一種高強(qiáng)三元軟磁合金的制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于粉末冶金技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及粉末鐵合金的制備技術(shù)。
【背景技術(shù)】
[0002]鐵鎳合金作為一種典型的軟磁材料，在弱磁場中具有較高的磁導(dǎo)率和低的矯頑力，在變壓器、電感器、繼電器和鎮(zhèn)流器的鐵芯、磁記錄的磁頭與磁介質(zhì)等諸多領(lǐng)域都具有廣泛的應(yīng)用。但其力學(xué)性能較差，硬度較低，從而使其在高性能磁頭、磁記錄材料等對(duì)耐磨性及硬度要求較高方面的應(yīng)用受到了限制。歷來磁頭外殼材料常用高N1-Fe-Mo系合金、高N1-Fe-Mo-Cu系合金和Fe-N1-Nb系合金，其硬度約為HV = 200左右，但Mo、Nb的價(jià)格較高，大大增加了生產(chǎn)成本。T.Y.Chan和S.T.Lin采用化學(xué)鍍法制備出具有核殼結(jié)構(gòu)的Fe-N1-P包覆性復(fù)合粉末并在1050°C下氫氣保護(hù)氛圍中燒結(jié)30min，相對(duì)密度高達(dá)98.6%，另外，磷的添加有利于提高材料的硬度和電阻率，達(dá)69HRA和163 μ Ω.cm。在1350°C燒結(jié)Fe-Ni混合粉lh，僅得到90 %的相對(duì)密度，并且由于鐵鎳的不均勻分布，導(dǎo)致其磁性能惡化[6]。磷作為一種鐵素體穩(wěn)定劑，在1048°C可以與鐵發(fā)生共晶反應(yīng)m。磷和鎳的共晶反應(yīng)溫度為891°C。因此添加磷元素有助于在燒結(jié)過程中形成持續(xù)的液相，提高原子擴(kuò)散速率，降低燒結(jié)溫度，實(shí)現(xiàn)瞬時(shí)液相燒結(jié)，降低生產(chǎn)成本。同時(shí)，磷的添加還可以使雜質(zhì)凝聚在晶界，增加晶粒尺寸，使孔洞趨于圓形，這些均有利于改善燒結(jié)合金的磁性能。M.S.Chuang等研究發(fā)現(xiàn)在Fe-50%Ni中添加0.5wt.%磷可以得到最佳的磁性能。研究表明，在燒結(jié)過程中，具有核殼結(jié)構(gòu)的包覆性粉末是促進(jìn)液相的形成和致密化的一種理想的初始粉末形態(tài)。通過化學(xué)鍍鎳法可以制備包覆性的粉末，并且N1-P鍍層具有較好的均勻性。閆操等人采用化學(xué)鍍技術(shù)在鐵粉表面沉積N1-P鍍層2h，得到ΙΟμπι厚的均勻的N1-P鍍層。另外，化學(xué)鍍法可以有效避免混粉步驟，并可以縮短燒結(jié)過程中的擴(kuò)散距離，低熔點(diǎn)也形成持續(xù)的液相，有利于實(shí)現(xiàn)液相燒結(jié)。
[0003]但是，采用目前各類方法的Fe-N1-P三元合金，雖然硬度較高，但是由于大量磷化物的形成，使得晶界脆化，導(dǎo)致強(qiáng)度和韌性均較低，在較高壓力下易于發(fā)生脆性斷裂，從而影響了使用性能。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的是提供一種高強(qiáng)三元軟磁合金的制備方法，它能有效地解決目前工藝制備的Fe-N1-P三元合金的強(qiáng)度低、脆性大的問題。
[0005]本發(fā)明的目的是通過以下技術(shù)方案來實(shí)現(xiàn)的:通過控制粉末尺寸、燒結(jié)溫度、N1-P鍍層的厚度、鍍層中的磷含量和成型過程中的壓力等重要參數(shù)，控制燒結(jié)過程中磷化物的形態(tài)、析出和分布，使磷化物的脆性轉(zhuǎn)變?yōu)閺?qiáng)化相，制備出一種高強(qiáng)、高塑性的三元Fe-N1-P軟磁合金。
