非晶铁芯浸渍切割工艺进展.docx

年月非晶铁芯浸渍切割工艺进展全白云(钢铁研究总院 北京 100081)摘 要 对近 10 多年来日本发表的有关非晶铁芯浸渍定型工艺的主要内容进行了介绍 。这些文献的共同出发点在于想方设法避免或减轻以往浸渍工艺的弊端 由于浸渍材料固化收缩使铁芯 承受应力 ,以致性能下降 。还介绍了铁芯切割工艺以及切割 、研磨 、切口所用的工具等以供参考 。 关键词 非晶合金 切割铁芯 浸渍Progress in Amorphous Core Impregnationand Cutting Techn iquesQ u a n B ai y u n( Cent ral Iro n & Steel Research Instit ute ,Beijing100081)ABSTRCT J apan patent s , p ublished in t he past decade , o n amorp hous imp regnatio n are int roduced.The co mmo n point of t hem is to , by all means , avoid t he p ropert y deterioratio n of t he cores arising f ro m t he resin shrinkage during solidificatio n. Besides , cut ting techniques , p roper cut ting and lapping tools are also p resented for reference.KEY WO RDS amorp hous alloys , cut ting techniques , imp regnatio n1前言目前 ,非晶或超微晶软磁合金带通常是 卷绕成环状闭合铁芯使用 ,但有些电源变压器由于绕线匝数较多 ,往往需要将铁芯切断 , 将事先绕好的线圈套在铁芯腿上 ,然后再次 两半铁芯对合使用 。另一些铁芯亦需固化定 形直接绕线使用 ( 不装护套) , 无论是准备切 断的铁芯还是直接绕线的铁芯 ,都需经过固化定形工序 。而以往所采用的铁芯浸渍固化 工艺存在着由于浸渍材料固化收缩使铁芯受 到应力 , 从 而 引 起 性 能 大 幅 度 下 降 的 问 题 。 另外 ,其后的切割工序所引入的应变及切口 不吻合亦对铁芯性能造成不良影响 。此问题早已引起各国非晶合金研究人员的重视 , 并 投入人力物力进行此方面的实验研究 ,特别是日本 ,关于浸渍切割工艺的专利较多 。本文综述了近 10 多年日本发表的有关非晶铁 芯浸渍切割工艺 、工具等方面的专利文献以供参考 。2 浸渍工艺的分类及说明从日本专利所介绍的浸渍工艺来看 , 可 将其大致分为 3 类 : (1) 铁芯表面包敷定形法(MOUL D 法 ) ; ( 2 ) 铁 芯 内 浸 可 去 除 的 浸 渍 剂 ; (3) 铁芯内浸特殊浸渍剂或采用特殊固化 工艺 。2 . 1 铁芯表面包敷定形法 ( MOUL D 法)通过模具成形或涂敷方法 ,使树脂 、塑料 甚至金属或其他包敷材料在铁芯表面形成一层硬壳 ,起到固定铁芯形状 ,提高机械强度 ,防潮 、防震且防止切割时变形的作用 。由于金属功能材料1998 年 242 包敷材料仅仅附着在铁芯表面 ,而不浸入内部非晶带层之间 ( 或浸入极少) , 所以可避免 产生由于包敷材料固化收缩造成铁芯非晶带 受到应力而使性能恶化的问题 。各专利所报 道的适宜的包敷 层 厚 度 略 有 差 别 , 约 在 0 . 52 mm 的范围内 。一种简便易行的涂敷方法1 为 : 先将铁 芯两端面涂少量石腊或热熔粘接剂 ( 以防树脂浸入铁芯内) ,然后整个铁芯表面再涂一层 固化后硬度较大的环氧树脂层 ( 实施例中涂敷厚度大于 2 mm) ,待固化后 ,可直接在铁芯 上绕线圈或切割成 C 形 。