一种高强三元软磁合金的制备方法
【技术领域】
[0001]本发明属于粉末冶金技术领域，特别涉及粉末铁合金的制备技术。
【背景技术】
[0002]铁镍合金作为一种典型的软磁材料，在弱磁场中具有较高的磁导率和低的矫顽力，在变压器、电感器、继电器和镇流器的铁芯、磁记录的磁头与磁介质等诸多领域都具有广泛的应用。但其力学性能较差，硬度较低，从而使其在高性能磁头、磁记录材料等对耐磨性及硬度要求较高方面的应用受到了限制。历来磁头外壳材料常用高N1-Fe-Mo系合金、高N1-Fe-Mo-Cu系合金和Fe-N1-Nb系合金，其硬度约为HV = 200左右，但Mo、Nb的价格较高，大大增加了生产成本。T.Y.Chan和S.T.Lin采用化学镀法制备出具有核壳结构的Fe-N1-P包覆性复合粉末并在1050°C下氢气保护氛围中烧结30min，相对密度高达98.6%，另外，磷的添加有利于提高材料的硬度和电阻率，达69HRA和163 μ Ω.cm。在1350°C烧结Fe-Ni混合粉lh，仅得到90 %的相对密度，并且由于铁镍的不均匀分布，导致其磁性能恶化[6]。磷作为一种铁素体稳定剂，在1048°C可以与铁发生共晶反应m。磷和镍的共晶反应温度为891°C。因此添加磷元素有助于在烧结过程中形成持续的液相，提高原子扩散速率，降低烧结温度，实现瞬时液相烧结，降低生产成本。同时，磷的添加还可以使杂质凝聚在晶界，增加晶粒尺寸，使孔洞趋于圆形，这些均有利于改善烧结合金的磁性能。M.S.Chuang等研究发现在Fe-50%Ni中添加0.5wt.%磷可以得到最佳的磁性能。研究表明，在烧结过程中，具有核壳结构的包覆性粉末是促进液相的形成和致密化的一种理想的初始粉末形态。通过化学镀镍法可以制备包覆性的粉末，并且N1-P镀层具有较好的均匀性。闫操等人采用化学镀技术在铁粉表面沉积N1-P镀层2h，得到ΙΟμπι厚的均匀的N1-P镀层。另外，化学镀法可以有效避免混粉步骤，并可以缩短烧结过程中的扩散距离，低熔点也形成持续的液相，有利于实现液相烧结。
[0003]但是，采用目前各类方法的Fe-N1-P三元合金，虽然硬度较高，但是由于大量磷化物的形成，使得晶界脆化，导致强度和韧性均较低，在较高压力下易于发生脆性断裂，从而影响了使用性能。
【发明内容】
[0004]本发明的目的是提供一种高强三元软磁合金的制备方法，它能有效地解决目前工艺制备的Fe-N1-P三元合金的强度低、脆性大的问题。
[0005]本发明的目的是通过以下技术方案来实现的:通过控制粉末尺寸、烧结温度、N1-P镀层的厚度、镀层中的磷含量和成型过程中的压力等重要参数，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，制备出一种高强、高塑性的三元Fe-N1-P软磁合金。
[0006]一种高强三元软磁合金的制备方法，包含如下的工艺步骤:
[0007]第一步、以纯度>99.9%的球形还原铁粉为原料，在温度为75°C、PH值为5.0?5.5的镍-磷的溶液中，化学镀I小时，化学镀过程中不断搅拌，镀层厚度控制在0.5微米，将化学镀后的铁-镍-磷复合粉末在超声波条件下用酒精清洗3?5次，然后，在80°C的条件下真空烘干2小时，得到纯净的铁-镍-磷复合粉末。
[0008]第二步、将制备得到的铁-镍-磷复合粉末放入圆筒形的石墨模具中，在0.5?IMPa的轴向压力下预压成型。
[0009]第三步、将预压成型的铁-镍-磷粉末连同石墨模具一起放入真空炉中，抽真空，当真空度〈IPa时，开始升温至950?975°C，保温I小时，保温时间到后，在真空条件下随炉冷至室温取出，获得平均晶粒尺寸小于10微米、细小的磷化物颗粒均匀分布在晶界上的、抗压强度超过2GPa、压缩率在45%以上的高强三元软磁合金。
