软磁材料的MIM

目录

• 21.1 介绍

• 21.2 Fe-6.5Si

• 21.2.1 实验步骤

• 21.2.2 相对密度、硬度、平均晶粒度和化学成分

• 21.2.3 磁性

• 21.3 Fe-9.5Si-5.5Al

• 21.3.1 实验步骤

• 21.3.2 气体雾化粉末压块的磁性

• 21.3.3 气体雾化和水雾化粉末压块的不同磁性

• 21.4 Fe-50Ni

• 21.4.1 实验步骤

• 21.4.2 磁性

• 21.4.3 磁性的改善

• 21.5 结论

21.1 介绍

本章将介绍三种不同注塑材料的软磁性能。软磁材料因其高磁感应和小磁场而被用于电机、变压器、传感器等电磁应用。最近，要求这些部件尺寸小、产量高、效率高。为了实现这些特性，软磁材料需要在高频下使铁损耗最小化。因此，在本章中，以下将讨论三种类型的铁磁材料，它们是铁磁工业应用中最有吸引力的材料。

第一类是Fe-6.5Si。该合金具有优异的软磁性能；然而，Fe-6.5Si合金已成为众所周知的脆性材料，因此其变形性能较差。粉末冶金是生产复杂形状零件的有效方法，并且通过将涡流区域细分为小颗粒来减少高频涡流损耗。然而，通过粉末的常规模压成型很难获得高密度。人们希望金属粉末注射成型（MIM）可以成为一种适用于复杂形状零件的加工技术，即使在使用硬脆材料时也是如此。由于MIM可实现高密度，MIM压块的磁性有望优于传统的模压烧结压块。在第一节中，将讨论Fe-6.5Si MIM零件的各种磁性，作为粉末类型、加工技术等的函数。

第二类是Fe-9.5Si-5.5Al。Fe-Ni和Fe-Si合金是众所周知的软磁材料。具体而言，Fe-9.5Si-5.5Al合金被称为Sendust，由于其高磁导率、高磁通密度以及高耐磨性，适合用作录像机的磁头。然而，这种合金的应用由于其较差的可加工性而受到限制。在第二节中，将讨论通过MIM工艺生产Fe-9.5Si-5.5Al合金的可行性，以及注射成型压块的软磁性能。特别是，详细研究了不同类型的粉末、粒度和杂质（如碳和氧）对磁性的影响，以通过改变工艺条件获得高性能的磁性；此外，还将考虑微观结构，讨论影响性能的一些因素。

表格 21.1 Fe-6.5Si的特性

第三种是Fe-50Ni。对于Fe-50Ni（坡莫合金）的MIM工艺，使用混合元素粉末和预合金粉末作为原料。在混合元素粉末的情况下，难以获得高的相对密度，因为烧结是在奥氏体的区域进行的，对于该区域，扩散率低。另一方面，由于烧结在铁素体区域进行，预合金粉末的相对密度可能较高。此外，预合金粉末压块的微观结构似乎比混合元素粉末压块更均匀。因此，在本章的最后一节中，将讨论混合元素和预合金粉末对注射成型坡莫合金磁性的影响。

21.2 Fe-6.5Si

21.2.1 实验步骤

本研究中使用的金属粉末是三种类型的预合金化Fe-6.5%Si粉末。表21.1显示了这些粉末的特性。使用具有不同氧含量的水和气体雾化粉末。根据不同的雾化方法和氧含量，这些粉末被表示为WH、GM和GL。将每种粉末和基于蜡的多组分粘合剂体系（石蜡（69%）、聚丙烯（20%）、巴西棕榈蜡（10%）和硬脂酸（1%））在423K下混合3.6k，粉末负载量为65%。

图 21.1 脱脂和烧结程序

表格 21.2 烧结条件

为了研究磁性能，通过注射成型生产了环形压块。空腔尺寸为外径45mm，内径30mm，厚度5.6mm。生坯在正庚烷气氛中在348K下脱粘18k，然后在氢气气氛中进行热脱粘。在氢气氛中使用电炉在1423-1623 K下烧结1-3小时。图21.1显示了热脱脂和烧结步骤的热模式，表21.2列出了烧结条件。未进行二次热处理。

