工程科学学报，第38卷，第5期：677681,2016年5月 Chinese Journal of Engineering,Vol.38,No.5:677-681,May 2016 D0l:10.13374/j.issn2095-9389.2016.05.012:http://journals.ustb.edu.cn 高速压制制备高密度纯铁软磁材料 董国强”，秦明礼)区，章林)，张红州”，孙海身2》，曲选辉 1)北京科技大学新材料技术研究院，北京1000832)菜芜职业技术学院莱芜市粉末治金先进制造重点实验室，莱芜271100 ☒通信作者，E-mail:qinml(@mater..ustb.edu.cn 摘要以退火纯铁粉末为原料，采用粉末退火结合高速压制技术的方法制得高密度压坯(7.70g"cm),经烧结后获得高 密度高性能的纯铁软磁材料.研究退火粉末的高速压制行为，以及烧结时间和烧结温度对材料磁性能和晶粒大小的影响.结 果显示：退火粉末的压坯密度随压制速度的增加而增加，压坯密度最高可达到7.70g“©m~3,相对密度可达到98.10%.烧结 温度为1450℃，烧结时间为4h时，材料密度达到7.85g°cm3,相对密度为99.96%，最大磁导率达到13.60mH·m,饱和磁 感应强度为1.87T,矫顽力为56.50Am 关键词软磁材料：纯铁：高密度：高速压制：磁性能：晶粒长大 分类号TM271 Preparation of high-density iron soft magnetic materials by HVC technology DONG Guo-qiang",QIN Mingi,ZHANG Lin,ZHANG Hong-zhou,SUN Hai-shen',QU Xuan-hui 1)Institute for Advanced Materials and Technology,University of Science and Technology Beijing,Beijing 100083,China 2)Key Laboratory of Powder Metallurgy in Advanced Manufacturing,Laiwu Vocational and Technical College,Laiwu 271100,China Corresponding author,E-mail:qinml@mater.ustb.edu.cn ABSTRACT High density green compacts of annealed iron powder with a density of 7.70 gcmwere prepared by high velocity compaction (HVC)combined with powder annealing.Iron soft magnetic materials with high performance and high density were obtained after sintering.The HVC behavior of the annealed powder was investigated,and the effects of sintering temperature and sinte- ring time on the magnetic properties and grain size of the soft magnetic materials were studied.The results show that the density of the green compacts increases with increasing compaction velocity,and the maximum density is 7.70 g.cm-3(relative density of 98.10%).Specimens sintered at 1450 C for 4h have the optimum magnetic properties,with the sinter density of 7.85gcm(rela- tive density 99.96%),the maximum permeability of 13.60 mHm,the saturation induction of 1.87T,and the coercive force of 56.50Am1. KEY WORDS soft magnetic materials:pure iron:high density:high velocity compaction:magnetic properties:grain growth 纯铁是一种性能优良的软磁材料，它具有高饱和 件时，原材料浪费大、周期长和成本高.粉末治金工艺 磁感应强度(B.=2.15T)、低磁晶各向异性(K4.8× 制备软磁合金产品具有近终成形的特点，是一种节约 10Jm3)和低磁致伸缩常数（入o=21×10-6,入m= 能源和资源、低成本的制备技术，是制备软磁合金零部 -20×106)1-,因而被广泛的应用于通讯、广播、雷 件的重要方法4阿 达以及汽车电子控制中，如ABS传感器或泵角传感器 软磁合金的性能与微观组织和结构密切相关，传 等装备系统，网。随着磁路元器件的微型化和轻量化， 统的粉末压制~烧结方法制备纯铁软磁材料存在材料 对微型和复杂形状软磁材料零部件的需求越来越多. 致密度低和磁性能差的问题.提高粉末治金纯铁 但是，传统的铸造和机加工在制备这些纯铁软磁零部 软磁材料的密度和磁性能的主要方法有复压复烧圆、 收稿日期：201505-25 基金项目：国家高技术研究发展计划资助项目(2013AA031101):国家自然科学基金资助项目(51574030,51574029)
