Способ изготовления магнитов из порошковых материалов на основе системы железо-хром-кобальт
Изобретение относится к металлургии, а именно к способам изготовления магнитов из порошковых материалов на основе системы железо-хром-кобальт, и может быть использовано для изготовления постоянных магнитов для машиностроительной, приборостроительной и других отраслей промышленности. Способ включает приготовление шихты, содержащей порошки железа, хрома, кобальта, феррокремния и ферромолибдена или молибдена, прессование полученной шихты, спекание, термообработку и термомагнитную обработку. При этом суммарная концентрация феррокремния и ферромолибдена или молибдена составляет 0,5-5 мас.%. Технический результат - повышение плотности, магнитных свойств, а также надежности получаемых магнитов. 1 табл., 1 ил.
Изобретение относится к порошковой металлургии и может быть использовано для изготовления конструкционных деталей, от которых требуется сочетание высоких механических и магнитных свойств, например магнитных колец гироскопов. Оно найдет применение в машиностроительной, приборостроительной и других отраслях промышленности.
Известны способы получения изделий из материалов системы железо-хром-кобальт, включающие традиционные операции порошковой металлургии, термическую и термомагнитную обработки. Для повышения плотности и улучшения магнитных характеристик в поликомпонентную шихту дополнительно вводят порошки сплавов системы железо-хром или железо-хром-кобальт (Патент США №4601876, 1986 г.). Эти добавки активируют спекание, но их содержание может достигать 60%, что отрицательно влияет на технологические свойства, прежде всего на прессуемость, а отсутствие компонентов, применяемых в металлургии для связывания примесей, ухудшает магнитные свойства. Кроме того, необходимо специально выплавлять сплавы с высоким содержанием хрома или хрома и кобальта, а затем их размалывать для введения в шихту, что усложняет производство.
Наиболее близким техническим решением является способ изготовления изделий из порошковых материалов системы железо-хром-кобальт, включающий приготовление шихты из порошков хрома, железа, кобальта и порошков ферросплавов титана, ванадия и кремния в количестве 0,7-2,0%, прессование шихты, спекание, термическую и термомагнитную обработку (Патент РФ №2038918, 1995 г., бюл. №19). Данный способ обеспечивает спекание в присутствии жидкой фазы и связывание вредных примесей. Однако даже небольшие добавки ванадия или титана к сплавам с высокой концентрацией хрома и кобальта, а это лучшие по магнитным свойствам сплавы данной системы, приводит к образованию хрупких фаз (фиг.1а), располагающихся по границам зерен и резко понижающих характеристики вязкости. Кроме того, возможно дальнейшее повышение плотности, а следовательно, и магнитных свойств сплавов на основе данной системы.
Целью предлагаемого способа получение высокоплотных порошковых магнитов на основе системы железо-хром-кобальт с повышенными плотностью, характеристиками надежности и магнитных свойств.
Поставленную цель достигали тем, что для повышения плотности в состав шихты вводили феррокремний и молибден (возможно введение ферромолибдена). Молибден наряду с железом и кремнием входит в состав многокомпонентных эвтектик и понижает температуру их плавления, что увеличивает количество жидкой фазы и температурные интервалы ее существования (Диаграммы состояния двойных и многокомпонентных систем на основе железа. Справочн. изд. / Банных О.А. и др. М.: Металлургия, 1986, 440 с.). Жидкая фаза активировала спекание и обеспечивала получение высокоплотного состояния, кроме того, кремний позволял связать сопутствующие примеси. Легирование лучших по магнитным свойствам сплавов системы железо-хром-кобальт с высокой концентрацией хрома и кобальта относительно небольшим количеством феррокремния и молибдена (ферромолибдена) исключает после термической и термомагнитной обработок выделение хрупких фаз по границам зерен (фиг.1б).
Из сравнения с известным способом изготовления изделий из порошковых материалов системы железо-хром-кобальт ясно, что заявляемый метод позволяет получать детали иным способом, поскольку для активации спекания применяют молибден или ферромолибден и феррокремний. Предлагаемый способ позволяет получать детали с более высокой плотностью, чем способ-прототип, он исключает появление хрупких фаз по границам зерен, в результате возрастают важнейшие показатели работоспособности. Т.о., предлагаемый способ существенно отличается от известных, включая способ-прототип. Кроме того, он позволяет улучшить плотность, надежность и магнитные свойства.
Предлагаемый способ включает подготовку шихты заданного состава, изготовление прессовок, спекание, совмещенное с гомогенизацией, термическую и термомагнитную обработки. После термической обработки (перед термомагнитной) возможно проведение калибровки.
