专利名称：可透磁的液锻制品的制作方法
技术领域：
本发明涉及可透磁的合金，和由此合金的液锻(liquid forging) 而形成的制品。
背景技术：
常规的铸铝(Al)合金通常具有硅(Si)、铜(Cu)、镁(Mg) 和锌(Zn)作为主要成合金元素。主要成合金元素的量受限于低共熔 成分(composition)，以保持熔融合金良好的流动性。比低共熔成分 更大的量，由于第二相/金属间相的形成而导致熔融合金产生粘性。粘 度可引起合金的严重的(severe)孔隙率和较低的机械性能。但是， 在特殊用途耐磨合金中，至多30 wt。/。的硅以超低共熔的程度被形成合 金。钛(Ti)元素和硼(B)元素以较小的数量被添加，以实现晶粒 细化。铍(Be)以痕量被添加，以减少铝的氧化和增加表面氧化铍。 其它元素，例如铁(Fe)、镍(NO 、铬(Cr)、钴(Co)、锰(Mn)、 镉(Cd)、铅(Pb)、锑(Sb)等，被认为是杂质且限于在lwtM的 范围内。对于高纯合金，低于0.05-0.2%的杂质水平被维持。通常，因 为第二相的碎裂(该碎裂削弱结构部分)，所以以小于2-3wtM的低 成合金含量来制备锻造的铝合金以使得容易制造。通过粉末颗粒合 成，使用至多50wtM的成合金添加的镍、铁和钴来开发高温高强度铝 合金。几种应用表明铸铝合金和热变形铝合金含有50 wtM的铁元素、 镍元素和钛元素。
硬盘基(HDB)板通常使用常规A383铝合金来模铸。最近，使 HDB板的尺寸变小至1英寸且具有复杂特征已变得合乎需要。这些零 件(component)被用可透磁的部件组装起来，以平衡由磁性回路(magnetic looping)引起的力。例如，在硬盘驱动器中的极板平衡了 磁力。为了进一步地减少主机板尺寸(form factor)和成本，具有可 透磁的HDB板是合乎需要的。
为了达到这个目的，具有高磁导率的Fe、 Ni和Co作为成合金 元素被添加至Al中。这些软磁性元素可逐个或以组合形式被添加。 使用这些合金通过常规铸造和锻造来制造部件是极为困难的。在A1-Fe 合金中，使用稳定的铝化铁-FeAl3来形成亚稳的FeAlf，相和Fe2AU0。 在Al-Co合金、Al-M合金和Al-Fe-Ni合金中，铝化物(例如Co2Al9、 NiAl3和FeNiAV牛'各自形成。但是，在成合金元素的其他组合(三元 的和四元的系统)中，第二相的形成是不清楚的或是未知的。这些铝 化物分散的存在强化了合金，但是增加了合金的脆性。而且，在低断 裂能量时，由于这些脆性铝化物的存在，零件将损坏。为了减少合金 的脆性，锆(Zr) 、 Ti、 B、 Cr可以0.1-1.5 wt^的小数量被形成合金， 以精炼晶粒和改善延性。更靠近低共熔点的合金成分被分类为短凝固
(short freezing)。对于30-40wt。/。的成分，Al-Ni、 Al-Co和Al-Fe合 金的凝固范围分别高达220'C、 30(TC和50(TC。在这么高的凝固范围 时，可透磁的Al合金不可使用常规的铸造或锻造方法来形成，因为 高铝化物含量的合金的使用导致合金具有高粘性，且往往在完全填充 模具之前凝固，导致形成空隙。
发明概述
根据一个方面，本发明提供一种可液锻的可透磁A1合金，该A1 合金具有至少一种选自Fe、 Ni和Co的成合金元素。合金的成分(以 重量百分比计)可选自Al-2Fe、 Al-5Fe、 Al-10Fe、 Al-20Fe、 Al-38Fe、 Al誦2Ni 、 A1-5M 、 Al國10Ni 、 Al-20Ni 、 Al誦標i 、 Al-2Co 、 Al誦5Co 、 Al-10Co 、 Al画20Co、 Al-30Co、 Al-10Fe-5Ni、 Al-20Fe-5Ni、 Al-30Fe陽5Ni、 Al-30Fe-10Ni、 Al-10Fe國5Co、 Ai-20Fe-5Co、 Al-30Fe-5Co、 Al-30Fe陽10Co、 Al國 10Fe-10Ni-10Co、 Al-20Fe-5Ni-5Co和Al-20Fe-10Ni-10Co。合金可还包含至少一种选自Zr、 Ti、 B和Cr的附加的元素。至少一种附加的 元素的重量百分比可为0.1 wtM至1.5 wt%。
