UHT烧结粉末金属工艺:软磁新性能材料

发布的弗兰Hanejko- 2022年3月8日

烧结是一种极具开发潜力的粉末冶金工艺步骤。

我们之前讨论过高温烧结如何可以使您的直流电磁元件的性能达到传统烧结无法达到的水平匹配。通过粉末冶金技术的最新进展,如超高温烧结(UHTS),我们可以实现更大的大跃进是可能的:

  • 电磁改进了快速响应时间的设计
  • 永磁转子高强度设计
  • 永磁定子磁性更高饱和度和渗透率
  • 其它直流电机设计
继续阅读,看看你的产品的潜力在哪里:

传统烧结粉末金属工艺的不足之处?

当然,不先解释一下,我们不能吹捧超高温烧结的伟大之处常规烧结工艺在标准温度下。如果您已经熟悉烧结,请跳到下一节!

烧结粉末金属工艺,颗粒在低于粉末主要元素熔点的温度下融合成固体或多孔体(烧结颈形成)。

烧结就像冰块在一杯水中融化一样。冰在水中停留的时间越长,就越难把冰块分开。

一个烧结的优点它是否能够使合金添加物完全或部分扩散到基体材料中增强实力或其他关键要求一种烧结金属。

(视频由TAT Technology的Harb Nayar提供)


让我们专注于烧结金属零件制成软磁铁粉目标是:

  1. 从粉盒中取出润滑剂
  2. 降低粉末表面的氧含量。
  3. 在相邻的粉末颗粒之间创建烧结颈
  4. 完全或部分扩散添加元素,如石墨、镍、铜等。

铁粉的典型烧结温度为2050°F,持续10-60分钟。

添加石墨就是一个很好的例子需要将添加剂扩散和均质到粉末中。最常见的是,模压亚铁粉末生产几乎没有结合碳。合金碳降低了可压缩性,限制了潜在密度(这影响磁性和机械性能,正如你将在下面学到的)。

然而,无碳部件将不具备许多应用所需的强度。所以,石墨被添加到粉末混合物中。

铜是用于许多PM零件的另一种元素合金,原因大致相同。不幸的是,一旦初始扩散发生,铜的后续扩散就会减慢。其他元素(如镍)只会部分扩散,因为它们的熔点更高。

是的,你可以预合金这些元素,但有权衡和限制要考虑的,包括密度和合金的选择。

粉末冶金研究进展:高温烧结

超过90%的粉末金属零件是在2050 F°烧结的。研究粉末冶金中超出标准的烧结类型,显示出原子在粒子界面上扩散增加的潜力。这导致了更大的烧结颈形成和更多的孔隙圆形。此外,单质合金添加物的均质性得到增强,具有更高性能的潜力。

这两个概念都暗示着更强的机械或直流磁性能用烧结软磁材料制成的零件。高温烧结还允许使用更创新的粉末金属材料。我们称之为烧结软磁材料(SSMs),它们因以下原因而声名狼藉:

  • 更好的硬度
  • 潜在降低原材料成本
  • 在相同(甚至更高)水平的机械和磁性!


超高温烧结

超高温烧结(UHTS)的定义是烧结铁粉在温度接近2500°F

高温烧结的好处被UHTS增强了。这种新工艺极大地促进了烧结颈的形成和合金的均质化。此外,粉末添加物的使用也得到了扩展——即使是那些通常不与传统的亚铁粉末相关联的粉末更大的物业改善

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最近,地平线科技公司欧洲杯手机投注法国葡头牙欧洲杯亚盘合作开发了在UHTS烧结铁粉部件的技术。有什么是传统高温烧结做不到的?超高温烧结使合金设计具有更大的灵活性,以满足独特的项目要求。

改善属性

烧结软磁材料的性能如下旨在平衡机械和磁性性能。

Chart_BH_Curve-sintered-soft-magnetic-material-at-various-densities-1这种先进的热处理工艺允许:

