專利名稱：復(fù)合金屬成形體及其制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及復(fù)合金屬成形體，所述復(fù)合金屬成形體包括相互熔合在一起的金屬粒子以及介于金屬粒子之間的樹脂碳化物，并涉及制造該復(fù)合金屬成形體的方法以及具有磁軛的電磁驅(qū)動元件，所述磁軛通過向勵磁線圈上通電形成磁路。
背景技術(shù)：
已知一種粉末成形工藝，在該工藝中，利用樹脂作為粘結(jié)材料，將金屬粒子在模具內(nèi)壓縮成形。利用粉末成形工藝制造的成形體，具有尺寸和形狀非常接近模具、并且基本上不需要任何后續(xù)加工的優(yōu)點。從而，可以說粉末成形工藝是一種對于主要用于制造昂貴材料的產(chǎn)品或很難進(jìn)行切削加工的產(chǎn)品而言非常有效的工藝。利用粉末成形工藝制造的成形體，由于其包括在金屬粒子中作為粘結(jié)材料的樹脂的結(jié)構(gòu)，所以，其機械強度受到限制。從而，利用粉末成形工藝制造的成形體常常用作機械強度不是很重要的部件中。例如，利用由稀土磁體粉末作為金屬粒子制造的成形磁體構(gòu)件適于用作例如馬達(dá)中的圓柱形轉(zhuǎn)子。其應(yīng)用范圍進(jìn)一步擴(kuò)展到例如包括馬達(dá)的磁軛或定子、光學(xué)儀器中的致動器的磁軛或變壓器以及磁頭中的芯等，所有這些部件都是利用軟磁材料作為金屬粒子來制造的。
為了改進(jìn)利用硬磁材料作為金屬粒子成形的磁體構(gòu)件的磁性能，利用盡可能高的成形壓力以便將金屬粒子靠在一起以實現(xiàn)高的磁通密度是有效的。如日本專利待審公開No.7-176416(1995)所揭示的，將加壓成形體加熱，以便將金屬粒子之間的樹脂固化，然后使樹脂回到環(huán)境溫度，使之經(jīng)受熱收縮，這樣做也是有效的。這可以使得粒子彼此更加靠近在一起，并由于其熱收縮應(yīng)力而提高了矯頑力，以達(dá)到改善的最大能積。
還已知一種通過下述過程制造的產(chǎn)品，對加壓成形體極端加熱以便將金屬粒子熔合到一起，同時根據(jù)粉末冶金燒結(jié)工藝在脫脂步驟中完全除去粘結(jié)材料，之后，對其進(jìn)行精整加工，形成所需的尺寸和形狀。但是，利用諸如軟磁材料等受應(yīng)力應(yīng)變影響很大的金屬粒子制成的成形磁體，由于諸如定尺寸加工等后續(xù)處理引起的加工應(yīng)變，會使其軟磁性惡化。并且，對于具有不對稱的復(fù)雜形狀的成形磁體，很可能不允許任何的這種定尺寸加工。為了克服這些不便，日本專利申請待審公開No.6-017103(1994)提出了一種方法，在該方法中，通過將校正構(gòu)件插入到中空壓坯中，并且將該壓坯置于具有凸出或凹入標(biāo)志的板上，以在其端面對其進(jìn)行支承，從而高精度地制造燒結(jié)產(chǎn)品。
通常用作粘結(jié)磁體的粘結(jié)材料的環(huán)氧樹脂，只能耐受例如300℃的溫度，而不能耐受對軟磁材料進(jìn)行消除應(yīng)力退火的可能高達(dá)約1,000℃的溫度。任何為了消除應(yīng)力而加熱利用環(huán)氧樹脂粘結(jié)軟磁材料制造的成形磁體的企圖，都會導(dǎo)致環(huán)氧樹脂發(fā)泡或者消失，嚴(yán)重地降低其強度和尺寸精度?？梢岳镁哂斜拳h(huán)氧樹脂更高的耐熱性的水玻璃或者有機硅樹脂作為粘結(jié)材料，但是，由于它們只有非常低的粘結(jié)金屬粒子的力，所以，為了產(chǎn)生所需的粘結(jié)力，需要大量的粘結(jié)材料。進(jìn)而，大量的粘結(jié)材料的采用在金屬粒子之間形成大的間隙，使之不能實現(xiàn)高的磁通密度，并造成成形磁體的低的磁性。
為了提高通過粉末成形制造的加壓成形體的機械強度，提高其材料的密度是有效的，從而，有必要采用較高的成形壓力。但是，如果諸如軟磁材料等其磁性會被應(yīng)力和應(yīng)變降低的材料的加壓成形，采用增大的成形壓力以便提高其軟磁性，則軟磁材料本身所承受的應(yīng)力和應(yīng)變會增大，從而降低其軟磁性。
盡管可以利用金屬材料的放電加工或者線切割放電加工形成不規(guī)則形狀的構(gòu)件，但是，對于實際應(yīng)用而言，其大批量生產(chǎn)率太低。盡管利用粉末冶金方法也能夠形成不規(guī)則形狀的構(gòu)件，但是，由于在燒結(jié)過程中粘結(jié)材料的分散或者由于粒子的熔合而造成燒結(jié)產(chǎn)品中的大的尺寸變化，以至于要求很長的時間對其進(jìn)行后續(xù)處理。即使軟磁材料的產(chǎn)品可以允許進(jìn)行定尺寸加工以對其形狀進(jìn)行校正，但是，其加工應(yīng)變會極大地降低其軟磁性能。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種包含軟磁材料的復(fù)合金屬成形體并提供一種制造復(fù)合金屬成形體的方法，該復(fù)合金屬成形體具有良好的尺寸精度和機械強度。本發(fā)明的其它目的之一是提供一種電磁驅(qū)動元件，該元件能夠利用所述復(fù)合金屬成形體作為用于采用移動磁體的馬達(dá)的磁軛。
