CN108425065A - 一种比例电磁铁 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种比例电磁铁，属于金属材料技术领域。比例电磁铁，包括铁芯和线圈，其中铁芯包括如下质量百分比的成分：Si：0.1‑0.18％、Mn：0.12‑0.16％、Cu：0.1‑0.2％、Ni：0.16‑0.2％、P：0.07‑0.09％、S：0.06‑0.08％、C：0.01‑0.03％、余量为Fe和杂质。原料中的P与Cu联合使用，形成Cu‑P相组织，能明显提高合金的耐大气腐蚀性和耐候性，而P与S、Mn联合使用，形成多元相，显著增加合金的被切削性，易于加工。同时，利用扩散动力学原理，进行不同成分间的固相反应进行非晶合金化，使得合金内部原子无序排列，赋予合金更多性能，表面处理是在产品表面形成形貌完整、致密、厚度均匀的合金层，该合金层具有较小的位移偏移量和较大的弹性模量，可显著提高基体的表面硬度和耐磨性。

Description

一种比例电磁铁
技术领域
本发明涉及一种比例电磁铁，属于金属材料领域。
背景技术
电磁铁是通电产生电磁的一种装置。在铁芯的外部缠绕与其功率相匹配的导电绕组，这种通有电流的线圈像磁铁一样具有磁性，便是电磁铁。一般情况下会将其制成条形或蹄形状，以使铁芯更加容易磁化。另外，为了使电磁铁断电立即消磁，我们往往采用消磁、充磁速度快的材料来制做。这样的电磁铁在通电时有磁性，断电后磁就随之消失。电磁铁在我们的日常生活中有着极其广泛的应用，由于它的出现也使发电机的功率得到了极大的提高。
而电磁铁的材料组成是其性能的重要因素，通常以软铁、硅钢等为主要材料进行制作。软铁是指以铁为基础，控制其中的碳含量，同时限制其他金属元素含量而组成的合金体系。虽然软铁作为铁芯时，其充磁消磁的速度较快，但是制备高纯度的软铁对工艺有较大的要求，同时，软铁在实际使用过程中也极易发生锈蚀，造成电磁铁的性能下降。
针对传统软铁铁芯组成的电磁铁综合性能较为低下，目前大多通过改进电磁铁的实际构造进行改良，极少涉及其材质。然而，仅仅改变电磁铁的构造并不能很好的改进其性能。
发明内容
针对上述存在的问题，本发明提供高强度、耐腐蚀、优良软磁性的电磁铁铁芯。
为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种比例电磁铁，包括铁芯和线圈，其中铁芯包括如下质量百分比的成分：Si：0.1-0.18％、Mn：0.12-0.16％、Cu：0.1-0.2％、Ni：0.16-0.2％、P：0.07-0.09％、S：0.06-0.08％、C：0.01-0.03％、余量为Fe和杂质。
在传统的铁基合金的组成选择上，往往会对很多具有明显危害合金性能的元素进行去除，如气体元素和几种非金属元素。而本发明在通过不断改进合金配方的过程中，通过提高P、S的含量来提升合金的性能。超低碳的铁基合金往往容易被锈蚀，但是本发明的P与Cu联合使用，形成Cu-P相组织，能明显提高合金的耐大气腐蚀性和耐候性，而P与S、Mn联合使用，形成多元相，显著增加合金的被切削性，易于加工。锰在合金中具有较好的吸附氧的能力，改善合金的质量，降低合金的脆性。
作为优选，在合金成分中，Si、Ni、C、Fe均碾成薄片。利用添加元素本身具有的延展性，碾成薄片后能增大各成分间的接触面，方便后续加工。
进一步优选，各薄片的厚度为10-50μm。根据扩散反应动力学，在对材料的初始状态需要采用合理的线度，方便后续的变形工艺，而本发明选择的厚度是较为经济合理的。
本发明在合理选用材料配比的同时还提供了另一种技术方案：
一种比例电磁铁，其铁芯的制备方法包括如下步骤：
