一种烧结软磁材料的制备方法与流程

1.本发明属于软磁材料制备，具体涉及一种烧结软磁材料的制备方法。


背景技术：

2.铁镍软磁材料也就是坡莫合金，一般镍含量在30～90％范围内。是应用非常广泛的软磁合金。通过适当的工艺，可以有效地控制磁性能，比如超过105的初始磁导率、超过106的最大磁导率、低到2
‰
奥斯特的矫顽力、接近1或接近0的矩形系数，具有面心立方晶体结构的坡莫合金具有很好的塑性，可以加工成1μm的超薄带及各种使用形态。对于致密软磁材料而言，常见的合金有1j50、1j79、1j85等。1j50的饱和磁感应强度比硅钢稍低一些，但磁导率比硅钢高几十倍，铁损也比硅钢低2～3倍。做成较高频率(400～8000hz)的变压器，空载电流小，适合制作100w以下小型较高频率变压器。1j79具有好的综合性能，适用于高频低电压变压器，漏电保护开关铁芯、共模电感铁芯及电流互感器铁芯。1j85的初始磁导率可达十万(105)以上，适合于作弱信号的低频或高频输入输出变压器、共模电感及高精度电流互感器等。
3.铁镍软磁材料由于含有大量的合金元素镍，室温的组织为面心立方的奥氏体，导致零件加工困难。而粉末冶金作为少无切削工艺，不仅在机械结构零件方面有着广泛的应用，而且还可用于软磁零件的制备。采用粉末冶金工艺，能减少加工工序，节省原料，直接制出接近最终形状的中小型磁体。烧结软磁材料制备的零件，可通过粉末压制实现零件的近终成型，大大减少了原料的浪费、降低了后续加工工序带来的产品性能波动、且大大缩短了零件的生产周期。
4.烧结铁镍合金一般采用铁镍合金粉体直接进行压制。零件的磁性能与产品的密度关系密切，要提高零件的磁性能，就要提高零件的密度。对于合金含量高的粉体，这需要进行高温烧结，但是高温烧结又会导致零件发生变形，晶粒粗大，难以保证零件的尺寸精度和磁性能。
5.因此，需要对现有的用于烧结铁镍软磁材料的制备方法作进一步的改进。


技术实现要素：

6.本发明所要解决的第一个技术问题是针对上述现有技术的现状，提供一种烧结软磁材料的制备方法，制备出的软磁材料强度更高、磁损耗更低且磁导率更高。
7.本发明解决上述第一个技术问题所采用的技术方案为：一种烧结软磁材料的制备方法，其特征在于，依次包括以下步骤：
8.1)准备原材料：该原材料包含如下质量百分比的组分：1～28wt％的铁磷粉末、0.4～1wt％的润滑剂粉末和余量的铁镍粉末，其中，铁镍粉末中镍含量为30～85wt％、钼含量为0～6wt％、铬含量为0～4wt％，粒度为-80目；铁磷粉末：铁磷粉末中磷含量为10～70at％，粒度为-100目；
9.2)混料；
10.3)成形：将步骤2)的混合粉末在400～1500mpa压力下压制成形，成形密度大于5.6g/cm3。
11.4)烧结：将步骤3)中的成形生坯在1050～1350℃温度下、非氧化性气氛中烧结5～200min。
12.润滑剂粉体可以选择现有技术中常用的润滑剂中的任意一种，如硬脂酸盐或聚酰胺蜡或聚丙烯酰胺蜡。
13.在所有磷铁的化合物中，fe3p的熔点最低，更有利于降低铁镍粉的烧结温度，因此，为了进一步降低烧结温度，所述的铁磷粉末为fe3p粉末，从而使软磁材料不容易发生变形，晶粒更小，软磁材料的尺寸精度和磁性能更好。
14.为了使烧结软磁材料中磷的分布更加均匀，所述的铁镍粉末为合金粉末，或铁粉与镍粉的混合粉末，或铁粉与铁镍合金粉末的混合粉末。在铁粉与铁镍合金粉末的混合粉末中，由于铁粉的压缩性更好，使混合粉末的压缩性更好，从而使铁粉与铁镍合金粉末的混合粉末作为铁镍粉末时，烧结出的铁镍磷合金密度更高。
