CN105268975A

CN105268975A - 高密度粉末冶金金属软磁材料的制备方法

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Publication number: CN105268975A
Application number: CN201410330449.4A
Authority: CN
Inventors: 黄坤祥; 陆永忠; 范扬樑; 曾韦祯
Original assignee: TAIYAO SCIENCE AND TECHNOLOGY Co Ltd
Current assignee: Suzhou Zhongyao Technology Co ltd
Priority date: 2014-07-11
Filing date: 2014-07-11
Publication date: 2016-01-27
Anticipated expiration: 2034-07-11
Also published as: CN105268975B

Abstract

本发明提供了一种高密度粉末冶金金属软磁材料的制备方法，首先提供起始粉末；再利用喷雾造粒工艺获得喷雾造粒粉末；接着，将该喷雾造粒粉末置入模具中，使该喷雾造粒粉末维持在成形温度并接受成形压力而形成坯体；之后，将该坯体加热至烧结温度得到金属软磁材料。利用该喷雾造粒工艺得到的该喷雾造粒粉末具有优异的流动性、成形性与压缩性，适合干压成形，且该金属软磁材料的烧结密度与磁性质均非常优异。同时，因采用干压成形技术，故还具有低制造成本的优点。

Description

高密度粉末冶金金属软磁材料的制备方法

技术领域

本发明涉及一种金属软磁材料的制备方法，尤其指一种利用干压、烧结成形技术的高密度粉末冶金金属软磁材料的制备方法。

背景技术

由于金属软磁材料具有高感应磁束密度(Inducedmagnetism，简称Bs)以及低矫顽磁力(Coerciveforce，简称Hc)的特性，使其大量被应用于电子、电磁相关产业之中。常见的金属软磁材料制备方法之一为传统的干压烧结法(Press-and-sinterprocess)，先将具有所需成分的合金粉末与润滑剂混合均匀后，将其填充至模具之中，接着在常温施加所需的压力使粉末成形，成为具有一定强度的坯体，后续将坯体加热去除润滑剂后最后经过高温烧结，即可得到所要的金属软磁材料；这种工艺具有原料便宜、模具费用低、工艺成本低等优点。

一般来说，在传统干压烧结工艺中，为了使金属软磁材料达到优良的机械或物理性质，烧结后金属软磁材料的密度应越高越好，这也代表烧结前的坯体(又称生坯)密度应越高越好。此外，高生坯密度的坯体在经过烧结后，其尺寸收缩量将比低生坯密度的坯体少，因此高生坯密度的工件其尺寸稳定性较好。

一般要得到高密度的工件除了成形时的压力必须够大、生坯密度要高以外，小粒径的粉末由于表面积大、烧结驱动力高，因此可在烧结后得到高密度，但利用细粉进行干压烧结工艺时，由于其粉末间的接触点较多、摩擦力较大、压缩性(Compressibility)差，且成形性(Compactibility)不佳，因此必需依靠较高的成形压力，才能达到所要的坯体密度，但过大压力却又容易造成坯体离开模具时产生的回弹(Springback)量加大，而产生分层(Delamination)现象；再者，过大的成形压力会造成模具快速损耗，且提供较高的成形压力，其所需的机具、价格也较高。另外，小粒径的粉末因流动性不佳，无法以自动化的方式将粉末充填入模穴，更进一步造成制造成本的增加。

另一方面，如使用大粒径的粉末，则尚有其它问题的产生。以现有技术来说，如果制作Fe-0.45P的软磁材料，则使用粒径较大的铁粉与粒径较小的磷化三铁(Fe₃P)粉混合，前者的平均粒径约70μm，后者的平均粒径约为5μm。这种混合粉末的流动性好且具有良好的视密度，故适合采用上述的传统干压烧结法，其生坯密度约在6.4g/cm³至7.1g/cm³之间，依据金属粉末工业联合会(MetalPowderIndustryFederation)(MPIF)标准35(MPIFStandard35)的记载，这种生坯经烧结后的密度仅在6.8g/cm³至7.4g/cm³之间。由此可见，上述的传统干压烧结工艺无法达到高烧结密度，原因即为粉末的粒径过大。