通过阿基米德法测量密度、硬度测试（HRa）、光学观察、碳和氧的元素分析以及对每个烧结压块进行磁性表征。

21.2.2 相对密度、硬度、平均晶粒度和化学成分

图 21.2 相对密度和烧结温度之间的关系

图 21.3 硬度相对于相对密度的变化

相对密度和烧结温度之间的关系如图21.2所示。所有压块的烧结密度都随着烧结温度的增加而增加。特别是，即使在较低的烧结温度下，GL的烧结密度也高于其他材料。硬度和相对密度之间的关系如图21.3所示。硬度也随着相对密度的增加而增加

图21.4显示了在1623 K下烧结3小时的压块的未蚀刻和蚀刻横截面的光学显微照片。平均晶粒尺寸和相对密度之间的关系如图21.5所示。GL的晶粒尺寸似乎是其他压块的十倍。这被认为是因为烧结的中间阶段（高致密化）在短时间内结束，而烧结的后期（晶粒生长）开始，因为粉末的氧含量低。

图 21.4 在1623K下烧结3小时的压块的光学显微照片

图 21.5 平均粒径与相对密度之间的关系

图 21.6 碳含量与相对密度之间的关系

图 21.7 氧含量与相对密度之间的关系

烧结压块的碳含量与相对密度之间的关系如图21.6所示，氧含量与相对浓度之间的关系见图21.7。在这两种情况下，碳和氧含量都不受相对密度的影响。如表21.1所示，高密度压块的碳含量似乎远低于原粉。WH和GL的氧含量也比原粉降低，但GM的氧含量增加，导致密度降低。通常，磁性主要受杂质的影响，因此GL的高纯度有望显示出高磁性。

21.2.3 磁性

优秀的软磁材料表现出高磁感应（B）（Lall，1992）、高最大磁导率（μm）、低矫顽力（HC）和低磁心损耗（WB/F）。将Fe-6.5%Si锻造材料的磁性与烧结压块的磁性进行了比较。

磁感应（B100）和相对密度之间的关系如图21.8所示。在所有压块中，磁感应与其相对密度成比例增加。此外，密度更高的压块表现出高的磁感应，相当于锻造材料的值。最大渗透率（μm）与相对密度之间的关系如图21.9所示。最大渗透率随相对密度的增加而增加。矫顽力（HC）与相对密度之间的关系如图21.10所示。矫顽力随相对密度的增加而降低，GL值低于其他值。这些结果表明，具有高密度和高纯度的烧结体表现出良好的磁性。

图21.11和21.12显示了作为相对密度的函数的磁滞损耗（Kh）和涡流损耗（Ke）。这些损耗（Kh和Ke）与密度之间没有明显的强关系，但WH的涡流损耗低于其他损耗。图21.13显示了三种类型试样在不同频率下的铁损失（WB/F），相对密度约为0.97。虽然较低频率下的铁损几乎相同，但较高频率下的差异很大。WH的铁损显示最小值，这被认为是因为涡流损耗对铁损的影响很大。在这种情况下，不仅纯度，而且平均晶粒尺寸似乎对磁性有影响。因此，提高密度和控制晶粒生长对于获得优异的磁性是必要的。

图 21.8 磁感应和相对密度之间的关系

图 21.9 相对密度对最大渗透率的影响

图 21.10 矫顽力相对于相对密度的变化

图 21.11 每个试样的滞后损失

图 21.12 每个试样的涡流损失

图 21.13 所选试样在不同频率下的铁损失

表格 21.3 Fe-9.5Si-5.5A1的化学成分

21.3 Fe-9.5Si-5.5Al

21.3.1 实验步骤

气体雾化粉末（平均粒径：12.7μm）用于研究。粉末的化学成分如表21.3所示。首先将粉末与蜡基多组分粘合剂（石蜡（69%）、聚丙烯（20%）、巴西棕榈蜡（10%）和硬脂酸（1%））在423 K下混合3.6 K。在注射成型后，使用在正庚烷中在348K下进行18k的冷凝溶剂中的萃取脱脂来部分去除蜡组分。在该处理之后，在1103K的氢气中进行最终热脱脂。烧结在1473-1543 K下在氢气或真空中进行3.6 K。烧结压块被加工成外径为9mm、内径为6mm、厚度为3mm的环形，压块在真空中在1173K下退火21.6ks以消除残余应力。最大磁通密度（B10）、残余磁通密度（Br）和矫顽力（Hc）通过B-H环示踪剂测量。显微结构也通过光学显微镜检查。

21.3.2 气体雾化粉末压块的磁性

图21.14显示了烧结气氛和温度对使用气体雾化粉末注射成型Sendust合金压块相对密度的影响。尽管在氢气和真空中低温烧结的压块之间有少许差异，但在1523K以上，两种密度都达到理论密度的98%。