工程科学学报，第 38 卷，第 5 期: 677--681，2016 年 5 月 Chinese Journal of Engineering，Vol． 38，No． 5: 677--681，May 2016 DOI: 10． 13374 /j． issn2095--9389． 2016． 05． 012; http: / /journals． ustb． edu． cn 高速压制制备高密度纯铁软磁材料 董国强1) ，秦明礼1) ，章 林1) ，张红州1) ，孙海身1，2) ，曲选辉1) 1) 北京科技大学新材料技术研究院，北京 100083 2) 莱芜职业技术学院莱芜市粉末冶金先进制造重点实验室，莱芜 271100 通信作者，E-mail: qinml@ mater． ustb． edu． cn 摘 要 以退火纯铁粉末为原料，采用粉末退火结合高速压制技术的方法制得高密度压坯( 7. 70 g·cm － 3 ) ，经烧结后获得高 密度高性能的纯铁软磁材料． 研究退火粉末的高速压制行为，以及烧结时间和烧结温度对材料磁性能和晶粒大小的影响． 结 果显示: 退火粉末的压坯密度随压制速度的增加而增加，压坯密度最高可达到 7. 70 g·cm － 3 ，相对密度可达到 98. 10% ． 烧结 温度为 1450 ℃，烧结时间为 4 h 时，材料密度达到 7. 85 g·cm － 3 ，相对密度为 99. 96% ，最大磁导率达到 13. 60 mH·m － 1 ，饱和磁 感应强度为 1. 87 T，矫顽力为 56. 50 A·m － 1 ． 关键词 软磁材料; 纯铁; 高密度; 高速压制; 磁性能; 晶粒长大 分类号 TM271 Preparation of high-density iron soft magnetic materials by HVC technology DONG Guo-qiang1) ，QIN Ming-li 1) ，ZHANG Lin1) ，ZHANG Hong-zhou1) ，SUN Hai-shen1，2) ，QU Xuan-hui 1) 1) Institute for Advanced Materials and Technology，University of Science and Technology Beijing，Beijing 100083，China 2) Key Laboratory of Powder Metallurgy in Advanced Manufacturing，Laiwu Vocational and Technical College，Laiwu 271100，China Corresponding author，E-mail: qinml@ mater． ustb． edu． cn ABSTＲACT High density green compacts of annealed iron powder with a density of 7. 70 g·cm － 3 were prepared by high velocity compaction ( HVC) combined with powder annealing． Iron soft magnetic materials with high performance and high density were obtained after sintering． The HVC behavior of the annealed powder was investigated，and the effects of sintering temperature and sintering time on the magnetic properties and grain size of the soft magnetic materials were studied． The results show that the density of the green compacts increases with increasing compaction velocity，and the maximum density is 7. 70 g·cm － 3 ( relative density of 98. 10% ) ． Specimens sintered at 1450 ℃ for 4 h have the optimum magnetic properties，with the sinter density of 7. 85 g·cm － 3 ( relative density 99. 96% ) ，the maximum permeability of 13. 