[0010]所述球形还原铁粉的平均粒径为2微米，表面化学镀层厚度为0.5微米的镍-磷合金，镀层中磷的质量百分数含量控制在5?7.5%之间。
[0011]所述将铁-镍-磷复合粉末放入圆筒形石墨模具中，粉末与模具之间用0.1mm厚的石墨纸隔开。
[0012]所述升温至950?975°C，升温速度控制在5°C /min以下。
[0013]本发明以球形还原铁粉为原料，采用化学镀的方法制备得到Fe-N1-P复合粉末，结合粉末冶金的方法为高强度、高塑性的Fe-N1-P三元软磁合金的制备提供一个有效的途径，并使之具有制备方法操作简单、过程容易控制的优点。
[0014]本发明与现有技术相比的优点与效果:
[0015]所获得的合金具有晶粒细小、强度高、硬度高、韧性好，耐磨性能好，与目前的Fe-N1-P三元合金相比，强度提高30 %，塑性提高50 %以上。
【附图说明】
[0016]图1是本发明的微观形貌。
[0017]图2是本发明的压缩曲线和压缩前后形貌图。
【具体实施方式】
[0018]以平均粒径2微米左右的球形还原铁粉(纯度>99.9% )为原料，在酸性化学镀N1-P的溶液中进行化学镀，镀层厚度控制在0.5微米左右，镀层中磷的质量百分数含量控制在5-7.5%之间，用酒精对镀后的粉末进行清洗，然后真空烘干，得到纯净的Fe-N1-P复合粉末；将该Fe-N1-P复合粉末放入圆筒形的石墨模具中，在0.5-lMPa的轴向压力下预压成型；将预压成型的粉末连同石墨模具一起放入真空炉中，抽真空，真空度保持在IPa以下、在950-975°C烧结I小时，升温速度控制在5°C /min以下，保温时间到后，在真空条件下随炉冷至室温取出，即可获得超细晶粒、抗压强度超过2GPa、压缩率在45%以上的高强Fe-N1-P三元软磁合金的目标产品。以下为优选实施例。
[0019]实施例1
[0020]以市场上销售的纯度>99.9 %，规格为2微米球形纯铁粉20g，在PH值为5.0的酸性化学镀液中进行N1-P镀处理，获得0.5微米厚的镀层，镀层中磷的质量百分数含量控制在5.5%，然后用酒精进行清洗二次，烘干后获得Fe-N1-P复合粉末。将该粉末放入内径为15mm的石墨模具中，轴向加压0.5MPa进行预压成型，然后连同模具一同放入真空炉中，进行抽真空当真空度小于IPa时，升温自由烧结，烧结温度为950°C，升温速度控制在5°C /min以下。保温时间为I小时，随炉真空冷至室温，可获得晶粒小于10微米、硬度为300HV、压缩强度超过2GPa、压缩率在45%以上的Fe-N1-P三元软磁合金。
[0021]实施例2
[0022]以市场上销售的纯度>99.9 %，规格为2微米球形纯铁粉20g，在PH值为5.0的酸性化学镀液中进行N1-P镀处理，获得0.5微米厚的镀层，镀层中磷的质量百分数含量控制在6%，然后用酒精进行清洗二次，烘干后获得Fe-N1-P复合粉末。将该粉末放入内径为15_的石墨模具中，轴向加压0.75MPa进行预压成型，然后连同模具一同放入真空炉中，进行抽真空当真空度小于IPa时，升温自由烧结，烧结温度为950°C，升温速度控制在5°C /min以下。保温时间为I小时，随炉真空冷至室温，可获得晶粒小于10微米、硬度为300HV、压缩强度超过2GPa、压缩率在45%以上的Fe-N1-P三元软磁合金。
[0023]实施例3
