CN104032219B - 一种无磁合金及制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种无磁合金及制备方法，特别涉及一种用于制备压缩机电机用髙密度平衡块的无磁合金及该合金的制备方法；属于粉末冶金技术领域。本发明所述无磁合金其密度为7.7-8.0g/cm3；所述无磁合金以质量百分比计由下述组分组成：Fe26-65％、Cu9.8-21.5％、Mn14-55％、R0.1-19％；所述R选自W、Ni、Cr、Zn、Sn中的至少一种。本发明合金成分设计合理，生产工艺简单，易于大批量生产。本发明所制备的成品完全可替代压缩机电机用价格昂贵的铸铜平衡块合金，与其相比，本发明显著降低了制造成本；同时，还可替代铸造高锰钢、铸造锌合金平衡块合金，减小平衡块合金原有体积，使电机高速旋转工作中噪音明显降低，这就提髙了压缩机品质。
Description
技术领域
本发明涉及一种无磁合金及制备方法，特别涉及一种用于制备压缩机电机平衡块的无磁合金及该合金的制备方法；属于粉末冶金技术领域。
技术背景
压缩机电机现用无磁平衡块采用铸造髙锰钢、铸造铜、铸造锌合金制造，其工序烦锁，制作周期长；同时因采用的是铸造工艺，导致制品存在孔洞、疏松、夹杂、制品尺寸稳定性差等缺陷。因此，选择新型工艺制造髙品质压缩机电机用无磁平衡块合金意义重大。采用铸造铜作为平衡块，由于铜的价格昂贵，导致该平衡块的生产成本极髙；采用髙锰钢、铸造锌合金作为平衡块，因为平衡块的密度过低，导致其体积过大，使得电机髙速旋转工作中噪音过大，不利于提髙压缩机的品质。
发明内容
本发明针对现有技术之不足而提供一种合金成分设计合理、制造工艺简单、易于实现批量化和自动化生产、生产效率髙、能耗低、生产成本低、无污染环保型的用于压缩机电机平衡块的无磁合金及该合金的制备方法。
本发明一种无磁合金，所述无磁合金的密度为7.7-8.0g/cm3；所述无磁合金以质量百分比计由下述组分组成：
Fe26-65％；
Cu9.8-21.5％；
Mn14-55％；
R0.1-19％；所述R选自W、Ni、Cr、Zn、Sn中的至少一种。
本发明一种无磁合金，所述无磁合金以质量百分比计由下述组分组成：
Fe26-65％、Cu9.8-21.5％、Mn14-55％、Sn0.5-3％、W0-5％、Ni0-8％、Cr0-2％、Zn0-2％；或
Fe26-65％、Cu9.8-21.5％、Mn14-55％、Sn0-3％、W0-5％、Ni0-8％、Cr0-2％、Zn0.5-2％；或
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Fe26-65％、Cu9.8-21.5％、Mn14-55％、Sn0-3％、W0.5-5％、Ni0-8％、Cr0-2％、Zn0-2％。
本发明一种无磁合金，所述无磁合金以质量百分比计由下述组分组成：
Fe26-65％、Cu9.8-21.5％、Mn14-55％、Sn0.5-1.5％、W0-5％、Ni2-3％、Cr0.5-0.8％、Zn0-2％；或
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本发明一种无磁合金，其硬度为HRB80-90、抗拉强度为260-290Mpa、冲击韧性为7-9J/cm2、抗弯强度为680-720Mpa、密度为7.7-8.0g/cm3、相对磁导率小于等于1.05、磁感应强度小于等于0.17T。
本发明一种无磁合金的制备方法，包括下述步骤：
步骤一配料
按设计的合金组分，分别配取铁锰中间合金粉末、镍铬中间合金粉末、铜粉、钨粉、锌粉、锡粉作为原料粉末，然后按原料粉末总质量的0.8-1.0％配取成形剂；将原料粉末和成形剂混合均匀，得到混合粉末；所述成形剂由SKZ-800和石蜡与黃油、硬酯酸、滑石粉、二硫化钼、聚乙稀中的至少一种组成；
步骤二压制成形
将步骤一所得混合粉末，装入近净成形模具中，压制成形，得到密度为7.15-7.35g/cm3的压坯；
