可透磁的液锻制品.pdf

本发明涉及可透磁的合金，和由此类合金的液锻而形成的制品。更具体地，本发明涉及可液锻的可透磁Al合金，该合金具有至少一种选自Fe、Ni和Co的成合金元素。本发明也涉及用该合金形成制品的方法，该方法包含以下步骤：(a)将熔融状态的合金倾注至模腔；和(b)在合金凝固期间用凸模给熔铸合金施压。

1.  一种可液锻的可透磁Al合金，其具有至少一种选自Fe、Ni和Co的成合金元素。

2.  如权利要求1所述的合金，其中以重量百分比计的合金成分选自：Al-2Fe、Al-5Fe、Al-10Fe、Al-20Fe、Al-38Fe、Al-2Ni、Al-5Ni、Al-10Ni、Al-20Ni、Al-40Ni、Al-2Co、Al-5Co、Al-10Co、Al-20Co、Al-30Co、Al-10Fe-5Ni、Al-20Fe-5Ni、Al-30Fe-5Ni、Al-30Fe-10Ni、Al-10Fe-5Co、Al-20Fe-5Co、Al-30Fe-5Co、Al-30Fe-10Co、Al-10Fe-10Ni-10Co、Al-20Fe-5Ni-5Co和Al-20Fe-10Ni-10Co。

3.  如权利要求1或2所述的合金，其还包含至少一种选自Zr、Ti、B和Cr的附加的元素。

4.  如权利要求3所述的合金，其中至少一种附加的元素的重量百分比为0.1wt％至1.5wt％。

5.  一种制品，其包含权利要求1至4的任何一项所述的合金，其中所述制品通过液锻而形成。

6.  如权利要求5所述的制品，其还包含可透磁的插入物。

7.  如权利要求6所述的制品，其中所述可透磁的插入物是金属丝网。

8.  如权利要求7所述的制品，其中所述金属丝网包含直径为50μm至2000μm，优选为50μm至150μm的金属丝。

9.  一种利用权利要求1至4的任何一项所述的合金形成制品的方法，该方法包含以下步骤：
a.将熔融状态的合金倾注至模腔；和
b.在合金凝固期间用凸模给熔融合金施压。

