用光敏浆料近净成形制造磁体的制作方法

本公开总体涉及永磁体以及形成各向同性或各向异性永磁体的方法，这些永磁体可以用于电动机、风车、电动自行车以及电气用具中。

引言

永磁体已经广泛用于各种装置中，包括用于混合动力和电动车辆的牵引电动机、风车、空调和其它机械化设备。这种永磁体可以是铁氧体、nd-fe-b、cmco、cmfen、alnico等。

对于nd-fe-b磁体，制造处理通常从初始制备开始，包括检查和称量用于所需材料组合物的初始原料。然后将材料真空感应熔化并速凝铸形成尺寸为几厘米的薄片(小于1mm)。随后进行氢破碎，其中所述薄片在约25℃至约300℃下吸收氢持续约5至约20小时，在约200℃至约400℃下脱氢持续约3至约25小时，然后进行锤磨和研磨和/或机械粉碎或氮研磨(如果需要)，以形成适于进一步粉末冶金加工的细粉。通常将该粉末筛分以进行尺寸分类，然后与其它合金粉末混合以得到最终所需的磁性材料组合物。

在一种方法中，通过在模具中进行合适的压制操作，将磁粉与粘合剂混合以制备生坯部件(通常为立方体的形式)。该粉末可以在形成立方块或其它形状之前称重。然后将成形部件真空装袋并进行等静压制，之后将其烧结(例如，在真空中在约800℃至约1100℃下烧结约1至约30小时)并根据需要老化(例如，在真空中在约300℃至约700℃下老化约5至约20小时)。通常，总计约100kg至约800kg的一定数量的块以一批次同时进行烧结。

然后，基于磁体的所需最终形状，从较大块切割磁体片并将其加工成最终形状。如果需要，再对磁体片进行表面处理。具有许多薄刀片的切割机用于从磁体块切割所需形状。许多材料在切割操作中损失，而且薄刀片需要维护。产生具有所需形状的磁体的切割和机械加工处理通常导致相对大量的材料损失，其中成品率通常为约55％至75％(即，材料损失率约25％至45％)。

制造和机械加工操作中的高材料损失大大增加了成品稀土元素磁体的成本。在过去几年中，由于原料稀土金属价格急剧上升，该成本已经加剧。因此，存在与制造包含稀土材料的节省成本的磁体相关的显著问题。

技术实现要素：

本发明提供一种新颖的制造磁体的方法，包括通过将磁粉材料的一系列薄层打印成三维形状而将磁粉材料打印成磁体的所需最终形状，所述三维形状不需要将磁体机械加工成另一最终形状。因此，这节省了通常在磁体的切割和加工处理中损失的材料。

为了使磁粉材料沿所需的方向取向，可以施加磁场。在磁场下生成磁粉材料层可以导致磁性材料基本上由于磁场而移动。本公开提供了包括磁粉材料和光敏树脂或光聚合物的浆料，其中所述材料的浆料形式保持粉末完整，并且然后其可以用电磁辐射，例如光源，固化以逐层硬化磁体的层。

在可与本文公开的其它形式组合或分开的一种形式中，提供了一种形成磁体的方法。该方法包括形成包含磁粉材料和光聚合材料的浆料。然后该方法包括由浆料形成原始第一层并用电磁辐射固化该原始第一层以形成固化的第一层。在固化原始第一层之后，该方法包括由浆料形成与固化的第一层接触的原始第二层，以及用电磁辐射固化原始第二层以形成固化的第二层，其中固化的第二层附接到固化的第一层。

