CN107190206A - 一种Fe‑Ni‑P合金及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种Fe‑Ni‑P合金及其制备方法，涉及粉末冶金技术领域。一种Fe‑Ni‑P合金，通过一种Fe‑Ni‑P合金的制备方法制备而成，此方法包括：将羰基铁粉在主要成分为硫酸镍和次亚磷酸钠的镀液中进行化学镀镍磷，得到Fe‑Ni‑P复合粉末，其中，Fe‑Ni‑P复合粉末的主要成分按质量百分比计为：Fe：65～71％，Ni：25～30％，P：3～5％，C：≤0.05％；将Fe‑Ni‑P复合粉末进行预压成型后进行烧结。通过此方法制备得到的Fe‑Ni‑P合金的硬度、强度、磁性能以及塑性好。并且，此方法工艺简单，成本低廉，具有较高的工业化前景。

Description

一种Fe-Ni-P合金及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种粉末冶金领域，且特别涉及一种Fe-Ni-P合金及其制备方法。
背景技术
Ni在铁基粉末冶金中具有重要的作用，不仅可以提高粉末的烧结性能，提高材料的致密度，还能够有效地提高烧结体的强度、塑性，改善材料的韧性。此外，Ni还能增强铁基材料的耐蚀性，因而在不锈钢材料中被大量应用。Fe-Ni合金因其在弱磁场中拥有高的磁导率、低的矫顽力而在工业生产中被广泛应用。Fe-Ni合金中的因瓦合金在室温至373K的温度范围内，其热膨胀系数小于1.5×10-6/K。因其优良的尺寸稳定性，因瓦合金被广泛引用于制造精密仪器、标准量具、谐振腔、波导管、可变电容叶片、硬盘驱动器、天然气储存容器等方面。但是，由于Fe-Ni合金的综合力学性能较差，严重限制了其在结构件方面的应用。
发明内容
本发明的目的在于提供一种Fe-Ni-P合金，此Fe-Ni-P合金的硬度、强度、磁性能以及塑性好。
本发明的另一目的在于提供一种Fe-Ni-P合金的制备方法，通过此方法制备得到的Fe-Ni-P合金的硬度、强度、磁性能以及塑性好。并且，此方法工艺简单，成本低廉，具有较高的工业化前景。
本发明解决其技术问题是采用以下技术方案来实现的。
本发明提出一种Fe-Ni-P合金，Fe-Ni-P合金的主要成分按质量百分比计为：
Fe：65～71％、Ni：25～30％、P：3～5％以及C：≤0.05％。
本发明提出一种Fe-Ni-P合金的制备方法，包括：将羰基铁粉在主要成分为硫酸镍和次亚磷酸钠的镀液中进行化学镀镍磷，得到 Fe-Ni-P复合粉末，其中，Fe-Ni-P复合粉末的主要成分按质量百分比计为：Fe：65～71％，Ni：25～30％，P：3～5％，C：≤0.05％；
将Fe-Ni-P复合粉末进行预压成型后进行烧结。
本发明实施例提供的一种Fe-Ni-P合金及其制备方法的有益效果是：
通过将羰基铁粉在主要成分为硫酸镍和次亚磷酸钠的镀液中进行化学镀镍磷，得到Fe-Ni-P复合粉末，其中，Fe-Ni-P复合粉末主要由按质量百分比计的以下原料制备而成：Fe：65～71％，Ni：25～30％， P：3～5％，C：≤0.05％。其次，将Fe-Ni-P复合粉末进行预压成型后进行快速烧结成型，使烧结条件有利于形成完全γ相结构的Fe-Ni-P 合金，控制烧结过程中磷的存在状态、抑制含磷的脆性相析出，加强磷元素的固溶强化效果，从而使得最终得到的铁镍磷合金不但具有γ相结构且具有高硬度、高强度和优异的塑性，并且Fe-Ni-P合金的主要成分按质量百分比计也为：Fe：65～71％、Ni：25～30％、P：3～5％以及C：≤0.05％。此外，上述铁镍磷合金的制备方法的工艺简单，成本低廉，具有较高的工业化前景。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
图1为本发明实施例提供的900℃条件下放电等离子烧结的 Fe-Ni-P合金的微观形貌图；
图2为本发明实施例提供的900℃条件下放电等离子烧结 Fe-Ni-P合金的压缩曲线图；
