CN109402501A - 一种高疲劳强度无磁钢及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明无磁钢制备技术领域，具体涉及一种高疲劳强度、低磁导率高锰无磁钢及其制备方法。本发明提供的无磁钢，其成分按质量百分比计为：C：0.4～0.6％、Si：0.3～0.5％、Mn：17～19％、Cr：3.5～5.0％、V:1.2～1.6％、La:0.05～0.2％、P≤0.04％、S≤0.02％，其余为Fe。本发明提供的无磁钢通过组分的优选和制备方法的调整，制得的无磁钢力学性能优越，尤其是疲劳强度显著提高，磁导率低，生产工艺简单，适合制造变压器、电抗器等铁心拉杆，延长了器件的使用寿命。

Description

一种高疲劳强度无磁钢及其制备方法
技术领域
本发明无磁钢制备技术领域，具体涉及一种高疲劳强度、低磁导率高锰无磁钢及其制备方法。
背景技术
无磁钢指的是在磁场中不产生磁感应的钢，其组织主要为奥氏体，相对磁导率略大于1，磁化作用很弱，基本不产生磁感应。无磁钢的用途非常广泛，在自动控制***、精密仪表、电讯和电机中，以及许多军事领域中都需要采用无磁钢。
高强拉杆是变压器、电抗器铁心压紧装置的重要组成部分，也是承受铁心饼在交变磁场作用下振动的主要受力部件，其材质成分和力学性能决定着电抗器的整体噪声振动水平。随着城市建设的发展，电力负荷不断攀升，部分处于城市区域的变电站的噪声也随之开始影响居民生活。
变电站的噪声主要来源于铁心饼在交变磁场作用下产生的洛伦兹力引起的振动。电抗器铁心饼漏磁情况严重，油箱内的磁场强度较高，一旦结构件被磁化，并产生涡流发热效应，不仅增加了电抗器的损耗，而且容易导致高应力状态下的结构件蠕变。因此，一般变压器、电抗器的拉杆均选用高强度无磁材料制备。
AISI304和316作为传统的无磁钢，具有良好的耐蚀性和无磁性能，但屈服强度只有200～300MPa，并且冷变形后磁导率会升高，因此并不适合应用于铁心拉杆材料。现有技术中，已有相关文献研究如何提高无磁钢的抗拉强度和屈服强度，并取得了一定的效果。但是，随着社会的进步和经济的发展，对高性能无磁钢的需求日益增加。现有技术中的无磁钢疲劳强度相对较低，会影响器件的使用寿命。因此，提高无磁钢的疲劳强度，延长器件的使用寿命是目前领域研究的重点问题之一。
发明内容
因此，本发明要解决的技术问题在于克服现有技术中的无磁钢疲劳强度低，影响器件使用寿命等缺陷，从而提供一种高疲劳强度、低磁导率高锰无磁钢及其制备方法。
为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：
一种高疲劳强度无磁钢，其成分按质量百分比计为：
C：0.4～0.6％；Si：0.3～0.5％；Mn：17～19％；Cr：3.5～5.0％；V:1.2～1.6％；La:0.05～0.2％；P≤0.04％；S≤0.02％；其余为Fe。
优选的，其成分按质量百分比计为：
C：0.45～0.55％；Si：0.35～0.45％；Mn：17.5～18.5％；Cr：4～4.8％；V:1.2～1.6％；La:0.1～0.2％；P≤0.04％；S≤0.02％；其余为Fe。
优选的，其成分按质量百分比计为：
C：0.48％；Si：0.4％；Mn：18.5％；Cr：4.5％；V:1.3％；La:0.15％；P：0.03％；S：0.02％；其余为Fe。
优选的，其成分按质量百分比计为：
C：0.52％；Si：0.42％；Mn：18％；Cr：4.2％；V:1.5％；La:0.16％；P：0.03％；S:0.01％；其余为Fe。
