专利名称：用纳米结构铁素体合金形成的产品的制作方法
技术领域：
本发明一般涉及包括软磁元件(soft magnetic component)的产品，更具体地，本发明一般涉及包括含有纳米结构铁素体合金(nanostructured ferritic alloy)的软磁元件的产品。
背景技术：
软磁元件在很多应用中，特别在电气和电磁装置中具有关键的作用。对轻型和小型的电机的需求在不断增长。可通过增大电机转速来实现对小型电机的设计。为使电机高速运行，这些电机需要能在高磁通密度下运行的材料。元件也必须根据使用寿命要求而具有高的抗张强度，且不会结构失效。同时元件应能允许相对低的磁心损耗。所属领域技术人员清楚使用传统材料形成软磁元件时，要同时达到高机械强度和极好的软磁性会是困难的。一般地，获得高强度元件是以牺牲重要的磁特性(magnetic properties)，例如磁饱和 (magnetic saturation)与磁心损耗的代价来获得的。因此，希望一种改进的包括软磁元件的产品，在从较高应力和较低温到较高温和较低应力的情况下，它都能保持其机械的完整性和磁特性。
发明内容
在一个实施例中，提供一种产品。该产品包括软磁元件。软磁元件含有纳米结构铁素体合金。纳米结构铁素体合金包括多个设置在含铁合金基体内的纳米部件 (nanofeatures)，其中该纳米部件包含氧化物。
当阅读以下和附图一起的详细描述后，本发明的这些和其它特征，方面以及优点将变得更好理解，在整个附图中，相似的附图标号代表相似部分，其中图1是电磁装置的示例性说明。
附图标记
100电机
110转子组件
112转子轴
114转子铁芯
116定子组件
118轴承组件
120轴承组件
122定子绕组
具体实施方式
在很多应用于包括航空、风力发电和电动车的很多电气装置和元件中，会需要相对高磁导率、高饱和磁化(saturation magnetization)、低磁心损耗以及高机械强度的磁性材料。对具有改进磁特性和高机械强度的软磁部件有持续的需求。这里描述的本发明的实施例解决了现有技术的显著缺点。在此公开了包括软磁元件的产品。软磁元件含有纳米结构铁素体合金。纳米结构铁素体合金包括多个设置在含铁合金基体内的纳米部件，其中该纳米部件包含氧化物。该产品可用于例如电动机或发电机的装置中，电动机或发电机在旋转元件中使用磁性材料，其中机械完整性和磁特性都能影响整个的性能、寿命以及其它因素。和现有材料比较，使用纳米结构的铁素体合金形成软磁元件，使旋转元件具有相对更高的强度，相对更低的矫顽力损耗，和相对更高的饱和磁化。下面将描述本发明的一个或多个特定实施例。为使这些实施例的描述简洁，说明书中可能不描述实际实施的全部特征。应理解在任意实际实施的发展中，例如在任意工程或设计项目中，多种特定的实施决策必须要达到设计者的特定目标，例如应遵守系统相关或商业相关的限制，它们在不同的实施中会有变化。而且，应理解这种发展努力会复杂且费时，但对那些理解本发明的普通技术人员来说，这些只不过是常规的设计、制造和生产任务。当介绍本发明各种实施例的部件时，冠词“一个”和“该”意味着有一个或多个该部件。用语“包括”，“包含”和“具有”意味着包含并且意味着还可有不属于所列部件的其它附加部件。而且，使用“顶”，“底”，“上面”，“下面”以及这些用语的变形是为了方便起见， 除非另有说明，并不确指任何特定的元件方向。这里公开的范围包括端点，并且端点是可以相互结合的。用语“第一”，“第二”以及在此使用的相似描述并不指代任何顺序，数量或重要性，只是用于将一个部件和另一个部件区分开。在整个说明书和权利要求书中使用的近似语言，可用来修正任意允许改变而不会导致可能相关基本功能的变化的定量描述。相应地，一个数值被例如“大约”的用语修正后就不限于特定的精确值。在一些情况下，近似语言可相当于用于测量数值的仪器的精度。在一个实施例中，提供了一种产品。该产品包括软磁元件。软磁元件含有纳米结构铁素体合金。纳米结构铁素体合金是一种新兴的合金族。