除了传统的干压烧结法以外，现有技术中，也有采用金属注射成型(MetalInjectionMolding)(MIM)的情况，由于这种工艺利用射出的方式成形生坯，故可采用细的金属颗粒。也因此，粉末的流动性与视密度对工艺的影响较小。举例而言，如果制备Fe-3Si软磁材料，一般是使用粒径较小的铁粉及Fe-Si预合金粉，这种混合粉与约30vol.％至40vol.％的粘结剂混炼后再用射出成形机射出生坯，生坯密度约为4.5g/cm³至5.5g/cm³之间，经脱脂步骤将粘结剂去除后，剩下的金属坯体以高温烧结即可得到高密度工件。依据MPIF标准35的记载，烧结后密度约为7.5g/cm³，且具有良好的磁性。不过采用MIM工艺虽可得到符合需求的软磁材料，且无论是烧结密度、磁特性均优于传统的干压烧结法，但MIM工艺所需的成本，约为干压烧结法的10倍。除了成本问题外，MIM工艺尚有尺寸不易控制的问题，具体而言，因MIM生坯密度低而烧结密度高，其烧结后的线收缩(linearshrinkage)量大，通常高于12％，因此不易控制工件的尺寸。

综上，现有技术所采用的传统的干压烧结法，尚无法达到高烧结密度，且所得到的软磁材料，其磁性不佳；而且现有技术所采用的MIM工艺，则具有高成本以及尺寸控制不易的问题。

发明内容

本发明的主要目的，在于解决现有技术中利用传统的干压成形技术的金属软磁材料的密度不高、磁性质不佳等问题，以及现有技术利用MIM工艺的成本过高和烧结后尺寸难以掌握的问题。

为了达到上述目的，本发明提供一种高密度粉末冶金金属软磁材料的制备方法，其包括以下步骤：

S1：提供含铁且具有金属软磁性质的起始粉末，该起始粉末平均粒径介于1至15微米之间，且铁的来源为羰基铁粉；

S2：利用喷雾造粒工艺将该起始粉末制成喷雾造粒粉末，该喷雾造粒粉末具有接近球形的形态且平均粒径介于40至100微米之间；

S3：将该喷雾造粒粉末置入模具中，并使该喷雾造粒粉末维持在介于20℃至150℃的成形温度下接受介于300MPa至1000MPa之间的成形压力而形成坯体(胚体)；以及

S4：将该坯体加热至1100℃至1400℃之间并在保护气氛中进行烧结而得到金属软磁材料。

为了达到上述目的，本发明还提供一种高密度粉末冶金金属软磁材料的制备方法，其包括以下步骤：

S1：提供含铁且具有金属软磁性质的起始粉末，该起始粉末平均粒径介于1微米至15微米之间，且该起始粉末为预合金粉；其它S2、S3及S4步骤与前述相同。

本发明利用该喷雾造粒工艺得到的该喷雾造粒粉末，由于呈球状而具有优异的流动性、成形性与压缩性，相比于未喷雾造粒的粉末可使用干压烧结工艺且使该坯体具有高密度，因此，最终烧结得到的该金属软磁材料，无论是相对密度或磁性质，均有比一般使用粗粉及传统干压、烧结工艺的更为优异的表现；同时，因该制备方法采用干压成形技术，与MIM相比之下又具有低制造成本的优点，同时因生坯密度比MIM工艺获得的生坯密度高，故还可避免收缩量过大、尺寸不易控制的问题。

附图说明

图1为本发明的步骤流程示意图。

具体实施方式

有关本发明的详细说明及技术内容，现结合图示说明如下：

请参照图1所示，图1为本发明的步骤流程示意图，步骤S1先提供含铁且具有金属软磁性质的起始粉末，该起始粉末的平均粒径优选地小于15μm。在本发明的实施方式中，该起始粉末的铁的主要来源为羰基铁粉(carbonylironpowder)，而该羰基铁粉的碳含量可小于0.05wt.％；在本发明的另一个实施方式中，该起始粉末可为预合金粉、化合物粉、母合金粉或其混合粉。此外，该起始粉末的成分可包括铁与至少一种添加元素，该添加元素选自于磷、硅、钴、钒、镍及钼所组成的组。举例而言，该起始粉末可为铁磷混合粉末(Fe-P)、铁硅混合粉末(Fe-Si)、铁钴混合粉末(Fe-Co)、铁钴钒混合粉末(Fe-Co-V)、铁镍混合粉末(Fe-Ni)或铁镍钼混合粉末(Fe-Ni-Mo)等具有软磁性的金属粉末或具上述成分的预合金粉末。

