本发明属于机械技术领域，涉及一种比例变量泵电磁铁。
背景技术：
比例电磁铁作为一种广泛应用于液压传动及控制领域的电－机械转换器，具有驱动力大、易于维护、成本低等优点。比例电磁铁作为电液比例控制系统中的关键驱动部件，其性能直接决定电液比例控制阀以至整个系统的工作性能，因此，对比例电磁铁这类电－机械转换器的研究一直是流体传动及控制领域的研究热点。比例电磁铁的主要功能是将电流信号成比例地转换为力输出或位移输出，其主要结构部件有：线圈、导磁套、可动铁芯、导套、固定磁极、壳体、轴承、推杆等。但是现有的铁芯采用软磁材料制成，其耐腐蚀性较差，无法适用于易腐蚀的环境中，限制了比例电磁铁的应用。
技术实现要素：
本发明的目的是针对现有技术存在的上述问题，提出了一种耐腐蚀、铁损小、使用寿命长的比例变量泵电磁铁。
本发明的目的可通过下列技术方案来实现：
一种比例变量泵电磁铁，包括线圈、导套、固定磁极和铁芯，所述铁芯由硅钢片制成，所述硅钢片包括芯部、过渡层和绝缘耐蚀层，所述绝缘耐蚀层由以下重量份数的原料制成：18-20份Si3N4粉、25-33份BeO粉、26-30份聚甲醛、12-16份Cu粉、10-15份Al粉、1-2份Gd粉、2-6份阳离子淀粉、18-23份环氧树脂，15-20份固化剂。
本发明通过合理设置电磁铁铁芯所用硅钢片的结构层次，在硅钢片的外层设置绝缘耐蚀层，有效提高了硅钢片的耐蚀性能，并在绝缘耐蚀层和作为基体的芯部之间设置过渡层，使芯部到绝缘耐蚀层的过渡平稳，防止材质的性能突变导致容易分层的现象发生。其中，本发明通过合理配伍绝缘耐蚀层的原料组分，Si3N4粉和BeO粉均具有良好的导热散热性能，能够提高绝缘耐蚀层的导热散热性能；聚甲醛能够提高Si3N4、BeO之间的相容性，并能降低环氧树脂固化后的脆性，从而提高绝缘耐蚀层的整体性能，但是聚甲醛不能添加过多，否则会影响环氧树脂的固化，降低绝缘耐蚀层的附着性。阳离子淀粉和Gd能够促进聚甲醛与环氧树脂的相容性，并可提高绝缘耐蚀层与过渡层的连接紧密性。Cu粉和Al粉能够提高绝缘耐蚀层的韧性，提高绝缘耐蚀层的整体性能。
作为优选，所述Si3N4粉和BeO粉的粒径为3-5μm，所述Cu粉、Al粉的粒径均为0.1-0.8μm。
本发明将Si3N4粉、BeO粉、Cu粉、Al粉的粒径控制在不同的范围内，有利于形成级配效应，有利于形成良好的微观结构，有效提高了绝缘耐蚀层的强度。并且Cu粉、Al粉的粒径控制在0.1-0.8μm内，能够降低绝缘耐蚀层的摩擦系数，从而降低硅钢片表面的磨损，进而降低铁芯在使用过程中的磨损，以及摩擦过程中产生的热量，提高使用效率和使用寿命。
作为优选，所述Gd粉的粒径为8-15nm。
本发明将Gd粉的粒径控制在8-15nm内，具有较高的活性，与阳离子淀粉产生协同作用，共同促进聚甲醛与环氧树脂的相容性，并可改善绝缘耐蚀层的微观结构。
作为优选，所述芯部由包括以下质量百分比组分的硅钢合金制成，0.04-0.05％C、3.5-5.5％Si、1.0-2.0％Al、0.3-0.5％Mn、0.05-0.07％Cr、0.5-0.8％Sn、0.4-0.6％N、0.03-0.08％Mo、0.08-0.16％Ga、0.2-0.6％Ag、0.005-0.01％Gd、0.3-0.9％纳米VC，其余为铁及不可避免的杂质。
