CN101925969A - 用于高动态的电磁致动器的Fe-Co合金 - Google Patents

用于高动态的电磁致动器的Fe-Co合金 Download PDF

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Abstract

本发明涉及Fe-Co合金，其组成以重量％计包括：6≤Co+Ni≤22；Si≥0.2；0.5≤Cr≤8；Ni≤4；0.10≤Mn≤0.90；Al≤4；Ti≤1；C≤1；Mo≤3；V+W≤3；Nb+Ta≤1；Si+Al≤6；O+N+S+P+B≤0.1；组成的余量由铁和因熔炼所致的不可避免的杂质构成，前提是上述含量满足下述关系：Co+Si-Cr≤27；Si+Al+Cr+V+Mo+Ti≥3.5；1.23(Al+Mo)+0.84(Si+Cr+V)≥1.3；14.5(Al+Cr)+12(V+Mo)+25Si≥50。

Description

用于高动态的电磁致动器的Fe-Co合金
技术领域
本发明涉及Fe-Co合金，其更特别地旨在用来制造具有大动态范围的电磁致动器，但又绝不限于此。
背景技术
电磁致动器是一种电磁设备，其用电磁转换模式将电能转换成机械能。这些致动器中的一些称为“线性”致动器，因为它们将接收的电能转换为可移动部件的线性位移。这类致动器可以在电磁阀和电子喷射器中见到。
这类电子喷射器的优选应用是内燃机特别是柴油机的燃油直喷。另一个优选的应用涉及特别类型的电磁阀，该电磁阀用于内燃机(无论汽油机还是柴油机)阀门的电磁控制。
在这些致动器中，电能通过一系列电流脉冲传递给线圈，产生磁场，该磁场使开放的磁轭磁化，因而产生具有间隙的磁轭。轭的几何特征能使大多数磁场线相对于间隙区域指向轴向。在电脉冲的影响下，间隙经受磁势差。致动器还包括一个芯，该芯能在线圈中电流的作用下移动。特别地，引入该线圈的磁势差在磁化的芯上通过磁场梯度产生电磁力，该线圈在静止于轭一极的可移动芯和轭的相反极之间。从而使得磁化的芯移动。由于两个对称的弹簧，静止位置也可以处于间隙的中间，从而通过弹簧的刚性提高可移动部件的动态范围，特别是对于电磁控制阀。
可移动芯的运动关于电脉冲的即时产生随着相转换而发生。对于致动器的最优运行，可以表明金属在20℃下必须具有高电阻率ρe1，特别是高于50μΩ.cm，以及低的矫顽场Hc，即低于32Oe，并优选低于8Oe。这些条件通过在轭和磁芯中感应的小电流产生提供了优异的动态磁化范围，使得磁芯的最小磁化成为可能，从而使其获得快速的移动。因此，这种优异的动态范围使得减少致动时间和致动器的能量消耗成为可能。
芯还必须具有高饱和磁化强度Js，即高于1.75T并优选高于1.9T以便在脉冲末端最大可能地允许最大的力。特别是该力确保致动器保持在开或关的位置，当要完全停止高压流体的流动时或者当要补偿一个或多个弹簧的回复力时，这一点特别重要。因而，这样水平的饱和磁化强度导致具有高容量能量和力的紧凑致动器。
这些磁芯具有不同的形状，其可以由轧制的线材、棒材、板材和片材制造。因此，它们必须具备良好的可热变形性及优选(必要时)具有好的冷成形性。
一旦制造出来并服役，这些芯可能经受轻微的氧化工作环境，因而，必须具有良好的抗腐蚀性以便抵抗这种过早的磨损。
当它们完成其行程时由于突然停止的冲撞，它们也要经受多次冲击，因而必须具备良好的机械性能，也就是说，实际上在热轧状态中，对于至少2mm的厚度，拉伸强度Rm大于500MPa并且优选屈服强度R0.2大于250MPa。
通常，铁-钴(Fe-Co)合金，例如在EP 715 320中描述的铁-钴合金用于制造电磁致动器。所述的材料包含6-30％的钴和3-8％的选自铬、钼、钒和/或钨中一种或多种元素，余量为铁。然而，这些合金具有不足的动态范围。
发明内容
本发明的目的是提供一种适于廉价制造压缩电磁致动器芯的材料，该致动器具有高动态范围和高饱和度。进而，这种材料必须允许改进的热加工及优选的冷加工。
因而，本发明的第一个目的在于一种Fe-Co合金，其组成以重量％计包含：
6≤Co+Ni≤22
Si≥0.2
0.5≤Cr≤8
Ni≤4
0.10≤Mn≤0.90
Al≤4
Ti≤1
