CN100345994C - 一种电力金具用奥氏体无磁钢及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种无磁钢，尤其涉及一种用于制作电气设备中不导磁部件的无磁钢及其制备方法。一种奥氏体无磁钢，按重量百分比该无磁钢含有锰20%～26%，铬2%～10%，铝1%～4%，碳0.18%～0.24%，稀土元素0.1%～0.2%，硫≤0.04%，磷≤0.04%，其余量为铁。本发明的无磁钢电工性能、力学性能、加工性能优越，而且经济成本低，生产工艺简单，因此特别适用于制造输电线路电力金具。本发明另外还提供了该无磁钢的制备方法。

Description

一种电力金具用奥氏体无磁钢及其制备方法

                    技术领域

本发明涉及一种无磁钢，尤其涉及一种用于制作电气设备中不导磁部件的无磁钢及其制备方法。

                    背景技术

随着我国电力工业的发展，输送电容量大幅增加，对悬垂线夹、耐张线夹、防震锤等导线金具在输电过程中消耗能量的问题逐渐引起人们的关注。由于以上金具用可锻铸铁和Q235钢材铁磁性材料制成。当导线中通过交变电流，在电力金具上便形成一个闭合的磁回路，铁磁物质在交变磁场作用下反复磁化，其磁感应强度的变化总是滞后于磁场强度的变化(即磁滞现象)。在反复磁化的过程中，由于磁畴的反复转向，铁磁物质内部的分子摩擦发热而造成能量损耗，这种构成闭合回路的电力金具在反复磁化过程中，因为磁畴反复转向导致的功率损耗，就是所谓的磁滞损耗。根据电磁感应定律，这一交变磁场在金具内部也会产生感应电动势和感应电流(即涡流)，由于钢铁材料电阻的存在，必然产生有功功率损耗，即涡流损耗。根据楞次定律和法拉第电磁感应定律，在金具内产生的感应电动势与输电线路的电流大小成正比，与材料的相对磁导率μr的大小成正比，与金具的厚度成正比。传统的可锻铸铁、Q235钢制电力金具材料的相对磁导率大，存在磁滞涡流现象，在输电线路上产生较大的磁滞和涡流损耗。

中国专利(公开号CN1094453)公开了一种耐磨耐蚀无磁钢，该无磁钢适用于球磨机衬板及其它要求耐磨耐蚀且不导磁的场合，但无法在普通机床上进行切削加工或在冲床上冲压成型，其力学性能和加工工艺性能都无法满足制作输电线路电力金具的要求。

中国专利(公开号CN1039268)，公开了铁—锰—铝—碳奥氏体无磁钢与低温钢，是由Mn、C稳定奥氏体结构，该发明的新钢种具有极低的磁导率与在77K及其以上温度的高韧性。本发明新钢种作为无磁钢，可以用于变压器、磁选机及电机等电气设备中不导磁部件的制造。但该发明合金耐腐蚀性能低，只适合制造不接触强腐蚀性介质的部件，同时，该发明合金屈服强度仅为9％Ni钢的60％，故不适合用于制备输电线路电力金具。

《金属学报》第19卷第4期《30Mn23Al4Cr5超低温无磁钢的研究》公开了的超低温无磁钢，但该超低温无磁钢的高温塑性指数不稳定，其温度低于850℃和1050℃～1200℃范围呈高的塑性，850℃～1050℃内综合塑性指数低，呈现塑性低谷，这样合金经过锻造后产品零件容易脆性断裂现象。电力金具零件制造必须对钢材轧制成圆钢和扁钢，然后机械加工或冲压成电力金具零件。中温区850℃～1050℃正是轧制钢材必须使用的温度，该钢材产生低塑性，对轧制圆钢和扁钢有影响，因此对电力金具制造产生障碍。

                    发明内容

为了解决上述的技术难题，本发明提供了力学性能和加工工艺性能好，磁导率低，稳定性能好，耐大气腐蚀性能好，生产成本低的无磁钢。

本发明的另外一个目的是提供上述无磁钢的制备方法。

为了达到上述的目的，本发明采用了如下的技术方案：

一种电力金具用奥氏体无磁钢，按重量百分比含有锰20％～26％，铬2％～10％，铝1％～4％，碳0.18％～0.24％，稀土元素0.1％～0.2％，硫≤0.04％，磷≤0.04％，其余量为铁。

