专利名称：用于高灵敏度继电器磁路的铁－镍－铬－钛型软磁合金的制作方法
技术领域：
本发明涉及具有优良的磁性能，同时又具有优良的硬度和耐腐蚀性能的软磁合金。这种合金特别适于制造自电流剩余电流装置的继电器中的磁路。
剩余电流装置旨在当电路中出现故障时，通过迅速切断主电路来保障各单元的安全。已有几种类型的剩余电流装置，尤其是所谓的“自电流”型的剩余电流装置。自电流剩余电流装置由电流故障检测器、高灵敏度继电器、跳闸机构及打开主电路的机构组成。当主电路中出现故障时，故障检测器向高灵敏度继电器发出一个电脉冲，它打开和启动跳闸机构，从而使打开主电路的机构动作。
高灵敏度继电器由带有移动触点和固定的U形衔铁的磁路、复原弹簧、永磁铁及线圈构成。永磁铁被置于U形固定衔铁的低杆的下面，而线圈则围绕着U形的一个臂。移动触点位于U形的两臂端，其一端与复原弹簧相固定。当继电器处于静止状态时，即处于准备被启动的状态时，没有电流流过线圈，永磁铁使连续的磁力线在磁路中环流，从而形成了吸力，该力使移动触点被吸向固定衔铁，而复原弹簧则处于拉伸状态下。当主电路出现另一种故障时，故障检测器则向继电器的线圈发出一股电流。该电流产生一种磁场，它使固定衔铁退磁，从而使得将移动触头吸向固定衔铁的磁吸引力减小，结果由于复原弹簧中的拉伸作用使移动触点抬起。由于抬起，移动触点起动了跳闸机构。
为使这种继电器正确地动作，磁路必须用这样的软磁合金制造其特征是有尽可能高的饱和感应密度，尽可能低的矫顽场及相当高的电阻率。但，为使继电器长时间可靠地运行，则一方面还希望软磁合金有良好的抗湿气氛腐蚀的能力，以便防止在移动触点和固定衔铁间的接触区形成氧化物，而另一方面希望有足够高的硬度，以防能引起顺序动作的各部件局部磨损及变形。
为满足这些所需的磁性能条件，磁路用一种Fe-Ni型软磁合金制造，它含48％(重量)的Ni，余量是Fe及冶炼过程产生的杂质。这种合金的优点是饱和感应密度Bs为1．5特，矫顽场Hc为4A／m，这相当于所能得到的最好的特性。但，这种合金的缺点是硬度很低(约100HV)而且抗腐蚀性能过低。为了弥补这些不足，磁路，或至少是移动触点用抗腐蚀涂层保护(比如，通过沉积金)，或用硬化和防腐蚀涂层，如通过沉积Cr来保护。但，这种技术的缺点是昂贵，而且在移动触点和衔铁间的接触区中产生多余的厚度，由于空气间隙效应和残余应力的影响该厚度总体上看有损于磁路的磁性能。
为了解决硬度问题，已推出了，尤其是在EP0740，313中推出了为此目的，采用Fe-Ni-Ti型软磁合金，它含46-46．5％(重量)的Ni、约1．8％的Ti、0-1％的Nb、0．45％-0．5％的Mn及0．25％-0．45％的Si，余量的Fe及产生于冶炼过程中的杂质。这种合金的优点是饱和感应密度为1．35特，硬度大于220HV。但是，其缺点是矫顽场相当高，为10A／m，此外，它的抗腐蚀能力稍嫌不足。
因此，在已知的合金中没有一种是完全令人满意的，因而本发明的目的在于提供一种软磁合金来弥补这一缺点，该合金很适于制造高灵敏度继电器的磁路，它的饱和感应密度Bs＞0．9特、矫顽场HC大大小于10A／m，电阻率p＞60μΩ·cm，硬度＞200HV以及有良好的防大气腐蚀的能力。
因此，本发明的主题是一种Fe-Ni型软磁合金，其化合成份(重量)包括40％≤Ni+Co≤65％0％≤Co≤7％2％≤Cr≤5％1％≤Ti≤3％0％≤Al≤0．5％0％≤Mn≤2％