图3为本发明实施例提供的900℃条件下放电等离子烧结 Fe-Ni-P合金的XRD物相分析图；
图4为本发明实施例提供的900℃条件下放电等离子烧结 Fe-Ni-P合金的磁性能曲线图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。
下面对本发明实施例的Fe-Ni-P合金及其制备方法进行具体说明。
一种Fe-Ni-P合金，的主要成分按质量百分比计为：
Fe：65～71％、Ni：25～30％、P：3～5％以及C：≤0.05％。
具体地，Ni在铁基粉末冶金中具有重要的作用，不仅可以提高粉末的烧结性能，提高材料的致密度，还能够有效地提高烧结体的强度、塑性，改善材料的韧性。此外，Ni还能增强铁基材料的耐蚀性，因而在不锈钢材料中被大量应用。但是，由于Fe-Ni合金的综合力学性能较差，严重限制了其在结构件方面的应用。通常认为P在钢中是一种有害元素，因其在铁中扩散速度慢，且易在晶界处产生偏析，从而导致材料的力学性能恶化。然而，Fe-P本身便可作为一种软磁材料，适量的P与Fe形成Fe-P固溶体能够有效提高材料的硬度和强度，且P与Ni的共晶点仅有880℃，在大于Ni-P共晶点的烧结温度下会形成持续的液相，从而粉末的流动性也会增加，粉末的烧结性能得到改善，材料组织也更加均匀。同时，P的添加能显著提高材料的电阻率，从而降低在交变磁场中的产生的涡流损耗。且P的添加方式也会对材料的组织和性能产生影响。并且，加入少量的碳有利于增加铁素体的晶格畸变以及Fe3C的出现，而晶格畸变以及硬度很高的脆性相的Fe3C的出现将显著提高烧结体的硬度以及强度。
具体地，参阅图1至图4，Fe-Ni-P合金为γ相结构，且密度为≥7.8g/cm3，且Fe-Ni-P合金的硬度>260HV、压缩屈服强度>800MPa，压缩强度>2.2GPa，饱和磁化强度在50～60emu/g，矫顽力为50～70Oe。
本发明的实施例还提供了上述Fe-Ni-P合金的制备方法，首先，将羰基铁粉在主要成分为硫酸镍和次亚磷酸钠的镀液中进行化学镀镍磷，得到Fe-Ni-P复合粉末，其中，Fe-Ni-P复合粉末的主要成分按质量百分比计为：Fe：65～71％，Ni：25～30％，P：3～5％，C：≤0.05％。
具体地，羰基铁粉的粒径为5～8μm，镍磷镀层的厚度为0.9～1.2 μm。其中，羰基铁粉的纯度＞99.9％，碳含量≥0.05％。通过控制羰基铁粉的粒径、含碳量、纯度以及镍磷镀层的厚度有利于形成γ相结构的Fe-Ni-P合金，控制烧结过程中磷化物的形态、析出和分布，使磷化物的脆性转变为强化相，制备出高强、高塑性的γ相Fe-Ni-P软磁合金。当然，在本发明的其他实施例中，羰基铁粉的粒径、含碳量、纯度以及镍磷镀层的厚度均可以根据具体地情况进行相应地调整，本发明不做限定。
具体地，镀液包括硫酸镍、醋酸铵、味精、次亚磷酸钠、果酸以及蒸馏水，其中，硫酸镍、醋酸铵、味精、次亚磷酸钠以及蒸馏水的质量比为(25～30)：(9～10)：(15～20)：(20～25)：(1000～1100)，蒸馏水与果酸的体积比为1:(0.007～0.009)。
其中，硫酸镍为镍元素的来源，次亚磷酸钠为磷元素的来源。味精的加入能使镀液有较好的导电性能，使镀层白而柔软。醋酸铵的加入可以对镀液的pH进行相应地调节。果酸的加入有利于维持镀液的稳定性。
作为优选的方案，采用氨水调节镀液的pH，至镀液的pH值为 6.0～6.5，进行化学镀镍磷的温度为65～75℃，时间为0.5～1h。再此标准下进行化学镀能获得更优异的镀层。当然，在本发明的其他实施例中，镀液的pH值、化学镀镍磷的温度、时间以及调节pH所采用的试剂，均可以根据具体地需求进行相应地改进或调整，本发明不做限定。
具体地，在化学镀过程中不间断地进行搅拌，以使镀层均匀，然后将得到的铁-镍-磷复合粉末在酒精中清洗3次。最后，将上述粉末置于酒精溶液中进行超声波干燥。当然，在本发明的其他实施例中，清洗的次数以及干燥所采用的设备均可以根据需求进行选择，本发明不做限定。
