专利名称：钴-锰-铁软磁合金的制作方法
技术领域：
本发明涉及含有钴的软磁钢合金，更具体地涉及含有锰和小于20％重量的钴的软磁钢合金。
在基于地面的应用如汽车和卡车的应用中，需要具有非常高的磁饱和感应的软磁材料。其中需要有这种合金的产品的例子包括螺线管、燃料喷射器、开关磁阻电动机、磁轴承、飞轮和传感器。然而，并没有考虑在汽车应用中使用含钴合金如HIPERCO合金50和HIPERCO合金27，这是因为它们与不含有特意添加的钴的已知软磁合金相比要昂贵得多。提高含钴软磁合金在汽车应用中的实用性的一种方式是减少这种合金中的用钴量，从而降低生产这种合金的成本。然而，饱和感应必须保持为较高(即至少约21kG)。
含有少于约20％钴的铁-钴合金的电阻率(ρ)只有约20μΩ·cm。这远远低于HIPERCO合金50所提供的电阻率，HIPERCO合金50的电阻率例如一般为约40μΩ·cm。低钴合金的较低电阻率会导致较高的铁损，这在许多应用中是不可接受的。
现有技术试图通过在基本合金中添加元素如铬、钼、钒、钨、或硅和铝来克服含有20％或更低的钴的钴-铁合金中的低电阻率问题。然而，这种添加元素的方法增加了制造合金的原材料成本。另外，制造这种合金的金属废料不太可能用于其它等级钢的一般回收材料，这是因为它是高度合金化的。
元素铬、钼、钒和钨是可生成碳化物的元素。当在制造软磁合金中采用碳作为脱氧剂时，一种或多种这些元素的大量存在可能会由于碳化物的沉淀而导致磁性能的降低。这对镍-铁软磁合金而言确实应该引起关注，因为它们通常在与钴-铁级合金相同的真空感应熔炼炉中进行熔炼。由于对磁性能具有已知的负面影响，因此在镍-铁合金中这些可生成碳化物的元素通常被限制到尽可能地低。
同样存在与使用硅和铝以增加电阻率有关的问题。这些元素非常活泼并会在熔炼中造成困难。大量添加硅和铝还可能导致钢出现脆性。而且，铝对镍-铁软磁钢的性能而言是有害的，同样，如果镍-铁级合金在与钴-铁级合金相同的真空感应熔炼炉中进行熔炼，则存在着很大的污染危险。
范围优选A优选B锰1.0-5.02.2-3.21.8-2.4钴7-17 14-16 7-9铁余量 余量 余量各示例中的余量基本上是铁，并包括用于相同或相类似应用或服用场合的商用级软磁钢合金中所含有的一般杂质。如果需要的话，在此合金中可含有少量的元素碳、硅、铬和镍。
上述列表是作为方便的总结来提供的，因而并不意味着限制了相互组合地使用本发明合金中的各元素的范围的下限值和上限值，或限制了只是相互组合地使用这些元素的范围。因此，较宽成分的一个或多个元素范围可与优选成分中的余下元素的一个或多个其它范围一起使用。此外，一个优选实施例中的某元素的最小量或最大量可与另一优选实施例中的此元素的最大量或最小量一起使用。在此申请中，除非另外指出，否则用语“百分比”或符号“％”是指重量百分比。详细介绍根据本发明的合金含有至少约7％的钴，以有利于合金所提供的磁感应。在第一优选成分中，合金含有至少约14％的钴。在第二优选成分中，合金含有至少约7％的钴。在此合金中存在不超过约17％的钴，使得原料成本保持在相对已知等级的钴-铁软磁合金为较低的水平。在第一优选成分中，合金含有不超过约16％的钴，在第二优选成分中，合金含有不超过约9％的钴。
根据本发明的合金还含有至少约1.0％的锰，以有利于此合金所提供的电阻率。在含量较高钴的第一优选成分中，存在有至少约2.2％的锰。在钴含量较低的第二优选成分中，合金含有至少约1.8％的锰。
过量的锰会对由此合金所提供的饱和磁感应起负面影响。过量的锰还会导致附加相的沉淀，其对由此合金提供的矫顽力起负面作用。因此，合金限制在含有不超过约5.0％的锰。此合金的第一优选成分含有不超过约3.2％的锰，第二优选成分含有不超过约2.4％的锰。
