粉末冶金选区制备双相磁性电机叠片的方法

1.本发明涉及双相磁性电机叠片领域，更具体地说，涉及一种粉末冶金选区制备双相磁性电机叠片的方法。


背景技术：

2.新能源汽车市场对高功率密度和高效率电机的需求日益增加，特别是在混合动力和电动汽车牵引应用中，传统的永磁电机逐渐不能满足市场的需求，对于低成本少稀土的同步磁阻电机，特别是高磁阻的同步磁阻电机愈发得到世界各国的关注。然而，人们认识到，同步磁阻电机在功率密度、效率和机器的恒功率转速范围之间存在着明显的权衡，这种权衡带来了许多设计上的挑战。
3.同步磁阻电机工作时，磁通总是沿着磁阻最小路径闭合，通过转子在不同位置引起的磁阻变化产生的磁拉力形成转矩，传统的同步磁阻电机转子是由硅钢片叠压而成的，在工作过程中，磁桥结构会漏磁，造成磁通量的损失，从而减小磁拉力形成的转矩。提高其性能的技术关键就是在于减小转子中的漏磁。目前解决漏磁问题的方案包括采用多层结构的转子和减薄转子的磁桥，而这两种办法都会在减小漏磁的同时带来机械强度的问题。


技术实现要素：

4.本发明要解决的技术问题在于，提供一种粉末冶金选区制备双相磁性电机叠片的方法，可以显著提高电机的磁利用率和叠片的力学强度，提高电机的功率密度、能量转化效率和峰值转速。
5.本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：构造一种粉末冶金选区制备双相磁性电机叠片的方法，包括以下步骤：
6.s1、制备粉末原材料，所述粉末原材料为fe-xcr-ymn-zsi铁素体粉末，其中x范围为12～18wt.％，y的范围为1～4wt.％，z的范围为0.5～2wt.％，其余元素为fe；部分铁素体粉末通过固溶渗氮处理得到奥氏体粉末；
7.s2、用注射成形、模压成形、挤压将步骤s1中获得的将铁素体粉末和奥氏体粉末进行成型，获得叠片毛坯；
8.s3、对步骤s2中的叠片毛坯脱脂处理和烧结处理，获得双相磁性电机叠片。
9.按上述方案，所述铁素体粉末粒度为20-100μm。
10.按上述方案，所述固溶渗氮处理使用的固溶渗氮炉为预抽真空气氛炉，采用的固溶渗氮工艺为：1100～1200℃，压力0.1～0.3mpa，流量为1l/min，时间为15～30min，采用氩气保护升温至渗氮温度1100℃，升温速率为8℃/min，然后抽出氩气更换为氮气。
11.按上述方案，在所述步骤s2中，采用模压成形时，首先在模具内放入铁素体粉末，然后使铁素体区域预成形，然后取出凸模，在凸模的位置放入事先制备好的奥氏体粉末，然后进行终成形。
12.按上述方案，所述脱脂处理是溶剂脱脂、加热脱脂、催化脱脂中的一种或多种。
13.按上述方案，所述烧结处理采用8℃/min的升温速率，在0.1mpa的高纯氩气下升温至1200～1450℃进行烧结，保温时间为30～120min。
14.按上述方案，还包括步骤s4，进行回火或退火处理，回火温度为300～400℃。
15.实施本发明的粉末冶金选区制备双相磁性电机叠片的方法，具有以下有益效果：
16.(1)与具有磁桥结构的传统硅钢叠片相比，本发明生产的叠片不存在磁桥结构，减少了漏磁。本发明的材料组分，通过选区粉末冶金成型了具有高低磁导率的结构，从而解决了电机叠片结构磁通量损失，增加电机的功率密度、能量转换效率、极限转速以及峰值功率。
17.(2)与固溶渗氮制造叠片的工艺相比：
18.本发明利用粉末代替板料进行快速固溶渗氮，可以在三十分钟以内完成铁素体向奥氏体的转变，大大缩短了渗氮时间。
19.本发明生产的叠片中导磁区域和不导磁区域可以通过凸模位置进行精确控制，与直接固溶渗氮得到的叠片相比，具有更清晰、精确以及更平滑的导磁区/不导磁区边界。
20.本发明中叠片成型后没有急冷工艺，不会产生因淬火等导致的叠片严重变形，不需要在叠片成形后再次进行矫形，减少了制备工艺步骤。
21.本发明中出现的粉末均可以实现批量成产，凸模凹模的运动能够实现自动化，避免了固溶渗氮制造叠片的工艺中一些半自动化步骤的出现，可以实现更大批量生产以及自动化生产，进一步降低生产成本以及碳排放。