60 mH·m － 1 ，the saturation induction of 1. 87 T，and the coercive force of 56. 50 A·m － 1 ． KEY WOＲDS soft magnetic materials; pure iron; high density; high velocity compaction; magnetic properties; grain growth 收稿日期: 2015--05--25 基金项目: 国家高技术研究发展计划资助项目( 2013AA031101) ; 国家自然科学基金资助项目( 51574030，51574029) 纯铁是一种性能优良的软磁材料，它具有高饱和 磁感应强度( Bs = 2. 15 T) 、低磁晶各向异性( K1!4. 8 × 104 J·m － 3 ) 和低磁致伸缩常数( λ100 = 21 × 10 － 6 ，λ111 = － 20 × 10 － 6 ) ［1--2］，因而被广泛的应用于通讯、广播、雷 达以及汽车电子控制中，如 ABS 传感器或泵角传感器 等装备系统［1，3］． 随着磁路元器件的微型化和轻量化， 对微型和复杂形状软磁材料零部件的需求越来越多． 但是，传统的铸造和机加工在制备这些纯铁软磁零部 件时，原材料浪费大、周期长和成本高． 粉末冶金工艺 制备软磁合金产品具有近终成形的特点，是一种节约 能源和资源、低成本的制备技术，是制备软磁合金零部 件的重要方法［4--5］． 软磁合金的性能与微观组织和结构密切相关，传 统的粉末压制–烧结方法制备纯铁软磁材料存在材料 致密度低和磁性能差的问题［6--7］． 提高粉末冶金纯铁 软磁材料的密度和磁性能的主要方法有复压复烧［8］
·678· 工程科学学报，第38卷，第5期 温压成形网、高速压制阿等.其中粉末高速压制以其 锤头 具有压制生坯密度高、密度分布均匀以及产品综合性 能优异的特点而备受青睐0.本文以雾化铁粉为原 料，利用粉末退火结合高速压制技术制备出密度为 7.70g·cm3的高密度压坯，系统研究烧结温度和烧结 上模 时间对高密度压坯纯铁材料微观组织和磁性能的影 响，制备得到密度p=7.85gcm3,最大磁导率达到 13.60mHm,饱和磁感应强度为1.87T,矫顽力为 56.5A·m的纯铁软磁材料. 模具 1 实验 下模冲 实验采用水雾化铁粉，铁粉粒度范围如表1所示. 压力传感器 将铁粉在管式炉中进行氢气气氛700℃退火处理2h, 然后随炉冷却（冷却速度大约为5℃·minl),冷却到 室温后取出.经过破碎、研磨及过147um(100目)筛 图1HYP35-2型高速压机 子得到退火铁粉. Fig.1 Schematic diagram of a HYP35-2 high velocity compaction machine 表1铁粉的粒度范围 Table 1 Particle size range of iron powder 对于退火Fe粉，压坯密度随压制速度的增加而增加 粒度/m≤45 45~7575~106106~150≥150 在6.2ms的压制速度下，退火Fe粉的生坯密度为 比例/%22 27.1 28.9 18.4 3.4 7.26gcm3;当压制速度增加到9.4ms时，退火铁 粉的压坯密度为7.70gcm3. 退火铁粉在瑞典Hydropulsor AB公司生产的 HYP35-2型高速冲击成形压机上进行压制.图1为 77 HYP35-2型高速压机原理图.其压制形状为25mm× 6mm的圆柱试样，压制能量按照下式计算： 7.6 E=Fxh. (1) 7.5 式中：h为锤头冲程，mm;E为压制能量，J:F=33.2 kN,为作用于锤头的液压驱动力.锤头冲击速度公式 7.4 如下： 2E 7.3 =A m (2) 7.2 式中，为压制速度，m为锤头质量.对于HYP35-2型 60 6.57.07.58.08.59.09.5 高速压机来说，m=42kg,压制速度取6.2~9.4ms1, 压制速度m·、) 图2退火粉末高速压制密度曲线 压制过程中使用模壁润滑，硬脂酸锂的丙酮溶液作为 Fig.2 Green density of annealed powder during HVC 润滑剂. 将d25mm×6mm的圆柱形状的压坯切成d25mm× 2.2烧结温度对显微组织与磁性能的影响 中l5mm×6mm圆环形状的试样，并对其进行烧结，氢 将高密度纯铁样品在不同温度下烧结1h,图3为 气作为保护气体，将压制坯体试样在1200、1300、1400 烧结温度对高密度纯铁样品密度和B4和H.的关 和1450℃进行烧结.利用MATS-2010SD软磁直流测 系.从图中可以看出：当烧结温度为1200℃时，烧结体 量装置测试样品的软磁性能，包括饱和磁感应强度 密度达到7.71g·cm3:当烧结温度继续提高到 B,、最大磁导率以m、初始磁导率4、矫顽力H等，且um 1400℃，其密度几乎保持不变：继续提高烧结温度到 和H。是由最大磁场为6kA·m时磁滞回线得到的，得 1450℃，其密度可以在较短的时间内达到7.83g· 到的最大磁感应强度称为Bo cm3.这是由于当温度升高到1400℃以上时，8相的 产生使高温下原子扩散激活能较高，以及在相变点之 2结果与讨论 上烧结的Hedvall效应（随着相变温度附近的晶格松 2.1生坯密度与压制速度的关系 弛而扩散加速现象)等的综合结果，样品的烧结密度 图2为退火Fe粉在不同压制速度下的压坯密度. 会在较短时间内迅速提高，接近全致密.Bo是一个