根据另一方面，本发明提供一种包含可液锻的可透磁Al合金的 制品，该铝合金具有选自Fe、 Ni和Co的至少一种成合金元素。制品 可由液锻形成。制品还可包含可透磁的插入物，例如以金属丝网(wire mesh)的形式。金属丝网可包含直径为50拜至2000拜、优选为50 jam至150nm的金属丝。
根据另-一个方面，本发明提供-一种使用具有选自Fe、 Ni和Co的 至少一种成合金元素的可液锻的可透磁Al合金来形成制品的方法， 所述方法包含将熔融状态的合金倾注至模腔和在合金凝固期间用凸 模(punch)给熔融合金施压的步骤。该方法还可包含在将熔融状态的 合金倾注进模腔之前，将可透磁的插入物置于模腔的步骤。
附图简述
为了使本发明可被完全地理解且易于实施，现在将通过非限制性 的实施例仅描述本发明的优选实施方式，该描述将参考附图进行。 在附图中
图1是凸模和凹模(die)组合的正面示意图，其中金属丝插入物 被置于模腔中；
图2是图1的凸模和凹模组合的正面示意图，其中熔融合金被倾 注入模腔中；
图3是图2的凸模和凹模组合的正面示意图，其中熔融合金通过 凸模被施压；和
图4是图3的凸模和凹模组合的正面示意图，其中成品被喷射出。
优选实施方式的详细描述
根据一个方面，本发明提供--种用于液锻成制品的可透磁的Al 合金。在液锻中，预定量的熔融合金首先被倾注至模腔。然后，使用可形成网状的制品，并且具有最少的原料损耗。制品是可靠的
(sound)，且已经受加压凝固。液锻的例子被提供在公布的国际专利 申请第WO 2006/093469号中。
为了减小凝固范围和降低合金的熔点，成合金元素Fe、 Ni和Co 以组合形式被添加至铝中。每种元素的添加的重量百分比(wt%)取 决于多种因素，例如，在制品要被使用所在的磁场的强度、第二相(铝 化物)的形成的体积分数、合金的可液锻性、合金的熔点、合金的机 械性能等等。通常，每种成合金元素的成合金范围在2至40 wt^之间。
可透磁的铝合金的成分选自AI-2Fe、 Al-5Fe、 Al-:l 0Fe、 Al-20Fe、 Al-38Fe、 Al-2Ni、 Al-5Ni、 Al-10Ni、 Al-20Ni、 Al-40Ni、 Al-2Co、 Al画5Co、 Al-10Co、 Al-20Co、 Al匿30Co、 Al画10Fe國5Ni、 Al-20Fe-5Ni、 Al-30Fe-5Ni、Al-30Fe-0Ni、Al-10Fe-5Co、Al-20Fe-5Co、 Al-30Fe-5Co、 Al-30Fe-10Co、 Al-10Fe-10Ni画10Co、 Al國20Fe-5Ni-5Co和Al-20Fe-10Ni -lOCoo
在形成合金期间，进行再熔化以减少合金的偏析。合金的微结构 显示了铝化物(例如FeAl" Co2Al9、 NiAl3、 FeNiA^等)的形成。对 于较高的成合金含量，合金的脆性由于形成较高体积分数的铝化物而 增加。为了减小脆性，Zr、 Ti、 B、 Cr以0.1-1.5wty。的小的数量被添 加。这也精炼了晶粒和改善了合金的延性。
为了进 -步提高由合金制造的制品的磁导率，根据本发明的另-一 个方面，制品可由合金和Fe、 Ni或Co的插入物被液锻。在一个实施 方式中，插入物是金属丝网。图〗至图4显示了用插入物形成制品的 方法的步骤。在图1中，显示了液锻凸模10和凹模12组合，其中金 属丝网14被置于模腔16中。然后，合金18以熔融状态被倾注至如 图2所示的模腔16中。图3显示了熔融合金18在合金18凝固期间 通过凸模10被施压。包含合金18和金属丝网14的成品22最后如图 4所示通过销(pin) 24被喷射出。在液锻期间，凸模10和凹模12在175'C至300"C的温度下被加 热且烙融合金18以125'C至200"C的过热温度被倾注。压力以30MPa 至120Mpa被施加15至30秒，以获得具有最小空隙的可靠制品22。 没有插入物的制品可通过省略在倾注熔融合金之前放置插入物的步 骤而被类似地形成。