本發(fā)明的第一個方面涉及復(fù)合金屬成形體，所述復(fù)合金屬成形體包括相互熔合的金屬粒子和介于所述金屬粒子之間的樹脂碳化物，所述金屬粒子包含軟磁材料。
在本發(fā)明中，優(yōu)選地利用呋喃樹脂作為用于金屬粒子的粘結(jié)材料，因為，當(dāng)對加壓預(yù)成形體加熱時，呋喃樹脂不會完全燒掉，而是適當(dāng)程度地保留，使得成形體能夠避免像粉末冶金燒結(jié)工藝的成形體中所產(chǎn)生的那樣的任何大的尺寸變化。當(dāng)對加壓預(yù)成形體加熱時，金屬粒子相互熔合到適當(dāng)?shù)某潭?，使得能夠制造機械強度改善的復(fù)合金屬成形體。
根據(jù)本發(fā)明的復(fù)合金屬成形體，通過對加壓預(yù)成形體加熱制成的成形體在尺寸或形狀上與加壓預(yù)成形體幾乎沒有不同，但提供了一種高尺寸精度的成形體，而不要求任何后續(xù)加工，并且具有良好的軟磁性。這是因為在熔合在一起的金屬粒子之間存在著樹脂碳化物。
根據(jù)本發(fā)明的第一個方面的復(fù)合金屬成形體，當(dāng)金屬粒子的比例表示為100時，優(yōu)選地，樹脂碳化物相對于金屬粒子的重量比在0.001至2％的范圍內(nèi)。更優(yōu)選地，該重量比在0.003至1.5％的范圍內(nèi)，最優(yōu)選地，在0.005至1.0％的范圍內(nèi)。如果樹脂碳化物與金屬粒子的重量比超過2％，則成形體的密度和機械強度較低，并且由于碳化的樹脂增加以及氣體聚集在成形體中，所以尺寸精度較低。當(dāng)重量比低于0.001％時，其尺寸精度也較低。樹脂碳化物與金屬粒子的重量比可以通過燃燒之后的紅外吸收光譜來確定?；旧?，碳化物的重量比的增加會導(dǎo)致復(fù)合金屬成形體的密度和機械強度降低。另一方面，碳化物的重量比的減少會導(dǎo)致成形體的尺寸精度的降低。但是，碳化物的重量比過高，由于碳化的樹脂的增加和氣體在成形體內(nèi)的集聚，也會導(dǎo)致尺寸精度的降低。
包含軟磁材料的金屬粒子優(yōu)選具有10至80％范圍內(nèi)的熔合率，更優(yōu)選地，其熔合率在15至75％的范圍內(nèi)。超過80％的熔合率導(dǎo)致低尺寸精度的成形體。另一方面，低于10％的熔合率導(dǎo)致低機械強度的成形體。并且，也不能顯示出良好的磁性性能。通過研磨復(fù)合金屬成形體的表面并測量暴露在其表面上的金屬粒子的總的外周長度L和熔合部的長度C來確定金屬粒子的熔合率R，并用公式R＝(2C/L)×100表示。
樹脂碳化物相對于取值為100的金屬粒子的重量比設(shè)定在0.001至2％的范圍內(nèi)，金屬粒子的熔合率設(shè)定在10至80％的范圍內(nèi)，這確保了高尺寸精度的復(fù)合金屬成形體的制造。進(jìn)而，成形體的機械強度很高，并具有優(yōu)異的大批量生產(chǎn)率。
確定熔合率的另外一個簡單的方法基于如下事實，即，復(fù)合金屬成形體中金屬粒子的熔合率越高導(dǎo)致其電阻越低，通過測量由和復(fù)合金屬成形體相同的金屬形成的塊體的體積電阻，并除以成形體的體積電阻，將其結(jié)果乘以100，確定熔合率。
另外一種方法基于以下事實，即，當(dāng)粒子是軟磁材料時，復(fù)合金屬成形體中的金屬粒子的熔合度越高，導(dǎo)致其電阻越低，通過測量由與復(fù)合金屬成形體相同的金屬形成的塊體的鐵心耗損，并計算成形體的鐵心耗損相對于取值為100的塊體的鐵心耗損之比，確定熔合率。
這里所采用的熔合率R的值是借助利用鐵心耗損之比的最后一種方法獲得的，盡管利用任何其它方法都可以獲得類似的值。當(dāng)與復(fù)合金屬成形體相同的金屬的塊體的鐵心耗損是已知的時，這種方法是所有方法中最容易的。
熔合率的值越小，復(fù)合金屬成形體的機械強度越低，該值越大，成形體的機械強度越高。但是，熔合率的值越大，成形體的尺寸精度傾向于越低。
本發(fā)明的第二個方面涉及制造復(fù)合金屬成形體的方法，該方法包括利用樹脂被覆包含軟磁材料的金屬粒子、以便制備成形材料的步驟；在壓力下將成形材料成形為預(yù)定形狀、以便制造加壓預(yù)成形體的步驟；以及對加壓預(yù)成形體加熱、以便煅燒樹脂并將金屬粒子相互熔合、制造包含金屬粒子和介于金屬粒子之間的樹脂碳化物的復(fù)合金屬成形體的步驟。
根據(jù)本發(fā)明的方法，該方法可以制造具有和加壓預(yù)成形體基本上相同的尺寸和形狀的復(fù)合金屬成形體，因為加壓預(yù)成形體的加熱不會將樹脂完全燒掉，而是允許其以碳化物的形式保留在金屬粒子中。因為相鄰的金屬粒子部分地熔合在一起，所以，復(fù)合金屬成形體具有高的尺寸精度以及優(yōu)異的機械強度。尤其是，將提供一種具有良好的軟磁性能的成形磁性元件。
盡管用于煅燒樹脂的時間和用于熔合金屬粒子的時間可能相互不同，但是優(yōu)選地將它們設(shè)定在相同的時刻，以避免工藝的復(fù)雜化。盡管所制造的復(fù)合金屬成形體可以用作最終的成形體，但是，如果需要的話，也可以將其去毛刺、涂敷或者進(jìn)行防銹處理。