图 21.14 烧结温度和气氛对使用气体雾化粉末的MIM-Sendust合金压块密度的影响

图21.15显示了在真空和氢气中在不同温度下烧结的压块的微观结构。在1473和1493K下烧结的两种压块都显示出许多孔隙。另一方面，在1523K下烧结的压块表现出相对较高的致密化，并且仍然保持较小的晶粒尺寸。在1543K下烧结的压块清楚地显示出由于液相烧结导致的晶粒生长，并且压块显示出一些变形。因此，注射成型压块的最佳烧结温度似乎为1523K。

图 21.15 在真空和氢气中在不同温度下烧结的MIM-Sendust合金压块的微观结构

图21.16显示了真空和氢气中在不同温度下烧结的压块的磁性，如最大磁通密度（B10）、残余磁通密度（Br）和矫顽力（Hc）。通常，高B10、Br和Hc适用于软磁材料。在图21.16中，B10值变化不大，但Br和Hc随烧结温度的升高而降低。降低Br和Hc是一种有利的趋势，但其值相对低于锻造材料的值。

通常，磁性受到晶粒尺寸和杂质（如碳和氧）的强烈影响（Lall，1992）。图21.17显示了在不同温度下烧结的压块的晶粒尺寸。除了液相烧结压块（在1547 K下），晶粒尺寸几乎没有变化。大多数与原始粉末粒度相似。另一方面，烧结后碳含量从0.02质量%显著降低至0.003质量%，但氧含量从0.09质量%显著增加至0.27质量%。从这些结果来看，小晶粒尺寸和大量残留氧化物似乎阻止了畴壁迁移，导致软磁材料的磁性不足。

图 21.16 烧结温度和气氛对使用气体雾化粉末的MIM-Sendust合金压块的磁性能的影响

图 21.17 烧结温度和气氛对MIM-Sendust合金压块晶粒尺寸的影响

为了避免脱粘和烧结过程中的氧化，进行了结合脱粘和烧成步骤的连续工艺，加热条件如图21.18所示。图21.19显示了通过常规和连续工艺烧结的压块的磁性。即使通过改变工艺，B10值也几乎没有变化。然而，Br和Hc通过连续过程显著降低。特别是，连续工艺的有效性似乎在低烧结温度下显现。

图 21.18 （A）常规加热条件。（B） 连续流程

图 21.19 连续工艺对使用气体雾化粉末的MIM-Sendust合金压块磁性的影响

图21.20显示了传统和连续工艺烧结压块的相对密度。在连续工艺的情况下，在低烧结温度下发生明显的高致密化。图21.21显示了通过常规和连续工艺烧结的压块的微观结构。正如预期的那样，对于连续工艺，在真空中的较低温度和在氢气中的相似温度下，存在显著的晶粒生长。然而，对于常规工艺，即使通过提高温度，晶粒尺寸也几乎没有变化。

图 21.20 工艺条件对MIM-Sendust合金压块密度的影响

图 21.21 不同工艺生产的MIM-Sendust合金压块的显微组织

对于连续工艺，获得了低氧含量和大晶粒尺寸，如图21.22所示。这有助于改善注射成型Sendust合金的软磁性能。

图 21.22 不同工艺生产的MIM-Sendust合金压块的晶粒尺寸和氧含量

21.3.3 气体雾化和水雾化粉末压块的不同磁性

图21.23显示了烧结温度对使用水和气体雾化粉末的注射成型压块的密度、硬度和碳含量的影响。密度和硬度随着温度的升高而增加，压块之间的差异很小。另一方面，在不同温度下烧结的水和气体雾化粉末压块的磁性如图21.24所示。B10变化不大。但是，粉末压块之间的Br和Hc非常不同。水雾化粉末压块显示出相对较差的磁性。

图 21.23 烧结温度对使用气体和水雾化粉末的MIM-Sendust合金压块的密度、硬度和碳含量的影响

图 21.24 烧结温度对使用气体和水雾化粉末的MIM-Sendust合金压块的磁性能的影响

图21.25显示了在不同温度下烧结的两种粉末压块的微观结构。即使在高烧结温度下，水雾化粉末压块也显示出细晶粒尺寸。此外，图21.26显示了收到的粉末和烧结体的碳和氧含量。烧结后，水雾化粉末压块的碳含量在标准下充分降低。然而，氧含量没有降低。具体而言，水雾化粉末压块仍然保持高氧含量。因此，如表21.4所示，水雾化粉末压块表现出相对较差的磁性。另一方面，气体雾化粉末压坯表现出优异的性能；如前所述，由于氧化物含量少且晶粒粗大，其性能接近锻造材料。

