CN112795851B - 一种低成本低合金半硬磁合金及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及铁基磁性材料技术领域，特别涉及一种低成本、较高饱和磁感应强度、适中的矫顽力的半硬磁合金及其制备方法。该合金的化学成分按质量百分比表示为：C0.2～0.4，Cr2.0～4.0，Si＜0.3，Mn＜0.3，P＜0.015，S＜0.015，其余为Fe；所述合金采用熔炼浇铸→开坯锻造→热处理工艺步骤制备。本发明基于低合金碳钢体系，得到的合金成本低，经固溶回火后，为在马氏体基体上析出弥散碳化物，基体晶格畸变减小磁性能得以改善，具有较高居里温度、较高饱和磁感应强度等显著特点，在室温B2400大于1.5T，B8000大于1.70T，矫顽力Hc8000为600～950A/m；该合金具有良好的半硬磁性能，可在磁滞电机领域中广泛推广。

Description

一种低成本低合金半硬磁合金及其制备方法
技术领域
本发明涉及铁基磁性材料技术领域，特别涉及一种低成本、较高饱和磁感应强度、适中的矫顽力的半硬磁合金及其制备方法。
背景技术
磁滞电机具有结构简单、重量轻、启动电流小等优点，半硬磁合金常用于制作磁滞电动机转子，其性能优劣决定了磁滞电机的使用性能。本申请的申请人在先申请了中国发明专利号ZL201610348103.6的‘一种高使用温度高饱和半硬磁合金及其制备方法’，申请日为2016年5月24日，该专利的半硬磁合金的化学成分按质量百分比表示为：Co 47.5～51.0％、Ni 0.5～3.5％、V 1.0～2.5％、Nb 0.1～0.8％、Si＜0.1％、Mn ＜0.1％、C＜0.05％、P＜0.02％、S＜0.02％，余量为Fe；采用熔炼浇铸→真空自耗重熔→开坯锻造→热处理工艺步骤制备。该半硬磁合金中含有大量的Co和其它高价的合金元素，因此合金整体成本较高，本领域的技术人员一直考虑采用低成本的铁基合金或纯铁等制备半硬磁合金，纯铁饱和磁感应强度较高，可达2.1T，但是矫顽力低，无法作为磁滞合金使用；现有技术中亦没有基于低合金碳钢或纯铁的半硬磁合金的报道。
发明内容
本发明的目的是提供一种低成本半硬磁合金及其制备方法，该合金通过在纯铁的基础上添加C、Cr元素，提高合金矫顽力，降低饱和磁感应强度，再通过热处理，获得较好的磁滞性能，可广泛应用于磁滞电机。
为实现上述目的，本发明提供了如下技术方案：
一种低成本低合金半硬磁合金，该合金的化学成分按质量百分比表示为：C0.2～0.4，Cr2.0～4.0，Si＜0.3，Mn＜0.3，P＜0.015，S＜0.015，其余为Fe。
所述合金采用熔炼浇铸→开坯锻造→热处理工艺步骤制备。
所述热处理工艺为：锻棒进行高温淬火，淬火温度1200±20℃；加工至成品后，进行真空回火热处理，750±10℃保温3～4小时。
该合金的化学成分按质量百分比表示为：C 0.22～0.38，Cr 2.11～3.97，Si 0.05～0.07，Mn 0.04～0.08，P 0.004～0.006，S0.004～0.008，其余为Fe。
该合金的锻棒在高温淬火后为含有Cr、C的过饱和马氏体组织；通过真空回火后，该马氏体基体上有析出的弥散碳化物。
所述合金在室温具备如下磁性能的组合：合金的室温B24001.50T～1.70T，B80001.70T～1.85T，Br8000 1.45T～1.62T，矫顽力Hc8000为600～950A/m。
一种制备所述的低成本低合金半硬磁合金的制备方法，该方法包括如下步骤：
(1)原料准备
按照如下合金成分配比准备合金原料：合金的化学成分按质量百分比表示为：C0.2～0.4，Cr2.0～4.0，Si＜0.3，Mn＜0.3，P＜0.015，S＜0.015余量为Fe；
(2)熔炼浇铸
采用真空感应炉熔炼合金，熔炼过程真空度≤1Pa，其中Fe、Cr作为一次加料直接放入坩埚，C作为二次加料放入真空感应炉料斗；待所有原材料化清后精炼20～30分钟，然后在真空感应炉的真空室将钢液浇铸为钢锭；
(3)开坯和锻造
钢锭低于700℃装炉，升温速率≤200℃/h，在1160±10℃保温适当时间后开坯，锻造成所需规格棒料；
(4)热处理
锻棒进行高温淬火，淬火温度1200±20℃；加工至成品后，进行真空回火热处理，750±10℃保温3～4小时。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
本发明在纯铁的基础上，通过添加C、Cr元素，提高合金矫顽力，降低饱和磁感应强度，再通过真空回火热处理，合金析出碳化物之后，基体饱和磁感应强度提高，矫顽力下降，获得较好的磁滞性能。
本发明属于低合金碳钢体系，得到的合金成本低，经固溶回火后，具有较高居里温度、较高饱和磁感应强度等显著特点，可在磁滞电机领域中广泛推广。低合金碳钢固溶态为含有Cr、C的过饱和马氏体组织，通过回火，在马氏体基体上析出弥散碳化物，基体晶格畸变减小磁性能得以改善。
具体实施方式
本发明的关键在于，旨在优化合金元素配比，通过合适的热处理工艺，使合金具有优秀的磁滞性能。具体而言：
合金元素的作用及合金设计依据如下：
C：0.2～0.4，与Cr元素形成合金碳化物，提高矫顽力；
Cr：2.0～4.0，与C元素性能合金碳化物，提高矫顽力；
Fe：基体；
Si、Mn：控制其含量在0.3％以下；
P、S：杂质元素，其含量越低越好。
本发明的合金经1200℃淬火后，得到的马氏体组织，此时合金固溶度高、内部应力大，磁性能较差，通过回火，在马氏体基体上析出弥散碳化物，基体晶格畸变减小，合金饱和磁感应强度增加，矫顽力降低。
本发明所涉及的合金成分见以下表1示：
表1低成本半硬磁合金合金成分
成分 含量(重量％)
C 0.2～0.4
Cr 2.0～4.0
Si ＜0.3
Mn ＜0.3
P ＜0.015
S ＜0.015
Fe 余量
本发明的半硬磁合金的制备方法为：
1、按上述合金成分配料。
2、熔炼
首先，采用真空感应炉熔炼合金，熔炼过程真空度≤1Pa，严格控制合金元素的烧损量，使合金的成分控制在设计范围之内。其中Fe、Cr作为一次加料直接放入坩埚；C作为二次加料放入真空感应炉料斗，待所有原材料化清后精炼20～30分钟，之后在真空感应炉的真空室将钢液浇铸为钢锭。
3、开坯、锻造
钢锭低于700℃装炉，升温速率≤200℃/h，在1160±10℃保温适当时间后开坯，锻造成所需规格棒料。
4、热处理
锻棒需进行高温淬火，淬火温度1200±20℃，保温30～40分钟，油淬；加工至成品后，进行真空热处理，750±10℃保温3～4小时。
采用真空感应炉熔炼的4种成分合金的化学分析结果如表2所示：
表2熔炼合金的化学成分(质量百分比％)
Figure BDA0002867789520000051
上述成分合金采用的加工工艺一致：真空感应熔炼→钢锭扒皮后1160℃锻造→Φ45mm棒。
经过上述工艺制备的低成本半硬磁合金的磁性能见表3所示，合金在室温B2400大于1.5T，B8000大于1.70T，矫顽力Hc8000为600～950A/m；合金材料具有良好的半硬磁性能，在磁滞电机领域具有广泛的应用前景。
表3低成本半硬磁合金室温磁性能
Figure BDA0002867789520000061

