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《航天器環(huán)境工程雜志》2014年第三期

1空間電機(jī)對(duì)永磁材料的要求

空間電機(jī)的性能、應(yīng)用環(huán)境和壽命有著特殊的要求，故對(duì)永磁材料的磁性能和機(jī)械性能也提出更高的要求。本文以一種主流的航天機(jī)電產(chǎn)品用電機(jī)的結(jié)構(gòu)為例（如圖1所示），該電機(jī)為分裝式，分為轉(zhuǎn)子組件和定子組件。其中，導(dǎo)磁軛一般由軟磁材料組成。每塊磁鋼之間由不導(dǎo)磁材料（如鋁條等）隔開。每個(gè)磁鋼與導(dǎo)磁軛之間有一定厚度膠層，故整個(gè)磁鋼組件由4種不同種類材料組成。工作時(shí)，定子組件安裝在轉(zhuǎn)子組件的內(nèi)外磁回路之間，相當(dāng)于有內(nèi)、外2個(gè)工作氣隙。這種結(jié)構(gòu)的無刷直流電機(jī)具有雙定轉(zhuǎn)子氣隙特點(diǎn)，其磁間隙在0.4mm左右。為保證磁間隙的精度和一致性，在電機(jī)工藝中要求導(dǎo)磁軛、鋁條和磁鋼按照工藝基準(zhǔn)通過膠層固定好之后再加工精磨到位，而在此過程中極易發(fā)生脆性磁鋼崩角或開裂，這也是使用釤鈷磁鋼時(shí)遇到的最大問題，且目前工業(yè)上使用的工藝方法均無法根本杜絕釤鈷磁鋼材料脆性引發(fā)的自身隱患。新一代釹鐵硼永磁材料發(fā)展至今，其室溫下剩余磁感應(yīng)強(qiáng)度Br已達(dá)到1.47T，內(nèi)稟矯頑力HcJ已達(dá)到2786kA/m，最大磁能積(BH)max高達(dá)421.8kJ/m3，磁性能和機(jī)械性能都明顯優(yōu)于釤鈷磁鋼。如果能將釹鐵硼永磁材料應(yīng)用到機(jī)電產(chǎn)品上，就能從根本上解決電機(jī)磁鋼加工和使用過程中易脆、易崩角的問題。

2釹鐵硼永磁材料的穩(wěn)定性

釹鐵硼磁性材料的磁性能隨環(huán)境、磁場、溫度、化學(xué)以及時(shí)間變化而變化[4]，其溫度系數(shù)大、居里點(diǎn)低，在應(yīng)用時(shí)要注意工作溫度對(duì)磁性能的影響。另外，釹鐵硼磁性材料含有約30%的鐵元素，極易氧化生銹，克服其化學(xué)不穩(wěn)定性也是其應(yīng)用中需要解決的重要問題。

2.1熱穩(wěn)定性釹鐵硼永磁材料熱穩(wěn)定性，即其由于所處環(huán)境溫度改變而產(chǎn)生的磁性能變化用材料的溫度系數(shù)來表征。永磁材料的磁性能變化分為不可逆損失和可逆損失2部分：不可逆損失是指溫度恢復(fù)到原來溫度后永磁材料的磁性能不能恢復(fù)到原值，從而導(dǎo)致有的電機(jī)隨著使用電氣性能逐步下降[7]，應(yīng)盡量避免；而可逆損失是難以避免的，在電機(jī)設(shè)計(jì)之初就必須充分考慮在穩(wěn)定溫升運(yùn)行時(shí)必須達(dá)到的性能。隨著釹鐵硼永磁材料的發(fā)展，溫度系數(shù)很小的永磁材料已經(jīng)問世，可小到萬分之一[6]。結(jié)合實(shí)際使用的磁鋼尺寸和性能要求，選擇目前國內(nèi)大部分磁鋼廠家生產(chǎn)的幾種具有代表性的型號(hào)，結(jié)合退磁曲線、內(nèi)稟矯頑力曲線和磁能積曲線對(duì)永磁材料性能進(jìn)行測試，表1是幾種釹鐵硼永磁材料性能。文獻(xiàn)[8]中分別對(duì)幾種材料進(jìn)行模擬使用條件溫度發(fā)生變化的時(shí)效處理研究，一般釹硼永磁材料在處理后，如果使用溫度不超過時(shí)效處理溫度則不再產(chǎn)生不可逆磁性能下降。對(duì)比這幾種材料：1）40SH剩余磁感應(yīng)強(qiáng)度最高、矯頑力高、最大磁能積高，但其價(jià)格貴、內(nèi)稟矯頑力低、時(shí)效后磁性能下降最多、溫度系數(shù)較大，適用于溫度要求較低、體積要求小、不太重要的場合。2）38SH同40SH或35SH相比，剩余磁感應(yīng)強(qiáng)度適中、矯頑力較高、內(nèi)稟矯頑力和最大磁能積均處于較高水平、價(jià)格適中、溫度系數(shù)中等、時(shí)效后磁性能下降最小，適用于溫度低于150℃，要求體積小、重量輕的場合。3）38UH剩余磁感應(yīng)強(qiáng)度適中、內(nèi)稟矯頑力高、價(jià)格最貴、但其使用溫度最高，適用于溫度低于180℃、要求穩(wěn)定性好、可靠性高的場合。結(jié)合我國航天機(jī)電產(chǎn)品的工作溫度以及過程溫度均低于130℃的實(shí)際情況，剩余磁感應(yīng)強(qiáng)度適中、矯頑力較高、性價(jià)比較高的38SH釹鐵硼永磁材料是最優(yōu)之選，對(duì)該型號(hào)材料進(jìn)行了一系列的環(huán)境試驗(yàn)后再進(jìn)行磁性能測試，其溫度系數(shù)α均小于萬分之一。試驗(yàn)結(jié)果證明了該材料的熱穩(wěn)定性滿足航天機(jī)電產(chǎn)品的應(yīng)用要求。