根據(jù)本發(fā)明，加壓的預(yù)成形體的加熱不將樹脂完全燒掉，而是將其形成碳化物，并且對加壓的預(yù)成形體不會導(dǎo)致任何像粉末冶金燒結(jié)工藝中那樣大的尺寸變化。優(yōu)選地，將加壓預(yù)成形體在真空、還原氣體或惰性氣體的氣氛中加熱。
關(guān)于成形材料中金屬粒子和樹脂的比例，樹脂相對于金屬粒子的較高的比例，使之難以形成高密度的加壓預(yù)成形體，使得在加壓預(yù)成形體被加熱時，金屬粒子難以熔合在一起，導(dǎo)致低機械強度的復(fù)合金屬成形體。另一方面，較低的樹脂比例導(dǎo)致容易破裂的低強度的加壓預(yù)成形體，在加熱時，使得金屬粒子的熔合過度進(jìn)行，造成復(fù)合金屬成形體的尺寸差別很大。從而，當(dāng)樹脂是呋喃樹脂時，在成形材料中，包含有諸如酸催化劑等添加劑的樹脂相對于金屬粒子的比例優(yōu)選為，對于100份質(zhì)量的金屬粒子，其質(zhì)量在0.1至10份的范圍內(nèi)。更優(yōu)選地，其質(zhì)量為0.3至5份，最優(yōu)選地，其質(zhì)量在0.5至3份的范圍內(nèi)。
成形材料主要包括金屬粒子和樹脂。但是，優(yōu)選地，所述成形材料進(jìn)一步包括質(zhì)量在0.01至1份的固體潤滑劑，所述固體潤滑劑例如選擇自金屬皂、高級脂肪酸、滑石、二硫化鉬和碳氟化合物，以便制成高密度的加壓預(yù)成形體，并便于從模具中取出。大量添加固體潤滑劑是不理想的，因為固體潤滑劑通常降低加壓預(yù)成形體的機械強度。但是，對于固體潤滑劑的使用沒有特定的限制，所述固體潤滑劑能夠降低成形材料和模具之間的摩擦力并有利于其在模具中移動，以便制成高密度的加壓預(yù)成形體，并且，當(dāng)將加壓預(yù)成形體加熱以便制成復(fù)合金屬成形體時，可以通過氣化容易地將其從加壓預(yù)成形體中除去。滿足這種要求的優(yōu)選的固體潤滑劑是金屬皂，更優(yōu)選地是硬脂酸鋅。
在根據(jù)本發(fā)明的第二個方面的制造復(fù)合金屬成形體的方法中，金屬粒子可以包含F(xiàn)e、Ni、Co和由主要包括任何這種元素或者這些合金的混合物的軟磁合金構(gòu)成的軟磁材料。對加壓預(yù)成形體加熱以便制造復(fù)合金屬成形體的步驟，優(yōu)選包括將軟磁材料退火以便消除其內(nèi)部應(yīng)變的步驟。這將使得能夠獲得具有更好的軟磁特性的成形磁體。
優(yōu)選地，將加壓預(yù)成形體在這樣的溫度下加熱，在該溫度下，使得樹脂被煅燒但不會燒盡，并且使得金屬粒子能夠以恰當(dāng)?shù)娜酆下嗜酆系揭黄?。該溫度取決于形成加壓預(yù)成形體的一部分的樹脂的量、所采用的金屬粒子的種類等。當(dāng)其加熱溫度低時，盡管樹脂的煅燒只導(dǎo)致加壓預(yù)成形體或者復(fù)合金屬成形體中很小的尺寸變化，但通常不足以從金屬粒子中消除應(yīng)變。其結(jié)果是，金屬粒子不能令人滿意地熔合并制成高機械強度的成形體，當(dāng)金屬粒子是軟磁材料時，其軟磁特性不能得到改善。
相反地，高的加熱溫度導(dǎo)致樹脂經(jīng)受過度的碳化，最終燒盡，形成一種經(jīng)受過大的尺寸變化、導(dǎo)致不希望有的現(xiàn)象的復(fù)合金屬成形體，盡管金屬粒子的高的熔合率會給出較高的機械強度。從而，當(dāng)熱固性樹脂是呋喃樹脂時，使對加壓預(yù)成形體加熱的步驟包括在500℃到1,000℃的范圍內(nèi)的溫度對加壓預(yù)成形體加熱將是有效的。如果加熱溫度超過1,000℃，盡管成形體的機械強度較高，但是其尺寸精度較低。如果加熱溫度低于500℃，金屬粒子不會有效地從應(yīng)變中解脫出來，也不會令人滿意地熔合，導(dǎo)致成形體的機械強度低，不能表現(xiàn)出良好的機械性能。
盡管對于為了本發(fā)明的目的能夠使用的樹脂沒有特定的限制，但是，如果具有用于粘結(jié)金屬粒子的高的粘結(jié)力、在加熱時不會發(fā)泡或燒盡的話，則這樣的熱固性樹脂是優(yōu)選的，特別是，如前面所述，呋喃樹脂是優(yōu)選的。呋喃樹脂是具有呋喃環(huán)的樹脂的總稱，可以采用糠醇糠醛共縮合型、糠醇型或糠醛苯酚共縮合型樹脂。當(dāng)然，也可以利用糠醛酮、糠醇尿素、或者糠醇苯酚共縮合型樹脂。當(dāng)在加熱的條件下固化呋喃樹脂時，優(yōu)選地，利用有機或無機的酸催化劑。添加到呋喃樹脂中的酸催化劑的量，優(yōu)選地，對于100份質(zhì)量的呋喃樹脂而言為0.001到10份質(zhì)量的催化劑，以便確保樹脂的固化并避免催化劑給予金屬粒子任何影響。
本發(fā)明的第三個方面涉及電磁驅(qū)動元件，包括永磁體和磁軛，通過向勵磁線圈上通電，所述永磁體和磁軛形成磁路，其中，所述磁軛是根據(jù)本發(fā)明的第一個方面的復(fù)合金屬成形體或者通過根據(jù)本發(fā)明的第二個方面的方法制造的復(fù)合金屬成形體。