[0006]一種高強(qiáng)三元軟磁合金的制備方法，包含如下的工藝步驟:
[0007]第一步、以純度>99.9%的球形還原鐵粉為原料，在溫度為75°C、PH值為5.0?5.5的鎳-磷的溶液中，化學(xué)鍍I小時(shí)，化學(xué)鍍過程中不斷攪拌，鍍層厚度控制在0.5微米，將化學(xué)鍍后的鐵-鎳-磷復(fù)合粉末在超聲波條件下用酒精清洗3?5次，然后，在80°C的條件下真空烘干2小時(shí)，得到純凈的鐵-鎳-磷復(fù)合粉末。
[0008]第二步、將制備得到的鐵-鎳-磷復(fù)合粉末放入圓筒形的石墨模具中，在0.5?IMPa的軸向壓力下預(yù)壓成型。
[0009]第三步、將預(yù)壓成型的鐵-鎳-磷粉末連同石墨模具一起放入真空爐中，抽真空，當(dāng)真空度〈IPa時(shí)，開始升溫至950?975°C，保溫I小時(shí)，保溫時(shí)間到后，在真空條件下隨爐冷至室溫取出，獲得平均晶粒尺寸小于10微米、細(xì)小的磷化物顆粒均勻分布在晶界上的、抗壓強(qiáng)度超過2GPa、壓縮率在45%以上的高強(qiáng)三元軟磁合金。
[0010]所述球形還原鐵粉的平均粒徑為2微米，表面化學(xué)鍍層厚度為0.5微米的鎳-磷合金，鍍層中磷的質(zhì)量百分?jǐn)?shù)含量控制在5?7.5%之間。
[0011]所述將鐵-鎳-磷復(fù)合粉末放入圓筒形石墨模具中，粉末與模具之間用0.1mm厚的石墨紙隔開。
[0012]所述升溫至950?975°C，升溫速度控制在5°C /min以下。
[0013]本發(fā)明以球形還原鐵粉為原料，采用化學(xué)鍍的方法制備得到Fe-N1-P復(fù)合粉末，結(jié)合粉末冶金的方法為高強(qiáng)度、高塑性的Fe-N1-P三元軟磁合金的制備提供一個(gè)有效的途徑，并使之具有制備方法操作簡單、過程容易控制的優(yōu)點(diǎn)。
[0014]本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比的優(yōu)點(diǎn)與效果:
[0015]所獲得的合金具有晶粒細(xì)小、強(qiáng)度高、硬度高、韌性好，耐磨性能好，與目前的Fe-N1-P三元合金相比，強(qiáng)度提高30 %，塑性提高50 %以上。
【附圖說明】
[0016]圖1是本發(fā)明的微觀形貌。
[0017]圖2是本發(fā)明的壓縮曲線和壓縮前后形貌圖。
【具體實(shí)施方式】
[0018]以平均粒徑2微米左右的球形還原鐵粉(純度>99.9% )為原料，在酸性化學(xué)鍍N1-P的溶液中進(jìn)行化學(xué)鍍，鍍層厚度控制在0.5微米左右，鍍層中磷的質(zhì)量百分?jǐn)?shù)含量控制在5-7.5%之間，用酒精對(duì)鍍后的粉末進(jìn)行清洗，然后真空烘干，得到純凈的Fe-N1-P復(fù)合粉末；將該Fe-N1-P復(fù)合粉末放入圓筒形的石墨模具中，在0.5-lMPa的軸向壓力下預(yù)壓成型；將預(yù)壓成型的粉末連同石墨模具一起放入真空爐中，抽真空，真空度保持在IPa以下、在950-975°C燒結(jié)I小時(shí)，升溫速度控制在5°C /min以下，保溫時(shí)間到后，在真空條件下隨爐冷至室溫取出，即可獲得超細(xì)晶粒、抗壓強(qiáng)度超過2GPa、壓縮率在45%以上的高強(qiáng)Fe-N1-P三元軟磁合金的目標(biāo)產(chǎn)品。以下為優(yōu)選實(shí)施例。