(1)前处理：按上述的铁芯成分称取原料，将Si、Ni、C、Fe分别碾成薄片；将S、Mn、部分P在高温下混合形成化合物1并碾成薄片1；将Cu、余下的P在高温下混合形成化合物2并碾成薄片2；
(2)固相反应：先将Fe薄片与C薄片交替叠放，对叠片进行模锻、拉拔处理得超低碳合金薄片，再将超低碳合金薄片、Si薄片、Ni薄片三者交替叠放，重复模锻、拉拔处理得二次合金薄片，最后将二次合金薄片、薄片1、薄片2三者交替叠放，重复模锻、拉拔处理得合金薄片；
(3)热处理：对合金薄片进行退火处理，再将退火后的合金薄片卷曲、倾轧得铁芯半成品；
(4)表面处理：将铁芯半成品置于密闭容器中，充入改性气，两端平行板放电进行表面渗透得铁芯成品。
在大多数的合金冶炼中，按现下的制备工艺来看，往往通过高温混合熔融形成合金，进而制备成品。但是，高温熔融制备的合金内部形成晶态结构，这对于电磁铁的铁芯来讲，无疑极大地削弱了其消磁速率，甚至无法完全消磁，进而造成电磁铁失效。而本发明利用扩散动力学原理，进行不同成分间的固相反应进行非晶合金化，其内部原子无序排列，赋予合金更多性能，其中良好的软磁性正是铁芯所需要的。而一般的非晶合金制备通常采用熔炼后的极高速冷却来获得，但是对制备的设备要求极高，不适合大范围的企业制备。
本发明在薄片叠放、模锻、拉拔的处理过程中，能进一步造成原子的无序状态，进而增强合金的充磁、消磁能力。
而最后的表面处理，更是在产品表面形成形貌完整、致密、厚度均匀的合金层，该合金层具有较小的位移偏移量和较大的弹性模量，可显著提高基体的表面硬度和耐磨性。
作为优选，在步骤(1)中，所述高温为800-1000℃。在常温状态下，S、P、Mn、Cu等材料并不发生反应，但是在高温状态下，其内部原子会极为活跃，自然而然的形成化合物，便于后续的固相反应加工，其中P的性质较为特殊，既能与S、Mn联用，也能与Cu联用，则将60-70％的P与前者联用，余者与后者联用。
作为优选，在步骤(1)中，薄片1的厚度为8-16μm，薄片2的厚度为5-13μm。进一步区分薄片1与薄片2的厚度，有利于薄片叠加之后，因拉拔等物理加工后的整体均匀性，避免出现薄片不同区域的合金成分有差异，从而造成最终的产品综合性能下降。
作为优选，在步骤(2)中，各薄片叠放后还需卷曲形成螺旋结构。螺旋结构不仅能减小加工空间，同时扩大不同组份之间的原子延伸路径，使得各成分薄片经叠放、模锻、拉拔后再一次回到如Fe-C合金薄片的厚度，完成固相反应。
作为优选，在步骤(3)中，退火处理具体为：以20-30℃/min的速率升温，于350-510℃下保温3-5min。本发明的退火紧跟着固相反应，在物理初步非化的基础上，进行深入非晶化，而一旦低于该温度，则非晶化不完全，高于该温度，则发生晶化现象，都不利于产品性能的提升。
作为优选，在步骤(4)中，改性气包括N2、NH3、NO中的一种或多种。
作为优选，在步骤(4)中，密闭容器内压力为1-10mbar，平行板接300-500V的直流电。
在表面处理中，利用较大的直流电在低压下电离改性气，能激发出改性气中的元素，以离子的形态轰击产品表面，进而在产品表面形成氮化合金层，而由于改性气的含量较低，NH3、NO中的杂质元素也不易进入产品表面。
与现有技术相比，本发明具有如下优点：
(1)本发明的P与Cu联合使用，形成Cu-P相组织，能明显提高合金的耐大气腐蚀性和耐候性。
(2)本发明的P与S、Mn联合使用，形成多元相，显著增加合金的被切削性，易于加工。
(3)本发明摒弃传统高温熔融冶炼的方式，利用扩散动力力学，直接进行固相反应获得非晶态合金。
(4)表面处理后形成的合金层具有较小的位移偏移量和较大的弹性模量，可显著提高基体的表面硬度和耐磨性。
具体实施方式
以下是本发明的具体实施例，对本发明的技术方案作进一步的描述，但本发明并不限于这些实施例。