本发明通过合理配伍硅钢合金的组分，有效保证了芯部的强度、韧性，降低了芯部的铁损，并提高了芯部的磁导率。本发明较常规的硅钢合金提高了C的含量，有效提高了硅钢合金的强度，但是C含量不能过高，否则会增加磁时效，提高硅钢合金的铁损值，增大α-Fe的矫顽力，加大磁滞损失，降低硅钢合金的磁感应强度。本发明中的N元素能够促进奥氏体的形成，从而增加硅钢合金的力学性能。本发明中的Si元素能够与氧结合，使氧转变为稳定的不为碳还原的SiO2，避免了因氧原子掺杂而使铁的晶格畸变，同时Si在α-Fe中固溶增加了硅钢合金的电阻率，且有助于分离出有害杂质C，因此Si元素的添加能提高磁导率、降低矫顽力和铁损，但含硅量过高会增加硅钢材料的硬脆性，降低其导热性和韧性。本发明中的Al元素具有固氮除氧、促进晶粒生长、提高电阻率、减小磁的各向异性常数，进而降低铁损以及提高硅钢合金韧性的作用。但是Al元素含量不能过低，否则Al与N形成细小弥散的AlN，会阻碍硅钢合金在退火处理时晶粒长大，从而降低磁性能，而当Al元素含量过高时，会提高硅钢的退火温度，增加能耗。本发明中的Mn能够改善硅钢合金的晶体结构，从而改善其磁性能，但是Mn含量过高会使硅钢合金微观组织变坏，反而不利于磁性能的提高。本发明中的Sn元素能够在AlN和基体界面处偏聚，阻碍AlN的过大增长，从而减少初次晶粒尺寸，在退火后得到更为完善的二次结晶组织，提高硅钢的取向度和磁性，降低铁损。本发明中的Mo元素能与C形成碳化合物，一方面可提高硅钢合金的硬度和耐磨性能，另一方面能降低硅钢合金的时效，防止硅钢合金在退火后晶粒回涨，铁损增加。本发明中Ga元素的添加能够抑制退火时的AlN沉淀，从而防止AlN沉淀对不利于磁性的晶粒结构的存进生长。但过多的Ga元素会对磁畴产生钉扎作用，导致磁性能的恶化。本发明中Ag元素能够改善硅钢合金的耐腐蚀性和韧性，改善晶粒内部的塑性变形能力，经过退火处理，增大显微组织晶界的弯曲程度，加剧晶界间移动的阻碍，抑制晶粒长大，从而提供了更高的强度和塑性变形能力。适量Gd的添加能够减少硅钢中的偏析，提高硅钢内部组织的均匀性，减少硅钢材料中的细小夹杂物，提高硅钢的力学性能和磁性能。适量纳米VC的添加能够降低硅钢合金退火处理后的时效时间，降低铁损。
作为优选，所述过渡层包括以下质量百分比组分，0.04-0.05％C、3.5-5.5％Si、1.0-2.0％Al、0.3-0.5％Mn、0.05-0.07％Cr、0.5-0.8％Sn、0.4-0.6％N、0.03-0.08％Mo、0.08-0.16％Ga、0.2-0.6％Ag、0.005-0.01％Gd、0.3-0.9％纳米VC、3.0-5.5％碳纤维，其余为铁及不可避免的杂质。
本发明在过渡层中添加适量的碳纤维，有效提高了过渡层的强度和耐磨性能，而本发明硅钢片的芯部柔韧性较好，从而使硅钢片形成内韧外硬的结构，有效提高了硅钢片的使用性能，使硅钢片在使用时各方向受力均不易折断，且硅钢片之间的摩擦性能好，不易产生错位，影响铁芯质量。碳纤维在过渡层的表面突出形成毛刺结构，增加了绝缘耐蚀层与过渡层的贴合紧密性。
作为优选，所述过渡层的碳纤维的含量由芯部与过渡层的界面处至过渡层与绝缘耐蚀层的界面处逐渐增加。
本发明将碳纤维的含量从内层到外层逐渐增加，形成一个渐变的过渡层，使硅钢片的硬度从内到外逐渐增加，提高了芯部与过渡层的结合紧密性，防止了材质突然的变化导致的分层现象。
作为优选，所述碳纤维的长度为0.1-0.8μm，长径比为20-60。