其次，将Fe-Ni-P复合粉末进行预压成型后进行烧结。
具体地，预压成型是将Fe-Ni-P复合粉末放入模具中，在9～11MPa 的轴向压力下进行预压成型。Fe-Ni-P复合粉末与模具之间用石墨纸隔开。模具为圆筒形模具，石墨纸的厚度0.1mm。当然，在本发明的其他实施例中，模具的形状、预压成型的压力以及石墨纸的厚度均可以根据需求进行选择，本发明不做限定。
具体地，烧结是将装有Fe-Ni-P复合粉末的模具在高温炉中进行烧结，优选地，进行烧结的烧结温度为875～925℃，烧结过程中施加的轴向压力≥20MPa，升温速度≥100℃/min，保温时间≤5min，烧结后在真空条件下随炉冷至室温。并且，优选地，Fe-Ni-P合金由Ni-P 镀层占粉末总质量28-35％的Fe-Ni-P复合粉末烧结而成，烧结方法为真空条件下的放电等离子烧结(SPS)。
通过控制烧结温度、升温速率、烧结时间和成型过程中的压力等重要参数，使烧结条件有利于形成γ相结构的Fe-Ni-P合金，控制烧结过程中磷化物的形态、析出和分布，使磷化物的脆性转变为强化相，制备出高强、高塑性的γ相Fe-Ni-P软磁合金。
作为优选的方案，在进行烧结前还可以将预压成型的铁-镍-磷复合粉末及模具于碳粉保护下进行封装进套筒中，以防止铁-镍-磷复合粉末以及不锈钢模具在烧结过程中被氧化。
请再次参阅图1至图4，通过此方法制备可得到密度为≥ 7.8g/cm3，且Fe-Ni-P合金的硬度>260HV、压缩屈服强度>800MPa，压缩强度>2.2GPa，饱和磁化强度在50～60emu/g，矫顽力为50～70Oe 的γ相结构Fe-Ni-P合金。
以下结合实施例对本发明的特征和性能作进一步的详细描述。
实施例1
本实施例提供了一种Fe-Ni-P合金，通过以下Fe-Ni-P合金的制备方法制备而成：
首先，将羰基铁粉在主要成分为硫酸镍和次亚磷酸钠的镀液中进行化学镀镍磷，得到Fe-Ni-P复合粉末。镀液的PH值为6.0，进行化学镀镍磷的温度为65℃，时间为0.5h。
其中，镀液包括硫酸镍、醋酸铵、味精、次亚磷酸钠、果酸以及蒸馏水，其中，硫酸镍、醋酸铵、味精、次亚磷酸钠以及蒸馏水的质量比为25：9：15：20：1000，蒸馏水与果酸的体积比为1:0.007。
其次，将Fe-Ni-P复合粉末进行预压成型后进行烧结。
其中，预压成型是将Fe-Ni-P复合粉末放入模具中在9Mpa的压力下成型，且Fe-Ni-P复合粉末与模具之间用石墨纸隔开。烧结是将装有Fe-Ni-P复合粉末的模具在高温炉中进行烧结，得到Fe-Ni-P合金。烧结的烧结温度为875℃，烧结过程中施加的轴向压力20MPa，升温速度100℃/min，保温时间5min，烧结后在真空条件下随炉冷至室温。
参阅图1至图4，在本实施例中制备得到的Fe-Ni-P复合粉末和 Fe-Ni-P合金的主要成分经过检测均为按质量百分比计的Fe：71％、 Ni：25％、P：3％以及C：0.05％。Fe-Ni-P合金的晶体结构经过测试为γ相结构。并且，密度为7.9g/cm3，且Fe-Ni-P合金的硬度260HV、压缩屈服强度800MPa，压缩强度2.2GPa，饱和磁化强度在50emu/g，矫顽力为50Oe。
实施例2
本实施例提供了一种Fe-Ni-P合金，通过Fe-Ni-P合金的制备方法制备而成，此Fe-Ni-P合金的制备方法与实施例1提供的Fe-Ni-P 合金的制备方法的区别在于：
首先，将羰基铁粉在主要成分为硫酸镍和次亚磷酸钠的镀液中进行化学镀镍磷，得到Fe-Ni-P复合粉末。镀液的PH值为6.1，进行化学镀镍磷的温度为71℃，时间为0.6h。
其中，镀液包括硫酸镍、醋酸铵、味精、次亚磷酸钠、果酸以及蒸馏水，其中，硫酸镍、醋酸铵、味精、次亚磷酸钠以及蒸馏水的质量比为27：9.5：17：22：1050，蒸馏水与果酸的体积比为1:0.008。
其次，将Fe-Ni-P复合粉末进行预压成型后进行烧结。