可以提供附加特征，包括但不限于以下特征：在固化原始第一层的同时向原始第一层施加磁场；在固化原始第二层的同时向原始第二层施加磁场；其中施加磁场基本上使磁粉材料沿所需方向取向；在固化的第二层上逐层布置多个附加层；每个附加层由浆料形成；在布置每个附加层之间，用光固化最近布置的附加层以形成多个附接的固化层；浆料还包含有机基溶剂；电磁辐射为可见光；向可见光提供发光二极管(led)；提供基部；提供保持浆料的平的浅槽，同时用锋利的刀将几微米至1毫米的浆料层均匀地施加在平的槽上；在固化原始第一层之前，朝向浆料降低基部并接触所述浆料以将原始第一层布置到基部上；在固化具有所需固化形状的原始第一层之后提起基部，所需的固化形状是由用于磁体的计算机辅助设计(cad)输入形成的电磁辐射的图像；去除残留浆料，然后施加与第一层厚度大致相同的新浆料层；朝向浆料降低基部并接触浆料，以在固化原始第二层之前将原始第二层设置到固化的第一层上；固化原始第二层后提起基部；将具有所需的辐射形状的led布置在该槽下方；槽具有半透明底部或透明底部；烧结固化的第一和第二层以及多个附接的固化层；使固化的第一和第二层以及多个附接的固化层经受热等静压(hip)处理；提供粘度为至少2帕斯卡秒的浆料；提供0.5至4特斯拉范围内的磁场；其中形成浆料包含将磁性材料、光聚合材料和溶剂均匀地混合；提供包含至少一种稀土金属的磁粉材料；提供包含钕、铁和硼的磁粉材料；以及提供包含镝和铽中的至少一种的磁粉材料。

在另一种形式中，本公开提供了包含多个层的磁体，所述多个层包含磁粉材料。每层包含固化的光敏树脂。

磁体的附加特征可以包括但不限于：具有各向异性取向的磁体；磁体包含至少一种稀土金属；每层的厚度在10至1000微米的范围内；磁体包含钕、铁和硼；磁体包含镝和/或铽。

此外，本公开提供了通过本文公开的方法的任何形式形成的磁体。

当结合附图和所附权利要求书时，通过以下对本公开的许多方面的详细描述，本公开的上述特征和优点以及其它特征和优点将变得显而易见。

附图说明

所提供的附图仅用于说明的目的，并不旨在限制本公开或所附权利要求。

图1a是根据本公开的原理的示例性磁体的平面图；

图1b是根据本公开的原理的图1a的磁体的透视图；

图1c是根据本公开的原理的沿图1b中的线1c-1c截取的图1a-1b的磁体的一部分的截面侧视图；

图2是示出根据本公开的原理的形成磁体的方法的框图；

图3a是根据本公开的原理的处于形成图1a-1c的磁体的方法中的初始步骤的用于形成图1a-1c的磁体的仪器的示意性截面图；

图3b是根据本公开的原理的图3a的仪器的示意性平面图；

图3c是根据本公开的原理的图3a-3b的仪器在图3a所示的步骤之后处于形成图1a-1c的磁体的方法的步骤处的示意性截面图；

图3d是根据本公开的原理的图3a-3c的仪器在图3c所示的步骤之后处于形成图1a-1c的磁体的方法中的步骤的示意性截面图；

图3e是根据本公开的原理的图3a-3d的仪器在图3d所示的步骤之后处于形成图1a-1c的磁体的方法中的步骤的示意性截面图；

图3f是根据本公开的原理的图3a-3e的仪器在图3e所示的步骤之后处于形成图1a-1c的磁体的方法中的步骤的示意性截面图；

图3g是根据本公开的原理的图3a-3f的仪器在图3f所示的步骤之后处于形成图1a-1c的磁体的方法中的步骤的示意性截面图；

图3h是根据本公开的原理的图3a-3g的仪器在图3g所示的步骤之后处于形成图1a-1c的磁体的方法中的步骤的示意性截面图。

具体实施方式

本公开提供了一种永磁体和以减少材料损失的方式制造永磁体的方法。该方法极大地减少或消除了对后续机械加工操作的需要，并且允许磁性材料定向在所需的方向上而不引起磁粉材料的损失。

现在参照图1a-1b，图中示出了永磁体并总体用10表示。在该变型中，永磁体10具有厚度为t的三维半环形形状；然而，永磁体10可以具有任何其它所需的形状，而不超出本公开的精神和范围。永磁体10可用于电动机等中，或用于任何其它所需的应用中。

