鈷-錳-鐵軟磁合金的製作方法
2023-09-22 23:57:15
專利名稱：鈷-錳-鐵軟磁合金的製作方法
技術領域：
本發明涉及含有鈷的軟磁鋼合金，更具體地涉及含有錳和小於20％重量的鈷的軟磁鋼合金。
在基於地面的應用如汽車和卡車的應用中，需要具有非常高的磁飽和感應的軟磁材料。其中需要有這種合金的產品的例子包括螺線管、燃料噴射器、開關磁阻電動機、磁軸承、飛輪和傳感器。然而，並沒有考慮在汽車應用中使用含鈷合金如HIPERCO合金50和HIPERCO合金27，這是因為它們與不含有特意添加的鈷的已知軟磁合金相比要昂貴得多。提高含鈷軟磁合金在汽車應用中的實用性的一種方式是減少這種合金中的用鈷量，從而降低生產這種合金的成本。然而，飽和感應必須保持為較高(即至少約21kG)。
含有少於約20％鈷的鐵-鈷合金的電阻率(ρ)只有約20μΩ·cm。這遠遠低於HIPERCO合金50所提供的電阻率，HIPERCO合金50的電阻率例如一般為約40μΩ·cm。低鈷合金的較低電阻率會導致較高的鐵損，這在許多應用中是不可接受的。
現有技術試圖通過在基本合金中添加元素如鉻、鉬、釩、鎢、或矽和鋁來克服含有20％或更低的鈷的鈷-鐵合金中的低電阻率問題。然而，這種添加元素的方法增加了製造合金的原材料成本。另外，製造這種合金的金屬廢料不太可能用於其它等級鋼的一般回收材料，這是因為它是高度合金化的。
元素鉻、鉬、釩和鎢是可生成碳化物的元素。當在製造軟磁合金中採用碳作為脫氧劑時，一種或多種這些元素的大量存在可能會由於碳化物的沉澱而導致磁性能的降低。這對鎳-鐵軟磁合金而言確實應該引起關注，因為它們通常在與鈷-鐵級合金相同的真空感應熔煉爐中進行熔煉。由於對磁性能具有已知的負面影響，因此在鎳-鐵合金中這些可生成碳化物的元素通常被限制到儘可能地低。
同樣存在與使用矽和鋁以增加電阻率有關的問題。這些元素非常活潑並會在熔煉中造成困難。大量添加矽和鋁還可能導致鋼出現脆性。而且，鋁對鎳-鐵軟磁鋼的性能而言是有害的，同樣，如果鎳-鐵級合金在與鈷-鐵級合金相同的真空感應熔煉爐中進行熔煉，則存在著很大的汙染危險。
範圍優選A優選B錳1.0-5.02.2-3.21.8-2.4鈷7-17 14-16 7-9鐵餘量 餘量 餘量各示例中的餘量基本上是鐵，並包括用於相同或相類似應用或服用場合的商用級軟磁鋼合金中所含有的一般雜質。如果需要的話，在此合金中可含有少量的元素碳、矽、鉻和鎳。
上述列表是作為方便的總結來提供的，因而並不意味著限制了相互組合地使用本發明合金中的各元素的範圍的下限值和上限值，或限制了只是相互組合地使用這些元素的範圍。因此，較寬成分的一個或多個元素範圍可與優選成分中的餘下元素的一個或多個其它範圍一起使用。此外，一個優選實施例中的某元素的最小量或最大量可與另一優選實施例中的此元素的最大量或最小量一起使用。在此申請中，除非另外指出，否則用語「百分比」或符號「％」是指重量百分比。詳細介紹根據本發明的合金含有至少約7％的鈷，以有利於合金所提供的磁感應。在第一優選成分中，合金含有至少約14％的鈷。在第二優選成分中，合金含有至少約7％的鈷。在此合金中存在不超過約17％的鈷，使得原料成本保持在相對已知等級的鈷-鐵軟磁合金為較低的水平。在第一優選成分中，合金含有不超過約16％的鈷，在第二優選成分中，合金含有不超過約9％的鈷。
根據本發明的合金還含有至少約1.0％的錳，以有利於此合金所提供的電阻率。在含量較高鈷的第一優選成分中，存在有至少約2.2％的錳。在鈷含量較低的第二優選成分中，合金含有至少約1.8％的錳。
過量的錳會對由此合金所提供的飽和磁感應起負面影響。過量的錳還會導致附加相的沉澱，其對由此合金提供的矯頑力起負面作用。因此，合金限制在含有不超過約5.0％的錳。此合金的第一優選成分含有不超過約3.2％的錳，第二優選成分含有不超過約2.4％的錳。