一种高疲劳强度无磁钢的制备方法，包括以下步骤：
真空熔炼：按照所述高疲劳强度无磁钢中各元素比例进行原料混合，真空熔炼成铸锭；
真空浇铸：将熔炼后铸锭打磨掉表面氧化层，在真空和惰性气体保护下，将铸锭熔化，浇铸成铸坯；
热轧步骤：铸坯经过1150-1250℃保温100-140min，热轧，开轧温度1050～1150℃，终轧温度900～1000℃，空冷至室温制成热轧板；
热处理步骤：将所得热轧板进行固溶处理和时效处理，固溶温度为1050～1150℃，保温时间40-50min；时效温度650～750℃，保温时间7-9h。
进一步地，所述真空熔炼的条件为：真空度10-3Pa以下，惰性气体保护；所述惰性气体优选为纯度99.99％的氩气。
进一步地，所述真空浇铸的条件为：真空度10-4Pa以下，所述惰性气为纯度99.99％的氩气。
进一步地，所述热轧步骤中，铸坯经过1200℃保温120min。
进一步地，所述固溶温度为1100℃，保温时间为45min。
进一步地，所述时效温度为720℃，保温时间为8h。
本发明技术方案，具有如下优点：
1.本发明提供的高疲劳强度无磁钢，其成分按质量百分比计为，C：0.4～0.6％；Si：0.3～0.5％；Mn：17～19％；Cr：3.5～5.0％；V:1.2～1.6％；La:0.05～0.2％；P≤0.04％；S≤0.02％；其余为Fe。通过对组分和含量进行优化选择，各组分之间相互配合，尤其是，在组分中加入少量的镧，能够明显提高无磁钢的疲劳强度。通过对各组分含量的优选，能够更进一步提高无磁钢的抗疲劳强度。
2.本发明提供的高疲劳强度无磁钢的制备方法，通过固溶处理和时效处理，制备得到了具有高的抗拉强度、屈服强度、疲劳强度，低磁导率的高锰无磁钢，尤其是疲劳强度大大改善。同时，制备方法简单，易于操作，适合工业化生产应用。
具体实施方式
提供下述实施例是为了更好地进一步理解本发明，并不局限于所述最佳实施方式，不对本发明的内容和保护范围构成限制，任何人在本发明的启示下或是将本发明与其他现有技术的特征进行组合而得出的任何与本发明相同或相近似的产品，均落在本发明的保护范围之内。
实施例中未注明具体实验步骤或条件者，按照本领域内的文献所描述的常规实验步骤的操作或条件即可进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市购获得的常规试剂产品。
实施例1
本实施例提供一种高疲劳强度无磁钢，其质量百分比组成为：C:0.4％、Si：0.4％、Mn：17.5％、Cr：4％、V:1.5％、La：0.1％、P：0.03％、S：0.02％，其余量为Fe。
上述无磁钢的制备方法包括以下步骤：
真空熔炼：按照高猛无磁钢中各元素比例进行原料混合放入真空熔炼炉中，真空度抽至10-3以下，充入纯度为99.99％的氩气，电弧熔炼成铸锭；
真空浇铸：将熔炼后铸锭打磨掉表面氧化层放入真空电磁感应炉，炉腔内真空度抽至10-4Pa以下，充入纯度为99.99％的氩气，通过高频感应加热将铸锭熔化，浇铸成铸坯；
热轧工艺：铸坯经过1200℃保温两小时后，采用二辊可逆热轧机热轧，制成厚度为10mm厚热轧板，开轧温度1060℃，，终轧温度940℃，空冷。
热处理工艺：热轧坯料进行固溶处理和时效处理，固溶温度为1050℃，保温时间45min，固溶处理后进行时效处理，时效温度670℃，保温时间8h。
实施例2
本实施例提供一种高疲劳强度无磁钢，其质量百分比组成为：C:0.4％、Si：0.4％、Mn：17.5％、Cr：4％、V:1.5％、La：0.1％、P：0.04％、S：0.01％，其余量为Fe。
上述无磁钢的制备方法包括以下步骤：
