CN102534395B - 一种铁铬软磁合金及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种具有高磁感应强度B、低矫顽力Hc铁铬软磁合金材料，其化学成分(质量分数，％)为：铬9.7～11.99、钼0.6～1.99、硅0.7～1.00、铜0.10～0.30、铌0.08～0.15、碳小于0.010、硫小于0.015和稀土0.005～0.04的铈、镧铈混合稀土中的一种或两种，其余为铁和不可避免的杂质。该合金在弱磁场下显现的高磁感应强度，极大的减小了电磁阀(铁)的结构尺寸和质量，提高了电磁吸持力，低矫顽力使电磁阀(铁)的反应更加迅速，主要用于制作在一定腐蚀环境、较弱磁场下工作的小型电磁阀(铁)。

Description

一种铁铬软磁合金及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种在较弱磁场具有高磁感应强度、低矫顽力铁铬软磁合金及其制备方法。
背景技术
随着工业技术水平及新型设备、器件的发展，对控制系统中电磁阀(铁)的要求也越来越高，不仅要适用于多种恶劣环境，而且对电磁阀(铁)小型化及在弱磁场触发下快速反应的设计需求越来越迫切。对于电磁阀(铁)来说，弱磁场的意义在于电磁阀(铁)可以在低能量下获得高的电磁吸持力：(1)电磁吸持力F∝B2·S(B：磁感应强度，S：器件截面积)，当F一定时，工作磁场下B越高，器件结构尺寸S就越小；(2)将工作磁场设计在弱磁场即材料磁化曲线陡峭段，可以提高电磁阀(铁)工作状态的反应速度。同时在弱磁场工作还可以减少磁芯线圈匝数，使电磁阀(铁)整体重量降低。所以，提高磁化曲线陡峭度(斜率)，即磁场变化很小时，磁感应强度B急剧地增加，有利于电磁阀(铁)小型化、快速反应。
目前，电磁阀(铁)常用的铁铬合金材料有0Cr13、1J116、1J117以及前苏联的16X、美国430F等，均属于耐蚀软磁类合金。它们的共同特点是具有良好的耐蚀特性和较高的饱和磁感应强度，但是在较弱磁场下或者当工作磁场处于磁化曲线的陡峭段时，所对应的磁感应强度不高，用来制造的电磁阀(铁)电磁吸持力不够，只能靠增加工作磁场及器件尺寸弥补电磁吸持力不足。有时为了降低电磁阀(铁)结构尺寸、提高反应速度甚至采用1J50合金，而1J50合金的耐腐蚀能力不如1J116等铁铬合金，在特殊环境下使用时，需要进行表面处理，这将造成对环境的严重污染，同时1J50合金比较软，容易变形并需要消耗贵重金属镍，价格较为昂贵。因此，现有的合金不能满足电磁阀(铁)小型化的设计要求。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术存在的上述缺陷，提供一种新型合金，该合金在较弱磁场下具有高磁感应强度、低矫顽力、耐蚀性良好等特性，适合小型电磁阀(铁)在弱磁场触发下产生较强的电磁吸持力。
本发明的设计指导思想：优先考虑磁性能为原则。以铁铬为主要合金元素并控制铬的含量，通过减少合金中非铁磁性元素铬的含量并采取独特的制备工艺，达到提高合金弱磁场下磁感应强度的目的。铬的选取范围控制在平衡相图中奥氏体+铁素体相区，再经过成品热处理，使之产生少量马氏体析出，对合金的磁性能起强化作用。
本发明涉及的合金成分设计方案为：将铬(质量分数，％)含量控制在9.7～11.99之间，尽量减少铬的添加量，相对增加了铁的含量，有利于提高合金弱磁场(磁化曲线陡峭段)的磁感应强度。同时通过添加钼、硅、铜、铌及稀土等元素以及对碳、硫等含量的控制，改善合金的综合性能。
在铁铬软磁合金中，铬(质量分数，％)在10～20合金具有相对较好的磁性能，但是从耐蚀性考虑只有当铁铬合金中的铬(质量分数，％)在12以上，合金才能形成致密、稳定、均匀的氧化膜，获得一定的耐蚀特性。铬是非铁磁性元素，合金中铬含量增加时，合金磁性能下降，其趋势在较弱磁场下表现得更为明显，随着磁性能迅速下降，抗腐蚀能力逐渐增强。本发明将铬(质量分数，％)含量控制在9.7～11.99之间；