合金的餘量基本上是鐵，以及用於相同或相類似應用或服用場合的商用級軟磁合金中所含有的一般雜質。在熔煉合金時可能存在來自脫氧添加劑的少量碳。然而應控制碳的量，使得固化錠塊中的碳含量儘可能地低，一般不超過約0.02％，最好不超過約0.01％，以避免在合金中形成碳化物。在合金中還可存在最多約0.3％的少量矽，這或者是由添加到熔融合金中的脫氧添加劑所造成的，或者是作為穩定合金的鐵素體結構的有效添加劑。矽還提高了可用於處理此合金的兩步熱處理的可用回火溫度。在此合金中還可存在最多約0.8％、最好不超過約0.5％的少量鉻，以穩定鐵素體結構並允許在上述兩步熱處理中使用更高的回火溫度。與較高含量的錳的存在對電阻率性能的影響相比，存在於此合金中的矽和鉻的量並不對合金的電阻率有顯著的影響。在此合金中可存在最多約0.8％的鎳，以有利於合金的電阻率。
不需要特別的技術來製造本發明的合金。合金最好通過真空感應熔煉(VIM)來進行熔煉。在需要時可通過精煉合金、如通過電渣重熔(ESR)或真空電弧重熔(VAR)合金來得到更高的純度或更好的晶粒結構。合金鑄成錠塊的形式，然後在約2200°F的預熱溫度下被熱加工成坯塊、棒材或板材。然後將合金熱軋成中等厚度的線、棒或帶。然後將這些線、棒或帶冷加工至更小的截面尺寸，這樣可將其機加工成最終零件。還可採用粉末冶金技術來製造此合金，從而制出網狀和接近網狀的產品。
為了得到所需的磁性能，由此合金製成的零件在冷加工和機加工成所需形狀後進行退火。已經發現，為了得到最佳磁性能，可以參考合金的成分來選擇退火熱處理。因此，當合金含有約7-9％的鈷和少於3％的錳時，最好在約1400-1500°F下進行2-4小時的退火，並接下來以每小時約150°F進行冷卻。當合金含有約14-16％的鈷和約2.5-3.7％的錳時，最好採用兩步退火處理來進行退火，其中合金在約2100-2200°F下進行足夠長時間的加熱以基本上消除位錯並使晶粒尺寸增至最大。這一般在此溫度下進行約4-6小時。然後合金以每小時約200°F的速度隨爐冷卻至約1200-1300°F，並在此溫度下保持約24小時以基本上消除任何γ相。
根據本發明的合金可提供在200Oe下約21.4kG的磁感應B，以及約42.4μΩ·cm的電阻率ρ。作為對比，在含有明顯更多鈷的已知合金中，HIPERCO合金50提供了在200Oe下約24kG的直流磁感應和約40μΩ·cm的電阻率，而HIPERCO合金27提供了在200Oe下約23kG的直流磁感應和約19μΩ·cm的電阻率。如有需要，根據本發明的合金可被加工成棒、板、線和帶的形式。此合金尤其適用於磁裝置如螺線管、燃料噴射器、開關磁阻電動機、磁軸承、飛輪以及磁性傳感器。此合金還可用於諸如無刷交流發電機、壓縮機電動機、磁懸浮系統和直線電動機的極靴等裝置中。加工示例根據本發明的合金的示例可通過真空感應熔煉來製備，並分鑄成小的(8磅)的錠塊。錠塊的化學分析以重量百分比列在表I中。
表I鈷-錳-鐵合金的化學分析
在各例中餘量均為鐵。
錠塊在2200°F下被熱鍛成0.5英寸乘2英寸的板材。板材在2100°F下被熱軋成0.25英寸厚的片材。對片材進行噴砂處理以除去氧化皮，然後冷軋到0.060-0.080英寸厚。經過在乾燥的氫中在1300°F下退火2小時之後，將片材冷軋成0.020英寸厚。可以由0.020英寸的片材來衝壓出用於直流磁性檢驗的環，並可加工出用於電阻率測量的樣品。
下面的表II顯示了經過四種不同的熱處理、即下述的HT1-HT6之後的各樣品的測試結果，包括單位為微歐姆釐米(μΩ·cm)的電阻率(ρ)，在30，50，150，200和250Oe下的單位為千高斯(kG)的直流磁感應(B)，以及單位為奧斯特(Oe)的矯頑力(Hc)。
表II中的數據表明，含有2.66％至3.06％的錳的15鈷-鐵合金(15Co2.7Mn和15Co3Mn)分別提供了20.5kG和21.3kG的磁感應(B@200Oe)，並分別提供了39.3μΩ·cm和42.2μΩ·cm的電阻率(ρ)。
表II中的數據還表明，儘管電阻率略低，然而含有約2.08％的錳的8鈷-鐵合金(8Co2Mn)在場強小於100Oe下可提供與15Co3Mn合金非常相似的磁感應值。此第二優選合金可用於要求材料成本很低並對鐵損和鐵心飽和的要求不是特別嚴格的應用中，例如在較低頻率和較低場強下操作的基於地面的應用。
