一種鐵鉻軟磁合金及其制備方法

專利名稱：一種鐵鉻軟磁合金及其制備方法
技術領域：
本發明涉及一種在較弱磁場具有高磁感應強度、低矯頑力鐵鉻軟磁合金及其制備方法。
背景技術：
隨著工業技術水平及新型設備、器件的發展，對控制系統中電磁閥(鐵)的要求也越來越高，不僅要適用于多種惡劣環境，而且對電磁閥(鐵)小型化及在弱磁場觸發下快速反應的設計需求越來越迫切。對于電磁閥(鐵)來說，弱磁場的意義在于電磁閥(鐵)可以在低能量下獲得高的電磁吸持力(1)電磁吸持力F OC B2 · S (B 磁感應強度，S 器件截面積)，當F —定時，工作磁場下B越高，器件結構尺寸S就越小；(2)將工作磁場設計在弱磁場即材料磁化曲線陡峭段，可以提高電磁閥(鐵)工作狀態的反應速度。同時在弱磁場工作還可以減少磁芯線圈匝數，使電磁閥(鐵)整體重量降低。所以，提高磁化曲線陡峭度 (斜率)，即磁場變化很小時，磁感應強度B急劇地增加，有利于電磁閥(鐵)小型化、快速反應。
目前，電磁閥(鐵)常用的鐵鉻合金材料有0Crl3、lJ116、lJ117以及前蘇聯的 16X、美國430F等，均屬于耐蝕軟磁類合金。它們的共同特點是具有良好的耐蝕特性和較高的飽和磁感應強度，但是在較弱磁場下或者當工作磁場處于磁化曲線的陡峭段時，所對應的磁感應強度不高，用來制造的電磁閥(鐵)電磁吸持力不夠，只能靠增加工作磁場及器件尺寸彌補電磁吸持力不足。有時為了降低電磁閥(鐵)結構尺寸、提高反應速度甚至采用 1J50合金，而1J50合金的耐腐蝕能力不如IJl 16等鐵鉻合金，在特殊環境下使用時，需要進行表面處理，這將造成對環境的嚴重污染，同時1J50合金比較軟，容易變形并需要消耗貴重金屬鎳，價格較為昂貴。因此，現有的合金不能滿足電磁閥(鐵)小型化的設計要求。發明內容
本發明的目的是針對現有技術存在的上述缺陷，提供一種新型合金，該合金在較弱磁場下具有高磁感應強度、低矯頑力、耐蝕性良好等特性，適合小型電磁閥(鐵)在弱磁場觸發下產生較強的電磁吸持力。
本發明的設計指導思想優先考慮磁性能為原則。以鐵鉻為主要合金元素并控制鉻的含量，通過減少合金中非鐵磁性元素鉻的含量并采取獨特的制備工藝，達到提高合金弱磁場下磁感應強度的目的。鉻的選取范圍控制在平衡相圖中奧氏體+鐵素體相區，再經過成品熱處理，使之產生少量馬氏體析出，對合金的磁性能起強化作用。
本發明涉及的合金成分設計方案為將鉻(質量分數，％ )含量控制在9. 7 11. 99之間，盡量減少鉻的添加量，相對增加了鐵的含量，有利于提高合金弱磁場(磁化曲線陡峭段)的磁感應強度。同時通過添加鉬、硅、銅、鈮及稀土等元素以及對碳、硫等含量的控制，改善合金的綜合性能。
在鐵鉻軟磁合金中，鉻(質量分數，％ )在10 20合金具有相對較好的磁性能，但是從耐蝕性考慮只有當鐵鉻合金中的鉻(質量分數，％ )在12以上，合金才能形成致密、 穩定、均勻的氧化膜，獲得一定的耐蝕特性。鉻是非鐵磁性元素，合金中鉻含量增加時，合金磁性能下降，其趨勢在較弱磁場下表現得更為明顯，隨著磁性能迅速下降，抗腐蝕能力逐漸增強。本發明將鉻(質量分數，％ )含量控制在9. 7 11. 99之間；
鉬元素的作用有兩點，一是提高合金抗腐蝕特別是抗點蝕能力，改善合金的耐蝕性能，第二是簡化熱處理工藝，使合金最終熱處理工藝的可操作性更強，便于生產加工，但是試驗顯示鉬具有降低磁感應強度B的作用，特別是對弱磁場下的磁感應強度影響更明顯，所以鉬含量(質量分數，％)優選0.6 1.99;
適量的硅能提高合金電阻率及弱磁場的磁感應強度并減少損耗，但是由于硅的導熱率低，影響熱加工性能，因此硅的加入量控制在(質量分數，％ )0. 7到1. 0 ；
銅的作用是進一步補充強化合金的抗蝕性，優選(質量分數，％ )0. 1 0. 3 ；
