超低钴的铁-钴磁性合金的制作方法

本发明一般涉及软磁性合金，和特别涉及含有少于或等于10重量％钴的铁-钴合金。

背景技术：

在工业界中已知铁-钴合金可提供高的磁饱和度。特别是，49Co-Fe-2V(50合金，可从Carpenter Technology Corporation市购得到)是提供了最高磁饱和感应的市售合金，及27Co-Fe(27合金，也可从Carpenter得到)提供了高磁饱和度同时还有相对高的延展性和韧性。这些合金的每一个都含有大量的钴(50约有50％，和27约有27％)。钴是贵重金属并大大提高了成本。在空运应用中，这些合金的成本通过它们在室温和高温下的优越磁和电性质以及足够的机械强度可以合理化。但是对于陆地和海洋应用，就需要不太昂贵的软磁性合金，其可以保持优越的磁和电性质，同时具有适当地机械性质和抗腐蚀性。示例性的陆地和海洋应用包括飞轮、机械轴承、螺线管、磁阻电动机、发电机、燃料喷射器、和变压器。还需要具有更大电阻的软磁性合金，从而使得该合金可适用于交流和直流应用。

技术实现要素：

为了满足这些和其它的需要，且鉴于其目的，本发明提供超低钴的铁-钴磁性合金。本发明的一个示例性实施方案包括含有铁、约2-约10重量％钴、约0.05-约5重量％锰、和约0.05-约5重量％硅的磁性铁合金。该合金可额外包括一种或多种不超过约3重量％的铬、不超过约2重量％的钒、不超过约1重量％的镍、不超过约0.05重量％的铌、和不超过约0.02重量％的碳。所述合金的电阻(ρ)可至少是约40μΩcm。该合金的饱和磁感应(B_s)可至少是约20kG。该合金的退剩磁性(H_c)可小于约2Oe。 该合金可主要包括单α相。

另一个示例性的实施方案包括含有铁、约2-约10重量％钴、约0.05-约5重量％锰、和约0.05-约5重量％硅的磁性铁合金；且ρ至少为约40μΩcm、B_s至少为约20kG、和H_c小于约2Oe。该合金可额外包括一种或多种不超过约3重量％的铬、不超过约2重量％的钒、不超过约1重量％的镍、不超过约0.05重量％的铌、和不超过约0.02重量％的碳中。该合金可主要包括单α相。

附图说明

通过结合附图阅读下述详细说明可最好地理解本发明。应强调的是，根据一般惯例，附图的各种特征不是按照比例的。相反，为了清楚起见，所述各种特征被任意地放大和缩小了。附图中包括下述图形：

图1A描绘了本发明实施方案的一系列含有约10重量％钴(Co)的合金与27和基本上不含Co的对比样品相比的饱和磁感应(B_s)、退剩磁性(H_c)、和电阻(ρ)；

图1B描绘了本发明实施方案的一系列含有约8重量％钴(Co)的合金与27和基本上不含Co的对比样品相比的B_s、H_c、和ρ；

图1C描绘了本发明实施方案的一系列含有约5重量％钴(Co)的合金与27和基本上不含Co的对比样品相比的B_s、H_c、和ρ；

图2A描绘了本发明实施方案的三个系列含有约10重量％Co、约8重量％Co、和约5重量％Co的合金与基本上不含Co的对比样品相比的0.2％屈服强度；

图2B描绘了本发明实施方案的三个系列含有约10重量％Co、约8重量％Co、和约5重量％Co的合金与基本上不含Co的对比样品相比的极限拉伸强度；

图2C描绘了本发明实施方案的三个系列含有约10重量％Co、约8重量％Co、和约5重量％Co的合金与基本上不含Co的对比样品相比的伸长率；

图3A描绘了本发明实施方案四个合金的X-射线衍射光谱；

图3B是本发明实施方案的第一合金的光学显微照片；

图3C是本发明实施方案的另一个合金的光学显微照片；和

图4描绘了本发明实施方案的三个合金与27和基本上不含Co的对比样品相比的铁芯损耗。

具体实施方式

本发明实施方案提供包含钴和锰的磁铁，其具有高磁饱和感应、高阻抗、低退剩磁性以及相对良好的包括延展性和韧性的机械性质。所述合金可被用于要求良好机械韧性、良好延展性、高饱和感性和高电阻的海洋和陆地应用，如马达、发电机、转子、定子、磁极片、继电器、磁轴承等。所述合金的高电阻可进一步使得该合金可被用于交流应用中因较高的电阻可降低涡流损耗。实施方案包括所述合金和制备该合金的方法两者。