步骤三烧结
在保护气氛中，将步骤二所得压坯加热至1020-1120℃,保温，随炉冷却至室温，得到无磁合金。
本发明一种无磁合金的制备方法，所述原料粉末中-325目的粉末占原料粉末总质量的75％以上；-150目的粉末占原料粉末总质量的99.8％以上；100目以上的粉末占原料粉末总质量的0.2％以下。
本发明中铁锰组分、镍铬组分分別以中间合金粉末形式加入，以便铁锰、镍铬合金充分固溶，这有利于提高材料的无磁性能，而合金无磁性能是平衡块的重要使用特性；铜、钨、锌、锡以单质粉末形式加入，经烧结热处理后，有利于获得高强度、高密度的材料。铁锰中间合金具体指按重量百分比铁86-45、锰14-55中间合金；镍铬中间合金具体指按重量百分比镍80、铬20中间合金。
本发明一种无磁合金的制备方法，所述成形剂以质量百分比计由下述组分组成：
黄油0-15％、SKZ-80020-60％，石蜡25-55％、硬脂酸0-34％、滑石粉0-5％、二硫化钼0-5％、聚乙稀0-5％。
本发明一种无磁合金的制备方法，所述成形剂以质量百分比计由下述组分组成：
黄油0-15％、SKZ-80020-60％，石蜡25-55％、硬脂酸5-34％、滑石粉0-5％、二硫化钼0-5％、聚乙稀0-5％。成形剂按本发明规定比例组合使用可以有效减小压制成形过程中粉末间、粉末与模壁间摩擦损失，接近零摩擦成形，以便在规定成形压力下获得高密度成形压坯，从而获得高密度、性能优良的平衡块合金。
本发明一种无磁合金的制备方法，所述SKZ-800为广州庆帆翔新材料有限公司生产提供的超级润滑剂。
本发明一种无磁合金的制备方法，采用v型混料器将原料粉末和成型剂混合均匀。
本发明一种无磁合金的制备方法，所述净成形模具是根据所需无磁合金形状，按收缩量7-8％进行设计(所述收缩量＝1-(成形坯的体积/模具内腔体积))。本发明所设计制备的模具为近净成形模，其制造的平衡块合金无需任何后续机械加工，比较其它工艺方法其优点在于：缩短制造工序、节约制造成本；产品尺寸稳定性好；易于实现大批量、自动化生产。
本发明一种无磁合金的制备方法，压制成形的压力为700-800Mpa。本发明中成形在全自动液压机上完成，全自动成形生产效率髙，成形压坯尺寸稳定性好，压坯密度均匀。比较铸造或其它工艺方法，本发明中所规定的成形方法具有自动化程度髙、生产效率髙、产品性能稳定、制造成本低、适合大批量生产优点。同时按本发明设计的成形压力有利于获得髙密度的成形压坯，而是髙密度的成形压坯是得到髙密度平衡块合金的关键之一。
本发明一种无磁合金的制备方法，压坯加热时的升温速度为10-12℃/分钟，压坯在1020-1120℃的保温时间为1.5-2小时，随炉冷却时，控制冷却速度为3-5℃/分钟。本发明合理控制升温速度，使得压坯在受热过程中受热均匀，同时使得成形剂以合理的分解速度分解，这就尽量减少了制品中空洞的出现；成形压坯在1020-1120℃保温1.5-2小时，这既保证合金各组分充分扩散，又填补由成形剂分解所造成的细小微孔，为获得髙密度、无磁性、优良的力学性能提供了必要条件；本发明中所规定的烧结热处理，比较铸造与其它工艺，其优点在于：制品中无孔洞、无夹杂、各项性能稳定、易于实现大批量、自动化生产。
本发明一种无磁合金的制备方法，所述保护气氛为分解氨-氮基气氛或者分解氨气氛；所述分解氨-氮基气氛中分解氨混和气体与氮气的体积比为1：5。
原理和优势
本发明通过严格控制各组份的含量以及制备工艺，实现了各组份之间协同作用，从而制备出了以铁-铜-锰为基体的髙密度、无磁性、力学性能优良的无磁合金。本发明采用粉末冶金技术与近净成形技术相结合，这大大简化的制备工艺，使得本发明易于规模化和自动化生产，能大大提髙生产效率，节约能源，改善环保，降低生产成本。本发明所制备的髙密度无磁平衡块合金完全可替代压缩机电机用铸铜、铸造高锰钢、铸造锌合金平衡块合金，完全可以达到提高压缩机品质，显著降低压缩机制造成本的目的。由于上述优势使得本发明的无磁合金适合用于各种压缩机；同时也是用于其它电器。
