多相磁性构件及形成方法与流程

关于联邦政府资助研发的申明

本发明是在美国能源部授予的合同号de-ee0005573的政府资助下制作出的。政府对本发明有一定权利。

相关申请的交叉引用

本申请是2013年10月31日提交的题为"dualphasemagneticmaterialcomponentandmethodofforming"的共同未决美国专利申请卷号269697-1、序列号14/068937的继续部分案。

本公开内容的实施例大体上涉及包括多个区域的磁性构件，以及形成其的方法。更具体而言，本公开内容涉及具有带不同的氮含量的多个区域的磁性构件，以及其通过渗氮而形成。

背景技术：

对高功率密度和高效率的电机(例如，电动机和发电机)的需要对于多种应用长久以来是普遍的，特别是对于混合和/或电动车辆牵引应用。混合/电动车辆牵引马达应用的当前趋势在于提高转速来增大机器的功率密度，且因此减小其质量和成本。然而，认识到的是，当电机在混合/电动车辆中用于牵引应用时，存在功率密度、效率和机器的恒定功率速度范围之间的权衡。这种权衡可提出许多设计挑战。

具体而言，用于旋转电机中的磁性材料大体上用于多种功能。穿过电机中的空隙的磁通量与互补的极的有效耦合是期望的。磁性构件的软磁性材料还可承受电机的机械和结构负载的显著部分。有时，在材料的高效磁性利用与磁性材料的机械承载能力之间可能存在权衡。作为备选，机器的速度额定值有时可降低，以便允许具有高效磁性利用的机器拓扑。因此，期望的是具有通过局部地控制用于电机中的软磁性材料的饱和磁化的大小来避免电机的效率与可操作性之间的权衡的材料。

电机的功率密度可通过增大机器尺寸、改善热管理、提高转子速度或通过加强磁性利用来提高。磁性利用可通过使用转子叠片的处理和合金化处理的组合来提高，以通过形成高透磁率(permeability)和低透磁率的局部区域来产生多相磁性材料。高透磁率和低透磁率的局部区域大体上减小转子操作期间的通量损失。

转子叠片的一定范围的铁基软磁性成分可通过工艺组合来奥氏体化，以形成低透磁率区域。在选择的区域处的该相变一般在合金中存在碳化物时热驱动。在局部加热后，存在于选择的位置处的碳化物溶解在基质中，且抑制马氏体开始温度，从而有助于奥氏体区域在室温下的稳定。然而，相比于传统铁基磁性钢，碳化物存在于磁性微结构中已知会增大矫顽磁性且降低磁性饱和。期望在软磁体的不同区域中控制奥氏体相在室温下的稳定性同时从基本单相微结构开始的不同方法来减小矫顽磁性。本公开内容的实施例解决了这些和其它需要。

技术实现要素：

按照本公开内容的一个方面，公开了一种包括第一区域和第二区域的磁性构件。第一区域和第二区域特征为不同于彼此的氮含量。第一区域和第二区域中的至少一者是部分磁性的，且具有该区域的大约0.1重量%到大约0.4重量%的范围中的氮含量。第一区域和第二区域两者具有一定碳浓度(如果存在)，其小于相应区域的0.05重量%。

按照本公开内容的一个方面，公开了一种包括第一区域、第二区域和第三区域的磁性构件。第一区域包括磁性相，第二区域包括部分磁性相，且第三区域包括非磁性相。第一区域具有小于第一区域的0.1重量%的氮含量，第二区域具有第二区域的大约0.1重量%到大约0.4重量%的范围中的氮含量，且第三区域具有大于第三区域的0.4重量%的氮含量。此外，第一区域、第二区域和第三区域中的碳浓度小于相应区域的0.05重量%。

按照本公开内容的另一个方面，公开了一种用于改变磁性构件的不同区域的磁化值的方法。该方法包括将包括氮阻隔材料的涂层设置在磁性构件的至少一部分上，以形成遮盖物，以及在大于700℃的温度下在富氮气氛中热处理磁性构件来形成第一区域和第二区域。第一区域和第二区域特征在于不同于彼此的氮含量，且第一区域和第二区域中的至少一者是部分磁性的，且具有该区域的大约0.1重量%到大约0.4重量%的范围中氮含量。

实施方案1.一种磁性构件，包括：

第一区域和第二区域，其中所述第一区域和所述第二区域特征为不同于彼此的氮含量，其中

所述第一区域和所述第二区域中的至少一者是部分磁性的，且具有在该区域的大约0.1重量%到大约0.4重量%的范围中的氮含量；以及

所述第一区域和所述第二区域中的碳的浓度小于相应区域的0.05重量%。

实施方案2.根据实施方案1所述的磁性构件，其特征在于，所述第一区域和所述第二区域两者都包括铁基合金。

实施方案3.根据实施方案2所述的磁性构件，其特征在于，所述铁基合金还包括铬、锰或它们的组合。

实施方案4.根据实施方案1所述的磁性构件，其特征在于，所述磁性构件是整体形式。

实施方案5.根据实施方案1所述的磁性构件，其特征在于，所述第一区域的氮含量小于所述第一区域的0.1重量%，以及所述第二区域的氮含量在所述第二区域的大约0.1重量%到大约0.4重量%的范围中。