鈮與鐵、鉻有著差異懸殊的電子結構，是強碳化物形成元素，利用這個特點，添加 (質量分數，％ )0.08 0. 15的鈮元素，通過形成碳化鈮穩定了合金中的碳，起到了間接提高合金磁性能的作用；同時抑制碳化鉻的形成，避免合金的耐蝕性惡化。少量鈮對合金磁性能的影響主要集中在弱磁場，對中高磁場的性能影響甚小，當鈮(質量分數，％)含量超過0. 15，彌散的碳化鈮析出量增加，將成為凝固的晶核，從而導致晶粒細化，這將影響合金的磁性能，特別是弱磁場80A/m、M0A/m下的磁感應強度B8tlJ24tl明顯降低；
碳含量控制在(質量分數，％ )0. 010以下，以盡量減少生成碳化物，碳含量越高， 需要加入的鈮就越多，伴隨大量碳化鈮的析出，細化晶粒，增加技術磁化阻力，對合金的磁性能產生不利影響；
硫含量多少決定所添加的稀土量較低的硫含量可以減少稀土的添加量，如果添加超過(質量分數，％ )0. 04的稀土元素，將明顯對熱加工造成不良影響，所以硫(質量分數，％)控制在0.015以下，稀土優選0.005 0.04(質量分數，%)。
本發明的具體技術方案為一種鐵鉻軟磁合金，其特征在于合金化學成分為(質量分數，鉻 9. 7 11. 99、鉬 0. 6 1. 99、硅 0. 7 1. 00、銅 0. 10 0. 30、鈮 0. 08 0. 15、碳小于0. 010、硫小于0. 015，還包含0. 005 0. 04的鈰、鑭鈰混合稀土元素中的一種或兩種，其余為鐵和不可避免的雜質。合金經真空感應爐冶煉，并在精煉后期全閉加稀土，為控制稀土元素的燒損，充入壓力不大于0. 098MPa氬氣保護，合金經過常規熱、冷加工方法加工成各類型材，成品型材在真空氣氛下進行熱處理，熱處理制度為900°C 980°C保溫1 2小時，既均勻成分和組織又控制合金最終晶粒度，然后再升溫至1100°C 1150°C， 保溫3 8小時，以100 200°C /h速度冷卻到650°C 550°C，推爐快冷至室溫出爐，即可獲得性能為飽和磁感應強度下的矯頑力Hc ( 22A/m，在80A/m磁場下的磁感應強度 B80彡1. 0T、在MOA/m磁場下的磁感應強度彡1. 2T，飽和磁感應強度Bs彡1. 6T的合金材料。
本發明合金與現有技術相比所具有的優點為
1、本發明鐵鉻軟磁合金具有良好的磁性能，飽和磁感應強度下矯頑力Hc ( 22k/ m，在80A/m磁場下的磁感應強度B8tl彡1. 0T、在MOA/m磁場下的磁感應強度化4(1彡1. 2T， 用其制作的電磁閥可顯著降低其質量和結構尺寸，與對比合金卬16相比，對(^/!11磁場強度時的磁感應強度化4(|提高了 20%以上，電磁閥結構尺寸理論上相應減小30%以上；矯頑力明顯低于對比合金1J116，使技術磁化更容易進行，更有利于電磁閥吸合釋放工作。
2、本發明鐵鉻軟磁合金抗腐蝕特性與1J116合金相當。
3、本發明鐵鉻軟磁合金性能水平接近1J50合金，價格低廉。
本發明設計的合金，主要用于制作在一定腐蝕環境、較弱磁場下工作的小型電磁閥(鐵)。實施例
下面通過具體實施例進一步說明本發明的技術方案。
實施例1 化學成分(質量分數，% ) :Cr 9. 89,Mol. 5,SiO. 73,CuO. 29,NbO. UC 0. 003、S 0. 0025、CeO. 02、La+Ce混合稀土為0. 02，余為Fe。采用真空感應爐冶煉，加稀土后充氬0. OSMI^保護，經常規鍛造、修磨，加工成Φ45πιπι棒材，成品在真空氣氛下進行熱處理，熱處理制度為980°C保溫1小時，再升溫至1100°C，保溫4小時，以100°C /h速度冷卻到 600°C，推爐快冷至室溫出爐。得到的棒材性能為
Hc = 18. 45A/m、B80 = 1. 02T、B240 = 1. 23T、Bs = 1. 65T、μ m = 28. 6mH/m、Rp0.2 = 225N/mm2、Rm = 390N/mm2,A%= 39、中性鹽霧試驗 50 小時，腐蝕率為 0. 0095mm/a。