本发明中铁锰组分、镍铬组分分別以中间合金粉末形式加入，以便铁锰、镍铬合金充分固溶，这有利于提高材料的无磁性能，而合金无磁性能是平衡块的重要使用特性；铜、钨、锌、锡以单质粉末形式加入，经烧结热处理后，有利于获得高强度、高密度的材料。
本发明所用成形剂，尤其是SKZ-800与其他组分的混合使用，通过成形剂各组分间的协同作用，通过成形剂与原料粉末的完美配合，有效减小了压制成形过程中粉末间、粉末与模壁间摩擦损失，使得整个成形过程接近零摩擦成形，这有利于在规定成形压力下获得高密度成形压坯，从而为获得高密度、性能优良的平衡块合金提供了必要条件。
本发明采用近净成形模具进行压制成形，压制成形的压力为700-800Mpa，得到密度为7.15-7.35g/cm3的压坯，由于采用了近净成形技术，使得所制备的成品无需任何后续机械加工，这就缩短制造工序、节约制造成本；通过合金组分、成形剂、压制方式、模具的协同作用，保证了压坯的质量，使得成形压坯尺寸稳定性好，压坯密度均匀；通过这些条件的协同作用，得到了高密度的压坯，而是髙密度的成形压坯是得到髙密度合金的关键之一。
本发明合理控制升温速度，使得压坯在受热过程中受热均匀，同时使得成形剂以合理的分解速度分解，这就尽量减少了制品中空洞的出现；成形压坯在1020-1120℃保温1.5-2小时，这既保证合金各组分充分扩散，又填补由成形剂分解所造成的细小微孔，为获得髙密度、无磁性、优良的力学性能提供了必要条件；本发明中所规定的烧结热处理，比较铸造与其它工艺，其优点在于：制品中无孔洞、无夹杂、各项性能稳定、易于实现大批量、自动化生产。相比与铸造高锰钢、铸造锌合金平衡块合金，本发明成品的密度为7.7-8.0g/cm3，这有效的缩小了合金平衡块合金的体积，使电机髙速旋转工作中噪音明显降低，这就提髙了压缩机的品质。
综上所述，本发明合金成分设计合理，加工工艺简单，易于实现规模化和自动化生产，能大大提髙生产效率，节约能源，改善环保，降低生产成本。所制造的髙密度粉末冶金无磁平衡块合金完全可替代压缩机电机用铸铜、铸造高锰钢、铸造锌合金平衡块合金，提高压缩机品质，显著降低压缩机制造成本，适合各压缩机生产及其它电器制造业推广应用。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明做进一步说明：
本发明实施例中，所用原料粉末的粒径分布情况如下：
80目以上的粉末占原料粉末总质量的0.1％以下，80-100目的粉末占原料粉末总质量的0.1％以下，80-150目的粉末占原料粉末总质量的0.2％，150-200目的粉末占原料粉末总质量的2.2％，200-325目的粉末占原料粉末总质量的22.6％，-325目的粉末占原料粉末总质量的75％。
本发明实施例中，所用SKZ-800为广州庆帆翔新材料有限公司生产提供的超级润滑剂。
本发明实施例中，铜粉的纯度≥99.9％、锡粉的纯度≥99.9％、锌粉的纯度≥99.9％、钨粉的纯度≥99.9％。
实施例1
制备一种用于制备压缩机电机平衡块的无磁合金，其制备工艺包括下述步骤：
(1)模具制备：
根据平衡块合金设计尺寸，按收缩量7.5％设计制备近净成形模具；
(2)配料与混合：
按基体材料各元素的重量百分比，铁26％、锰55％、铜15.5％、镍2％、铬0.5％、锡1％；分别配取铁锰中间合金、镍铬中间合金、铜粉、锡粉作为原料粉末；
按成形剂各组分的质量百分比，石蜡40％、SKZ-80040％、硬脂酸20％；分别配取石蜡、SKZ-800、硬脂酸作为成形剂原料，将成形剂各原料混合均匀后，按成形剂质量占基体材粉末总质量的0.8％称取成形剂；
将按要求秤量各组分粉末置于v型混料器中，混合1.5小时，得到混合均匀的混合料；
(3)压制成形：将混合料置于全自动液压成形机料盒内，采用全自动钢模压制成形，控制压制压力为700MPa，得到密度为7.16g/cm3的压坯；