真空熔炼：按照高猛无磁钢中各元素比例进行原料混合放入真空熔炼炉中，真空度抽至10-3以下，充入纯度为99.99％的氩气，电弧熔炼成铸锭；
真空浇铸：将熔炼后铸锭打磨掉表面氧化层放入真空电磁感应炉，炉腔内真空度抽至10-4Pa以下，充入纯度为99.99％的氩气，通过高频感应加热将铸锭熔化，浇铸成铸坯；
热轧工艺：铸坯经过1200℃保温两小时后，采用二辊可逆热轧机热轧，制成厚度为10mm厚热轧板，开轧温度1120℃，终轧温度980℃，空冷。
热处理工艺：热轧坯料进行固溶处理和时效处理，固溶温度为1100℃，保温时间45min，固溶处理后进行时效处理，时效温度720℃，保温时间8h。
抗拉强度：1096Mpa；屈服强度：654Mpa；疲劳极限：610Mpa；磁导率：1.002
实施例3
本实施例提供一种高疲劳强度无磁钢，其质量百分比组成为：C:0.48％、Si：0.4％，Mn：18.5％，Cr：4.5％，V：1.3％，La：0.15％，P：0.02％，S：0.02％，其余量为Fe。
上述无磁钢的制备方法包括以下步骤：
真空熔炼：按照高猛无磁钢中各元素比例进行原料混合放入真空熔炼炉中，真空度抽至10-3以下，充入纯度为99.99％的氩气，电弧熔炼成铸锭；
真空浇铸：将熔炼后铸锭打磨掉表面氧化层放入真空电磁感应炉，炉腔内真空度抽至10-4Pa以下，充入充入纯度为99.99％的氩气，通过高频感应加热将铸锭熔化，浇铸成铸坯；
热轧工艺：铸坯经过1200℃保温2小时后，采用二辊可逆热轧机热轧，制成厚度为10mm厚热轧板，开轧温度1060℃，终轧温度940℃，空冷至室温。
热处理工艺：热轧坯料进行固溶处理和时效处理，固溶温度为1050℃，保温时间45min，固溶处理后进行时效处理，时效温度670℃，保温时间8h。
实施例4
本实施例提供一种高疲劳强度无磁钢，其质量百分比组成为：C:0.48％、Si：0.4％，Mn：18.5％，Cr：4.5％，V：1.3％，La：0.15％，P：0.04％，S：0.02％，其余量为Fe。
上述无磁钢的制备方法包括以下步骤：
真空熔炼：按照高猛无磁钢中各元素比例进行原料混合放入真空熔炼炉中，真空度抽至10-3以下，充入纯度为99.99％的氩气，电弧熔炼成铸锭；
真空浇铸：将熔炼后铸锭打磨掉表面氧化层放入真空电磁感应炉，炉腔内真空度抽至10-4Pa以下，充入充入纯度为99.99％的氩气，通过高频感应加热将铸锭熔化，浇铸成铸坯；
热轧工艺：铸坯经过1200℃保温两小时后，采用二辊可逆热轧机热轧，制成厚度为10mm厚热轧板，开轧温度1120℃，，终轧温度980℃，水淬。
热处理工艺：热轧坯料进行固溶处理和时效处理，固溶温度为1100℃，保温时间45min，固溶处理后进行时效处理，时效温度720℃，保温时间8h。
实施例5
本实施例提供一种高疲劳强度无磁钢，其质量百分比组成为：C:0.4％、Si：0.5％，Mn：17％，Cr：5％，V：1.2％，La：0.2％，P：0.04％，S：0.02％，其余量为Fe。
上述无磁钢的制备方法包括以下步骤：
真空熔炼：按照高猛无磁钢中各元素比例进行原料混合放入真空熔炼炉中，真空度抽至10-3以下，充入纯度为99.99％的氩气，电弧熔炼成铸锭；
真空浇铸：将熔炼后铸锭打磨掉表面氧化层放入真空电磁感应炉，炉腔内真空度抽至10-4Pa以下，充入充入纯度为99.99％的氩气，通过高频感应加热将铸锭熔化，浇铸成铸坯；
热轧工艺：铸坯经过1150℃保温140min后，采用二辊可逆热轧机热轧，制成厚度为10mm厚热轧板，开轧温度1050℃，，终轧温度1000℃，水淬。