合金的余量基本上是铁，以及用于相同或相类似应用或服用场合的商用级软磁合金中所含有的一般杂质。在熔炼合金时可能存在来自脱氧添加剂的少量碳。然而应控制碳的量，使得固化锭块中的碳含量尽可能地低，一般不超过约0.02％，最好不超过约0.01％，以避免在合金中形成碳化物。在合金中还可存在最多约0.3％的少量硅，这或者是由添加到熔融合金中的脱氧添加剂所造成的，或者是作为稳定合金的铁素体结构的有效添加剂。硅还提高了可用于处理此合金的两步热处理的可用回火温度。在此合金中还可存在最多约0.8％、最好不超过约0.5％的少量铬，以稳定铁素体结构并允许在上述两步热处理中使用更高的回火温度。与较高含量的锰的存在对电阻率性能的影响相比，存在于此合金中的硅和铬的量并不对合金的电阻率有显著的影响。在此合金中可存在最多约0.8％的镍，以有利于合金的电阻率。
不需要特别的技术来制造本发明的合金。合金最好通过真空感应熔炼(VIM)来进行熔炼。在需要时可通过精炼合金、如通过电渣重熔(ESR)或真空电弧重熔(VAR)合金来得到更高的纯度或更好的晶粒结构。合金铸成锭块的形式，然后在约2200°F的预热温度下被热加工成坯块、棒材或板材。然后将合金热轧成中等厚度的线、棒或带。然后将这些线、棒或带冷加工至更小的截面尺寸，这样可将其机加工成最终零件。还可采用粉末冶金技术来制造此合金，从而制出网状和接近网状的产品。
为了得到所需的磁性能，由此合金制成的零件在冷加工和机加工成所需形状后进行退火。已经发现，为了得到最佳磁性能，可以参考合金的成分来选择退火热处理。因此，当合金含有约7-9％的钴和少于3％的锰时，最好在约1400-1500°F下进行2-4小时的退火，并接下来以每小时约150°F进行冷却。当合金含有约14-16％的钴和约2.5-3.7％的锰时，最好采用两步退火处理来进行退火，其中合金在约2100-2200°F下进行足够长时间的加热以基本上消除位错并使晶粒尺寸增至最大。这一般在此温度下进行约4-6小时。然后合金以每小时约200°F的速度随炉冷却至约1200-1300°F，并在此温度下保持约24小时以基本上消除任何γ相。
根据本发明的合金可提供在200Oe下约21.4kG的磁感应B，以及约42.4μΩ·cm的电阻率ρ。作为对比，在含有明显更多钴的已知合金中，HIPERCO合金50提供了在200Oe下约24kG的直流磁感应和约40μΩ·cm的电阻率，而HIPERCO合金27提供了在200Oe下约23kG的直流磁感应和约19μΩ·cm的电阻率。如有需要，根据本发明的合金可被加工成棒、板、线和带的形式。此合金尤其适用于磁装置如螺线管、燃料喷射器、开关磁阻电动机、磁轴承、飞轮以及磁性传感器。此合金还可用于诸如无刷交流发电机、压缩机电动机、磁悬浮系统和直线电动机的极靴等装置中。加工示例根据本发明的合金的示例可通过真空感应熔炼来制备，并分铸成小的(8磅)的锭块。锭块的化学分析以重量百分比列在表I中。
表I钴-锰-铁合金的化学分析
在各例中余量均为铁。
锭块在2200°F下被热锻成0.5英寸乘2英寸的板材。板材在2100°F下被热轧成0.25英寸厚的片材。对片材进行喷砂处理以除去氧化皮，然后冷轧到0.060-0.080英寸厚。经过在干燥的氢中在1300°F下退火2小时之后，将片材冷轧成0.020英寸厚。可以由0.020英寸的片材来冲压出用于直流磁性检验的环，并可加工出用于电阻率测量的样品。
下面的表II显示了经过四种不同的热处理、即下述的HT1-HT6之后的各样品的测试结果，包括单位为微欧姆厘米(μΩ·cm)的电阻率(ρ)，在30，50，150，200和250Oe下的单位为千高斯(kG)的直流磁感应(B)，以及单位为奥斯特(Oe)的矫顽力(Hc)。
表II中的数据表明，含有2.66％至3.06％的锰的15钴-铁合金(15Co2.7Mn和15Co3Mn)分别提供了20.5kG和21.3kG的磁感应(B@200Oe)，并分别提供了39.3μΩ·cm和42.2μΩ·cm的电阻率(ρ)。
表II中的数据还表明，尽管电阻率略低，然而含有约2.08％的锰的8钴-铁合金(8Co2Mn)在场强小于100Oe下可提供与15Co3Mn合金非常相似的磁感应值。此第二优选合金可用于要求材料成本很低并对铁损和铁心饱和的要求不是特别严格的应用中，例如在较低频率和较低场强下操作的基于地面的应用。