实施方案6.根据实施方案5所述的磁性构件，其特征在于，所述第一区域是磁性的，且所述第二区域是部分磁性的。

实施方案7.根据实施方案1所述的磁性构件，其特征在于，所述第一区域的氮含量大于所述第一区域的0.4重量%，以及所述第二区域的氮含量在所述第二区域的大约0.1重量%到大约0.4重量%的范围中。

实施方案8.根据实施方案7所述的磁性构件，其特征在于，所述第一区域是非磁性的，且所述第二区域是部分磁性的。

实施方案9.根据实施方案8所述的磁性构件，其特征在于，还包括第三区域，其中所述第三区域是磁性的，以及所述第三区域的氮含量小于所述第三区域的0.1重量%。

实施方案10.一种电机，包括实施方案1所述的磁性构件。

实施方案11.一种磁性构件，包括：

第一区域、第二区域和第三区域，其中

所述第一区域包括磁性相，所述第二区域包括部分磁性相，以及所述第三区域包括非磁性相；

所述第一区域具有小于所述第一区域的0.1重量%的氮含量，所述第二区域具有所述第二区域的大约0.1重量%到大约0.4重量%的范围中的氮含量，且所述第三区域具有大于所述第三区域的0.4重量%的氮含量；以及

所述第一区域、所述第二区域和所述第三区域中的碳的浓度小于相应区域的0.05重量%。

实施方案12.一种用于改变磁性构件的不同区域中的磁化值的方法，包括：

将包括氮阻隔材料的涂层设置在所述磁性构件的至少一部分上来形成遮盖物；以及

在高于700℃的温度下在富氮气氛中热处理所述磁性构件，以形成第一区域和第二区域，其中

所述第一区域和所述第二区域特征为不同于彼此的氮含量；以及

所述第一区域和所述第二区域中的至少一者是部分磁性的，且具有该区域的大约0.1重量%到大约0.4重量%的范围中的氮含量。

实施方案13.根据实施方案12所述的方法，其特征在于，所述第一区域和所述第二区域的氮含量的差异通过改变包括涂层厚度、涂层密度和表面涂层面积百分比中的一个或更多个的涂层参数来达成。

实施方案14.根据实施方案13所述的方法，其特征在于，所述涂层参数通过控制用于设置所述涂层的沉积参数来改变。

实施方案15.根据实施方案14所述的方法，其特征在于，所述第一区域和所述第二区域的氮含量的差异通过设置具有可变厚度的所述涂层来达成。

实施方案16.根据实施方案13所述的方法，其特征在于，所述第一区域和所述第二区域的氮含量的差异通过在所述热处理步骤之前有选择地除去所述涂层的部分来达成。

实施方案17.根据实施方案13所述的方法，其特征在于，还包括在所述磁性构件中形成第三区域，使得

所述第一区域为磁性的，所述第二区域为部分磁性的，且所述第三区域为非磁性的；以及

所述第一区域具有小于所述第一区域的0.1重量%的氮含量，所述第二区域具有所述第二区域的大约0.1重量%到大约0.4重量%的范围中的氮含量，且所述第三区域具有大于所述第三区域的0.4重量%的氮含量。

实施方案18.根据实施方案12所述的方法，其特征在于，所述第一区域和所述第二区域中的碳的浓度控制成小于相应区域的0.05重量%。

附图说明

在参照附图阅读以下详细描述时，本公开内容的这些及其它特征、方面和优点将变得更好理解，附图中相似的标号表示附图各处相似的部分，在附图中：

图1示出了按照一些实施例的包括第一区域和第二区域的磁性构件；

图2示出了按照一些实施例的包括多个第一区域和第二区域的磁性构件；

图3示出了按照一些实施例的包括第一区域、第二区域和第三区域的磁性构件；

图4示出了按照一些实施例的可由本文所述的方法使用的磁性构件中的遮盖物的构造；

图5示出了按照一些实施例的可由本文所述的方法使用的磁性构件中的遮盖物的构造；

图6示出了按照一些实施例的可由本文所述的方法使用的磁性构件中的遮盖物的构造；

图7示出了按照一些实施例的可由本文所述的方法使用的磁性构件中的遮盖物的构造；

图8示意性地示出了按照一些实施例的可获得的多相磁性构件的饱和磁化值；以及

图9示出了按照一些实施例的使用本文所述的方法制备的多相构件的截面视图。

具体实施方式

本公开内容的不同实施例涉及在磁性构件的不同区域中具有氮含量和饱和磁化的变化的磁性构件，以及改变磁性构件的不同区域中的饱和磁化的方法。

在一些实施例中，公开了一种磁性构件。本文所述的磁性构件包括第一区域和第二区域，其中第一区域和第二区域特征为不同于彼此的氮含量。

如本文使用的用语"磁性构件"是指任何产品的磁性零件，诸如马达的转子叠片。在一些实施例中，磁性构件由铁磁材料形成为最终应用所需的尺寸和形状。图1示出了按照一些实施例的磁性构件10。磁性构件10通常由具有小于0.05重量%的碳浓度的成分形成，且可具有任何形状和尺寸。这里为了便于理解，磁性构件10构想为具有带顶表面12和底表面14的矩形形状。