工程科学学报，第 38 卷，第 5 期 温压成形［9］、高速压制［5］等． 其中粉末高速压制以其 具有压制生坯密度高、密度分布均匀以及产品综合性 能优异的特点而备受青睐［10--11］． 本文以雾化铁粉为原 料，利用粉末退火结合高速压制技术制备出密度为 7. 70 g·cm － 3的高密度压坯，系统研究烧结温度和烧结 时间对高密度压坯纯铁材料微观组织和磁性能的影 响，制备得到密度 ρ = 7. 85 g·cm － 3，最大磁导率达到 13. 60 mH·m － 1，饱和磁感应强度为 1. 87 T，矫顽力为 56. 5 A·m － 1的纯铁软磁材料． 1 实验 实验采用水雾化铁粉，铁粉粒度范围如表 1 所示． 将铁粉在管式炉中进行氢气气氛 700 ℃ 退火处理 2 h， 然后随炉冷却( 冷却速度大约为 5 ℃·min － 1 ) ，冷却到 室温后取出． 经过破碎、研磨及过 147 μm ( 100 目) 筛 子得到退火铁粉． 表 1 铁粉的粒度范围 Table 1 Particle size range of iron powder 粒度/μm ≤45 45 ～ 75 75 ～ 106 106 ～ 150 ≥150 比例/% 22 27. 1 28. 9 18. 4 3. 4 退 火 铁 粉 在 瑞 典 Hydropulsor AB 公 司 生 产 的 HYP35--2 型高速冲击成形压机上进行压制． 图 1 为 HYP35--2 型高速压机原理图． 其压制形状为 25 mm × 6 mm 的圆柱试样，压制能量按照下式计算: E = F × h． ( 1) 式中: h 为锤头冲程，mm; E 为压制能量，J; F = 33. 2 kN，为作用于锤头的液压驱动力． 锤头冲击速度公式 如下: v = 2E 槡m ． ( 2) 式中，v 为压制速度，m 为锤头质量． 对于 HYP35--2 型 高速压机来说，m = 42 kg，压制速度取 6. 2 ～ 9. 4 m·s － 1， 压制过程中使用模壁润滑，硬脂酸锂的丙酮溶液作为 润滑剂． 将 25 mm × 6 mm 的圆柱形状的压坯切成 25 mm × 15 mm × 6 mm 圆环形状的试样，并对其进行烧结，氢 气作为保护气体，将压制坯体试样在 1200、1300、1400 和 1450 ℃进行烧结． 利用 MATS--2010SD 软磁直流测 量装置测试样品的软磁性能，包括饱和磁感应强度 Bs、最大磁导率 μm、初始磁导率 μi、矫顽力 Hc等，且 μm 和 Hc是由最大磁场为 6 kA·m － 1时磁滞回线得到的，得 到的最大磁感应强度称为 B6000 ． 2 结果与讨论 2. 1 生坯密度与压制速度的关系 图 2 为退火 Fe 粉在不同压制速度下的压坯密度． 图 1 HYP35--2 型高速压机 Fig． 1 Schematic diagram of a HYP35--2 high velocity compaction machine 对于退火 Fe 粉，压坯密度随压制速度的增加而增加． 在 6. 2 m·s － 1的压制速度下，退火 Fe 粉的生坯密度为 7. 26 g·cm － 3 ; 当压制速度增加到 9. 4 m·s － 1时，退火铁 粉的压坯密度为 7. 70 g·cm － 3 ． 图 2 退火粉末高速压制密度曲线 Fig． 2 Green density of annealed powder during HVC 2. 2 烧结温度对显微组织与磁性能的影响 将高密度纯铁样品在不同温度下烧结 1 h，图 3 为 烧结温度对高密度纯铁样品密度和 B6000、μm和 Hc的关 系． 从图中可以看出: 当烧结温度为1200 ℃时，烧结体 密 度 达 到 7. 71 g·cm － 3 ; 当 烧 结 温 度 继 续 提 高 到 1400 ℃，其密度几乎保持不变; 继续提高烧结温度到 1450 ℃，其 密 度 可 以 在 较 短 的 时 间 内 达 到 7. 83 g· cm － 3 ． 这是由于当温度升高到 1400 ℃ 以上时，δ 相的 产生使高温下原子扩散激活能较高，以及在相变点之 上烧结的 Hedvall 效应( 随着相变温度附近的晶格松 弛而扩散加速现象) 等的综合结果，样品的烧结密度 会在较短时间内迅速提高，接近全致密． B6000 是一个 · 876 ·
董国强等：高速压制制备高密度纯铁软磁材料 ·679 结构不敏感型参量，因此对于一种给定的材料，它的大 小只与材料的密度有关，而与其微观组织结构无 7.80 关2-.从图3中可以看出，Bm随烧结温度的变化 7.75 趋势与密度几乎完全相同：当烧结温度在1200~ 7,70 1400℃之间时，Bm维持在1.81T左右；当高密度纯铁 7.65 1.86 样品在1450℃烧结1h,其Bm可以从1.80T升高到 1.85T.同时，随着烧结温度的升高，高密度纯铁样品 的磁导率提高，同时矫顽力下降：当烧结温度达到 1450℃时，样品的磁性能有显著提高，其最大磁导率 15 1.78 和矫顽力分别为12.43mHm和55.28Aml. 