CN102134665B - 一种铂钴永磁多极环及制备方法 - Google Patents
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Abstract
一种铂钴永磁多极环及制备方法，属于永磁多极环技术领域。铂钴永磁多极环的化学成分按重量百分数为：Pt 73-81％，余Co；将纯度大于99.99％的Pt、Co置于感应炉中熔炼，待熔炼后浇铸到冷却定模中，冷却定模具有沿直径方向的均匀的温度梯度，使铂钴合金铸锭形成辐射状的晶体组织结构。制备工艺为：使用真空感应炉熔炼铂钴合金，在浇筑定模中形成具有辐射状的结晶组织；固溶热处理；使用盐浴热处理方式进行二级时效热处理；加工成环状磁体。优点在于，实现了制备工艺简单，沿圆周方向气隙磁场均匀一致性好的铂钴永磁辐射多极环。
Description
技术领域
本发明属于永磁多极环技术领域，特别是涉及一种铂钴永磁多极环及制备方法，一种高表面气隙磁密、高均匀性的铂钴永磁多极环及制备方法。
背景技术
永磁多极环常被用如，陆用定位定向系统、高精度寻北仪以及船用高精度导航系统等高科技控制器的核心部位中，在当今许多技术领域起着不可替代的作用。应用中一般要求整体、辐向或轴向多极。但是在一些先进的陀螺中，多极环往往需要在氢气的环境中使用，由于氢气的气体粘度小，导热系数大，陀螺内部充氢后可以改善气体动态力矩，提高陀螺的精度，这就对多极磁环的耐氢性能、耐高温、高精度(易加工)、磁性能以及均匀性提出了要求。NdFeB和SmCo磁体容易与氢气发生反应，往往不能满足氢气氛的工作环境。而采用铂钴永磁材料来制造多极环具有良好的机械性能，可以进行热、冷变形加工，它的耐氢性能也很好，可以长时间在氢气氛下使用，而其物理化学性质不发生改变。同时，铂钴永磁材料具有较高的矫顽力和最大磁能积，通常矫顽力大于400kA/m(5000Oe)，最大磁能积大于72kJ/m3(9MGOe)。高的矫顽力保证了磁辐射多极环在退磁场影响下的稳定性，高磁能积可以使多极环的每极气隙磁密波形系数优于正弦波，进而满足更高的使用要求。可见，铂钴永磁材料在现代高科技领域仍具有不可替代的地位。
铂钴永磁材料主要采用的是铸造永磁合金的制备工艺，这种制备工艺制造的铂钴永磁合金的晶粒尺寸粗大，存在铸造缺陷，会造成磁体性能上的不均匀。永磁多极环在使用过程中往往对其气隙磁密的均匀性有较高的要求，由于这种磁环在磁化方向上的特殊性，要求多极环的组织结构在圆周方向的分布更加均匀，这对材料组织结构的控制提出了更高的要求。目前对于铂钴多极环制备和均匀性控制的研究在国内外还未见相关的报道。
发明内容
本发明的目的在于提供一种铂钴永磁多极环及制备方法，针对耐氢性好、磁性能高的铂钴永磁多极环，实现了制备工艺简单，沿圆周方向气隙磁场均匀一致性好的铂钴永磁辐射多极环。
本发明的铂钴永磁多极环化学成分按重量百分数为：Pt 73-81％，余Co；将纯度大于99.99％的Pt、Co置于感应炉中熔炼，待充分熔炼后浇铸到冷却定模中，利用冷却定模沿直径方向形成的均匀的温度梯度，使铂钴合金铸锭形成辐射状的晶体组织结构。
本发明的铂钴多级环的制备工艺为：使用真空感应炉熔炼铂钴合金，在浇筑定模中形成具有辐射状的结晶组织；固溶热处理；使用盐浴热处理方式进行二级时效热处理；加工成环状磁体。
(1)真空感应炉熔炼：首先设计使用了具有温度梯度的浇铸定模(见图1)，整个定模的主体使用具有良好导热性的电解铜制备，定模中央是一个圆柱形的坩埚，坩埚的底部使用的是高纯度的氧化铝耐火隔热材料，在定模内部有一个围绕坩埚一周的冷水槽。使用时定模中通入冷却水，将熔炼完毕的铂钴钢液倒入定模的坩埚之中，钢液冷却凝固形成具有辐射状结晶组织的合金铸锭。
(2)固溶热处理：然后铂钴合金铸锭在900-1150℃进行2-3小时的固溶热处理，随后控制铂钴合金的冷却速度，使合金在此过程中发生最初的无序结构到有序结构的转变，冷却速度在5℃/s～50℃/s范围内，随着冷却速度的降低，合金的无序到有序的转变程度逐渐提高，当冷却速度大于50℃/s时，合金中就无法形成面心四方结构的有序相，这可以从XRD图中超结构衍射峰的增强和(200)峰的分裂观察到(见图2)。