热处理工艺：热轧坯料进行固溶处理和时效处理，固溶温度为1050℃，保温时间50min，固溶处理后进行时效处理，时效温度650℃，保温时间9h。
实施例6
本实施例提供一种高疲劳强度无磁钢，其质量百分比组成为：C:0.6％、Si：0.3％，Mn：19％，Cr：3.5％，V：1.6％，La：0.05％，P：0.03％，S：0.01％，其余量为Fe。
上述无磁钢的制备方法包括以下步骤：
真空熔炼：按照高猛无磁钢中各元素比例进行原料混合放入真空熔炼炉中，真空度抽至10-3以下，充入纯度为99.99％的氩气，电弧熔炼成铸锭；
真空浇铸：将熔炼后铸锭打磨掉表面氧化层放入真空电磁感应炉，炉腔内真空度抽至10-4Pa以下，充入充入纯度为99.99％的氩气，通过高频感应加热将铸锭熔化，浇铸成铸坯；
热轧工艺：铸坯经过1250℃保温100min后，采用二辊可逆热轧机热轧，制成厚度为10mm厚热轧板，开轧温度1150℃，，终轧温度900℃，水淬。
热处理工艺：热轧坯料进行固溶处理和时效处理，固溶温度为1150℃，保温时间40min，固溶处理后进行时效处理，时效温度750℃，保温时间7h。
实施例7
本实施例提供一种高疲劳强度无磁钢，其质量百分比组成为：C：0.52％；Si：0.42％；Mn：18％；Cr：4.2％；V:1.5％；La:0.16％；P：0.03％；S:0.01％；其余为Fe。
上述无磁钢的制备方法包括以下步骤：
真空熔炼：按照高猛无磁钢中各元素比例进行原料混合放入真空熔炼炉中，真空度抽至10-3以下，充入纯度为99.99％的氩气，电弧熔炼成铸锭；
真空浇铸：将熔炼后铸锭打磨掉表面氧化层放入真空电磁感应炉，炉腔内真空度抽至10-4Pa以下，充入充入纯度为99.99％的氩气，通过高频感应加热将铸锭熔化，浇铸成铸坯；
热轧工艺：铸坯经过1200℃保温两小时后，采用二辊可逆热轧机热轧，制成厚度为10mm厚热轧板，开轧温度1120℃，，终轧温度980℃，水淬。
热处理工艺：热轧坯料进行固溶处理和时效处理，固溶温度为1100℃，保温时间45min，固溶处理后进行时效处理，时效温度720℃，保温时间8h。
对比例1(无镧)
本对比例提供一种无磁钢，其质量百分比组成为：C:0.48％、Si：0.4％，Mn：18.5％，Cr：4.5％，V：1.3％，P：0.04％，S：0.02％，其余量为Fe。
上述无磁钢的制备方法包括以下步骤：
真空熔炼：按照高猛无磁钢中各元素比例进行原料混合放入真空熔炼炉中，真空度抽至10-3以下，充入纯度为99.99％的氩气，电弧熔炼成铸锭；
真空浇铸：将熔炼后铸锭打磨掉表面氧化层放入真空电磁感应炉，炉腔内真空度抽至10-4Pa以下，充入充入纯度为99.99％的氩气，通过高频感应加热将铸锭熔化，浇铸成铸坯；
热轧工艺：铸坯经过1200℃保温两小时后，采用二辊可逆热轧机热轧，制成厚度为10mm厚热轧板，开轧温度1120℃，，终轧温度980℃，水淬。
热处理工艺：热轧坯料进行固溶处理和时效处理，固溶温度为1100℃，保温时间45min，固溶处理后进行时效处理，时效温度720℃，保温时间8h。
对比例2
本对比例提供一种无磁钢，其质量百分比组成为：C:0.48％、Si：0.4％，Mn：18.5％，Cr：4.5％，V：1.3％，P：0.04％，S：0.02％，其余量为Fe。
其制备方法包括电炉冶炼、钢包炉精炼、真空处理、底浇模铸、铸坯加热、轧制、回火处理、空冷的步骤，其中，