  • 使用高磁导率金属合金(镍、硅钢)
  • 提高铁、镍、不锈钢等的烧结温度,提高饱和感应(通量密度)
  • 改进直流电机速度控制

响应时间通常为与磁导率相关—渗透率越高,响应时间越快。从纯铁转化为铁-磷——或者更好的是,转化为铁-硅——可以增加渗透性和密度。

Chart_Permeability_vs_Saturation_Induction-Chart_BH_Curve-sintered-soft-magnetic-material-at-various-densities-1

为什么要关心高密度呢?有几个原因,但为了磁性性能,知道的一个优点涉及到最大的感应。

低密度粉末金属部件似乎可以提供必要的性能,但由于使用了强磁铁,可能会有flux泄漏。捕获多余的通量通常需要增加第二个部分或增加现有部分的质量。换一种材料和工艺,促进更高的密度可能会让你将一个由两部分组成的组装减少为一个。

改善机械软磁材料性能研究

你不仅可以拥有含有元素的预合金材料的组合,你还可以得到显著增强的原子扩散和均质化。该技术具有更大的孔隙圆度,具有更好的静态和动态特性,例如:

  • 抗拉强度
  • 抗疲劳强度
  • 冲击强度

烧结粉末金属工艺-高温2300 vs 2500度-孔隙圆弧分析让我们来看看UHTS的扩孔效果。上图是地平线公司开发的一种专利合金的未经蚀刻的显微照片,欧洲杯手机投注烧结温度为2300°F(左)和2500°F(右)。两种样品的烧结密度基本相同(7.1 g/cm³)。然而,在左边你可以看到大量的细孔或多或少勾勒出先前的颗粒边界。在右侧,先前颗粒边界的轮廓减少,孔隙度的外观更圆润,细孔数量减少。

与传统高温烧结相比,这对UHTS的力学性能意味着什么?

相关文章:可制造性设计考虑-烧结软磁

软磁材料机械性能:2300°F vs. UHTS

目前公认的黑色金属热处理工艺取决于等级:

材料

合金

热处理

密度,g / cm³

反式。破裂强度,psi

屈服强度,psi

拉伸强度,psi

伸长

fc - 0208

Iron-Copper-Carbon

传统的烧结

7.2

155000年

65000年

75000年

< 1%

fc - 0208

Iron-Copper-Carbon

常规烧结热处理

7.2

150000 -

没有确定的屈服点

105000年

< 1%

fn - 0205

Iron-Nickel-Carbon

常规烧结热处理

7.1

185000年

130000年

145000年

< 1%

fln2 - 4405 Iron-Molybdenum-Nickel-Carbon

烧结温度为2300°F

7.1

305000年

125000年

162000年

1.5%

fln2 - 4405

Iron-Molybdenum-Nickel-Carbon

在2500°F烧结

7.1

350000年

185000年

215000年

1.7%

最终抗拉强度从162,000 psi增加到215,000 psi。同样重要的是UHTS样品的伸长特性得到了改善。伸长率是一个很好的衡量标准破坏公差.两种样品的马氏体回火率均接近100%。

如果我们提到MPIF标准35对于粉末材料的标准,这种组合的性质是在任何列出的材料中都没有(烧结密度为7.1 g/cm³)。

是的,4%的镍钢加上0.5%的石墨和0.85%的钼会有更高的强度。但这些材料也是在2300年烧结的°最小密度为7.3 g/cm³。它显示了1%或更少的伸长率。

这种材料的损伤容限将小于UHTS材料。

更多关于烧结粉末金属工艺…

在超高温烧结和软磁材料方面,更多的突破即将到来:

  • 先进的压实技术
  • 新合金成分
  • 烧结工艺改进

这些调整将l进一步提高烧结密度、磁饱和和电机的机械性能。更重要的是,它们将为直流电动机、转子和定子带来新的性能特征和效率。

该行业还必须研究金属和合金的特殊热处理,如渗碳和碳氮化。期望这些专门的工艺可以提高超高温烧结的整体性能。

这些进展正在进行中,并将在未来的博客中进行记录。我们期待从这项研究中获得伟大的成果,并期待与粉末金属部件用户合作开发这项技术!

烧结工程师指南下载

感谢Hoeganaes公司在物理测试和金相分析方面的帮助

(编者注:本文最初发布于2019年8月,最近进行了更新。)

主题:属性流程


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