采用此方法的要点是 : (1) 卷绕铁芯时要 加大张力 ,使层间空隙减小 ( 以防树脂浸入非晶层间) ; (2) MOUL D 工艺所用树脂 ,应选粘 度高的 , 即粘度应达 2000cp s 以上 ; ( 3 ) 包 敷用的树脂 ,应具有搅溶性的特点 ; ( 4) 包敷不 要在真空下进行 ( 以防树脂浸入非晶层间) ;(5) 包敷树脂前 ,在铁芯两端面先涂石腊或热 熔性粘接剂 。表 1 列出用几种树脂浸渍 ( 浸入铁芯内50 %以上) 及包敷后的铁芯性能比较 ,铁芯材 料 为 2605 S3 , 退 火 后 损 耗 ( 20 k Hz , 0 . 3 T )P0 . 3/ 20 k为 250 mW/ cm3 左右 。表 1 经不同工艺固化后的铁芯性能比较Ta be l Core loss comparisons of a morphous alloy cores by diff erent sol idif icationtreatment超过 10 %20 %时 ,性能即急剧恶化) ,铁芯包敷后损耗增加相对较小 ,而加大铁芯卷绕 张力且端面涂蜡后再整体包敷的效果最好 ,损耗与包敷前相差不大 。可见此工艺的关键是尽可能在包敷过程中阻止树脂浸入铁芯内 部 。将传统制作塑料制品的注塑工艺 ( 或注型法) 用于非晶铁芯的包敷 ,既可获得较高的 机械 强 度 , 又 可 获 得 精 确 美 观 的 外 形2 - 6 。 将铁芯放入模具 ,用注塑机一次注塑成形或 先将铁芯浸渍 ( 或包敷) 再注塑成形 ,或先经 第一次注塑成形后 ,切割铁芯 ( 如电感铁芯) ,切口处 插 隔 片 后 再 经 第 二 次 注 塑 包 敷 后 使 用 ,其主要作用是代替护套 。该工艺不仅适 用于环形 、矩形铁芯 ,亦适用于 E IC I 等形状 的铁芯制作 。图 1 示出了非晶铁芯注塑工艺 的示意图 。图 1 非晶铁芯注塑工艺示意图1 - 非晶铁芯 ;2 ,3 - 模具 ;4 ,5 - 注塑材料Fig. 1 Schemetic diagra m of injection techn ique f or a morphous cores工艺所采用的注塑材料可分为热塑性 ( 如聚乙烯等) 和热固性 ( 如环氧树脂等) 两种 。选 择注塑 材 料 应 考 虑 其 电 导 率 、绝 缘 性 、耐 热性 、耐候性 、阻燃性等 ,注塑工艺参数随所选 材料不同而不同 。例如 ,当选择尼龙作为注 塑材料时 , 注 塑 温 度 为 270 275 , 射 出 压 力为 1 107 3 107 Pa 。另外 , 熔融合成材 料温度应比树脂软化温度高 50100 。模具中如装有固定或可移动支撑物 ( 即 随射出压力增高 ,此支撑物可逐渐撤出) , 则树脂种类树脂浸人铁芯加大铁芯卷绕张力 ,端面涂蜡后树脂包敷树脂包敷P013/ 20k ,mW/ cm3A EF650500760300350370240250从表 1 所示数据可见 ,由不同方式配出的浸渍剂浸入铁芯后 ,性能均明显下降 ( 该专利1认为当浸入的树脂体积与铁芯体积之比第 6 期金白云 :非晶铁芯浸渍切割工艺进展 243 使铁芯在注塑过程中易于保持在模具中的合适的位置 。一种称为“镶嵌法”的工艺7 与注塑法类 似 ,采用特定形状的模具 ,将预切断铁芯嵌入 绝缘树脂中固化成形 ,使铁芯四周均包敷一 层绝缘树脂 ,起到绝缘及防止机械变形或破 损的作用 ,然后可切割成 C 形或 E 形铁芯 。图 2 示 出 了 用 此 方 法 成 形 的 铁 芯 截 面图 ,从该图所示的各种形状铁芯来看 ,由于采 用了模具成形 ,此法不仅适用于矩形 、E 形铁芯的制作 ,且可根据实际需要将铁芯的树脂外壳做成带有一些凸起的形状 ( 如用作穿螺 钉的孔眼等) 。这些突起物与各种金属配件 配合 ,可用来对接 、安装或固定铁芯 。图 2 注塑成形的非晶铁芯截面图1 ,2 ,3 ,4 - 非晶铁芯 ;5 ,6 ,7 ,8 - 注塑材料 ;9 - 凸起 ( 带孔眼) ;10 ,11 - 固定式安装用金属配件Fig. 