專利名稱：高飽和磁通密度及低剩磁雙鐵磁性相軟磁合金的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種雙鐵磁性相軟磁合金，具有高飽和磁通密度及低剩磁等特點，是一種適用于性能要求很高的螺線管電磁閥鐵芯新型軟磁合金，還可應用于陀螺儀與微型電機等方面，屬于電工電子工業用合金技術領域。
軟磁材料一般要求具有高飽和磁通密度、高導磁率以及低的矯頑力等特點，但針對不同的應用，往往對其他磁學性能如飽和磁致伸縮、磁各向異性以及剩余磁通密度等也有著特別的要求。這些性能之間是相互聯系的，并有著一定的制約關系。考察現有的商用軟磁合金，如純鐵、電工鋼以及Fe-Co合金、Fe-Al-Si等Fe基合金，具有很高的飽和磁通密度Bs，一般在1.5T以上，但初始磁導率μi相對較低，剩余磁化強度Br也比較高。早在八十年代，我國學者曾參考前蘇聯精密合金產品，成功地研制開發了一些低剩磁Br(＜0.1T)軟磁合金，如陳國鈞等發明的1J34H，1J34KH(專利申請公開號CN85100770A)等，但其飽和磁通密度低于1.5T，而且這些合金一般經過橫向磁場熱處理，其初始磁導率也很低。最近，劉大均研制了一種Fe-11～14wt％-5wt％M(M＝Si，Mn，Ti等)軟磁合金棒材(專利公告號CN1170941)，這種軟磁合金雖然具有較高的磁導率和較低的剩磁(Br＜0.4T)，但Bs＜1.4T。在實際應用中，螺線管電磁閥的鐵芯材料，需要一種滿足高飽和磁通密度Bs＞1.8T，低剩磁Br＜0.2T，以及初始磁導率μi＞2000等性能軟磁晶態合金，這是現有軟磁合金性能所不能滿足的。
本發明的目的在于根據工業生產的實際需要，針對現有技術的上述不足，研制一種同時具有高飽和磁通密度與低剩磁以及較高的初始磁導率的新的軟磁合金，以盡可能滿足實際應用的要求。
為實現這樣的目的，本發明研制了一種含有雙鐵磁性相的晶態軟磁合金，很好地接近上述各項性能指標。
一般而言，軟磁合金的飽和磁化強度是由合金的化學成分決定，同時化學成分也與合金的相組成與相結構密切相關；合金的剩余磁化強度是結構敏感量，與材料的組織結構、應力狀態等方面有關，對于各向同性無織構的材料一般通過磁場熱處理或應力熱處理來控制剩磁的大小。要獲得低剩磁的合金，大都采用橫向磁場熱處理，然而，這種熱處理方式在降低合金剩磁的同時，也使合金的初始磁導率下降，并且對磁致伸縮系數較大的合金采用這種方式很難得到很低的剩磁。
傳統的軟磁合金為單相材料，應避免非鐵磁性第二相的出現，因為這會導致一些結構敏感的磁學性能惡化。然而，如果軟磁合金中含有兩種鐵磁性相，利用這兩種性能不同的鐵磁性相間的相互作用，卻有可能提高合金的軟磁性能。最典型是Yoshizawa等通過晶化非晶合金，形成具有兩種鐵磁相的納米軟磁合金，具有優異的軟磁性能(美國專利號US4881989)。
受此啟發，本發明以Fe-Co-Ni三元合金系為對象加以研究。在50年代Bozorth等研究表明這種合金的兩種相α和γ都是鐵磁性相，并認為要使合金具有很高的飽和磁感應強度(如Bs＞1.8T)，應選擇高Co含量及低Ni的成分(Bozorth，Ferromagnetism，Van Nostrand(1951)pp.102-119)。