способ изготовления магнитов из порошковых материалов на основе системы железо-хром-кобальт

Формула изобретения

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.%.

Описание изобретения к патенту

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 (K_IC) примерно 3 МПа·м ^1/2, ударную вязкость (КС) не менее 100 кДж/м ², 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/см ³.

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 (K _IC) 3,1 МПа·м^1/2, ударную вязкость (КС) 105 кДж/м², коэрцитивную силу (Нс) 67 кА/м и магнитную индукцию (Br) 1,31 Т.

Повышение надежности (K_IC 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