磁体10可以是具有铁基组合物的铁磁磁体，并且磁体10可以包含任何数量的稀土金属。例如，磁体10可以具有nd-fe-b(钕、铁和硼)结构。如果需要，磁体10还可以包含dy(镝)和/或tb(铽)。还可以设想，磁体10可以包括附加的或替代的材料，而不超出本公开的精神和范围。

现在参照图1c，永磁体10由各自包含磁性材料的多个层12形成。多个层12的每个层14a、14b、14c、14d、14e、14f、14g、14h可以通过3d打印形成或以其他方式逐层连续地布置层14a、14b、14c、14d、14e、14f、14g、14h以形成永磁体10的形状来形成。因此，磁体10通过每次形成一层14a、14b、14c、14d、14e、14f、14g、14h基本形成所需的最终净成形。尽管在图1c中示出了八个层14a、14b、14c、14d、14e、14f、14g、14h，但是可以提供任何所需数量的层14a、14b、14c、14d、14e、14f、14g、14h。例如，可以提供许多层14a、14b、14c、14d、14e、14f、14g、14h，例如300。

每个层14a、14b、14c、14d、14e、14f、14g、14h可以具有在约5-500微米范围内的高度或厚度；例如，每个层14a、14b、14c、14d、14e、14f、14g、14h可以具有3-100微米范围内的高度。这样，如果磁体10可以具有大量层，例如300层，则磁体因此可以具有例如大约3mm的厚度t。对于电动机，其它厚度t可以在大约1到大约10mm的范围内，或者任何其它所需的磁体厚度t。用于风车的磁体大得多。

现在参照图2，本公开提供了近净成形形成磁体，例如磁体10，的方法100。方法100包括形成包含磁粉材料和光聚合材料的浆料的步骤102。磁粉材料可包括任何所需的磁粉，例如上述材料的粉末(铁、钕、铁、硼、镝、铽等)。浆料还可含有使浆料粘并流动的溶剂。溶剂可以是水基的，但在优选形式中，溶剂是有机基溶剂，例如煤油或酒精(例如乙醇或甲醇)，避免氧化磁粉材料。可以包括，但是是可选择的，典型的磁体粘合剂，其可以是有机的或无机的。粘合剂材料可有助于将磁粉材料保持在一起，直到热处理和/或烧结。粘合剂材料可以是基于聚合物的非磁性材料，其构造成能够使磁粉材料的粉末颗粒粘附在一起。在一些形式中，浆料可以是粘性的，例如具有至少2或3帕斯卡秒或高得多的粘性。浆料可以通过均匀地混合磁性材料和光聚合材料以及溶剂来形成。

包括光聚合材料以允许磁性浆料形成层并用电磁辐射，例如光，来固化，这将在下文中进一步详细解释。光聚合材料或光敏树脂或光聚合物是在通过光辐射或其它电磁辐射如紫外成像曝光时可以选择性聚合和/或交联的组合物。

通常，光聚合物可以包含几种成分，包括粘合剂、光引发剂、添加剂、化学因子、塑化剂和着色剂。在一些形式中，光聚合材料制剂可包含聚合物、低聚物、单体和/或添加剂。用于光聚合物的聚合物基可包括丙烯酸、聚乙烯醇、聚乙烯醇肉桂酸酯、聚异戊二烯、聚酰胺、环氧树脂、聚酰亚胺、苯乙烯类嵌段共聚物、丁腈橡胶或其它基料。在一些实例中，聚合物基部可以溶解在溶剂载体中，例如在浆料中使用的有机溶剂。所包括的单体可以包含与非聚合物成分结合的多功能丙烯酸酯和甲基丙烯酸酯，以减少体积收缩。

在一些变型中，光聚合物可以由50-80％的粘合剂或低聚物组成，例如：苯乙烯族低聚物(例如，苯乙烯-四聚体-α异丙苯基端基的低聚物、α-甲基苯乙烯-二聚体(1)、α-甲基苯乙烯-四聚体等)；甲基丙烯酸酯(例如，丙烯酸低聚物、甲基丙烯酸酯低聚物、甲基丙烯酸酯四聚体等)；乙烯醇(例如乙烯醇三聚体、乙酸乙烯酯三聚体、乙酸乙烯酯低聚物等)；烯烃(例如聚异丁烯)；丙三醇(例如三聚甘油)；聚丙二醇(例如聚丙二醇(二羟基封端的)等)。

