CN111074175A

CN111074175A - 一种FeAl4棒材及其生产工艺

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Publication number: CN111074175A
Application number: CN201911414457.6A
Authority: CN
Inventors: 邵兴明; 华大凤; 王树平; 刘威; 陈杰; 华鹏; 王方
Original assignee: Jiangsu Xinhua Alloy Co Ltd
Current assignee: Jiangsu Xinhua Alloy Co Ltd
Priority date: 2019-12-31
Filing date: 2019-12-31
Publication date: 2020-04-28

Abstract

本发明提供一种FeAl4棒材及其生产工艺，该FeAl4棒材的化学组成及各成分的重量百分比含量为：C为＜0.05%，Si为＜0.05%，Mn为＜0.35%，P为＜0.015%，S为＜0.015%，Cr为＜0.1%，Al为3.6~4.0%，B为≤0.001%，Ni为≤0.2%，La+Ce为0.3%，余量为铁和符合工业标准的杂质。该FeAl4棒材价格低，易于冷加工，具有良好的磁性能和较大的饱和磁致伸缩系数，可广泛应用于各种高精度仪器仪表上。

Description

一种FeAl4棒材及其生产工艺

技术领域

本发明涉及磁致伸缩材料技术领域，尤其涉及一种FeAl4棒材及其生产工艺。

背景技术

磁致伸缩材料是具有机械能/电能转换效率高、能量密度大、响应速度高、可靠性好、驱动方式简单等特点，正是这些性能优点引发了传统电子信息系统、传感系统、振动系统等的革命性变化。磁致伸缩材料作为一类智能材料，被广泛应用液位传感器、位移传感器、磁弹性型扭矩传感器、杨氏模量传感器、超精密机械加工、精密测量仪器、照相机快门、精密流量控制、坦克、核潜艇、激光镜、电子显微镜、高速阀和燃料喷射装置、电力传输继电器、以及机器人的机械联动等装置中，在物位精密测量、质量检验、优化控制、工况检测和故障诊断等领域发挥着重要的作用。

磁致伸缩传感器用的核心敏感材料大多采用磁致伸缩材料。Fe-Ga合金的研究正处于起步阶段，其具有较高的磁致伸缩应变，但其磁致伸缩性能受晶体取向影响较大，且加工难度也较大，难于加工成传感器所需的尺寸，而且该材料价格较高。Fe-Ni或Fe-Co磁致伸缩合金均含很高的钴或镍，而钴或镍的价格在上百元到数百元之间，远远高于铁或铝几元到十元左右的价格；Fe-13Al磁致伸缩合金的Al含量高于10％时，室温脆性很高，难于冷加工成型。

随着科学技术的发展，磁致伸缩材料仪器仪表的使用范围也越来越宽，因此，迫切需要开发一种既具有低成本、高居里温度、又易于冷加工成薄带的新型磁致伸缩材料，以降低成本，并大大地促进该产业的高速发展。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有技术中存在的缺点，而提供一种FeAl4棒材及其生产工艺，该棒材具有很低价格、易于冷加工、高的居里温度，高的电阻率和硬度，密度较小，抗振动和抗冲击性能良好，在轧制方向及较宽的温度范围内具有良好的磁性能和较大的饱和磁致伸缩系数，能够在许多领域取代价格昂贵的稀土超磁致伸缩材料、铁钴及铁镍磁致伸缩材料，可广泛应用于各种高精度仪器仪表上。

为实现上述目的，本发明提供一种FeAl4棒材，该FeAl4棒材的化学组成及各成分的重量百分比含量为：C为＜0.05％，Si为＜0.05％，Mn为＜0.35％，P为＜0.015％，S为＜0.015％，Cr为＜0.1％，Al为3.6～4.0％，B为≤0.001％，Ni为≤0.2％，La+Ce为0.3％，余量为铁和符合工业标准的杂质。