[0019]實(shí)施例1
[0020]以市場上銷售的純度>99.9 %，規(guī)格為2微米球形純鐵粉20g，在PH值為5.0的酸性化學(xué)鍍液中進(jìn)行N1-P鍍處理，獲得0.5微米厚的鍍層，鍍層中磷的質(zhì)量百分?jǐn)?shù)含量控制在5.5%，然后用酒精進(jìn)行清洗二次，烘干后獲得Fe-N1-P復(fù)合粉末。將該粉末放入內(nèi)徑為15mm的石墨模具中，軸向加壓0.5MPa進(jìn)行預(yù)壓成型，然后連同模具一同放入真空爐中，進(jìn)行抽真空當(dāng)真空度小于IPa時(shí)，升溫自由燒結(jié)，燒結(jié)溫度為950°C，升溫速度控制在5°C /min以下。保溫時(shí)間為I小時(shí)，隨爐真空冷至室溫，可獲得晶粒小于10微米、硬度為300HV、壓縮強(qiáng)度超過2GPa、壓縮率在45%以上的Fe-N1-P三元軟磁合金。
[0021]實(shí)施例2
[0022]以市場上銷售的純度>99.9 %，規(guī)格為2微米球形純鐵粉20g，在PH值為5.0的酸性化學(xué)鍍液中進(jìn)行N1-P鍍處理，獲得0.5微米厚的鍍層，鍍層中磷的質(zhì)量百分?jǐn)?shù)含量控制在6%，然后用酒精進(jìn)行清洗二次，烘干后獲得Fe-N1-P復(fù)合粉末。將該粉末放入內(nèi)徑為15_的石墨模具中，軸向加壓0.75MPa進(jìn)行預(yù)壓成型，然后連同模具一同放入真空爐中，進(jìn)行抽真空當(dāng)真空度小于IPa時(shí)，升溫自由燒結(jié)，燒結(jié)溫度為950°C，升溫速度控制在5°C /min以下。保溫時(shí)間為I小時(shí)，隨爐真空冷至室溫，可獲得晶粒小于10微米、硬度為300HV、壓縮強(qiáng)度超過2GPa、壓縮率在45%以上的Fe-N1-P三元軟磁合金。
[0023]實(shí)施例3
[0024]同樣以市場上銷售的純度>99.9 %，規(guī)格為2微米球形純鐵粉20g為原材料，在PH值為5.5的酸性化學(xué)鍍液中進(jìn)行N1-P鍍處理，獲得0.5微米厚的鍍層，鍍層中磷的質(zhì)量百分?jǐn)?shù)含量控制在7.5%，然后用酒精進(jìn)行清洗五次，烘干后獲得Fe-N1-P復(fù)合粉末。將該粉末與質(zhì)量比為5%的石蠟粘結(jié)劑混合均勻，然后用粉末注射成型的方法，將該粉末注入內(nèi)徑為15_的石墨模具中，成型壓力保持在IMPa左右，將成型后的樣品連同模具一起放入真空爐中，慢速升溫至450°C保溫10分鐘，去除粘結(jié)劑，然后將升溫速度控制在5°C /min以下，慢速升溫至975°C，保溫I小時(shí)，燒結(jié)后隨爐真空冷至室溫，同樣可獲得平均晶粒小于10微米、硬度為350HV、壓縮強(qiáng)度超過2GPa、壓縮率在30%以上的Fe-N1-P三元軟磁合金。
[0025]本發(fā)明在Fe-N1-P三元合金研究的基礎(chǔ)上，通過嚴(yán)格控制粉末尺寸、燒結(jié)溫度、N1-P鍍層的厚度、鍍層中的磷含量和成型過程中的壓力等重要參數(shù)，合理的控制了燒結(jié)過程中磷化物的形態(tài)、析出和分布，使磷化物的脆性轉(zhuǎn)變?yōu)閺?qiáng)化相，成功制備了高強(qiáng)、高塑性的Fe-N1-P三元軟磁合金，與其他方法制備的Fe-N1-P三元軟磁合金相比，強(qiáng)度提高30%，塑性提高50%以上。