如本文中所用的，“合金”是指两种或多种金属的均相混合物或固体溶液，其中一种金属的原子替换或占据其它金属的原子间的间隙和/或替代位置。术语合金指可提供单一固相微结构的完全的固体溶液和可提供两个或多个相的部分溶液。

如本文和权利要求中所用的，术语“包括”、“含有”、和“包含”是包容性的或开放式的，且不排除额外的未列举的元素、组成元素、或步骤。因此，术语“包括”、“含有”和“包含”涵盖更加限制性的术语“基本上由...组成”和“由...组成”。除非另有说明，本文中提供的所有数值包括不超过并包括所给出的端点，且组合物的组分或成分的值以重量百分比或组合物中各成分的％重量来表述。

包含钴、锰、和硅的磁铁合金

本发明实施方案包括含有钴、硅、和锰的磁铁合金。例如，所述磁铁合金可包含约2–约10重量％的钴(Co)、约0.05–约5重量％的锰(Mn)、和约0.05–约5重量％的硅(Si)。Co可改善所述合金的磁饱和感应，但会降低某些机械性质且相对昂贵。Mn和Si是相对廉价的元素且加工所述合金中所得的废料可被用作可回收材料制成多个等级以降低费用。本发明实施方案的合金与已知的合金如50和27相比，含有少得多的Co，但仍然保持适当的磁、电、和机械性质。

所述磁铁合金可优选包含约2–约8重量％的Co，约2–约5重量％的Co，约5–约10重量％的Co，约5–约8重量％的Co，或约8–约10重量％的Co。所述磁铁合金可更优选地包含约5重量％Co，约8重量％Co，或约10重量％Co。

所述磁铁合金可优选地包含约0.05–约2.70重量％Mn，约0.05-约2.20重量％Mn，约0.05-约1重量％Mn，约1-约5重量％Mn，约1-约2.70重量％Mn，约1-约2.20重量％Mn，约2.20-约5重量％Mn，约2.20-约2.70重量％Mn，或约2.70-约5重量％Mn。所述磁铁合金可更优选地包括约1.0重量％Mn，约2.2重量％Mn，或约2.7重量％Mn。

所述磁铁合金可优选地包含约0.05-约2.3重量％Si，约0.05-约1.3重量％Si，约1.3-约5重量％Si，约1.3-约2.3重量％Si，或约2.3-约5重量％Si。所述磁铁合金可更优选地包含约1.3重量％Si或约2.3重量％Si。

本发明实施方案的一个优选磁铁合金包含约10重量％Co，约2.7重量％Mn，和约1.3重量％Si。本发明实施方案的另一个优选磁铁合金包含约8重量％Co，约2.2重量％Mn，和约1.3重量％Si。本发明实施方案的另一个优选磁铁合金包含约5重量％Co，约2.2重量％Mn，和约1.3重量％Si。本发明实施方案的另一个优选磁铁合金包含约5重量％Co，约1.0重量％Mn，和约2.3重量％Si。

所述磁铁合金可包括一定量的其它适当的合金元素如铬、钒、镍、铌、和碳。在另一个示例性的实施方案中，所述磁铁合金可包含不超过约3重量％的铬、不超过约2重量％的钒、不超过约1重量％的镍、不超过约0.05重量％的铌、和不超过约0.02重量％的碳。在上述的各实施方案中，所述合金的余量(即不由Co、Mn、Si、或其它适当合金元素构成的合金百分比)是铁(Fe)。所述合金还可包含不影响合金磁、电、和机械性质的其它最小量的杂质。