在本发明的其它实施方式中，该起始粉末的磷的重量百分比可介于0.4wt.％至0.9wt.％之间，其余为铁及不可避免的杂质；或者该起始粉末的硅的重量百分比可介于2wt.％至6wt.％之间，其余为铁及不可避免的杂质；或者该起始粉末的钴的重量百分比可介于48wt.％至52wt.％之间，钒的重量百分比低于3wt.％，其余为铁及不可避免的杂质；或者该起始粉末的镍的重量百分比可介于48wt.％至52wt.％之间，其余为铁及不可避免的杂质；或者该起始粉末的镍的重量百分比可介于77wt.％至83wt.％之间，钼的重量百分比可低于5wt.％，其余为铁及不可避免的杂质。

步骤S2是对该起始粉末进行喷雾造粒工艺，由该起始粉末获得喷雾造粒粉末，该喷雾造粒粉末具有接近球形的形态且平均粒径介于40至100微米之间。在本实施方式中，在步骤S2中对该起始粉末添加粘结剂和水而混合形成混合物，该粘结剂可为阿拉伯胶、甲基纤维素、聚乙烯醇或聚乙二醇或其混合物。经该喷雾造粒工艺后，该喷雾造粒粉末可具有介于40至100微米之间的平均粒径，且粉末形态接近球形，这将有利于改善粉末的流动性、压缩性、视密度与成形性。

步骤S3是将该喷雾造粒粉末置入模具中，并使该喷雾造粒粉末维持在成形温度下并接受成形压力而形成坯体。在本实施方式中，该成形温度介于20至150℃之间，该成形压力介于300至1000MPa之间，并根据需求在该喷雾造粒粉末中先添加润滑剂，该润滑剂可为白蜡、硬脂酸或硬脂酸锌或其它润滑剂，再将该喷雾造粒粉末置入该模具中。一般而言，该模具包含中模(die)、上冲(upperpunch)以及下冲(lowerpunch)，而在本实施方式中，可通过对该模具的该中模、该上冲或该下冲进行加热，而利用该模具的热传导使该喷雾造粒粉末维持在20至150℃之间；或者，还可对容纳该喷雾造粒粉的喂粉盒(feedshoe)及输送该喷雾造粒粉的输送管以电热或油热方式使该喷雾造粒粉末维持在20至150℃之间。

步骤S4是先进行脱脂(debinding)步骤，将该坯体加热至脱脂温度，以去除该润滑剂或该粘结剂，或采用其它化学方法脱脂，完成后再升温至烧结温度而得到金属软磁材料。在本实施方式中，步骤S4可在真空炉或气氛炉中进行，如采用该气氛炉，则应通入还原气氛，该还原气氛含有氢气或裂解氨，该烧结温度在1100℃至1400℃之间。此外，经过步骤S4所得到的该金属软磁材料，其相对密度高于94％。

为了进一步具体说明本发明金属软磁材料的制备方法的内容，请参照下述根据本发明进行的实施例以及采用其它技术的比较例。

实施例1：

本实施例的起始粉末为铁钴混合粉末(Fe-50Co)，选用羰基铁粉与钴粉两种元素粉的混合物，钴占50wt.％，其余为铁，且羰基铁粉中的碳含量小于0.05wt.％，使其压缩性提高，较易压至高密度，其与钴粉的平均粒径都小于10μm，由于粉末太细，其流动性及视密度均无法以MPIF的标准测试法测量。在进行喷雾造粒工艺前，该铁钴混合粉末(Fe-50Co)先与粘结剂与水均匀混合，该粘结剂为聚乙烯醇及聚乙二醇，且总添加量占金属粉的1.0wt.％，经过喷雾造粒工艺所得到的喷雾造粒粉末的平均粒径为75μm，且形态接近球形，因此，此造粒粉已具有流动性，以MPIF标准03(MPIFStandard03)标准测试法所测得的流动性为30s/50g，MPIF标准04(MPIFStandard04)标准测试法所测得的视密度为2.1g/cm³。之后，先将该喷雾造粒粉末与白腊润滑剂混合，白腊添加量为0.1wt.％，再将该喷雾造粒粉末置于模具中，使该喷雾造粒粉末维持在35℃，并以600MPa的成形压力对该喷雾造粒粉末施压而形成坯体，坯体密度为6.2g/cm³。接下来，将该坯体置于气氛炉中，并通入含有75vol.％氢气及25vol.％氮气的裂解氨还原气氛，先保持温度在300至600℃之间以除去该粘结剂与该润滑剂后，在1355℃的温度下烧结2小时，而得到Fe-50Co金属软磁材料，该Fe-50Co的密度为7.89g/cm³，相对密度为94.2％，碳含量小于0.01wt.％，饱和感应(saturatedinduction)Bs为2.17T(特斯拉(Tesla))，矫顽磁力(coerciveforce)Hc为89A/m，最大导磁率(maximumpermeability)μmax为6790。由此工艺所得Fe-50Co软磁的密度及磁性质均比MPIF标准35中由MIM工艺所制得的工件更好且生产成本也较低。