光聚合物也可以由一种或多种单体组成，例如基于丙烯酸酯或甲基丙烯酸酯的单体，例如占其组成的10-40％。在聚合处理中，多功能单体和/或单功能单体。多功能单体可以充当稀释剂和交联剂，而单功能单体可以是稀释剂或交联剂。单功能和多功能单体的一些实例包括丙烯酸、甲基丙烯酸、丙烯酸异癸酯、乙烯基吡咯烷酮、三羟甲基丙烷三丙烯酸酯(tmpta)、乙氧基tmpta、三羟甲基丙烷酸甲酯和己二醇二丙烯酸酯。

光聚合材料中还包括光引发剂，其可以通过在电磁辐射(例如可见光或紫外线)曝光时形成自由基或阳离子而将光能转化为化学能。在这种曝光下，光引发剂分裂成两个或多个颗粒，并且至少一个颗粒将与单体或低聚物反应并将它们粘合在一起。

光引发剂可以是例如自由基光引发剂或阳离子光引发剂。在自由基光聚合中，当电磁辐射反应时，基团或离子脱离引发剂，然后离子开始与单体反应以引发聚合。在阳离子反应中，从引发剂中释放强酸，这开始粘合处理。自由基光引发剂的一些实例包括异丙基噻吨酮、苯甲酮和2,2-偶氮二异丁腈。阳离子光引发剂的实例包括二芳基碘鎓盐和三芳基锍盐。

可使用光聚合材料的其它实例或可与其它物质组合的光聚合材料的其它实例，包括环己基苯基酮与丙烯酸酯、环戊二烯钛光引发剂与环氧树脂或丙烯酸酯、n-甲基-2-吡咯烷酮(nmp)与四氢呋喃(thf)和肉桂酸酯(c9h8o2)。具有类似于工程塑料的机械性能的光聚合物树脂，例如abs、尼龙和聚碳酸酯，也可以用于浆料中。

一旦形成浆料，方法100包括步骤104，由浆料生成原始(未固化)的第一层14a'。这可包括3d打印原始第一层14a'或原始第一层14a'可由浆料以任何其它合适的方式形成。

在一种形式中，参照图3a，提供了基部16，并且在底部下方提供了浅槽18，其中浆料包含在槽18内并且由附图标记20表示。槽18的底部22由透明或半透明材料形成，并且电磁辐射源位于槽18下方邻近底部22。在所示实例中，电磁辐射源是可见光源，例如一个或多个发光二极管(led)24；但在替代方案中，电磁辐射源可提供紫外光、红外光或任何其它有效固化光聚合物的所需源。

在一些形式中，可以包括光调制器以改变光24的强度，并且可以在箱的底部22上产生曝光场以产生接下来将要固化的特定层的所需形状。所需的形状由用于3-d打印或制造的计算机辅助设计(cad)输入来确定，并由底部22中的曝光场来实现，每层通过所述曝光场由光24固化。

参照图3a-3b，平的浅槽18保持浆料20，同时用锋利的刀23将浆料层(厚度在几微米至1毫米的范围内)均匀地施加在平槽上。

参照图3c，方法100可包括朝向浆料20降低基部16并使其进入浆料20，以在固化原始第一层14a'之前将原始第一层14a'设置在基部16上。然后，原始第一层14a'设置在槽18的底部22和基部16的下侧26之间。

参照图3d并继续参照图2，方法100然后包括步骤104，用电磁辐射固化原始第一层14a'以形成附接到基部16的下侧26的固化第一层14a。在优选的变型中，方法100包括在固化原始第一层14a'的同时向原始第一层14a'施加磁场。例如，磁场可以具有在0.5-4特斯拉、或大约1-3特斯拉范围内的磁性。在层14a'固化的同时，提供磁场使原始第一层14a'的浆料中的磁粉材料取向，以在期望的方向上取向，然后在固化之后将磁性材料锁定就位。当在固化步骤期间对每一层施加磁场时，磁体10具有各向异性取向，该各向异性取向例如在特定方向上的磁特性可以比其它类似的各向同性磁体强30％。层14a是基于由磁体的计算机辅助设计(cad)输入形成的电磁辐射的图像的固化形状。