其中，预压成型是将Fe-Ni-P复合粉末放入模具中在9～11Mpa 的压力下成型，且Fe-Ni-P复合粉末与模具之间用石墨纸隔开。烧结是将装有Fe-Ni-P复合粉末的模具在高温炉中进行烧结，得到Fe-Ni-P 合金。烧结的烧结温度为900℃，烧结过程中施加的轴向压力22MPa，升温速度105℃/min，保温时间4min，烧结后在真空条件下随炉冷至室温。
参阅图1至图4，在本实施例中制备得到的Fe-Ni-P复合粉末和 Fe-Ni-P合金的主要成分经过检测均为按质量百分比计的Fe：68％、 Ni：26％、P：5％以及C：0.045％。Fe-Ni-P合金的晶体结构经过测试为γ相结构。并且，密度为7.95g/cm3，且Fe-Ni-P合金的硬度262HV、压缩屈服强度810MPa，压缩强度2.3GPa，饱和磁化强度在 52emu/g，矫顽力为53Oe。
实施例3
本实施例提供了一种Fe-Ni-P合金，通过Fe-Ni-P合金的制备方法制备而成，此Fe-Ni-P合金的制备方法与实施例1提供的Fe-Ni-P 合金的制备方法的区别在于：
首先，将羰基铁粉在主要成分为硫酸镍和次亚磷酸钠的镀液中进行化学镀镍磷，得到Fe-Ni-P复合粉末。镀液的PH值为6.4，进行化学镀镍磷的温度为70℃，时间为0.8h。
其中，镀液包括硫酸镍、醋酸铵、味精、次亚磷酸钠、果酸以及蒸馏水，其中，硫酸镍、醋酸铵、味精、次亚磷酸钠以及蒸馏水的质量比为28：9.7：18：23：1080，蒸馏水与果酸的体积比为1:0.085。
其次，将Fe-Ni-P复合粉末进行预压成型后进行烧结。
其中，预压成型是将Fe-Ni-P复合粉末放入模具中在10.5Mpa的压力下成型，且Fe-Ni-P复合粉末与模具之间用石墨纸隔开。烧结是将装有Fe-Ni-P复合粉末的模具在高温炉中进行烧结，得到Fe-Ni-P 合金。烧结的烧结温度为900℃，烧结过程中施加的轴向压力25MPa，升温速度108℃/min，保温时间3min，烧结后在真空条件下随炉冷至室温。
参阅图1至图3，在本实施例中制备得到的Fe-Ni-P复合粉末和 Fe-Ni-P合金的主要成分经过检测均为按质量百分比计的Fe：68％、 Ni：28％、P：3.5％以及C：0.04％。Fe-Ni-P合金的晶体结构经过测试为γ相结构。并且，密度为8.0g/cm3，且Fe-Ni-P合金的硬度264HV、压缩屈服强度820MPa，压缩强度2.4GPa，饱和磁化强度在58emu/g，矫顽力为58Oe。
实施例4
本实施例提供了一种Fe-Ni-P合金，通过Fe-Ni-P合金的制备方法制备而成，此Fe-Ni-P合金的制备方法与实施例1提供的Fe-Ni-P 合金的制备方法的区别在于：
首先，将羰基铁粉在主要成分为硫酸镍和次亚磷酸钠的镀液中进行化学镀镍磷，得到Fe-Ni-P复合粉末。镀液的PH值为6.5，进行化学镀镍磷的温度为75℃，时间为1.0h。
其中，镀液包括硫酸镍、醋酸铵、味精、次亚磷酸钠、果酸以及蒸馏水，其中，硫酸镍、醋酸铵、味精、次亚磷酸钠以及蒸馏水的质量比为30：10：20：25：1100，蒸馏水与果酸的体积比为1:0.009。
其次，将Fe-Ni-P复合粉末进行预压成型后进行烧结。
其中，预压成型是将Fe-Ni-P复合粉末放入模具中在11Mpa的压力下成型，且Fe-Ni-P复合粉末与模具之间用石墨纸隔开。烧结是将装有Fe-Ni-P复合粉末的模具在高温炉中进行烧结，得到Fe-Ni-P合金。烧结的烧结温度为875～925℃，烧结过程中施加的轴向压力 25MPa，升温速度110℃/min，保温时间3min，烧结后在真空条件下随炉冷至室温。
参阅图1至图3，在本实施例中制备得到的Fe-Ni-P复合粉末和 Fe-Ni-P合金的主要成分经过检测均为按质量百分比计的Fe：65％、 Ni：30％、P：3％以及C：0.03％。Fe-Ni-P合金的晶体结构经过测试为γ相结构。并且，密度为8.1g/cm3，且Fe-Ni-P合金的硬度268HV、压缩屈服强度821MPa，压缩强度2.45GPa，饱和磁化强度在60emu/g，矫顽力为70Oe。