近年來，Omata等研究Fe-Co-Ni合金薄膜中，選擇低Ni含量的合金成分，使合金以bcc結構α相為主晶相，可以獲得飽和磁感應強度很高的軟磁合金，若合金主要以fcc結構γ相存在，其飽和磁化強度則要降低(美國專利號US5091266)。本發明在Fe-Co-Ni合金系內，選擇α-γ相界線附近的化學成分，并添加適量合金元素Nb和稀土(如Ce)，設法通過熱處理，得到以α相為主晶相，并含適量γ相的雙鐵磁性相軟磁合金，從而得到高飽和磁化強度。由于這兩種鐵磁性相具有不同磁學行為，尤其是具有不同的磁致伸縮方向以及不同的磁晶各向異性能，因此，在它們的共同作用下，可以得到近零飽和磁致伸縮系數性合金，再經過橫向磁場熱處理，形成誘導單軸各向異性，降低剩磁Br值，可以滿足上述軟磁性能的要求。
圖1為Fe-Co-Ni三元合金系的化學組成與bcc、fcc相區域與界線，以及本發明所選擇的合金成分區域示意圖。
本發明的具體技術方案如下采用電解Fe和工業純金屬Co、Ni，商品純Nb和稀土為原料，其純度都大于99.0％。
這些金屬原料的配比為Fe30～50wt％，Co20～50wt％，Ni10～25wt％，Nb2～5wt％，雜質C、S、P、Mn等總含量不超過0.1wt％.添加的稀土含量不超過0.2wt％。
本發明采用的工藝步驟如下1.將上述原料真空冶煉，真空度大于10-3mmHg柱。澆鑄后經鍛造、軋制成各種規格形狀。
2.在真空爐內，在1100-1150℃氫氣氣氛下固溶熱處理，100℃/小時冷至750℃附近，加快冷卻速率，以250-300℃/小時的冷卻速度至室溫。
3.再進行磁場熱處理，在合金體系的雙相區，溫度為600～750℃范圍內保溫1-2小時，使合金形成雙鐵磁性相。
4.在保護氣氛下進行磁冷卻，加橫向磁場40～60KA/m，以50～100℃冷卻至300℃，去磁場，冷至室溫。
制造的合金樣品相結構用Rigaku D/max-RC型X射線衍射儀分析。用直流磁特性測量儀測試合金的靜態磁學性能，通過分析實驗測得的磁化曲線及磁滯回線，得出磁性合金的飽和磁感應強度Bs、剩磁Br以及初始磁導率μi和矯頑力Hc等磁學性能參數；應變儀法測定軟磁合金的飽和磁致伸縮系數λs。
采用上述工藝制造的雙鐵磁性軟磁合金相結構與磁學性能如下相組成α相鐵素體為主晶相，體積含量85～92％，其余為γ相鐵磁性SW氏體。
靜態磁性能為
飽和磁感應強度 Bs＞1.8T；剩余磁感應強度 Br接近0.25T；矯頑力 Hc 40～80A/m初導磁率 μi1600～2500飽和磁致伸縮系數 λs(x10-6)-20～5誘導各向異性系數 Ku 300～700J/m3圖2為典型的合金樣品相結構X射線衍射儀分析結果。
圖中，典型的合金樣品成分為(Fe40Co40Ni20)0.98Nb0.02，是選擇在圖1陰影區內，α-γ相界線附近的合金。
圖3為圖2樣品測試的磁滯回線。
這種雙鐵磁性軟磁合金與已成功開發并應用的1J34或1J34KH軟磁合金相比，都是Fe-Co-Ni合金系，并添加少量的Nb，但不同的是合金成分選擇，1J34系合金中Ni的含量為34wt.％左右，其主晶相為fcc結構γ相，因此其飽和磁化強度相對較低，一般Bs在1.5T左右，通過橫向磁場熱處理雖然可以得到很低剩磁值，但其初始磁導率在1000以下，相對較低；而這種新研制的合金同時含有兩種性能不同的鐵磁性相，得到低剩磁的同時，飽和磁化強度與初始磁導率都較1J34為高。用這種雙鐵磁性相軟磁合金制作螺線管電磁閥的鐵芯，可以大大提高電磁閥的工作性能。