表II中的数据表明，根据本发明的合金可提供磁性能(约18-20kG的B@200Oe)和电阻率(约35-42μΩ·cm的ρ)的优良组合。
根据本发明的合金源于锰可用于提高含有少于约20％钴的钴-铁软磁合金的电阻率的发现。锰是比较便宜的金属，不会显著地增加合金的成本。同样，用于生产本发明的钴-锰-铁合金的金属废料可作为用于其它等级合金的废料而容易地回收，从而降低了制造此合金的总体成本。因此，对在相同VIM熔炉中进行熔炼的其它等级合金的污染很小。可以通过容易的成分控制来容易地熔炼根据本发明的钴-锰-铁合金。它具有优良的热加工和冷加工性能。
表II在各种退火热处理(HT)后的铁-锰-钴合金的直流磁性能和电阻率的示例
HT11320°F/2hHT2以150°F/h的速度在1400°F下随炉冷却2小时HT31600°F/2hHT4以150°F/h的速度在1742°F下随炉冷却4小时到1400°F。以20°F/h的速度随炉冷却到1000°F，然后以150°F/h的速度随炉冷却到室温。HT5HT4+以20°F/h的速度在1742°F下随炉冷却20分钟到1200°F，然后以150°F/h的速度随炉冷却到室温。HT6以200°F/h的速度在2156°F下随炉冷却6小时到1290°F，然后在1290°F下退火24小时。FC为随炉冷却。
本文中所采用的用语和表达是用作介绍的用语，并无限制性。在采用这些用语和表达时，并不排除所介绍的特征或其任何部分的任何等价物。然而应当认识到，在如权利要求所述的本发明的范围内可进行各种修改。
权利要求
1.一种软磁钢合金，其基本上包括约1.0-5.0％重量的锰、约7-17％重量的钴，余量基本上为铁。
2.根据权利要求1所述的合金，其特征在于，所述合金还含有最多约0.02％的碳。
3.根据权利要求1所述的合金，其特征在于，所述合金还含有最多约0.3％的硅。
4.根据权利要求1所述的合金，其特征在于，所述合金还含有最多约0.8％的铬。
5.根据权利要求1所述的合金，其特征在于，所述合金还含有最多约0.8％的镍。
6.根据权利要求1到5中任一项所述的合金，其特征在于，所述合金含有至少约1.8％的锰。
7.根据权利要求6所述的合金，其特征在于，所述合金含有不超过约9％的钴。
8.根据权利要求6所述的合金，其特征在于，所述合金含有至少约14％的钴。
9.一种软磁钢合金，其基本上包括约2.2-3.2％重量的锰、约14-16％重量的钴，余量基本上为铁。
10.根据权利要求9所述的合金，其特征在于，所述合金还含有最多约0.02％的碳。
11.根据权利要求9所述的合金，其特征在于，所述合金还含有最多约0.3％的硅。
12.根据权利要求9所述的合金，其特征在于，所述合金还含有最多约0.8％的铬。
13.根据权利要求9所述的合金，其特征在于，所述合金还含有最多约0.8％的镍。
14.一种软磁钢合金，其基本上包括约1.8-2.4％重量的锰，约7-9％重量的钴，余量基本上为铁。
15.根据权利要求14所述的合金，其特征在于，所述合金还含有最多约0.02％的碳。
16.根据权利要求14所述的合金，其特征在于，所述合金还含有最多约0.3％的硅。
17.根据权利要求14所述的合金，其特征在于，所述合金还含有最多约0.8％的铬。
18.根据权利要求14所述的合金，其特征在于，所述合金还含有最多约0.8％的镍。
全文摘要
一种软磁钢合金，其基本上含有约1.0－5.0％重量的锰、约7－17％重量的钴，余量基本上是铁。所公开的合金提供了可接受的较高水平的磁饱和感应和优良的电阻率，并且其钴含量相对于已知的钴－铁软磁钢合金而言显著减少。
文档编号C22C38/58GK1468438SQ01817001
公开日2004年1月14日 申请日期2001年10月4日 优先权日2000年10月10日
发明者L·李, L 李 申请人:Crs控股公司