比较例1：

比较例1与实施例1的差异在于，比较例1并未以喷雾造粒工艺形成该喷雾造粒粉末，而是直接将该铁钴混合粉末(Fe-50Co)添加白腊润滑剂，该润滑剂添加量为0.6wt.％(由于粉末流动性不佳，故相比于实施例1需添加较多的量)，但即使如此，其流动性仍无法测量，其视密度也无法测量。之后，对该铁钴混合粉末(Fe-50Co)以手动方式将粉填入模穴，再进行干压成形工艺。然后尝试利用300至1000MPa之间的成形压力进行干压时，发现均无法顺利形成坯体，坯体易裂成数片。

由以上可知，比较例1的铁钴混合粉末(Fe-50Co)的压缩性以及成形性较差，无法压制出外形完整的该坯体；反过来看，依据本发明制备方法的实施例1则可完整压制出该坯体，并且进行烧结步骤后所得到的该Fe-50Co金属软磁材料也具有高相对密度以及良好的磁性质。

实施例2：

本实施例的起始粉末为铁钴钒混合粉末(Fe-49Co-2V)，选用预合金粉，钴占49wt.％，钒占2wt.％，其余为铁，平均粒径为12μm，经过使用与实施例1相同的喷雾造粒工艺及粘结剂所得到的喷雾造粒粉末的平均粒径为78μm，且形态接近球形。获得该喷雾造粒粉末后，在未加润滑剂的情形下将该喷雾造粒粉末在25℃以800MPa的压力对该喷雾造粒粉末施压而形成坯体，坯体密度为6.4g/cm³。接下来，将该坯体置于气氛炉中，并通入氢气气氛，先在550℃下保持温度2小时脱脂以除去该粘结剂，然后在1340℃的温度下烧结1.5小时，而得到Fe-49Co-2V软磁材料，其密度为7.81g/cm³，相对密度为94％，Bs为1.85T，Hc为320A/m，碳含量小于0.01wt.％，μmax为1740。

比较例2：

比较例2与实施例2的差异在于，比较例2是直接将铁钴钒预合金粉末(Fe-49Co-2V)添加0.5wt.％的润滑剂(白腊)，但其流动性及视密度均无法测量。之后，对该铁钴钒预合金粉末进行干压成形。然后利用300至1000MPa之间的成形压力均无法顺利形成坯体。

由以上可知，比较例2的铁钴钒粉末的压缩性以及成形性较差，无法压制出外形完整的该坯体；反过来看，依据本发明制备方法的实施例2则可完整压制出该坯体，并且进行烧结后所得到的该Fe-49Co-2V材料也具有高相对密度以及良好的铁磁性质。

实施例3：

本实施例的起始粉末为铁磷混合粉末(Fe-0.45P)，选用磷化三铁(Fe₃P)粉与羰基铁粉的混合物，此磷化三铁(Fe₃P)粉为化合物粉，其磷占15.6wt.％，其余为铁，而羰基铁粉为元素粉，其中的碳含量为0.7wt.％，且羰基铁粉与磷化三铁粉的平均粒径都小于10μm，混合后粉末的磷含量为0.45wt％。经过使用与实施例1相同的喷雾造粒工艺及粘结剂所得到的喷雾造粒粉末的平均粒径为65μm，且形态接近球形。之后，先将该喷雾造粒粉末与0.3wt.％白腊混合，再将该混合粉末置于模具中，使该喷雾造粒粉末维持在60℃，并以700MPa的成形压力对该喷雾造粒粉末施压而形成坯体，坯体密度为6.54g/cm³。接下来，将该坯体置于气氛炉中，并通入裂解氨与氮气的混合气氛，其中氢气占10vol.％，氮气占90vol.％，先在550℃下保持温度2小时以除去该粘结剂及该润滑剂，然后在1340℃的温度下烧结1.5小时，而得到Fe-0.45P金属软磁材料，该Fe-0.45P的密度为7.80g/cm³，相对密度为99％，碳含量小于0.01wt.％，Bs为1.75T，Hc为40A/m，μmax为12400。