10.  如权利要求9所述的方法，其还包含在将熔融状态的合金倾注至模腔之前将可透磁的插入物置于模腔的步骤。

11.  如权利要求10所述的方法，其中所述可透磁的插入物是金属丝网。

12.  如权利要求11所述的方法，其中所述金属丝网包含直径为50μm至2000μm、优选为50μm至150μm的金属丝。

13.  如权利要求9至12的任何一项所述的方法，其中凸模和模腔被加热至175℃至300℃的温度。

14.  如权利要求9至13的任何一项所述的方法，其中熔融合金以125℃至200℃的过热温度被倾注。

15.  如权利要求9至14的任何一项所述的方法，其中以30MPa至120MPa的压力进行施压。

16.  如权利要求9至15的任何一项所述的方法，其中施压的持续时间为15至30秒。

可透磁的液锻制品
发明领域
本发明涉及可透磁的合金，和由此合金的液锻(liquid forging)而形成的制品。
发明背景
常规的铸铝(Al)合金通常具有硅(Si)、铜(Cu)、镁(Mg)和锌(Zn)作为主要成合金元素。主要成合金元素的量受限于低共熔成分(composition)，以保持熔融合金良好的流动性。比低共熔成分更大的量，由于第二相/金属间相的形成而导致熔融合金产生粘性。粘度可引起合金的严重的(severe)孔隙率和较低的机械性能。但是，在特殊用途耐磨合金中，至多30wt％的硅以超低共熔的程度被形成合金。钛(Ti)元素和硼(B)元素以较小的数量被添加，以实现晶粒细化。铍(Be)以痕量被添加，以减少铝的氧化和增加表面氧化铍。其它元素，例如铁(Fe)、镍(Ni)、铬(Cr)、钴(Co)、锰(Mn)、镉(Cd)、铅(Pb)、锑(Sb)等，被认为是杂质且限于在1wt％的范围内。对于高纯合金，低于0.05-0.2％的杂质水平被维持。通常，因为第二相的碎裂(该碎裂削弱结构部分)，所以以小于2-3wt％的低成合金含量来制备锻造的铝合金以使得容易制造。通过粉末颗粒合成，使用至多50wt％的成合金添加的镍、铁和钴来开发高温高强度铝合金。几种应用表明铸铝合金和热变形铝合金含有50wt％的铁元素、镍元素和钛元素。
硬盘基(HDB)板通常使用常规A383铝合金来模铸。最近，使HDB板的尺寸变小至1英寸且具有复杂特征已变得合乎需要。这些零件(component)被用可透磁的部件组装起来，以平衡由磁性回路(magnetic looping)引起的力。例如，在硬盘驱动器中的极板平衡了磁力。为了进一步地减少主机板尺寸(form factor)和成本，具有可透磁的HDB板是合乎需要的。
为了达到这个目的，具有高磁导率的Fe、Ni和Co作为成合金元素被添加至Al中。这些软磁性元素可逐个或以组合形式被添加。使用这些合金通过常规铸造和锻造来制造部件是极为困难的。在Al-Fe合金中，使用稳定的铝化铁-FeAl₃来形成亚稳的FeAl₆相和Fe₂Al₉相。在Al-Co合金、Al-Ni合金和Al-Fe-Ni合金中，铝化物(例如Co₂Al₉、NiAl₃和FeNiAl₉中各自形成。但是，在成合金元素的其他组合(三元的和四元的系统)中，第二相的形成是不清楚的或是未知的。这些铝化物分散的存在强化了合金，但是增加了合金的脆性。而且，在低断裂能量时，由于这些脆性铝化物的存在，零件将损坏。为了减少合金的脆性，锆(Zr)、Ti、B、Cr可以0.1-1.5wt％的小数量被形成合金，以精炼晶粒和改善延性。更靠近低共熔点的合金成分被分类为短凝固(short freezing)。对于30-40wt％的成分，Al-Ni、Al-Co和Al-Fe合金的凝固范围分别高达220℃、300℃和500℃。在这么高的凝固范围时，可透磁的Al合金不可使用常规的铸造或锻造方法来形成，因为高铝化物含量的合金的使用导致合金具有高粘性，且往往在完全填充模具之前凝固，导致形成空隙。
发明概述
根据一个方面，本发明提供一种可液锻的可透磁Al合金，该Al合金具有至少一种选自Fe、Ni和Co的成合金元素。合金的成分(以重量百分比计)可选自：Al-2Fe、Al-5Fe、Al-10Fe、Al-20Fe、Al-38Fe、Al-2Ni、Al-5Ni、Al-10Ni、Al-20Ni、Al-40Ni、Al-2Co、Al-5Co、Al-10Co、Al-20Co、Al-30Co、Al-10Fe-5Ni、Al-20Fe-5Ni、Al-30Fe-5Ni、Al-30Fe-10Ni、Al-10Fe-5Co、Al-20Fe-5Co、Al-30Fe-5Co、Al-30Fe-10Co、Al-10Fe-10Ni-10Co、Al-20Fe-5Ni-5Co和Al-20Fe-10Ni-10Co。合金可还包含至少一种选自Zr、Ti、B和Cr的附加的元素。至少一种附加的元素的重量百分比可为0.1wt％至1.5wt％。
根据另一方面，本发明提供一种包含可液锻的可透磁Al合金的制品，该铝合金具有选自Fe、Ni和Co的至少一种成合金元素。制品可由液锻形成。制品还可包含可透磁的插入物，例如以金属丝网(wiremesh)的形式。金属丝网可包含直径为50μm至2000μm、优选为50μm至150μm的金属丝。
根据另一个方面，本发明提供一种使用具有选自Fe、Ni和Co的至少一种成合金元素的可液锻的可透磁Al合金来形成制品的方法，所述方法包含将熔融状态的合金倾注至模腔和在合金凝固期间用凸模(punch)给熔融合金施压的步骤。该方法还可包含在将熔融状态的合金倾注进模腔之前，将可透磁的插入物置于模腔的步骤。

