CN104841938A - 一种高性能异形铁钴系软磁合金零件的制备方法 - Google Patents

Abstract

一种采用高性能异型铁钴系软磁合金的方法，属于磁性材料领域。采用粉末颗粒作为原料，将各种原料置于高能球磨机中球磨1～40小时再将球磨粉末与成形剂混合均匀，使得粉末颗粒与成形剂的混合物在具有很好的流动性的条件下注入或流入模具成形，得到复杂形状零件的坯体；将得到坯体中的成形剂脱除干净，经烧结后得到预处理件，然后置于高温高压下进行处理，再经最终热处理，得到最终的产品。本发明合金的组织均匀，性能优异，饱和磁感应强度Bs大于2.3T，最大磁导率大于5mH/m，矫顽力不大于110A/m，可直接制备出具有最终形状的零部件，节约资源和能源，降低制造成本。

Description

一种高性能异形铁钴系软磁合金零件的制备方法

技术领域

本发明属于磁性材料领域，特别是提供了一种制备高性能异形铁钴系软磁合金零件的方法。

背景技术

在金属软磁材料中，铁钴系软磁合金具有极高的饱和磁感应强度Bs(2.4T)、最大的磁致伸缩系数λs(70～80╳10^－6)和最高的居里温度(980～1100℃)，因而可用作要求高Bs、高λs、低频和高温下使用的铁磁元件，适合于制作要求重量轻、体积小、工作温度高的微特电机、电磁铁极头、继电器、力拒马达转子、电源变压器、磁致伸缩换能器铁芯等。随着磁路元器件向微型化、多功能化方向发展，所使用的软磁合金零部件的尺寸越来越小，形状也越来越复杂。由于铁钴系软磁合金原料价格昂贵，脆性大，加工性能差，传统的通过块体材料机加工的方法制备这些软磁合金零部件，原材料浪费大，周期长，成本高，效率低。

粉末冶金工艺中的金属注射成形方法制备软磁产品具有近净成形的特点，可以直接制备出最终形状的产品，不需要或只需要微量后续加工，适合批量化生产，是一种节约能源和资源、低成本的制备技术，在软磁零部件的制备中得到广泛的应用。粉末注射成形方法制备铁钴软磁合金的主要问题是有：一，粉末注射成形铁钴软磁相对密度较低(通常为90％～97％)，由于少量孔隙以及其他缺陷的存在，使得材料难以达到高的饱和磁感、高的磁导率和低的矫顽力；二，采用铁、钴、钒、铬等元素粉末为原料时，由于钒粉、铬粉容易氧化形成热力学稳定性好的氧化钒、氧化铬等氧化物，造成合金中产生氧化物夹杂，从而影响材料的烧结性能和磁性能；三，采用合金粉末为原料时，虽然可适当克服元素粉末易于氧化的缺点，但由于雾化法制备的适合注射成形细粒度合金粉末的产出率低，合金原料粉末价格非常昂贵，成本高。因此，如何低成本、高性能的获得异型铁钴软磁合金零件一直是该领域的一个难题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种低成本制备高性能复杂形状铁钴系软磁合金零件的方法。

本发明采用羰基铁粉、钴粉、以及钒铁粉、铬铁粉等预合金或母合金粉末为原料，将各种原料粉末采用高能球磨混合并预合金化，利用粉末注射成形技术制备出复杂形状的零件后，再采用热等静压以及适当后续热处理，改善材料的微观组织和性能，得到组织均匀、无偏析、高致密度和高性能的异型铁钴软磁合金零件。

一种高性能异形铁钴系软磁合金零件的制备方法，其特征在于：具体制备步骤如下

(1)、采用的粉末原料包括羰基铁粉、钴粉以及钒铁粉、铬铁粉、铌铁粉、锰铁粉预合金粉末；将各种粉末按照一定的重量百分比配料，其中：钴含量为25～60％，钒含量为0～3％，铬含量为0～0.8％，其余为铁；

(2)各种原料粉末按照配比要求配料后，置于高能球磨机中球磨1～40小时；球料比为4～12:1；

(3)将步骤2)得到的球磨粉末与成形剂按照体积比为50:50～60:40比例置于混炼机中混合均匀，混炼温度为150～170℃，使得粉末与成形剂的混合物在加热到150～170℃时具有很好的流动性；成形剂成分为微晶蜡、高密度聚乙烯、聚丙烯和硬脂酸，按重量百分比微晶蜡：高密度聚乙烯：聚丙烯：硬脂酸为60：25：10：5；