比较例3：

比较例3与实施例3的差异在于，比较例3并未以喷雾造粒工艺形成该喷雾造粒粉末，而是选用铁磷混合粉末(Fe-0.45P)，其为传统干压成形工艺所用的水喷雾铁粉与磷化三铁(Fe₃P)粉的混合粉，磷占0.45wt.％，水喷雾铁粉中的碳含量小于0.05wt.％，其平均粒径为80μm，该磷化三铁粉末的平均粒径为5μm，此混合粉具有流动性，适合用于传统干压烧结工艺。先将该铁磷混合粉末(Fe-0.45P)与0.75wt.％白腊润滑剂混合，再将该混合粉末置于模具中，使该粉末维持在25℃，并以600MPa的成形压力对该粉末施压而形成坯体，坯体密度为6.9g/cm³。接下来，将该坯体置于气氛炉中，并通入含有75vol.％氢气及25vol.％氮气的裂解氨还原气氛，在1120℃(传统干压成形、烧结工艺最常用温度)的温度下烧结1小时，而得到Fe-0.45P软磁材料，该Fe-0.45P的密度为7.12g/cm³，相对密度为90.4％，碳含量小于0.01wt.％，Bs为1.25T，Hc为125A/m，μmax为3400。

由以上可知，比较例3以传统干压烧结工艺及粉末所形成的Fe-0.45P软磁材料不论在相对密度、感应磁束密度、矫顽磁力和最大导磁率都差于实施例3的Fe-0.45材料。

实施例4：

本实施例的起始粉末为铁硅混合粉末(Fe-3Si)，选用铁硅母合金粉(Fe-7Si)与羰基铁粉的混合物，此铁硅母合金粉中硅占7wt.％，其余为铁，其平均粒径为12μm。而羰基铁粉为元素粉，其中的碳含量小于0.05wt.％，使其压缩性提高，较易压至高密度，其平均粒径为5.3μm。在该Fe-3Si混合粉末中，硅占3wt.％，其余为铁。在进行喷雾造粒工艺前，该铁硅混合粉末(Fe-3Si)先与粘结剂与水均匀混合，该粘结剂为聚乙烯醇及聚乙二醇，且总添加量为0.7wt.％，经过喷雾造粒工艺所得到的粉末的平均粒径为56μm，且形态接近球形。之后，将该喷雾造粒粉末置于模具中，使该喷雾造粒粉末维持在120℃，并以400MPa的成形压力对该喷雾造粒粉末施压而形成坯体，坯体密度为6.35g/cm³。接下来，将该坯体置于气氛炉中，并通入裂解氨气氛，先保持在550℃的温度2小时以除去该粘结剂后，在1320℃的温度下烧结2小时，而得到Fe-3Si软磁材料，该Fe-3Si材料的密度为7.55g/cm³，相对密度为98.5％，碳含量小于0.03wt.％，Bs为1.9T，Hc为70A/m，μmax为7100。

比较例4：

比较例4与实施例4的差异在于，比较例4是选用市售适用于传统干工艺的水喷雾铁粉与铁硅母合金粉的混合粉末，硅占3.0wt.％，其余为铁，该混合粉的平均粒径为75μm。先将该Fe-3Si粉末与0.8wt.％白腊混合，再将该粉末置于模具中，在25℃以700MPa的压力对该粉末施压而形成坯体，坯体密度为6.8g/cm³。接下来，将该坯体置于气氛炉中，并通入含有75vol.％氢气及25vol.％氮气的裂解氨还原气氛，先保持在550℃的温度2小时以除去该润滑剂后，再在1320℃的温度下烧结2小时，而得到Fe-3Si软磁材料，该Fe-3Si的密度为7.0g/cm³，相对密度为91.3％，碳含量小于0.03wt.％，Bs为1.2T，Hc为95A/m，μmax为4000。

由以上可知，比较例4以传统干压烧结法所形成的Fe-3Si软磁材料不论是相对密度、感应磁束密度、矫顽磁力和最大导磁率都差于实施例4的Fe-3Si软磁材料。

实施例5：

本实施例的起始粉末为铁磷混合粉末(Fe-0.8P)，将磷化三铁(Fe₃P)粉与羰基铁粉混合，而羰基铁粉的碳含量小于0.05wt.％。混合后粉末的磷含量为0.8wt.％。该Fe-0.8P混合粉末先与粘结剂与水均匀混合，该粘结剂为聚乙烯醇及聚乙二醇，且总添加量为0.7wt.％，经过喷雾造粒工艺后将该喷雾造粒粉与0.2wt.％的硬脂酸润滑剂混合，再将该混合粉末置于模具中，在95℃以800MPa的压力对该粉末施压而形成坯体，坯体密度为6.55g/cm³。接下来，将该坯体置于真空炉中，先保持在550℃的温度2小时以除去该粘结剂及该润滑剂后，并在1300℃的温度下烧结1.5小时，而得到Fe-0.8P软磁材料，该Fe-0.8P的密度为7.80g/cm³，相对密度为99％，碳含量小于0.01wt.％，Bs为1.65T，Hc为53A/m，μmax为11600。