2 Cross section of a morphous cores sol idif ied by injection techn ique粘着性薄膜 (可耐一定高温的塑料膜 ,如聚酰亚胺类) ,其上再绕一层无机纤维布 ,然后再 涂敷树脂9 。最内层薄膜的作用是防止树脂渗入铁芯内 ,而要求薄膜具有粘着性是为使薄膜与铁 芯之间无空气隙 ,从而防止树脂浸入 ;无机纤 维布的作用则是利用纤维的毛细管作用 ,易 吸收树脂 ,形成树脂层 ,可保护铁芯 。另外 , 此类纤维布在树脂高温固化时不会碳化 。另一方法与上述方法类似10 ,也是在铁芯上绕一层不透液体的塑料膜 ( 聚酰亚胺) , 外涂环氧树脂 。切断后再将塑料膜及树脂从 铁芯上剥离下来 ,以防树脂收缩使铁芯受到 应力 。除用各种热固性和热塑性绝缘材料作为MOUL D 法的铁芯包敷材料之外 ,还可采用MOUL D 法的另一工艺是将传统的包敷磁芯的粉 末 包 敷 法 用 于 非 晶 铁 芯8 。即 将 铁芯在 150 预热 , 在粉末状 环 氧 树 脂 配 合 物中滚 动 浸 渍 , 铁 芯 表 面 粘 附 一 层 树 脂 , 在150 硬化 30 min 。该树脂层厚度应适当 ,如 过薄固定铁芯的作用不大 ,不能防止切断时 产生形变 ;如过厚则树脂固化时收缩应力过 大使铁芯产生形变 ,在选用环氧树脂的情况 下 ,厚度最好在 011015 mm 范围内 。此外 ,针对非晶铁芯易变形的特点 ,在粉体树脂包敷后 ,还要将液体树脂注入铁芯内 侧 (即将铁芯窗口注满) ,在室温下固化 ,起进 一步固定形状的作用 ,主要是为其后的切割 做准备 。为更好地防止树脂浸入铁芯内部 ,在铁芯表面涂敷树脂之前先绕一层涂有粘着剂的金属功能材料1998 年 244 低熔点合金11 。即先将铁芯表面用树脂涂敷固化后 ,再用低熔点合金整体包敷 ,且铁芯 内侧亦充满低熔点合金 ( 图 3) 。采用低熔点合金作为铁芯包敷材料的优点是 : 铁芯切割及研磨切口时不易变形 ,端面及边角处不易 剥落 ,且在切割及研磨后 ,由于是由低熔点合 金形成的铁芯外壳 ,易于加热熔化后去除 ,从而消除了由该壳层固化收缩产生应力对铁芯 性能造成的不利影响 。表 2 低熔点合金包敷后切割的 C 形铁芯( 实施例)与环氧树脂浸渍切割铁芯( 比较例) 性能比较Ta ble 2 Loss comparison of alloy coated cut core with the resin impregnated one铁损 P0. 3/ 50k ( mW/ cm3)实施例比较例5001500用的低熔点合金可反复回收使用 。用环 氧 树 脂 将 两 个 矩 形 铁 芯 并 排 粘 牢 后 ,用低熔点合金整体包敷 ,切割后并熔去低熔点合金即可制得 E 形铁芯 。铁芯内浸可去除的浸渍剂 ( 此法常与2 . 2MOUL D 法配合使用)实验结果表明 ,树脂浸入铁芯内后 ,由于 树脂固化收缩使铁芯产生应力 ,会导致性能的明显恶化 。柔性树脂影响相对小些 ,但即便如 此 铁 芯 损 耗 也 比 浸 渍 前 成 倍 增 加1 。 作为解决此问题的另一思路 ,是将铁芯浸渍 切割后再设法去除浸入铁芯的浸渍剂 。因此要求所 用 的 浸 渍 剂 必 须 具 有 易 于 去 除 的 特 点 。具体操作方法为 : 将铁芯全部或至少欲 切断部位固化 ( 表面涂敷或浸入层间) ,注意要选用易于去除的浸渍剂 。该发明所采用的 是石蜡和微晶蜡 ( 熔点 60 100 ) , 待 铁 芯 全部固化后 ,将其切断 ,研磨切口 ,最后再将浸入铁芯的蜡去除12 。去除浸渍剂的方法随所用浸渍剂种类的 不同而不同 。当用普通蜡类做浸渍剂时 ,可 将其加热到 200 蒸发去除 ( 如在真空中加热效果更好) 。对石蜡和微晶蜡 ,可用三氯乙烯等溶剂洗净去除 。 该发明所举实施例工艺为 ,将退火后铁芯的欲切断部位浸石蜡 ,再将铁芯整个表面 涂硅树脂 ,然后切断 ,切后用三氯乙烯将石蜡去除 ,再将切面磨平 。