所述包含上述合金元素的磁铁合金可提供单阿尔法(α)、铁素体中心的立方相合金。在一个示例性实施方案中，所述磁铁合金主要或基本上是α相(例如>95％)。优选，所述磁铁合金主要包括α相(如>99％)，几乎没有或没有第二相存在。α-相合金可提供的优点是最低的铁芯损耗和 较高的延展性。此外，本发明实施方案的磁铁合金可以设计以提供优越的电阻和磁性质。

本发明实施方案的磁铁合金优选具有至少为约20千高斯(KG)的高磁饱和感应(B_s)或高磁通密度；小于2奥斯特(Oe)的低退剩磁性(H_c)，和至少40μΩcm的高电阻(ρ)。饱和是当提高外磁场(H)不能再进一步提高材料磁化时所达到的状态，因此总的磁通密度(B)大体上趋于稳定。饱和是铁磁性材料的一个特性。材料的退剩磁性是在样品磁化已达到饱和后将该材料的磁化降低到零所需施加磁场的强度。因此，退剩磁性测量的是铁磁性材料的消磁阻抗。退剩磁性可用B-H分析仪或磁力计或矫顽磁力计测量。电阻是量化特定材料反抗电流流过有多强的固有性质。低阻抗表示允许电荷轻易移动的材料。

由下面给出的工作实施例可见，对于含有如上所述浓度的Co、Mn、和硅的合金家族，B_s随Co浓度的提高而提高，但随Mn和Si浓度的升高而降低；H_c随Co和Mn浓度的提高而提高，但随Si浓度的升高而降低；和ρ随任何一个Si、Co和Mn的浓度提高而提高。相应地，本发明实施方案的磁铁合金可有利地调节宽范围的所需磁性质，同时保持低含量的Co，从而降低合金的成本。

制备合金的方法

本发明实施方案进一步包括制备上述包含钴、锰、和硅的磁铁合金的方法。

可以通过常规技术制备、加工和产品成型所述合金。例如，可通过使用电弧炉和真空熔炼技术如真空感应熔融(VIM)、真空电弧重熔(VAR)、电渣重熔(ESR)、或类似的技术在空气或适当的气氛中熔炼所述合金元素。需要时，通过提炼所述合金，如通过ESR或VAR，可以得到更高的纯度或更好的晶粒结构。

所述合金可以浇注成锭状，随后将其热加工成坯、棒材、板材或类似物。炉温可在例如约1,000°F(538℃)至约2,150°F(1,177℃)的范围内。所述形状可被加工成有用的零部件，如磁性轴承的盘、轴颈和轴。或者，可进一步将所述合金热轧成具有所需厚度的丝、棒、或带。所述丝、棒、 或带还可被冷加工成更小的横截面尺寸，由其可被加工成成品。所述合金也可以通过粉末冶金技术制备。

为了继续微调合金的性质，所述方法可进一步包括热处理以优化饱和感应、电阻、和机械值。可在单步或多步热处理循环中对合金进行热处理。在单步热处理中，合金可被加热到第一温度下，然后在给定的速率下冷却至所需温度。在多步热处理中，合金可被加热到第一温度，冷却到给定温度，加热到第二温度，和冷却到给定温度。在任何加热或冷却步骤，都可将所述温度保持一定的时间。该多步热处理可按需要重复任何多的次数直至达到应用所需的结果和性质(即，磁、电、和机械)。

所述热处理温度、条件、和时间可取决于合金的应用和所需的性质。例如，合金或部件可在干燥的氢气或真空下于约1,300°F(704℃)至约1,652°F(900℃)的温度下退火约2-4小时。然后可以将所述合金在每小时约144°F(62℃)至约540°F(282℃)的速率下冷却直至达到约572°F(300℃)至约600°F(316℃)的温度，然后再在任何适当的速率下冷却。随着温度的提高，磁性质可能会得到改善，单屈服强度和拉伸强度会降低。可能优选所述温度不超过约1,652°F(900℃)，因为所述软磁性特性可能会因形成奥氏体相(austentic phase)而开始降低。还可能通过在合金的表面创建薄的氧化物层而提高所述磁性质。该表面氧化物层可通过在含氧的环境中加热而实现，例如，在约600°F(316℃)至约900°F(482℃)的温度范围内加热约30-60分钟。