现在参照图3e，在固化原始第一层14a'以形成固化的第一层14a之后，可以将基部16从槽18提起，其中固化的第一层14a附接至基部16的下侧26。

参照图3f并继续参照图2，方法100然后重复回到步骤102以由浆料形成另一层。因此，在图3a-3f的实例中，方法100可以包括去除先前剩余的浆料的残留物，然后施加新的浆料层以通过用薄刀在平的槽18上擦洗而形成原始的第二层浆料，将具有附接的固化第一层14a的基部16朝向浆料20降低并进入浆料20，以在固化原始第二层14b'之前将原始第二层14b'设置在固化的第一层14a上。然后将原始第二层14b'设置在槽18的底部22和固化的第一层14a之间。

参照图3g并继续参照图2，方法100再次进行固化层的步骤104，这次是原始第二层14b'。与原始第一层14a'一样，原始第二层14b'用电磁辐射如led光源24固化，以形成附接于固化第一层14a的固化第二层14b。同样，在优选的变型中，方法100包括在固化原始第二层14b'的同时向原始第二层14b'施加磁场，以在固化层14b'的同时沿所需的方向定向包含在浆料中的磁粉材料。

现在参照图3h，在固化原始第二层14b'以形成固化的第二层14b之后，在图3h所示的制造取向中，可以将基部16从槽18提起，其中固化的第一层14a仍然附接到基部16的下侧26，并且固化的第二层14b附接到固化的第一层14a的下侧28。

方法100可以迭代地重复步骤102和104以在其它层上形成附加层以形成整个磁体10。如果需要，可以将额外体积的浆料20添加到槽18中。因此，多个附加层14c、14d、14e、14f、14g、14h可以首先以原始形式逐层布置在固化的第二层14b的下侧30上，其中每个附加层由浆料20形成，并且在布置每个附加层之间，用光24固化最近布置的附加层，以形成多个附接的固化层14c、14d、14e、14f、14g、14h，如图1c所示。当固化每一层时，如上所述，可以在光固化处理期间向其施加磁场。

在通过将固化层14a、14b、14c、14d、14e、14f、14g、14h设置成原始形式并且然后将它们固化形成固化层14a、14b、14c、14d、14e、14f、14g、14h中的每一个以形成磁体10之后，可以烧结磁体10(包括其所有层14a、14b、14c、14d、14e、14f、14g、14h)并且其经受热等静压(hip)处理。

因此，形成的包含多个层14a、14b、14c、14d、14e、14f、14g、14h的磁体10包含磁粉材料，其中每个层14a、14b、14c、14d、14e、14f、14g、14h还包含固化的光敏树脂。

形成磁体10的方法100可以包括另外的可选步骤，例如初始制备步骤，包括检查和称量所需材料合成物的初始材料。该方法还可以包括真空感应熔化和速凝铸初始材料，形成尺寸为几厘米的薄片(小于1mm)。然后可以进行氢破碎，其中薄片在约25℃至约300℃下吸收氢气约5至约20小时，然后在约200℃至约400℃下脱氢约3至约25小时。该方法还可以包括粉碎，其可以包括锤磨和研磨和/或机械粉碎或氮研磨(如果需要)以形成适于进一步粉末冶金加工的细粉。

该方法可以包括混合中间粉末、研磨、混合细粉和混合不同的磁粉。例如，如果正在制造的磁体10基于nd-fe-b构造，其中至少一些nd将被dy或tb代替，则成分粉末可以包括上述含有dy或tb的铁基粉末以及nd-fe-b基粉末。在一种形式中，例如对于涉及牵引电动机的汽车或卡车应用，成品稀土永磁体将具有高达约8％或9％重量的dy。在其它应用中，例如风力涡轮机，本体dy或tb的浓度按重量计可能需要约为3-4％。在任何情况下，可以受益于改进的磁特性(例如抗磁性)的永磁体在任何这种电动机中的使用都被认为在本公开的范围内。另外的成分-例如上面提到的粘合剂-也可以包括在通过混合生产的混合物中，尽管这样的粘合剂应该保持最小以避免污染或磁特性降低。在一种形式中，混合可以包括使用dy或tb(例如，按重量计在约15％和约50％之间的dy或tb)的铁基合金粉末与nd-fe-b基粉末混合。

