专利名称：粉末冶金法制备发电机爪极的方法及用该方法生产的爪极的制作方法
技术领域：
本发明涉及发电机用爪极，具体说粉末冶金法制备发电机爪极的方法及用该方法生产的爪极。
背景技术：
随着制造业的飞速发展，零部件中对高精度、形状复杂锻件的需求量越来越大，特别是一些机加工比较困难或者加工成本高的锻件，要求直接精密锻造成形，以便降低成本，提高整车的竞争力。爪极零件就是其中之一。爪极是电机上的重要零件，品种繁多、形状十分复杂，在较薄的平盘上均布着多只竖爪，竖爪不仅有较高的截面尺寸和精度要求，而且其内表面有的为带锥度的圆弧面，因而制造难度大。如何采用高效、节能的方法生产出优质的爪极零件，便成为生产中亟待解决的问题。
发电机用爪极零件目前采用的材质是08钢或10号钢。08钢或10号钢在2000A/m时的磁通密度(B)大约为1-1. 2T,在800A/m时的磁通密度小于O. 5T，最大磁导率Mm约为1000-2000GS/0e。由于磁导率较低使该类材料在电机低速发电时的效率较低、运行平稳性差。同时，磁阻R与Mffl成反比，低的Mffl易导致爪极的磁阻增大并进一步降低电机效率。另一方面，目前爪极制备的典型工艺包括精密铸造、板料冲压、挤压、锻造等。精密铸造的优点是便于做出复杂的形状尺寸，但铸造组织有缩孔、含碳量高，导致磁性差、冲击韧度和抗弯强度较差。板料冲压是国内目前应用最广的工艺。爪极的竖爪部分采用厚钢板冲裁一弯曲制成，平盘部分采用挤压成形，再将两部分焊接在一起。该工艺的工序繁琐，工艺废料多，材料利用率低；而且由于两部分加工方式不一样，导致性能有差异，影响了整个零件的使用性能。挤压包括冷挤压、温挤压、分流式反挤压、闭塞挤压等。以冷挤压为例，冷挤压成形是日、美等工业发达国家广泛采用的生产爪极零件的方法，美国于1965年就成功地开发了爪极零件的冷挤压工艺，该工艺在美国福特汽车公司以及日本电装株式会社应用30多年，取得了巨大的经济效益。冷挤压成形工艺流程下料一退火一磷化皂化一正挤一校正一退火一磷化皂化一镦头一冲孔一切边一退火一磷化皂化一弯曲一第一次精压一第二次精压。挤压工艺的优点在于挤压时金属流动强烈，变形充分，所以组织性能良好；而且挤压成形的零件表面质量好，尺寸精确。缺点是挤压变形力大，需要大吨位设备，模具要求消耗大；工序多，繁琐，应用受到限制。锻造包括热锻冷精整、温冷锻联合等。热锻冷精整成形工艺流程下料——锻造——加热——一次预成形——二次预成形——终成形——切边——退火——磷化皂化——精整。该工艺的优点是成形方便且制件组织性能得到显著的改善，缺点是模锻、切边、精整工序多，工时、材料和模具的消耗很大。而且虽然采用热锻工艺，材料的屈服应力降低，但是由于爪极零件形状复杂，竖爪尖端难以充满，仍需要很大载荷。对于直径为90-130mm的低碳钢工件，所需多工位锻压机吨位为16000kN，冷精压压力机吨位为lOOOOkN。所以该工艺对于爪极零件的生产并不理想。近年来，为了提高电机效率，需要在爪极间放置永磁磁钢，以增加爪极的有效极面积来提高主磁通，从而补偿发电机过大的极间漏磁、提高电机效率。磁钢的放置对竖爪的截面尺寸和精度要求进一步提高，现有的制备工艺很难满足爪极的设计尺寸精度要求。所以，探索用精密成形的方法成形出尺寸精确、性能优良的无切削或少切削制件，仍然是当今成形行业缩短制造过程，提高工作效率的有效途径。粉末冶金技术以金属粉末为原材料，经过成形、烧结和后处理，从而制取金属材料、复合材料及各种类型制品的工业技术，具备节能、省材、性能优异、产品精度高、稳定性好、适于大批量生产等一系列技术优点。运用粉末冶金技术可以直接制成全致密材料和制品，如齿轮、凸轮、导杆、刀具等。由于粉末冶金法能压制成最终尺寸的压坯，而不需要或很少需要随后的机械加工，是一种少无切削工艺，故能大大节约金属，降低产品成本。用粉末冶金法制备产品时，金属的损耗只有1_5%，而用一般熔铸方法生产时，金属的损耗可能会达到80%。其次，粉末冶金法能保证材料成分配比的正确性和均匀性。最重要的是，粉末冶金适宜于生产同一形状而数量多的产品，特别是爪极、齿轮等加工费用高的产品，用粉末冶金法能大大降低生产成本。