实施例1
前处理：按上述铁芯成分称取原料，包括Si：0.14％、Mn：0.14％、Cu：0.15％、Ni：0.18％、P：0.08％、S：0.07％、C：0.02％、余量为Fe和杂质，将Si、Ni、C、Fe分别碾成厚度为30μm的薄片；将S、Mn、65％的P在900℃高温下混合形成化合物1并碾成厚度为12μm的薄片1；将Cu、余下的P在900℃高温下混合形成化合物2并碾成厚度为9μm的薄片2。
固相反应：先将Fe薄片与C薄片交替叠放并卷曲形成螺旋结构，对叠片进行模锻、拉拔处理得超低碳合金薄片，再将超低碳合金薄片、Si薄片、Ni薄片三者交替叠放并卷曲形成螺旋结构，重复模锻、拉拔处理得二次合金薄片，最后将二次合金薄片、薄片1、薄片2三者交替叠放并卷曲形成螺旋结构，重复模锻、拉拔处理得合金薄片。
热处理：将合金薄片以25℃/min的速率升温，于430℃下保温4min进行退火处理，再将退火后的合金薄片卷曲、倾轧得铁芯半成品。
表面处理：将铁芯半成品置于密闭容器中，充入N2使得内部压力为5bar，两端平行板接400V直流电，然后放电进行表面渗透得铁芯成品。
实施例2
前处理：按上述铁芯成分称取原料，包括Si：0.1％、Mn：0.12％、Cu：0.1％、Ni：0.16％、P：0.07％、S：0.06％、C：0.01％、余量为Fe和杂质，将Si、Ni、C、Fe分别碾成厚度为10μm的薄片；将S、Mn、60％的P在800℃高温下混合形成化合物1并碾成厚度为8μm的薄片1；将Cu、余下的P在800℃高温下混合形成化合物2并碾成厚度为5μm的薄片2。
固相反应：先将Fe薄片与C薄片交替叠放并卷曲形成螺旋结构，对叠片进行模锻、拉拔处理得超低碳合金薄片，再将超低碳合金薄片、Si薄片、Ni薄片三者交替叠放并卷曲形成螺旋结构，重复模锻、拉拔处理得二次合金薄片，最后将二次合金薄片、薄片1、薄片2三者交替叠放并卷曲形成螺旋结构，重复模锻、拉拔处理得合金薄片。
热处理：将合金薄片以25℃/min的速率升温，于430℃下保温4min进行退火处理，再将退火后的合金薄片卷曲、倾轧得铁芯半成品。
表面处理：将铁芯半成品置于密闭容器中，充入N2使得内部压力为5bar，两端平行板接400V直流电，然后放电进行表面渗透得铁芯成品。
实施例3
前处理：按上述铁芯成分称取原料，包括Si：0.18％、Mn：0.16％、Cu：0.2％、Ni：0.2％、P：0.09％、S：0.08％、C：0.03％、余量为Fe和杂质，将Si、Ni、C、Fe分别碾成厚度为50μm的薄片；将S、Mn、70％的P在1000℃高温下混合形成化合物1并碾成厚度为16μm的薄片1；将Cu、余下的P在1000℃高温下混合形成化合物2并碾成厚度为13μm的薄片2。
固相反应：先将Fe薄片与C薄片交替叠放并卷曲形成螺旋结构，对叠片进行模锻、拉拔处理得超低碳合金薄片，再将超低碳合金薄片、Si薄片、Ni薄片三者交替叠放并卷曲形成螺旋结构，重复模锻、拉拔处理得二次合金薄片，最后将二次合金薄片、薄片1、薄片2三者交替叠放并卷曲形成螺旋结构，重复模锻、拉拔处理得合金薄片。
热处理：将合金薄片以25℃/min的速率升温，于430℃下保温4min进行退火处理，再将退火后的合金薄片卷曲、倾轧得铁芯半成品。
表面处理：将铁芯半成品置于密闭容器中，充入N2使得内部压力为5bar，两端平行板接400V直流电，然后放电进行表面渗透得铁芯成品。
实施例4
前处理：按上述铁芯成分称取原料，包括Si：0.14％、Mn：0.14％、Cu：0.15％、Ni：0.18％、P：0.08％、S：0.07％、C：0.02％、余量为Fe和杂质，将Si、Ni、C、Fe分别碾成厚度为30μm的薄片；将S、Mn、65％的P在900℃高温下混合形成化合物1并碾成厚度为12μm的薄片1；将Cu、余下的P在900℃高温下混合形成化合物2并碾成厚度为9μm的薄片2。