理论上，碳纤维的长径比越大，其增强效果越明显，但是碳纤维过长，容易在基体中绞结成团，不利于分散，而碳纤维过短，不利于在基体中形成增强网络，降低增强效果；碳纤维长径比过高，影响强度的增强效果。
作为优选，所述过渡层和绝缘耐蚀层之间还具有辅助层，所述辅助层由粒径为1-10nm的SiC涂覆在过渡层上形成。
纳米SiC具有较高的活性，能够与绝缘耐蚀层中的活性基团发生键连接，从而提高过渡层与绝缘耐蚀层的结合紧密性，纳米SiC能够与绝缘耐蚀层中的阳离子淀粉连接生成弹性链，从而提高绝缘绝缘耐蚀层的抗冲击性能。
作为优选，所述辅助层的制备过程为，对过渡层表面进行等离子处理，然后在过渡层表面涂覆SiC的乙醇分散液，然后进行高温处理。
等离子处理能够在过渡层表面产生刻痕作用，加大纳米SiC与过渡层表面的接触面积，并对过渡层表面产生活化作用，使过渡层表面与纳米SiC产生键连接，提高纳米与多镀层的连接紧密性。同时，等离子处理能够在过渡层表面产生刻痕作用，在刻痕区形成亚晶界，使磁畴细化，降低铁损，但是等离子处理产生的亚晶界并不稳定，在等离子处理后有恢复的趋势，辅助层中的纳米SiC粒子同时能够进入该亚晶界中，降低其恢复趋势，从而稳定降低铁损的效果。
作为优选，所述等离子处理的工作气体为Ar气、NH3、空气中的一种或几种的混合。
作为优选，所述等离子处理的电压为135-165V，电压频率为30-50kHz，时间为20-30s。
作为优选，所述高温处理为，在Ar气氛环境下，以20-30℃/s的速度升温至800-850℃，保温20-30min，然后以15-20℃/s的速度降温至350-400℃，保温10-30min，再自然冷却至室温。
本发明在800-850℃进行高温处理，硅钢基体内部微晶结构能够在等离子处理的基础上再产生一定量的不同类型的亚晶界，而在此温度下，纳米SiC粒子能够快速进入等离子处理产生的亚晶界中，并在保温过程中稳定下来，然后降温至350-400℃时，硅钢基体内部微结构基本稳定，再经过一段时间的保温，内部应力进一步消除，自然冷却至室温后，内部微结构完全稳定，无需再进行更多的时效处理。
作为优选，所述绝缘耐蚀层的制备过程为：将绝缘耐蚀层的原料混合均匀，涂覆在辅助层上，在110-130℃温度下处理10-15min，然后在50-60℃的真空环境下固化6-8h。
本发明将绝缘耐蚀层的原料在110-130℃温度下处理10-15min能够使聚甲醛熔化，然后在50-60℃的真空环境下固化6-8h，能够有效使绝缘耐蚀层成型，真空环境下能够显著加快固化速度。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：本发明通过合理设置硅钢片的结构层次，并对各层材质的配方进行合理配伍，有效降低了硅钢片的铁损，提高了硅钢片芯部的韧性、过渡层的强度、绝缘耐蚀层的耐腐蚀性能，以及各层的连接性能，从而有效提高了铁芯的使用性能和使用寿命。
具体实施方式
以下是本发明的具体实施例，对本发明的技术方案作进一步的描述，但本发明并不限于这些实施例。
实施例1
本实施例中的比例变量泵电磁铁，包括线圈、导套、固定磁极和铁芯，铁芯由硅钢片制成，硅钢片包括芯部、过渡层、辅助层和绝缘耐蚀层。