钼元素的作用有两点，一是提高合金抗腐蚀特别是抗点蚀能力，改善合金的耐蚀性能，第二是简化热处理工艺，使合金最终热处理工艺的可操作性更强，便于生产加工，但是试验显示钼具有降低磁感应强度B的作用，特别是对弱磁场下的磁感应强度影响更明显，所以钼含量(质量分数，％)优选0.6～1.99；
适量的硅能提高合金电阻率及弱磁场的磁感应强度并减少损耗，但是由于硅的导热率低，影响热加工性能，因此硅的加入量控制在(质量分数，％)0.7到1.0；
铜的作用是进一步补充强化合金的抗蚀性，优选(质量分数，％)0.1～0.3；
铌与铁、铬有着差异悬殊的电子结构，是强碳化物形成元素，利用这个特点，添加(质量分数，％)0.08～0.15的铌元素，通过形成碳化铌稳定了合金中的碳，起到了间接提高合金磁性能的作用；同时抑制碳化铬的形成，避免合金的耐蚀性恶化。少量铌对合金磁性能的影响主要集中在弱磁场，对中高磁场的性能影响甚小，当铌(质量分数，％)含量超过0.15，弥散的碳化铌析出量增加，将成为凝固的晶核，从而导致晶粒细化，这将影响合金的磁性能，特别是弱磁场80A/m、240A/m下的磁感应强度B80、B240明显降低；
碳含量控制在(质量分数，％)0.010以下，以尽量减少生成碳化物，碳含量越高，需要加入的铌就越多，伴随大量碳化铌的析出，细化晶粒，增加技术磁化阻力，对合金的磁性能产生不利影响；
硫含量多少决定所添加的稀土量：较低的硫含量可以减少稀土的添加量，如果添加超过(质量分数，％)0.04的稀土元素，将明显对热加工造成不良影响，所以硫(质量分数，％)控制在0.015以下，稀土优选0.005～0.04(质量分数，％)。
本发明的具体技术方案为：一种铁铬软磁合金，其特征在于：合金化学成分为(质量分数，％)铬9.7～11.99、钼0.6～1.99、硅0.7～1.00、铜0.10～0.30、铌0.08～0.15、碳小于0.010、硫小于0.015，还包含0.005～0.04的铈、镧铈混合稀土元素中的一种或两种，其余为铁和不可避免的杂质。合金经真空感应炉冶炼，并在精炼后期全闭加稀土，为控制稀土元素的烧损，充入压力不大于0.098MPa氩气保护，合金经过常规热、冷加工方法加工成各类型材，成品型材在真空气氛下进行热处理，热处理制度为900℃～980℃保温1～2小时，既均匀成分和组织又控制合金最终晶粒度，然后再升温至1100℃～1150℃，保温3～8小时，以100～200℃/h速度冷却到650℃～550℃，推炉快冷至室温出炉，即可获得性能为：饱和磁感应强度下的矫顽力Hc≤22A/m，在80A/m磁场下的磁感应强度B80≥1.0T、在240A/m磁场下的磁感应强度B240≥1.2T，饱和磁感应强度Bs≥1.6T的合金材料。
本发明合金与现有技术相比所具有的优点为：
1、本发明铁铬软磁合金具有良好的磁性能，饱和磁感应强度下矫顽力Hc≤22A/m，在80A/m磁场下的磁感应强度B80≥1.0T、在240A/m磁场下的磁感应强度B240≥1.2T，用其制作的电磁阀可显著降低其质量和结构尺寸，与对比合金1J116相比，240A/m磁场强度时的磁感应强度B240提高了20％以上，电磁阀结构尺寸理论上相应减小30％以上；矫顽力明显低于对比合金1J116，使技术磁化更容易进行，更有利于电磁阀吸合释放工作。
2、本发明铁铬软磁合金抗腐蚀特性与1J116合金相当。
3、本发明铁铬软磁合金性能水平接近1J50合金，价格低廉。
本发明设计的合金，主要用于制作在一定腐蚀环境、较弱磁场下工作的小型电磁阀(铁)。
实施例
下面通过具体实施例进一步说明本发明的技术方案。