与饱和磁感应强度不同，矫顽力和磁导率是组织 9 敏感型参量，其数值的大小与材料的成分、密度和微观 34 组织有关：材料组织内部缺陷越少，晶粒尺寸越大，其 240 200 磁性能也就越高.图4是高密度样品在不同烧结温度 160 下的微观组织图.所有样品均表现为单相组织，孔隙 20 均匀分布在晶粒内部或晶粒边界上.图4(a)为初始 0 状态下样品的显微组织，平均晶粒尺寸较小 0 12001300 1400 150 烧结温度℃ (51.5μm):随着烧结温度从1200℃升高到1400℃， 图3烧结温度与密度及磁性能的关系 平均晶粒尺寸从85.6um增大到126.9um,如 Fig.3 Change of sinter density and magnetic properties with sinter 图4(b)~(d)所示：烧结温度提高到1450℃后，平均 temperature (a) 200m 200m 200um 200m e 200um 图4烧结温度与纯铁显微组织的关系.(a)生坯：(b)1200℃：(c)1300℃：(d)1400℃：(c)1450℃ Fig.4 Relation ofr microstructure with sintering temperature vs.:(a)green compact:(b)l200℃；(c)）1300℃：(d）l400℃；(e）l450℃
董国强等: 高速压制制备高密度纯铁软磁材料 结构不敏感型参量，因此对于一种给定的材料，它的大 小只与 材 料 的 密 度 有 关，而 与 其 微 观 组 织 结 构 无 关［12--13］． 从图 3 中可以看出，B6000 随烧结温度的变化 趋势与密度几乎完全相同: 当 烧 结 温 度 在 1200 ～ 1400 ℃之间时，B6000维持在 1. 81 T 左右; 当高密度纯铁 样品在 1450 ℃ 烧结 1 h，其 B6000可以从 1. 80 T 升高到 1. 85 T． 同时，随着烧结温度的升高，高密度纯铁样品 的磁导 率 提 高，同 时 矫 顽 力 下 降; 当烧结温度达到 1450 ℃时，样品的磁性能有显著提高，其最大磁导率 和矫顽力分别为 12. 43 mH·m － 1和 55. 28 A·m － 1 ． 与饱和磁感应强度不同，矫顽力和磁导率是组织 敏感型参量，其数值的大小与材料的成分、密度和微观 组织有关: 材料组织内部缺陷越少，晶粒尺寸越大，其 磁性能也就越高． 图 4 是高密度样品在不同烧结温度 下的微观组织图． 所有样品均表现为单相组织，孔隙 均匀分布在晶粒内部或晶粒边界上． 图 4( a) 为初始 状 态 下 样 品 的 显 微 组 织，平 均 晶 粒 尺 寸 较 小 ( 51. 5 μm) ; 随着烧结温度从 1200 ℃ 升高到 1400 ℃， 平均 晶 粒 尺 寸 从 85. 6 μm 增 大 到 126. 9 μm，如 图 4( b) ～ ( d) 所示; 烧结温度提高到 1450 ℃后，平均 图 3 烧结温度与密度及磁性能的关系 Fig． 3 Change of sinter density and magnetic properties with sinter temperature 图 4 烧结温度与纯铁显微组织的关系． ( a) 生坯; ( b) 1200 ℃ ; ( c) 1300 ℃ ; ( d) 1400 ℃ ; ( e) 1450 ℃ Fig． 4 Ｒelation of iron microstructure with sintering temperature vs． : ( a) green compact; ( b) 1200 ℃; ( c) 1300 ℃; ( d) 1400 ℃; ( e) 1450 ℃ · 976 ·
·680 工程科学学报，第38卷，第5期 晶粒尺寸长大到177.4um,如图4(e)所示.材料的平 和磁感应强度(Bo)在烧结1h后即达到1.85T,而矫 均晶粒尺寸越小，其磁性能越差.孔隙的存在能够阻 顽力和最大磁导率会在烧结4h后才达到最优，最大 碍磁畴地移动，因此孔隙能够降低材料的磁性能。从 磁导率达到13.60mH·m,饱和磁感应强度为1.87T, 图4(b)可以看出，烧结温度为1200℃时，材料的组织 矫顽力为56.50A·m'.这是由于Bo的数值仅仅与 较细小，孔隙较多且形状不均匀.随着烧结温度地增 材料的密度有关，而包括磁导率和矫顽力的组织敏感 加，材料孔隙减少，孔隙形状近圆形，如图4(b)~(). 型参量不仅取决于材料的密度，还与材料的组织结构 研究表明，材料中孔隙能够影响其矫顽力，大且近圆形 有关.图6为1450℃下不同烧结时间与纯铁显微组织 的孔隙能够降低矫顾力.相反，小且不均匀的孔隙能 的关系.由图6可以看出，随着烧结时间的延长，晶粒 够增加矫顽力.因此，对于高密度纯铁压坯来说，随着 不断长大.在烧结体达到致密后，由于烧结体内部晶 烧结温度地增加，其烧结密度也随之增加，且晶粒尺寸 粒不断继续长大，烧结体的组织敏感型参量的数值随 增大，孔隙减少，更加近圆形，进而增加其磁性能 烧结时间的延长会继续提高 2.3烧结时间对显微组织与磁性能的影响 3 图5是烧结温度为1450℃时高密度压坯的烧结 结论 时间与烧结密度、Bu.及H.的关系.