CN114367661B - 一种粉末冶金高锰无磁钢的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种粉末冶金高锰无磁钢的制备方法,将Cu‑Mn混合粉压坯作为熔渗剂,多孔Fe‑Mn‑C压坯作为骨架,于保护气氛下进行熔渗烧结即得高锰无磁钢;所述Fe‑Mn‑C压坯中,Mn元素的原料为锰铁合金粉;本发明一方面在骨架中以锰铁粉形式引入锰,另一方面铜锰混合粉经成形后的坯块作熔渗剂对含Mn、C的铁基粉末压坯进行熔渗,利用铜锰之间在870℃发生的共晶反应快速形成铜锰合金以降低锰的活性,减轻锰元素的氧化程度与挥发性,最终制备获得密度为7.30‑7.70g/cm3的高密度含铜高锰粉末冶金无磁钢部件。

Description

一种粉末冶金高锰无磁钢的制备方法
技术领域
本发明涉及一种粉末冶金高锰无磁钢的制备方法,属于高锰无磁钢制备技术领域。
背景技术
平衡块是空调压缩机减震、降噪的重要功能部件。基于其在电机的磁场中运行,必须具有无磁特性以降低能耗。平衡块的最早采用黄铜合金,但成本较高。奥氏体不锈钢成为其替代材料。随着产品低成本化要求进一步提高,精密铸造高锰无磁钢成为平衡块的首选材料。然而,高锰钢在熔炼、铸造过程中锰的强氧化特性产生大量烟尘而面临巨大的环保压力,粉末冶金高锰无磁钢应运而生。专利公开号为CN102528040A的专利采用Mn为17%-24%,C为0.5%-1.2%,余下为Fe的混合粉,压制力为600-700MPa,在保护性气体中于1000℃-1180℃,得到密度6.8-7.1g/cm3的无磁钢平衡块,但难以满足密度大于7.2 g/cm3的应用要求;专利公开号为CN103834847A的专利采用水雾化Fe-Mn-C粉+3-8%WC粉为原料,利用高速压制技术制备出高密度压坯经烧结后无磁平衡块密度高达7.6~7.8g/cm3。但高速压制技术难以实现形状较复杂的部件的成形,特别是添加的WC粉导致材料成本大幅度提高。文献也报道过以水雾化Fe、Mn、C合金粉为基础添加铜或铜合金粉构成混合粉,在900MPa压力下成形,坯块在1200-1250℃烧结,可制备出密度大于7.2g/cm3的无磁钢部件,该技术原材料成本适中,但高压成形与高温烧结导致工艺成本大幅度上升。专利公开号为CN102517520A的专利采用0~2.2%C、5~40%Mn、0~0.8%Si、0~10%Cu、0.01~5%Al、0.01~2%V、0~10%Cr、0.1~10%W,其余为Fe的合金钢粉也采用高压成形与高温烧结工艺制备高锰无磁钢,但成本都比较高。
为此,本发明针对粉末冶金高锰钢中的锰易氧化、高温下易挥发的特性,通过优化材料与工艺设计,制备出密度为7.30~7.70 g/cm3的高密度无磁钢部件或材料。
发明内容
针对现有技术的不足,本发明目的在于提供一种高密度的粉末冶金高锰无磁钢的制备方法。
本发明一种粉末冶金高锰无磁钢的制备方法,将Cu-Mn混合粉压坯作为熔渗剂,多孔Fe-Mn-C压坯作为骨架,于保护气氛下进行熔渗烧结即得高锰无磁钢。