表 3 列出铁芯退火 、浸渍 、切断及是否进图 3 低熔点合金包敷铁芯1 - 非晶铁芯 ;2 - 低熔点合金Fig. 3 Amorphous core coated with lo w melting alloy这类低熔点合金的要求 ,一是合金熔点应在 室 温 至 130 之 间 , 即 室 温 熔 点 130 (因过高会导致铁芯性能恶化) ;二是拉 伸强度高 , 应大于 50M Pa ( 强度高可防止铁 芯切断时产生应变) 。该发明所采用的低熔点合 金 为 Bi InSn 合 金 , Bi 含 量 为 48 % 55 % ,其实例成分为 Bi54 In29 . 7 Sn16 . 3 (原子) 。 在确定低熔点合金的成分时应考虑 : 当Bi 含量小于 48 % (原子) 时 ,合金凝固期间收缩太 大 , 使 铁 芯 性 能 下 降 。如 Bi 含 量 大 于55 % (原子) ,合金会在凝固时膨胀 ,使铁芯与 低熔点合金之间产生空隙 ,不利于平稳地切 割铁芯 。将由此 方 法 制 得 的 C 形 铁 芯 与 以 往 环 氧树脂浸渍工艺 (树脂浸入铁芯内) 并切断的 C 形铁芯性能比较列 于 表 2 , 可 见 前 者 损 耗 仅为后者的 1/ 3 。采用此方法的另一优点是 ,在操作中使行去除浸渍剂处理后的铁损P0 . 3/ 20 k 。数据表明 ,铁芯切断后去除浸渍剂是改善性能的第 6 期金白云 :非晶铁芯浸渍切割工艺进展 245 表 3 铁芯切断后去除浸渍剂( 实施例) 与未去除浸渍剂( 比较例) 的损耗对比Ta ble 3 Losses of cutcore with impregnant el iminat2 ed and the one with impregnant rema ined af ter cutting浸渍的铁芯切断后用苯液去除浸渍剂的工艺较为理想 ,铁损大大低于其他三种工艺 。表 4 经各种浸渍工艺处理后铁芯损耗 比较( P0 . 3/ 20k , mW/ kg)Ta ble 4 Losses of a morphous cores treated by diff er2ent impregnation methods实施例比较例加工序P0. 3/ 20k , mw/ cm3浸渍剂加工状态未浸渍环氧树脂蜡vinylmo no mer热处理后树脂处理后 切断后210230( 去除浸渍剂) 230210230( 未去除浸渍剂) 660热处理浸渍固化 切断加工 研磨切口 去除浸渍剂162-746720-158650675580-163503695680430156630670590205有效手段 。另外两个专利的思路与上相同13 ,14 ,并 给出浸渍应力的计算公式 。可计算出具有一定卷绕层数的铁芯的浸渍收缩应力 。例如铁芯 卷 绕 层 数 为 50 时 , 浸 渍 收 缩 应 力 达75M Pa 。由此可见 ,如在铁芯切割后不设法 去除浸渍剂 ,肯定会损害铁芯性能 。专利所列举的两类浸渍剂为 : 微晶蜡及乙烯类浸渍 剂 ,前者可加热熔除 ,后者可用溶剂去除 。以下分别介绍操作工艺 。(1) 微晶蜡的操作 :微晶蜡的软化温度为90 ,熔 化 温 度 为 150 。将 铁 芯 于 2 . 7 104 Pa 真空度下置入熔态微晶蜡中浸 20 min ,浸透后经冷却 、切断 、研磨切口等工序 ,再放 入护套中 。去除微晶蜡的工艺是 , 在 2 . 7 104 Pa 真 空 下 升 温 至 140 , 加 热 10 min , 将蜡从铁芯 内 抽 出 , 去 除 。也 可 加 热 到 100 在丙酮中去除 。(2) 聚苯乙烯的浸渍及去除 :在铁芯内浸 聚苯乙烯 ,固化后切断并装入护套 ,再在真空条件下用苯液浸铁芯以去除浸渍剂 ,最后外 涂树脂 (与 MOUL D 法配合) 。专利还推荐了一种硬度高且易于去除的 浸渍剂 vinylmo no mer (属乙烯类) 。