(4)烧结热处理：将压坯在下述工艺条件下完成烧结：烧结温度1120℃,加热速度10-12℃/分钟，冷却速度3-5℃/分钟，烧结保温时间1.5小时；保护气氛：分解氨气/氮气体积比为1：5；获得的无磁平衡块合金密度为7.75g/cm3、硬度HRB85、抗拉强度285MPa、抗弯强度700MPa、冲击韧性7.5J/cm2、相对磁导率1、磁感应強度0.13T。
实施例2
制备一种用于制备压缩机电机平衡块的无磁合金，其制备工艺包括下述步骤：
(1)模具制备：
根据平衡块合金设计尺寸，按收缩量7％设计制备近净成形模具；
(2)配料与混合：
按基体材料各元素的重量百分比，铁43％、锰45％、铜10％、锡0.5％、锌0.5％、钨1％；分别配取铁锰中间合金、铜粉、锡粉、锌粉、钨粉作为原料粉末；
按成形剂各组分的质量百分比，石蜡30％、SKZ-80050％，硬脂酸10％、滑石粉5％、聚乙稀5％、分别配取石蜡、SKZ-800、硬脂酸、滑石粉、聚乙稀作为成形剂原料，将成形剂各原料混合均匀后，按成形剂质量占基体材粉末总质量的0.9％称取成形剂；
将按要求秤量各组分粉末置于v型混料器中，混合1.5小时，得到混合均匀的混合料；
(3)压制成形：将混合料置于全自动液压成形机料盒内，采用全自动钢模压制成形，控制压制压力为750MPa，得到密度为7.28g/cm3的压坯；
(4)烧结热处理：将压坯在下述工艺条件下完成烧结：烧结温度1080℃,加热速度10-11℃/分钟，冷却速度3-4℃/分钟，烧结保温时间1.8小时；保护气氛：分解氨气/氮气体积比为1：5；获得的无磁平衡块合金密度为7.82g/cm3、硬度HRB82、抗拉强度275MPa、抗弯强度689MPa、冲击韧性7.8J/cm2、相对磁导率1.02、磁感应強度0.12T。
实施例3
制备一种用于制备压缩机电机平衡块的无磁合金，其制备工艺包括下述步骤：
(1)模具制备：
根据平衡块合金设计尺寸，按收缩量7.8％设计制备近净成形模具；
(2)配料与混合：
按基体材料各元素的重量百分比，铁61％、锰15％、铜20％、镍2％、铬0.5％、锡0.5％、锌0.5％、钨0.5％；分别配取铁锰中间合金、镍铬中间合金、铜粉、锡粉、锌粉、钨粉作为原料粉末；
按成形剂各组分的质量百分比，石蜡55％、SKZ-80038％、硬脂酸7％分别配取石蜡、SKZ-800、硬脂酸作为成形剂原料，将成形剂各原料混合均匀后，按成形剂质量占基体材粉末总质量的0.1％称取成形剂；
将按要求秤量各组分粉末置于v型混料器中，混合1.5小时，得到混合均匀的混合料；
(3)压制成形：将混合料置于全自动液压成形机料盒内，采用全自动钢模压制成形，控制压制压力为800MPa，得到密度为7.31g/cm3的压坯；
(4)烧结热处理：将压坯在下述工艺条件下完成烧结：烧结温度1030℃,加热速度10-12℃/分钟，冷却速度3-5℃/分钟，烧结保温时间1.6小时；保护气氛：分解氨气/氮气体积比为1：5；获得的无磁平衡块合金密度为8.0g/cm3、硬度HRB88.5、抗拉强度287MPa、抗弯强度715MPa、冲击韧性7.2J/cm2、相对磁导率1.02、磁感应強度0.11T。
实施例4
按基体材料各元素的重量百分比，铁28％、锰50％、铜13％、镍4％、铬1％、锡1％、锌2％、钨1％；分别配取铁锰中间合金、镍铬中间合金、铜粉、锡粉、锌粉、钨粉作为原料粉末；
按成形剂各组分的质量百分比，黄油15％、SKZ-80030％，石蜡30％、硬脂酸10％、滑石粉5％、二硫化钼5％、聚乙稀5％，分别配取黄油、石蜡、SKZ-800、硬脂酸、滑石粉、二硫化钼、聚乙稀作为成形剂原料，将成形剂各原料混合均匀后，按成形剂质量占基体材粉末总质量的0.1％称取成形剂；
将按要求秤量各组分粉末置于v型混料器中，混合1.5小时，得到混合均匀的混合料；
(3)压制成形：将混合料置于全自动液压成形机料盒内，采用全自动钢模压制成形，控制压制压力为750MPa，得到密度为7.25g/cm3的压坯；
