專利名稱：具有低矯頑磁場強度、高磁導率和改善了抗腐蝕性的軟磁鎳－鐵－合金的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及軟磁鎳-鐵合金。
由Carl Heck的《磁性材料和其工業(yè)應用》，Htig出版社，海德堡1975，第349等頁)一書已知，在繼電器中軟磁材料用作銜鐵和軛鐵的材料。
對該材料的主要要求是具有高的飽和磁通密度，以便在低的能量下獲得高的磁吸持力，具有高的磁導率，以及因此低的磁場強度，也就是說，在氣隙中可以產(chǎn)生低的勵磁電流以及高的磁通密度，這樣在銜鐵上產(chǎn)生大的吸引力。勵磁電流降低時，低的矯頑磁場強度可使繼電器容易斷開。
除磁性要求外，在氣候交替時對繼電器材料還有耐腐蝕的要求，因為在每種氣候情況下繼電器的正常功能是必需的。在材料無足夠的耐腐蝕性時，僅是通過附加地涂覆成品、使其具有耐腐蝕涂層來滿足該要求。
銜鐵和軛鐵的接觸表面必須具有盡可能小的間隙，以便由軛鐵和銜鐵組成的磁路具有高磁導率。它能夠不受繼電器狀態(tài)轉(zhuǎn)換的損傷，因為繼電器的釋放電流將改變。
對由軟磁材料制成的其它模壓和沖壓件也存在類似的要求。
DIN17405《用于直流繼電器的軟磁材料》描述了繼電器材料的磁性要求。下表給出由DIN17405摘錄的內(nèi)容。
表1根據(jù)DIN17405的繼電器材料
DIN17745《鎳和-鐵可鍛合金》中描述了作為RNi12和RNi8類的基礎材料的合金Ni48(材料序號1.3926和1.3927)(參見表2)。合金Ni36(材料序號1.3911)是RNi24類的基礎材料。
表2由DIN17745摘錄的內(nèi)容
在鎳-鐵合金的融煉時，除所需的合金元素外，還需要脫氧性元素和/或除硫性元素如錳、硅和鋁。此外，當由于成本低而采用常規(guī)的煉鋼技術制備該合金時，不可避免引入一定最低量的、氧、硫、磷、碳、鈣、鎂、鉻、鉬、銅和鈷夾雜。因此，在常規(guī)的煉鋼技術下，在電弧爐中的融煉這些合金并隨后的用于脫氧、除硫和脫氣的鋼水包冶金術和/或真空氧化性脫碳處理。之后，將鋼錠或連鑄扁錠(Stranggussbramme)在一或二個步驟中熱成形，直至厚度為4毫米，隨后-如果需要，還包括中間退火-冷成形至最終厚度。如DE19612556A1中描述的，夾雜碳、氮、氧、硫和非金屬夾雜使磁性能惡化。由澆鑄前所需的熔體的脫氧和/或除硫處理而引入非金屬夾雜。根據(jù)脫氧和/或除硫劑不同，這些夾雜例如是鈣、鎂和鋁的氧化物。
因此，為了克服這些困難，迄今為止，現(xiàn)有技術中具有最高要求的軟磁材料是借助于真空技術通過選擇的無夾雜的基礎材料制備的，如DE-A 3910147和DE-C 1259367中明確說明的。其它由公開文獻中已知的可能性是，在如DE-A 4105507中描述的非常昂貴的、事先在真空或保護氣體下熔煉了的鋼錠的電渣重熔方法。
本發(fā)明的任務是熔煉軟磁鐵-鎳合金，該合金具有符合上述要求的磁性能、耐腐蝕和耐磨性，并且在軟磁元件中具有一系列優(yōu)選的應用。
該任務是通過具有35至65重量％鎳和一種或多種稀土金屬鈰、鑭、鐠或釹以及取決于熔煉條件下的夾雜的軟磁鐵-鎳合金完成的，其中稀土金屬的總量是0.003至0.05重量％。
本發(fā)明主題的有利實施方式描述在所附的從屬權利要求中。