2.2化學(xué)穩(wěn)定性和防腐蝕試驗(yàn)根據(jù)對(duì)Fe-Cr-Ni相圖的分析，某些成分范圍內(nèi)的Fe-Cr-Ni系合金在特定狀態(tài)下有能獲得α/Y相變型合金類似的組織結(jié)構(gòu)，可望得到具有一定永磁特性的不銹鋼永磁材料，但同時(shí)帶來價(jià)格大幅度上漲、磁性能下降的缺點(diǎn)。隨著永磁電機(jī)在航天機(jī)電產(chǎn)品上應(yīng)用的迫切性，釹鐵硼永磁材料的防腐蝕問題將成為重要課題。釹鐵硼粉末合金中的稀土元素釹性質(zhì)活潑，使得整個(gè)合金的耐蝕性能很差，在濕熱的氣候環(huán)境中極易生銹、腐蝕，縮短了磁體的壽命，降低了產(chǎn)品的穩(wěn)定性和可靠性。目前基于成本和磁性能的考慮，國內(nèi)外大都采用電鍍、涂覆、化學(xué)鍍、電泳、封閉等保護(hù)方法來達(dá)到釹鐵硼永磁材料的防腐蝕要求。2.2.1防腐層方式選擇由于釹鐵硼永磁材料是一種多孔隙材料，經(jīng)粉末冶金而成，而粉末合金的高活潑性和高孔隙度使其曝露于空氣和水溶液中極易氧化和腐蝕，氧化法成膜厚度一般，防腐效果有限；電鍍方法結(jié)合力不好，并且多孔隙，長期使用防腐能力也不強(qiáng)，尤其針對(duì)航天機(jī)電產(chǎn)品用電機(jī)是對(duì)釹鐵硼永磁材料組合件進(jìn)行整體鍍，有多種材料同時(shí)參與，常規(guī)的電鍍工藝很難保證產(chǎn)品的品質(zhì)穩(wěn)定，鍍層起泡、變色時(shí)有發(fā)生。結(jié)合空間電機(jī)的磁鋼組件表面處理需求，化學(xué)鍍鎳是最優(yōu)選擇。在本文的研究工作中，一般的化學(xué)鍍鎳方法針對(duì)圖1電機(jī)結(jié)構(gòu)中不同種類材料組合鍍也存在如下問題：1）由于組件中包含幾種活性金屬材料和非金屬材料，且材料中的活性元素排列相差較遠(yuǎn)，分布于氯離子前后，故在鍍層工藝中應(yīng)嚴(yán)格控制含氯離子的酸性溶液的使用量，對(duì)前處理鍍液的酸堿度和浸泡時(shí)間要有嚴(yán)格要求；2）化學(xué)反應(yīng)速率快，鍍層較易脫落；3）釹鐵硼永磁材料活性大，如果鍍層脫落會(huì)導(dǎo)致鍍液的分解加速，因此在含釹鐵硼永磁材料的磁鋼組件上進(jìn)行化學(xué)鍍必須解決鍍液酸堿度控制和鍍層防脫落的問題，這就需要嚴(yán)格的前處理控制，合適的化學(xué)鍍液配比、反應(yīng)時(shí)間和后處理措施。