其中，芯部由包括以下质量百分比组分的硅钢合金制成，0.04％C、3.5％Si、1.0％Al、0.3％Mn、0.05％Cr、0.5％Sn、0.4％N、0.03％Mo、0.08％Ga、0.2％Ag、0.005％Gd、0.3％纳米VC，其余为铁及不可避免的杂质，N元素以氮化铬铁的形式加入。
过渡层由掺杂有碳纤维的硅钢合金制成，包括以下质量百分比组分，0.04％C、3.5％Si、1.0％Al、0.3％Mn、0.05％Cr、0.5％Sn、0.4％N、0.03％Mo、0.08％Ga、0.2％Ag、0.005％Gd、0.3％纳米VC、3.0％碳纤维，其余为铁及不可避免的杂质；碳纤维的长度为0.1-0.8μm，长径比为20-60，碳纤维的含量由芯部与过渡层的界面处至过渡层与绝缘耐蚀层的界面处逐渐增加，N元素以氮化铬铁的形式加入。
辅助层的制备过程为，对过渡层表面进行等离子处理，然后在过渡层表面涂覆粒径为1-10nm的SiC的乙醇分散液，然后进行高温处理；等离子处理的工作气体为Ar气，等离子处理的电压为135V，电压频率为30kHz，时间为30s；高温处理为，在Ar气氛环境下，以20℃/s的速度升温至850℃，保温20min，然后以15℃/s的速度降温至400℃，保温10min，再自然冷却至室温。
绝缘耐蚀层的制备过程为：将18份Si3N4粉、33份BeO粉、26份聚甲醛、16份Cu粉、10份Al粉、2份Gd粉、2份阳离子淀粉、18份环氧树脂，15份固化剂混合均匀，涂覆在辅助层上，在110℃温度下处理15min，然后在50℃的真空环境下固化8h，Si3N4粉和BeO粉的粒径为3-5μm，所述Cu粉、Al粉的粒径均为0.1-0.8μm，Gd粉的粒径为8-15nm。
实施例2
本实施例中的比例变量泵电磁铁，包括线圈、导套、固定磁极和铁芯，铁芯由硅钢片制成，硅钢片包括芯部、过渡层、辅助层和绝缘耐蚀层。
其中，芯部由包括以下质量百分比组分的硅钢合金制成，0.04％C、4.3％Si、1.5％Al、0.4％Mn、0.06％Cr、0.6％Sn、0.45％N、0.05％Mo、0.12％Ga、0.4％Ag、0.008％Gd、0.6％纳米VC，其余为铁及不可避免的杂质，N元素以氮化铬铁的形式加入。
过渡层由掺杂有碳纤维的硅钢合金制成，包括以下质量百分比组分，0.04％C、4.3％Si、1.5％Al、0.4％Mn、0.06％Cr、0.6％Sn、0.45％N、0.05％Mo、0.12％Ga、0.4％Ag、0.008％Gd、0.6％纳米VC、4.3％碳纤维，其余为铁及不可避免的杂质；碳纤维的长度为0.1-0.8μm，长径比为20-60，碳纤维的含量由芯部与过渡层的界面处至过渡层与绝缘耐蚀层的界面处逐渐增加，N元素以氮化铬铁的形式加入。
辅助层的制备过程为，对过渡层表面进行等离子处理，然后在过渡层表面涂覆粒径为1-10nm的SiC的乙醇分散液，然后进行高温处理；等离子处理的工作气体为NH3，等离子处理的电压为165V，电压频率为50kHz，时间为20s；高温处理为，在Ar气氛环境下，以30℃/s的速度升温至800℃，保温30min，然后以20℃/s的速度降温至350℃，保温30min，再自然冷却至室温。
绝缘耐蚀层的制备过程为：将20份Si3N4粉、25份BeO粉、30份聚甲醛、12份Cu粉、15份Al粉、1份Gd粉、6份阳离子淀粉、23份环氧树脂，20份固化剂混合均匀，涂覆在辅助层上，在130℃温度下处理10min，然后在60℃的真空环境下固化6h，Si3N4粉和BeO粉的粒径为3-5μm，所述Cu粉、Al粉的粒径均为0.1-0.8μm，Gd粉的粒径为8-15nm。