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種高強(qiáng)三元軟磁合金的制備方法，包含如下的工藝步驟: 第一步、以純度>99.9%的球形還原鐵粉為原料，在溫度為75°C、PH值為5.0?5.5的鎳-磷的溶液中，化學(xué)鍍I小時(shí)，化學(xué)鍍過程中不斷攪拌，鍍層厚度控制在0.5微米，將化學(xué)鍍后的鐵-鎳-磷復(fù)合粉末在超聲波條件下用酒精清洗3?5次，然后，在80°C的條件下真空烘干2小時(shí)，得到純凈的鐵-鎳-磷復(fù)合粉末； 第二步、將制備得到的鐵-鎳-磷復(fù)合粉末放入圓筒形的石墨模具中，在0.5?IMPa的軸向壓力下預(yù)壓成型； 第三步、將預(yù)壓成型的鐵-鎳-磷粉末連同石墨模具一起放入真空爐中，抽真空，當(dāng)真空度〈IPa時(shí)，開始升溫至950?975°C，保溫I小時(shí)，保溫時(shí)間到后，在真空條件下隨爐冷至室溫取出，獲得平均晶粒尺寸小于10微米、細(xì)小的磷化物顆粒均勻分布在晶界上的、抗壓強(qiáng)度超過2GPa、壓縮率在45%以上的高強(qiáng)三元軟磁合金。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種高強(qiáng)三元軟磁合金的制備方法，其特征在于，所述球形還原鐵粉的平均粒徑為2微米，表面化學(xué)鍍層厚度為0.5微米的鎳-磷合金，鍍層中磷的質(zhì)量百分?jǐn)?shù)含量控制在5?7.5%之間。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種高強(qiáng)三元軟磁合金的制備方法，其特征在于，所述將鐵-鎳-磷復(fù)合粉末放入圓筒形石墨模具中，粉末與模具之間用0.1mm厚的石墨紙隔開。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種高強(qiáng)三元軟磁合金的制備方法，其特征在于，所述升溫至950?975°C，升溫速度控制在5°C /min以下。
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種高強(qiáng)三元軟磁合金的制備方法，屬于粉末冶金技術(shù)領(lǐng)域，它能有效地解決Fe-Ni-P三元合金的強(qiáng)度低、脆性大的問題。以平均粒徑2微米左右的球形還原鐵粉為原料，在酸性化學(xué)鍍Ni-P的溶液中進(jìn)行化學(xué)鍍，鍍層厚度控制在0.5微米左右，鍍層中磷的質(zhì)量百分含量控制在5-7.5％之間，用酒精對(duì)鍍后的粉末進(jìn)行清洗，然后真空烘干，得到純凈的Fe-Ni-P復(fù)合粉末；將該Fe-Ni-P復(fù)合粉末放入圓筒形的石墨模具中，在0.5-1MPa的軸向壓力下預(yù)壓成型；將預(yù)壓成型的粉末連同石墨模具一起放入真空爐中，抽真空，真空度保持在1Pa以下、在950-975℃燒結(jié)1小時(shí)，升溫速度控制在5℃/min以下，在真空條件下隨爐冷至室溫取出，即可獲得超細(xì)晶粒、抗壓強(qiáng)度超過2GPa、壓縮率在45％以上的目標(biāo)產(chǎn)品。
【IPC分類】C22C38/08, C22C33/02
【公開號(hào)】CN105039831
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201510391210
【發(fā)明人】崔國棟, 柴武倩, 楊川, 陳俊英
【申請(qǐng)人】西南交通大學(xué)
【公開日】2015年11月11日
【申請(qǐng)日】2015年7月3日