综上，本发明实施例提供的一种Fe-Ni-P合金及其制备方法的有益效果为：
通过将羰基铁粉在主要成分为硫酸镍和次亚磷酸钠的镀液中进行化学镀镍磷，得到Fe-Ni-P复合粉末，其中，Fe-Ni-P复合粉末主要由按质量百分比计的以下原料制备而成：Fe：65～71％，Ni：25～30％， P：3～5％，C：≤0.05％。其次，将Fe-Ni-P复合粉末进行预压成型后进行烧结，使烧结条件有利于形成γ相结构的Fe-Ni-P合金，控制烧结过程中磷化物的形态、析出和分布，使磷化物的脆性转变为强化相，从而使得最终得到的铁镍磷合金具有γ相结构且具有高硬度、高强度的优点，并且Fe-Ni-P合金的主要成分按质量百分比计也为：Fe： 65～71％、Ni：25～30％、P：3～5％以及C：≤0.05％。此外，上述铁镍磷合金的制备方法的工艺简单，成本低廉，具有较高的工业化前景。
以上所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

Claims (10)

1.一种Fe-Ni-P合金，其特征在于，所述Fe-Ni-P合金的主要成分按质量百分比计为：
Fe：65～71％、Ni：25～30％、P：3～5％以及C：≤0.05％。
2.根据权利要求1所述的Fe-Ni-P合金，其特征在于，所述Fe-Ni-P合金由Fe-Ni-P复合粉末烧结而成，所述Fe-Ni-P复合粉末为γ相结构，密度为≥7.8g/cm3，且所述Fe-Ni-P合金的硬度>260HV、压缩屈服强度>800MPa，压缩强度>2.2GPa，饱和磁化强度在50～60emu/g，矫顽力为50～70Oe。
3.根据权利要求1所述的Fe-Ni-P合金，其特征在于，所述Fe-Ni-P合金包括羰基铁粉以及包覆于所述羰基铁粉表面的镍磷镀层，所述羰基铁粉的粒径为5～8μm，所述镍磷镀层的厚度为0.9～1.2μm。
4.根据权利要求3所述的Fe-Ni-P合金，其特征在于，所述羰基铁粉的纯度＞99.9％，碳含量≥0.05％。
5.一种Fe-Ni-P合金的制备方法，其特征在于，包括：将羰基铁粉在主要成分为硫酸镍和次亚磷酸钠的镀液中进行化学镀镍磷，得到Fe-Ni-P复合粉末，其中，所述Fe-Ni-P复合粉末的主要成分按质量百分比计为：Fe：65～71％，Ni：25～30％，P：3～5％，C：≤0.05％；
将所述Fe-Ni-P复合粉末进行预压成型后进行烧结。
6.根据权利要求5所述的Fe-Ni-P合金的制备方法，其特征在于，所述镀液包括硫酸镍、醋酸铵、味精、次亚磷酸钠、果酸以及蒸馏水，其中，所述硫酸镍、所述醋酸铵、所述味精、所述次亚磷酸钠以及所述蒸馏水的质量比为(25～30)：(9～10)：(15～20)：(20～25)：(1000～1100)，所述蒸馏水与所述果酸的体积比为1:(0.007～0.009)。
7.根据权利要求6所述的Fe-Ni-P合金的制备方法，其特征在于，所述镀液的PH值为6.0～6.5，进行化学镀镍磷的温度为65～75℃，时间为0.5～1h。
8.根据权利要求5所述的Fe-Ni-P合金的制备方法，其特征在于，进行烧结的烧结温度为875～925℃，烧结过程中施加的轴向压力≥20MPa，升温速度≥100℃/min，保温时间≤5min，烧结后在真空条件下随炉冷至室温。
9.根据权利要求5所述的Fe-Ni-P合金的制备方法，其特征在于，预压成型是将所述Fe-Ni-P复合粉末放入模具中在9～11Mpa的压力下成型，且所述Fe-Ni-P复合粉末与所述模具之间用石墨纸隔开。
10.根据权利要求9所述的Fe-Ni-P合金的制备方法，其特征在于，进行烧结是将装有所述Fe-Ni-P复合粉末的所述模具在高温炉中进行烧结。
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