CN109680217A - 无磁性粉末冶金零件的制造方法以及应用 - Google Patents

无磁性粉末冶金零件的制造方法以及应用 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种无磁性粉末冶金零件的制造方法，包括如下步骤：①混粉：C为0.7～2％，Mn为10～30％，P为0.05～1.5％；②成形；③烧结；以及还涉及将前述制造方法制造的零件作为电机平衡块的应用。与现有技术相比，本发明的优点在于：零件主要以铁、碳、磷和锰组成，不含贵重金属元素镍、钼、钨等，成本低廉，烧结后合金无磁性，完全满足电机平衡块的使用要求。

Description

无磁性粉末冶金零件的制造方法以及应用
技术领域
本发明涉及粉末冶金零件制造领域，尤其涉及一种无磁性粉末冶金零件的制造方法以及应用。
背景技术
无磁零件用途十分广泛，涉及电力、轨道交通、建筑以及国防军工等诸多领域。无磁零件相对磁导率μ值略大于1，在磁场中磁化作用很弱，即产生所谓的“无磁”现象，故形象地称之为无磁钢。无磁钢作为一种钢铁功能材料，在磁场作用下基本不产生磁感应。
无磁钢室温组织要求为稳定的奥氏体，这是由于铁素体、珠光体和马氏体组织在常温下为铁磁性，在磁场中表现出很强的磁化作用，磁导率很高，而具有面心立方结构的奥氏体为顺磁性，磁导率很低，通过适当的添加合金元素扩大Fe－C合金相图中的奥氏体区以及热处理方法，就可以在室温条件下获得稳定的单相奥氏体组织，从而使钢铁材料的磁导率保持在较低的水平。
对于钢材而言，无磁合金主要为奥氏体不锈钢和Fe－Mn系无磁钢。奥氏体不锈钢主要利用镍扩大奥氏体区，而Fe－Mn系无磁钢主要利用较高的Mn、C含量在室温即获得奥氏体组织，主要包括Fe－Mn、Fe－Mn－Cr和Fe－Mn－Al系无磁结构钢。
无磁零件的其中一种用途即为用于制造电机的平衡块。对于电机的平衡块而言，通过配重，维系电机高速运转的动态平衡。在电机的磁场中使用含铁素体、马氏体的钢材制造的平衡块会发生磁化，引起电机的不平衡，导致振动加大，噪音增加。一般电机的平衡块使用的材料为锌合金，铜合金以及奥氏体不锈钢等。由于锌合金的密度较低，平衡块体积过大，满足不了电机小型化的需求。铜合金密度虽能满足要求，但是由于铜合金价格昂贵，性价比较低。奥氏体不锈钢密度满足要求，但是加工性能较差，价格也较为昂贵。
粉末冶金作为一种少无切削的加工工艺，也被应用在无磁零件的制造上。在用粉末冶金方法制造Fe-Mn-C合金时由于烧结困难，产品密度难以提升。为了解决这个问题有公开号为CN106544570B的中国专利《一种高密度无磁平衡块及其粉末冶金制备方法和应用》公开了一种高密度无磁钢平衡块零件及其制备方法，该方法添加WC，电解铜和磷铜合金于Fe-Mn-C系预合金中，通过液相烧结实现Fe-Mn-C合金的致密化。但该专利添加的WC，电解铜和磷铜的价格较为昂贵，且液相比例较高，烧结后零件变形较大，精度较差。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对上述的技术现状而提供一种低成本的无磁性粉末冶金零件的制造方法。
本发明所要解决的另一个技术问题是提供一种利用前述无磁性粉末冶金零件的制造方法制得的零件用作电机平衡块的应用。
本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：该种无磁性粉末冶金零件的制造方法，其特征在于包括如下步骤：
①混粉，原料粉混合，并保证各组分的质量百分含量分别为：C为0.7～2％，Mn为10～30％，P为0.05～1.5％，不超过2％的不可避免杂质，润滑剂0.3～1.0％，余量为铁；
②成形；
③烧结。
在所述步骤③烧结之后可以根据需要进行或不进行步骤④机加工：对难以通过模具成形部分，采用机加工方式进行处理。
本发明所用润滑剂为粉末润滑剂，可以选择硬脂酸盐，聚酰胺蜡，聚丙烯酰胺蜡等现有技术中常用的润滑剂中的任意一种。
本发明的成形可以选择模压成型，温模压制，温压成型等现有技术中常用成形工艺中的任意一种。
为了组分分布更为均匀，优选的一种方案为所述步骤①混粉中所述原料粉混合为将Fe-Mn-C预合金粉、石墨粉、磷铁粉及润滑剂混合。