實施例2 化學成分(質量分數，% ) :CrlO. ll、Mol. 8,Si 1. 00、Cu0. 10、Nb0. 13、 C 0. 004,S 0. 0026,La+Ce混合稀土為0. 01，余為i^e。采用真空感應爐冶煉，加稀土后充氬 0. 098MI^保護，經過常規鍛造、熱軋為6. 0X350mm的熱帶，成品在真空氣氛下進行熱處理， 熱處理制度為960°C保溫1. 5小時，再升溫至1100°C，保溫8小時，以200°C /h速度冷卻到 550°C，推爐快冷至室溫出爐。得到的熱帶性能為
Hc = 21. 97A/m、B80 = 1. 01T、B240 = 1. 21T、Bs = 1. 66T、μ m = 20. 9mH/m、Rp0.2 = 260N/mm2, Rm = 405N/mm2,A%= 36、中性鹽霧試驗 50 小時，腐蝕率為 0. 0076mm/a。
實施例3 化學成分(質量分數，% ) :Crll. 33，MoO. 7，SiO. 9，CuO. 15，NbO. 09， C 0. 003, S 0.0016，La+Ce混合稀土為0.02，余為i^e。采用真空感應爐冶煉，加稀土后充氬 0. 098MI^保護，經過常規冷加工成2. 2 X 350mm冷帶，成品在真空氣氛下進行熱處理，熱處理制度為900°C保溫1小時，再升溫1150°C，保溫3小時，以150°C /h速度冷卻到550°C，推爐快冷至室溫出爐。得到的冷帶性能為
Hc = 20. 86A/m、B80 = 1. 02T、B240 = 1· 22T、Bs = 1· 64T，μ m = 21. OmH/m、Rp0.2 = 255N/mm2, Rm = 395N/mm2,A%= 32、中性鹽霧試驗50小時，無失重。
附表1、2給出了本發明典型實施例與1J116、1J50合金成分、性能對照數據。
附表1本發明合金與1J116、1J50合金成分對照數據(質量分數，％ )
權利要求
1.一種鐵鉻軟磁合金，其特征在于合金化學成分為(質量分數，％)鉻9. 7 11. 99、 鉬0. 6 1. 99、硅0. 7 1. 0、銅0. 10 0. 30、鈮0. 08 0. 15、碳小于0. 010、硫小于 0. 015，還包含0. 005 0. 04的鈰、鑭鈰混合稀土元素中的一種或兩種，其余為鐵和不可避免的雜質，該合金在飽和磁感應強度下的矯頑力Hc ( 22A/m,在80A/m磁場下的磁感應強度 B80彡1. 0T、在MOA/m磁場下的磁感應強度彡1. 2T，飽和磁感應強度Bs彡1. 6T。
2.一種制備權利要求1所述的鐵鉻軟磁合金的制備方法，其特征在于采用真空感應爐冶煉，精煉后期全閉加稀土，同時充入壓力不大于0. 098MPa氬氣保護。
3.一種制備權利要求1所述的鐵鉻軟磁合金的成品熱處理方法，其特征在于在真空氣氛下進行，熱處理制度為900 980°C保溫1 2小時，再升溫至1100°C 1150°C，保溫 3 8小時，以100 200°C /h速度冷卻到650°C 550°C，推爐快冷至室溫出爐。
全文摘要
本發明提供一種具有高磁感應強度B、低矯頑力Hc鐵鉻軟磁合金材料，其化學成分(質量分數，％)為鉻9.7～11.99、鉬0.6～1.99、硅0.7～1.00、銅0.10～0.30、鈮0.08～0.15、碳小于0.010、硫小于0.015和稀土0.005～0.04的鈰、鑭鈰混合稀土中的一種或兩種，其余為鐵和不可避免的雜質。該合金在弱磁場下顯現的高磁感應強度，極大的減小了電磁閥(鐵)的結構尺寸和質量，提高了電磁吸持力，低矯頑力使電磁閥(鐵)的反應更加迅速，主要用于制作在一定腐蝕環境、較弱磁場下工作的小型電磁閥(鐵)。
文檔編號C21D1/773GK102534395SQ201110445158
公開日2012年7月4日 申請日期2011年12月26日 優先權日2011年12月26日
發明者王兵, 陳岳, 雷成輝 申請人:北京北冶功能材料有限公司