比较例5：

本比较例的起始粉末与实施例5相同，但采用MIM的方法。先将该磷化三铁(Fe₃P)粉与羰基铁粉混合粉末与8.0wt.％的粘结剂混合，该粘结剂为石蜡、硬脂酸及聚乙烯的混合体，其中聚乙烯约3.0wt.％，然后再采用MIM工艺获得坯体，坯体密度为5.1g/cm³。将该坯体置于正庚烷溶剂中去除石蜡及硬脂酸。接下来，将该坯体置于真空炉中，并在300℃至550℃之间将残留的粘结剂烧除，然后在1300℃的温度下烧结1.5小时，而得到Fe-0.8P软磁材料，该Fe-0.8P的密度为7.80g/cm³，相对密度为99％，碳含量约0.03wt.％，Bs为1.55T，Hc为45A/m，μmax为11000。

由以上可知，虽然实施例5与比较例5的Fe-0.8P的性质接近，但因实施例5中所使用的该粘结剂及该润滑剂总共仅需1.0wt.％，比比较例5的8wt.％少很多，实施例5除了具有较低的原料成本外，也可省去额外的溶剂脱脂工艺，因此可降低制造成本，此外，也可省去处理溶剂的环保问题。又由于比较例5的MIM工艺使用约3wt.％的聚乙烯，故需长时间的加热脱脂工艺以烧除聚乙烯；且实施例5采用一般的干压成形工艺，但比较例5需采用MIM工艺，后者的工艺及模具成本明显高出许多，整体看来，实施例5的总工艺成本比比较例5低了35％。

此外，由于实施例5中，该粘结剂以及该润滑剂总共仅1.0wt.％，生坯密度可达6.55g/cm³，也即金属粉的体积比约82.5vol.％，相比于比较例5，生坯密度为5.1g/cm³。该粘结剂有8.0wt.％，金属粉的体积比约59.7vol.％，因此，实施例5的该Fe-0.8P材料烧结后达到99vol.％密度时的线性收缩率仅5.9％，而比较例5的该Fe-0.8P材料的线性收缩率高达15.5％，导致其尺寸稳定性不好。

实施例6：

本实施例的起始粉末为铁镍混合粉末(Fe-50Ni)，选用羰基铁粉与羰基镍粉两种元素粉的混合物，镍占50wt.％，其余为铁，且羰基铁粉与羰基镍粉中的碳含量都小于0.05wt.％，两种金属粉的平均粒径都小于10μm。经过使用与实施例5相同的喷雾造粒工艺及粘结剂所得到的喷雾造粒粉末的平均粒径为74μm，且形态接近球形，所测得的流动性为31s/50g，视密度为2.2g/cm³。之后，再将该喷雾造粒粉末置于模具中，使该喷雾造粒粉末维持在60℃，并以500MPa的压力对该喷雾造粒粉末施压而形成坯体，坯体密度为6.5g/cm³。接下来，将该坯体置于真空炉中，并通入少量氩气，氩气的分压为约0.05大气压，先保持温度在300℃至600℃之间以除去该粘结剂后，在1350℃的温度下烧结2小时，而得到Fe-50Ni软磁材料，该Fe-50Ni的密度为7.95g/cm³，相对密度为95％，碳含量小于0.01wt.％，Bs为1.45T，Hc为16A/m，μmax为27000。由此工艺所得Fe-50Ni的成本比由MIM工艺所制得的工件低，而磁性质则与MPIF标准35中由MIM工艺所制得工件的磁性质相当。

比较例6：

比较例6与实施例6的差异在于，比较例6是直接将该铁镍混合粉末(Fe-50Ni)添加0.8wt.％的白腊润滑剂，但其流动性及视密度均无法测量。之后，对该混合粉末以手动方式将粉填入模穴，再进行干压成形工艺。然后尝试利用300MPa至1000MPa之间的压力均无法顺利形成坯体，坯体易裂成数片。

由以上可知，比较例6的铁镍混合粉末(Fe-50Ni)的压缩性以及成形性较差，即使增加成形压力至1000MPa，仍无法压制出外形完整的该坯体；反过来看，依据本发明制备方法的实施例6则可完整压制出该坯体，并且进行烧结步骤后所得到的该Fe-50Ni材料也具有高相对密度以及良好的磁性质。