从图5可以看 (1)利用粉末退火结合高速压制技术制备得到高 出，由于在1450℃下高温烧结，烧结体可以在较短的 密度纯铁压坯，其压坯密度最大可达到p=7.7g· 时间内达到致密：在烧结时间到达0.5h时，烧结体密 cm3,相对密度达到98.10%. 度达到7.83gcm3.继续延长烧结时间，材料的密度 (2)研究高密度纯铁压坯的烧结工艺，得到其合 基本不再发生变化.这是由于此时孔隙已经闭合，此 理的烧结工艺，1450℃烧结4h,其烧结体密度达到 时材料的致密化的实质主要是原子的扩散运动.烧结 7.85gcm3,相对密度为99.96%，最大磁导率达到 时间继续延长到8h以后，烧结体的密度会有一定的 13.60mHm,饱和磁感应强度为1.87T,矫顽力为 提高，但并不明显.由于Bom的变化只与密度有关，因 56.5Am1 此其变化规律与烧结体的密度变化规律一致.而随着 (3)研究烧结温度及烧结时间对纯铁软磁材料显 烧结时间的延长，矫顽力降低，最大磁导率升高。当烧 微组织和磁性能的影响：随着烧结时间的延长，烧结温 结时间超过4h后，烧结体的矫顽力为52.48A·m1, 度的提高，烧结体的烧结密度也随之增加，样品的晶粒 最大磁导率为13.60mH·m.继续延长烧结时间，烧 尺寸明显长大，孔隙发生合并长大，且孔隙数量减少， 结体的磁性能会继续提高，但已经没有明显的变化. 形状近圆形，最大磁导率和饱和磁感应强度增加，矫顽 如前所述，当烧结温度为1450℃时，高密度纯铁的饱 力下降 7.90 7.85 参考文献 7.80 115 D] Shokrollahi H,Janghorban K.Soft magnetic composite materials (SMCs).J Mater Process Technol,2007,189(1 -3)1 7.70 7.65 1.88 [2]Streckova M,MedveckyL',Fiizer J,et al.Design of novel soft Bs 1.86 magnetic composites based on Fe/resin modified with silica.Mater 1.84 Let,2013,101:37 1.82 B] LiP,Ao H.Qu X H.Present status of research on sintered soft 1.80 magnetic metallic materials by metal injection molding.Magn 15 1.782 Mater Devices,2004,35(5):8 12 (李平，敖晖，曲选辉.金属注射成形烧结软磁合金的研究状 9 况.磁性材料及器件.2004,35(5)：8) 4] Chauhan A,Vaish R.Magnetic material selection using multiple 240 attribute decision making approach.Mater Des,2012,36:1 200 [5] Skoglund P,Kejzelman M,Hauer I.High density P/M compo- 160 nents by high velocity compaction.Adv Pouder Metall Part Mater, 120 2002(4):4 80 Itoh T,Kusaka K,Wanibe Y.Quantitative evaluation of pores for 40 improvement in the characteristic properties ofsof magnetic mate- 烧结时间小 rials.Electr Furn Steel,2001,72(2):71. 图5烧结时间与密度及磁性能的关系 7]Namkung M,Bryant RG,Fox RL,et al.Magnetic and mechani- Fig.5 Change of sinter density and magnetic properties with sinte- cal properties of molded iron particle cores.IEEE Trans Magn, ring time 1996,32(5):4890
工程科学学报，第 38 卷，第 5 期 晶粒尺寸长大到 177. 4 μm，如图 4( e) 所示． 材料的平 均晶粒尺寸越小，其磁性能越差． 孔隙的存在能够阻 碍磁畴地移动，因此孔隙能够降低材料的磁性能． 从 图 4( b) 可以看出，烧结温度为 1200 ℃ 时，材料的组织 较细小，孔隙较多且形状不均匀． 随着烧结温度地增 加，材料孔隙减少，孔隙形状近圆形，如图 4( b) ～ ( e) ． 研究表明，材料中孔隙能够影响其矫顽力，大且近圆形 的孔隙能够降低矫顽力． 相反，小且不均匀的孔隙能 够增加矫顽力． 因此，对于高密度纯铁压坯来说，随着 烧结温度地增加，其烧结密度也随之增加，且晶粒尺寸 增大，孔隙减少，更加近圆形，进而增加其磁性能． 图 5 烧结时间与密度及磁性能的关系 Fig． 5 Change of sinter density and magnetic properties with sintering time 2. 3 烧结时间对显微组织与磁性能的影响 图 5 是烧结温度为 1450 ℃ 时高密度压坯的烧结 时间与烧结密度、B6000、μm及 Hc的关系． 