在一些实施例中，磁性构件10可具有一定长度(l)、宽度(w)和厚度(t)。磁性构件10包括两个标记区域，第一区域20和第二区域30，其中第一区域20和第二区域30特征为不同于彼此的氮含量。此外，第一区域20和第二区域30中的至少一个是部分磁性的，且具有该区域的大约0.1重量%到大约0.4重量%的范围中的氮含量。

区域中的氮含量与该特定区域的磁性相关联。在一些实施例中，区域的磁性随该区域中的氮含量减小而增大。因此，在一些实施例中，如果区域的氮含量小于该区域的0.1重量%，则该区域是磁性的，且如果区域的氮含量大于该区域的0.4重量%，则该区域是非磁性的。此外，如果氮含量在区域的大约0.1重量%到大约0.4重量%的范围中，则该区域是部分磁性的。

如本文所使用的，用语"磁性区域"是指区域的大约99体积%以上都是磁性的区域。此外，用语"磁性区域"是指具有大于1的相对透磁率的区域。在一些实施例中，磁性区域的相对透磁率可大于100，且在一些实施例中，磁性区域的相对透磁率可大于200。在一些实施例中，磁性区域的饱和磁化大于1.5特斯拉。在某些实施例中，磁性区域的饱和磁化大于1.8特斯拉。

如本文所使用的，用语"非磁性区域"是指区域的90体积%以上是非磁性的区域。此外，用语"非磁性区域"是指具有大致等于1的相对透磁率的区域。在一些实施例中，非磁性区域的饱和磁化大约为零。

如本文所使用的，用语"部分磁化区域"是指区域的大约10体积%到大约99体积%是磁性的，具有大于1的相对透磁率的区域。在一些实施例中，部分磁性相的饱和磁化在大约0.01到大约1.5特斯拉的区域中。在一些实施例中，部分磁化区域的饱和磁化在大约0.5到大约1.5特斯拉的范围中。

在一些实施例中，区域中的氮含量和饱和磁化穿过该区域内的体积基本恒定。例如，在一些实施例中，磁性区域中的氮含量具有小于0.1重量%的基本恒定的值，且饱和磁化具有穿过磁性区域的体积的大于1.5特斯拉的基本恒定的值。在一些实施例中，非磁性区域中的氮含量具有大于0.4重量%的基本恒定的值，且饱和磁化穿过非磁性区域的体积为大约零。此外，在一些实施例中，部分磁性的区域中的氮含量具有从大约0.1重量%到大约0.4重量%的范围中的基本恒定的值，且饱和磁化具有穿过部分磁性区域的体积的从大约0.5特斯拉到大约1.5特斯拉的范围中的基本恒定的值。

在一些实施例中，第一区域20的氮含量小于第一区域20的0.1重量%，且第二区域30的氮含量在第二区域30的大约0.1重量%到大约0.4重量%的范围中。在这些实施例中的一些中，第一区域20为磁性的，且第二区域30为部分磁性的。

在一些实施例中，第一区域20的氮含量大于第一区域20的0.4重量%，且第二区域30的氮含量在第二区域30的大约0.1重量5到大约0.4重量%的范围中。在这些实施例中的一些中，第一区域20为非磁性的，且第二区域30为部分磁性的。

在一些实施例中，第一区域20的氮含量具有第一区域20的大约0.1重量%到大约0.4重量%的范围中的基本恒定的值，且第二区域30的氮含量具有第二区域30的大约0.1重量%到大约0.4重量%的范围中的基本恒定的值，其中第一区域20和第二区域30的基本恒定的值不同于彼此。在这些实施例中的一些中，第一区域20和第二区域30两者是部分磁性的，但特征为不同于彼此的氮含量。

根据一些实施例，磁性构件可包括任何大小和形状的任何数目的第一区域和第二区域。在一些实施例中，磁性构件包括在彼此附近的多个第一区域和第二区域。

图2示出了按照本公开内容的一些实施例的磁性构件10。在一些实施例中，如图2中所示，磁性构件10可包括多个第一区域和第二区域。在图2中所示的实施例中，第一区域和第二区域示为设置在彼此附近或以交错方式设置。然而，其中第一区域和第二区域以随机方式穿过磁性构件的体积设置的实施例也在本说明书的范围内。在这些实施例中的一些中，两个或更多个部分磁化的区域可设置在彼此旁边。

又参看图2，磁性构件10包括：包括设置在彼此附近的多个第一区域20的第一部分22、包括设置在彼此附近的多个第二区域30的第二部分24，以及包括以交错方式设置的多个第一区域20和第二区域30的第三部分25。在一些实施例中，第一部分22中的多个第一区域20可具有相似的相对透磁率和饱和磁化值。类似地，在一些实施例中，第二部分24中的多个第二区域30可具有相似的相对透磁率和饱和磁化值。