优选的，所述步骤①混粉的Fe-Mn-C预合金粉中各组分的质量百分含量分别为：Mn：10～30％，C：0～2％(不包括0)，不可避免的其他杂质：≤2％，其余为Fe。
为了制备简便和降低成本，前述步骤中的Fe-Mn-C预合金粉采用现有技术中常用的铁粉、锰粉和石墨粉作为原料的雾化工艺制备，还可采用纯铁粉与锰铁合金粉的混合粉作为原料粉末使用雾化工艺制备，或者采用纯铁粉，纯锰粉与石墨粉混合粉作为原料粉末使用雾化工艺制备。
优选的，所述磷铁粉选择Fe3P粉末。选择磷含量15.6％的Fe3P粉末可以进一步降低烧结温度。在所有磷铁的化合物中，Fe3P的熔点最低，更有利于降低Fe-Mn-C预合金粉的烧结温度。
为了P进一步分布更均匀，所述步骤①混粉中所述原料粉混合为将Fe-Mn-P-C预合金粉、石墨粉及润滑剂混合。
优选的，所述Fe-Mn-P-C预合金粉中的组分百分含量为：C为0～2％(不包括0)，Mn为10～30％，P为0.05～1.5％，不超过2％的不可避免杂质。
为了制备简便和降低成本，前述Fe-Mn-P-C预合金粉使用锰铁合金，纯铁，石墨粉以及磷铁合金为原料，通过现有技术中常用的雾化工艺即可制得。
优选的，步骤②成形所得的生坯密度大于6.0g/cm3。
优选的，所述步骤③烧结的烧结温度为1050～1350℃，烧结时间为5～200分钟，烧结气氛为非氧化性气氛；该非氧化性气氛优选采用真空或含氢5％～30％的氢氮混合气。
作为改进，步骤①中，添加1～10％质量分数的Cu，优先选用电解铜粉的形式添加。Cu的添加可以进一步提高密度。
本发明还涉及一种利用上述的无磁性粉末冶金零件的制造方法制得的零件用作电机平衡块的应用。
与现有技术相比，本发明的优点在于：本发明仅含有铁、碳、磷和锰这四种金属元素，不含贵重金属元素镍、钼、钨等，成本低廉，烧结后合金无磁性，且孔隙少，致密度良好，完全满足电机平衡块等领域的使用要求，并且P的添加可以提高烧结后零件的密度，降低烧结温度。
附图说明
图1为实施例1的金相组织照片；
图2为实施例1的孔隙照片；
图3为实施例2的金相组织照片；
图4为实施例2的孔隙照片；
图5为实施例3的金相组织照片；
图6为实施例3的孔隙照片。
具体实施方式
以下结合附图和实施例对本发明作进一步详细描述。
下述实施例中在所述步骤③烧结之后可以根据需要进行或不进行步骤④机加工：对难以通过模具成形部分，采用机加工方式进行处理。
下述实施例中所用润滑剂为粉末润滑剂，可以选择硬脂酸盐，聚酰胺蜡，聚丙烯酰胺蜡等现有技术中常用的润滑剂中的任意一种。
下述实施例中的成形可以选择模压成型，温模压制，温压成型等现有技术中常用成形工艺中的任意一种。
实施例1：
①混粉，将Fe-Mn-C预合金粉、石墨粉、磷铁粉及润滑剂混合，并保证各组分的百分含量分别为：C为1.5％，Mn为17.3％，P为0.3％，不超过2％的不可避免杂质，粉末润滑剂0.7％，余量为铁；本实施例所用Fe-Mn-C预合金中各组分的质量百分含量分别为：Mn：20％，C：1％，不可避免的其他杂质：≤2％，其余为Fe。本实施例所用磷铁粉为磷含量15.6％的Fe3P粉末。
②成形，成形后密度6.2g/cm3；
③烧结，温度为1200℃，时间为30分钟，气氛为真空。
烧结后密度7.38g/cm3，烧结态的组织为奥氏体和部分氧化物，无磁性，完全满足电机平衡块等领域的使用要求。金相组织见图1，孔隙见图2，可见致密度良好，孔隙较少。烧结后碳含量1.1％，锰含量17.2％。
实施例2：
①混粉，将Fe-Mn-C、石墨粉、磷铁粉及润滑剂混合，并保证各组分的百分含量分别为：C为1.2％，Mn为25％，P为0.5％，不超过2％的不可避免杂质，粉末润滑剂0.8％，余量为铁。本实施例所用Fe-Mn-C预合金中各组分的质量百分含量分别为：Mn：30％，C：0.8％，不可避免的其他杂质：≤2％，其余为Fe。本实施例所用磷铁粉为磷含量15.6％的Fe3P粉末。
②成形，成形后密度6.0g/cm3。
③烧结，温度为1230℃，时间为20分钟，气氛为含氢10％氮氢混合气。