通過利用根據(jù)本發(fā)明的復(fù)合金屬成形體作為用于電磁驅(qū)動元件的磁軛，其中，所述電磁驅(qū)動元件包括通過向勵磁線圈通電形成磁路的永磁體和磁軛，可以獲得例如用于光量控制器件或者具有穩(wěn)定的磁性的馬達(dá)等的電磁驅(qū)動元件。
通過下面示范性的實施例(參照附圖)的描述，本發(fā)明的其它特征將會變得更加明顯。


圖1是根據(jù)本發(fā)明的實施例的光學(xué)儀器的光量控制器件的分解透視圖；圖2是以放大的方式表示利用根據(jù)本發(fā)明的方法制造的圖1所示的磁軛的內(nèi)部結(jié)構(gòu)的掃描電子顯微照片；
圖3是以典型的模式表示圖2所示的磁軛的內(nèi)部結(jié)構(gòu)的示意圖；圖4是由根據(jù)本發(fā)明的方法制造的圖1所示的磁軛上的定位突起的掃描電子顯微照片；圖5是根據(jù)本發(fā)明的另一個實施例的用于照相機的快門元件的分解透視圖；圖6是根據(jù)本發(fā)明的又一個實施例的主軸馬達(dá)的剖視圖；圖7是圖6所示的主軸馬達(dá)的磁軛部分的俯視平面圖；圖8是根據(jù)本發(fā)明的再一個實施例的圓筒形步進(jìn)馬達(dá)的剖視圖；圖9是圖8所示的圓筒形步進(jìn)馬達(dá)的分解透視圖；圖10是根據(jù)本發(fā)明的又再一個實施例的不同的圓筒形步進(jìn)馬達(dá)的剖視圖；以及圖11是圖10所示的圓筒形步進(jìn)馬達(dá)的磁軛部分的透視圖。
具體實施例方式
現(xiàn)將參照圖1詳細(xì)描述本發(fā)明的一個實施例，在該實施例中，用于光學(xué)儀器的光量控制器件的電磁驅(qū)動元件，圖1表示其分解透視圖。但是，應(yīng)當(dāng)理解，本發(fā)明并不局限于任何這樣的實施例，而是允許在權(quán)利要求中所述的本發(fā)明的概念的范圍內(nèi)進(jìn)行各種變形和改型，當(dāng)然可以應(yīng)用于屬于本發(fā)明的精神的任何其它技術(shù)。
圖1所示的用于光學(xué)儀器的光量控制元件10，具有一對孔徑光闌11和12，所述孔徑光闌包括根據(jù)本發(fā)明的葉片，并借助連桿臂13的旋轉(zhuǎn)沿相互對向的方向可移動地支承，以便改變由孔徑光闌11和12限定的孔徑開口。在孔徑光闌之一11上固定有ND濾光片14，用于防止不能被孔徑控制的過多的光量通過。孔徑光闌11和12可往復(fù)運動地支承在具有用于光路的開口15的殼體16上，所述孔徑光闌11和12分別具有形成在其基端的狹槽17，其中的每個狹槽分別連接到形成在連桿臂13的對向端的銷18中的一個上。軸20從圓筒形轉(zhuǎn)子磁體19突出，將該軸磁化，使之具有分別沿著其圓周的兩個半周的兩個磁極，并且該軸具有成一整體地結(jié)合到連桿臂13的中間的一個端部。轉(zhuǎn)子磁體19經(jīng)由嵌入到底板21中的圖中未示出的軸承，可旋轉(zhuǎn)地安裝到底板21上。轉(zhuǎn)子磁體19具有另外一個端部，該端部由位于蓋構(gòu)件23上的圖中未示出的軸承可旋轉(zhuǎn)地支承，其中，所述蓋構(gòu)件23配合到從底板21上突出的一對托架22上。
具有用于光路的開口24的底板21，具有圖中未示出的突出的止動部，用于緊靠在連桿臂13上，以便限定其旋轉(zhuǎn)的限度。以與之間隔開的方式圍繞轉(zhuǎn)子磁體19的圓筒形磁軛25，具有一對形成在其內(nèi)表面上的定位突起26，每一個定位突起配合到配合孔27中，所述配合孔27在底板21的可彈性變形的托架22中對應(yīng)的一個中形成，從而，與底板21的對應(yīng)的托架22一體化。磁軛25由軟磁材料形成，并與轉(zhuǎn)子磁體19一起形成磁路或者根據(jù)本發(fā)明的移動磁體。用于驅(qū)動轉(zhuǎn)子磁體19的驅(qū)動線圈28和用于產(chǎn)生與轉(zhuǎn)子磁體19的旋轉(zhuǎn)速度成比例的反電動勢的阻尼線圈29相互位于磁軛25的徑向方向的對向側(cè)，其中，所述阻尼線圈用于控制轉(zhuǎn)子磁體19的旋轉(zhuǎn)。驅(qū)動線圈28和阻尼線圈29由膠帶30固定到磁軛25上，并連接到用于從外部接受信號的印刷電路板31上。將驅(qū)動線圈28和阻尼線圈29以這樣的方式安裝到磁軛25上，使得它們在與磁軛25的定位突起26相互面對的方向垂直的方向上相互面對。定位突起26還具有設(shè)定轉(zhuǎn)子磁體1 9的起動轉(zhuǎn)矩的磁穩(wěn)定位置的功能。從而，當(dāng)中斷向驅(qū)動線圈28上提供電流時，通過磁性吸引轉(zhuǎn)子磁體19，可以驅(qū)動孔徑光闌11和12并將孔徑保持在其關(guān)閉的位置上。
光量控制元件10中的磁軛25由根據(jù)本發(fā)明的復(fù)合金屬成形體形成，并且下面作為例子將要描述其制造方法。