本發(fā)明的合金優(yōu)選是通過煉鋼技術，即通過在開放式電弧爐(offenen Lichtbogen)中熔化，隨后通過鋼水包冶金術和/或(真空氧化脫碳)處理進行脫氧、除硫和脫氣而制造的。之后，將鋼錠或連鑄扁錠在一或二個步驟中熱成形，直至厚度為4毫米，隨后-如果需要，還通過中間退火-冷成形至最終厚度來調(diào)整由該帶材制備元件所需的硬度。
在由該合金制備元件和在800至1150℃下退火之后，該元件獲得的矯頑磁場強度低于8A/m。
本發(fā)明合金優(yōu)選的用途是繼電器元件如軛鐵和銜鐵。
此外，本發(fā)明鐵-鎳合金還適合于在下面的應用中使用-磁閥的閥帽和閥體-無功磁鐵和電磁鐵的軛鐵或極片或極靴或極用硅鋼片和銜鐵-步進電動機的線圈鐵心和定子以及電動機的轉(zhuǎn)子和定子-傳感器、定位發(fā)送器和定位接受器的模壓件和沖壓件-磁頭和磁頭屏蔽
-屏蔽，例如電動機屏蔽、指示儀表的屏蔽罩和陰極射線管的屏蔽。
將由鋼廠工藝技術制得的厚1.2毫米的帶材沖壓成平片試樣，清洗，在氫氣下以1080℃/4小時進行退火處理，然后在爐中冷卻至300℃。使用該試樣進行DIN50017中描述的耐氣候試驗在55℃/90-96％空氣濕度下8小時、和在25℃，95-99％空氣濕度下16小時，進行該循環(huán)28次。試驗的合金是包含36-81重量％鎳和部分添加劑如鉻、銅和/或鉬的合金(參見表3)。在耐交替氣候試驗結(jié)束之后，與鎳含量大于75％的合金相比，鎳含量小于等于55重量％的所有合金在其表面均出現(xiàn)明顯更嚴重的腐蝕現(xiàn)象(B.Gehrmann，H.Hattendorf，A.Kolb-Telieps，W.Kramer，W.Mottgen，材料和腐蝕48，535-541(1997))，并且在無附加的改善腐蝕性的措施下不滿足上述對繼電器材料的抗腐蝕性的要求。與此相反，如在表3中舉例示出的矯頑磁場強度Hc說明的，它滿足DIN 17405要求的磁性能(現(xiàn)有技術)。
表3
在耐交替氣候試驗結(jié)束之后，借助于REM/EDX在試樣的腐蝕部位發(fā)現(xiàn)硫。
根據(jù)本發(fā)明，腐蝕性能的改善是令人驚奇地通過采用鈰使易腐蝕的、其鎳含量是35-65重量％的鎳-鐵合金除硫來實現(xiàn)的。因此，優(yōu)選這是由化學性能非常類似的稀土金屬鈰和/或鑭和/或鐠和/或釹組成的混合金屬進行的。為了確保固結(jié)所有的硫，必須存在足夠的稀土金屬原子。如果從形成例如具有高鈰含量的硫化鈰CeS出發(fā)，那么在合金中存在的鈰原子比硫原子多時就是這樣。
為了通過鈰全部固結(jié)硫，那么鈰含量(重量％)必須至少是硫含量(重量％)的4.4倍。對其它稀土金屬鑭、鐠和/或釹和對稀土金屬的總含量要求也是同樣的。
如上所述，由于加入這樣強的脫氧劑和除硫劑如鈰而形成的反應產(chǎn)物保留在材料中，從而影響了磁性能(A.Hoffmann，《關于不同脫氧元素對Ni-Fe合金的變形和起始磁導率的影響》，Z.angew.物理學32，第236至241頁)。令人驚奇地，應該以這樣的量加入稀土金屬，即使磁導率和矯頑磁場強度的磁性值在按照現(xiàn)有技術熔煉的爐料的常規(guī)波動范圍中。