对于具有200 fxm的截面厚度的硬盘基板，具有直径为50 |im至 150pm的金属丝的金属丝网是优选的。对于其他制品，可使用至多 2000 pm的金属丝直径。网格大小可为20X20 j^m至200X200 jim。
其它几何形状的插入物也可根据被成形的制品而被使用。金属间 化合物的形成发生在插入物的界面，因此提供了完整的粘合。在界面 的金属间化合物的生长取决于液锻的持续时间。
权利要求
1.一种可液锻的可透磁Al合金，其具有至少一种选自Fe、Ni和Co的成合金元素。
2. 如权利要求1所述的合金，其中以重量百分比计的合金成分选 自Al画2Fe、 Al-5Fe、 Al-10Fe、 Al-20Fe、 Al-38Fe、 Al誦2Ni、 Al-5Ni、 Al謹10Ni、 Al國20Ni、 A1-40M、 Al-2Co、 Al-5Co、 Al-10Co、 Al-20Co、 Al-30Co、 Al-10Fe-5Ni、 Al-20Fe誦5Ni、 Al-30Fe-5Ni、 Al-30Fe-10Ni、 Al画10Fe-5Co、 Al-20Fe画5Co、 Al陽30Fe画5Co、 Al画30Fe隱10Co、 Al-10Fe -lONi-lOCo、 Al- 20Fe-5Ni-5Co和Al-20Fe-10Ni-10Co。
3. 如权利要求1或2所述的合金，其还包含至少一种选自Zr、 Ti、 B和Cr的附加的元素。
4. 如权利要求3所述的合金，其中至少一种附加的元素的重量百 分比为0.1 wt"/。至1.5 wt%。
5. -—种制品，其包含权利要求1至4的任何- 项所述的合金，其 中所述制品通过液锻而形成。
6. 如权利要求5所述的制品，其还包含可透磁的插入物。
7. 如权利要求6所述的制品，其中所述可透磁的插入物是金属丝网。
8. 如权利要求7所述的制品，其中所述金属丝网包含直径为50 lim至2000 )jim，优选为50 pm至150 的金属丝。
9. 一种利用权利要求1至4的任何一项所述的合金形成制品的方法，该方法包含以下步骤a. 将熔融状态的合金倾注至模腔；和b. 在合金凝固期间用凸模给熔融合金施压。
10. 如权利要求9所述的方法，其还包含在将熔融状态的合金倾 注至模腔之前将可透磁的插入物置于模腔的步骤。
11. 如权利要求10所述的方法，其中所述可透磁的插入物是金属丝网。
12. 如权利要求ll所述的方法，其中所述金属丝网包含直径为50 nm至2000 ^m、优选为50 至150 ,的金属丝。
13. 如权利要求9至12的任何一项所述的方法，其中凸模和模腔 被加热至175"C至300"C的温度。
14. 如权利要求9至13的任何一项所述的方法，其中熔融合金以 125 °C至200°C的过热温度被倾注。
15. 如权利要求9至14的任何-一项所述的方法，其中以30MPa 至120 MPa的压力进行施压。
16. 如权利要求9至15的任何一项所述的方法，其中施压的持续 时间为15至30秒。
全文摘要
本发明涉及可透磁的合金，和由此类合金的液锻而形成的制品。更具体地，本发明涉及可液锻的可透磁Al合金，该合金具有至少一种选自Fe、Ni和Co的成合金元素。本发明也涉及用该合金形成制品的方法，该方法包含以下步骤(a)将熔融状态的合金倾注至模腔；和(b)在合金凝固期间用凸模给熔铸合金施压。
文档编号B22D18/02GK101680061SQ200880006153
公开日2010年3月24日 申请日期2008年1月8日 优先权日2007年1月12日
发明者明山·约翰·杨, 萨兰伽帕尼·姆拉莉 申请人:新加坡科学技术研究局