作为可选的技术方案，该FeAl4棒的化学组成及各成分的重量百分比含量为：C为＜0.04％，Si为0.02％，Mn为0.1％，P为＜0.015％，S为＜0.015％，Cr为＜0.1％，Al为3.8％，B为≤0.001％，Ni为≤0.2％，La+Ce为0.3％，余量为铁和符合工业标准的杂质。

本发明还提供一种制备如上所述的FeAl4棒材的生产工艺，该FeAl4棒的生产工艺包括以下步骤：

(1)备料：所有材料、浇注用耐材、脱氧剂严格烘烤，确保无油无杂质；

(2)真空炉冶炼：将全新原料按设计成分投入真空炉冶炼，对真空炉抽真空，真空度低于3Pa时送电熔炼，并浇铸形成钢锭；

(3)剥皮：对该钢锭进行剥皮处理，去除该钢锭表面缺陷；

(4)锻造：缓慢加热升温，将该钢锭锻造成锻坯，锻造加热温度为1080～1120℃；

(5)剥皮抛光：将锻坯剥皮形成棒材，并对该棒材抛光形成棒材成品，涂油定尺入库；

(6)检验：包括其尺寸、探伤、化学分析、表面质量、标识、包装。

作为可选的技术方案，该步骤(1)中，铁元素采用太原纯铁作为原料，铝元素采用铝锭作为原料，且纯铁表面出光无氧化皮。

作为可选的技术方案，该太原纯铁以及该铝锭的纯度均大于99.95％。

作为可选的技术方案，该步骤(4)中，锻造采用用天然气或电炉加热，且该钢锭表面氧化严重时避免火焰直射。

作为可选的技术方案，该钢锭规格为95Kg，且该钢锭的数量为5支。

作为可选的技术方案，该步骤(5)中形成的棒材的尺寸为Φ43mm。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

(1)本发明通过控制Al脱氧和利用Ce、La的添加进行的脱氧，能够稳定地调整钢水的成分，能够抑制粗大的氧化铝夹杂物的生成，且也能够使硫化物作为微细的MnS系夹杂物在铸坯中析出。该微细的MnS系夹杂物由于作为微细的球状夹杂物分散在钢板中，在轧制时不受到变形，不易成为裂纹产生的起点，所以能够得到扩孔性和延展性优异的高强度钢板。

而且本发明的合金的Al含量低于为3.6～4.0％，具有良好的室温塑性，因此易于冷加工。

(2)本发明的FeAl4棒材的居里温度在700℃左右，在居里温度以下，由于磁致伸缩合金一直保持良好的磁致伸缩性能，因而可在较宽温度范围内获得大的饱和磁致伸缩系数。

(3)本发明的FeAl4棒材在制备过程中，通过适当的热处理工艺来调整合金的组织和性能，合金经过缓慢加热处理后可进一步提高饱和磁致伸缩系数，满足高精度仪器仪表的宽温使用要求。

(4)本发明的FeAl4棒材，基本不含价格昂贵的稀土金属元素(La+Ce含量小仅为0.3％)，也不含磁致伸缩材料常用的价格昂贵Co，主要合金成分为很低价格的铁和铝，原材料丰富，具有价格低的优点。

具体实施方式

为使对本发明的目的、构造、特征、及其功能有进一步的了解，兹配合实施例详细说明如下。

本发明提供一种FeAl4棒材，该FeAl4棒材的化学组成及各成分的重量百分比含量为：C为＜0.05％，Si为＜0.05％，Mn为＜0.35％，P为＜0.015％，S为＜0.015％，Cr为＜0.1％，Al为3.6～4.0％，B为≤0.001％，Ni为≤0.2％，稀土La-Ce为0.3％，余量为铁。其中，较佳地，该FeAl4棒的化学组成及各成分的重量百分比含量为：C为＜0.04％，Si为0.02％，Mn为0.1％，P为＜0.015％，S为＜0.015％，Cr为＜0.1％，Al为3.8％，B为≤0.001％，Ni为≤0.2％，稀土La-Ce为0.3％，余量为铁。