烧结后密度7.31g/cm3，烧结态的组织为奥氏体和部分氧化物，无磁性，完全满足电机平衡块等领域的使用要求。金相组织见图3，孔隙见图4，可见致密度良好，孔隙较少。
实施例3：
①混粉，将Fe-Mn-C、石墨粉、磷铁粉及润滑剂混合，并保证各组分的百分含量分别为：C为2.0％，Mn为20％，P为0.8％，不超过2％的不可避免杂质，粉末润滑剂0.7％，余量为铁。本实施例所用Fe-Mn-C预合金中各组分的质量百分含量分别为：Mn：25％，C：2％，不可避免的其他杂质：≤2％，其余为Fe。本实施例所用磷铁粉为磷含量15.6％的Fe3P粉末。
②成形，成形后密度6.1g/cm3；
③烧结，温度为1230℃，时间为30分钟，气氛为真空。
烧结后密度7.35g/cm3，烧结态的组织为奥氏体和部分氧化物，无磁性，完全满足电机平衡块等领域的使用要求。金相组织见图5，孔隙见图6，可见致密度良好，孔隙较少。
实施例4：
①混粉，将Fe-Mn-C、石墨粉、磷铁粉及润滑剂混合，并保证各组分的百分含量分别为：C为2.0％，Mn为20％，P为0.8％，不超过2％的不可避免杂质，粉末润滑剂1％，余量为铁。本实施例所用Fe-Mn-C预合金中各组分的质量百分含量分别为：Mn：25％，C：1％，不可避免的其他杂质：≤2％，其余为Fe。本实施例所用磷铁粉为磷含量15.6％的Fe3P粉末。
②成形，成形后密度6.5g/cm3；
③烧结，温度为1270℃，时间为25分钟，气氛为真空。
烧结后密度7.30g/cm3。烧结后无磁性，完全满足电机平衡块等领域的使用要求；致密度良好，孔隙较少。
实施例5：
①混粉，将Fe-Mn-C、石墨粉、磷铁粉及润滑剂混合，并保证各组分的百分含量分别为：C为0.9％，Mn为20％，P为0.1％，不超过2％的不可避免杂质，粉末润滑剂0.7％，余量为铁。本实施例所用Fe-Mn-C预合金中各组分的质量百分含量分别为：Mn：23％，C：0.5％，不可避免的其他杂质：≤2％，其余为Fe。本实施例所用磷铁粉为磷含量15.6％的Fe3P粉末。
②成形，成形后密度6.4g/cm3；
③烧结，温度为1250℃，时间为100分钟，气氛为真空。
烧结后密度7.35g/cm3。烧结后无磁性，完全满足电机平衡块等领域的使用要求；致密度良好，孔隙较少。
实施例6：
①混粉，将Fe-Mn-C、石墨粉、磷铁粉、电解铜及润滑剂混合，并保证各组分的百分含量分别为：C为0.9％，Mn为20％，P为0.3％，铜为3％，不超过2％的不可避免杂质，粉末润滑剂0.7％，余量为铁。本实施例所用Fe-Mn-C预合金中各组分的质量百分含量分别为：Mn：23％，C：0.5％，不可避免的其他杂质：≤2％，其余为Fe。本实施例所用磷铁粉为磷含量15.6％的Fe3P粉末。
②成形，成形后密度6.3g/cm3；
③烧结，温度为1210℃，时间为25分钟，气氛为含氢10％氮氢混合气。
烧结后密度7.42g/cm3。烧结后无磁性，完全满足电机平衡块等领域的使用要求；致密度良好，孔隙较少。
实施例7：
①混粉，将Fe-Mn-C、石墨粉、磷铁粉、电解铜及润滑剂混合，并保证各组分的百分含量分别为：C为1.4％，Mn为18％，P为0.7％，铜为5％，不超过2％的不可避免杂质，粉末润滑剂0.7％，余量为铁。本实施例所用磷铁粉为磷含量15.6％的Fe3P粉末。本实施例所用Fe-Mn-C预合金中各组分的质量百分含量分别为：Mn：21％，C：1.2％，不可避免的其他杂质：≤2％，其余为Fe。
②成形，成形后密度6.3g/cm3；
③烧结，温度为1200℃，时间为100分钟，气氛为真空。
烧结后密度7.48g/cm3。烧结后无磁性，完全满足电机平衡块等领域的使用要求；致密度良好，孔隙较少。
实施例8：
①混粉，将Fe粉、石墨粉、磷铁粉、锰及润滑剂混合，并保证各组分的百分含量分别为：C为0.7％，Mn为10％，P为0.05％，不超过2％的不可避免杂质，粉末润滑剂0.7％，余量为铁。本实施例所用磷铁粉为磷含量15.6％的Fe3P粉末。本实施例所用Fe-Mn-C预合金中各组分的质量百分含量分别为：Mn：10％，C：0.3％，不可避免的其他杂质：≤2％，其余为Fe。
②成形，成形后密度7g/cm3；
③烧结，温度为1290℃，时间为5分钟，气氛为真空。