此外，在一些实施例中，第三部分25中的第一区域20的相对透磁率可与第一部分22中的第一区域20中的相对透磁率相同，且第三部分25中的第一区域20的饱和磁化可与第一部分22中的第一区域20的饱和磁化相同。此外，在一些实施例中，第三部分25中的第二区域30的相对透磁率可与第二部分24中的第二区域30的相对透磁率相同，且第三部分25中的第二部分30的饱和磁化可与第二部分24中的第二区域30的饱和磁化相同。

在一些其它实施例中，第三部分25中的第二区域30的相对透磁率可与第二部分24中的第二区域30的相对透磁率不同，且第三部分25中的第二区域30的饱和磁化可与第二部分24中的第二区域30的饱和磁化不同。此外，在一些实施例中，第二部分24中的多个第二区域30的相对透磁率可与彼此相同或不同，且第二部分24中的多个第二区域30的饱和磁化可与彼此相同或不同。

在本公开内容中，如果两个区域之间的特定值的差异为两个区域中的任一个的特定值的至少5%，则指出两个区域的特定参数(例如，氮含量、磁性区域的体积%，或饱和磁化)是不同的。如本文使用的用语"差异"是指将通过从一个区域的参数值(例如，第二区域30中的氮含量)减去另一个区域的参数值(例如，第一区域20中的氮含量)来获得的数学差。因此，在一些实施例中，如果第一区域20的氮含量和第二区域30的氮含量具有第一区域20和第二区域30中的任一个的氮含量的至少5%的数学差，则第一区域20中的氮含量和第二区域30中的氮含量称为不同的。在一些实施例中，第一区域和第二区域的氮含量之间的差异大于10%。

在一些实施例中，如果第一区域20的饱和磁化和第二区域30的饱和磁化具有第一区域20和第二区域30中的任一个的饱和磁化的至少5%的数学差，则第一区域和第二区域的饱和磁化称为不同的。在一些实施例中，第一区域和第二区域的饱和磁化之间的差异大于10%。

应当注意的是，图1和2仅出于图示目的，且尽管多个第一区域和第二区域的尺寸和形状示为基本相似，但区域的形状和尺寸可变化。例如，图2中所示的第一区域和第二区域，或第一部分、第二部分和第三部分不必总是沿磁性构件10的长度(l)或沿磁性构件10的宽度(w)或厚度(t)。磁性构件10可设计成使得不同的第一区域20可具有相同或不同的形状、长度(l1)、宽度(w1)和厚度(t1)值。例如，第一部分22中的第一区域20的形状(未明确示出)、长度(l1)、宽度(w1)和厚度(t1)可分别与第三部分25中的第一区域20的形状、长度、宽度和厚度相同或不同。

此外，第二部分24中的第二区域30的形状(未明确示出)、长度(l2)、宽度(w2)和厚度(t2)可分别与第三部分25中的第二区域30的形状、长度、宽度和厚度相同或不同。此外，在一些实施例中，第二部分24中的多个第二区域30的形状、长度(l2)、宽度(w2)和厚度(t2)可与彼此相同或不同。

在一些实施例中，如图3中所示，磁性构件10还可包括第三区域40。第三区域40特征为不同于第一区域和第二区域的氮含量的氮含量。因此，在一些实施例中，第一区域20的氮含量大于第一区域的0.4重量%，第二区域30的氮含量在第二区域的大约0.1重量%到大约0.4重量%的范围中，且进一步，第三区域40的氮含量小于第三区域的0.1重量%。在这些实施例中的一些中，第一区域是非磁性的，第二区域是部分磁性的，且第三区域40是磁性的。

在一些实施例中，第一区域20的氮含量小于第一区域的0.1重量%，第二区域30的氮含量在第二区域的大约0.1重量%到大约0.4重量%的范围中，且第三区域40的氮含量大于第三区域的0.4重量%。在这些实施例中的一些中，第一区域20是磁性的，第二区域30是部分磁性的，且第三区域40是非磁性的。在一些实施例中，如图3中所示，部分磁性区域30设置在磁性区域20与非磁性区域40之间。

差异饱和磁化的区域的存在(诸如，马达构件中的磁性、部分磁性和非磁性区域)可允许穿过电机的体积的磁通量分布的精确控制。机器内的磁通量密度可在磁性区域中最高，在部分磁化区域中较低，且在非磁性区域中最低。此外，部分磁性和非磁性区域可有助于将高饱和磁化区域固定在一起，且在操作期间保持机器的机械完整性。此外，穿过机器的体积分布的不同饱和磁化的多个区域的存在可允许机器设计者控制机器内的磁通量的分布。

在一些实施例中，第一区域20和第二区域30两者的氮含量在相应区域的大约0.1重量%到大约0.4重量%的范围中，其中第一区域20中的氮含量不同于第二区域30中的氮含量。此外，第三区域40的氮含量大于第三区域的0.4重量%。在这些实施例中的一些中，第一区域和第二区域是部分磁性的，且第三区域40是非磁性的。在一些其它实施例中，第一区域和第二区域是部分磁性的，且第三区域是磁性的。