本发的制备方法,将Cu-Mn混合粉压坯作为熔渗剂,多孔Fe-Mn-C压坯作为骨架,于保护气氛下进行熔渗烧结即得高锰无磁钢。利用铜锰之间发生的低温(870℃左右)共晶反应快速形成低熔点的铜锰合金熔液以降低熔渗操作温度,使锰的活性降低,减轻锰元素的氧化程度与挥发性,从而获得密度为7.3 cm3~7.7 g/cm3的高锰无磁钢。
优选的方案,所述Cu-Mn混合粉压坯中,Mn的质量分数为10~40%,优选为20~30%。
优选的方案,所述Cu-Mn混合粉压坯的获取过程为:将电解铜粉与锰粉混合获得Cu-Mn混合粉,将Cu-Mn混合粉于300~400MPa下压制成型即得Cu-Mn混合粉压坯。
进一步的优选,所述电解铜粉的粒径为-200目,所述锰粉的粒径为-100目。
在本发明中,目数中的负号指过该目数的筛网,取筛下物。
优选的方案,所述多孔Fe-Mn-C压坯的孔隙率为20~35%。
优选的方案,所述多孔Fe-Mn-C压坯的密度为6.3~6.5 g/cm3
优选的方案,所述多孔Fe-Mn-C压坯中,Mn的质量分数为11.6~11.9%,C的质量分数为2.5~2.8%,所述Fe-Mn-C压坯中,Mn元素的原料为锰铁合金粉。
在本发明中,所用锰铁合金粉中,包含锰、铁、碳。
在本发明中,多孔Fe-Mn-C压坯中的锰元素,以锰铁合金的形式引入,发明人发现,这样可以减少锰的挥发,当然所述Fe-Mn-C压坯中锰的含量需要有效控制,因为锰铁的硬度较高,若过多的锰铁导致成形密度低且难以成形,锰过少,难以获得全奥氏体组织,使制备的钢铁零件产生磁性。按上述的质量关系所获得的Fe-Mn-C压坯,最终所得高锰无磁钢的致密度最高,即使碳含量太低也难以制备出密度大于7.2g/cm3的高锰无磁钢。
优选的方案,所述多孔Fe-Mn-C压坯的获取过程为:配取铁粉、锰铁合金粉、石墨粉、硬脂酸锌混合获得Fe-Mn-C混合粉,将Fe-Mn-C混合粉于550~600MPa压制成形即得多孔Fe-Mn-C压坯。
进一步的优选,所述铁粉的粒度为-100目,所述锰铁合金粉的粒度为-100目,石墨粉的粒度为-200目。
进一步的优选,所述Fe-Mn-C混合粉中,硬脂酸锌的质量分数为0.4~0.5%。
所加入的硬脂酸锌作为作润滑剂。
进一步的优选,所述锰铁合金粉中,锰的质量分数为60~70wt%。
进一步的优选,所述混合在混料机中进行,混合的时间为1.5~2h。
优选的方案,所述骨架与熔渗剂的质量比为1:0.12~0.25。
优选的方案,将多孔Fe-Mn-C压坯置于陶瓷板上,再将铜锰混合粉坯块叠放于多孔Fe-Mn-C压坯的上端,于保护气氛下进行熔渗烧结即得高锰无磁钢。
发明人发现,先将Cu-Mn混合粉压制成压坯,置于多孔Fe-Mn-C压坯进行熔渗,可精准放置于多孔坯上,相比直接采用粉末包埋,最终的熔渗效果更优。
进一步的优选,所述熔渗烧结的温度为1110~1150℃,熔渗烧结的时间为60~75min。
进一步的优选,所述保护气氛为氮气或氩气。
在本发明中,将铁基多孔骨架坯块陶瓷板上,再将铜锰混合粉坯块叠放置于铁基多孔骨架坯上端,推入烧结炉中。由于金属锰的活性很高,与氧或水亲和力极强,烧结气氛应为高纯氮气或氩气。同时,利用铜锰之间在870℃发生的共晶反应快速形成铜锰合金以降低锰的活性,减轻锰元素的氧化程度与挥发性。
优选的方案,所述高锰无磁钢的密度为7.3~7.7g/cm3