实施例

包括了下述实施例以更清楚地展示本发明的整体性质。这些实施例对本发明是示例性的，不具有限制性。

制备了一定数量的包括不同含量Co、Mn、和Si的样品，在VIM炉中通过浇注形成35lb.(16kg)锭，随后将其热锻造成2寸(5cm)的方棒。各样品的化学组成示于表1中。表1中的每个值都是重量百分比。对每个样品，合金的差额都主要是Fe。将样品分组成三个具有不同Co浓度的系列：第一系列含有约10重量％Co(样品1-3)、第二系列含有约8重量％Co(样品4-8)，和第三系列含有约5重量％Co(样品9-13)。制 备了基本上不包含钴的样品14作为对比样，大致相应于从Carpenter得到的硅芯铁。

表1

然后通过两个不同的加工路线加工每个2寸(5cm)的方棒。第一，每个2寸(5cm)方棒的一部分经热锻造制备0.75寸(1.9cm)的方棒，随后退火以提高磁性质。在干燥氢气中于2,156°F(1,180℃)下对各方棒进行退火，在每小时200°F(93℃)的速率下冷却至1,290°F(699℃)，保持在1,290°F(699℃)下24小时。然后表征各方棒的退剩磁性(H_c)、在250Oe下的磁感应(B₂₅₀)、磁感应饱和(Bs)、电阻(ρ)、硬度(Rockwell B)(R_B)、屈服强度(YS)、最大拉伸强度(UTS)、伸长率(EI)、和面积降低(RA)。结果在表2中给出。

表2

图1A-1C描绘了各系列样品的H_c、B_s、和ρ。图1A描绘了含有约10重量％Co的第一系列(样品1-3)，图1B描绘了含有约8重量％Co的第二系列(样品4-8)，和图1C描绘含有5重量％Co的第三系列(样品9-13)。在每个图中，各泡泡的尺寸与其退剩磁性成比例，且各样品相比与两个合金，即由Carpenter得到的27和也是由Carpenter得到的相应于硅芯铁的对比样14。27的B_s约为20.0kG，H_c约为1.7-3.0Oe，但ρ只是19μΩcm，不满足所需的B_s大于20kG、ρ大于40μΩcm、和H_c小于2Oe的性质要求。相反，对比样14的ρ为40μΩcm且 H_c为0.7Oe，单B_s只有19.8kG，也不满足所需性质。

图1A描绘了含有约10重量％Co的三个样品(样品1-3)与27和对比样14的比较。这三个样品中每一个样品的B_s都在27和对比样14之间，大于所需的20KG的B_s值。这三个样品中每一个样品的H_c都在27和对比样14之间，满足所需的H_c小于2.0Oe。然而，只有样品3(Co＝9.98重量％、Mn＝2.73重量％、和Si＝1.23重量％)具有所需的大于40μΩcm的ρ值。在该系列的合金中，提高Si的含量(其它元素的组成保持恒定)会提高ρ、降低H_c、和降低B_s。

图1B描绘了含有约8重量％Co的五个样品(样品4-8)与27和对比样14的比较。这三个样品中每一个样品的B_s都在27和对比样14之间，大于所需20KG的B_s值。这三个样品中每一个样品的H_c都在27和对比样14之间，满足所需的H_c小于2.0Oe。然而，只有样品7(Co＝7.99重量％、Mn＝2.22重量％、和Si＝1.25重量％)具有所需的大于40μΩcm的ρ值。通过将这些合金与第一系列合金相比较可见，降低Mn的含量(其它元素的组成保持恒定)会降低ρ和H_c，但对B_s只具有边际效应。

图1C描绘了含有约5重量％Co的五个样品(样品9-13)与27和对比样14的比较。这三个样品中每一个样品的B_s都在27和对比样14之间，大于所需20KG的B_s值。这三个样品中每一个样品的H_c都在27和对比样14之间，满足所需的H_c小于2.0Oe。然而，只有样品12(Co＝4.97重量％、Mn＝2.21重量％、和Si＝1.32重量％)和样品13(Co＝4.99重量％、Mn＝1.03重量％、和Si＝2.31重量％)具有所需的大于40μΩcm的ρ值。