(3)盐浴热处理方式进行二级时效热处理：采用盐浴热处理的方法在660-700℃进行10-20分钟的时效热处理，最后再在580-600℃进行0.5-2小时的时效热处理。
(4)加工成环状磁体：时效热处理完毕后，将铂钴合金铸锭加工成尺寸精度到位的铂钴永磁环，精磨加工完毕后再在250-300℃热处理3-5小时以消除机加工过程中产生的应力，可以使合金锭中粒子拉长，矫顽力明显提高。
后期的充磁方法采用整体一次多极充磁，通过对多极无绕线铁芯法、单根导线法和磁力线冲击法等多种充磁方法的研究，采用了对小直径有序取向磁畴结构的多极永磁环进行充磁的装置。在磁环的磁化过程中，充磁卡具采用单根导线设计，而磁化电源部分主要采用可控硅并联电路，构成了瞬时的大电流充磁磁场，实现了铂钴磁环内表面多极充磁、外表面多极充磁和内外表面多极充磁。(充磁方式示意图见图4-图6)
本发明的原理为：对于传统的浇铸方法，合金在凝固时很难保证其组织结构在圆周方向的均匀一致性，无法形成沿径向方向生长的结晶组织结构。我们采用一种特殊的铂钴合金熔炼、浇铸定向结晶方法。目的是使合金在凝固时形成沿圆周方向均匀一致的径向结晶组织结构，同时，消除凝固时形成的缺陷组织，使合金的组织结构更加均匀。因此，本发明制备一种高性能、高均匀性的铂钴永磁辐射多极环的技术关键为：用于制备铂钴永磁多极环的合金按重量比的化学成分为：Pt 73-81％，余Co。将纯度大于99.99％的Pt、Co置于感应炉中熔炼，待充分熔炼后将合金浇铸到如图1所示的梯度定模中，利用直径方向形成均匀的温度梯度，使铂钴合金液在直径方向形成快冷却速度。随后在高压气氛或常压气氛下对铂钴合金铸锭进行800-1100℃高温回火处理，目的在于消除凝固时形成的缺陷组织，使合金的组织结构更加均匀，然后控制铂钴合金的冷却速度，使合金发生最初的无序相(fcc)到有序相(fct)的转变。
发明的效果：采用本发明方法，当浇铸工艺获得合金锭后，通过特殊的后续处理技术(包括热处理工艺)，研制出铂钴永磁多极环气隙磁密的均匀性达到了5-10％。拓宽了这类磁环的应用范围。同时针对耐氢性好的、矫顽力高的铂钴永磁辐射多极环，提供的制备方法具有工艺简单，磁环成品的加工性能好，磁环的尺寸精度易于保证的优点。
附图说明
图1为具有温度梯度的浇铸定模。
图2为不同冷却速度的铂钴合金的x射线衍射图。
图3为不同Pt含量的铂钴合金的退磁曲线。
图4为采用本发明方法制备的铂钴永磁辐射多极环(外表面取向场)。
图5为采用本发明方法制备的铂钴永磁辐射多极环(内表面取向场)。
图6为采用本发明方法制备的铂钴永磁辐射多极环(内外表面取向场)。
图7为采用本发明技术制备的辐向12极铂钴环的计算波形与实测波形。
具体实施方式
采用不同Pt含量的铂钴合金的退磁曲线见图3，在此范围内制备的合金铸锭其磁性能满足多级环的要求。
针对本发明铂钴永磁多级环的化学组成成分，熔炼了成分为Pt76.1％、Co23.9％(质量百分比)的合金，采用上述浇注定模冷却，得到了具有辐射状结晶组织的铂钴合金铸锭。使用此圆柱形铸锭制备了铂钴永磁多级环，热处理工艺条件为：固溶热处理，使用真空热处理炉，在1000℃热处理2小时；固溶热处理后以10℃/s的冷却速度冷却到室温；时效热处理在盐浴炉中进行，先在670℃处理10分钟，然后再在600℃处理1小时。热处理后加工成环状磁体，再在300℃处理3小时。图7为采用本发明技术制备的12级铂钴多级环的计算波形与实测波形，可见实测波形与正弦波形十分相似。
表1是本发明铂钴多级磁环与传统工艺制备的铂钴多级磁环的各项指标的对比。传统工艺制备辐射多极环气隙磁密的不均匀性远远大于25％，且平均磁极气隙磁密小于600Gs，限制了该种磁环的应用范围。本发明与现有的技术相比可以明显的提高铂钴永磁辐射多极环的均匀性，采用上述方法制备的铂钴永磁辐射多极环气隙磁密的均匀性达到了5-10％，同时平均磁极气隙磁密提高了30％以上。表2对比了不同冷却速度铂钴多级磁环的磁性能，可见只有在冷却速度小于50℃/s时，制备出的铂钴多级磁环的矫顽力才能大于410kA/m，其矫顽力才能满足多级环充磁的要求。