2.2.2鍍層選擇在眾多的鍍層工藝中，適合釹鐵硼合金并符合經(jīng)濟(jì)性原則的鍍層工藝有鍍鋅、鍍銅、鍍鎳和鍍鎳磷合金。其中，鍍鎳磷合金成本最高，對(duì)維護(hù)管理及設(shè)備要求較高。鍍銅則易氧化變色，影響外觀裝飾性，只能作底層（一般不作面層）。鍍鋅成本低，操作控制簡便，耐蝕性也較好，可以應(yīng)用在釹鐵硼永磁體上。鍍鎳雖然成本較鍍鋅高，可耐蝕性和裝飾性都優(yōu)于鍍鋅，屬于理想的工藝選擇。鍍鋅和鍍鎳的防護(hù)原理不同，鋅相對(duì)于釹鐵硼而言，是一個(gè)陽極性鍍層，這使得腐蝕主要局限在鍍鋅層之中，這時(shí)鋅的鉻酸鹽轉(zhuǎn)化膜的耐蝕性將直接影響鍍鋅層的外觀和耐蝕性能；而鎳鍍層對(duì)于釹鐵硼基體，因釹的活潑性和腐蝕電偶中的陽極加速作用，腐蝕一旦發(fā)生則會(huì)很快加劇，減少鍍層的孔隙，將有利于提高鍍層的耐蝕性，可以采用多層的復(fù)合鍍層來滿足實(shí)際的使用要求。本文中的空間電機(jī)用釹鐵硼永磁材料的工藝特殊性給釹鐵硼的表面處理工作增加了更大的困難。如前所述，由于磁鋼防銹是在加工形成磁鋼組件后才進(jìn)行的，所以對(duì)磁鋼組件進(jìn)行表面處理時(shí)實(shí)際是對(duì)釹鐵硼永磁材料、鋁條、膠層和軟磁材料4種材料的結(jié)合體進(jìn)行表面處理，要求在這4種不同類型材料上均能形成合格的鍍層質(zhì)量。針對(duì)鍍鋅層和鍍鎳層的腐蝕特點(diǎn)，結(jié)合我國目前的鍍層工藝水平，試驗(yàn)選用了化學(xué)鍍鎳的鍍層方法。通過試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，電鍍時(shí)要做好前處理，包括去銹、去油、磷化處理；由于釹鐵硼永磁材料對(duì)酸、堿都發(fā)生反應(yīng)，結(jié)合其他3種材料的要求，鍍液酸堿度應(yīng)控制在中性為宜；釹鐵硼永磁材料的酸洗和其后的清洗都非常重要，應(yīng)采用酸洗+活化及多次用超聲波清洗，并嚴(yán)格控制各工序的鍍液配比和反應(yīng)時(shí)間；同時(shí)釹鐵硼永磁材料施鍍過程中滲氫現(xiàn)象較為嚴(yán)重，必須進(jìn)行除氫處理。

2.2.3試驗(yàn)驗(yàn)證結(jié)合以上分析，經(jīng)過幾輪試驗(yàn)摸索之后，確定了一種專用表面處理工藝，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)目前航天機(jī)電產(chǎn)品用電機(jī)使用釹鐵硼永磁材料的磁鋼組件的高耐蝕性表面處理。使用該工藝得到8～12µm的鍍鎳層，鍍層光亮平整、結(jié)合力優(yōu)良，如圖2(a)所示。將該磁鋼組件經(jīng)過3.5個(gè)-20～+130℃溫度區(qū)間的熱循環(huán)試驗(yàn)觀察其鍍層質(zhì)量和磁性能的變化，試驗(yàn)后的組件照片如圖2(b)所示，通過對(duì)鍍層質(zhì)量的檢查發(fā)現(xiàn)其在熱循環(huán)試驗(yàn)前后沒有發(fā)生變化。同時(shí)通過試驗(yàn)前后的磁性能測試對(duì)比發(fā)現(xiàn)，表面處理工藝中的120℃高溫過程對(duì)38SH型號(hào)釹鐵硼永磁材料的磁性能基本沒有影響。

3結(jié)論

1）通過理論分析和試驗(yàn)驗(yàn)證可得，38SH釹鐵硼永磁材料在低于130℃環(huán)境下使用時(shí)磁性能穩(wěn)定，能夠滿足航天機(jī)電產(chǎn)品用電機(jī)的性能使用要求。2）對(duì)航天機(jī)電產(chǎn)品用電機(jī)中磁鋼組件的表面處理是對(duì)幾種不同材料同時(shí)進(jìn)行，選用化學(xué)鍍時(shí)嚴(yán)格控制鍍液酸堿度防止鍍層脫落能夠?qū)崿F(xiàn)比較好的鍍層質(zhì)量。3）對(duì)含有釹鐵硼永磁材料的磁鋼組件進(jìn)行除油和酸洗時(shí)，宜使用中性和弱堿性的除油劑，使用稀硝酸溶液或弱有機(jī)酸短時(shí)間酸洗，不應(yīng)使用強(qiáng)氯素酸，切忌使用高濃度的強(qiáng)酸，否則材料表面會(huì)急劇粗化乃至粉化。4）目前首次使用釹鐵硼永磁材料的航天機(jī)電產(chǎn)品用電機(jī)的實(shí)驗(yàn)件已經(jīng)基本完成，其中最關(guān)鍵的釹鐵硼永磁材料熱穩(wěn)定性和防銹問題的解決方法在試驗(yàn)中均得到驗(yàn)證，性能均滿足使用要求。為釹鐵硼永磁材料在航天用永磁無刷直流電機(jī)上的廣泛應(yīng)用提供了參考。

作者：楊磊李連香楊屹單位：北京控制工程研究所