0％≤Si≤1％任选地还包括最多3％的Mo，最多2％的W、最多2％的V，最多1．5％的Nb、最多1％的Ta及最多3％的Cu，而且Cr、Mo、W、V、Nb、Ta及Cu含量的总和小于7％，Mo、W、V、Nb、Ta、Cu的含量总和小于4％，余量是Fe及来自冶炼过程中的杂质，如C、S、P，该化学成份还满足以下关系若Ni+Co≤52．5，则Cr＜5-0．015×(Ni+Co-52．5)2；若Ni+Co≥52．5，则Cr＜5-0．040×(Ni+Co-52．5)2，该合金的饱和感应密度Bs＞0．9特，矫顽场＜10A／m，电阻率p＞40μΩ·cm，硬度＞200HV。该化学成份较好是48％≤Ni+Co≤55％0％≤Co≤3％2％≤Cr≤4％0％≤Mo+W+V+Nb+Ta+Cu≤1％1．3％≤Ti≤1．7％0．05％≤Al≤0．25％0．1％≤Mn≤0．3％0％≤Si≤0．1％对于来自冶炼过程的杂质而言最好是C＜0．01％S＜0．001％P＜0．01％该化学成份更好应为50％≤Ni+Co≤52％0％≤Co≤3％3％≤Cr≤4％0％≤Mo+W+V+Nb+Ta+Ca≤0．5％1．3％≤Ti≤1．7％
0．05％≤Al≤0．25％0．1％≤Mn≤0．3％0％≤Si≤0．1％。
为了制造用本发明的软磁合金制成的带材或零件，最好在高温，即1000℃-1175℃时使该带材或零件退火2-6小时，再以650℃-750℃的温度使之回火1-5小时。
本发明还涉及高灵敏度继电器，尤其是用于自电流剩余电流装置中的继电器，这种类型的继电器包括一个由移动触点和固定衔铁构成的磁路，其中的移动触点或固定衔铁，或其二者均由本发明的软磁合金制成。
这种软磁合金还可有利地用于制造某些类型的小型电动机或发电机，如用于指针式电钟的电动机。这是因为，在这种应用中，所需的磁性能是很相似的，而且也以类似的方式遇到耐腐蚀的问题。
更常见的是，这种软磁合金可有利地用于任何用途，在这类用途中，该软磁合金无论在零件制造和组装过程中，或在使用过程中，都承受严重的化学或机械应力。这些部件，比如是电磁铁、特种磁屏、步进式电动机、同步分解器、电磁铁驱动的振动片及膜、各种类型的致动器。
现将以实施例更详细地，但非限定地陈述和说明本发明。
本发明的合金是Fe-Ni合金，它含(重量)-40-65％的Ni，其一部分可被取代，及最多7％的Co；为获得高的饱和感应密度Bs，Ni含量(或Ni+Co之和)较好是必须为48％-55％，更好是50％-52％；由于Co是贵重元素，尽管在某些情况下它能改善某些磁性能，但其含量最好必须小于3％，甚至为0。
-2％-5％的Cr，以便改善抗大气腐蚀的能力；但一方面，为得到足够的抗腐蚀能力，而另一方面，为了不使饱和感应密度Bs降得过多(一般最好大于0．9特)，Cr含量最好必须为3％-4％；-与0％-0．5％，更好是0．05％-0．25％的Al共存的1％-3％，更好是1．3％-1．6％，或甚至是1．7％的Ti，以便有可能通过沉淀硬化而得到＞200HV的硬度；但过高的Ti含量，或过高的硬度(HV＞300)，将对饱和感应密度和矫顽场有有害影响；
-余量的Fe，任选的少量合金元素，少许Mn及Si及来源于冶炼过程的杂质。
辅助合金元素主要是Mo、W、V、Nb、Ta和Cu。为改善，如，抗氧化性或耐磨性可加这些元素。这些元素的含量必须保持在以下限度之内Mo≤3％、W≤2％、V≤2％、Nb≤1．5％、Ta≤1％、Cu≤3％。但，这些元素中每种含量之总和必须小于4％，较好是小于1％，而更好是小于0．5％，以便不使饱和感应密度降得过多。此外，出于同样理由，Cr+Mo+W+V+Nb+Ta+Cu之和必须小于7％。