优选的方案,所述高锰无磁钢中,按质量百分比计,由如下组分组成:Cu 7~13wt%,Mn13~20 wt%,C 2.2~2.4 wt%,余量为铁。
原理与优势
本发明以孔隙度为20~35%的Fe-Mn-C粉末压坯为骨架,以Cu-Mn混合粉压坯作熔渗剂,在惰性气体Ar或氮气保护的烧结炉中进行熔渗烧结。制备的Fe-7~13Cu-13~20Mn-2.2~2.4C粉末冶金高锰无磁钢,其密度大于7.3 g/cm3,最高达到7.70g/cm3
基于金属锰的易氧化特性与所制备的无磁钢高密度要求,本发明所涉及高密度无磁钢的锰元素通过两种途径引入,一是在铁基粉末骨架中以锰铁粉形式引入;二是在熔渗剂中引入,即在Cu粉中添加(10-40)%Mn金属锰粉构成熔渗铜锰合金混合粉。采用该铜锰混合粉经成形后的坯块作熔渗剂对含Mn、C的铁基粉末压坯进行熔渗,利用铜锰之间在870℃发生的共晶反应快速形成铜锰合金以降低锰的活性,减轻锰元素的氧化程度与挥发性,最终制备获得密度为7.30-7.70g/cm3的高密度含铜高锰粉末冶金无磁钢部件。
本发明的制备方法,简单可控、成本低,适合于工业化大生产。
具体实施方式
实施例1:密度为7.4 g/cm3粉末冶金无磁钢的制备
配取铁粉、锰铁合金粉(65MnFe,含锰量为65%,含碳量0.65%)、石墨粉、硬脂酸锌混合获得Fe-Mn-C混合粉(铁基骨架粉末),所述铁粉的粒度为-100目,所述锰铁合金粉的粒度为-100目,石墨粉的的粒度为-100目,Fe-Mn-C混合粉中的组成为80.35%Fe粉+18.12%MnFe粉+1.53%石墨粉,外加0.4%硬脂酸锌作润滑剂,将上述铁基骨架粉末在600MPa成形,其密度为6.5 g/cm3。将70%wtCu粉+30%wtMn粉混合粉在400MPa成形。骨架与熔渗剂质量比为1:0.14。将Cu、Mn熔渗剂粉末坯块叠放在铁基粉末骨架坯上,一同放置在刚玉陶瓷板上。推入网带烧结炉中。网带炉高温区域通入高纯氮气,产品在1150℃保温60分钟。产品出炉经喷砂处理去除毛刺与熔渗剂残渣后即得到密度约为7.4 g/cm3的Fe-8.6Cu-14Mn-2.37C粉末冶金无磁钢产品。
实施例2:密度为7.7 g/cm3粉末冶金无磁钢的制备
配取铁粉、锰铁合金粉(65MnFe)、石墨粉、硬脂酸锌混合获得Fe-Mn-C混合粉(铁基骨架粉末),所述铁粉的粒径为-100目,所述锰铁合金粉的粒径为-100目,石墨粉的的粒度为-200目,Fe-Mn-C混合粉中的组成为80.35%Fe粉+18.12%MnFe粉+1.53%石墨粉,外加0.4%硬脂酸锌作润滑剂,将上述铁基骨架粉末在600MPa成形,其密度为6.5 g/cm3。将Cu+20%Mn混合粉在400MPa成形。骨架与熔渗剂质量比为1:0.19。将Cu、Mn熔渗剂粉末坯块叠放在铁基粉末骨架坯上,一同放置在刚玉陶瓷板上。推入网带烧结炉中。网带炉高温区域通入高纯氮气,产品在1150℃保温60分钟。产品出炉经喷砂处理去除毛刺与熔渗剂残渣后即得到密度约为7.7 g/cm3的Fe-12.70Cu-13.05Mn-2.2C粉末冶金无磁钢产品。
实施例3密度7.08g/cm3粉末冶金无磁钢的制备