已知，從繼電器的接觸表面可爆裂出脫氧渣，其保留在接觸表面中間，并且在繼電器的進一步接通時由于其高的硬度(例如在氧化殘渣的情況下)破壞了精拋的接觸表面。因此，根據(jù)DIN 50602(方法M)，繼電器材料必須僅具有非常低的非金屬夾雜含量。因此，在使用鈰或由稀土金屬鈰、鑭、鐠、釹組成的混合金屬脫氧時、在線形SS時，硫化物夾雜的最大數(shù)值是小于0.1或1.1；在熔化形式中，氧化物夾雜OA(氧化鋁)的最大數(shù)值是小于2.2或3.2或4.2；在線材形式中，氧化物夾雜OS(硅酸鹽)的最大數(shù)值是小于5.2或6.2或7.2，以及在球狀形式中，氧化物夾雜OG的最大數(shù)值是小于8.2或9.2。
例如借助于鋼廠工藝技術在30噸的電弧爐中熔煉具有約48％鎳和微不足道的錳和硅的鎳-鐵合金(爐料E5407和E0545)，并且與組成非常類似，但沒有加入稀土的現(xiàn)有技術的爐料(爐料T4392、T5405和T5406)(現(xiàn)有技術)相對比。精確的組成列于表4中。
表4現(xiàn)有技術中的爐料組成(T)和本發(fā)明的爐料組成(E)，單位重量％。
如爐料T4392、T5405、T5406和爐料E5407，添加少量硼可以改善沖壓性。本發(fā)明爐料(E5407和E5405)中鈰的含量(重量％)是硫含量(重量％)的4.4倍以上。
在熔化之后，進行初軋，隨后熱軋成約4毫米的熱軋帶材，并且經(jīng)隨后的冷變形至1.0毫米的最終厚度。
此外，沖壓直徑是25.5毫米的圓試樣。使用直至E0545的所有爐料。這里使用由熔鑄試樣制備的約15毫米×15毫米×5毫米的鑄件，精磨其表面。清潔所有的試樣，一部分試樣在氫氣下以970℃/小時進行退火處理，然后在爐中冷卻至300℃以下。第二部分試樣在氫氣下以1030℃/2小時進行退火處理。之后在爐中冷卻至300℃以下。對所有的試樣進行短時(2天)耐氣候試驗，其中溫度/濕度交替循環(huán)是3小時從25℃和55％空氣濕度至55℃和98％空氣濕度。將試樣的單面放置的玻璃皿中，這樣底面籠罩在加劇的裂縫腐蝕條件下。結(jié)果見表5。
表5耐氣候試驗結(jié)果
在本發(fā)明的爐料E5407和E0545中未發(fā)現(xiàn)腐蝕，而在二個對比爐料T5405和T5406中在每個試樣的二個部位上發(fā)現(xiàn)腐蝕點。
如上所述，這樣強的脫氧劑和除硫劑如鈰的加入由于其反應產(chǎn)物保留在材料中影響磁性能。令人驚奇地，本發(fā)明爐料E5407和E0545顯示出的磁導率和矯頑磁場強度的磁性值在按照現(xiàn)有技術熔化的爐料的常規(guī)波動范圍中，如表6所示。
表6現(xiàn)有技術中的爐料(T)和本發(fā)明爐料(E)的磁性值，其在氫氣下以1080℃/4小時退火處理和在爐中冷卻至450℃之后、在1毫米厚的試樣上測定的。爐料的組成見表4。
第二個實施例是，觀察具有表7中給出的組成的現(xiàn)有技術中的二種爐料在初軋和熱軋時的性能。
這二種爐料的主要不同是稀土金屬的含量不同。
表7
稀土金屬總含量是0.054％的爐料T0626在熱成形時產(chǎn)生裂縫，并且之后軋錠變成廢料。這樣高的稀土金屬含量導致熱變形性惡化。相反，爐料T0624可軋制成坯錠和厚度是約4毫米的熱軋帶材。因為稀土金屬的化學性能類似，因此本發(fā)明中將稀土金屬鈰、鑭、鐠、釹的總量限定為最大0.05重量％，以避免熱加工成形問題。
表8表示根據(jù)DIN50602對現(xiàn)有技術(T)和本發(fā)明(E)中不同爐料的非金屬夾雜含量的試驗。
表8<