C≤1
Mo≤3
V+W≤3
Nb+Ta≤1
Si+Al≤6
O+N+S+P+B≤0.1
组成的余量由铁和因熔炼所致的不可避免的杂质构成，
进一步，应当理解的是，其含量满足下述关系：
Co+Si-Cr≤27
Si+Al+Cr+V+Mo+Ti≥3.5
1.23(Al+Mo)+0.84(Si+Cr+V)≥1.3
14.5(Al+Cr)+12(V+Mo)+25Si≥50。
在特别地实施方案中，单独或组合考虑，合金还应该具有下述附加特征：
-该Fe-Co合金是这样的：10≤％Co+％Ni≤22；
-该Fe-Co合金是这样的：1≤Cr≤5.5；
-该Fe-Co合金是这样的：Ni≤1；
-该Fe-Co合金是这样的：Al≤2。
在一个更特别优选的实施例中，根据本发明的合金以重量％计具有包含如下的组成：
6≤Co+Ni≤22
Si≥0.2
0.5≤Cr≤6
Ni≤1
0.10≤Mn≤0.90
Al≤4
Ti≤0.1
C≤0.1
Mo≤3
V+W≤3
Nb+Ta≤1
Si+Al≤6
O+N+S+P+B≤0.1
组成的余量由铁和因熔炼所致的杂质构成。
进一步应当理解，其硅、铝、钴、铬、钒、钼、钛和镍含量满足下述关系：
Co+Si-Cr≤27
Si+Al+Cr+V+Mo+Ti＞3.5
1.23(Al+Mo)+0.84(Si+Cr+V)≥1.3
14.5(Al+Cr)+12(V+Mo)+25S i≥50。
根据本发明的合金可以成形为棒材、线材或板材或轧制的片材。
该合金特别可以用于制造电磁致动器的可移动芯，该可移动芯由棒材或由线材或由轧制的板材或片材制成。
具有从根据本发明的Fe-Co合金制备的可移动芯的这种电磁致动器，可特别用于电控内燃机的喷射器内或还可以作为电控内燃机的阀门致动器。
从上述可以看出，根据本发明的合金是具有低钴含量并具有适宜含量的添加元素的铁-钴合金。
钴含量(其中钴可以部分地用镍替代)为6-22重量％以便获得好的饱和磁化强度同时保持高电阻率。其含量小于22重量％以便减少昂贵的添加元素，同时保持良好的饱和度。
然而，镍含量(可以部分替代钴)保持低于4％，因为其存在将相当多地增加矫顽场。
根据本发明的合金的硅含量等于或大于0.2重量％。这样的最小含量能够获得良好的机械强度Rm。进一步，通过显著地降低该元素的含量，该元素能够非常有效的增加合金的矫顽场。然而，组合添加铝和硅限于6％以便合金保持好的可热变形性。进一步，优选限制该组合含量低于4重量％，以便合金保持良好的可冷变形性。
根据本发明的合金的铝含量等于或低于4重量％。该元素通过促进低矫顽场起到了与硅相似的作用。其添加限于4％，否则Js将变得太低。然而，该元素并不提高合金的机械性能。
根据本发明的合金的铬含量为0.5-8重量％。合金的该重要元素能够使得就可冷变形性和可热变形性而言硅添加范围扩大，同时仍然保持良好的电阻率和饱和性能。然而，其添加受到限制，因为其增加合金的矫顽场。
根据本发明的合金的锰含量等于或低于0.90重量％。该元素至少添加0.10重量％以便改善合金的可热变形性。限制该元素含量，因为其是促进γ相元素，γ相的出现大大降低磁性能。
根据本发明的合金的钛含量等于或低于1重量％，优选低于0.1重量％，因为该元素或者在熔炼期间或者在空气中或氨气中退火时容易形成氮化物，钛的氮化物大大降低了磁性能因而是有害的。
根据本发明的合金的钼含量等于或低于3重量％。可以添加该元素提高合金的电阻率，作为铬的补偿或部分替代。
根据本发明的合金的碳含量等于或低于1重量％并优选等于或低于0.1重量％。碳的存在劣化合金的磁性能，因此，降低碳含量以防止这类劣化。
根据本发明的合金的钒和钨的组合含量等于或低于3重量％。可以添加这些元素提高合金的电阻率，作为铬的补偿或部分替代。
根据本发明的合金的铌和钽的组合含量等于或低于1重量％。可以添加这些元素改善合金的延展性，因而限制合金的脆性。
最后，氧、氮、硫、磷和硼的组合含量限于0.1重量％，因为这类元素是氧化性的并趋于形成析出物，这些析出物对磁性能和材料的机械延展性非常不利。这样的限定特别地假定，根据本发明的合金由高纯原材料制造。
并且，根据本发明的合金也必须满足在这些元素中的一些的若干关系。因此，必须满足下列四个关系：