配取铁粉、锰铁合金粉(65MnFe)、石墨粉、硬脂酸锌混合获得Fe-Mn-C混合粉(铁基骨架粉末),所述铁粉的粒径为-100目,所述锰铁合金粉的粒度为-100目,石墨粉的的粒度为-200目,Fe-Mn-C混合粉中的组成为81.29%Fe粉+18.12%MnFe粉+0.59%石墨粉,外加0.4%硬脂酸锌作润滑剂将上述铁基骨架粉末在550MPa成形,其密度为6.56g/cm3。将Cu+20%Mn混合粉在400MPa成形。骨架与熔渗剂质量比为1:0.19。将Cu、Mn熔渗剂粉末坯块叠放在铁基粉末骨架坯上,一同放置在刚玉陶瓷板上。推入网带烧结炉中。网带炉高温区域通入高纯氮气,产品在1140℃保温60分钟。产品出炉经喷砂处理去除毛刺与熔渗剂残渣后即得到密度约为7.08g/cm3的Fe-12.94Cu-13.05Mn-1.48C粉末冶金无磁钢产品。

Claims (9)

1.一种粉末冶金高锰无磁钢的制备方法,其特征在于:将Cu-Mn混合粉压坯作为熔渗剂,多孔Fe-Mn-C压坯作为骨架,于保护气氛下进行熔渗烧结即得高锰无磁钢;
所述Cu-Mn混合粉压坯中,Mn的质量分数为10~40%;
所述高锰无磁钢的密度为7.3-7.7g/cm3
2.根据权利要求1所述的一种粉末冶金高锰无磁钢的制备方法,其特征在于:所述Cu-Mn混合粉压坯的获取过程为:将电解铜粉与锰粉混合获得Cu-Mn混合粉,将Cu-Mn混合粉于300~400MPa下压制成型即得Cu-Mn混合粉压坯。
3.根据权利要求1所述的一种粉末冶金高锰无磁钢的制备方法,其特征在于:所述多孔Fe-Mn-C压坯的孔隙率为20~35%,所述多孔Fe-Mn-C压坯的密度为6.3-6.5 g/cm3
所述多孔Fe-Mn-C压坯中,Mn的质量分数为11.6~11.9%,C的质量分数为2.5~2.8%,所述Fe-Mn-C压坯中,Mn元素的原料为锰铁合金粉。
4.根据权利要求1或3所述的一种粉末冶金高锰无磁钢的制备方法,其特征在于:所述多孔Fe-Mn-C压坯的获取过程为:配取铁粉、锰铁合金粉、石墨粉、硬脂酸锌混合获得Fe-Mn-C混合粉,将Fe-Mn-C混合粉于550~600MPa压制成形即得多孔Fe-Mn-C压坯。
5.根据权利要求4所述的一种粉末冶金高锰无磁钢的制备方法,其特征在于:所述Fe-Mn-C混合粉中,硬脂酸锌的质量分数为0.4~0.5%;所述锰铁合金粉中,锰的质量分数为60~70wt%。
6.根据权利要求1所述的一种粉末冶金高锰无磁钢的制备方法,其特征在于:所述骨架与熔渗剂的质量比为1:0.12~0.25。
7.根据权利要求1所述的一种粉末冶金高锰无磁钢的制备方法,其特征在于:将多孔Fe-Mn-C压坯置于陶瓷板上,再将铜锰混合粉坯块叠放于多孔Fe-Mn-C压坯的上端,于保护气氛下进行熔渗烧结即得高锰无磁钢。
8.根据权利要求1或7所述的一种粉末冶金高锰无磁钢的制备方法,其特征在于:所述熔渗烧结的温度为1110~1150℃,熔渗烧结的时间为60~75min;所述保护气氛为氮气或氩气。
9.根据权利要求1所述的一种粉末冶金高锰无磁钢的制备方法,其特征在于:所述高锰无磁钢中,按质量百分比计,由如下组分组成:Cu 7~13wt%,Mn13~20 wt%,C 2.2~2.4 wt%,余量为Fe。
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