[0024]同样以市场上销售的纯度>99.9 %，规格为2微米球形纯铁粉20g为原材料，在PH值为5.5的酸性化学镀液中进行N1-P镀处理，获得0.5微米厚的镀层，镀层中磷的质量百分数含量控制在7.5%，然后用酒精进行清洗五次，烘干后获得Fe-N1-P复合粉末。将该粉末与质量比为5%的石蜡粘结剂混合均匀，然后用粉末注射成型的方法，将该粉末注入内径为15_的石墨模具中，成型压力保持在IMPa左右，将成型后的样品连同模具一起放入真空炉中，慢速升温至450°C保温10分钟，去除粘结剂，然后将升温速度控制在5°C /min以下，慢速升温至975°C，保温I小时，烧结后随炉真空冷至室温，同样可获得平均晶粒小于10微米、硬度为350HV、压缩强度超过2GPa、压缩率在30%以上的Fe-N1-P三元软磁合金。
[0025]本发明在Fe-N1-P三元合金研究的基础上，通过严格控制粉末尺寸、烧结温度、N1-P镀层的厚度、镀层中的磷含量和成型过程中的压力等重要参数，合理的控制了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，成功制备了高强、高塑性的Fe-N1-P三元软磁合金，与其他方法制备的Fe-N1-P三元软磁合金相比，强度提高30%，塑性提高50%以上。
【主权项】
1.一种高强三元软磁合金的制备方法，包含如下的工艺步骤: 第一步、以纯度>99.9%的球形还原铁粉为原料，在温度为75°C、PH值为5.0?5.5的镍-磷的溶液中，化学镀I小时，化学镀过程中不断搅拌，镀层厚度控制在0.5微米，将化学镀后的铁-镍-磷复合粉末在超声波条件下用酒精清洗3?5次，然后，在80°C的条件下真空烘干2小时，得到纯净的铁-镍-磷复合粉末； 第二步、将制备得到的铁-镍-磷复合粉末放入圆筒形的石墨模具中，在0.5?IMPa的轴向压力下预压成型； 第三步、将预压成型的铁-镍-磷粉末连同石墨模具一起放入真空炉中，抽真空，当真空度〈IPa时，开始升温至950?975°C，保温I小时，保温时间到后，在真空条件下随炉冷至室温取出，获得平均晶粒尺寸小于10微米、细小的磷化物颗粒均匀分布在晶界上的、抗压强度超过2GPa、压缩率在45%以上的高强三元软磁合金。2.根据权利要求1所述的一种高强三元软磁合金的制备方法，其特征在于，所述球形还原铁粉的平均粒径为2微米，表面化学镀层厚度为0.5微米的镍-磷合金，镀层中磷的质量百分数含量控制在5?7.5%之间。3.根据权利要求1所述的一种高强三元软磁合金的制备方法，其特征在于，所述将铁-镍-磷复合粉末放入圆筒形石墨模具中，粉末与模具之间用0.1mm厚的石墨纸隔开。4.根据权利要求1所述的一种高强三元软磁合金的制备方法，其特征在于，所述升温至950?975°C，升温速度控制在5°C /min以下。
【专利摘要】本发明公开了一种高强三元软磁合金的制备方法，属于粉末冶金技术领域，它能有效地解决Fe-Ni-P三元合金的强度低、脆性大的问题。以平均粒径2微米左右的球形还原铁粉为原料，在酸性化学镀Ni-P的溶液中进行化学镀，镀层厚度控制在0.5微米左右，镀层中磷的质量百分含量控制在5-7.5％之间，用酒精对镀后的粉末进行清洗，然后真空烘干，得到纯净的Fe-Ni-P复合粉末；将该Fe-Ni-P复合粉末放入圆筒形的石墨模具中，在0.5-1MPa的轴向压力下预压成型；将预压成型的粉末连同石墨模具一起放入真空炉中，抽真空，真空度保持在1Pa以下、在950-975℃烧结1小时，升温速度控制在5℃/min以下，在真空条件下随炉冷至室温取出，即可获得超细晶粒、抗压强度超过2GPa、压缩率在45％以上的目标产品。
【IPC分类】C22C38/08, C22C33/02
【公开号】CN105039831
【申请号】CN201510391210
【发明人】崔国栋, 柴武倩, 杨川, 陈俊英
【申请人】西南交通大学
【公开日】2015年11月11日
【申请日】2015年7月3日