烧结后密度7.23g/cm3。烧结后无磁性，完全满足电机平衡块等领域的使用要求；致密度良好，孔隙较少。
实施例9：
①混粉，将Fe粉、石墨粉、磷铁粉、锰粉及润滑剂混合，并保证各组分的百分含量分别为：C为2.0％，Mn为30％，P为1.5％，不超过2％的不可避免杂质，粉末润滑剂1％，余量为铁。本实施例所用磷铁粉为磷含量15.6％的Fe3P粉末。本实施例所用Fe-Mn-C预合金中各组分的质量百分含量分别为：Mn：30％，C：2％，不可避免的其他杂质：≤2％，其余为Fe。
②成形，成形后密度6.8g/cm3；
③烧结，温度为1350℃，时间为200分钟，气氛为真空。
烧结后密度7.23g/cm3。烧结后无磁性，完全满足电机平衡块等领域的使用要求；致密度良好，孔隙较少。
实施例10：
①混粉，将Fe-Mn-C、石墨粉、磷铁粉、电解铜粉及润滑剂混合，并保证各组分的百分含量分别为：C为1.4％，Mn为18％，P为0.7％，铜为10％，不超过2％的不可避免杂质，粉末润滑剂0.7％，余量为铁。本实施例所用磷铁粉为磷含量15.6％的Fe3P粉末。本实施例所用Fe-Mn-C预合金中各组分的质量百分含量分别为：Mn：21％，C：1.2％，不可避免的其他杂质：≤2％，其余为Fe。
②成形，成形后密度7.2g/cm3；
③烧结，温度为1200℃，时间为100分钟，气氛为真空。
烧结后密度7.50g/cm3。烧结后无磁性，完全满足电机平衡块等领域的使用要求；致密度良好，孔隙较少。
实施例11：
①混粉，将Fe-Mn-C-P合金粉与石墨及润滑剂混合，并保证各组分的百分含量分别为：C为1.49％，Mn为15.8％，P为0.5％，不超过2％的不可避免杂质，粉末润滑剂1％，余量为铁。本实施例所用Fe-Mn-C-P预合金中各组分的质量百分含量分别为：Mn：16％，C：1.5％，P：0.5％，不可避免的其他杂质：≤2％，其余为Fe。
②成形，成形后密度6.1g/cm3；
③烧结，温度为1250℃，时间为50分钟，气氛为真空。
烧结后密度7.25g/cm3。烧结后无磁性，完全满足电机平衡块等领域的使用要求；致密度良好，孔隙较少。

Claims (10)

1.一种无磁性粉末冶金零件的制造方法，其特征在于包括如下步骤：
①混粉，原料粉混合，并保证各组分的质量百分含量分别为：C为0.7～2％，Mn为10～30％，P为0.05～1.5％，不超过2％的不可避免杂质，润滑剂0.3～1.0％，余量为铁；
②成形；
③烧结。
2.根据权利要求1所述的无磁性粉末冶金零件的制造方法，其特征在于：所述步骤①混粉中所述原料粉混合为将Fe-Mn-C预合金粉、石墨粉、磷铁粉及润滑剂混合。
3.根据权利要求2所述的无磁性粉末冶金零件的制造方法，其特征在于：所述步骤①混粉的Fe-Mn-C预合金粉中各组分的质量百分含量分别为：Mn：10～30％，C：0～2％(不包括0)，不可避免的其他杂质：≤2％，其余为Fe。
4.根据权利要求2或3所述的无磁性粉末冶金零件的制造方法，其特征在于：所述磷铁粉选择Fe3P粉末。
5.根据权利要求1所述的无磁性粉末冶金零件的制造方法，其特征在于：所述步骤①混粉中所述原料粉混合为将Fe-Mn-P-C预合金粉、石墨粉及润滑剂混合。
6.根据权利要求5所述的无磁性粉末冶金零件的制造方法，其特征在于：所述Fe-Mn-P-C预合金粉中的组分百分含量为：C为0～2％(不包括0)，Mn为10～30％，P为0.05～1.5％，不超过2％的不可避免杂质。
7.根据权利要求1所述的无磁性粉末冶金零件的制造方法，其特征在于：步骤②成形所得的生坯密度大于等于6.0g/cm3。
8.根据权利要求1所述的无磁性粉末冶金零件的制造方法，其特征在于：所述步骤③烧结的烧结温度为1050～1350℃，烧结时间为5～200分钟，烧结气氛为非氧化性气氛。
9.根据权利要求1所述的无磁性粉末冶金零件的制造方法，其特征在于：所述步骤①混粉的组分中还包括质量分数为1～10％的Cu。
10.一种利用如权利要求1至9所述的无磁性粉末冶金零件的制造方法所得的零件用作电机平衡块的应用。
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