去除方法与聚苯乙烯相同 ,即把铁芯放入苯液中 ,用超 声波洗净 ,使浸渍剂溶解并从铁芯中排出 。 表 4 列出浸各种浸渍剂及切断后去除浸 渍剂的铁芯损耗比较 , 其中用 vinylmo no mer以上所述铁芯浸浸渍剂的目的是使铁芯具有一定的机械强度 ,以防切断时变形 。还 可将此种浸渍固化法用于加强切口强度 ,以 达到 易 于 研 磨 的 目 的15 。即 先 将 铁 芯 用 MOUL D 法包敷固化后切断 ,然后将切口部分浸入可去除的浸渍剂 。固化后 ,研磨切面 ,磨后再设法将浸渍剂去除 。2 . 3 铁芯内浸特殊浸渍剂或采用特殊固化 工艺针对以往采用的将树脂浸入铁芯内的方法会使性能明显恶化的问题 ,研究人员从选 择合适的树脂种类 ,采用特殊固化工艺着手 ,力求消除或减小浸渍对性能的不良影响 。 一种创新的方法是将铁芯浸入在固化过程中体积不变或膨胀的合成树脂中 ,随树脂 固化膨 胀 , 合 金 薄 带 受 到 张 力 , 性 能 随 之 改善16。图 4 示出铁芯损耗随应力的变化 ,为该浸渍法提供了实验依据 。可采用的具有上述性质的合成树脂有 : 螺旋原酸酯 ( spiro o rt ho - ester) ,螺旋原酸碳 酸酯 ( spiro o rt ho - carbo nate) 或 二 环 邻 位 酯( bicycloo rt ho ester) 等 。东芝 公 司 的 氵尺 孝 雄 等 思 路 亦 较 为 新颖17,是将铁芯浸于室温为柔性的硅树脂后再在低温下 (浸入液氮) 硬化 ,进行切割 ,可防止 应 力 影 响 及 铁 芯 层 散 开 。具 体 的 作 法金属功能材料1998 年 246 滑 ,影响性能 。解决的方法是分两步浸渍 。先用粘度低 的树脂浸铁芯 ,使铁芯心部充满树脂 ,固化后再用粘度高的树脂来浸 ,使铁芯接近两端面处充满树脂 ,从而达到浸渍充分的目的 ,使切 割质量提高 ,切口平滑 。3 切割工艺及切割 、研磨工具一些发明者认为用传统方法切割铁芯时 间太长 ,而切割时长时间的振动会引起铁芯 性能恶化 。一项发明19 提出预先将欲切断 处局部加热 ,使该处脆化 (可用电热线绕在欲 切处通电加热或用激光或电子束照射) ,然后将铁芯整体退火处理再切割 ,使切割时间缩 短 ,防止性能恶化 。为防止铁芯切割时变形 ,可用树脂或塑 料将铁芯内侧 ( 铁芯窗口) 充满 ,以增加铁芯 的机械强度 ,可防止切割时变形20 。要求所采 用 的 树 脂 或 塑 料 的 弯 曲 强 度 大 于2415M Pa ,压 缩 强 度 大 于 29 . 4M Pa , 切 割 时 将铁芯与其内侧填充的树脂芯一齐切断 ,最 后再将树脂芯去除即可 。另外 ,前述将铁芯 浸柔性树脂后在低温下硬化 ,再进行切割 ,亦为一种新颖的切割工艺 。 各专利所采用的切割设备或工具有 : (1)G. C. 砂轮 ( 由绿色碳化硅磨粒构成) ; ( 2) 金 刚石切断机 ; (3) 钢丝锯 (亦可用 99 % , 粒 度 为 011 013m 。铝 粉 含 Al 99 % ,颗粒粒径 20m 。按照热力学预期反应式 3 TiO2 + 13Al 3 TiAl3 + 2Al2 O3 ,配制两种原料粉的混合物 。混合原料粉放入球磨机中 ,抽成 10 Pa 左右的真空度 ,以 165r/ min 的转速球磨 100 h ,球磨后对试样进行示差热分析 。把球磨后的试样置入氧化铝坩埚中于氩气氛中以 20 min - 1 的速度加热到 1200 ,然后作热重量分析 。随后在流动氩气氛中于 600 、800 和 1200 对粉末进行退火处理 ,对试样进行了 X 射线衍射和扫描电镜研究 。研究结果证明 ,铝和金红石粉球磨 100h 后较之未经球磨的粉末可在显著较低的温度下形成氧化铝和三铝化钛 。球磨后的粉末在低于铝溶点的温度下发生反应 ,然而未经球磨的粉末只有在有溶融铝存在的条件下才会缓慢发生反应 。未经球磨的粉末在 120