图 21.25 使用气体和水雾化粉末，在不同温度下烧结的MIM-Sendust合金压块的微观结构

图 21.26 粉末和烧结体的碳和氧含量

表格 21.4 不同工艺生产的Sendust合金的磁性

表格 21.5 Fe-50Ni的化学成分

21.4 Fe-50Ni

21.4.1 实验步骤

制备气体雾化粉末作为预合金粉末，并以50:50的比例混合羰基铁粉和雾化镍粉末作为混合元素粉末。每种粉末的组成如表21.5所示。粘合剂由石蜡（69质量%）、聚丙烯（20质量%），巴西棕榈蜡（10质量%）和硬脂酸（1质量%）组成，如前所述。将粉末和粘合剂以60:40的比例混合，并在418K下捏合1.8ks。通过注射成型机制备盘式试样（直径30mm，高度8.3mm），并进行溶剂脱脂以去除蜡成分。最后，在氢气气氛中连续进行热脱脂和烧结。烧结后，测量相对密度以及碳和氧的量。还制备了环形试样（外径：23mm，内径：13mm，厚度：6.5mm）用于测量磁性，并在氢气氛中在1373 K下退火7.2 K以去除工作应变。

21.4.2 磁性

预合金粉末压块和混合元素粉末压块的烧结密度如图21.27所示。随着烧结温度的升高，烧结密度也增加。对于所有烧结温度，与预合金粉末相比，混合元素粉末显示出更高的烧结密度。每种烧结温度下两种压块的光学显微结构如图21.28所示。在1473K烧结的预合金粉末压块的情况下，观察到许多连接的孔隙。然而，连接孔的数量随着烧结温度的增加而减少，并且在1623K（显示高密度）时，观察到圆形孔。另一方面，混合元素粉末压块在所有烧结温度下都显示出细小的圆形孔。随着烧结温度的升高，两种粉末的晶粒尺寸都增加到相同的程度。对于在1623K下烧结的压块，混合元素粉末压块显示出大的晶粒尺寸。镍和铁的偏析可能导致混合元素粉末压块的微观结构不均匀；然而，光学显微镜没有观察到。

图 21.27 烧结温度对MIM Fe-50质量%Ni压块烧结密度的影响

图 21.28 MIM Fe-50质量%Ni压块在不同温度下在氢气中烧结3.6ks的微观结构

在讨论软磁特性时，通常估计最大磁导率、矫顽力和饱和磁通密度。对于软磁材料，退磁需要高的最大磁导率和低的矫顽力。图21.29显示了上述特征的结果。两种粉末压块的最大渗透率随烧结温度的升高而增加。然而，混合元素粉末显示出显著更低的最大渗透率值。此外，就矫顽力而言，可以解释为预合金粉末压块显示出更好的磁性。另一方面，两种粉末压块的饱和磁通密度显示出近似恒定的值。这证明了混合元素粉末压块具有良好的磁性。

图 21.29 烧结温度对MIM Fe-50质量%Ni压块磁性能的影响

21.4.3 磁性的改善

在磁性特性中，已知最大磁导率和矫顽力易受晶粒尺寸和杂质（特别是间隙元素，如C、O、P和N）的影响。因此，分析了烧结后剩余的碳和氧的量，结果如图21.30所示。两种粉末的碳量都被抑制在低水平；然而，与预合金粉末压块相比，混合元素粉末压块中的氧含量显著较高。因此，为了改善混合元素粉末压块的磁性，对以下两点进行了进一步的研究。

图 21.30 烧结温度对MIM-Fe-50质量%Ni压块碳和氧含量的影响

如前所述，光学显微镜未观察到非均匀微观结构，但电子探针微分析仪（EPMA）专门研究了每种元素的扩散程度（或浓度分布）。结果如图21.31所示。对于在873K下加热的混合元素粉末压块，观察到每个粉末颗粒（Fe和Ni）的原样；这意味着Fe和Ni的扩散不会发生。在1273K时，由于元素的扩散发生在部分区域上，因此发现了不均匀的微观结构。然而，在1623K时，混合元素粉末压块显示出颗粒的均匀浓度分布和均匀的微观结构，然后没有看到磁性的退化。