表II中的數據表明，根據本發明的合金可提供磁性能(約18-20kG的B@200Oe)和電阻率(約35-42μΩ·cm的ρ)的優良組合。
根據本發明的合金源於錳可用於提高含有少於約20％鈷的鈷-鐵軟磁合金的電阻率的發現。錳是比較便宜的金屬，不會顯著地增加合金的成本。同樣，用於生產本發明的鈷-錳-鐵合金的金屬廢料可作為用於其它等級合金的廢料而容易地回收，從而降低了製造此合金的總體成本。因此，對在相同VIM熔爐中進行熔煉的其它等級合金的汙染很小。可以通過容易的成分控制來容易地熔煉根據本發明的鈷-錳-鐵合金。它具有優良的熱加工和冷加工性能。
表II在各種退火熱處理(HT)後的鐵-錳-鈷合金的直流磁性能和電阻率的示例
HT11320°F/2hHT2以150°F/h的速度在1400°F下隨爐冷卻2小時HT31600°F/2hHT4以150°F/h的速度在1742°F下隨爐冷卻4小時到1400°F。以20°F/h的速度隨爐冷卻到1000°F，然後以150°F/h的速度隨爐冷卻到室溫。HT5HT4+以20°F/h的速度在1742°F下隨爐冷卻20分鐘到1200°F，然後以150°F/h的速度隨爐冷卻到室溫。HT6以200°F/h的速度在2156°F下隨爐冷卻6小時到1290°F，然後在1290°F下退火24小時。FC為隨爐冷卻。
本文中所採用的用語和表達是用作介紹的用語，並無限制性。在採用這些用語和表達時，並不排除所介紹的特徵或其任何部分的任何等價物。然而應當認識到，在如權利要求所述的本發明的範圍內可進行各種修改。
權利要求
1.一種軟磁鋼合金，其基本上包括約1.0-5.0％重量的錳、約7-17％重量的鈷，餘量基本上為鐵。
2.根據權利要求1所述的合金，其特徵在於，所述合金還含有最多約0.02％的碳。
3.根據權利要求1所述的合金，其特徵在於，所述合金還含有最多約0.3％的矽。
4.根據權利要求1所述的合金，其特徵在於，所述合金還含有最多約0.8％的鉻。
5.根據權利要求1所述的合金，其特徵在於，所述合金還含有最多約0.8％的鎳。
6.根據權利要求1到5中任一項所述的合金，其特徵在於，所述合金含有至少約1.8％的錳。
7.根據權利要求6所述的合金，其特徵在於，所述合金含有不超過約9％的鈷。
8.根據權利要求6所述的合金，其特徵在於，所述合金含有至少約14％的鈷。
9.一種軟磁鋼合金，其基本上包括約2.2-3.2％重量的錳、約14-16％重量的鈷，餘量基本上為鐵。
10.根據權利要求9所述的合金，其特徵在於，所述合金還含有最多約0.02％的碳。
11.根據權利要求9所述的合金，其特徵在於，所述合金還含有最多約0.3％的矽。
12.根據權利要求9所述的合金，其特徵在於，所述合金還含有最多約0.8％的鉻。
13.根據權利要求9所述的合金，其特徵在於，所述合金還含有最多約0.8％的鎳。
14.一種軟磁鋼合金，其基本上包括約1.8-2.4％重量的錳，約7-9％重量的鈷，餘量基本上為鐵。
15.根據權利要求14所述的合金，其特徵在於，所述合金還含有最多約0.02％的碳。
16.根據權利要求14所述的合金，其特徵在於，所述合金還含有最多約0.3％的矽。
17.根據權利要求14所述的合金，其特徵在於，所述合金還含有最多約0.8％的鉻。
18.根據權利要求14所述的合金，其特徵在於，所述合金還含有最多約0.8％的鎳。
全文摘要
一種軟磁鋼合金，其基本上含有約1.0－5.0％重量的錳、約7－17％重量的鈷，餘量基本上是鐵。所公開的合金提供了可接受的較高水平的磁飽和感應和優良的電阻率，並且其鈷含量相對於已知的鈷－鐵軟磁鋼合金而言顯著減少。
文檔編號C22C38/58GK1468438SQ01817001
公開日2004年1月14日 申請日期2001年10月4日 優先權日2000年10月10日
發明者L·李, L 李 申請人:Crs控股公司