Mn和Si含量之和最好必须小于2％。
Mn有助于改善热塑性，主要是通过固定了S改善此性能。为避免过份恶化饱和感应密度，其含量必须为0％-2％，更好是0．1-0．3％。
Si在冶炼金属时使用，但为了避免过份恶化饱和感应密度，较好是将其限于1％，更好是限于0．15％，最好是限于0．1％。
杂质主要是C、S、P。它们的含量必须保持得很低，而且最好是—为避免有损于磁性能，将C含量保持在0．01％以下—为改善抗点状腐蚀能力，将S含量保持在0．001％以下；—为了不损害磁性能，将P含量保持在0．01％以下。
以下，为保证饱和感应密度Bs大于0．9T，希望Cr和Ni(或Ni+Co)含量为若Ni+Co≤52．5，则Cr＜5-0．015×(Ni+Co-52．5)2；若Ni+Co≥52．5，则Cr＜5-0．040×(Ni+Co-52．5)2；此外，为得到所需的硬度，最小Ti含量部分地取决Cr含量，而Ti和Cr的含量最好满足以下关系Ti≥1．8-0．1×Cr。
在Cr含量方面，已发现2％-3％的这种元素使该合金的耐腐蚀性能增加了1倍(与除不合Cr外，其它相同的合金相比)及将耐腐蚀性增加了3倍。
还被观察到的是，Cr对电阻率有很强的影响，对于小于5％的Cr含量而言，增加1％的Cr含量，电阻增加5-10μΩ·cm。
具有这样成分的合金，比如，通过在VaCuo中熔炼，铸成锭，再经热轧和冷轧而炼成，以便得到可将其切成部件的薄带。为了得到这种产物或部件，所期望的工作特性，进行双重热处理为了得到良好的重结晶，首先在干的纯氢气氛中进行2-6小时的，1000℃-1175℃，较好是高于1050℃，更好是高于1100℃的高温回火，然后为通过析出r1(Ni3Ti或Ni3TiAl)相使该金属硬化，再进行1-5小时的低温，更好是650℃-750℃的回火。
用实施例的方法，得到成份如下的合金(重量)Ni CrMo TiAlMnSiC S PFe50．10 3．30 0．5 1．45 0．24 0．21 0．02 0．008 0．0009 0．006余量用此合金，通过热轧和冷轧制成厚1mm的带材，在干的纯氢气氛中，于11500℃将此带材处理4小时，然后仍在氢中于725℃回火3小时。所得的性能如下—饱和感应密度Bs=1．03T(以H=1000A／m测得)—矫顽场Hc=4．8A／m—电阻率p=90μΩ·cm。
—维氏硬度HV=250。
此外，进行抗大气腐蚀试验，该试验是这样构成的将金属试样浸于用水稀释至30％的乙酸溶液中，然后在几千小时后测量试样的重量损失。对该实施例中所给的，符合本发明的FeNiCrTi合金进引这种试验，为了对比，再对现有技术的，被认为耐腐蚀性稍嫌不足的Ni48Fe合金进行此试验。该试验表明本发明合金的浸蚀速度比该现有技术的合金的该速度约小3倍。
这些性能使得该合金特别适于制造剩余电流装置中的高灵敏度继电器的U形固定衔铁及移动触点。这两个零件是通过将它们从厚1．5mm软化带材切下，然后将它们叠合使之成形而得到的。接着研磨这些零件，以便在移动触点和衔铁间的接触区得到完美的几何形状。接着在不使金属氧化的保护性气氛中进行双重热处理，即由约1150℃的退火，接着是约725℃的回火组成的热处理。为了校正与硬化作业相关的，零件的小的变形(约收缩0．1％)，若需要，可将此零件再稍加研磨，然后于约725℃再回火，以便恢复研磨区中的磁性能。最后，轻轻细磨这些零件，以便使衔铁和移动触点的接触表面符合规范。这样得到的，具有良好的硬度及耐大气腐蚀的零件无需作任何附加表面处理就可按其现在的状态使用。在这类继电器中，只有移动触点，或衔铁，或仅其二者是用本发明的合金制造的。