Co+Si-Cr≤27                        (1)
Si+Al+Cr+V+Mo+Ti＞3.5              (2)
1.23(Al+Mo)+0.84(Si+Cr+V)≥1.3      (3)
14.5(Al+Cr)+12(V+Mo)+25S i≥50      (4)
关系(1)通过平衡硅和铬使其确保良好的可热变形性成为可能，因此在锻压和轧制时不出现裂缝或裂纹。
关系(2)与关系(4)组合，使其确保高电阻率ρe1成为可能，特别是高于50μΩ.cm。
关系(3)代表饱和标准，能使根据本发明的合金具有低于2.2T的饱和磁化强度Js，与高动态磁化范围要求所必须添加的非磁性元素的方式一致。
关系(4)与关系(2)组合，使得确保高电阻率ρe1成为可能，特别是高于50μΩ.cm。
可以按这类合金的常规方法来进行根据本发明的合金的制备。因而，构成合金组成的不同元素可以进行真空感应熔炼然后浇成铸锭、坯料或板坯。然后将其在1000-1200℃的温度下进行热锻，接着在重新加热到1150℃或更高的温度后进行热轧，轧制终了温度为800-1050℃。
这样生产的热轧板材、棒材或带材可以在这种状态下使用或还可以在浸入一种或多种酸洗容器中酸洗后进行冷轧，并退火。
用适合于制得零件表面的任何处理，使得沉积的元素在表面下扩散，也可进一步改善根据本发明合金的动态磁化范围。这类元素例如可以是铝、硅或铬。
试验
将生产合金所需的原材料进行真空感应熔炼并在真空中铸成50kg的铸锭。然后将铸锭在1000-1200℃下热锻，在重新加热至1150℃后，热轧降低至4-5mm的厚度，热轧终了温度至少为800℃。带材在酸中进行化学酸洗后，在热轧状态下通过机加工拉伸试验试样、用于磁特性表征的圆试样或用于电阻率测试的狭长试样对所述带材进行表征，或者对同样类型的试样和特性还可以在冷轧降低至0.6mm厚度后进行表征。
根据情况，可以这样或在900℃下在H2中退火4小时并快速冷后对这两类冶金状态(HR：热轧状态，CR：冷轧状态)进行表征。除非另外指出，所有下列数据都是在冷轧和退火后获得的。
拉伸强度Rm为热轧带材在900℃下在H2中退火4小时后对拉伸试验试样测得的。
对热轧状态的表面评价抗腐蚀性Tcor，将该表面研磨以具有清洁表面及非常低的粗糙度，然后置于20℃的盐雾气氛中。
通过在试验铸锭上(热和冷)轧制操作期间简单观察非脆性棱边进行可热变形性或可冷变形性试验。
试验熔炼料的组成如下述表1所示，应理解，在所有试验中氧、氮、硫、磷和硼的组合含量低于0.1重量％并且组成的余量由铁组成。
表1
  试验   ％Co   ％Ni   ％Si   ％Cr   ％Mn   ％Al   ％Ti   ％Mo   ％V   ％W   ％Nb   ％Ta
  1   18   -   -   5   0.2   1   -  -   -   -   -    -
  2*   18   -   0.5   5   0.2   0.5   0.02  -   -   -   -    -
  3*   18   1   0.3   4.7   0.2   -   -   0.1   -   -   -    -
  4*   18   2   0.3   4.7   0.2   -   -   -   0.15   -   -    -
  5*   18   3   0.3   4.7   0.2   -   -   -   -   0.2   -    -
  6   18   -   0.5   2.7   0.2   -   -   -   -   -   -    -
  7*   18   -   1   3   0.2   -   -   -   -   -   0.03    -
  8*   18   -   2   3   0.2   -   -   -   -   -   -    -
  9*   18   -   3   3   0.2   -   -   -   -   -   -    -