固相反应：先将Fe薄片与C薄片交替叠放并卷曲形成螺旋结构，对叠片进行模锻、拉拔处理得超低碳合金薄片，再将超低碳合金薄片、Si薄片、Ni薄片三者交替叠放并卷曲形成螺旋结构，重复模锻、拉拔处理得二次合金薄片，最后将二次合金薄片、薄片1、薄片2三者交替叠放并卷曲形成螺旋结构，重复模锻、拉拔处理得合金薄片。
热处理：将合金薄片以20℃/min的速率升温，于350℃下保温3min进行退火处理，再将退火后的合金薄片卷曲、倾轧得铁芯半成品。
表面处理：将铁芯半成品置于密闭容器中，充入N2使得内部压力为5bar，两端平行板接400V直流电，然后放电进行表面渗透得铁芯成品。
实施例5
前处理：按上述铁芯成分称取原料，包括Si：0.14％、Mn：0.14％、Cu：0.15％、Ni：0.18％、P：0.08％、S：0.07％、C：0.02％、余量为Fe和杂质，将Si、Ni、C、Fe分别碾成厚度为30μm的薄片；将S、Mn、65％的P在900℃高温下混合形成化合物1并碾成厚度为12μm的薄片1；将Cu、余下的P在900℃高温下混合形成化合物2并碾成厚度为9μm的薄片2。
固相反应：先将Fe薄片与C薄片交替叠放并卷曲形成螺旋结构，对叠片进行模锻、拉拔处理得超低碳合金薄片，再将超低碳合金薄片、Si薄片、Ni薄片三者交替叠放并卷曲形成螺旋结构，重复模锻、拉拔处理得二次合金薄片，最后将二次合金薄片、薄片1、薄片2三者交替叠放并卷曲形成螺旋结构，重复模锻、拉拔处理得合金薄片。
热处理：将合金薄片以30℃/min的速率升温，于510℃下保温5min进行退火处理，再将退火后的合金薄片卷曲、倾轧得铁芯半成品。
表面处理：将铁芯半成品置于密闭容器中，充入N2使得内部压力为5bar，两端平行板接400V直流电，然后放电进行表面渗透得铁芯成品。
实施例6
前处理：按上述铁芯成分称取原料，包括Si：0.14％、Mn：0.14％、Cu：0.15％、Ni：0.18％、P：0.08％、S：0.07％、C：0.02％、余量为Fe和杂质，将Si、Ni、C、Fe分别碾成厚度为30μm的薄片；将S、Mn、65％的P在900℃高温下混合形成化合物1并碾成厚度为12μm的薄片1；将Cu、余下的P在900℃高温下混合形成化合物2并碾成厚度为9μm的薄片2。
固相反应：先将Fe薄片与C薄片交替叠放并卷曲形成螺旋结构，对叠片进行模锻、拉拔处理得超低碳合金薄片，再将超低碳合金薄片、Si薄片、Ni薄片三者交替叠放并卷曲形成螺旋结构，重复模锻、拉拔处理得二次合金薄片，最后将二次合金薄片、薄片1、薄片2三者交替叠放并卷曲形成螺旋结构，重复模锻、拉拔处理得合金薄片。
热处理：将合金薄片以25℃/min的速率升温，于430℃下保温4min进行退火处理，再将退火后的合金薄片卷曲、倾轧得铁芯半成品。
表面处理：将铁芯半成品置于密闭容器中，充入N2、NH3使得内部压力为1bar，两端平行板接300V直流电，然后放电进行表面渗透得铁芯成品。
实施例7
前处理：按上述铁芯成分称取原料，包括Si：0.14％、Mn：0.14％、Cu：0.15％、Ni：0.18％、P：0.08％、S：0.07％、C：0.02％、余量为Fe和杂质，将Si、Ni、C、Fe分别碾成厚度为30μm的薄片；将S、Mn、65％的P在900℃高温下混合形成化合物1并碾成厚度为12μm的薄片1；将Cu、余下的P在900℃高温下混合形成化合物2并碾成厚度为9μm的薄片2。
固相反应：先将Fe薄片与C薄片交替叠放并卷曲形成螺旋结构，对叠片进行模锻、拉拔处理得超低碳合金薄片，再将超低碳合金薄片、Si薄片、Ni薄片三者交替叠放并卷曲形成螺旋结构，重复模锻、拉拔处理得二次合金薄片，最后将二次合金薄片、薄片1、薄片2三者交替叠放并卷曲形成螺旋结构，重复模锻、拉拔处理得合金薄片。