实施例7：

本实施例的起始粉末为铁镍钼混合粉末(Fe-79Ni-4Mo)，选用羰基铁粉、羰基镍粉与钼粉三种元素粉的混合物，镍占79wt.％，钼占4wt.％，其余为铁，羰基铁粉的碳含量为0.8wt.％，羰基镍粉与钼粉的碳含量都小于0.05wt.％，三种金属粉的平均粒径都小于10μm。经过使用与实施例5相同的喷雾造粒工艺及粘结剂所得到的喷雾造粒粉末的平均粒径为72μm，且形态接近球形，测得的流动性为32s/50g，视密度为2.3g/cm³。之后，先将该喷雾造粒粉末与0.2wt.％的白腊润滑剂混合，再将该混合粉末置于模具中，使该喷雾造粒粉末维持在27℃以500MPa的成形压力对该粉末施压而形成坯体，坯体密度为6.3g/cm³。接下来，将该坯体置于气氛炉中，并通入氢气气氛，先保持温度在300℃至600℃之间以除去该粘结剂与该润滑剂后，在1350℃的温度下烧结2小时，而得到Fe-79Ni-4Mo金属软磁材料，该Fe-79Ni-4Mo的密度为8.3g/cm³，相对密度为95％，碳含量小于0.01wt.％，Bs为0.8T，Hc为89A/m，μmax为120000。

比较例7：

本比较例的起始粉末与实施例7相同，但采用MIM的方法。先将该铁镍钼混合粉末(Fe-79Ni-4Mo)与粘结剂混合，该粘结剂为石蜡、硬脂酸及聚乙烯的混合体，总添加量为8.0wt.％，其中聚乙烯约3.0wt.％，然后再采用MIM工艺获得坯体，坯体密度为5.3g/cm³。将该坯体置于正庚烷溶剂中去除该粘结剂中的石蜡及硬脂酸。接下来，将该坯体置于气氛炉中，并通入氢气气氛，并在300℃至600℃之间将残留的粘结剂烧除，然后在1350℃的温度下烧结2小时，而得到Fe-79Ni-4Mo软磁材料，该Fe-79Ni-4Mo的密度为8.25g/cm³，相对密度为94％，Bs为0.8T，Hc为95A/m，μmax为115000。

由以上可知，虽然实施例7与比较例7的该Fe-79Ni-4Mo软磁材料的性质接近，但因实施例7中所使用的该粘结剂及该润滑剂比比较例7少，实施例7除了具有较低的原料成本外，也可省去额外的脱脂工艺成本也不需处理溶剂的环保问题。实施例7采用一般的干压成形工艺，但比较例7采用MIM工艺，后者工艺及模具成本明显高出许多，整体看来，实施例7的总工艺成本比比较例7低了约35％。

此外，由于实施例7中，生坯密度可达6.3g/cm³，相比于比较例7，生坯密度为5.3g/cm³，因此，实施例7的该Fe-79Ni-4Mo材料烧结后的线性收缩率低于比较例7的材料的线性收缩率，导致实施例7的尺寸稳定性较好，良率大幅提升。

综上所述，本发明具有下列特点：

一、本发明利用该喷雾造粒工艺得到的该喷雾造粒粉末，由于呈球状且含粘结剂，具有优异的流动性、成形性与压缩性，可改善现有以细粉生产金属软磁材料时在传统干压制备方法中因流动性、成形性与压缩性不好而不易成形的问题。

二、接着，由于本发明的该坯体使用小于15微米的起始粉末，使得最终烧结得到的该金属软磁材料，无论是相对密度或磁性质，均有比传统干压烧结制备方法更为优异的表现。

三、本发明利用该喷雾造粒工艺得到的喷雾造粒粉末，由于呈球状，具有优异的流动性、成形性与压缩性，可直接以传统干压制备方法制作坯体，可降低以现有MIM工艺生产金属软磁材料的成本且可改善MIM材料的尺寸稳定性不好、良率不高的问题。

Claims

1.一种高密度粉末冶金金属软磁材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1：提供含铁且具有金属软磁性质的起始粉末，所述起始粉末平均粒径介于1微米至15微米之间，且铁的来源为羰基铁粉；