实施例1：化学成分(质量分数，％)：Cr 9.89、Mo1.5、Si0.73、Cu0.29、Nb0.1、C 0.003、S 0.0025、Ce0.02、La+Ce混合稀土为0.02，余为Fe。采用真空感应炉冶炼，加稀土后充氩0.08MPa保护，经常规锻造、修磨，加工成Φ45mm棒材，成品在真空气氛下进行热处理，热处理制度为980℃保温1小时，再升温至1100℃，保温4小时，以100℃/h速度冷却到600℃，推炉快冷至室温出炉。得到的棒材性能为：
Hc＝18.45A/m、B80＝1.02T、B240＝1.23T、Bs＝1.65T、μm＝28.6mH/m、Rp0.2＝225N/mm2、Rm＝390N/mm2、A％＝39、中性盐雾试验50小时，腐蚀率为0.0095mm/a。
实施例2：化学成分(质量分数，％)：Cr10.11、Mo1.8、Si 1.00、Cu0.10、Nb0.13、C 0.004、S 0.0026、La+Ce混合稀土为0.01，余为Fe。采用真空感应炉冶炼，加稀土后充氩0.098MPa保护，经过常规锻造、热轧为6.0×350mm的热带，成品在真空气氛下进行热处理，热处理制度为960℃保温1.5小时，再升温至1100℃，保温8小时，以200℃/h速度冷却到550℃，推炉快冷至室温出炉。得到的热带性能为：
Hc＝21.97A/m、B80＝1.01T、B240＝1.21T、Bs＝1.66T、μm＝20.9mH/m、Rp0.2＝260N/mm2、Rm＝405N/mm2、A％＝36、中性盐雾试验50小时，腐蚀率为0.0076mm/a。
实施例3：化学成分(质量分数，％)：Cr11.33，Mo0.7，Si0.9，Cu0.15，Nb0.09，C 0.003，S 0.0016，La+Ce混合稀土为0.02，余为Fe。采用真空感应炉冶炼，加稀土后充氩0.098MPa保护，经过常规冷加工成2.2×350mm冷带，成品在真空气氛下进行热处理，热处理制度为900℃保温1小时，再升温1150℃，保温3小时，以150℃/h速度冷却到550℃，推炉快冷至室温出炉。得到的冷带性能为：
Hc＝20.86A/m、B80＝1.02T、B240＝1.22T、Bs＝1.64T，μm＝21.0mH/m、Rp0.2＝255N/mm2、Rm＝395N/mm2、A％＝32、中性盐雾试验50小时，无失重。
附表1、2给出了本发明典型实施例与1J116、1J50合金成分、性能对照数据。
附表1  本发明合金与1J116、1J50合金成分对照数据(质量分数，％)
Figure BSA00000645049000071
附表2  本发明合金与1J116、1J50性能对照数据
Figure BSA00000645049000072

Claims (1)

1.一种制备铁铬软磁合金的方法，该合金的化学成分为(质量分数，％)铬9.7～11.99、钼0.6～1.99、硅0.7～1.0、铜0.10～0.30、铌0.08～0.15、碳小于0.010、硫小于0.015，还包含0.005～0.04的铈、镧铈混合稀土元素中的一种或两种，其余为铁和不可避免的杂质，该合金在饱和磁感应强度下的矫顽力Hc≤22A/m，在80A/m磁场下的磁感应强度B80≥1.0T、在240A/m磁场下的磁感应强度B240≥1.2T，饱和磁感应强度Bs≥1.6T，其特征在于：合金采用真空感应炉冶炼，精炼后期全闭加稀土，同时充入压力不大于0.098MPa氩气保护，该合金的成品热处理方法为，在真空气氛下进行，热处理制度为900～980℃保温1～2小时，再升温至1100℃～1150℃，保温3～8小时，以100～200℃/h速度冷却到650℃～550℃，推炉快冷至室温出炉。
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