热处理：将合金薄片以25℃/min的速率升温，于430℃下保温4min进行退火处理，再将退火后的合金薄片卷曲、倾轧得铁芯半成品。
表面处理：将铁芯半成品置于密闭容器中，充入N2、NO使得内部压力为10bar，两端平行板接500V直流电，然后放电进行表面渗透得铁芯成品。
对比例1
与实施例1的区别仅在于，对比例1直接将所有原料分别碾成薄片，再一起交叠进行固相反应。
对比例2
与实施例1的区别仅在于，对比例2原料中不含P。
对比例3
与实施例1的区别仅在于，对比例3原料中不含S。
对比例4
与实施例1的区别仅在于，对比例4固相反应后不进行热处理。
对比例5
与实施例1的区别仅在于，对比例5的铁芯表面仅喷漆处理。
将实施例1-7及对比例1-5的产品进行测试，测试其剩磁、矫顽力和耐蚀性，结果如表1所示：
表1：实施例1-7及对比例1-5中产品的性能
从中可以看出，固相反应后的热处理对铁芯的性能有较大的影响，而固相反应的对象不同，同样会造成矫顽力的增加。
尽管对本发明已作出了详细的说明并引证了一些具体实施例，但是对本领域熟练技术人员来说，只要不离开本发明的精神和范围可作各种变化或修正是显然的。

Claims (10)

1.一种比例电磁铁，其特征在于，所述电磁铁包括铁芯和线圈，所述铁芯包括如下质量百分比的成分：Si：0.1-0.18％、Mn：0.12-0.16％、Cu：0.1-0.2％、Ni：0.16-0.2％、P：0.07-0.09％、S：0.06-0.08％、C：0.01-0.03％、余量为Fe和杂质。
2.根据权利要求1所述的一种比例电磁铁，其特征在于，所述成分中Si、Ni、C、Fe均碾成薄片。
3.根据权利要求2所述的一种比例电磁铁，其特征在于，所述薄片的厚度为10-50μm。
4.根据权利要求1所述的一种比例电磁铁，其特征在于，所述铁芯的制备方法包括如下步骤：
(1)前处理：按权利要求1所述的铁芯成分称取原料，将Si、Ni、C、Fe分别碾成薄片；将S、Mn、部分P在高温下混合形成化合物1并碾成薄片1；将Cu、余下的P在高温下混合形成化合物2并碾成薄片2；
(2)固相反应：先将Fe薄片与C薄片交替叠放，对叠片进行模锻、拉拔处理得超低碳合金薄片，再将超低碳合金薄片、Si薄片、Ni薄片三者交替叠放，重复模锻、拉拔处理得二次合金薄片，最后将二次合金薄片、薄片1、薄片2三者交替叠放，重复模锻、拉拔处理得合金薄片；
(3)热处理：对合金薄片进行退火处理，再将退火后的合金薄片卷曲、倾轧得铁芯半成品；
(4)表面处理：将铁芯半成品置于密闭容器中，充入改性气，两端平行板放电进行表面渗透得铁芯成品。
5.根据权利要求4所述的一种比例电磁铁，其特征在于，步骤(1)所述高温为800-1000℃。
6.根据权利要求4所述的一种比例电磁铁，其特征在于，步骤(1)所述薄片1的厚度为8-16μm，薄片2的厚度为5-13μm。
7.根据权利要求4所述的一种比例电磁铁，其特征在于，步骤(2)中各薄片叠放后还需卷曲形成螺旋结构。
8.根据权利要求4所述的一种比例电磁铁，其特征在于，步骤(3)所述退火处理具体为：以20-30℃/min的速率升温，于350-510℃下保温3-5min。
9.根据权利要求4所述的一种比例电磁铁，其特征在于，步骤(4)所述改性气包括N2、NH3、NO中的一种或多种。
10.根据权利要求4所述的一种比例电磁铁，其特征在于，步骤(4)所述密闭容器内压力为1-10mbar，平行板接300-500V的直流电。
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