实施例3
本实施例中的比例变量泵电磁铁，包括线圈、导套、固定磁极和铁芯，铁芯由硅钢片制成，硅钢片包括芯部、过渡层、辅助层和绝缘耐蚀层。
其中，芯部由包括以下质量百分比组分的硅钢合金制成，0.04％C、4.3％Si、1.5％Al、0.4％Mn、0.06％Cr、0.6％Sn、0.45％N、0.05％Mo、0.12％Ga、0.4％Ag、0.008％Gd、0.6％纳米VC，其余为铁及不可避免的杂质，N元素以氮化铬铁的形式加入。
过渡层由掺杂有碳纤维的硅钢合金制成，包括以下质量百分比组分，0.04％C、4.3％Si、1.5％Al、0.4％Mn、0.06％Cr、0.6％Sn、0.45％N、0.05％Mo、0.12％Ga、0.4％Ag、0.008％Gd、0.6％纳米VC、4.3％碳纤维，其余为铁及不可避免的杂质；碳纤维的长度为0.1-0.8μm，长径比为20-60，碳纤维的含量由芯部与过渡层的界面处至过渡层与绝缘耐蚀层的界面处逐渐增加，N元素以氮化铬铁的形式加入。
辅助层的制备过程为，对过渡层表面进行等离子处理，然后在过渡层表面涂覆粒径为1-10nm的SiC的乙醇分散液，然后进行高温处理；等离子处理的工作气体为空气，等离子处理的电压为150V，电压频率为40kHz，时间为25s；高温处理为，在Ar气氛环境下，以25℃/s的速度升温至830℃，保温25min，然后以18℃/s的速度降温至370℃，保温20min，再自然冷却至室温。
绝缘耐蚀层的制备过程为：将19份Si3N4粉、28份BeO粉、28份聚甲醛、14份Cu粉、13份Al粉、1.5份Gd粉、4份阳离子淀粉、21份环氧树脂，17份固化剂混合均匀，涂覆在辅助层上，在120℃温度下处理13min，然后在55℃的真空环境下固化7h，Si3N4粉和BeO粉的粒径为3-5μm，所述Cu粉、Al粉的粒径均为0.1-0.8μm，Gd粉的粒径为8-15nm。
实施例4
本实施例中的比例变量泵电磁铁，包括线圈、导套、固定磁极和铁芯，铁芯由硅钢片制成，硅钢片包括芯部、过渡层、辅助层和绝缘耐蚀层。
其中，芯部由包括以下质量百分比组分的硅钢合金制成，0.05％C、5.5％Si、2.0％Al、0.5％Mn、0.07％Cr、0.8％Sn、0.6％N、0.08％Mo、0.16％Ga、0.6％Ag、0.01％Gd、0.9％纳米VC，其余为铁及不可避免的杂质，N元素以氮化铬铁的形式加入。
过渡层由掺杂有碳纤维的硅钢合金制成，包括以下质量百分比组分，0.05％C、5.5％Si、2.0％Al、0.5％Mn、0.07％Cr、0.8％Sn、0.6％N、0.08％Mo、0.16％Ga、0.6％Ag、0.01％Gd、0.9％纳米VC、5.5％碳纤维，其余为铁及不可避免的杂质；碳纤维的长度为0.1-0.8μm，长径比为20-60，碳纤维的含量由芯部与过渡层的界面处至过渡层与绝缘耐蚀层的界面处逐渐增加，N元素以氮化铬铁的形式加入。
辅助层的制备过程为，对过渡层表面进行等离子处理，然后在过渡层表面涂覆粒径为1-10nm的SiC的乙醇分散液，然后进行高温处理；等离子处理的工作气体为空气，等离子处理的电压为150V，电压频率为40kHz，时间为25s；高温处理为，在Ar气氛环境下，以25℃/s的速度升温至830℃，保温25min，然后以18℃/s的速度降温至370℃，保温20min，再自然冷却至室温。