22.(3)与传统的减薄工艺和焊接相比，本发明利用烧结和等静压技术，其中烧结密度可以达到99％，得到的转子叠片材料具有更高的强度，不会出现减薄导致的强度降低问题；也不会出现因焊接而产生的一系列焊缝和热影响区脆化、合金烧损、应力集中以及焊接变形等问题，可以获得更高的提升电机转速的空间。
附图说明
23.下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：
24.图1为本发明电机转子叠片的结构示意图；
25.图2为本发明电机转子叠片粉末冶金工艺的压制成形示意图；
26.图3为本发明某一实例材料的xrd图。
具体实施方式
27.为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图详细说明本发明的具体实施方式。
28.本发明粉末冶金选区制备双相磁性电机叠片的方法，包括以下步骤：
29.s1、制备粉末原材料，所述粉末原材料为fe-xcr-ymn-zsi铁素体粉末，其中x范围为12～18wt.％，y的范围为1～4wt.％，z的范围为0.5～2wt.％，其余元素为fe；部分铁素体粉末通过固溶渗氮处理得到奥氏体粉末；
30.s2、用注射成形、模压成形、挤压将步骤s1中获得的将铁素体粉末和奥氏体粉末进行成型，获得叠片毛坯；
31.s3、对步骤s2中的叠片毛坯脱脂处理和烧结处理，获得双相磁性电机叠片。
32.所述的粉末原材料加入cr和mn元素能提高氮在铁素体粉末中的溶解度并且提高渗氮效率，而加入si的目的是改善粉末的磁性性能，使烧结后的材料磁性性能更优。
33.所述的粉末原材料的制备步骤中，包括无氮粉末的制备和高氮粉末的制备，其中高氮粉末的制备采用的是无氮粉末的快速固溶渗氮。
34.所述的选区成型步骤中，包括采用注射成形、模压成形、挤压的一种，本发明根据叠片坯料的直径大小以及厚度来选用不同的成形方式。
35.本发明的工艺具体为采用铁素体粉末和氮化后的奥氏体粉末，经注射成形、模具压制或者挤压等方法成形叠片零件毛坯，采用合适的烧结工艺，制备高密度的粉末冶金双相磁性叠片零件，其中关键技术为：
36.作为一种优选的选材方案，实验所使用的粉末粒度为20-100μm，在成形电机叠片零件毛坯时可采用注射成形、模压成形等方法，其流动性好，后续成型过程方便，自动化程度高。
37.为了使电机获得更高的极限转速与功率密度，本发明采用细粉末材料与模压成型方法，所得叠片中奥氏体不导磁区域与铁素体导磁区域分界明显，可以精确到0.1mm。
38.为了使奥氏体和铁素体粉末润湿性和结合性更好，本发明采用的两种粉末原材料一致，其中奥氏体粉末是原铁素体粉末固溶渗氮得到。
39.为了较为快速的得到奥氏体粉末，本发明使用的固溶渗氮炉为预抽真空气氛炉，采用的固溶渗氮工艺为：1100～1200℃，压力0.1～0.3mpa，流量为1l/min，时间为15～30min。并且还需防止粉末被氧化，采用氩气保护升温至渗氮温度1100℃，升温速率为8℃/min，然后抽出氩气更换为氮气。
40.为了实现在不同区域成形不同组织或高低磁导率的粉末，本发明采用分部成形。如图2所示，采用模压成形时，首先在模具内放入铁素体粉末，然后使用较小的压力预压制使铁素体区域预成形，然后取出凸模，在凸模的位置放入事先制备好的奥氏体粉末，然后采用合适的压力进行终成形。
41.所述脱脂处理是溶剂脱脂、加热脱脂、催化脱脂中的一种或其组合，按常规粉末冶金脱脂工艺脱除压坯中的粘结剂。
42.为了提高材料的致密度，在成形和脱脂结束后，本发明采用烧结等静压进行叠片毛坯零件的烧结，采用8℃/min的升温速率，在0.1mpa的高纯氩气下升温至1200～1450℃进行烧结，保温时间为30～120min，使零件毛坯的密度提高同时孔隙封闭，在加压过程中毛坯内外形成压差，达到进一步致密的目的。
