含釩和鈦的鑄造鐵鉻鈷合金

李文軍，陳 義，劉 峰

（1.寧波盛事達磁業有限公司，浙江寧波 315470；2.江蘇維卡金屬合金材料有限公司，江蘇興化 225721）

引言

FeCrCo永磁合金是由Kaneko等[1]于20世紀70年代研制的一類可變形永磁材料，因其具有良好的可加工性和優異的磁性能，現被廣泛應用于儀器儀表、電機、傳感器等器件。但是從鐵鉻鈷永磁的研發伊始，為獲得良好的磁性能，鐵鉻鈷合金的制造普遍采用真空冶煉、鍛造、熱軋、冷軋帶材(冷拉絲)、機械加工等方法。鐵鉻鈷合金的真空冶煉、鍛造、熱軋、冷軋和加工過程中的軟化處理都需要用到冶金專用設備，功耗很高，加之鐵鉻鈷合金的加工難度比普通的鋼材和不銹鋼大，合金成材率只有60%～80%，這些因素導致鐵鉻鈷合金的加工成本達到材料成本的2～5倍。加工流程長，加工費用高，成材率低等缺陷制約了鐵鉻鈷合金的大量使用。這些加工方法適用于小產品的加工，但是對于產品單重較大，形狀簡單產品的生產就沒有優勢而言。

本試驗借鑒鑄造AlNiCo永磁合金的鑄造工藝，以2J85鐵鉻鈷合金(FeCr24Co12)為基礎，適當改變合金的成分并添加合金化元素V和Ti，研究鐵鉻鈷合金通過中頻感應爐熔煉并直接澆鑄成型方式下合金成分對鐵鉻鈷合金磁性能的影響。為了降低成本，本試驗盡可能使用金屬合金等低價原材料，體現鑄造鐵鉻鈷合金的優勢。

1 試驗方法

本試驗以工業純鐵、微碳鉻鐵、金屬鈷、釩鐵和金屬鈦為原材料，采用100 kg中頻感應爐在大氣中熔煉。合金在1580℃～1680℃形成鋼液時采用造渣脫氧工藝去除鋼水中的雜質，最后加入金屬釩鐵和金屬鈦。合金完全熔化后，鋼水澆鑄在石英砂制成的砂型中直接澆鑄成樣品，去除澆口后樣品通過修磨制成Φ10 mm×50 mm的試樣。試樣的熱處理工藝為：1100℃～1300℃固溶處理，水冷，然后在640℃～660℃進行等溫磁場熱處理，保溫時間為60 min～120 min，最后進行多級回火。熱處理后檢測試樣的磁性能，磁性能在ATM-3自動磁特性測試儀上測試。本試驗采取的主要工藝流程如圖1所示，使用的原材料的化學成分如表1所示。

圖1 主要工藝流程

表1 原材料的化學成分

2 結果與討論

2.1 V含量對合金磁性能的影響

V作為一種能和α-Fe無限溶解的元素[2]，其在Fe-Cr-Co合金中可以擴大α相區，降低固溶溫度。V的加入有利于提高合金的矯頑力，同時可以降低合金的固溶溫度[3]。圖2是通過試驗得出的Fe-Cr24Co12V0.5～3合金磁性能隨V含量的變化。從圖2可以看出，隨著V含量的增加，合金的剩磁呈下降趨勢，合金的矯頑力總體呈上升趨勢，但是V含量增加到2%后，合金的磁性能呈現明顯的下降趨勢。通過試驗得出，V含量在1%～2%左右時，合金的磁性能最佳。FeCr24Co12V0.5～3合金在最佳熱處理工藝處理時，獲得最佳的磁性能的V含量為1%，獲得的最佳磁性能為：Br=1.318 T；Hc=40.48 kA/m，(BH)max=40.32 kJ/m3。

圖2 FeCr24Co12V0.5～3合金磁性能隨V含量的變化

同時通過試驗發現，經過固溶處理的合金和未經過固溶處理的合金磁性能幾乎沒有區別。這主要是由于V的加入，合金的固溶處理溫度降低，固溶處理后的冷卻可以通過空冷來實現。加之通過砂型澆鑄的合金冷卻速度較快，在冷卻過程中，已經完成了固溶處理。

2.2 Ti含量對合金磁性能的影響

以FeCr24Co12V1合金為基礎，加入不同量的Ti，圖3是通過試驗得出的FeCr24Co12V1Ti0.5～3合金磁性能隨Ti含量的變化。從圖3可以看出，Ti的添加使合金的磁性能得到大幅度提升，這是其他合金化元素不能比擬的。主要原因是在大氣中冶煉時，鋼水中的N會對鐵鉻鈷合金的磁性能產生很大的影響，而Ti的加入使鋼水中的N和Ti結合形成TiN從而減少N對合金磁性能的影響[4]。隨著Ti含量的增加,合金的剩磁呈現先升后降的趨勢，合金的矯頑力呈明顯的上升趨勢，但是Ti含量增加到2%后合金的磁性能呈現明顯的下降趨勢。通過試驗得出，Ti含量在1%～2%左右時，合金的磁性能最佳。FeCr24Co12V1Ti0.5～3合金在最佳熱處理工藝處理時，獲得最佳的磁性能的Ti含量為1%，獲得的最佳磁性能為：Br=1.364 T；Hc=47.52 kA/m；(BH)max=46.75 kJ/m3。