DIN50602，在線材形成SS中，硫化物夾雜的最大數(shù)值是小于或等于0.1或1.1，根據(jù)DIN50602，在熔化形式中，氧化物夾雜OA(氧化鋁)的最大數(shù)值是小于2.2或3.2或4.2，根據(jù)DIN50602，在線材形式中，氧化物夾雜OS(硅酸鹽)的最大數(shù)值是小于5.2或6.2或7.2，以及根據(jù)DIN50602，在球狀形式中，氧化物夾雜OG的最大數(shù)值是小于8.2或9.2。所有其它在表8中列舉的爐料均滿足非金屬夾雜的含量條件。
權利要求
1.軟磁鐵-鎳-合金，其具有35至65重量％的鎳和一種或多種稀土金屬鈰、鑭、鐠、釹以及由熔煉引入的夾雜，其中，稀土金屬的總量是0.003至0.05重量％。
2.權利要求1的軟磁合金，其特征在于，該合金包括最高0.05重量％的鈰。
3.權利要求1或2的軟磁合金，其特征在于，該合金包括作為脫氧和/或脫硫添加劑的、最高0.5重量％的錳、最高0.5重量％的硅和摻混物，摻混物為最高0.002重量％的鎂、最高0.002重量％的鈣、最高0.010重量％的鋁、最高0.004重量％的硫、最高0.004重量％的氧，以及熔化條件下其它的微量夾雜。
4.權利要求1至3之一的軟磁合金，其特征在于，以重量％表示時，稀土金屬的總含量至少是硫含量的4.4倍。
5.權利要求1至4之一的軟磁合金，其特征在于，合金包括至多為0.002重量％的硼。
6.一種熔煉權利要求1至5的軟磁鐵-鎳合金的方法，其特征在于，在敞開的電弧爐中熔化該合金，隨后通過鋼水包冶金術和/或VOD-處理，進行脫氧、脫硫和脫氣。
7.權利要求6的方法，其特征在于，在熔化的合金中調(diào)整如下參數(shù)-在線材中，硫化物夾雜的最大數(shù)值是小于0.1或1.1，-在熔化形式中，氧化物夾雜OA(氧化鋁)的最大數(shù)值是小于2.2或3.2或4.2-在線材中，氧化物夾雜OS(硅酸鹽)的最大數(shù)值是小于5.2或6.2或7.2，-在球狀形式中，氧化物夾雜OG的最大數(shù)值是小于8.2或9.2。
8.權利要求6或7的方法，其特征在于，在由該合金制備元件和在800至1150℃下退火之后，該元件獲得的矯頑磁場強度低于8A/m。
9.權利要求1至8之一的軟磁鐵-鎳合金的用途，其作為繼電器元件材料。
10.權利要求1至8之一的軟磁鐵-鎳合金的用途，其作為磁閥的閥帽和閥體的材料。
11.權利要求1至8之一的軟磁鐵-鎳合金的用途，其作為無功磁鐵和電磁鐵的軛鐵或極片或極靴或極用硅鋼片和銜鐵的材料。
12.權利要求1至8之一的軟磁鐵-鎳合金的用途，其作為步進電動機的線圈鐵心和定子以及電動機的轉(zhuǎn)子和定子的材料。
13.權利要求1至8之一的軟磁鐵-鎳合金的用途，其作為傳感器、定位發(fā)送器和定位接受器的模壓件和沖壓件的材料。
14.權利要求1至8之一的軟磁鐵-鎳合金的用途，其作為磁頭和磁頭屏蔽材料。
15.權利要求1至8之一的軟磁鐵-鎳合金的用途，其作為屏蔽材料。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種軟磁鐵－鎳－合金,其具有35至65重量%的鎳和一種或多種稀土金屬鈰、鑭、鐠、釹以及熔化條件下的夾雜,其中,稀土金屬的總量是0.003至0.05重量%。
文檔編號C22C19/03GK1275238SQ99801411
公開日2000年11月29日 申請日期1999年1月8日 優(yōu)先權日1998年1月30日
發(fā)明者H·哈頓多夫, A·科爾伯－泰利普斯 申請人:克魯普德國聯(lián)合金屬制造有限公司