作為金屬粒子，準(zhǔn)備以鐵粉末為基礎(chǔ)的軟磁復(fù)合物Somaloy 500(瑞典Hgans AB的商標(biāo)名)。然后，作為樹脂準(zhǔn)備呋喃樹脂VF303(Hitachi Kasei Kogyo Co.，Ltd.的商標(biāo)名)，作為酸催化劑，準(zhǔn)備A3(Hitachi Kasei Kogyo Co.，Ltd.的商標(biāo)名)。將100份質(zhì)量的呋喃樹脂和1份質(zhì)量的酸催化劑的混合物用丙酮稀釋，將調(diào)節(jié)過粘度的稀釋物噴灑到浮動的鐵粒子上，以便通過將用作溶劑的丙酮揮發(fā)，用包含有酸催化劑的呋喃樹脂被覆鐵粒子的表面，從而生成成形材料。利用通用的工業(yè)試劑硬脂酸鋅作為固體潤滑劑，將0.5份質(zhì)量的硬脂酸鋅均勻地添加到到成形材料中，并且利用活塞振動器，以頻率120Hz、20N的振動力進(jìn)行一秒鐘的振動，將成形材料裝入到模具中。然后，沿著與磁軛25的軸線平行的方向，向成形材料上施加預(yù)定的壓力，以便制成加壓預(yù)成形體。
在所描述的工藝中使用的模具具有6.000mm的內(nèi)徑，其中心銷具有5.200mm的外徑，并且具有一個或兩個形成在其外周面上半圓形的槽，以便形成(一個或多個)定位突起26。
將加壓預(yù)成形體從模具中釋放出來，置于平坦的陶瓷板上，在180℃加熱一小時，使呋喃樹脂固化。在保持10-3Pa的真空的同時，在600℃加熱一小時，使得呋喃樹脂可以被分解并作為不需要的氣體除去。將其加熱溫度從850℃上升到1,000℃，在氫還原氣氛中保持一小時以進(jìn)行消除應(yīng)變的退火，并冷卻到環(huán)境溫度，以便生成作為復(fù)合金屬成形體的磁軛25。
鐵基金屬的粉末冶金燒結(jié)通常采用1,100℃到1,300℃的溫度，用于將金屬粒子熔合到一起。通常達(dá)到80％或更高的熔合率，以便產(chǎn)生高機械強度的燒結(jié)成形體，但是，對于如所描述的工藝的成形體那樣的厚度小的制品，會發(fā)生大的尺寸變化。當(dāng)多個制品彼此接觸地加熱處理時，隨著呋喃樹脂的碳化和金屬粒子的熔合，它們之間會相互發(fā)生熔合，并導(dǎo)致作業(yè)效率極大地下降。
在低于500℃的任何溫度，不能令人滿意地熔合或消除內(nèi)部應(yīng)變。即使通過以500℃加熱，也可以形成復(fù)合金屬成形體，因為呋喃樹脂的碳化在大約350℃開始。
通過選擇燒成溫度，實現(xiàn)允許一定量的碳化物保留在金屬粒子之間的熔合率，同時不形成任何明顯變形的成形體，而是形成高機械強度和磁性的成形體，本發(fā)明可以形成具有所需性質(zhì)的磁軛。
所生產(chǎn)的磁軛25的性質(zhì)示于下面的表1中。根據(jù)例子1，通過將1份質(zhì)量的酸催化劑添加到100份質(zhì)量的呋喃樹脂中，并將0.6份質(zhì)量的它們的混合物，添加到100份質(zhì)量的鐵粉末中，并對其施加3.6噸/cm2的壓力，制成加壓預(yù)成形體，制備成形材料。根據(jù)例子2，通過將4.0份質(zhì)量的上述混合物添加到100份質(zhì)量的鐵粉末中，并對其施加3.6噸/cm2的壓力，制成加壓預(yù)成形體，制備成形材料。根據(jù)例子3，通過將0.5份質(zhì)量的上述混合物添加到100份質(zhì)量的鐵粉末中，并對其施加10.0噸/cm2的壓力，制成加壓預(yù)成形體，制備成形材料。根據(jù)例子4，通過將3.0份質(zhì)量的上述混合物添加到100份質(zhì)量的鐵粉末中，并對其施加10.2噸/cm2的壓力，制成加壓預(yù)成形體，制備成形材料。根據(jù)例子5，通過將1.0份質(zhì)量的上述混合物添加到100份質(zhì)量的鐵粉末中，并對其施加8.0噸/cm2的壓力，制成加壓預(yù)成形體，制備成形材料。
為了確認(rèn)本發(fā)明的優(yōu)點，通過在例子1中采用3.2噸/cm2的成形壓力，制造根據(jù)比較例1的加壓預(yù)成形體。類似地，在例子2中采用3.4噸/cm2的成形壓力，制造根據(jù)比較例2的加壓預(yù)成形體，通過在例子3中采用15.6噸/cm2的成形壓力，制造根據(jù)比較例3的加壓預(yù)成形體。根據(jù)比較例4，對于通過將5.0份質(zhì)量的上述混合物添加到100份質(zhì)量的鐵粉末中制備的成形材料，采用12.5噸/cm2的成形壓力。根據(jù)比較例5，按照下述方式制造。通過利用二甲苯稀釋5份重量的彈性體或者有機硅樹脂DY35-561A/B(Dow Corning Toray Co.，Ltd.商標(biāo)名)，并且將其稀釋物噴灑到100份重量的如例子1中使用的鐵粉末上，制備成形材料。將成形材料用和例子5中所使用的相同的成形壓力進(jìn)行成形，并且將成形體在200℃加熱4小時，使有機硅樹脂固化。然后，在600℃將其加熱一小時，同時保持10-3Pa的真空，并將其在氫還原氣氛中在上升到850℃的溫度下保持一小時，并冷卻到環(huán)境溫度，以便得到作為復(fù)合金屬成形體的根據(jù)比較例5的磁軛。
表1

殘留的碳的量通過在燃燒之后利用紅外吸收光譜測定其相對于金屬元素的比例來確定。通過將繞組置于磁軛上，將796A/m的磁場加到磁軛上，測定其在頻率為1kHz時的鐵心耗損，并計算其相對于具有和對應(yīng)的例子相同的形狀但由純鐵的塊體形成的磁軛的鐵心耗損之比(其中，令后者的鐵心耗損為100)，以此來確定熔合率。