作为优选，按重量百分比锰的含量为20％～22％，铬的含量为3％～4％，铝的含量为1％～1.5％，碳的含量为0.2％～0.22％。

作为优选，该合金还含有硅0.17％～0.37％。

作为优选，所述的稀土元素为镧、铈、镨、钕、钐、铕、钆、铽、镝、钬、铒、铥、镱、镥、钇中的一种或多种。作为再优选，所述的稀土元素为镨和钕中的一种或2种。

为了达到本发明的另外一个目的，本发明采用了如下的技术方案：

一种电力金具用奥氏体无磁钢的制备方法，包括以下的工艺：配制好符合要求的合金材料，先将钢铁在电炉中熔化1～2小时，当温度达到1500℃～1550℃时，加入电解锰、铬、铝及复合稀土元素，当炉内的金属温度达到1600℃～1660℃时，对金属液除渣，脱氧，快速浇铸，浇铸完成后等铸锭冷却后进行清理。

作为优选，上述的脱氧采用铝脱氧。

作为优选，所述的电炉为中频无芯感应熔炼炉。

作为优选，浇铸的铸型采用水玻璃砂或石英砂烘干制作而成。

本发明的主要化学成分的作用分析如下：

(1)锰、铝、铬，锰是主要合金元素，扩大奥氏体相区，稳定奥氏体组织，提高合金强度。碳一定时，随含锰量增加，钢的组织逐渐从珠光体到马氏体并进一步转变为奥氏体，但是钢的加工硬化能力提高。控制好锰的含量，可以保证铸态完全的奥氏体组织和稳定的奥氏体，使得经过适当变形后不致引发大量的形变马氏体出现。

除了脱氧要求加入少量的铝外，铝元素为非碳化物形成元素，一般均匀分布在基体中阻碍碳原子在奥氏体中的扩散，稳定碳化物，同时易使奥氏体形成有序固溶体，增强γ-Fe原子的化学结合力，使γ-Fe原子移动激活力提高，增强奥氏体的稳定性，抑制Fe-Mn基合金中γ-ε转变，这对控制加工过程中由于形变马氏体引起的磁导率和加工硬度非常重要。

铝和铬可以提高材料的耐腐蚀能力，在Fe-Mn基合金中加入铝或铬，可以提高材料的耐大气腐蚀性能，特别是铬的加入使材料的耐腐蚀能力大大的提高。

(2)碳、硅，碳既促进形成单相奥氏体组织，又可使固溶强化，降低材料的最大磁导率和磁饱和度。从Fe-Mn二元相图可知，常温时只有锰含量相当高(超过30％)时才能得到单相奥氏体。而在二元合金中加入碳后，构成的Fe-Mn-C三元合金在含有约1.0％的碳时，锰加入量只要9％～15％就可得到单相奥氏体组织。但当碳含量较高时，铸态组织中碳化物数量增加，在奥氏体晶界上形成连续和半连续网状碳化物，大大削弱了晶间强度和钢的塑性、韧性，严重时甚至使钢的韧性降低为零。经固溶处理后虽可使部分碳化物溶入奥氏体，但因钢的碳含量高而必须提高固溶处理的温度或延长热处理的保温时间。综合考虑碳元素的利弊，采取适当提高碳含量，允许组织中有少量的碳化物存在，这样就可以使锰的加入量降低，而且可以使得到的奥氏体的稳定性提高。

硅可固溶于奥氏体中，固溶强化。在钢里加入少量的硅，提高材料的电阻率，以减少涡流。但是，硅可以降低碳在奥氏体中的溶解度，硅含量高时，铸态组织中的碳化物数量增加，而且硅在高锰钢结晶时有促使粗大枝晶形成的作用，并使钢的晶粒粗化，降低材料机械性能。试验中选择碳含量0.18％～0.24％，硅含量在0.17％～0.37％为佳。

(3)硫、磷，硫、磷在通常范围内对铸钢的磁性影响不大，但含量较高时，由于大量共晶体的产生，会使磁导率有所提高，同时形成的磷共晶、硫化物等杂质会降低材料力学性能，因此应严格控制S≤0.04％，P≤0.04％为宜。