可以将磁粉过筛进行粒度分级，然后与用于最终所需磁性材料组合物的其它合金粉末以及粘合剂(如果需要，如上所述)混合。光聚合材料也可以与磁性材料和任何其它粘合剂混合在一起，形成充分混合或均匀的粉末材料。然后可以加入溶剂形成浆料。

此后，如上所述，在步骤102中，例如通过三维打印机打印磁粉材料的多个层12。这可以包括使用涉及基部16和槽18的方法，或者使用另一种3d打印方法。如上所述，打印层14a、14b……的步骤102可以包括将多个层12打印所需的磁体的最终形状，此后几乎不需要切割和机械加工。每个层14a、14b、14c、14d、14e、14f、14g优选用光24固化，同时将磁场施加到相应层上以使磁粉材料基本上沿所需方向取向以生成各向异性磁体。因此，磁粉材料在磁场下对准，该磁场可以在大约0.5至4特斯拉的范围内，并且优选地约为2特斯拉。磁场将使混合物的各个磁粒子对准，使得成品磁体10将具有优选的磁化方向。因此，磁粉材料可以各向异性取向提供。

在一些形式中，可将固化层14a、14b、14c、14d、14e、14f、14g加热至低于烧结温度的硬化温度。例如，硬化温度可以低于400℃，然而，该步骤在所有形式中可以不是必需的。硬化加热可导致“硬化生坯”或“棕坯”，其尚不具有最终的强度和微观结构，因为它们应优选地进行烧结以完全硬化。硬化后，磁体10稍微硬化，但不如烧结后磁体10那样硬。然而，在该步骤中，大部分粘合剂被烧掉，留下改进磁特性所需的纯磁体组合物和微观结构。

如果使用烧结，则磁体10在约750℃至约1100℃范围内的温度下烧结。烧结可以在真空中进行约1至约30小时并老化，如果需要，可以在真空中在约300℃至约700℃下进行约3至约20小时的另一热处理。

烧结可以在真空中或在惰性气氛(例如n2或ar)中进行以防止氧化。典型的烧结真空在约10^-3和约10^-5帕斯卡的范围内，以获得高达99％的理论密度。更长的烧结时间可以进一步提高烧结密度。如果烧结时间太长，由于微观结构中颗粒过度生长，它可能负面影响机械特性和磁特性。与其它形式的粉末冶金工艺一样，可以使用冷却程序，其中烧结部件在多个小时的过程中冷却。烧结104还可以包括使层12经受sic加热元件和高功率微波。

烧结用于通过加热和固态扩散促进冶金结合。因此，烧结，其中温度低于熔化磁粉材料所需的温度，被理解为与涉及熔化粉末材料的其它较高温度操作不同。在烧结之前，可以使用热等静压(hipping)来提高磁体密度并简化随后的烧结处理。

在烧结之后还可以采用附加的二次操作，包括较小的机械加工和表面处理或涂覆。

此外，可在烧结之前或之后施加hipping以增大磁体密度或使孔隙率最小化。hipping可包括使磁体10经受热等静压(hip)处理。在另一种结构中，可以使用热锻代替hip处理。在一些变型中，如果需要，可以进行较小的机械加工，例如抛光(例如，用陶瓷或金属粉末)和/或研磨。

然后可以进行表面处理，例如在某些情况下添加氧化物或相关涂层。例如，可以添加保护层或涂层。可以在烧结之后施加保护涂层。

显然，在不脱离由所附权利要求限定的本发明的范围的情况下，修改和变化是可能的。更具体地，尽管本公开的一些方面在此被标识为优选的或特别有利的，但是可以设想本发明不必限于本发明的这些优选方面。