进行了回归分析以确定样品中Co、Mn和Si的浓度与其对B_s、H_c和ρ的影响之间的关系。这些关系用下述等式表述，其中X_Co是Co浓度、X_Mn是Mn浓度、和X_Si是Si浓度：

B_s＝20.7+0.153*X_Co–0.322*X_Mn–0.318*X_Si(R²＝0.86；p＝0.00) (式1)；

H_c＝-0.209+0.062*X_Co+0.317*X_Mn–0.096*X_Si(R²＝0.86；p＝0.00) (式2)；和

ρ＝13.4+0.557*X_Co+.451*X_Mn+12.2*X_Mn(R²＝0.86；p＝0.00) (式3)。

由这些等式可以确定，对于所述的合金研究范围，提高Co浓度对B_s具有积极的影响，而提高Mn和Si的浓度具有消极的影响，而所述Mn和Si浓度对B_s的消极的影响约等于和约是Si浓度积极影响的双倍。还可以确定的是，提高Co浓度可提高H_c，提高Mn浓度可提高H_c，和提高Si浓度会降低H_c。提高Co和Si浓度对H_c的影响小于提高Mn浓度的影响。还可以确定的是，提高任何Co、Mn或Si的浓度都会提高ρ，但Si浓度的影响是约2.7倍大于Mn浓度的影响，和是约22倍大于Co浓度的影响。

图2A-2C描绘了，与对比样品14(即，基本上不含有Co的对比样品)相比，各系列合金(即，约10重量％Co、约8重量％Co、和约5重量％Co)的不同机械性质，包括屈服强度(图2A)、拉伸强度(图2B)、和伸长率(图2C)。对于每个系列，所述机械性质都适用于软磁体应用。通常，在一个系列中，提高Si浓度导致强度增加，如测定的屈服强度和拉伸强度，并导致延展性的边缘降低，如测定的伸长率，同时提高Mn导致强度的边缘增加和延展性降低。

图3A给出了四个示例性合金，具体而言样品3、7、12、和13的X-射线衍射数据。各合金的X-射线衍射数据表明它们是单相合金和(110)、(200)、(211)和(220)对应于铁素体或α相(BCC)。样品[12](图3B)和[13](图3C)的光学纤维照片确认了单相的存在。

在第二加工路线中，每个2寸(5cm)方棒的一部分都被加热到2,200°F(1,204℃)并热轧成厚度为0.25寸(0.64cm)的带。随后对该带进行喷砂处理以除去积垢并冷轧至厚度0.080寸(0.2cm)，在干燥H₂中于1,300°F(704℃)下退火2小时，再次冷轧至厚度约为0.045寸(0.11cm)。然后由所述带冲压得到环并在干燥氢气(H₂)中于2,156°F(1,180℃)下退火，在每小时200°F(93℃)的速率下冷却，保持在1,290°F(699℃)下24小时。然后表征各个环的退剩磁性(H_c)、200Oe下的磁感应(B₂₀₀)、和铁芯损耗(P_c)(在60Hz和15kG下测定)。结果在下表3中给出。

表3

图4描绘了与27和对比样品14相比，在被处理成带之前、满足所需性质(B_s大于20kG、ρ大于40μΩcm、和H_c小于2Oe)的三个样品(样品3、7、和12)的P_c。从图4可见，每个样品3、7、12的P_c值都与不含钴的对比样品14相似，但小于27的P_c值。

尽管参考某些具体实施方案和实施例进行了上述阐述和说明，然而本发明不旨在受给出细节的限制。相反，在不偏离本发明精神的情况下可以在权利要求等价物的广度和范围内进行各种细节上的改动。例如，明确地希望本文中较宽地给出的所有范围都包括其范围内的落入所述较宽值域内的所有较窄的值域。还明确地希望上面给出的使用各种设备的方法步骤不受任何特定顺序的限制。