  10*   18   -   1   7   0.2   -   -   -   -   -   -    -
  11*   18   -   2   7   0.2   -   -   -   -   -   -    -
  12*   18   -   3   7   0.2   -   -   -   -   -   -    -
  13*   18   -   4   7   0.2   -   -   -   -   -   -    -
  14   18   -   3.46   -   0.2   -   -   -   -   -   -    -
  15   18   -   3.5   0.2   0.2   -   -   -   -   -   -    -
  l6   18   -   0.55   2.87   0.2   -   -   -   -   -   -    -
  17   18   -   1.04   2.11   0.2   -   -   -   -   -   -    -
  18*   18   -   0.99   4.98   0.2   -   -   -   -   -   -    -
  19*   18   -   2.05   5.18   0.2   -   -   -   -   -   -    -
  20*   18   -   2.99   4.97   0.2   -   -   -   -   -   -    -
  21*   18   -   3.96   4.9   0.2   -   -   -   -   -   -    -
  22*   18   -   1   4   0.2   -   -   -   1   -   -    -
  23*   18   -   3   4   0.2   -   -   -   1   -   -    -
  24*   18   -   5   4   0.2   -   -   -   1   -   -    -
  25   18   -   7   4   0.2   -   -   -   1   -   -    -
  28*   18   -   4   5   0.2   -   -   -  -   -   -   0.2
*：根据本发明的试验
试验结果如下述表2所示。
表2
  试验   Js(T)   ρe1(μΩ.cm)   Hc(Oe)   热轧   冷轧   Rm(MPa)   Tcor
  1   2.06   63.5   3.79   是   是   480   ++
  2*   2.07   65   3.6   是   是   522   ++
  3*   2.11   56.4   16.6   是   是   505   ++
  4*   2.09   61.1   17.3   是   是   505   ++
  5*   2.07   61.7   22.2   是   是   506   ++
  6   2.17   46.8   0.91   是   是   520   ++
  7*   2.13   53.7   1.22   是   是   564   ++
  8*   2.08   63.4   0.8   是   是   648   ++
  9*   2.01   68.9   0.6 是 否   732   ++
10* 2 71 18.7 是 是 563 ++
  11*   1.94   80.5   20.5   是   是   642   ++
  12*   1.88   90.4   15.7   是   否   730   ++
  13*   1.82   96.6   12.3   是   否   798   ++
  14   2.04   48.4   0.5   是   否   760   0
  15   2.02   51   0.4   是   否   752   0
  16   2.14   48   2.6   是   是   522   ++