下面通過具體的實施例進一步說明本發明的效果。
將電解Fe、Co、Ni和Nb(純度＞99.9％)等金屬原料按表1配比，兩種不同成分的試樣各配5kg.在真空中熔煉，真空度大于10-3mmHg柱。澆鑄后經鍛造，經熱軋冷軋，最終軋下量在80％左右，制成0.1mm的薄帶，得到兩種不同成分的軟磁合金試樣。
表1.兩種不同成分合金的組分配比編號 Co(wt％) Ni(wt％) Fe(wt％) Nb(wt％)1 43.1 15.739.2 22 39.2 19.639.2 2將合金薄帶分別電泳法涂層后繞制成圓環φ20/24×10×0.1mm，經過上述工藝制度熱處理后，測試其相結構和磁學性能。
表2.不同組分合金試樣的磁學性能合金 Bs BrHc μiKu λs編號 (T) (T) (A/M) (H＝4mA/m) (J/m3) (x10-6)11.81 0.34 43 1624 320 -1221.8 0.26 56 2185 680 3這兩種合金的化學成分都在附圖1所標明的區域內，即在兩相區的界線附近，合金試樣采用相同的制造工藝與測試手段，合金的性能稍有不同，編號2的試樣性能優越于編號1，具體表現在剩磁與初始磁導率，這是由于編號2的試樣含有適量的γ相，而編號1的試樣只有很少量的γ相，這與其成分偏離相界線稍遠有關。
本發明在優化的工藝條件下，可以得到雙鐵磁性相軟磁合金，具有高飽和磁通密度低剩磁等性能，能夠滿足高性能螺線管電磁閥鐵芯的實際應用。此外這種新型軟磁合金，還可應用于陀螺儀與微型電機等方面。
權利要求
1.一種高飽和磁通密度及低剩磁雙鐵磁性相軟磁合金，其特征在于同時含有兩種鐵磁性相α和γ，其化學組成范圍為Fe30～50wt％，Co20～50wt％，Ni10～25wt％，Nb2～5wt％，雜質C、S、P、Mn等總含量不超過0.1wt％，添加的稀土含量不超過0.2wt％。
2.一種高飽和磁通密度及低剩磁雙鐵磁性相軟磁合金的制造方法，其特征在于采用的工藝步驟如下(1)、將Fe、Co、Ni、Nb及添加的稀土原料真空冶煉，真空度大于10-3mmHg柱，澆鑄后經鍛造、軋制成各種規格形狀；(2).在真空爐內，在1100～1150℃氫氣氣氛下固溶熱處理，100℃/小時冷至750℃附近，加快冷卻速率，以250～300℃/小時的冷卻速度至室溫；(3).再進行磁場熱處理，在合金體系的雙相區，溫度為600-750℃范圍內保溫1～2小時，使合金形成雙鐵磁性相；(4).在保護氣氛下進行磁冷卻，加橫向磁場40～60KA/m，以50-100℃冷卻至300℃，去磁場，冷至室溫。
3.一種高飽和磁通密度及低剩磁雙鐵磁性相軟磁合金，其特征在于用于制作螺線管電磁閥用鐵芯。
全文摘要
一種高飽和磁通密度及低剩磁雙鐵磁性相軟磁合金,在Fe－Co－Ni合金系內,選擇α－γ相界線附近的化學成分,并添加適量合金元素Nb和稀土,真空冶煉、澆鑄成型后采用兩次熱處理的方法,得到以α相為主晶相,并含適量γ相的雙鐵磁性相軟磁合金,具有高飽和磁通密度、低剩磁及較高的初始磁導率特性。本發明是一種適用于性能要求很高的螺線管電磁閥鐵芯的新型高性能軟磁合金,還可以應用于陀螺儀與微型電機等方面。
文檔編號H01F1/147GK1254171SQ9912400
公開日2000年5月24日 申請日期1999年11月12日 優先權日1999年11月12日
發明者孔向陽, 吳建生 申請人:上海交通大學