(4)复合稀土元素，可以细化晶粒、细化磁畴，降低涡流损耗，复合稀土元素在奥氏体锰钢中具有较大的偏析系数，可加剧合金凝固时的成分过冷现象，促进树枝晶的发展、熔断、游离和增殖，提高其结晶形核率，有效地细化奥氏体晶粒。由于复合稀土元素的内吸附作用，阻碍了碳原子的扩散，使奥氏体晶界上不易形成网状碳化物，其晶体界上碳化物数量减少，碳化物形状为团块状，因而铸态组织中奥氏体内固溶的碳量相对增加，且分布较为均匀，微观组织的致密度增加，显微缺陷减少。解决了中温区产生低塑性的技术难题。

本发明的无磁钢的性能和效果如下：

(1)电工性能：磁导率≤1.5μH/m；电阻率≥12MΩ/m。

(2)力学性能：抗拉强度达到800MPa；屈服强度达到675MPa；延伸率达到41％；布氏硬度小于193HB。各项指标均符合GB/T2315-2000《电力金具标称破坏载荷系列形式尺寸及联结方式》的规定。

(3)金相组织：本发明的碳化物应弥散分布于奥氏体组织中，材料在成型加工中和以后的服役过程中保持奥氏体组织的稳定性，尽量防止了产生形变马氏体，避免磁导率的上升。

(4)切削加工性能：本发明的无磁钢能在普通机床上进行切削加工，可以在冲床上冲压成型，加工性能好。

(5)经济成本：上述的无磁钢生产成本低，是铝合金金具成本的50％，比原有的Q235钢只提高10％，而且钢材的原料来源广泛，生产工艺简单。

                    附图说明

图1为实施例1的试样200倍金相图；

图2为实施例1的试样X衍射分析谱；

图3、图4为实施例1的试样锻造后的显微组织×100的结构图；

图5为实施例1的试样锻造后的X衍射分析谱。

                    具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施例做一个详细的说明。

实施例1

无磁钢的配方如下：锰20％，铝1％，铬3％，碳0.2％，复合稀土元素0.1％，硫＜0.04％，磷＜0.04％，复合稀土元素为镨和钕，其余量为铁。

配制好上述的合金材料。先将Mn钢在中频无芯感应熔炼炉中熔化，炉料的尺寸为φ45以上，长度为200mm左右，炉料要分批加入，一般熔化时间为1.5～2小时(具体根据炉料的多少而不同)，当温度达到1500℃时，加入电解锰、铬、铝及复合稀土元素，金属锰应尽快加入到金属液中，防止金属锰与空气接触而烧损，从而保证金属炉料的成分。这时准备好铸型，当炉内的金属温度达到1620℃时，准备浇铸，浇铸前要先对金属液除渣，并采用上述配方中铝重量的0.1％进行脱氧。

铸型采用水玻璃砂或石英砂烘干制作而成，浇铸程度要快，防止金属液氧化。浇铸完成后，等铸锭冷却后进行清理。粗车铸锭表面，清除粘砂表皮。将铸锭锻制成测试和制作零件所需的规格，主要是圆棒和扁钢。

将上述的制得的合金取4组，分别进行金相显微观察、X衍射分析、硬度测试和力学拉伸试验，各项性能如下：

1、力学性能：

4个拉力试件结果如表1

                    表1  试件力学性能

试件编号	抗拉强度σnMPa	屈服强度σSMPa	延伸率δ％	布氏硬度HB
					1#	794	659	41	197
2#	789	650	40	190
					3#	805	692	41	192
4#	812	699	42	194
					平均值	800	675	41	193.25

2、组织分析

从金相照片可以观察到，组织以奥氏体为主，少量的碳化物(X衍射对含量小于2％的相不能扫射到该物的相峰，故在衍射谱中没有碳化物的峰)，奥氏体组织呈多变性，晶界清晰，碳化物分布在晶界和晶粒内。X衍射谱中以奥氏体的(111)、(200)主峰为主，但是存在少量的铁素体峰(110)。以上说明，试样的成分基本已达到奥氏体组织要求。见图1、图2。

3、锻造后的组织与性能

电力金具作为一种结构件，必须经过冲压、机械加工，钢材在钢厂批量生产时，可以通过轧钢机轧出扁钢和圆钢，再加工成零件，所以材料在锻造后的性能的好坏将决定能否进行机械加工。

