LNGT88J永磁合金工艺研究.docx

LNGT88J永磁合金工艺研究
鄂志英 于玉林
（北京北冶功能材料有限公司，北京100085）
摘 要 介绍了LNGT88J合金的冶炼工艺、添加元素及反应时间对柱晶生长及磁性能的影响。圆形样品经过最佳磁场等温处理及分级回火后磁性能达到：Br=1 117 mT；Hc=137 kA/m；(BH)max=101 kJ/m3。
关健词 LNGT88J，柱晶，磁性能
The Research on the Technics of LNGT88J Permanent Magnetic Alloy
E Zhiying, YU Yulin
（Beijing Beiye Functional Materials Limited Company，Beijing 100192）
ABSTRACT This paper introduces the effect of meltng trchnics，add reaction time on the growth of columnar crystal and magnetic properties of LNGT88J permanent magnetic..alloy..The magnetic properties of cylinder samples after optimum isothermal heat treatment in magnetic field as well as step-tempering can reach: Br=1 117 mT, Hc=137 kA/m ,(BH)max=101 kJ/m3.
KEY WORDS LNGT88J，columnar-crystal，magnetic properties
前言
铸造柱晶AlNiCo合金已广泛的应用于通信、电子及各种仪器仪表工业中。随着我国科学技术事业的不断发展和现代化先进技术、设备的大量使用，对铸造AlNiCo合金提出了向高矫顽力，高磁能化方向发展的要求。其指标如下：
Br≥1 100 mT、Hc≥128 kA/m、(BH)max≥88 kJ/m3。本文重点研究冶炼工艺、添加元素S和C对高钴、高钛合金柱晶形成及对磁性能的影响。
1 实验方法
将特定化学成分的合金料经60 kW高频感应炉熔炼完毕后，钢液立即注入定向模中，进行定向结晶。合金试样经加工、热处理后，精加工成Ф10±0.05×60±0.1的试样，用NIM2000F永磁性能标准检测系统，测试永磁性能参数。
2 实验结果与讨论
2.1 合金基本成分的确定
经过实验，确定一种含Nb成分的合金供研究，化学成分如表1所示:
表1 合金的配入化学成分（质量分数，%）
Table 1 Chemicl compositionsof LNGT88J alloy（mass fraction。%）
Al
Ni
Co
Cu
Ti
Nb
S
C
Si-Cu
Fe
6.0/8.0
13.0/15.0
37/40
3.0
6/8
1.0
0.2/0.4
≤0.1
0.3
余

经过初步研究合金获得了如表2所示的磁性能。
表2 合金的磁性能
Table 2 Magnetic properties of LNGT88J alloy
Br（mT）
Hc（kA/m）
(BH)max(kJ/m3)

11.13
134.48
99.53
2.2 添加元素对合金柱晶的影响
冶炼工艺过程中添加微量元素的顺序、时机（温度）及反应时间、加Al后的搅拌时间及出钢温度,其他辅助措施的应用及操作等都会对柱晶的形成与发展产生一定的影响。改变<1>其中一个因素也可能被其他变化着的因素的影响所掩盖。因此必须制定科学合理可控制的冶炼工艺才能获得发达的柱晶。
镰田、安保<2>对含量为5～9%Ti的AlNiCo系合金S和C复合加入对柱晶生长的影响进行了研究，并获取了良好的柱晶。另据报导<3>，Nb有促进柱晶生长，增大晶粒尺寸的作用，因而对提高合金磁性能是有利的。采用复合加入法,在加Al前向合金中加入SC=0.4%～0.5%，上述成分的合金柱晶长度长到了80 mm以上。
2.3 冶炼工艺对柱晶生长的影响
冶炼炉采用60 kW高频感应炉进行。Co，Fe，Ni，Cu混装入炉，以最大功率快速熔化炉料，炉料熔清后升温至1 650 ℃时加入FeS（FeS中含31%S，0.25%C）。升温至约1 700 ℃时同时加入Si-Ca粉和C粉。反应0～60 s后加入Ti，Nb，Al并快速搅拌均匀，立即把钢水注入放在铜质水冷结晶器上的定向砂模中(定向模模温大于等于1 400 ℃，结晶器内水压1 MPa)。快速盖上已加热到1 100 ℃以上的保温帽，并向定向模盖上加入500 g～1 000 g左右的钛白粉-铝粉混合而成的高温发热剂。30 min～40 min后从铜质水冷结晶器上取下定向砂模。产品冷却到室温后，观察柱晶生长情况。