发明内容
针对上述技术问题，本发明提供一种磁导率高、矫顽力低、饱和磁化强度高、产品精度高、不需加工或少加工的发电机用爪级零件的粉末冶金制备方法。本发明解决上述技术问题采用的技术方案为粉末冶金法制备发电机爪极的方法，其包括以下步骤
(1)混料，将铁粉与磷粉、磷铁合金粉、娃粉、招粉、镍粉或含磷、娃、招合金元素的合金粉中至少一种混合形成混合料，并加入润滑剂放入混料机中进行混粉，直至混合均匀；
(2)压制成型，将步骤(I)中混合均匀的粉料在压机上模压成型；
(3)烧结，将模压成型的坯体置于炉内，在保护气氛中进行烧结，并随炉冷却至室温；
(4)精整，对烧结后的还体进行精整；
(5)热处理，对精整后坯体进行热处理。进一步地，所述步骤(3)与步骤(4)之间还增加有复压复烧的步骤，其对经步骤
(3)烧结后的坯体在压机上进行复压，复压后将坯体置于炉内，在保护气氛中进行复烧，并随炉冷却至室温；然后将复烧后的坯体进行步骤(4)的精整。作为优选，铁、磷、硅、铝、镍占所述混合料的质量百分比分别为97%--99. 99%,O—O. 8%、0—2%、0—2%、0—2% ;所述润滑剂的质量为混合料质量的O. 2%—1%。作为优选，所述热处理工艺为精整后的坯体置于炉内，随炉升温到800°C后，以500C /h的升温速度升至800°C —950°C，保温3h—5h ;然后以50°C /h — 100°C /h的冷却速度冷至700°C，再以200°C /h -250°C /h的冷却速度冷至500°C ;最后进行快冷，在150°C以下出炉。作为优选，所述步骤(2)中压机的单位压制压力为500MPa—800MPa。作为优选，所述步骤(3)中炉内温度为1000°C —1400°C，烧结时间 为 Ih—4h。作为优选，所述复压的压制压力为600 MPa _800MPa，复烧的炉内温 度为1000°C -1400°c，复烧时间为lh—4h。
作为优选，所述保护气氛为真空、氢气、高纯氩气、分解氨气氛中 的一种。本发 明另一目的在于提供用上述方法生产的爪极，其包括平盘和设置在该平盘上的数个竖爪，平盘与竖爪均粉末冶金法制备，且所述平盘与竖爪一体成型。作为再一目的，竖爪用粉末冶金法制备，所述平盘与竖爪分体成型，所述平盘通过铸铁压铸成型，所述竖爪焊接于平盘上。本发明的有益效果如下
(I)通过本方法生产的爪极零件具有高的最大磁导率为6000-7000 Gs/0e，远高于08
钢和10号钢的500-2000Gs/0e。磁导率的增大一方面可以使磁场-电流响应快，大大提
闻材料在低速发电时的效率；另一方面还可减小爪极的磁阻,有利于电机效率的进一步提闻。(2)本方法生产的爪极零件的铁损低。硅和铝的添加可增大合金电阻率，降低铁损。另外，本合金的矫顽力低于140A/m，而且通过热处理后在充分消除应力的情况下可使矫顽力进一步降低，矫顽力最佳值可达到低于24A/m，远远低于10号钢的680A/m。矫顽力的降低可大大降低材料的磁滞损耗，使材料的铁损降低，提高电机效率。(3)本方法生产的爪极零件密度均匀、饱和磁化强度高。通过现有的精密铸造、板料冲压、挤压、锻造等方法制备的爪极零件的密度不均匀，表现在竖爪的爪部与磁轭部位的密度差别大，通常爪尖密度约为7. 2g/cm3，磁轭部位为7. 8g/cm3，抑制了爪部磁通量的提高，也使爪部在电机高速旋转过程中易于变形。采用本方法且经复压复烧和精整后，爪尖部与磁轭部位的密度均非常均匀，并可达7. 5-7. 6g/cm3。 ( 4 )本发明的爪极零件采用粉末冶金法制备，能压制成最终尺寸的压坯，产品精度高，爪部精度均可达O. 03_，而不需要或很少需要随后的机械加工，能大大节约金属，降低产品成本。另外，爪极是电机的重要零件之一，用量大。粉末冶金工艺在生产同一形状而数量多的产品方面，具有极大优势，能大大降低生产成本。所以本专利特别适合于批量生产。