根据一些实施例，磁性构件10可在磁性构件10的任何部分中具有任何大小和形状的任何数目的第一区域、第二区域和第三区域。在一些实施例中，第一区域、第二区域和第三区域可位于彼此附近，或可与彼此分离。在一些实施例中，磁性构件可包括分别对应于磁性区域、部分磁性区域和非磁性区域的多个第一区域、第二区域和第三区域，其中部分磁性区域设置在磁性区域与非磁性区域之间。在这些实施例中，磁性区域和非磁性区域与彼此分开，且部分磁性区域在磁性区域和非磁性区域附近。

在一些实施例中，磁性构件10可具有包括至少一个部分磁性区域的多个区域。存在于多个区域中的其它区域可为磁性、非磁性或部分磁性区域。例如，在一些实施例中，多个区域可包括至少一个部分磁性区域和至少一个磁性区域。在一些实施例中，多个区域可包括至少一个部分磁性区域和至少一个非磁性区域。在一些实施例中，多个区域可包括至少两个部分磁性区域。在一些实施例中，如前文所述，磁性构件可包括至少一个磁性区域、至少一个部分磁性区域和至少一个非磁性区域。在一些实施例中，磁性构件10为整体形式。如本文使用的用语"整体形式"是指基本没有任何接头的连续结构。在一些实施例中，整体磁性构件可在处理期间形成为一个结构，而没有任何硬钎焊或多个烧结步骤。当磁性构件使用单种材料制成时，连结不同区域的不利效果通过确保磁性构件10的可靠性、气密性和提高的连结强度来减小。

在一些实施例中，整体磁性构件可由添加制造来制成。在一些实施例中，在任何烧结步骤之前，磁性构件制造为整体结构。在某些实施例中，整体磁性构件以其整体使用具有与起始材料相同成分的粉末制造。

因此，在一些实施例中，磁性构件10可由单种材料制备。作为实例，磁性构件可由包括磁性材料的起始材料制备。本文使用的磁性材料可为单一元素、合金、复合物或它们的任何组合。在一些实施例中，磁性构件可包括第一区域20和第二区域30两者中的铁基合金。

如前文公开那样，在一些实施例中，磁性构件内的区域中的氮含量与该特定区域的磁性相关联。在一些实施例中，区域的磁性与该区域中的氮含量的关联可取决于用于形成磁性构件的合金的成分，由于由合金成分确定的氮的溶解度差异而变化。因此，在一些实施例中，可包括在用于一种铁合金的磁性区域中的最大氮含量可不同于可包括在不同成分的另一铁合金的磁性区域中的最大氮含量。此外，可包括来形成不同成分的两种铁合金中的部分磁性的区域的氮含量范围可为不同的，且可包括来形成两种不同铁合金中的非磁性区域的最小氮含量可取决于两种铁合金的成分变化。

在一些实施例中，铁基合金还可包括铬、锰或它们的组合。在一些实施例中，铁基合金可具有铁素体或马氏体结构。在一些实施例中，铁基合金具有20重量%的铬和5重量%的锰的成分，其中余量基本为铁。在一些实施例中，铬和锰的浓度可分别在14到20重量%之间和2到5重量%之间，其中余量为铁。在一些实施例中，铁的一部分可由达到35重量%的钴替换。在一些实施例中，铬的一部分可由达到8重量%的铝替换。在一些实施例中，铁的一部分可由达到35重量%的钴替换，且铬的一部分可由达到8重量%的铝替换。在一些实施例中，该合金的磁性区域具有小于该区域的0.1重量%的氮含量，非磁性区域具有大于该区域的0.4重量%的氮含量，且部分磁性的区域具有该区域的大约0.1重量%到大约0.4重量%的范围中的氮含量。如前文所述，铁素体或马氏体结构转换成奥氏体增加了该合金中的非磁性和部分磁性相。

也称为gamma相铁(γ-fe)的奥氏体是铁的金属顺磁性同素异形体。将铁、铁基金属或钢加热至其将晶体结构从铁素体变为奥氏体的温度称为奥氏体化。在一些实施例中，奥氏体化可通过添加某些合金化元素来执行。例如，在一些实施例中，某些合金化元素(诸如锰、镍和碳)的加入可甚至在室温下稳定奥氏体结构。所选区域可通过在所选区域的部分处在室温下稳定奥氏体来制作成部分磁性的。此外，多相磁性构件可通过在磁性构件的一些区域中在室温下稳定奥氏体，同时保持磁性构件的一些其它区域处的强铁磁性马氏体或铁素体相来形成。

碳的存在已知稳定了非磁性奥氏体结构。早期的工作针对熔化磁性构件的选择区域中形成的碳化物，以稳定磁性构件的那些区域处的非磁性相。在一些实施例中，磁性构件的部分磁性区域通过加入氮而非碳而稳定低透磁率奥氏体结构来形成。作为第二相的碳化物已知对于磁性构件是非期望的。因此，在一些实施例中，磁性构件基本上没有碳。

然而，在本公开内容的其它实施例中，磁性构件可含有相对小水平的碳，其有时可提高磁性构件的抗拉强度。在这些实施例中，磁性构件的所有区域中的碳的总量可小于大约0.05重量%。在如上文所述的一些实施例中，磁性构件10具有第一区域和第二区域，其中第一区域和第二区域特征为不同于彼此的氮含量。在一些实施例中，磁性构件10的第一区域20和第二区域30的碳浓度小于该相应区域的0.05重量%。