此外，本发明还提供一种制备如上所述的FeAl4棒材的生产工艺，该FeAl4棒的生产工艺包括以下步骤：

(1)备料：所有材料、浇注用耐材、脱氧剂严格烘烤，做好烘烤记录，确保无油无杂质；而且，上述铁元素采用太原纯铁作为原料，铝元素采用铝锭作为原料，且纯铁表面出光无氧化皮。该太原纯铁以及该铝锭的纯度均大于99.95％。除此之外，较佳地，上述Mn、Si也均采用纯度≥99.95％的金属原材料。这样可以保证成品比较纯，且杂质含量少，同时原料在冶炼前要通过砂轮去除表面氧化破，降低氧的干扰；

(2)真空炉冶炼：将全新原料按设计成分投入真空炉冶炼，对真空炉抽真空，真空度低于3Pa时送电熔炼，并浇铸形成钢锭；在冶炼过程中严格按照冶炼工艺执行；且上述钢锭规格为95Kg，且该钢锭的数量为5支；

(3)剥皮：对该钢锭进行剥皮处理，去除该钢锭表面缺陷；

(4)锻造：缓慢加热升温，将该钢锭锻造成锻坯，锻造加热温度为1080～1120℃；在锻造过程中，采用用天然气或电炉加热，且该钢锭表面氧化严重时避免火焰直射；另外，锻造过程应有技术现场跟踪；

(5)剥皮抛光：将锻坯剥皮形成棒材，并对该棒材抛光形成棒材成品，涂油定尺入库；其中上述棒材的尺寸为Φ43mm；以及

其中，本发明的FeAl4棒材中各化学元素的作用机理如下：

C：合金中C元素要求低于0.05％，高的C含量将会和铁或铝形成化合物析出，从而影响合金的磁性能。

Si：Mn、Si保持合金良好的加工性能，硅(Si)不易形成碳化物，过高含量的硅会降低合金的韧性和塑性，对磁致伸缩性能产生不利影响。

Mn：Mn保持合金良好的加工性能，但过高的Mn会对磁致伸缩性能产生不利影响。

P、S：磷(P)和硫(S)均为杂质元素，P元素在合金中不形成碳化物，易造成严重偏折，S元素在合金中也产生严重偏折，如果以熔点较低的FeS形成存在，将导致合金的热脆现象，必须严格控制合金中磷和硫含量，以保证合金具有良好的冶金质量和纯洁度。

Cr、B：Cr、B是提高钢的淬透性的元素。

Al：Al作为基体元素，与基体元素Fe形成DO3型的结构。即铝(Al)在合金使用过程中，能自动形成Al₂O₃膜，Al₂O₃膜比SiO₂膜和Cr ₂O₃膜的抗硫(S)腐蚀性能优越，而且在使用过程中能自动再形成Al₂O₃膜。此外，FeAl组成的基体也可以固溶更多的合金元素。本发明的FeAl4棒材为体心立方结构，由于铝含量不高，因此易于冷加工。

Ni：可以提供良好的综合性能，稳定性好，但价格昂贵。

稀土元素La+Ce：稀土元素镧和铈能降低Cr₂O₃的挥发性，改善氧化物的组成，变成更加稳定的(Cr、La)₂O₃氧化物膜。同时，稀土元素铈(Ce)和镧(La)和氧、硫、磷、氮的亲和力很强，它们有脱氧脱硫和消除有害杂质的作用，可以清除其他的有害杂质，可以改善钢中夹杂物的形状和分布状态，增加钢液的流动性，改善铸态组织，清洁晶界，从而改善和提高钢的冶金质量和耐热性能。

以下结合具体实施例对本发明进行进一步的说明。

下表1为本发明的三个实施例的具体化学元素组成及各成分的重量百分比含量。

表1本发明的三个实施例的具体化学元素组成及各成分的重量百分比含量

单位：重量百分比(％)

