简介概要

热处理对高矫顽力型FeCrCo合金性能的影响

来源期刊：稀有金属2003年第5期

论文作者：金瑞湘陈敏勤李腾李卫

关键词：磁场热处理; 分级回火; FeCrCo系合金;

摘要：讨论了一种高矫顽力型FeCrCo合金. 合金的成分与常见的FeCrCo相比有较大调整, Cr, Co的含量较高, 加入了Mo, Zr等微量元素, 它的矫顽力值可达72～80 kA*m-1, 有利于扩大其应用范围. 实验从合金的热处理工艺入手, 即传统的3步热处理: 高温固溶处理、磁场等温处理、分级回火处理, 通过不同的实验条件下合金的性能变化情况阐明合金实用的处理工艺.

稀有金属 2003,(05),558-560 DOI:10.13373/j.cnki.cjrm.2003.05.011

热处理对高矫顽力型FeCrCo合金性能的影响

陈敏勤金瑞湘李卫

钢铁研究总院功能材料研究所,钢铁研究总院功能材料研究所,钢铁研究总院功能材料研究所,钢铁研究总院功能材料研究所北京100081 ,北京100081 ,北京100081 ,北京100081

摘要：

讨论了一种高矫顽力型FeCrCo合金。合金的成分与常见的FeCrCo相比有较大调整 , Cr, Co的含量较高 , 加入了Mo , Zr等微量元素 , 它的矫顽力值可达 72～ 80kA·m- 1 , 有利于扩大其应用范围。实验从合金的热处理工艺入手 , 即传统的 3步热处理 :高温固溶处理、磁场等温处理、分级回火处理 , 通过不同的实验条件下合金的性能变化情况阐明合金实用的处理工艺。

关键词：

磁场热处理;分级回火;FeCrCo系合金;

中图分类号： TM273

收稿日期：2002-12-01

Effect of Heat Treatment on Magnetic Property of High-Coercivity FeCrCo Magnet

Abstract：

The effect of heat treatment technique on coercivity of FeCrCo based alloy was investigated. The three related traditional technologies are employed, i.e., high temperature solid solution, thermomagnetic heat treatment, and step tempering treatment. The practical technique is found by testing the properties in different heat treatments.

Keyword：

thermomagnetic treatment; step tempering;

Received： 2002-12-01

FeCrCo系合金是一类具有特殊用途的永磁材料, 它的最大特点是具有可加工性 ^[1] , 可以拉、拔、轧、锻、弯, 这是其他永磁材料所无法相比的, 合金的耐氢性也很好。正因为如此, FeCrCo系永磁合金受到了人们的高度关注。

然而FeCrCo系合金的磁性能在磁性材料中是比较低的一种, 常见的FeCrCo合金的磁性能为: B_r=1~1.3 T, H_c=40~48 kA·m^-1, (BH) _max=32~40 kJ·m^-3 ^[1] 。可以看出, 合金的B_r值与其他高性能的永磁材料相比差距并不大, 而H_c和 (BH) _max值与高矫顽力型的永磁材料NdFeB, SmCo等相比有很大差距, 提高FeCrCo合金的H_c值对该合金的发展具有重要意义。

1 合金的制备及实验方法

合金的设计成分为30%~35%Cr, 20%~25%Co, 余Fe以及少量的Mo和Zr ^[2] , 采用真空感应炉冶炼, 并浇铸成型。 FeCrCo合金的热处理工艺一般为高温固溶后快淬, 然后再进行磁场等温处理, 最后进行分级回火处理, 如图1所示。实验时, 将合金分别在1100~1250 ℃保温20 min, 随后在冰盐水中淬火, 形成过饱和的固溶体。磁场热处理的温度选取在630~660 ℃的范围内, 磁场强度的大小分别为240, 400, 560, 720 kA·m^-1, 处理时间0.5~2 h。分级回火处理工艺为620 ℃, 0.5 h+600 ℃, 1 h+580 ℃, 2 h+560 ℃, 2 h+540 ℃, 4 h。样品性能在X-Y函数记录仪上测试。样品尺寸为Φ8 mm×8 mm。