典型的纳米结构铁素体合金包括在其基体内由纳米部件加强的含铁合金基体，这里使用的用语“纳米部件”的意思是最长维度在尺寸上小于约100纳米的物体粒子。纳米部件可具有任意形状，包括例如球形，立方形，晶状体形和其它形状。纳米结构铁素体合金的电磁和机械特性可通过控制例如基体内纳米部件的密度(即数量密度一单位体积内的粒子数)、纳米部件的组成以及形成产品的过程来控制。纳米结构铁素体合金的纳米部件包含氧化物。在一个实施例中，氧化物包括钛以及至少一种从钇、铪、铝或锆中选出的附加元素，并且在特定的实施例中，附加成分是钇。在某些实施例中，氧化物还包括一种或多种其它元素，例如铬、镍、铁、钼、钨、铌、铝、钽、钴或钒。氧化物的实际组成部分地依赖于合金基体的组成以及用来处理材料的原料的组成，这将在下面更详细讨论。在特定的实施例中，氧化物包括钛和钇。在一个实施例中，纳米部件的数量密度是每立方米的纳米结构铁素体合金中至少约有IO18个纳米部件。在另一个实施例中，纳米部件的数量密度是每立方米的纳米结构铁素体合金中至少约有102°个纳米部件。而在又一个实施例中，纳米部件的数量密度是每立方米的纳米结构铁素体合金中至少约有个纳米部件。在一个实施例中，纳米部件的平均尺寸在约1纳米到约100纳米的范围内。在另一个实施例中，纳米部件的平均尺寸在约1纳米到约50纳米的范围内。在又一个实施例中， 纳米部件的平均尺寸在约1纳米到约25纳米的范围内。拥有这种非常精细纳米部件的优点是纳米部件可以阻止位错运动，因此加强了材料，并且纳米部件的尺寸与基体材料的磁畴壁厚度相当，因此它们不会显著阻止磁畴壁的运动。因此，纳米部件增强了基体却没有同时降低软磁特性，这和具有更粗糙粒子分布的传统材料，例如氧化物弥散加强(0DQ材料相反。在一个实施例中，合金基体包括钛，至少大约35%重量的铁，和至多约60%重量的钴。在一个实施例中，纳米结构铁素体合金中铁的份量至少约为50%重量，并且在特定实施例中，铁的份量至少为约75%重量，这基于纳米结构铁素体合金的重量。在一些实施例中，钴的份量从约20%重量到约55%重量。在特别希望高的饱和磁化的一些实施例中，钴成分在从约20%重量到约35%重量范围内。在特别希望低的磁心损耗的其它实施例中，钴成分在从约45%重量到约55%重量范围内。在一些实施例中，钛在从约0. 重量到约2%重量范围内。在一些实施例中，合金基体包括大约0. 重量到大约重量的钛。除了其存在于基体中之外，钛起到了形成这里所述的氧化物纳米部件的作用。钒在某些实施例中也出现在合金基体中，它在其中起到加强合金基体的作用。在一些实施例中，钒在从约0. 重量到约2%重量范围内，并且在特定的实施例中，钒在从约0. 重量到约重量范围内。在某些情形下，希望富铁合金含有比上述一些实施例少的钴，部分原因在于，例如钴的价格比铁高。相应地，在一些实施例中，合金基体包括钛，至少约40 %重量的铁，和至多约8%重量的硅。在特定的实施例中，钴的含量少于约5%重量。在一些实施例中，硅的含量在从约重量到约6%重量范围内，并且在特定的实施例中，硅的含量在从约2%重量到约5%重量范围内。在一些实施例中，钛的含量在前述关于本发明实施例中使用的其它合金的任意钛成分范围内。在前述任意实施例中，其它元素还可包括在合金基体的成分中。例如包括，但不限于铬、镍、钼、钨、硅、铌、铝和钽。典型地选择这些元素来加强纳米结构铁素体合金的防腐， 机械特性，和/或其它性能。铬含量至多为约30%重量，在一些实施例中至多为约20%重量，并且在特定实施例中至多为约10%重量。在这些合金中钒的含量可为前述钒含量的任意范围。钼的含量至多可为大约5%重量，在一些实施例中至多为约3%重量，并且在特定实施例中至多为约 0. 5%重量。钨的含量可为前述钼含量的任意范围，但应理解钼和钨、以及这里描述的任意元素的存在及数量是相互独立的。硅可包含在这里描述的任一合金中，含量为在以前描述的任一这种元素含量的范围内。在一些实施例中，铌含量至多为约2%重量，在某些实施例中至多为约1. 