(4)、将步骤(3)得到的粉末与成形剂的混合物注入模具成形，得到复杂形状零件的坯体；

(5)、将步骤(4)得到坯体中的成形剂采用溶剂脱脂与热脱脂或催化脱脂方式脱除干净，溶剂脱脂温度为20℃～50℃，热脱脂温度为550～700℃，催化脱脂为110～130℃，然后高温烧结；

(6)、在一定压力下和一定温度范围内对步骤(5)得到烧结件进行处理；

(7)、将步骤(6)得到的产品在500～1300℃进行保温1～5小时，随炉冷却或空冷至室温，得到最终的产品。

其中步骤(5)中烧结温度为：800～1500℃，优选为1300℃～1400℃：烧结时间为60～1000分钟，优选为90～180分钟。

步骤(6)烧结件处理压力为100～200MPa，优选为150～200MPa，温度为800℃～1300℃，优选为1000～1250℃。

本发明软磁合金的饱和磁感应强度Bs大于2.3T，最大磁导率大于5mH/m，矫顽力不大于110A/m的软磁合金产品。

本发明的特点是：1.采用粉末注射成形技术直接制备出具有最终形状的零部件，无需或只需微量的后续机加工，可大大节约资源、能源，降低制造成本，适合复杂形状铁钴软磁合金的批量化生产；2.采用羰基铁粉、钴粉，以及钒铁、铬铁、铌铁、锰铁等预合金粉末为原料，原材料成本低，克服了直接采用雾化超细合金粉末成本高的缺点；采用母合金或预合金粉末为原料，克服了直接采用钒、铬等元素粉末时容易形成氧化物夹杂，影响材料烧结性能和磁性能的缺点。3.高能球磨使各种元素均匀化、预合金化，避免钒、铬等元素扩散不均匀，造成材料成分和性能的偏析形象。4.高能球磨增使粉末产生了较多的晶格畸变和晶格缺陷，提高了它们的烧结活性，有利于材料的致密化和磁性能的提高。5.通过烧结、热等静压和后续热处理制度提高了材料的密度(致密度大于99％)，改善了材料的微观组织结构，可制备出高性能的软磁合金产品。6.可制备出饱和磁感应强度Bs大于2.3T，最大磁导率大于4mH/m，矫顽力小于110A/m，产品尺寸精度小于±0.3％的铁钴软磁合金产品。

具体实施方式

实施例1：

以羰基铁粉、还原钴粉、钒铁粉作为原料，按重量百分比铁：钴：钒为49：49：2的比例配料，在行星式球磨机中氩气气氛下球磨混合20小时，球料比为10：1。选用微晶蜡、高密度聚乙烯、聚丙烯和硬脂酸作为成形剂，按重量百分比微晶蜡：高密度聚乙烯：聚丙烯：硬脂酸为60：25：10：5配料，将各种有机物在150℃的温度下熔化状态下混合2小时。将球磨粉末与成形剂按粉末与成形剂的体积比为52：48，在150℃的捏合机中捏合3小时。将粉末与粘结剂的混合料在注射成形机上成形，在温度为160℃、注射压力为100MPa的条件下注入模具成形。将成形坯在20℃的正庚烷中浸泡4小时后，在50℃的通风橱中将坯体烘干。将烘干坯体在室温～700℃的温度范围内按照一定的制度加热，时间为10小时，通过加热将坯体中的成形剂分解脱除。将脱脂后的坯体在1300℃烧结3小时，再将烧结坯体在1200℃、150MPa的条件下热等静压处理180分钟，将热等静压产品在1300℃的条件下保温2小时，随炉冷却至室温。所制备的软磁材料的性能：相对密度99.8％，饱和磁感应为2.38T，最大磁导率7.22mH/m，矫顽力为76.55A/m。

实施例2：

采用与实施例1相同的原料粉末、材料成分配比，将各种原料粉末在V型混料器中将混合12小时，不对原料粉末进行高能球磨处理，将混合粉末采用与实施例1相同的成形和脱脂工艺处理，在1400℃的温度下烧结3小时后，直接测试材料的磁性能，不对粉末进行热等静压和后续热处理。所制备的软磁材料的性能：相对密度93.4％，饱和磁感应为1.82T，最大磁导率2.38mH/m，矫顽力为115.61A/m。