图I是本发明中爪极的结构示意图。
具体实施例方式下面对本发明的方法作进一步地详细说明
粉末冶金法制备发电机爪极的方法，其包括以下步骤
(O混料，将铁粉与磷粉、磷铁合金粉、娃粉、招粉、镍粉或含磷、娃、招合金元素的合金粉中至少一种混合形成混合料，并加入润滑剂放入混料机中进行混粉，直至混合均匀；作为优选，在混合料中铁、磷、硅、铝、镍占所述混合料的质量百分比分别为97%--99. 99%,O—
O.8%、0—2%、0—2%、0—2% ;所述润滑剂的质量为混合料总质量的O. 2%—1%。一般地，混合料中含铁97%以上、磷O. 8%以下，同时可根据需要添加硅、铝、镍中的一种或多种，其含量均应在2. 0%以下，也可添加含有磷、硅、铝合金元素的合金粉，同时在混合料中还可能含有少量不可避免的杂质。作为优选，磷在合金中的重量百分比为0-0. 45%，磷可以以单质粉末形式加入，也可以以磷铁合金粉加入。硅、铝、镍在合金中的含量优选I. 0%以下。
为了解决现有技术中爪极材料磁导率低、磁阻大、损耗大的问题，本发明从得到高的磁导率观点考虑，主要采取二种措施①通过在铁粉中添加磷或磷铁合金。磷与铁在烧结过程中于1050°C发生共晶反应，生成液相的磷铁合金。同时，磷铁合金易扩散到铁中，形成磷的固溶体，能促进烧结，活化烧结过程，并有利于获得显著促进晶粒粗化的效果，对于提高磁导率、提高饱和磁化强度、降低矫顽力、提高机械性能都是非常有效的。②添加硅、铝、镍中的一种或多种，这些元素均有助于磁导率的提高，但考虑到大量添加会导致饱和磁化强度降低，而将其上限规均定为2.0%。另一方面硅、铝的添加可使合金的固有阻抗增加，在交流磁场中使用时，可降低铁损。(2)压制成型，将步骤(I)中混合均匀的粉料在压机上模压成型； 作为优选，压机的单位压制压力为500MPa—800MPa。(3)烧结，将模压成型的坯体置于炉内，在保护气氛中进行烧结，
并随炉冷却至室温；作为优选，炉内温度为1000°c --1400°C，烧结时间为lh—4h。保护气氛一般采用真空、氢气、高纯氩气、分解氨气氛中的一种。用本发明的方法烧结后，坯体的密度低于7. 3g/ cm3的样品需进行
复压复烧工艺，对于密度有较高要求的爪极材料最好也进行复压复烧。复压复烧是对经步骤(3)烧结后的坯体在压机上进行复压，复压后将坯体置于炉内，在保护气氛中进行复烧，并随炉冷却至室温；作为优选，所述复压的压制压力为600 MPa _800MPa，复烧的炉内温度为1000 °C -1400 °C，复烧时间为lh—4h。复压复烧时采用的压机与炉可采用步骤(2 )中的压机和步骤(3)中的炉，也可重新采用其他的压机和炉，保护气氛为真空、氢气、高纯氩气、分解氨气氛中的一种。在实施过程中，合金晶粒经复压之后会发生明显的塑性变形，同时原来的孔隙被分离碎化，使合金的致密度进一步提高。复烧的主要目的是消除复压所产生的内部应力，通过退火使坯体中的孔隙等缺陷减少，从而进一步提高材料的性能。(4)精整,对烧结或复烧后的还体进行精整,提闻还体的尺寸精度；精整为现有技术，在此不再赘述；
(5)热处理，对精整后的坯体进行热处理。其工艺为精整后的坯体置于炉内，随炉升温到800°C后，以50°C /h的升温速度升至800°C —950°C，保温3h—5h ;然后以50°C /h-IOO0C /h的冷却速度冷至700°C，再以200°C /h -250°C /h的冷却速度冷至500°C ;最后进行快冷，在150°C以下出炉。实施例I
粉末冶金爪极零件组元为0. 5%磷、1%硅、98. 5%铁，以上组分为质量百分比。制备工艺如下
(1)混料，各组分按上述配比混合均匀后掺入O.5%的润滑剂并采用V型混料器混合均