  17   2.13   47   2.2   是   是   565   +
  18*   2.01   68   5.15   是   是   567   ++
  19*   1.92   80.5   4.95   是   是   644   ++
  20*   1.88   86   3.15   是   是   730   ++
  21*   1.80   96.5   2.13   是   是   792   ++
  22*   2.11   52   3.51   是   是   566   ++
  23*   2.06   63.5   3.58   是   是   733   ++
  24*   2   75.7   2.59   是   是   850   ++
25 1.85 98 1.7 否 NE   NE   NE
  26*   1.81   88.7   3   是   否   797   ++
*：根据本发明实验；NE：未评价。
从这些试验可以看出，根据本发明的合金使得现有技术不可获得的一系列性能一起成为可能，这些性能为：
-在非常厚的冶金状态(HR板材几mm厚)和薄的冶金状态(冷轧至0.1-2mm厚)都具有在20℃下的低矫顽场Hc；
-在材料的热或冷变形中优异的延展性；
-在20℃下的高电阻率，典型＞50μΩ.cm，同时仍然保持在20℃下的高至非常高的饱和磁化强度，典型＞1.75T并优选大于1.9T，尽管由于合金的大动态磁化强度范围的所需的添加而不能超过2.2T；
-在热轧状态中，对于至少2mm的厚度拉伸强度至少500MPa；
-令人满意的抗腐蚀性；以及
-有限的材料成本。
从上述可以看出，根据本发明的合金的优选应用是制造电磁致动器的芯，无论其是线性的还是旋转的致动器。这类紧凑的、动态的和耐用的致动器可有利地用于直喷爆燃式发动机
Figure BPA00001185297900101
特别是柴油机的喷射器，并用在控制内燃机阀门移动的致动器的可移动部件中。

Claims (10)

1.Fe-Co合金，其组成以重量％计包含：
6≤Co+Ni≤22
Si≥0.2
0.5≤Cr≤8
Ni≤4
0.10≤Mn≤0.90
Al≤4
Ti≤1
C≤1
Mo≤3
V+W≤3
Nb+Ta≤1
Si+Al≤6
O+N+S+P+B≤0.1
组成的余量由铁和因熔炼所致的不可避免的杂质构成，还应当理解，其含量满足下述关系：
Co+Si-Cr≤27
Si+Al+Cr+V+Mo+Ti≥3.5
1.23(Al+Mo)+0.84(Si+Cr+V)≥1.3
14.5(Al+Cr)+12(V+Mo)+25Si≥50。
2.根据权利要求1的Fe-Co合金，其中：
10≤％Co+％Ni≤22。
3.根据权利要求1和2中任一项的Fe-Co合金，其中：
1≤Cr≤5.5。
4.根据权利要求1-3中任一项的Fe-Co合金，其中：
Ni≤1。
5.根据权利要求1-4中任一项的Fe-Co合金，其中：
Al≤2。
6.根据权利要求1的合金，其组成以重量％计包括：
6≤Co+Ni≤22
Si≥0.2
0.5≤Cr≤6
Ni≤1
0.10≤Mn≤0.90
Al≤4
Ti≤0.1
C≤0.1
Mo≤3
V+W≤3
Nb+Ta≤1
Si+Al≤6
O+N+S+P+B≤0.1
组成的余量由铁和因熔炼所致的杂质构成，
还应当理解，其硅、铝、钴、铬、钒、钼、钛和镍含量满足下述关系：
Co+Si-Cr≤27
Si+Al+Cr+V+Mo+Ti＞3.5
1.23(Al+Mo)+0.84(Si+Cr+V)≥1.3
14.5(Al+Cr)+12(V+Mo)+25Si≥50。
7.由权利要求1-6中任一项所述的Fe-Co合金制备的棒材、线材、轧制板材或片材。
8.电磁致动器，其包含由根据权利要求7的棒材、线材、轧制板材或片材制备的可移动芯。
9.根据权利要求8的电磁致动器在电控爆燃式发动机的喷射器中的用途。
10.根据权利要求8的电磁致动器在电控内燃机中的用途。
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