在一些实施例中，公开了一种制造磁性构件10的方法。热动力和经验计算可用于预测在升高温度下添加氮来形成奥氏体相后的磁性构件10成分。使用设计的合金成分的磁性构件10可通过使用传统方法来制造。在一些实施例中，接近最终形式的由此制造的磁性构件经历选择性渗氮，而不需要在渗氮之后显著地改变形成的磁性构件的形状和尺寸。如本文使用的用语"选择性渗氮"是磁性构件的一些(期望)区域的受控渗氮，而不会显著改变附近区域的铁磁性质。如果该区域的平均饱和磁化减小该区域的大约5体积%以上，则附近区域的铁磁性质可认作是"显著改变"。

磁性构件可在渗氮之前加工成具有一定氮溶解度，且不同饱和磁化的区域可由选择性渗氮来实现。最终磁性构件的饱和磁化可为渗氮步骤之前的磁性构件的饱和磁化的一部分。饱和磁化可由于材料的处理条件的局部变化而在最终磁性构件的整个体积中不同。

磁性构件的选择性渗氮可通过使用不同的渗氮方法来达成。化学、物理或机械阻隔物可提供至不期望渗氮的磁性构件的区域，以保持磁性。例如，抑制氮扩散到磁性构件中的化学成分可用作一些区域处的"氮阻隔"材料。可使用在选择的区域处有选择地引入氮同时使氮不可用于其它区域的物理方法。机械阻隔物可能够机械地防止某些区域处的氮的扩散。

因此，在一些实施例中，提出了改变磁性构件的不同区域中的(饱和)磁化值的方法。该方法包括设置包括构件的至少一部分上的氮阻隔材料以形成遮盖物的涂层，以及在富氮气氛中热处理构件来形成第一区域和第二区域。热处理的温度可大于700℃。如本文使用的用语"氮阻隔材料"是指能够基本停止氮进入该区域中的材料。阻隔材料自身不一定含有氮。由于该方法包括将氮选择性引入第一区域和第二区域，故第一区域和第二区域特征为不同于彼此的氮含量。此外，将氮引入第一区域和第二区域受控制，使得第一区域和第二区域中的至少一者是部分磁性的，且具有在该区域的大约0.1重量%到大约0.4重量%的范围中的氮含量。

在一些实施例中，模板可用于磁性构件上，以阻挡一些区域且露出其它区域来用于氮阻隔材料的涂布。涂层材料可通过使用不同方法来设置在磁性构件上。用于将涂层设置在磁性构件上的方法的非限制性实例可包括浸涂、喷涂、旋涂、注浆成型、流延成型和层压，以及凝胶灌制。在某些实施例中，涂层通过将浆料形式的氮阻隔材料喷涂在磁性构件上来设置。

在一些实施例中，设计成部分磁性的区域由涂层遮盖，使得允许氮的受控的、部分的扩散。在一些实施例中，设计成磁性的区域被遮盖，使得避免了氮扩散至那些区域。此外，在一些实施例中，设计成非磁性的区域保持未遮盖，使得氮扩散到那些区域中。

因此，举例来说，如果期望磁性构件的第一区域是磁性且具有小于0.1重量%的氮含量，且第二区域是部分磁性，具有大约0.1重量%到大约0.4重量%的范围中的氮含量，且第三区域是非磁性的，具有大于0.4重量%的氮含量，则涂层可设置在第一区域和第二区域上。应当注意的是，为了实现部分磁性区域，涂层可设置在类似于磁性区域的该特定区域上，然而涂层参数可改变来实现期望的氮水平。

因此，在一些实施例中，磁性构件10的第一区域20和第二区域30的氮含量的差异通过改变涂层参数来实现。涂层参数包括但不限于涂层厚度、涂层密度和表面涂层面积百分比中的一个或更多个。这些涂层参数的变化可由不同的方法实现。在一些实施例中，涂层参数可通过控制用于沉积涂层的沉积参数来改变。适合的沉积参数包括但不限于沉积方法、材料成分、固体加载、密度、沉积涂层的厚度、沉积速度、干燥方法、干燥速度、烧结温度、时间和涂布气氛。例如，在某些实施例中，第一区域和第二区域的氮含量的差异通过沉积具有可变厚度的涂层来实现。因此，第一区域中的涂层的厚度可在其自身沉积期间不同于第二区域中的涂层的厚度，使得氮经由遮盖的表面扩散到磁性构件中在第一区域和第二区域中不同。

在一些实施例中，如图4中所示，构件10的第一区域和第二区域被遮盖，使得对应于第一区域20的磁性构件10的一部分由具有厚度t1的涂层32遮盖来停止氮扩散，且对应于第二区域30的磁性构件10的一部分由具有较低厚度t2的涂层32遮盖，使得允许计算的氮量扩散到第二区域30中。在这些实施例中，第一区域20设计成磁性的，且第二区域30设计成部分磁性的。