本发明的合金，同时具有使其能被有利地用于多种领域，如小型电动机或发电机的磁性零件的硬度和耐腐蚀性。这类电动机，比如是指针或电钟的电动机，这类电动机包括由定子和线圈铁芯构成的磁路。这种定子或线圈铁芯，或其二者，用本发明的软磁合金制造是有益的。
权利要求
权利要求书1．铁-镍型软磁合金，其特征在于其化学成份含(重量)40％≤Ni+Co≤65％0％≤Co≤7％2％≤Cr≤5％1％≤Ti≤3％0％≤Al≤0．5％0％≤Mn≤2％0％≤Si≤1％任选地含最多3％的Mo，最多2％的W、最多2％的V，最多1．5％的Nb、最多1％的Ta及最多3％的Cu，而且Cr、Mo、W、V、Nb、Ta及Cu含量的总和小于7％，而Mo、W、V、Nb、Ta和Cu的含量之和小于4％，余量是Fe及来自冶炼过程的杂质，如C、S、P，该化学成份还满足如下关系若Ni+Co≤52．5，则Cr＜5-0．015×(Ni+Co-52．5)2；若Ni+Cb≥52．5，则Cr＜5-0．040×(Ni+Co-52．5)2，该合金的饱和感应密度Bs＞0．9特，矫顽场＜10A／m，电阻率p大于60μΩ·cm，硬度大于200HV。
2．权利要求1的软磁合金，其特征在于其化学成份如下48％≤Ni+Co≤55％0％≤Co≤3％3％≤Cr≤4％0％≤Mo+W+V+Nb+Ta+Cu≤1％1．3％≤Ti≤1．7％0．05％≤Al≤0．25％0．1％≤Mn≤0．3％0％≤Si≤0．1％余量的Fe及来自冶炼过程的杂质，如C、P、S。
3．权利要求1或2的软磁合金，其特征为，来自冶炼过程的杂质含量如下C＜0．01％S＜0．001％P＜0．01％
4．权利要求1-3中任一项的软磁合金，其特征为其成份如下50％≤Ni+Co≤52％0％≤Co≤3％3％≤Cr≤4％0％≤Mo+W+V+Nb+Ta+Cu≤0．5％1．3％≤Ti≤1．7％0．05％≤Al≤0．25％0．1％≤Mn≤0．3％0％≤Si≤0．1％。
5．制造用权利要求1-4中之任一项的软磁合金制成的带材或零件的方法，其特征在于，—用该合金制成带材或零件，—将该带材或零件在高温，即1100℃-1175℃间退火2-6小时，然后在650℃-750℃间回火1-5小时。
6．继电器，特别是包含由移动触点和固定衔铁构成的磁路类型的，用于自电流剩余电流装置的继电器，其特征在于，作为移动触点和固定衔铁的零件中的至少一种是由权利要求1-4中之任一项的软磁合金制成的。
7．包含由定子和线圈铁芯构成的磁路类型的小型电动机或发电机，如用于指针式电子钟的电动机，其特征在于，至少该定子和线圈铁芯中的一种由权利要求1-4中任一项的软磁合金构成。
8．同步分析器，其特征为，它由权利要求1-4中之任一项的软磁合金构成。
9．电磁驱动的振动片或膜，其特征在于，它由权利要求1-4中之任一项的软磁合金构成。
全文摘要
铁－镍型软磁合金,其化学成分如说明书中所述该化学成分还满足以下关系:若Ni+Co≤52.5,则Cr< 5—0.015×(Ni+Co－52.5)
文档编号H01F1/12GK1204843SQ9810332
公开日1999年1月13日 申请日期1998年7月3日 优先权日1998年7月3日
发明者L·库图, L·沙普特, T·瓦可勒 申请人:安费公司