當(dāng)磁軛25的外徑與模具的內(nèi)徑相比的誤差的絕對值以及磁軛25的內(nèi)徑與模具中的中心銷的外徑相比的誤差的絕對值均小于0.5％時，各成形體在尺寸變化方面定為“○”級，否則將其定為“×”級。當(dāng)這種誤差的絕對值小于0.5％時，磁軛25無需進(jìn)行任何尺寸矯正。
徑向抗壓強度通過采用材料試驗機的壓縮模式根據(jù)JIS Z2507說明的方法進(jìn)行測定。各成形體當(dāng)其徑向抗壓強度低于100N/mm2時，定為“×”級，當(dāng)其徑向抗壓強度等于或大于100N/mm2時，定為“○”級，因為任何具有像根據(jù)所描述的實施例的每個磁軛25那樣的薄的壁厚的制品，當(dāng)其徑向抗壓強度低于100N/mm2時，都有急劇增大的破裂或斷裂傾向。
通過將磁軛裝入到如圖1所示的光控制器件10并借助于中斷電流的供應(yīng)檢查孔徑光闌11和12的操作，對于根據(jù)例1到5和比較例1到5的磁軛25分別對磁性進(jìn)行了評價。各個磁軛當(dāng)孔徑光闌11和12順滑地關(guān)閉孔徑時，定為“○”級，當(dāng)不能順滑地關(guān)閉或者根本不能關(guān)閉孔徑時，定為“×”級。
由表1所示的結(jié)果可以確認(rèn)，作為光控制器件10的軟磁構(gòu)件，根據(jù)本發(fā)明的例1到5的磁軛25中的每一個都具有高的尺寸精度和高強度。
對于根據(jù)例5和比較例5的磁軛25，通過在其上設(shè)置30圈初級和次級繞組，并利用直流磁化自動記錄裝置，在強度為796A/m的非常弱的磁場中，檢查了它們的磁通密度。根據(jù)例5的磁軛25顯示出1.05T的磁通密度，而根據(jù)比較例5的磁軛顯示出0.23T的磁通密度。這些結(jié)果證實，根據(jù)本發(fā)明的磁軛25是優(yōu)異的軟磁材料，在非常弱的磁場中具有非常高的磁通密度。
相反地，比較例1的成形體，雖然，盡管其殘留的碳含量低于0.001％，而由于低的熔合率的緣故其尺寸精度令人滿意，但是，因為其殘留的碳含量和熔合率都很低，并未表現(xiàn)出令人滿意的高徑向抗壓強度，其磁性能也不令人滿意。比較例2的成形體具有高于2％的殘留碳含量，由于大量碳化的樹脂和聚集在成形體中的氣體，而顯示出不希望有的大的尺寸變化。由于其殘留的碳含量和熔合率都低，所以既未顯示出令人滿意的高抗壓強度，磁性能也不令人滿意。比較例3的成形體，由于其熔合率超過80％，所以，其尺寸精度很低，不能令人滿意，并且其尺寸誤差顯然造成孔徑光闌不能順滑地工作。比較例4的成形體具有高于2％的殘留碳含量，由于大量的碳化的樹脂和聚集在成形體中的氣體，表現(xiàn)出不令人滿意的大的尺寸誤差，這顯然造成孔徑光闌不能順滑地工作。
將根據(jù)例5的磁軛25切割，并將其切割面光滑地拋光，并通過顯微鏡進(jìn)行檢查。其結(jié)果示于圖2。圖2展示出熔合在一起的金屬粒子和未熔合在一起的粒子之間的孔隙。圖3是圖2中所示的結(jié)構(gòu)的典型的代表。碳化物殘留在圖2和3所示的孔隙的表面上，并抑制鐵粒子熔合到一起。圖4是在利用稀硝酸將鐵粒子腐蝕掉之后拍攝的掃描電子顯微照片，并展示出具有未被腐蝕液腐蝕掉的平坦表面的呋喃樹脂的碳化物。
從而，控制復(fù)合金屬成形體的殘留的碳含量，其中，樹脂在加熱的狀態(tài)下被煅燒并停留在碳化物的形式，通過保持其形狀的穩(wěn)定性且不引起任何明顯的尺寸變化，使得能夠制造盡管具有低的熔合率但是卻具有高強度并且具有高精度的復(fù)合金屬成形體。進(jìn)而，在加熱的情況下將金屬粒子熔合到一起，給予成形體非常高的機械強度。當(dāng)金屬粒子是軟磁材料時，在加熱的情況下從材料中消除內(nèi)部應(yīng)變，明顯地改進(jìn)其軟磁性能。
現(xiàn)將參照圖5詳細(xì)描述本發(fā)明的實施例的另一個形式，其中，復(fù)合金屬成形體被用作照相機的快門器件，圖5表示其分解透視圖。快門器件40是所謂的鏡頭快門，并且在圖中未示出的透鏡鏡筒中保持在非常窄的空間內(nèi)。
由圓筒形永磁體形成的磁體轉(zhuǎn)子43被保持在用于快門器件40的殼體41與置于殼體41上的上蓋42之間。以間隔開的方式圍繞磁體轉(zhuǎn)子43并與之形成根據(jù)本發(fā)明的移動磁體的磁軛44，也被保持在殼體41與上蓋42之間。磁體轉(zhuǎn)子43以這樣的方式磁化，即，使之具有兩個分別沿著其外周的兩個半周的磁極。磁體轉(zhuǎn)子43具有旋轉(zhuǎn)軸45，該旋轉(zhuǎn)軸45在一端延伸通過殼體41并通過形成在第一快門葉片46的基端的狹槽47，并與形成在第二快門葉片48的基端的連接孔49成一整體地配合。成一整體地配合到磁體轉(zhuǎn)子43的旋轉(zhuǎn)軸45的一個端部周圍的擺臂50，具有驅(qū)動銷51，該驅(qū)動銷從其遠(yuǎn)端突出，并且與形成在第一快門葉片46中、狹槽47的旁邊的連接孔52成一整體地配合。從而，磁體轉(zhuǎn)子43連同其旋轉(zhuǎn)軸45的旋轉(zhuǎn)，導(dǎo)致第二快門葉片48同時旋轉(zhuǎn)，而在第一快門葉片46旋轉(zhuǎn)之前，存在著一定的時間滯后。磁體轉(zhuǎn)子43的旋轉(zhuǎn)軸45具有由上蓋42可旋轉(zhuǎn)地支承的另一個端部。