5%重量，并且在特定实施例中至多为约0. 5%重量。钽和铝可独立地在重量百分比上在上述铌的任意范围内。在一些实施例中，镍含量至多为约10 %重量，在某些实施例中至多为约8%重量，并且在特定实施例中至多为约5%重量。而且，合金基体可包含碳和/或氮。这些元素在一些实施例中，含量至多为约0. 5%重量，在某些实施例中至多为约 0. 25%重量，并且在特定实施例中至多为约0. 1%重量。附加元素以可控的数量出现，可为该合金带来期望的其它特性。这些附加物数量的选择不应妨碍合金的磁性能。另外，该合金还可包括相似服务或应用的商业级合金中的普通杂质。这些杂质控制在不有害地影响期望的特性的水平。在某些实施例中，本发明的纳米结构铁素体合金具有晶体结构，并且基本上不具有任意非晶质的特性。因此，合金提供了优异的模制和加工性能，并且晶体结构提供了加强的磁性能(例如，饱和磁化)和即精确的终端应用需要的强度。一般地，合金基体的特征为 A2和/或B2晶体结构。在大部分实施例中，至少约95%可测相的特征为这些晶体结构(单个或结合)。在一些实施例中，至少约98%可测相的特征为A2和/或B2。其它相，有时组成合金的剩余结构，包括氧化物相和碳化物相。在钴含量大于约20%重量的合金基体的实施例中，其特征可为B2相。一些纳米结构铁素体合金组成的非限制性例子示于下面的表1中。
权利要求
1.一种产品，包括 软磁元件，其中，所述软磁元件含有纳米结构铁素体合金，所述纳米结构铁素体合金包括多个设置在含铁合金基体内的纳米部件，所述纳米部件包含氧化物。
2.根据权利要求1所述的产品，其特征在于，所述软磁元件是旋转元件。
3.根据权利要求1所述的产品，其特征在于，所述软磁元件是转子或电枢。
4.根据权利要求1所述的产品，其特征在于，所述纳米部件具有在从约1纳米到约100 纳米的范围内的平均尺寸。
5.根据权利要求1所述的产品，其特征在于，所述纳米部件的数量密度是每立方米的纳米结构铁素体合金中至少有约IOw个纳米部件。
6.根据权利要求1所述的产品，其特征在于，所述合金基体包括 钛，至少约35%重量的铁，和至多约60%重量的钴。
7.根据权利要求1所述的产品，其特征在于，所述合金基体包括 钛，至多约8%重量的硅，和至少约40%重量的铁。
8.根据权利要求1所述的产品，其特征在于，所述氧化物包括 钛，和至少一种从钇、铪、铝和锆中选择的元素。
9.根据权利要求1所述的产品，其特征在于，所述纳米结构铁素体合金包括 合金基体，所述合金基体包括至少约35%重量的铁， 约0. 重量到约重量的钛，和约20%重量到约55%重量的钴；以及设置在所述合金基体内的多个纳米部件，其中，所述纳米部件包括氧化物，所述氧化物包括钛和至少一种从钇、铪、铝和锆中选择的元素；其中，所述纳米部件具有在从约1纳米到约50纳米的范围内的平均尺寸，并且具有每立方米的纳米结构铁素体合金中至少有约102°个纳米部件的数量密度。
10.根据权利要求1所述的产品，其特征在于，所述纳米结构铁素体合金包括 合金基体，所述合金基体包括至少约50%重量的铁，从约0. 重量到约重量的钛，和至多约8%重量的硅；以及设置在所述合金基体内的多个纳米部件，其中，所述纳米部件包括氧化物，所述氧化物包括钛和至少一种从钇、铪、铝和锆中选择的元素；其中，所述纳米部件具有在从约1纳米到约50纳米的范围内的平均尺寸，并且具有每立方米的纳米结构铁素体合金中至少有约102°个纳米部件的数量密度。
全文摘要
本申请涉及用纳米结构铁素体合金形成的产品。在一个实施例中，提供了一种产品。该产品包括软磁元件。软磁元件含有纳米结构铁素体合金。纳米结构铁素体合金包括多个设置在含铁合金基体内的纳米部件，其中该纳米部件包含氧化物。
文档编号H02K1/02GK102570634SQ20111043028
公开日2012年7月11日 申请日期2011年10月29日 优先权日2010年10月29日
发明者F·约翰森, M·J·爱林格, R·迪多米奇奥 申请人:通用电气公司