表1本发明铂钴多级磁环与传统工艺的对比
注：1、表中的剩磁、矫顽力和磁能积是磁环上沿径向方向的磁性能指标
2、气隙磁密的不均匀性＝(各磁极气隙磁密最大差值/平均磁极气隙磁密)×100％
表2不同冷却速度铂钴多级磁环磁性能的对比
| 冷却速度(℃/s) | 剩磁(Br) | 矫顽力(kA/m) | 磁能积(kJ/m3) |
| 200 | 0.692 | 352.5 | 72.3 |
| 50 | 0.690 | 410.3 | 77.1 |
| 10 | 0.683 | 450.0 | 80.3 |
Claims (3)
1.一种铂钴永磁多极环，其特征在于，化学成分按重量百分数为：Pt 73-81％，余Co；将纯度大于99.99％的Pt、Co置于感应炉中熔炼，待熔炼后浇铸到冷却定模中，利用冷却定模沿直径方向形成的均匀的温度梯度，使铂钴合金铸锭形成辐射状的晶体组织结构；该铂钴永磁多极环是通过如下制备工艺获得的：
(1)真空感应炉熔炼：首先设计使用了具有温度梯度的浇铸定模，整个定模的主体使用具有良好导热性的电解铜制备，定模中央是一个圆柱形的坩埚，坩埚的底部使用高纯度的氧化铝耐火隔热材料，在定模内部有一个围绕坩埚一周的冷水槽；使用时定模中通入冷却水，将熔炼完毕的铂钴钢液倒入定模的坩埚之中，冷却凝固形成具有辐射状结晶组织的合金铸锭；
(2)固溶热处理：铂钴合金铸锭在900-1150℃进行2-3小时的固溶热处理，随后控制铂钴合金的冷却速度，使合金在此过程中发生最初的无序结构到有序结构的转变，冷却速度在5℃/s～50℃/s范围内，随着冷却速度的降低，合金的无序到有序的转变程度逐渐提高，当冷却速度大于50℃/s时，合金的矫顽力无法满足多极环充磁要求；
(3)盐浴热处理方式进行二级时效热处理：在660-700℃进行10-20分钟的时效热处理，最后再在580-600℃进行0.5-2小时的时效热处理；
(4)加工成环状磁体：时效热处理完毕后，将铂钴合金铸锭加工成铂钴永磁环，精磨加工完毕后再在250-300℃热处理3-5小时。
2.一种权利要求1所述铂钴永磁多极环的制备方法，其特征在于，工艺步骤如下：
(1)真空感应炉熔炼：首先设计使用了具有温度梯度的浇铸定模，整个定模的主体使用具有良好导热性的电解铜制备，定模中央是一个圆柱形的坩埚，坩埚的底部使用高纯度的氧化铝耐火隔热材料，在定模内部有一个围绕坩埚一周的冷水槽；使用时定模中通入冷却水，将熔炼完毕的铂钴钢液倒入定模的坩埚之中，冷却凝固形成具有辐射状结晶组织的合金铸锭；
(2)固溶热处理：铂钴合金铸锭在900-1150℃进行2-3小时的固溶热处理，随后控制铂钴合金的冷却速度，使合金在此过程中发生最初的无序结构到有序结构的转变，冷却速度在5℃/s～50℃/s范围内，随着冷却速度的降低，合金的无序到有序的转变程度逐渐提高，当冷却速度大于50℃/s时，合金的矫顽力无法满足多极环充磁要求；
(3)盐浴热处理方式进行二级时效热处理：在660-700℃进行10-20分钟的时效热处理，最后再在580-600℃进行0.5-2小时的时效热处理；
(4)加工成环状磁体：时效热处理完毕后，将铂钴合金铸锭加工成铂钴永磁环，精磨加工完毕后再在250-300℃热处理3-5小时。
3.根据权利要求2所述铂钴永磁多极环的制备方法，其特征在于，充磁采用整体一次多极充磁，采用了对小直径有序取向磁畴结构的多极永磁环进行充磁的装置；在磁环的磁化过程中，充磁卡具采用单根导线设计，而磁化电源采用可控硅并联电路，构成了瞬时的大电流充磁磁场，实现了铂钴磁环内表面多极充磁、外表面多极充磁和内外表面多极充磁。
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