绝缘耐蚀层的制备过程为：将19份Si3N4粉、28份BeO粉、28份聚甲醛、14份Cu粉、13份Al粉、1.5份Gd粉、4份阳离子淀粉、21份环氧树脂，17份固化剂混合均匀，涂覆在辅助层上，在120℃温度下处理13min，然后在55℃的真空环境下固化7h，Si3N4粉和BeO粉的粒径为3-5μm，所述Cu粉、Al粉的粒径均为0.1-0.8μm，Gd粉的粒径为8-15nm。
实施例5
本实施例中的比例变量泵电磁铁，包括线圈、导套、固定磁极和铁芯，铁芯由硅钢片制成，硅钢片包括芯部、过渡层、辅助层和绝缘耐蚀层。
其中，芯部由包括以下质量百分比组分的硅钢合金制成，0.05％C、5.5％Si、2.0％Al、0.5％Mn、0.07％Cr、0.8％Sn、0.6％N、0.08％Mo、0.16％Ga、0.6％Ag、0.01％Gd、0.9％纳米VC，其余为铁及不可避免的杂质，N元素以氮化铬铁的形式加入。
过渡层由掺杂有碳纤维的硅钢合金制成，包括以下质量百分比组分，0.05％C、5.5％Si、2.0％Al、0.5％Mn、0.07％Cr、0.8％Sn、0.6％N、0.08％Mo、0.16％Ga、0.6％Ag、0.01％Gd、0.9％纳米VC、5.5％碳纤维，其余为铁及不可避免的杂质；碳纤维的长度为0.1-0.8μm，长径比为20-60，碳纤维的含量由芯部与过渡层的界面处至过渡层与绝缘耐蚀层的界面处逐渐增加，N元素以氮化铬铁的形式加入。
辅助层的制备过程为，对过渡层表面进行等离子处理，然后在过渡层表面涂覆粒径为1-10nm的SiC的乙醇分散液，然后进行高温处理；等离子处理的工作气体为空气，等离子处理的电压为150V，电压频率为40kHz，时间为25s；高温处理为，在Ar气氛环境下，以25℃/s的速度升温至830℃，保温25min，然后以18℃/s的速度降温至370℃，保温20min，再自然冷却至室温。
绝缘耐蚀层的制备过程为：将20份Si3N4粉、25份BeO粉、30份聚甲醛、12份Cu粉、15份Al粉、1份Gd粉、6份阳离子淀粉、23份环氧树脂，20份固化剂混合均匀，涂覆在辅助层上，在130℃温度下处理10min，然后在60℃的真空环境下固化6h，Si3N4粉和BeO粉的粒径为3-5μm，所述Cu粉、Al粉的粒径均为0.1-0.8μm，Gd粉的粒径为8-15nm。
对比例1
采用常规硅钢组分制成硅钢片芯部和过渡层，其他与实施例3相同。
对比例2
硅钢片不包括过渡层和辅助层，其他与实施例3相同。
对比例3
硅钢片不包括辅助层，其他与实施例3相同。
对比例4
硅钢片的绝缘耐蚀层中不包括阳离子淀粉。
对比例5
采用常规硅钢组分制成硅钢片芯部和过渡层，且硅钢片不包括过渡层和辅助层，其他与实施例3相同。
将本发明实施例1-5、对比例1-5中制得的硅钢片的性能进行比较，比较结果如表1所示。
表1：实施例1-5、对比例1-5中硅钢片性能的比较
综上所述，本发明通过合理设置硅钢片的层次结构，并合理配伍各层材料的配方，有效提高了硅钢片的力学性能和各层之间的结合力，并降低了硅钢片的铁损，提高了硅钢片的耐腐蚀性。
本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。