S2：利用喷雾造粒工艺由所述起始粉末获得喷雾造粒粉末，所述喷雾造粒粉末具有接近球形的粉末形态且平均粒径介于40至100微米之间；

S3：将所述喷雾造粒粉末置入模具中，并使所述喷雾造粒粉末维持在介于20至150℃的成形温度下接受介于300至1000MPa之间的成形压力而形成坯体；以及

S4：将所述坯体加热至1100至1400℃之间并在保护气氛中进行烧结而得到金属软磁材料。

2.根据权利要求1所述的高密度粉末冶金金属软磁材料的制备方法，其特征在于，所述起始粉末的成分包括铁与至少一种添加元素，所述添加元素选自于磷、硅、钴、钒、镍及钼所组成的组。

3.根据权利要求1所述的高密度粉末冶金金属软磁材料的制备方法，其特征在于，所述起始粉末选自于元素粉、化合物粉及母合金粉所组成的组。

4.根据权利要求1所述的高密度粉末冶金金属软磁材料的制备方法，其特征在于，在步骤S4中，所述保护气氛为真空环境或还原气氛，所述还原气氛选自于氢气、裂解氨、氩气及氮气所组成的组。

5.根据权利要求2所述的高密度粉末冶金金属软磁材料的制备方法，其特征在于，所述起始粉末的磷的重量百分比介于0.4wt.％至0.9wt.％之间，其余为铁及不可避免的杂质。

6.根据权利要求2所述的高密度粉末冶金金属软磁材料的制备方法，其特征在于，所述起始粉末的硅的重量百分比介于2wt.％至6wt.％之间，其余为铁及不可避免的杂质。

7.根据权利要求2所述的高密度粉末冶金金属软磁材料的制备方法，其特征在于，所述起始粉末的钴的重量百分比介于48wt.％至52wt.％之间，钒的重量百分比低于3wt.％，其余为铁及不可避免的杂质。

8.根据权利要求2所述的高密度粉末冶金金属软磁材料的制备方法，其特征在于，所述起始粉末的镍的重量百分比介于48wt.％至52wt.％之间，其余为铁及不可避免的杂质。

9.根据权利要求2所述的高密度粉末冶金金属软磁材料的制备方法，其特征在于，所述起始粉末的镍的重量百分比介于77wt.％至83wt.％之间，钼的重量百分比低于5wt.％，其余为铁及不可避免的杂质。

10.根据权利要求1所述的高密度粉末冶金金属软磁材料的制备方法，其特征在于，所述羰基铁粉的碳含量小于0.05wt.％。

11.一种金属软磁材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1：提供含铁且具有金属软磁性质的起始粉末，所述起始粉末平均粒径介于1微米至15微米之间，且所述起始粉末为预合金粉；

S2：利用喷雾造粒工艺由所述起始粉末获得喷雾造粒粉末，所述喷雾造粒粉末具有接近球形的粉末形态且平均粒径介于40微米至100微米之间；

S3：将所述喷雾造粒粉末置入模具中，并使所述喷雾造粒粉末维持在介于20℃至150℃之间的成形温度下接受介于300MPa至1000MPa之间的成形压力而形成坯体；以及

S4：将所述坯体加热至1100℃至1400℃之间并在保护气氛中进行烧结而得到金属软磁材料。

12.根据权利要求11所述的金属软磁材料的制备方法，其特征在于，所述起始粉末的成分包括铁与至少一种添加元素，所述添加元素选自于磷、硅、钴、钒、镍及钼所组成的组。

13.根据权利要求11所述的金属软磁材料的制备方法，其特征在于，在步骤S4中，所述保护气氛为真空环境或还原气氛，所述还原气氛选自于氢气、裂解氨、氩气及氮气所组成的组。

14.根据权利要求12所述的金属软磁材料的制备方法，其特征在于，所述起始粉末的磷的重量百分比介于0.4wt.％至0.9wt.％之间，其余为铁及不可避免的杂质。

15.根据权利要求12所述的金属软磁材料的制备方法，其特征在于，所述起始粉末的硅的重量百分比介于2wt.％至6wt.％之间，其余为铁及不可避免的杂质。

16.根据权利要求12所述的金属软磁材料的制备方法，其特征在于，所述起始粉末的钴的重量百分比介于48wt.％至52wt.％之间，钒的重量百分比低于3wt.％，其余为铁及不可避免的杂质。

17.根据权利要求12所述的金属软磁材料的制备方法，其特征在于，所述起始粉末的镍的重量百分比介于48wt.％至52wt.％之间，其余为铁及不可避免的杂质。

18.根据权利要求12所述的金属软磁材料的制备方法，其特征在于，所述起始粉末的镍的重量百分比介于77wt.％至83wt.％之间，钼的重量百分比低于5wt.％，其余为铁及不可避免的杂质。