钢水采用电炉冶炼再进行钢包炉精炼，真空***循环进一步去除杂质和气体，采用底浇模铸；将铸锭锻造成230mm×900mm的铸坯，随后在2800mm中厚板产线进行轧制；铸坯加热采取分段式加热，铸坯入炉温度≤400℃，加热速度为35～50℃/h，缓慢加热至650℃，保温2h，随后缓慢加热至950℃，保温2h，最终加热至1250～1350℃，保温2h；轧制过程中，开轧温度≥1100℃，终轧温度≥900℃，轧后缓冷至室温；回火处理时，钢板在500～600℃保温1h，空冷，制得无磁钢板。
性能测试
实施例1-7和对比例1-2所得无磁钢加工成φ20mm棒材后，对其强度和磁导率进行测试，具体测试方法为领域内通用的测试方法，具体测试结果下表所示：
表1本发明各实施例和对比例的性能测试结果
从表中数据可知，与对比例相比，本发明提供的实施例能够同时提高抗拉强度、屈服强度和疲劳强度，尤其是疲劳强度提高显著。
显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。

Claims (10)

1.一种高疲劳强度无磁钢，其特征在于，其成分按质量百分比计为：
C：0.4～0.6％；Si：0.3～0.5％；Mn：17～19％；Cr：3.5～5.0％；V:1.2～1.6％；La:0.05～0.2％；P≤0.04％；S≤0.02％；其余为Fe。
2.根据权利要求1所述的高疲劳强度无磁钢，其特征在于，其成分按质量百分比计为：
C：0.45～0.55％；Si：0.35～0.45％；Mn：17.5～18.5％；Cr：4～4.8％；V:1.2～1.6％；La:0.1～0.2％；P≤0.04％；S≤0.02％；其余为Fe。
3.根据权利要求1或2所述的高疲劳强度无磁钢，其特征在于，其成分按质量百分比计为：
C：0.48％；Si：0.4％；Mn：18.5％；Cr：4.5％；V:1.3％；La:0.15％；P：0.03％；S：0.02％；其余为Fe。
4.根据权利要求1或2所述的高疲劳强度无磁钢，其特征在于，其成分按质量百分比计为：
C：0.52％；Si：0.42％；Mn：18％；Cr：4.2％；V:1.5％；La:0.16％；P：0.03％；S:0.01％；其余为Fe。
5.一种高疲劳强度无磁钢的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
真空熔炼：按照所述高疲劳强度无磁钢中各元素比例进行原料混合，真空熔炼成铸锭；
真空浇铸：将熔炼后铸锭打磨掉表面氧化层，在真空和惰性气体保护下，将铸锭熔化，浇铸成铸坯；
热轧步骤：铸坯经过1150-1250℃保温100-140min，热轧，开轧温度1050～1150℃，终轧温度900～1000℃，空冷至室温制成热轧板；
热处理步骤：将所得热轧板进行固溶处理和时效处理，固溶温度为1050～1150℃，保温时间40-50min；时效温度650～750℃，保温时间7-9h。
6.根据权利要求5所述的高疲劳强度无磁钢的制备方法，其特征在于，
所述真空熔炼的条件为：真空度10-3Pa以下，惰性气体保护；所述惰性气体优选为纯度99.99％的氩气。
7.根据权利要求5或6所述的高疲劳强度无磁钢的制备方法，其特征在于，
所述真空浇铸的条件为：真空度10-4Pa以下，所述惰性气为纯度99.99％的氩气。
8.根据权利要求5-7任一项所述的高疲劳强度无磁钢的制备方法，其特征在于，
所述热轧步骤中，铸坯经过1200℃保温120min。
9.根据权利要求5-8任一项所述的高疲劳强度无磁钢的制备方法，其特征在于，
所述固溶温度为1100℃，保温时间为45min。
10.根据权利要求5-9任一项所述的高疲劳强度无磁钢的制备方法，其特征在于，
所述时效温度为720℃，保温时间为8h。
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