Пример 1. Образцы были изготовлены по следующей технологии:
- шихту, содержащую 31% порошка хрома, 23% порошка кобальта, 1% феррокремния, 1% молибдена, остальное - железо марки ОсЧ 6-2, перемешивали 8 часов в двуконусном смесителе;
- образцы прессовали при давлении 800 МПа в закрытых стальных пресс-формах методом двустороннего формования;
- спекание, совмещенное с пропиткой, проводили в вакууме при температуре 1300°С, 2 ч.
Детали калибровали при давлении 800 МПа.
Образцы имели плотность 7,63 г/см3. Рост плотности по сравнению со способом-прототипом обусловлен расширением температурных интервалов существования жидкой фазы и увеличением ее количества, т.к. на стадии спекания образуются иные, чем в способе-прототипе, эвтектики.
Термообработка включала закалку с температуры 1300°С, термомагнитную обработку в поле напряженностью 250 кА/м по режиму: 640°С - 40 мин+620 - 2 ч+610 - 1 ч и изотермический отпуск по режиму: 600 - 2 ч+580 - 3 ч+560 - 4 ч+540 - 4 ч+520 - 2 ч.
Образцы имели трещиностойкость (KIC) примерно 3 МПа·м1/2, ударную вязкость (КС) не менее 100 кДж/м2, коэрцитивную силу (Нс) 65 кА/м и магнитную индукцию (Br) 1,35 Т.
Пример 2. Образцы были изготовлены по следующей технологии:
- шихту, содержащую 31% порошка хрома, 23% порошка кобальта, 0,5% феррокремния, 3% ферромолибдена, остальное - железо марки ОсЧ 6-2, перемешивали 8 часов в двуконусном смесителе;
- образцы прессовали при давлении 800 МПа в закрытых стальных пресс-формах методом двустороннего формования;
- спекание, совмещенное с пропиткой, проводили в вакууме при температуре 1300°С, 2 ч.
Образцы имели плотность 7, 83 г/см3.
Термообработка включала закалку с температуры 1300°С, термомагнитную обработку в поле напряженностью 270 кА/м по режиму: 640°С - 40 мин+620 - 2 ч+610 - 1 ч и изотермический отпуск по режиму: 600 - 2 ч+580 - 3 ч+560 - 4 ч+540 - 4 ч+520 - 2 ч.
Образцы имели трещиностойкость (KIC) 3,1 МПа·м1/2, ударную вязкость (КС) 105 кДж/м2, коэрцитивную силу (Нс) 67 кА/м и магнитную индукцию (Br) 1,31 Т.
Повышение надежности (KIC и КС) и магнитных свойств обусловлено ростом плотности и исключением возможности образования интерметаллидных фаз, которые особенно опасны на границах зерен.
Варьируя состав сплавов можно получить представленные в таблице характеристики материалов.
Предлагаемый способ существенно отличается от прототипа тем, что для его реализации требуются иные ингредиенты в других концентрационных интервалах, он позволяет повысить плотность, характеристики надежности и магнитные свойства деталей по сравнению со способом-прототипом. Более высокие, чем у прототипа, свойства достигали при суммарной концентрации феррокремния и молибдена (ферромолибдена) 0,5-5,0 мас.%.
| Таблица | |||||
| Сопоставление важнейших характеристик работоспособности предлагаемого способа и прототипа | |||||
| Содержание феррокремния и молибдена (ферромолибдена), % | Трещиностойкость, МПа·м1/2 | Ударная вязкость, кДж/м2 | Коэрцитивная сила, кА/м | Магнитная индукция, Т | Плотность после спекания, г/см3 |
| 0,5 | 3,2 | 110 | 64 | 1,35 | 7,55 |
| 1,5 | 3,0 | 100 | 65 | 1,35 | 7,63 |
| 4,0 | 3,1 | 105 | 67 | 1,31 | 7,82 |
| 5,0 | 2,9 | 102 | 68 | 1,30 | 7,83 |
| 6,0 | 2,7 | 98 | 68 | 1,25 | 7,85 |
| Прототип | Менее 0,7 | Менее 98 | До 64 | До 1,30 | До 7,50 |
Способ изготовления магнитов из порошковых материалов на основе системы железо-хром-кобальт, включающий приготовление шихты, содержащей порошки железа, хрома, кобальта и феррокремния, прессование полученной шихты, спекание, термообработку и термомагнитную обработку, отличающийся тем, что в состав шихты дополнительно вводят ферромолибден или молибден, причем суммарная концентрация феррокремния и ферромолибдена или молибдена составляет 0,5-5 мас.%.