15.为了使烧结软磁材料中磷的分布更加均匀，所述原材料还包括0.05～0.3wt％粘接剂，从而能将铁磷粉体粘接到铁硅粉末颗粒上。
16.为了使烧结软磁材料中组分分布更加均匀，所述铁镍粉末采用水雾化或气体雾化预处理。
17.优选的，步骤3)成形所得的生坯密度大于6.2g/cm3。
18.优选的，步骤4)中的非氧化性气氛采用真空或纯氢或氩气或含有氮10～90vol％的氮氢混合气。更加优选的是，非氧化性气氛采用真空或纯氢作为烧结气氛。
19.进一步设计，还包括步骤5)后处理：根据零件尺寸精度或形状要求，将烧结坯进行精整或机加工。
20.与现有技术相比，本发明的优点在于：(1)烧结软磁材料利用铁磷粉末的低熔点特性，使熔化的铁磷粉末与铁镍粉末合金化，能够降低烧结温度，烧结成的铁镍磷合金粉末具有更少的孔隙，烧结密度能提升0.54～2.4％，能够有效提高铁镍磷软磁材料的强度和磁导率，使铁镍磷合金软磁材料的硬度能提升hrb5～hrb29，径向压溃强度能提升37.2～83.3％，磁导率能够高达424，矫顽力更低，表明磁损耗更低，同时该铁镍软磁材料结合了铁磷粉和铁镍粉的特点，使得该烧结软磁材料用件的综合性能比较优异；(2)烧结软磁材料的制备方法用粉末冶金方式铁镍软磁合金粉末，压制近终成型，减少了机加工等工序，易于批量化生产工艺参数的管控、有效提高了生产效率和原材料利用率，降低了生产成本，且粉末配制及制备工艺简单、制备周期短。
附图说明
21.图1为本发明对比例中的fe-50％ni粉体的颗粒形貌；
22.图2为本发明对比例中的烧结fe-50％ni合金200倍金相(腐蚀后组织)；
23.图3为本发明对比例中的烧结fe-50％ni合金500倍金相(腐蚀后组织)
24.图4为本发明实施例中的fe-50％ni-0.3％p的100倍金相；
25.图5为本发明实施例中的fe-50％ni-0.3％p的500倍金相；
26.图6为本发明实施例中的fe-50％ni-0.45％p的100倍金相；
27.图7为本发明实施例中的fe-50％ni-0.45％p的500倍金相；
28.图8为本发明实施例中的fe-50％ni-0.8％p的100倍金相；
29.图9为本发明实施例中的fe-50％ni-0.8％p的500倍金相。
具体实施方式
30.以下结合附图实施例对本发明作进一步详细描述。
31.如图4～9所示，为本发明的最佳实施例。
32.本实施例中的前述烧结软磁材料的制备方法，依次包括以下步骤：
33.1)准备原材料：该原材料包含如下质量百分比的组分：1～28wt％的铁磷粉末、0.4～1wt％的润滑剂粉末和余量的铁镍粉末，其中，铁镍粉末中镍含量为30～85wt％、钼含量为0～6wt％、铬含量为0～4wt％，粒度为-80目；铁磷粉末：铁磷粉末中磷含量为10～70at％，粒度为-100目。铁磷粉末为fe3p合金粉末，以便于进一步降低烧结温度。铁镍粉末为合金粉末，或铁粉与镍粉的混合粉末，或铁粉与铁镍合金粉末的混合粉末。更为优选的是，铁镍粉末采用水或气体雾化的合金铁镍粉，能够使烧结软磁材料中组分分布更加均匀。润滑剂粉体可以选择现有技术中常用的润滑剂中的任意一种，如硬脂酸盐或聚酰胺蜡或聚丙烯酰胺蜡。
34.2)混料：将上述粉体使用混料机混合。