从图 5 可以看 出，由于在 1450 ℃ 下高温烧结，烧结体可以在较短的 时间内达到致密: 在烧结时间到达 0. 5 h 时，烧结体密 度达到 7. 83 g·cm － 3 ． 继续延长烧结时间，材料的密度 基本不再发生变化． 这是由于此时孔隙已经闭合，此 时材料的致密化的实质主要是原子的扩散运动． 烧结 时间继续延长到 8 h 以后，烧结体的密度会有一定的 提高，但并不明显． 由于 B6000的变化只与密度有关，因 此其变化规律与烧结体的密度变化规律一致． 而随着 烧结时间的延长，矫顽力降低，最大磁导率升高． 当烧 结时间超过 4 h 后，烧结体的矫顽力为 52. 48 A·m － 1， 最大磁导率为 13. 60 mH·m － 1 ． 继续延长烧结时间，烧 结体的磁性能会继续提高，但已经没有明显的变化． 如前所述，当烧结温度为 1450 ℃ 时，高密度纯铁的饱 和磁感应强度( B6000 ) 在烧结 1 h 后即达到 1. 85 T，而矫 顽力和最大磁导率会在烧结 4 h 后才达到最优，最大 磁导率达到 13. 60 mH·m － 1，饱和磁感应强度为1. 87 T， 矫顽力为 56. 50 A·m － 1 ． 这是由于 B6000的数值仅仅与 材料的密度有关，而包括磁导率和矫顽力的组织敏感 型参量不仅取决于材料的密度，还与材料的组织结构 有关． 图 6 为 1450 ℃下不同烧结时间与纯铁显微组织 的关系． 由图 6 可以看出，随着烧结时间的延长，晶粒 不断长大． 在烧结体达到致密后，由于烧结体内部晶 粒不断继续长大，烧结体的组织敏感型参量的数值随 烧结时间的延长会继续提高． 3 结论 ( 1) 利用粉末退火结合高速压制技术制备得到高 密度纯 铁 压 坯，其 压 坯 密 度 最 大 可 达 到 ρ = 7. 7 g· cm － 3，相对密度达到 98. 10% ． ( 2) 研究高密度纯铁压坯的烧结工艺，得到其合 理的烧结工艺，1450 ℃ 烧结 4 h，其烧结体密度达到 7. 85 g·cm － 3，相对密度为 99. 96% ，最大磁导率达到 13. 60 mH·m － 1，饱和磁感应强度为 1. 87 T，矫顽力为 56. 5 A·m － 1 ． ( 3) 研究烧结温度及烧结时间对纯铁软磁材料显 微组织和磁性能的影响: 随着烧结时间的延长，烧结温 度的提高，烧结体的烧结密度也随之增加，样品的晶粒 尺寸明显长大，孔隙发生合并长大，且孔隙数量减少， 形状近圆形，最大磁导率和饱和磁感应强度增加，矫顽 力下降． 参 考 文 献 ［1］ Shokrollahi H，Janghorban K． Soft magnetic composite materials ( SMCs) ． J Mater Process Technol，2007，189( 1 － 3) : 1 ［2］ Strecková M ˇ ，MedveckL’，Füzer J，et al． Design of novel soft magnetic composites based on Fe / resin modified with silica． Mater Lett，2013，101: 37 ［3］ LiP，Ao H，Qu X H． Present status of research on sintered soft magnetic metallic materials by metal injection molding． J Magn Mater Devices，2004，35( 5) : 8 ( 李平，敖晖，曲选辉． 金属注射成形烧结软磁合金的研究状 况． 磁性材料及器件． 2004，35( 5) : 8) ［4］ Chauhan A，Vaish Ｒ． Magnetic material selection using multiple attribute decision making approach． Mater Des，2012，36: 1 ［5］ Skoglund P，Kejzelman M，Hauer I． High density P /M components by high velocity compaction． Adv Powder Metall Part Mater， 2002( 4) : 4 ［6］ Itoh T，Kusaka K，Wanibe Y． Quantitative evaluation of pores for improvement in the characteristic properties of soft magnetic materials． Electr Furn Steel，2001，72( 2) : 71． ［7］ Namkung M，Bryant Ｒ G，Fox Ｒ L，et al． Magnetic and mechanical properties of molded iron particle cores． IEEE Trans Magn， 1996，32( 5) : 4890 · 086 ·