将上述的4组试样进行了锻造加工，然后用在铸态时相同的仪器设备对锻后的试样进行了硬度测定、显微组织观察和X射线衍射分析。见表2，图3、图4、图5。

        表2  试样锻造前后硬度值的比较

类型	铸态下	锻造后
			压痕直径/mm	4.7	4.1
硬度值/HBS	163	220

从上述表2，图3、图4可以看出，试样在经过锻造后奥氏体晶界被打破，锻造后的奥氏体基体呈条状分布，组织变得更加致密，因此硬度有所增加，但与普通高锰钢不同，在锻造变形过程中没有发生明显的加工硬化，所以锻造后的硬度值为220HB，材料的切削加工性能仍比较理想。我们将锻造的圆棒，在普通车床C620上车成Φ12圆钢，并在两端挑M12的螺纹(圆钢长度154mm，螺纹长30mm)，没有什么问题了，只感觉表面有硬化，车去1mm左右后，切屑即成连续卷状，硬度就低了，并能将车完的双头螺杆弯曲成U型螺丝，锻造的扁钢毛坯，先在立铣床用铣刀加工成6×40的断面，然后用125T冲床，切圆头冲孔，压型成挂板，制成无磁钢零件装配成悬垂线夹，在整个锻造以后，切削加工及冲压以后，都没有发生增加磁导率的情况，加工性能基本良好。

从锻造前后的X射线衍射图谱的比较可以看出，锻造后组织中的ε马氏体增多，这也是导致材料硬度上升的原因。

综上分析，试样经锻造后基本保留了铸态下的奥氏体组织，硬度有所增加。

实施例2

无磁钢的配方如下：锰22％，铬3％，铝1.5％，碳0.21％，复合稀土元素0.2％，硫＜0.04％，磷＜0.04％，其余量为铁。

无磁钢的制备方法如实施例1。

实施例3

无磁钢的配方如下：锰22％，铬3％，铝1.5％，碳0.19％，复合稀土元素0.2％，硫＜0.04％，磷＜0.04％，其余量为铁。

无磁钢的制备方法如实施例1。

实施例4

无磁钢的配方如下：锰20％，铬3％，铝1.5％，碳0.21％，复合稀土元素0.2％，硫＜0.04％，磷＜0.04％，其余量为铁。

无磁钢的制备方法如实施例1。

Claims (9)

1.一种电力金具用奥氏体无磁钢，其特征在于该无磁钢按重量百分比含有锰20％～26％，铬2％～10％，铝1％～4％，碳0.18％～0.24％，稀土元素0.1％～0.2％，硫≤0.04％，磷≤0.04％，其余量为铁。

2.如权利要求1所述的一种电力金具用奥氏体无磁钢，其特征在于按重量百分比锰的含量为20％～22％，铬的含量为3％～4％，铝的含量为1％～1.5％，碳的含量为0.2％～0.22％。

3.如权利要求1或2所述的一种电力金具用奥氏体无磁钢，其特征在于该合金还含有硅0.17％～0.37％。

4.如权利要求1或2所述的一种电力金具用奥氏体无磁钢，其特征在于所述的稀土元素为镧、铈、镨、钕、钐、铕、钆、铽、镝、钬、铒、铥、镱、镥、钇中的一种或多种。

5.如权利要求4所述的一种电力金具用奥氏体无磁钢，其特征在于所述的稀土元素为镨和钕中的一种或2种。

6.如权利要求1所述的一种电力金具用奥氏体无磁钢的制备方法，其特征在于该制备方法包括以下的工艺：配制好符合要求的合金材料，先将钢铁在电炉中熔化1～2小时，当温度达到1500℃～1550℃时，加入电解锰、铬、铝及稀土元素，当炉内的金属温度达到1600℃～1660℃时，对金属液除渣，脱氧，快速浇铸，浇铸完成后等钢材冷却后进行清理。

7.如权利要求6所述的一种电力金具用奥氏体无磁钢的制备方法，其特征在于所述的脱氧采用铝脱氧。

8.如权利要求6或7所述的一种电力金具用奥氏体无磁钢的制备方法，其特征在于所述的电炉为中频无芯感应熔炼炉。

9.如权利要求6或7所述的一种电力金具用奥氏体无磁钢的制备方法，其特征在于浇铸的铸型采用水玻璃砂或石英砂烘干制作而成。

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