35.3)成形：将步骤2)的混合粉末在粉末压机上、并在400～1500mpa压力下压制成形，成形密度大于5.6g/cm3。更为优选的是，成形所得的生坯密度大于6.2g/cm3。成形工艺可以选择现有技术中常用成形工艺中的任意一种，如模压成型或温模压制或温压成型或高速压制。
36.4)烧结：将步骤3)中的成形生坯在1050～1350℃温度下、非氧化性气氛中烧结5～200min，其中铁磷粉末的熔点为1050℃，非氧化性气氛采用真空或纯氢或氩气或含有氮10～90vol％的氮氢混合气。更加优选的是，非氧化性气氛采用真空或纯氢作为烧结气氛。烧结炉可以为连续炉或非连续炉。并且，步骤4)得到的烧结坯可以直接使用，或者，采用步骤5)后处理：根据零件尺寸精度或形状要求，将烧结坯进行精整或机加工。
37.步骤1)中的原材料，还包括0.05～0.3wt％粘接剂，从而能将铁磷粉体粘接到铁镍粉末颗粒上，使烧结软磁材料中磷的分布更加均匀。
38.实施案例1：烧结fe-50％ni-0.3％p软磁材料的制备
39.1)准备原材料：称取1.90wt％的铁磷粉末、0.5wt％的润滑剂粉末和余量的铁镍粉末，其中，
40.铁镍合金粉末：镍含量为50wt％，铁镍粉末的粒度分布如表1所示，铁镍粉体的颗粒形貌如图1所示，可以看出，铁镍粉体的颗粒为不规则形状；
41.铁磷粉末：为fe3p，磷含量原子比为25at％，质量比约为16wt％，粒度为-400目；
42.润滑剂粉体：聚酰胺蜡。
43.表1.fe-50％ni粉体的粒度分布
44.粒度d10d50d90d99微米μm13.431.657.177.5
45.2)混料：将上述粉体使用混料机混合。
46.3)成形：在粉末压机上在800mpa压力下压制成形，成形密度7.15g/cm3。
47.4)烧结：将上述成形生坯在1250℃烧结25min。烧结炉为推杆炉，烧结气氛为纯氢。
48.实施案例2：烧结fe-50％ni-0.45％p软磁材料的制备
49.1)准备原材料：称取2.72wt％的铁磷粉末、0.5wt％的润滑剂粉末和余量的铁镍粉末，其中，
50.铁镍合金粉末：镍含量为50wt％，粒度分布如表1所示，粉体的颗粒形貌如图1所示，可以看出，颗粒为不规则形状；
51.铁磷粉末：为fe3p，磷含量原子比为25at％，质量比约为16wt％，粒度为-400目；
52.润滑剂粉体：聚酰胺蜡。
53.2)混料：将上述粉体使用混料机混合。
54.3)成形：在粉末压机上在700mpa压力下压制成形，成形密度7.05g/cm3。
55.4)将上述成形生坯在1240℃烧结22min。烧结炉为推杆炉，烧结气氛为纯氢。
56.实施案例3：烧结fe-50％ni-0.80％p材料的制备
57.1)准备原材料：称取5.10wt％的铁磷粉末、0.5wt％的润滑剂粉末和余量的铁镍粉末，其中，
58.铁镍合金粉末：镍含量为50wt％，粒度分布如表1所示，粉体的颗粒形貌如图1所示，可以看出，颗粒为不规则形状；
59.铁磷粉末：为fe3p，磷含量原子比为25at％，质量比约为16％，粒度为-400目；
60.润滑剂粉体：聚酰胺蜡。
61.2)混料：将上述粉体使用混料机混合。
62.3)成形：在粉末压机上在800mpa压力下压制成形，成形密度7.08g/cm3。
63.4)将上述成形生坯在1220℃烧结22min。烧结炉为推杆炉，烧结气氛为纯氢。
64.实施案例4：烧结fe-35％ni-0.3％p材料的制备
65.1)准备原材料：称取1.90wt％的铁磷粉末、0.8wt％的润滑剂粉末和余量的铁镍粉末，其中，
66.铁镍合金粉末：镍含量为35wt％，粒度为-100目；