实施例3：

采用与实施例1相同的原料粉末、材料成分配比，将各种原料粉末在V型混料器中将混合12小时，不对原料粉末进行高能球磨处理，其他采用与实施例1相同的成形、烧结、热等静压和热处理工艺。所制备的软磁材料的性能：相对密度99.2％，饱和磁感应为2.14T，最大磁导率5.12mH/m，矫顽力为86.43A/m。

实施例4：

采用与实施例1相同的原料粉末、材料成分配比，将各种原料粉末采用与实施例1相同的高能球磨、成形、脱脂工艺处理，将脱脂坯体在1400℃的温度下烧结3小时后，直接测试材料的磁性能，不对粉末进行热等静压和后续热处理。所制备的软磁材料的性能：相对密度97.8％，饱和磁感应为1.91T，最大磁导率3.94mH/m，矫顽力为102.6A/m。

实施例5：

采用与实施例1相同的原料粉末、材料成分配比，将各种原料粉末采用与实施例1相同的高能球磨、成形、脱脂、烧结、热等静压处理，直接测试材料的磁性能，不对热等静压件进行后续热处理。所制备的软磁材料的性能：相对密度99.6％，饱和磁感应为2.08T，最大磁导率1.84mH/m，矫顽力为130..62A/m。

实施例6：

以羰基铁粉、钴粉、铬铁粉作为原料，按重量比百分比铁：钴：铬为64.5：35：0.5配料，选用与实施例1相同的高能球磨、成形、脱脂、烧结、热等静压和后续热处理制度。所制备的软磁材料的性能：相对密度99.7％饱和磁感应为2.34T，最大磁导率5.25mH/m，矫顽力为88.24A/m。

所制备的铁钴软磁合金性能如表1所示：

表1制备的铁钴软磁合金性能

Claims (7)

1.一种高性能异形铁钴系软磁合金零件的制备方法，其特征在于：具体制备步骤如下：

(1)、采用的粉末原料包括羰基铁粉、钴粉以及钒铁粉、铬铁粉、铌铁粉、锰铁粉预合金粉末；将各种粉末按照一定的重量百分比配料，其中：钴含量为25～60％，钒含量为0～3％，铬含量为0～0.8％，其余为铁；

(2)各种原料粉末按照配比要求配料后，置于高能球磨机中球磨1～40小时；球料比为4～12:1；

(3)将步骤(2)得到的球磨粉末与成形剂按照体积比为50:50～60:40比例置于混炼机中混合均匀，混炼温度为150～170℃，使得粉末与成形剂的混合物在加热到150～170℃时具有很好的流动性；成形剂成分为微晶蜡、高密度聚乙烯、聚丙烯和硬脂酸，按重量百分比微晶蜡：高密度聚乙烯：聚丙烯：硬脂酸为60：25：10：5；

(4)、将步骤(3)得到的粉末与成形剂的混合物注入模具成形，得到复杂形状零件的坯体；

(5)、将步骤(4)得到坯体中的成形剂采用溶剂脱脂与热脱脂或催化脱脂方式脱除干净，溶剂脱脂温度为20℃～50℃，热脱脂温度为550～700℃，催化脱脂为110～130℃，然后高温烧结；

(6)、在一定压力下和一定温度范围内对步骤(5)得到烧结件进行处理；

(7)、将步骤(6)得到的产品在一定温度下进行保温一段时间，随炉冷却或空冷至室温，得到最终的产品。

2.根据权利要求1所述的高性能异形铁钴系软磁合金零件的制备方法，其特征在于：步骤(5)中烧结温度为：800～1500℃，烧结时间为60～1000分钟。

3.根据权利要求1或2所述的高性能异形铁钴系软磁合金零件的制备方法，其特征在于：步骤(5)中烧结温度为1300℃～1400℃：烧结时间为90～180分钟。

4.根据权利要求1所述的高性能异形铁钴系软磁合金零件的制备方法，其特征在于：步骤(6)烧结件处理压力为100～200MPa，温度为800℃～1300℃。

5.根据权利要求1所述的高性能异形铁钴系软磁合金零件的制备方法，其特征在于：步骤(6)烧结件处理压力为150～200MPa，温度为1000～1250℃。

6.根据权利要求1所述高性能异形铁钴系软磁合金零件的制备方法，其特征在于：步骤(7)的保温温度是500～1300℃，保温时间1～5小时。

7.根据权利要求1所述高性能异形铁钴系软磁合金零件的制备方法，其特征在于：软磁合金的饱和磁感应强度Bs大于2.3T，最大磁导率大于5mH/m，矫顽力不大于110A/m的软磁合金产品。