其中，本发明的上述各实施例的FeAl4棒材焊带的生产工艺均采用如下步骤：

(3)剥皮：对该钢锭进行剥皮处理，去除该钢锭表面缺陷；

(6)检验：包括其尺寸、探伤、化学分析、表面质量、标识、包装。其中，上述不同实施例的棒材均表现为：表面光滑，无瓢曲、起鳞、气泡、气孔、划伤、裂纹、夹杂等有害缺陷。

将实施例1所得的FeAl4棒材，做磁性测试及电性能测试试验，测试结果表明：合金轧制方向的饱和磁致伸缩系数λs＝71×10^-6/℃，合金电阻率：ρ＝93μΩ﹒cm，棒材的居里温度：Tc＝700℃。

将实施例2所得的FeAl4棒材，做磁性测试及电性能测试试验，测试结果表明：合金轧制方向的饱和磁致伸缩系数λs＝67×10-6/℃，合金电阻率：ρ＝88μΩ﹒cm,合金的居里温度：Tc＝700℃。

将实施例3所得的FeAl4棒材，做磁性测试及电性能测试试验，测试结果表明：合金轧制方向的饱和磁致伸缩系数λs＝62×10^-6/℃，合金电阻率：ρ＝83μΩ﹒cm,合金的居里温度：Tc＝700℃。

本发明已由上述相关实施例加以描述，然而上述实施例仅为实施本发明的范例。必需指出的是，已揭露的实施例并未限制本发明的范围。相反地，在不脱离本发明的精神和范围内所作的更动与润饰，均属本发明的专利保护范围。

Claims

1.一种FeAl4棒材，其特征在于，该FeAl4棒材的化学组成及各成分的重量百分比含量为：C为＜0.05%，Si为＜0.05%，Mn为＜0.35%，P为＜0.015%，S为＜0.015%，Cr为＜0.1%， Al为3.6~4.0%，B为≤0.001%，Ni为≤0.2%，La+Ce为0.3%，余量为铁和符合工业标准的杂质。

2.如权利要求1所述的FeAl4棒材，其特征在于，该FeAl4棒的化学组成及各成分的重量百分比含量为：C为＜0.04%，Si为0.02%，Mn为0.1%，P为＜0.015%，S为＜0.015%，Cr为＜0.1%， Al为3.8%，B为≤0.001%，Ni为≤0.2%，La+Ce为0.3%，余量为铁和符合工业标准的杂质。

3.一种制备如权利要求1或2所述的FeAl4棒材的生产工艺，其特征在于，该FeAl4棒的生产工艺包括以下步骤：

（1）备料：所有材料、浇注用耐材、脱氧剂严格烘烤，确保无油无杂质；

（2）真空炉冶炼：将全新原料按设计成分投入真空炉冶炼，对真空炉抽真空，真空度低于3Pa时送电熔炼，并浇铸形成钢锭；

（3）剥皮：对该钢锭进行剥皮处理，去除该钢锭表面缺陷；

（4）锻造：缓慢加热升温，将该钢锭锻造成锻坯，锻造加热温度为1080~1120℃；

（5）剥皮抛光：将锻坯剥皮形成棒材，并对该棒材抛光形成棒材成品，涂油定尺入库；

（6）检验：包括其尺寸、探伤、化学分析、表面质量、标识、包装。

4.如权利要求3所述的一种FeAl4棒材的生产工艺，其特征在于，该步骤（1）中，铁元素采用太原纯铁作为原料，铝元素采用铝锭作为原料，且纯铁表面出光无氧化皮。

5.如权利要求4所述的一种FeAl4棒材的生产工艺，其特征在于，该太原纯铁以及该铝锭的纯度均大于99.95%。

6.如权利要求3所述的一种FeAl4棒材的生产工艺，其特征在于，该步骤（4）中，锻造采用用天然气或电炉加热，且该钢锭表面氧化严重时避免火焰直射。

7.如权利要求3所述的一种FeAl4棒材的生产工艺，其特征在于，该钢锭规格为95Kg，且该钢锭的数量为5支。

8.如权利要求3所述的一种FeAl4棒材的生产工艺，其特征在于，该步骤（5）中形成的棒材的尺寸为Φ43mm。