67.铁磷粉末：为fe3p，磷含量原子比为25at％，质量比约为16wt％，粒度为-400目；
68.润滑剂粉体：硬脂酸锂。
69.2)混料：将上述粉体使用混料机混合。
70.3)成形：在粉末压机上在600mpa压力下压制成形，成形密度6.95g/cm3。
71.4)将上述成形生坯在1200℃烧结40min，烧结炉为真空炉。烧结保温时返冲10kpa的氩气。
72.实施案例5：烧结fe-80％ni-0.45％p材料的制备
73.1)准备原材料：称取2.75wt％的铁磷粉末、0.6wt％的润滑剂粉末和余量的铁镍粉末，其中，
74.铁镍合金粉末：镍含量为80wt％，粒度为-100目；
75.铁磷粉末：为fe3p，磷含量原子比为25at％，质量比约为16wt％，粒度为-400目；
76.润滑剂粉体：硬脂酸锂。
77.2)混料：将上述粉体使用混料机混合。
78.3)成形：在粉末压机上在800mpa压力下压制成形，成形密度7.02g/cm3。
79.4)将上述成形生坯在1270℃烧结50min，烧结炉为推舟炉。烧结气氛为纯氢气。
80.实施案例6：烧结fe-78％ni-5％mo-0.45％p材料的制备
81.1)准备原材料：称取2.76wt％的铁磷粉末、0.8wt％的润滑剂粉末和余量的铁镍粉末，其中，
82.铁镍合金粉末：镍含量为78wt％，钼含量4wt％，粒度为-100目；
83.铁磷粉末：为fe3p，磷含量原子比为25at％、质量比约为16wt％，粒度为-400目；
84.润滑剂粉体：硬脂酸锂。
85.2)混料：将上述粉体使用混料机混合。
86.3)成形：在粉末压机上在700mpa压力下压制成形，成形密度7.12g/cm3。
87.4)将上述成形生坯在1290℃烧结30min，烧结炉为推舟炉。烧结气氛为纯氢气。
88.实施案例7：烧结fe-79％ni-5％mo-0.3％p材料的制备
89.1)准备原材料：称取1.95wt％的铁磷粉末、0.5wt％的润滑剂粉末和余量的铁镍粉末，其中，
90.铁镍钼合金粉末：镍含量为79wt％，钼含量5％，粒度为-100目；
91.铁磷粉末：为fe3p，磷含量原子比为25at％，质量比约为16wt％，粒度为-400目；
92.润滑剂粉体：硬脂酸锂。
93.2)混料：将上述粉体使用混料机混合。
94.3)成形：在粉末压机上在600mpa压力下压制成形，成形密度6.82g/cm3。
95.4)将上述成形生坯在1330℃烧结30min，烧结炉为推舟炉。烧结气氛为纯氢气。
96.实施案例8：烧结fe-50％ni-4％cr-0.3％p材料的制备
97.1)准备原材料：称取1.95wt％的铁磷粉末、0.5wt％的润滑剂粉末和余量的铁镍粉末，其中，
98.铁镍铬合金粉末：镍含量为50wt％，铬含量4％，粒度为-100目；
99.铁磷粉末：为fe3p，磷含量原子比为25at％，质量比约为16wt％，粒度为-400目；
100.润滑剂粉体：硬脂酸锂。
101.2)混料：将上述粉体使用混料机混合。
102.3)成形：在粉末压机上在700mpa压力下压制成形，成形密度7.01g/cm3。
103.4)将上述成形生坯在1300℃烧结40min，烧结炉为推舟炉。烧结气氛为纯氢气。
104.实施案例9：烧结fe-40％ni-0.3％p材料的制备
105.1)准备原材料：称取1.35wt％的铁磷粉末、18.0wt％铁粉、0.5wt％的润滑剂粉末和余量的铁镍粉末，其中，