形狀基本上像音叉的磁軛44由軟磁材料形成，并裝配有連接到未示出的電源上的繞組53。施加到繞組53上的電流的大小和方向的控制，使之能夠按需要選擇快門葉片46和48的操作。將面對磁體轉(zhuǎn)于43的音叉狀的磁軛44的部分制成這樣的形狀，即，使得當(dāng)向繞組53供應(yīng)的電流中斷時，磁體轉(zhuǎn)子43可以沿完全關(guān)閉快門葉片46和48的方向旋轉(zhuǎn)。作為快門的另外一個功能，快門葉片必須不會因為受到任何碰撞等而被打開，而且，特別要求磁軛面對磁體轉(zhuǎn)子的部分在尺寸上是可靠的。這一點將磁軛44與前面所描述的基本上為圓筒形的磁軛25區(qū)別開來。
為了獲得快門器件40的穩(wěn)定的性能，確保形成磁體轉(zhuǎn)子43的對向磁極的磁軛44的平坦度以及磁體轉(zhuǎn)子43與磁軛44之間的間隙的尺寸精確度是很重要的。
從而，試圖利用根據(jù)本發(fā)明的工藝制造磁軛44。通過采用對應(yīng)于磁軛44的形狀的模具，利用和例5中相同的成形材料及9.0噸/cm2的成形壓力，形成加壓預(yù)成形體?？刂瞥尚尾牧系牧亢湍＞叩纳喜亢拖虏繘_頭作用到成形材料上的力的程度，使得當(dāng)從模具中脫出時，成形的磁軛在其形成磁體轉(zhuǎn)子43的對向的磁極的部分中可具有4,000mm的直徑和2.0mm的厚度。
將加壓預(yù)成形體在180℃加熱，令其呋喃樹脂固化，然后在和例1到5相同的條件下，作為復(fù)合金屬成形體，生成根據(jù)本發(fā)明的例6的磁軛，該磁軛具有基本上類似音叉的形狀。
根據(jù)比較例6，將具有1.00mm厚度的純鐵平板壓成磁軛44的形狀，并且在850℃、在氫氣氛中加熱處理1小時，制成壓制的磁軛。
根據(jù)比較例7，向100份重量的鐵粉末、例如前面提到的Somaloy500中，添加1.5份重量的作為粘合劑的聚酰胺樹脂，制備燒結(jié)材料。將其置于和例6中采用的相同的模具中，并經(jīng)受9.0噸/cm2的成形壓力，控制燒結(jié)材料的量和模具的上部和下部沖頭作用到燒結(jié)材料的力的程度，使得當(dāng)從模具中脫出時，成形體可具有2.00mm的厚度。將成形體置于爐子中，在環(huán)境氣氛中保持在220℃，使聚酰胺樹脂脫脂，然后，在1,100℃，在氫氣氛下經(jīng)受1小時的燒結(jié)處理，制成燒結(jié)的磁軛。
(對于尺寸精度的評價)分別根據(jù)例6以及比較例6和7各準(zhǔn)備10個磁軛，測定它們的形成磁體轉(zhuǎn)子43的對向的磁極的部分的平均直徑及其標(biāo)準(zhǔn)偏差，用于比較它們的尺寸精度。但是，在比較例6中，只對一個成形體進(jìn)行測量。通過將其置于基座上，測量其間的最大間隙，將該間隙除以磁軛的厚度，并乘以100，以便將其用百分?jǐn)?shù)表示，由此計算各磁軛的平直度。該數(shù)值是10個磁軛的平均值。其結(jié)果示于表2。
表2

如可以從表2中顯然看出的那樣，本發(fā)明的例子顯示出即使對于音叉形的構(gòu)件，也可以制造在其端部只有非常小的程度的間隙變形、并且具有高的平直度以及很高的尺寸精度水平的復(fù)合金屬成形體，所述尺寸精度很高，使得其尺寸非常接近模具的尺寸。比較例6的成形體顯然具有大量的由于純鐵的加壓產(chǎn)生的不均勻的應(yīng)變，其平直度會由于熱處理而降低。比較例7的成形體，由于在1,100℃進(jìn)行熱處理，結(jié)果，金屬粒子具有80％或更高的熔合率，其平直度被顯著降低。
(對于快門性能的評價)將如圖5所示的通過將繞組53置于在根據(jù)本發(fā)明的例6的磁軛44上制造的快門器件40，放置于圖中未示出的透鏡鏡筒中。通過不向繞組53上提供任何驅(qū)動電流、而利用由永磁體和磁軛44形成的磁體轉(zhuǎn)子43的吸引力保持快門葉片46和48關(guān)閉，并使該透鏡鏡筒從2.0m的高度上落下，使快門器件40經(jīng)受下落沖擊試驗。關(guān)于快門器件40所要求的性能，不僅當(dāng)不提供電流時要求快門葉片46和48保持關(guān)閉，而且即使在向包括該快門器件的任何光學(xué)儀器上施加給定的沖擊之后，也要求其保持關(guān)閉。在包含有根據(jù)本發(fā)明的例子和比較例的磁軛的所有快門器件40中，當(dāng)不提供電流時，發(fā)現(xiàn)快門葉片46和48保持關(guān)閉。關(guān)于下落沖擊試驗的結(jié)果，發(fā)現(xiàn)在包含根據(jù)本發(fā)明的磁軛的器件中快門葉片46和48保持關(guān)閉，但是，在包含有根據(jù)比較例的磁軛的器件中，由于弱的保持力，發(fā)現(xiàn)有時快門葉片會打開。
(材料強度試驗)在根據(jù)本發(fā)明例6和比較例6和7的磁軛的每一個上，沿著其基本上為槽形的端部開口變窄的方向上，施加負(fù)荷，以便測定其抗彎強度。關(guān)于根據(jù)比較例6的壓制的磁軛，對于兩個相互疊起來的磁軛進(jìn)行測試。所有根據(jù)本發(fā)明和比較例的磁軛，都表現(xiàn)出基本上相同的抗彎強度，所述強度足夠高，能夠耐受正常的處理。