图 21.31 在各种条件下烧结的MIM Fe-50质量%Ni压块的EPMA线分析

随后，对氧减量的影响进行了研究。首先，研究了热脱脂的加热速率对氧含量的影响。采用图21.32所示的加热模式（加热速度为4 K/min，直到874 K，保持60秒，然后以10 K/min加热至烧结温度）。为了促进在氢气氛中的脱氧，将压坯在773K和873K下保持3.6ks；然而，如图21.32所示，未确认氧气量的减少。压块也以2K/min缓慢加热至873K；然而，氧的量没有改变。从前面的结果可以看出，升温至烧结温度不会导致氧气量的减少。

图 21.32 加热条件对MIM-Fe-50质量%Ni压坯氧含量的影响

接下来，尝试使用高碳羰基铁粉（包括0.8质量%的碳）促进脱氧，如表21.6所示。结果如图21.33所示。氧气量从0.14%减少到0.01%，并且还确认与低碳羰基铁粉相比，碳量没有变化。所有压块的磁性如图21.34所示。烧结在1623 K下进行3.6 K，因为这是获得混合元素粉末压块良好磁性的条件。高碳羰基铁粉具有较高的最大磁导率和较低的矫顽力；因此，可以通过降低混合元素粉末压块的氧含量来改善磁性。与预合金粉末压块相比，还获得了良好的矫顽力。然而，最大渗透率没有得到改善，因此调查了最大渗透率低的原因。

图 21.33 粉末类型对MIM Fe-50质量%Ni压块杂质含量的影响

表格 21.6 高碳羰基铁粉的化学成分

图 21.34 使用不同粉末的MIM Fe-50质量%Ni压块的微观结构和磁性

粉末之间的差异是颗粒尺寸，对于混合元素粉末，颗粒尺寸大于约30，并且对于颗粒尺寸的小差异，最大渗透性没有明显差异。据报道，Fe-Ni体系中的有序晶格是由冷却速率形成的，渗透率降低（Konuma，1996），因此进行了X射线衍射测试。由于FeNi3的定量很困难，在两种粉末压块中都确认了FeNi3形成。因此，为了抑制FeNi3的形成，尝试在退火后提高冷却速率，并研究了对磁性的影响。结果如图21.35所示。预合金粉末压块的磁性不受冷却速度的影响。另一方面，通过淬火显著改善了混合元素粉末压块的磁性。更准确地说，在退火后的低冷却速率的情况下，在混合元素粉末压块中形成许多FeNi3相，并且最大磁导率降低。原因尚不清楚，应对此进行具体调查。最后，如果优化了热处理条件，与预合金粉末压块相比，混合元素粉末压块的磁性也可以得到改善。

图 21.35 退火后快速冷却对MIM-Fe-50质量%Ni压块组织和磁性的影响

21.5 结论

用三种不同氧含量的预合金化Fe-6.5Si粉末制备了Fe-6.5Si:MIM压块，并对其烧结性能和磁性进行了研究。低氧压块的相对密度高于其他压块；然而，晶粒生长明显更高。使用低氧粉末的压块在烧结后也显示出高纯度。较低的氧压块表现出较高的最大渗透率和矫顽力；然而，在较高的频率下，出现了显著的晶粒生长并增加了铁损失。高密度和控制晶粒生长是获得最佳软磁性能所必需的。

Fe-9.5Si-5.5Al：注射成型Sendust合金压块的性能和微观结构强烈取决于粉末类型和工艺参数。特别是，晶粒尺寸和残留氧化物是影响磁性的主要因素。结合了脱脂和烧结步骤的连续工艺为气体雾化和水雾化粉末压块提供了98%的理论密度。然而，水雾化压块显示出细粒度和大量残留氧化物，导致磁性较差。另一方面，即使在相同的烧结条件下，气体雾化粉末压块也显示出粗晶粒尺寸和氧化物的减少，这提供了接近锻造材料的优异磁性。

研究了用不同原料粉末通过MIM工艺制备的Fe-50Ni:Perm合金的磁性能。预合金粉末压块显示出约94%的低相对密度，并且可以将剩余的碳和氧量抑制在低水平。对于混合元素粉末压块，与预合金粉末压块相比，获得了96%的高相对密度，并且没有观察到Fe和Ni的偏析。然而，氧气量显著增加，并且没有获得如此好的磁性。通过使用包括高碳的羰基铁粉，可以抑制混合元素粉末压块中烧结后的氧量，因为碳促进脱氧。然而，没有看到磁性的改善。对于混合元素粉末压块，金属间化合物FeNi3的形成是一个问题，退火后淬火改善了磁性；认为热处理条件的优化是一个非常重要的因素。