106.铁镍铬合金粉末：镍含量为50wt％，粒度为-100目；
107.铁粉：为水雾化纯铁粉
108.铁磷粉末：为fe2p，磷含量原子比为33at％，质量比约为22.2wt％，粒度为-400目；
109.润滑剂粉体：硬脂酸锂。
110.2)混料：将上述粉体使用混料机混合。
111.3)成形：在粉末压机上在700mpa压力下压制成形，成形密度7.14g/cm3。
112.4)将上述成形生坯在1310℃烧结25min，烧结炉为推舟炉。烧结气氛为纯氢气。
113.实施案例10：烧结fe-45％ni-0.3％p材料的制备
114.1)准备原材料：称取1.35wt％的铁磷粉末、10.0wt％铁粉、10.0wt％镍粉、0.5wt％的润滑剂粉末和余量的铁镍粉末，其中，
115.铁镍铬合金粉末：镍含量为50wt％，粒度为-100目；
116.铁粉：为水雾化纯铁粉；
117.镍粉：d50为5微米的羰基镍粉；
118.铁磷粉末：为fe2p，磷含量原子比为33at％，质量比约为22.2wt％，粒度为-400目；
119.润滑剂粉体：硬脂酸锂。
120.2)混料：将上述粉体额外再加入0.1wt％聚乙烯吡咯烷酮粘接剂，使用混料机混合。
121.3)成形：在粉末压机上在600mpa压力下压制成形，成形密度7.07g/cm3。
122.4)将上述成形生坯在1320℃烧结30min，烧结炉为真空炉。烧结后返冲50kpa氩气。
123.金相分析
124.如图2～9所示，与未添加铁磷粉末的烧结铁镍软磁材料相比，烧结铁镍磷合金粉末的孔隙减少，孔隙更加球化，表明烧结铁镍磷合金粉末的密度更高。并且，在烧结铁镍磷合金粉末中硅含量相同的情况下，随着磷含量的增加，即使烧结温度、烧结时间稍许下降，烧结铁镍磷合金粉末的孔隙越小，孔隙球化程度更高。
125.性能测试
126.以fe-50％ni粉末为对比案例，与实施案例1～8进行性能对比。其中，fe-50％ni粉末的压制、烧结方法与实施案例1的制备方法相同，但未加入fe3p。
127.各案例的性能参数如表2所示：
128.表2
129.130.如上表所示：
131.①
与未添加铁磷粉末的烧结fe-50％ni相比，烧结铁镍磷合金粉末的洛氏硬度、径向压溃强度更高，其中，fe-50％ni-0.3％p硬度略有提升，径向压溃强度提升达到72.7％；fe-50％ni-0.45％p硬度提升达hrb17，径向压溃强度提升达到83.3％；fe-50％ni-0.80％p硬度提升达hrb29，但是径向压溃强度提升达到37.2％。
132.②
在烧结铁镍磷合金粉末中镍含量相同的情况下，随着磷含量的增加，磁导率呈现先提升后下降的趋势，磁性能下降是因为以下原因：其一，随着磷含量增加，烧结时液相增加，晶粒会变得更为粗大，这一点已为金相分析所证实；其二，随着磷含量增加，部分磷在晶界形成了晶间化合物，材料成分发生变化(如图9所示)。
133.③
在烧结铁镍磷合金粉末中镍含量相同的情况下，随着磷含量的增加，矫顽力整体呈现逐渐下降的趋势，洛氏硬度呈现逐步上升的趋势。
134.④
与未添加铁磷粉末的烧结fe-50％ni相比，烧结铁镍磷合金粉末的烧结密度更高，且在烧结铁镍磷合金粉末中镍含量相同的情况下，随着磷含量的增加，即使烧结温度、烧结时间稍许下降，烧结铁镍磷合金粉末的烧结密度逐渐升高。
135.⑤
在烧结铁镍磷合金粉末中磷含量相同、镍含量基本相同的情况下，包含有mo或cr的合金软磁材料的烧结密度小幅度降低，矫顽力更小，磁导率更高，硬度更高，径向压溃强度更高。