在一些实施例中，涂层32的厚度t2可控制成使得第二区域30的不同部分在渗氮后具有不同氮水平和磁性区域的不同体积%。

现在转到图5，在一些实施例中，磁性构件上的氮阻隔材料的遮盖物可设计成使得对应于第一区域20的磁性构件10的一部分未遮盖，且对应于第二区域30的磁性构件10的一部分由厚度t2的涂层32遮盖。未遮盖的部分允许氮扩散穿过磁性构件10，使得第一区域20非磁性，且具有厚度t2的涂层32的遮盖部分允许氮的部分扩散，因此致使第二区域30是部分磁性的。本领域的技术人员将理解到，取决于所需的磁性、部分磁性和非磁性区域的形状和尺寸，遮盖物可设计成具有不同形状和特征。

如上文所述，在一些实施例中，替代改变涂层的厚度，涂层的密度或表面涂层面积百分比可改变来控制氮的扩散。例如，相比于致密涂层，具有较低密度的涂层可允许较大量氮扩散穿过。此外，如果第一区域20的表面涂层面积百分比(作为备选，由涂层覆盖的面积的百分比)低于第二区域30的表面涂层面积百分比，则更大量的氮可扩散到第一区域20。在一些实施例中，第一区域20和第二区域30的氮含量的差异在热处理步骤之前通过有选择地除去一个区域中的涂层的部分来实现，因此改变了那些区域中的涂层的表面涂层面积百分比或密度。涂层的部分可通过不同方法来有选择地除去，包括但不限于蚀刻和喷砂。

如前文所述，在一些实施例中，第一区域20和第二区域30两者可为部分磁性的。在此实施例中，例如，通过将不同厚度、密度或表面涂层面积百分比的涂层设置在第一区域和第二区域中，或通过有选择地除去部分在一个区域中的涂层，两个区域可形成在磁性构件中。在某些实施例中，如图3中所示，磁性构件10可包括三个不同区域，使得第一区域20是磁性的，第二区域30是部分磁性的，且第三区域40是非磁性的。在这些实施例中，第一区域可由具有期望厚度、密度和表面面积覆盖的涂层遮盖，其中氮受阻而不能进入第一区域。第二区域可通过改变涂层的厚度、密度和表面涂层面积百分比中的一个或更多个来部分地阻挡，以允许期望量的氮扩散到第二区域30中。第三区域可完全未涂布，以允许进入第三区域40的最大氮扩散。因此，在此实施例中，渗氮可受控，使得第一区域20具有小于第一区域20的0.1重量%的氮含量，第二区域30具有第二区域30的大约0.1重量%到大约0.4重量%的范围中的氮含量，且第三区域40具有大于第三区域40的0.4重量%的氮含量。此外，第一区域、第二区域和第三区域中的碳的浓度可控制成小于相应区域的0.05重量%。

渗氮可通过固体、液体、气态或等离子例行程序来执行。在一些实施例中，升高温度的气态渗氮用于将氮引入零件中。在某些实施例中，升高温度的气体渗氮包括在升高温度下在氮气氛中热处理磁性构件。作为备选，氨和氢的混合物中的热处理可用于氮扩散。该技术中的升高温度允许了氮的快速扩散，提供了快速处理例行程序。在一些实施例中，包含氰化物、氰酸盐或它们的组合的熔盐浴中的热处理可用于氮扩散。在一些实施例中，等离子渗氮可用于氮扩散。

在一些实施例中，氮可通过在高于700摄氏度(℃)的温度下热处理，通过富氮气氛中的气体渗氮来扩散到磁性构件10中。在一些实施例中，气体渗氮由高于800℃的温度下的热处理来进行。

在一些实施例中，用于气体渗氮的压力大于0.5大气压(atm)。大体上，预计氮的扩散随较高的热处理温度和增大的氮的平衡表面浓度而增大。包绕磁性构件10的气体的增大压力通常导致氮的增大的表面浓度。因此，在纯氮气氛中的给定条件下，大于大气压的氮压力和高温将大体上提供更快的渗氮处理。在一些实施例中，大于1atm的环境压力和大于大约900℃的温度用于渗氮。在另一个实施例中，渗氮的温度高于1000℃。

在一些实施例中，富氮气氛用于渗氮。在一些实施例中，富氮气氛包括大于90%的氮。在一些实施例中，渗氮在基本纯氮气氛中进行。基本纯氮气氛可通过在从炉腔抽出空气之后在炉腔中填充氮，且在处理期间利用氮或通过连续氮流吹扫来产生。涂层取决于用于磁性构件10的氮扩散(和非扩散)的期望图案来施加到构件上。例如，在图6中，具有厚度t1的涂层32设置在对应于不同第一区域20的磁性构件10的所有表面部分上，且第二区域30的表面部分部分地涂布有具有小于t1的厚度t2的涂层32。具有较小厚度t2的涂层设计成在渗氮期间允许氮的部分扩散。对应于第二区域30的具有厚度t2的涂层32设置在顶表面12和底表面14(涂层并未在底表面14中明确示出)部分上。在这些实施例中，磁性构件10的渗氮仅通过顶表面12和底表面14上的第二区域30的部分涂布的表面部分发生。现在转到图7，穿过磁性构件10的厚度t的前表面16和后表面18还包括第二区域30的部分涂布的表面部分，且因此图7中的磁性构件10的渗氮可通过磁性构件10的顶表面12、底表面14及前表面16和后表面18上的第二区域30的表面部分发生。