附图简述
为了使本发明可被完全地理解且易于实施，现在将通过非限制性的实施例仅描述本发明的优选实施方式，该描述将参考附图进行。
在附图中：
图1是凸模和凹模(die)组合的正面示意图，其中金属丝插入物被置于模腔中；
图2是图1的凸模和凹模组合的正面示意图，其中熔融合金被倾注入模腔中；
图3是图2的凸模和凹模组合的正面示意图，其中熔融合金通过凸模被施压；和
图4是图3的凸模和凹模组合的正面示意图，其中成品被喷射出。
优选实施方式的详细描述
根据一个方面，本发明提供一种用于液锻成制品的可透磁的Al合金。在液锻中，预定量的熔融合金首先被倾注至模腔。然后，使用填充模腔的凸模对熔融合金施加压力。熔融合金在压力之下凝固。因而，可形成网状的制品，并且具有最少的原料损耗。制品是可靠的(sound)，且已经受加压凝固。液锻的例子被提供在公布的国际专利申请第WO 2006/093469号中。
为了减小凝固范围和降低合金的熔点，成合金元素Fe、Ni和Co以组合形式被添加至铝中。每种元素的添加的重量百分比(wt％)取决于多种因素，例如，在制品要被使用所在的磁场的强度、第二相(铝化物)的形成的体积分数、合金的可液锻性、合金的熔点、合金的机械性能等等。通常，每种成合金元素的成合金范围在2至40wt％之间。
可透磁的铝合金的成分选自：Al-2Fe、Al-5Fe、Al-10Fe、Al-20Fe、Al-38Fe、Al-2Ni、Al-5Ni、Al-10Ni、Al-20Ni、Al-40Ni、Al-2Co、Al-5Co、Al-10Co、Al-20Co、Al-30Co、Al-10Fe-5Ni、Al-20Fe-5Ni、Al-30Fe-5Ni、Al-30Fe-10Ni、Al-10Fe-5Co、Al-20Fe-5Co、Al-30Fe-5Co、Al-30Fe-10Co、Al-10Fe-10Ni-10Co、Al-20Fe-5Ni-5Co和Al-20Fe-10Ni-10Co。
在形成合金期间，进行再熔化以减少合金的偏析。合金的微结构显示了铝化物(例如FeAl₃、Co₂Al₉、NiAl₃、FeNiAl₉等)的形成。对于较高的成合金含量，合金的脆性由于形成较高体积分数的铝化物而增加。为了减小脆性，Zr、Ti、B、Cr以0.1-1.5wt％的小的数量被添加。这也精炼了晶粒和改善了合金的延性。
为了进一步提高由合金制造的制品的磁导率，根据本发明的另一个方面，制品可由合金和Fe、Ni或Co的插入物被液锻。在一个实施方式中，插入物是金属丝网。图1至图4显示了用插入物形成制品的方法的步骤。在图1中，显示了液锻凸模10和凹模12组合，其中金属丝网14被置于模腔16中。然后，合金18以熔融状态被倾注至如图2所示的模腔16中。图3显示了熔融合金18在合金18凝固期间通过凸模10被施压。包含合金18和金属丝网14的成品22最后如图4所示通过销(pin)24被喷射出。
在液锻期间，凸模10和凹模12在175℃至300℃的温度下被加热且熔融合金18以125℃至200℃的过热温度被倾注。压力以30MPa至120Mpa被施加15至30秒，以获得具有最小空隙的可靠制品22。没有插入物的制品可通过省略在倾注熔融合金之前放置插入物的步骤而被类似地形成。
对于具有200μm的截面厚度的硬盘基板，具有直径为50μm至150μm的金属丝的金属丝网是优选的。对于其他制品，可使用至多2000μm的金属丝直径。网格大小可为20×20μm至200×200μm。
其它几何形状的插入物也可根据被成形的制品而被使用。金属间化合物的形成发生在插入物的界面，因此提供了完整的粘合。在界面的金属间化合物的生长取决于液锻的持续时间。