圖3 FeCr24Co12V1Ti0.5～3合金磁性能隨Ti含量的變化

通過試驗同時發現，Ti的添加并沒有改變合金的固溶處理方式，即FeCr24Co12V1合金添加Ti后熱處理環節也不需要固溶處理。

2.3 Cr和Co含量對合金磁性能的影響

鐵鉻鈷合金中Cr和Co的含量對合金磁性能有很大的影響，合金中Cr和Co的含量變化對工藝和磁性起著重要的作用[5,6]。從節約成本和提高磁性能考慮，適當改變Cr和Co的含量，研究鑄造鐵鉻鈷合金中Cr和Co含量對合金磁性能的影響。

圖4是FeCr23～28Co12V1Ti1合金的磁性能隨Cr含量的變化。從圖4可以看出，隨著Cr含量的增加，合金的剩磁呈下降趨勢，矯頑力呈上升趨勢，但是Cr含量增加到27%后合金的磁能積呈現明顯的下降趨勢。綜合來看，Cr含量在24%～26%時，合金的磁性能最佳。FeCr23～28Co12V1Ti1合金在最佳熱處理工藝處理時，獲得最佳的磁性能的Cr含量為26%，獲得的最佳磁性能為：Br=1.328 T；Hc=49.84 kA/m；(BH)max=50.24 kJ/m3。

圖4 FeCr23～28Co12V1Ti1合金的磁性能隨Cr含量的變化

圖5是FeCr26Co9-14V1Ti1合金的磁性能隨Co含量的變化。從圖5可以看出，隨著Co含量的增加，合金的剩磁呈輕微的下降趨勢，合金的矯頑力呈上升趨勢，但是Co含量增加到13%后合金的磁能積呈現下降趨勢。綜合來看，Co含量在10%～12%時，合金的磁性能最佳。FeCr26Co9～14V1Ti1合金在最佳熱處理工藝處理時,獲得最佳的磁性能的Co含量為12%，獲得的最佳磁性能為：Br=1.342 T；Hc=49.10 kA/m；(BH)max=48.73 kJ/m3。

圖5 FeCr26Co9～14V1Ti1合金的磁性能隨Co含量的變化

從圖4，5以及得出最佳磁性能數據來看，采取中頻感應爐熔煉并直接澆鑄成型的方法得到的Fe-Cr26Co12V1Ti1合金的磁性能優異，完全達到2J85合金的磁性能標準，而且生產工藝簡單，加工成本低。

2.4 鑄造回料對合金磁性能的影響

采取中頻感應爐冶煉砂型鑄造工藝生產的產品，不可避免地會產生大量的澆道、廢品等返回料。返回料的回收利用有利于減低生產成本，最大化地提高經濟效益。返回料的使用比例與磁性能之間的關系如表2所示。

從表2可以看出，返回料比例在50%以下時對合金的磁性能的影響有限，但是利用全返回料生產，對合金的磁性能會產生較大的影響。采取砂型鑄造產生的返回料表面不可避免地會與砂型黏連而使返回料的表面殘留砂型中的樹脂等物質，這些殘留物的C含量較高，其他有害雜質也不少。返回料的加入對合金磁性能的影響主要原因是返回料中的有害雜質比較多，尤其是返回料的C含量比較高。從表2可以看出，隨著合金中有害雜質C含量的增加，合金的磁性能呈明顯的下降趨勢。所以鑄造鐵鉻鈷的返回料使用比例很大程度取決于返回料的清理工藝和清潔程度。

表2 返回料使用比例和磁性能之間的關系

3 結論

（1）鑄造鐵鉻鈷合金加入V后，提高了合金的矯頑力，改變了合金的固溶溫度和固溶處理的冷卻方式，合金可以不經過固溶處理。

（2）鑄造鐵鉻鈷合金加入Ti后，大幅度提高了合金的磁性能。

（3）鑄造鐵鉻鈷合金通過Cr、Co、V、Ti含量的合理配比，在大氣條件下熔煉完全可以得到磁性能優異的合金。

（4）鑄造鐵鉻鈷合金的返回料使用要注意返回料中的C含量對磁性能的影響。

（5）獲得的FeCr26Co12V1Ti1合金的最佳磁性能為：Br=1.328 T；Hc=49.84 kA/m；(BH)max=50.24 kJ/m3。