Claims (4)

1.一种低成本低合金半硬磁合金，其特征在于，该合金的化学成分按质量百分比表示为：C0.2~0.4，Cr2.0~4.0， Si＜0.3，Mn＜0.3 ，P＜0.015，S＜0.015，其余为Fe；
所述合金采用熔炼浇铸→开坯锻造→热处理工艺步骤制备；
所述热处理工艺为：锻棒进行高温淬火，淬火温度1200±20℃；加工至成品后，进行真空回火热处理，750±10℃保温3~4小时；
该合金的锻棒在高温淬火后为含有Cr、C的过饱和马氏体组织；通过真空回火后，该马氏体基体上有析出的弥散碳化物。
2.根据权利要求1所述的合金，其特征在于，该合金的化学成分按质量百分比表示为：C0.22~0.38，Cr 2.11~3.97， Si 0.05~0.07，Mn 0.04~0.08，P 0.004~0.006，S0.004~0.008，其余为Fe。
3.根据权利要求1所述的合金，其特征在于，所述合金在室温具备如下磁性能的组合：合金的室温B2400 1.50T~1.70T，B8000 1.70T~1.85T，Br8000 1.45T~1.62T，矫顽力Hc8000为600~950A/m。
4.一种制备权利要求1所述的低成本低合金半硬磁合金的制备方法，其特征在于：该方法包括如下步骤：
（1）原料准备
按照如下合金成分配比准备合金原料：合金的化学成分按质量百分比表示为：C0.2~0.4，Cr2.0~4.0， Si＜0.3，Mn＜0.3 ，P＜0.015，S＜0.015， 余量为Fe；
（2）熔炼浇铸
采用真空感应炉熔炼合金，熔炼过程真空度≤1Pa，其中Fe、Cr作为一次加料直接放入坩埚，C作为二次加料放入真空感应炉料斗；待所有原材料化清后精炼20~30分钟，然后在真空感应炉的真空室将钢液浇铸为钢锭；
（3）开坯和锻造
钢锭低于700℃装炉，升温速率≤200℃/h，在1160±10℃保温适当时间后开坯，锻造成所需规格棒料；
（4）热处理
锻棒进行高温淬火，淬火温度1200±20℃；加工至成品后，进行真空回火热处理，750±10℃保温3~4小时。
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