43.作为一种优选的实施方案，在烧结完成之后，需对材料进行回火或退火处理，消除内应力并改善磁性，为了避免奥氏体粉末氮含量损失而发生相变为铁素体，一般采用回火温度为300～400℃，再对试样表面残留的阻氮涂层进行刷洗，并清除表面的氧化物。
44.本发明可采用工业合金粉末，亦可以采用不同元素的高纯粉末进行合金粉末的配置，并且对于不能颗粒大小的粉末均可采用，通过调节成形参数和烧结工艺可以得到致密的双相磁性材料叠片。
45.请参见图1，本发明电机转子叠片的结构示意图，其中1处为铁素体组织，铁素体不锈钢作为基底，具有优良的磁导率和较高的磁饱和强度。2为奥氏体组织，奥氏体不锈钢作为软磁材料可以代替电机转子发生漏磁的磁桥区域，具有很低的磁导率，有效减少漏磁。
46.请参见图2，本发明电机转子叠片粉末冶金工艺的压制成形示意图，先将与粘结剂混合均匀的铁素体不锈钢粉末加入压制模具中，在凸模的作用下进行预压制，将铁素体粉末压实。然后取出凸模，向凸模压出凹陷的位置加入奥氏体粉末，再进行终压制。压制完成之后进行烧结，冷却后进行切割得到单个电机转子叠片。
47.请参见图3，本发明某一实例材料的xrd图，由图中可以得知，该实例的铁素体区具有明显的铁素体峰，而无明显的奥氏体峰，可知该区域为单相铁素体不锈钢，可以作为转子叠片基体进行导磁。还可以得出该实例的奥氏体区具有明显的奥氏体峰，而无明显的铁素体峰，可以得知该区域为单相奥氏体不锈钢，可以作为转子叠片的阻磁区域代替磁桥避免磁泄漏。
48.由于粉末冶金可以压制成最终尺寸的压坯，不需要再使用机械加工。用这种方法生产金属的损耗只有1-5％，而一般的加工则会耗损金属80％。
49.本发明先采用固溶渗氮对部分的基体粉末进行氮化，然后将基体粉末和氮化后的粉末进行选区的铺粉，并采用分步压制后进行压制成形和烧结，可以得到具备不同组织分区或高低磁导率的板材，然后应用于电机转子叠片，使原先磁桥存在的区域不导磁，降低磁通量损耗，可以显著提高电机的磁利用率和叠片的力学强度，提高电机的功率密度、能量转化效率和峰值转速等。
50.实例一
51.原材料为：fe-cr-mn不锈钢粉末
①
，成分为12％cr，4％mn，其余为铁。平均粒度为40微米；采用硬脂酸作为粘结剂。
52.首先将不同粉末分别与粘结剂加热混合均匀，然后利用球磨机球磨造粒，得到颗粒均匀的成形粉料。然后采用模压成形叠片毛坯，将
①
的铁素体粉料先加入模具预压制，再取出凸模，在凸模的位置加入
①
的奥氏体粉料进行终压制。然后采用在真空干燥炉进行脱脂处理，温度为100℃，时间为60min。脱脂结束后将叠片毛坯放入烧结等静压炉中，以8℃/min升温速率升温至1350℃进行烧结，保温60min，待烧结密度达到大于92％，孔隙基本消失，增加氩气压强至10mpa，保持60min，零件烧结密度接近99％，降低压力，快速冷却。烧结结束之后，对叠片毛坯进行回火处理以消除其内应力。
53.实例二
54.原料为：fe-cr-mn-si不锈钢粉末
②
，成分为16％cr，4％mn，2％mn，其余为铁。平均粒度为20微米；采用硬脂酸作为粘结剂。
55.首先将不同粉末分别与粘结剂加热混合均匀，然后利用球磨机球磨造粒，得到颗粒均匀的成形粉料。由于粉末粒度的限制，所以球磨时加倍球磨时间保证均匀性和粒度。然后将
②
的铁素体粉末先加入模具预压制，取出凸模，在凸模所在凹陷处加入
②
的奥氏体粉末进行终压制。然后采用在真空干燥炉进行脱脂处理，温度为100℃，时间为90min。脱脂结束后将叠片毛坯放入烧结等静压炉中，以8℃/min升温速率升温至1350℃进行烧结，保温60min，待烧结密度达到大于92％，孔隙基本消失，增加氩气压强至10mpa，保持60min，零件烧结密度接近99％，降低压力，快速冷却。烧结结束之后，对叠片毛坯进行回火处理以消除其内应力。
56.上面结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员
在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。