当图7中所示的磁性构件10经历气体渗氮时，氮扩散穿过构件，穿过构件10的所有面的未涂布(如果有)和部分涂布的部分，包括磁性构件的顶表面12、底表面14及侧表面16,17,18和19。这些扩散的氮连同磁性构件的成分改变那些区域中的局部相稳定性，且将那些区域转变成非磁性奥氏体。即使氮扩散穿过表面，渗氮参数也允许氮进一步扩散到磁性构件的长度、宽度和厚度，穿过磁性构件10的所有表面，同时遮盖或部分遮盖的区域防止穿过那些区域的显著的氮扩散。

通过经验和热动力计算，渗氮的参数可调整，且不同方向的氮扩散可针对磁性构件10的某些区域预计，且因此，遮盖尺寸和形状可改变为使得获得的最终产品大致是渗氮过程的期望结果。

在一些实施例中，进入磁性构件的内部区域的氮扩散可取决于氮在磁性构件10内行进的距离。例如，如果渗氮仅分别通过顶表面12和底表面14，则如图6中所示，氮扩散到磁性构件10的内部中所需的持续时间可取决于磁性构件10的厚度t。在一些实施例中，磁性构件10的厚度在大约0.1mm到大约5mm的范围中。该构件的磁性、非磁性和部分磁性的区域的期望图案可通过使氮扩散穿过有选择地遮盖的顶表面12和底表面14来获得，保持厚度t的侧表面完全遮盖。

部分遮盖的第二区域30的遮盖物的宽度42(如图4中所示)是第一区域20之间的维度，且可按照磁性构件10的要求来设计。在一些实施例中，表面中的第一区域20中的各个的宽度44大于大约0.5mm。在另一个实施例中，在垂直于厚度t的平面中的第一区域20中的每一个的宽度20大于大约0.5mm。(如前文在图1中所述，维度"w"代表磁性构件10的总体宽度)。

图8示意性地示出了沿从a到b的方向的磁性构件10的一部分的饱和磁化(msat)的假想变型。如本文所使用的，特定区域的饱和磁化msat表示为渗氮之前的该特定区域的饱和磁化的百分比。

取决于应用，磁性、部分磁性和非磁性区域的形状可变化，且氮的扩散可设计成满足这些要求。因此，在一些实施例中，磁性构件10的表面和内部中的部分磁性区域的体积百分比等于或大于表面和内部中的磁性或非磁性区域的体积百分比。在一些实施例中，磁性构件的部分磁性区域具有互连的几何形状，而不管部分磁性区域的不同部分的饱和磁化的差异。如本文使用的"互连的几何形状"表示区域通过构件完全连接，且因此并未与类似区域完全隔离，由其它区域完全包绕。

不同的拓扑可包括上述多相磁性材料，且可制造出包括如上文所述的磁性构件的电机。例如，内部永磁机器和感应机器可通过极定形而设计成具有较高功率密度和改善的功率因数，以及减小的转矩波动，且可设计成具有无传感器控制。切换磁阻机器可设计成在高速下具有较低的风阻损失，且进一步减小转矩波动。同步磁阻机器可设计成具有较高的功率密度、改善的功率系数、较宽的恒定功率速度范围、较低转矩波动和无传感器控制。

例如，可设计出一定数目的不同类型同步磁阻机器，其包括定子和可操作地设置在定子的范围内的转子轴。图9示出了可受益于多相材料的拓扑的实例。构件50可代表磁阻机器的一部分，包括磁性区域52和部分磁性区域54，其在下文中共同称为"层叠节段"。构件50的有选择地定形的转子55构造为四极机器。各个极均可包括多个沿轴向延伸、沿径向定位("堆叠")的层叠节段56,58,60，等，其从各个极延伸，终止于中心转子轴62处。极的数目和叠片的数目可取决于磁阻机器的特定设计而非常大地变化。

继续参看图9，层叠节段将磁通量有效地引导进入和离开转子55。磁性区域52约束磁通量的路径，同时部分磁性的区域54确保离开转子的表面且进入转子与定子之间的空隙的磁通量线的相对高密度。在根据常规技术制造这些类型的磁阻机器中，磁性和部分磁性的叠片通常必须通过各种机械/金属加工步骤(例如，切割和焊接)来组装。本申请的发明人发现，如一些实施例中所述，机器的期望构造使用多相材料和用于制作这些的方法更高效地获得。

本文中提出的不同实施例可允许马达设计者精确地控制穿过电机的体积的磁通量的分布。这可通过设计分布在机器的体积各处的差异饱和磁化的区域来达成。机器内的磁通量密度将在具有较高饱和磁化的那些区域中很高。较低饱和磁化的区域将仍可用于保持机器的机械完整性。因此，在一些实施例中，低磁化区域可用于在机器在操作中旋转期间将高饱和磁化区域紧固在一起。

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