盡管上面已經(jīng)描述了利用鐵粉末作為軟磁材料的情況，但是，本發(fā)明也可以利用其它任何軟磁材料或者任何其它合適的金屬材料和樹脂制造高尺寸精度和機械強度的復(fù)合金屬成形體。
根據(jù)本發(fā)明的成形體不僅可以用作如上所述的用于光控制器件的電磁驅(qū)動器件的磁軛，也可以用作任何其它電磁驅(qū)動器件的磁軛，例如各種類型的馬達(dá)。例如，本發(fā)明可適用于如圖7所示的具有多個呈放射狀延伸的線圈保持器55a的磁軛55，所述磁軛用于圖6所示的主軸馬達(dá)54，所述主軸馬達(dá)例如用于打印機。磁軛55的線圈保持器55a保持繞于其上的線圈56，環(huán)形永磁體57圍繞磁軛55，并且能夠隨主軸58旋轉(zhuǎn)。從磁軛55的圓筒形主體55b呈放射狀延伸的線圈保持器55a具有改進(jìn)的平直度并且和例6的情況一樣，確保良好的旋轉(zhuǎn)精度。
圖8和10表示步進(jìn)馬達(dá)59，每個步進(jìn)馬達(dá)都具有成一整體地固定到主軸60上的永磁體61和一對分別保持線圈62并配合到襯套64內(nèi)的定子63。定子63具有高的尺寸精度，這種精度例如通過普通的加壓成形是不能達(dá)到的，因為它們是和例1到5的成形體的形狀類似的具有薄的壁厚的構(gòu)件并且具有如圖9和11所示的鋸齒突起63a的環(huán)形排列。從而，步進(jìn)馬達(dá)59的步進(jìn)精度和轉(zhuǎn)矩特性是十分優(yōu)異的。
從而，作為復(fù)合金屬成形體，本發(fā)明提供了具有高的尺寸精度和強度的不對稱或薄壁的制品，所述制品包括馬達(dá)定子、變壓器和磁頭鐵心等。
盡管參照例示的實施例對本發(fā)明進(jìn)行了描述，但是，應(yīng)當(dāng)理解，本發(fā)明并不局限于所揭示的例示實施例。下面的權(quán)利要求的范圍給出了最廣泛的解釋，從而包括所有的改型和等價的結(jié)構(gòu)和作用。
權(quán)利要求
1.一種復(fù)合金屬成形體，所述成形體包括相互熔合的金屬粒子和介于金屬粒子之間的樹脂碳化物，所述金屬粒子包含軟磁材料。
2.如權(quán)利要求1所述的復(fù)合金屬成形體，其特征在于，當(dāng)金屬粒子的比例用100表示時，樹脂碳化物相對于金屬粒子的重量比在0.001到2％的范圍內(nèi)，并且其中，金屬粒子具有10到80％的熔合率。
3.如權(quán)利要求1所述的復(fù)合金屬成形體，其特征在于，所述樹脂是呋喃樹脂。
4.一種制造復(fù)合金屬成形體的方法，包括以下步驟利用樹脂被覆包含軟磁材料的金屬粒子，以便制備成形材料；在壓力下將成形材料成形為預(yù)定形狀，以便制造加壓預(yù)成形體；以及對加壓預(yù)成形體加熱，以便煅燒樹脂并將金屬粒子相互熔合，以便制造包括金屬粒子和介于金屬粒子之間的樹脂碳化物的復(fù)合金屬成形體。
5.如權(quán)利要求4所述的方法，其特征在于，對加壓預(yù)成形體加熱的步驟包括將軟磁材料退火，以便消除其內(nèi)部應(yīng)變。
6.如權(quán)利要求4所述的方法，其特征在于，樹脂是熱固性樹脂，并且所述方法進(jìn)一步包括通過對加壓預(yù)成形體加熱將樹脂固化的步驟。
7.如權(quán)利要求6所述的方法，其特征在于，所述樹脂是呋喃樹脂。
8.如權(quán)利要求7所述的方法，其特征在于，將加壓預(yù)成形體加熱的步驟包括以500℃至1,000℃的范圍內(nèi)的溫度對加壓預(yù)成型體加熱。
9.一種電磁驅(qū)動元件，包括永磁體和磁軛，通過向勵磁線圈通電，所述永磁體和磁軛形成磁路，其中，所述磁軛是根據(jù)權(quán)利要求1所述的復(fù)合金屬成形體，或者是利用根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法制造的復(fù)合金屬成形體。
全文摘要
一種壓縮成形體，具有高的尺寸精度和機械強度，很難利用粉末成形法制造。特別是，包括軟磁材料具有高的軟磁性能的成形體，是很難制造的。根據(jù)本發(fā)明的復(fù)合金屬成形體包括金屬粒子和介于粒子之間的樹脂碳化物。所述復(fù)合金屬成形體通過以下方式制造，即，通過利用樹脂被覆金屬粒子，在壓力下將制備的成形材料成形為預(yù)定的形狀，將所制備的加壓的預(yù)成形體加熱，以便煅燒樹脂并將粒子相互熔合。當(dāng)將金屬粒子的比例用100表示時，樹脂碳化物相對于金屬粒子的重量比在0.001至2％的范圍內(nèi)。粒子具有10至80％的熔合率。粒子優(yōu)選地包括軟磁材料，樹脂優(yōu)選地為呋喃樹脂。
文檔編號C09J171/00GK1959869SQ20061014238
公開日2007年5月9日 申請日期2006年10月11日 優(yōu)先權(quán)日2005年10月11日
發(fā)明者浜名純二, 川田勇, 丸山直昭 申請人:佳能電子株式會社