(4)烧结热处理：将压坯在下述工艺条件下完成烧结：烧结温度1080℃,加热速度10-12℃/分钟，冷却速度3-5℃/分钟，烧结保温时间1.5小时；保护气氛：分解氨气/氮气体积比为1：5；获得的无磁平衡块合金密度为7.80g/cm3、硬度HRB86、抗拉强度275MPa、抗弯强度710MPa、冲击韧性7.8J/cm2、相对磁导率1.01、磁感应強度0.11T。
实施例5
按基体材料各元素的重量百分比，铁38％、锰41％、铜16％、镍1.6％、铬0.4％、锡1％、锌1％、钨1％；分别配取铁锰中间合金、镍铬中间合金、铜、锡、锌、钨粉。
按成形剂各组分的质量百分比，黄油15％、SKZ-80030％，石蜡30％、硬脂酸10％、滑石粉5％、二硫化钼5％、聚乙稀5％，分别配取黄油、石蜡、SKZ-800、硬脂酸、滑石粉、二硫化钼、聚乙稀作为成形剂原料，将成形剂各原料混合均匀后，按成形剂质量占基体材粉末总质量的0.1％称取成形剂；
将按要求秤量各组分粉末置于v型混料器中，混合1.5小时，得到混合均匀的混合料；
(3)压制成形：将混合料置于全自动液压成形机料盒内，采用全自动钢模压制成形，控制压制压力为760MPa，得到密度为7.21g/cm3的压坯；
(4)烧结热处理：将压坯在下述工艺条件下完成烧结：烧结温度1080℃,加热速度10-12℃/分钟，冷却速度3-5℃/分钟，烧结保温时间2小时；保护气氛：分解氨气/氮气体积比为1：5；获得的无磁平衡块合金密度为7.75g/cm3、硬度HRB88、抗拉强度278MPa、抗弯强度705MPa、冲击韧性8J/cm2、相对磁导率1.01、磁感应強度0.12T。
Claims (7)
1.一种无磁合金，其特征在于，所述无磁合金的密度为7.7-8.0g/cm3；所述无磁合金以质量百分比计由下述组分组成：
Fe26-65%、Cu9.8-21.5%、Mn14-55%、Sn0.5-1.5%、W0.5-1.5%、Ni2-3%、Cr0.5-0.8%、Zn0.5-2%；
所述无磁合金的硬度为HRB80-90、抗拉强度为260-290MPa、冲击韧性为7-9J/cm2、抗弯强度为680-720MPa、相对磁导率小于等于1.05、磁感应强度小于等于0.17T。
2.一种制备如权利要求1所述无磁合金的方法，其特征在于，包括下述步骤：
步骤一配料
按设计的合金组分，分别配取铁锰中间合金粉末、镍铬中间合金粉末、铜粉、钨粉、锌粉、锡粉作为原料粉末，然后按原料粉末总质量的0.8-1.0%配取成形剂；将原料粉末和成形剂混合均匀，得到混合粉末；所述成形剂由SKZ-800和石蜡与黄油、硬脂酸、滑石粉、二硫化钼、聚乙烯中的至少一种组成；
步骤二压制成形
将步骤一所得混合粉末，装入近净成形模具中，压制成形，得到密度为7.15-7.35g/cm3的压坯；
步骤三烧结
在保护气氛中，将步骤二所得压坯加热至1020-1120℃,保温，随炉冷却至室温，得到无磁合金。
3.根据权利要求2所述的一种无磁合金的制备方法，其特征在于，所述原料粉末中-325目的粉末占原料粉末总质量的75%以上，-150目的粉末占原料粉末总质量的99.8%以上。
4.根据权利要求2所述的一种无磁合金的制备方法，其特征在于，所述成形剂以质量百分比计由下述组分组成：
黄油0-15%、SKZ-80020-60%，石蜡25-55%、硬脂酸0-34%、滑石粉0-5%、二硫化钼0-5%、聚乙烯0-5%。
5.根据权利要求4所述的一种无磁合金的制备方法，其特征在于，所述成形剂以质量百分比计由下述组分组成：
黄油0-15%、SKZ-80020-60%，石蜡25-55%、硬脂酸5-34%、滑石粉0-5%、二硫化钼0-5%、聚乙烯0-5%。
6.根据权利要求2所述的一种无磁合金的制备方法，其特征在于：压制成形的压力为700-800MPa。
7.根据权利要求2所述的一种无磁合金的制备方法，其特征在于：压坯加热时的升温速度为10-12℃/分钟，压坯在1020-1120℃的保温时间为1.5-2小时，随炉冷却时，控制冷却速度为3-5℃/分钟。
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