董国强等：高速压制制备高密度纯铁软磁材料 ·681 400Hm 400μm (c) d 400μm 400um 400μm 图6烧结时间与纯铁显微组织的关系.(a)0.5h:(b)1h:(c)2h:(d)4h:(c)8h Fig.6 Relation of iron microstructure with sintering time:(a)0.5h:(b)Ih:(e)2h:(d)4h;(e)8h [8]Gao X,Yuan Y,Zhang D J,et al.Influence of double press/ paction technology.Mater China.2010,29(2):45 double sinter processing on sintered alloys made from pre-alloyed (曲选辉，尹海清.粉末高速压制技术的发展现状.中国材 steel powder.J Cent South Unir Sci Technol,2011,42(9):2628 料进展，2010,29(2)：45) (高翔，袁勇，张德金，等.复压复烧对预合金钢粉烧结材料性能 [11]Jonsen P,Haggblad H A,Troive L,et al.Green Body behaviour 的影响.中南大学学报（自然科学版），2011,42(9)：2628) of high velocity pressed metal powder.Mater Sci Forum,2007, 9]Li YY,Xiao Z Y,Ni D H,et al.Research progress in warm 534:289 compaction forming technology.South China Unie Technol Nat [12]Moyer K H.Effects of porosity on magnetic properties.Porder Sci Ed,2002,30(11):15 Metall Int,1979,11(1):29 (李元元，肖志瑜，倪东惠，等.温压成形技术的研究进展 [13]Guo G C.Liquid Phase Sintering Powder Metallurgy Materials 华南理工大学学报（自然科学版），2002,30(11)：15) Beijing:Chemical Industry Press,2003 [10]Qu X H,Yin H Q.Development of powder high velocity com- (郭庚辰液相烧结粉末治金材料.北京：化学工业出版社，203)
董国强等: 高速压制制备高密度纯铁软磁材料 图 6 烧结时间与纯铁显微组织的关系． ( a) 0. 5 h; ( b) 1 h; ( c) 2 h; ( d) 4 h; ( e) 8 h Fig． 6 Ｒelation of iron microstructure with sintering time: ( a) 0. 5 h; ( b) 1 h; ( c) 2 h; ( d) 4 h; ( e) 8 h ［8］ Gao X，Yuan Y，Zhang D J，et al． Influence of double press/ double sinter processing on sintered alloys made from pre-alloyed steel powder． J Cent South Univ Sci Technol，2011，42( 9) : 2628 ( 高翔，袁勇，张德金，等． 复压复烧对预合金钢粉烧结材料性能 的影响． 中南大学学报( 自然科学版) ，2011，42( 9) : 2628) ［9］ Li Y Y，Xiao Z Y，Ni D H，et al． Ｒesearch progress in warm compaction forming technology． J South China Univ Technol Nat Sci Ed，2002，30( 11) : 15 ( 李元元，肖志瑜，倪东惠，等． 温压成形技术的研究进展． 华南理工大学学报( 自然科学版) ，2002，30( 11) : 15) ［10］ Qu X H，Yin H Q． Development of powder high velocity compaction technology． Mater China，2010，29( 2) : 45 ( 曲选辉，尹海清． 粉末高速压制技术的发展现状． 中国材 料进展，2010，29( 2) : 45) ［11］ Jonsén P，Hggblad H ，Troive L，et al． Green Body behaviour of high velocity pressed metal powder． Mater Sci Forum，2007， 534: 289 ［12］ Moyer K H． Effects of porosity on magnetic properties． Powder Metall Int，1979，11( 1) : 29 ［13］ Guo G C． Liquid Phase Sintering Powder Metallurgy Materials． Beijing: Chemical Industry Press，2003 ( 郭庚辰． 液相烧结粉末冶金材料． 北京: 化学工业出版社，2003) · 186 ·