2 结果及讨论

2.1 高温固溶处理

FeCrCo合金在发展初期, 固溶温度都在1300 ℃左右, 随着研究的深入, 发现加入一些元素可以将固溶温度降至1100 ℃, 例如Mo, Ti等。由于非磁性的γ相在缓慢冷却过程中很容易出现, 它将使磁体性能降低 ^[3] , 因此合金在固溶后需要以极快的速度冷却, 常用的方法是用冰盐水淬火。 Zr元素是抑制γ相能力最强的元素, 可把γ相区的范围缩到最小。鉴于此, 在合金中加入了少量的Mo和Zr。为了说明冷却速度对合金性能的影响, 将合金在1150 ℃固溶20 min后, 用不同的速度将其冷

图1 热处理工艺示意图 Fig.1 Heat treatment technique

却, 即分别将合金冰盐水淬、室温水淬、炉管淬、空气淬, 然后将其磁场热处理和分级回火, 磁性能如表1所示。

可以看出在空气中冷却的合金B_r值明显低于其他合金, 说明合金的冷却速度不够, 在冷却过程中生成了非磁性相; 炉管水淬的合金B_r值也略低, 说明合金由于没有直接与水接触而通过炉管逐渐地降温, 冷却速度仍然不够; 冰盐水淬和室温水淬的结果很相近, 均达到了较好的磁性能, 说明合金中加入Zr元素后, γ相已被相当抑制, 转变速度放慢, 室温水淬就可达到好的效果。图2是合金在不同温度固溶处理后的性能变化情况, 可以看出除1100 ℃固溶处理剩磁性能较差以外, 从1150~1250 ℃合金的剩磁基本保持不变, 这是加入Mo的作用 ^[4] 。

2.2 磁场热处理

磁场热处理是FeCrCo合金处理工艺中的重要环节。所谓磁场热处理, 就是将合金在磁场下等温处理, 发生Spinodal分解, 形成α₁+α₂两相的调幅结构。在外磁场的作用下, 富FeCo的铁磁性α₁相粒子沿外磁场方向析出并一致排列, 富Cr的α₂相的居里温度尚在室温以上 ^[5] 。每种FeCrCo合金都有一个最佳处理温度, 合金在630~660 ℃的范围内作处理后, 所得性能如图3所示。可以看出合金在640~650 ℃之间取得最佳性能, 630和660 ℃

表1 淬火速度对合金性能的影响Table 1Influence of quenching speed on magnetic properties of alloy

参数	冰盐水淬	室温水淬	炉管淬	空气淬
B_r/T	0.89	0.92	0.75	0.26
H_C/ (kA·m^-1)	82	83	86	82

图2 剩磁随固溶温度的变化 Fig.2 Varity of Br caused by solution annea

图3 矫顽力随磁场热处理温度的变化 Fig.3 Varity of Hc caused by thermomagnetic treatment

时的H_c值已经明显下降, 合金对温度的敏感性由此可以看出。合金在热处理时磁场的大小对合金性能的影响不显著, 在240~720 kA·m^-1的范围内磁性能变化不大, 说明磁场只要达到一定的强度即可, 磁场的逐步增强并不能使合金的性能不断提高。此外, 磁场热处理的时间长短对性能的也影响不显著, 从20 min到2 h所得结果基本相同。综上所述, 磁场热处理的关键在于处理温度的选取。

2.3 分级回火

合金在磁场热处理后如果不经过回火, 不可能得到好的磁性能, 合金的矫顽力将会极低。因为合金在640~650 ℃磁场热处理后, 两相成分差不够大。为了获得高性能, 磁场处理后必须进行时效处理, 并且单级时效处理不如多级时效处理效果好。处理时, 相邻两级时效温度差不宜过大, 一般不超过20 ℃。两相结构α₁+α₂通过原子负扩散而进一步发展完善, 使得弱磁性的α₂相的居里点降低到室温以下, 从而使强磁性的α₁相的单畴特性得以充分发挥, 达到好的永磁性能 ^[6] , 如图4所示。

图4 分级回火前后两相成份差异 Fig.4 Difference of the compositions of two phases between before and after step-tempering

3 结论

通过以上的实验我们看出, 该合金在合适的处理工艺下矫顽力可达70~84 kA·m^-1, 明显高于普通FeCrCo合金40~48 kA·m^-1的水平, 有利于扩大其应用范围。同时B_r值下降不多, (BH) _max值基本保持在32 kJ·m^-3左右。然而, 固溶处理后的快淬和磁场热处理时的温度敏感性是处理过程中较难掌握的环节, 它们对合金的最终性能有决定性影响。