匀；
(2)压制，混合料以压制压力600MPa成形粉末压坯；
(3)烧结，在真空度优于KT2Pa的条件下升温至1150°C，充入高纯氩气至I个大气压，烧结3h，并随炉冷却至室温；
(4)复压复烧，在700MPa的压制压力下进行复压。复压后的样品进行复烧，即在真空度优于10_2Pa的条件下升温至1200°C，充入高纯氩气保温3h，然后随炉降温；
(5)复烧后的样品进行精整，提闻材料的尺寸精度；(6)热处理，在真空中随炉升温到800°C后以50°C /h的升温速度升至800°C，保温3h，以50°C /h的冷却速度冷至700°C后，以200°C /h的冷却速度冷至500°C，然后快冷，150°C以下出炉。由本实施例制备的爪极零件的密度为7. 51g/cm3，抗拉强度990MPa，延伸率3. 6%，饱和磁化强度I. 82T，矫顽力80A/m，最大磁导率5290Gs/0e。实施例2
粉末冶金爪极零件组元为0. 45%磷、99. 55%铁，以上组分为质量百分比。制备工艺如下
(1)混料，各组分按上述配比混合均匀后掺入O.6%的润滑剂并采用V型混料器混合均·
匀；
(2)压制，混合料以压制压力700MPa成形粉末压坯；
(3)烧结，在真空度优于KT2Pa的条件下升温至1150°C，充入高纯氩气至I个大气压烧结3h，并随炉冷却至室温；
(4)复压复烧，在SOOMPa的压制压力进行复压。复压后的样品进行复烧，即在真空度优于10_2Pa的条件下升温至1180°C，充入高纯氩气保温3h，然后随炉降温；
(5)复烧后的样品进行精整，提闻材料的尺寸精度；
(6)热处理，在真空中随炉升温到800°C后以50°C/h的升温速度升至900°C，保温3h，以50°C /h的冷却速度冷至700°C后，以250°C /h的冷却速度冷至500°C，然后快冷，150°C以下出炉。由本实施例制备的爪极零件的密度为7. 6g/ cm3，抗拉强度1200MPa，延伸率3. 8%，饱和磁化强度I. 86T，矫顽力24A/m，最大磁导率7250Gs/0e。在电机上实验，通280V的电压后，在爪部的磁能量为6800GS，完全可达到并超过传统爪极零件。实施例3
粉末冶金爪极零件组元为0. 2%磷、1%硅、1%铝、97. 8%铁，以上组分为质量百分比。制备工艺如下
(1)混料，各组分按上述配比混合均匀后掺入O.8%的润滑剂并采用V型混料器混合均
匀；
(2)压制，混合料以压制压力SOOMPa成形粉末压坯；
(3)烧结，在氢气气氛条件下升温至1300°C并保温4h，随炉冷却至室温；
(4)复压复烧，在SOOMPa的压制压力进行复压。复压后的样品进行复烧，即在真空度优于10_2Pa的条件下升温至1400°C，充入高纯氩气保温3h，然后随炉降温；
(5)复烧后的样品进行精整，提闻材料的尺寸精度；
(6)热处理。在真空中随炉升温到800°C后以100°C/h的升温速度升至920°C，保温3h，以50°C /h的冷却速度冷至700°C后，以250°C /h的冷却速度冷至500°C，然后快冷，150°C以下出炉。由本实施例制备的爪极零件的密度为7. 7g/ cm3,抗拉强度1280MPa，延伸率4. 0%，饱和磁化强度I. 81T，矫顽力60A/m，最大磁导率7250Gs/0e。当在混合料中加入1%的镍代替实施例3中的铝或硅时，制备的爪极零件的参数、性能与实施例3基本一致。
本发明另一目的在于提供用本发明的方法生产的爪极，其包括平盘I和设置在该平盘上的数个竖爪2，作为优选，平盘与竖爪均用本发明的粉末冶金法制备，本发明的爪极平盘与竖爪一体成型，不仅加工过程简单，零件尺寸精度高，而且爪极性能高；作为爪极的一种变形，竖爪用本发明的粉末冶金法制备，而所述平盘I与竖爪2采用分体成型，所述平盘通过铸铁压铸成型或是其他常规方法生产，然后将所述竖爪焊接于平盘上；在实施过程中，竖爪也可通过其他方法固定在平盘上。上述实施方式仅供说明本发明之用，而并非是对本发明的限制，有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明精神和范围的情况下，还可以作出各种变化和变型，因此所 有等同的技术方案也应属于本发明的范畴。
