部件的热处理优选在低于该原材料的熔点和高于该涂层的熔点的温度下进行。通过以熔融的涂层润湿该部件的表面，可使该涂层的元素特别易于扩散进该原材料中。只要这时该热处理温度保持在低于该原材料的熔点，就可确保热处理时该部件不变形。

与该原材料相比，借助于这种方法可制造的减少其反复磁化损耗的部件至少在20-90 %的材料饱和度的范围内和在100-1000 Hz的频率范围内特别是具有至少10 %的损耗减少。

本发明的实施例示于附图中，并在下面进行详述。

附图说明

图1示出标准DIN EN10111的DD11-钢的组织结构的金相磨光面。

图2示出本发明方法的一个实施例中改性粉末的元素扩散进原材料中的示意图。

图3示出本发明的一个实施例的部件的组织结构的金相磨光面。

图4示出本发明的一个实施例的部件的经损耗减少的材料的截面示意图。

图5示出与原材料相比由本发明的一个实施例的损耗减少材料所制成的部件的与频率相关的相对损耗获益图。

图6示出通过本发明方法制造的在本发明部件的一个实施例中出现的珠光体组织结构。

具体实施方式

在本发明方法的第一个实施例中，制造爪极发电机的转子。该转子由标准DIN EN10111的低合金铁基材料DD11-钢制成，该材料含有 ＞ 99重量%的铁和约0.06重量%的碳和 ＜ 1重量%的其它杂质。图1示出示例性的金相磨光面。该转子以悬浮物浸渍法经改性粉末涂覆。该改性粉末由含80重量%的铁和20重量%的硅的颗粒组成。该颗粒的数均粒度为73 µm和熔点为1172 ℃。该经涂覆的转子在1200 ℃下经热处理。如图2所示，该具有图1所示的组织结构的转子含有溶于其铁Fe中的碳C。如果该涂层2的元素扩散进转子中，则降低原材料1中的碳的溶解度，并且部分碳迁移到碳化物精细结构11中的晶界中。这示于图3。在那里碳主要作为呈珠光体结构的渗碳体析出。由此，该转子中的原材料1转化成部件3的示于图4的本发明的材料。与原材料1相比，该由损耗减少材料制成的转子的损耗获益△P是在磁通量密度B为0.5 T、1 T和1.5 T下测量的，并在图5中以相对获益与频率的关系示出。特别是在高频率和0.5 T的低通量密度下显示出明显的损耗获益。借助于光学显微镜可在该转子的测试体磨光面中看到示于图3和图6中的碳化物析出。借助于扫描电子显微镜可证实为含由Fe和Fe₃C组成的薄片的渗碳体或珠光体组织结构。

在本发明方法的第二个实施例中提供一种电工钢片，其由2重量%的硅和0.1重量%的碳和余量铁和微量杂质 (杂质小于1 %) 制成。该钢片以连续浸渍法用在本发明的第一实施例中所用的同样的改性粉末涂覆。接着在1200 ℃下进行热处理。与其原材料相比，如此得到的经改性的电工钢片具有明显的损耗获益、改进的机械性能，特别是具有更高的屈服点，并具有优良的软磁特性。