权利要求
1.粉末冶金法制备发电机爪极的方法，其包括以下步骤 (O混料，将铁粉与磷粉、磷铁合金粉、娃粉、招粉、镍粉或含磷、娃、招合金元素的合金粉中的至少一种混合形成混合料，并加入润滑剂放入混料机中进行混粉，直至混合均匀； (2)压制成型，将步骤(I)中混合均匀的粉料在压机上模压成型； (3)烧结，将模压成型的坯体置于炉内，在保护气氛中进行烧结，并随炉冷却至室温； (4)精整,对烧结后的还体进行精整； (5)热处理，对精整后坯体进行热处理。
2.根据权利要求I所述的粉末冶金法制备发电机爪极的方法，其特征在于所述步骤(3)与步骤(4)之间还增加有复压复烧的步骤，其对经步骤(3)烧结后的坯体在压机上进行复压，复压后将坯体置于炉内，在保护气氛中进行复烧，并随炉冷却至室温；然后将复烧后的坯体进行步骤(4)的精整。
3.根据权利要求I或2所述的粉末冶金法制备发电机爪极的方法，其特征在于铁、磷、硅、铝、镍占所述混合料的质量百分比分别为97%—99. 99%,O—O. 8%、0—2%、0—2%、0—2% ;所述润滑剂的质量为混合料质量的O. 2%—1%。
4.根据权利要求I或2所述的粉末冶金法制备发电机爪极的方法，其特征 在于所述热处理工艺为精整后的坯体置于炉内，随炉升温到800°C后，以50°C /h的升温速度升至800°C —950°C，保温3h—5h ;然后以50°C /h — 100°C /h的冷却速度冷至700°C，再以200°C /h -250°C /h的冷却速度冷至500°C;最后进行快冷，在150°C以下出炉。
5.根据权利要求3所述的粉末冶金法制备发电机爪极的方法，其特征在于 所述步骤(2)中压机的单位压制压力为500MPa—800MPa。
6.根据权利要求3所述的粉末冶金法制备发电机爪极的方法，其特征在于 所述步骤(3)中炉内温度为1000°C —1400°C，烧结时间为lh—4h。
7.根据权利要求2所述的粉末冶金法制备发电机爪极的方法，其特征在于 所述复压的压制压力为600 MPa _800MPa，复烧的炉内温度为1000°C -1400°C，复烧时间为Ih—4h。
8.根据权利要求2所述的粉末冶金法制备发电机爪极的方法，其特征在于 所述保护气氛为真空、氢气、高纯氩气、分解氨气氛中的一种。
9.用权利要求I至8中任意一项所述方法生产的爪极，其特征在于包括平盘和设置在该平盘上的数个竖爪，所述平盘与竖爪一体成型。
10.根据权利要求9所述的爪极，其特征在于所述平盘与竖爪分体成型，所述平盘通过铸铁压铸成型，所述竖爪焊接于平盘上。
全文摘要
本发明涉及发电机用爪极，具体说是粉末冶金法制备发电机爪极的方法及用该方法生产的爪极，其方法包括混料、压制成型、烧结、复压复烧、精整、热处理。本发明的爪极零件采用粉末冶金法制备，能压制成最终尺寸的压坯，产品精度高，爪部精度均可达0.03mm，而不需要或很少需要随后的机械加工，能大大节约金属，降低产品成本。另外，爪极是电机的重要零件之一，用量大。粉末冶金工艺在生产同一形状而数量多的产品方面，具有极大优势，能大大降低生产成本。所以本发明特别适合于批量生产。同时，通过本方法生产的爪极零件具有高的最大磁导率、爪极零件的铁损低、爪极零件密度均匀、饱和磁化强度高。
文档编号C22C38/00GK102896318SQ20121041518
公开日2013年1月30日 申请日期2012年10月26日 优先权日2012年10月26日
发明者李丽娅, 易长庚, 肖勇, 赵一清 申请人:湘潭长电汽车电器有限公司