图一 柱晶图片
Fig。1 The picture of columnar crystal
2.3.1 S加入时机对柱晶成长的影响
S以FeS的形式加入。FeS在炉料熔清后或在加入Al前加入对柱晶生长的影响不十分明显。
2.3.2 C粉、Si-Ca粉混合加入时反应时间对柱晶生长的影响
C粉、Si-Ca粉在加Al前混合加入，在钢液中的反应时间对柱晶形成及发展影响十分显著。反应时间在0≤X≤60 s内时所获得的柱晶最好。柱晶长得不但直而粗大，且柱晶长度可达到100 mm以上。
2.3.3 出钢前加料顺序及搅拌时间对柱晶生长的影响
出钢前加Ti、Nb、Al的顺序及搅拌时间对柱晶生长质量都有十分明显的影响。出钢前加入Ti、Nb、Al的顺序，应以尽量减少合金元素的烧损为准则。搅拌时间应尽量短，否则Al、Ti等元素烧损严重仍得不到良好的柱晶。
2.3.4 出钢温度对柱晶生长的影响
出钢温度对柱晶的影响是显著的。温度低于1 650 ℃时得不到直而粗大的柱晶，温度高于1 800 ℃时或搅拌时间过长，Al、Ti等元素将严重烧损，得不到良好的柱晶且样品断面已成暗灰色。
经过较长时间的研究与对比实验我们发现，含铌高钴、高钛合金要想获得直而发达的柱晶至少有下列五个因素是不可忽视的：
(a)定向模的烧结温度必须控制在1 400 ℃附近。模温过低得不到直而粗大的柱晶。模温过高易产生砂模软化变形；
(b)保温帽加热温度应控制在大于1 100 ℃；
(c)所添加的微量元素Si-Ca粉、C粉的加入时机(温度)及反应时间必须严格控制；
(d)最后加入Ti，Nb，Al的顺序、搅拌时间及出钢温度，三个因素都必须严格控制；
(e)所加入的高温发热剂的发热能力与发热剂的配比有关，建议使用钛白粉:铝粉=8:2,另加入0.1%～0.3%的硝酸钠。
2.4 添加元素对永磁性能的影响
2.4.1 合金中 S和C残余含量及烧损量对合金磁性的影响
合金在冶炼过程中复合加入S和C，比S单独加入具有更低的N2，O2含量，更关键的是S、C复合加入钢液中，S促使TiCN，TiC夹杂物在保持时间内分解或达不到影响柱晶成长的量，并形成低熔点TiS夹杂，因而对柱晶的形成与发展起着十分重要作用。
(1) 从图二不难看出，矫顽力随残余S含量的提高而呈下降趋势，剩磁和最大磁能积随残余S含量的提高而增加，大约残余S含量在0.12%～0.16%之间达到最大值，随后呈下降趋势。
(2) 从图三可以看出矫顽力随残余C含量的提高而呈下降趋势，剩磁和最大磁能积随残余C含量的提高而增加，大约残余C含量在0.02%～0.03%范围内达到最大值，随后呈下降趋势。
严究结果表明，微量元素S和C烧损量分别在大于等于50%以上时，高钴、高钛合金可获得直而粗大的柱晶及最佳的综合永磁性能，其磁性指标可达到Br≥1 100 mT、Hc≥128 kA/m、(BH)max≥88 kJ/m3,如表3和表4所示：

表3 S烧损量对合金磁性的影响
Table 3 Effect of S reduction on magnetic properties
序 号
配入量%
分析量%
烧损量%
Br(mT)
Hc(KA/m)
(BH)max(KJ/m3)
1
0.37
0.10
72.98
1117.00
137.52
99.51
2
0.37
0.11
70.28
1100.50
136.80
101.64
3
0.37
0.12
67.57
1106.00
134.48
99.77
4
0.37
0.14
62.17
1112.00
133.56
101.53
5
0.37
0.15
59.46
1118.00
133.01
100.78
6
0.37
0.16
56.76
1118.67
132.93
100.80
7
0.37
0.18
51.36
1098.25
134.50
94.02
8
0.37
0.22

40.55
1099.00
133.96
92.39

表4 C烧损量对合金磁性的影响
Table 4 Effect of C rductionon magnetic properties
序 号
配入量%
分析量%
烧损量%
Br(mT)
Hc(KA/m)
(BH)max(KJ/m3)
1
0.06
0.01
83.34
1115.00
134.52
98.14
2
0.06
0.02
66.67
1112.50
133.60
98.80
3
0.06
0.03
50.00
1115.80
133.25
101.36
4
0.06
0.04
33.34
1096.70
132.16
95.52

2.4.2 合金中S+C残余总量对合金磁性能的影响
作者在0.01%～0.04% C,0.1%～0.22% S之间对合金中S+C残余总量对合金磁性能的影响进行了研究。
如图四所示，剩磁和最大磁能积随S+C残余总量的提高而增加，而矫顽力在128 kA～136 kA/m范围内波动。大约S+C残余总量在0.15%～0.20%范围内，剩磁和最大磁能积达到最大值，随后呈下降的趋势。
2.4.3 Nb含量对磁性的影响
如图五所示，最大磁能积及矫顽力随Nb含量的提高而增加，当Nb大于0.7%时矫顽力达到128 kA/m以上。而剩磁随Nb含量的提高呈缓慢下降的趋势。
研究中发现，合金中Fe+Co总含量、Co/Al+Ti比值、Al+Ti总含量、S+C残余总量都对合金柱晶及磁性能有着明显影响。各元素综合作用对合金磁性的影响如表5所示。

表5 合金各元素综合作用对合金磁性的影响
Table 5 Effect of alloy elements on magnetic properties
样品号
Ni
Cu
Nb
S+C
Fe+Co
Co/Al+Ti
Al+Ti
Br(mT)
Hc(KA/m)
(BH)max
(KJ/m3)
EYJ-4
12.8
3.04
1.10
0.14
69.86
2.85
12.91
1104
134
100
EYJ-5
12.7
3.02
1.12
0.17
69.50
2.86
12.96
1128
128
99.4
EYJ-6
12.7
2.93
1.04
0.17
69.93
2.84
12.93
1124
130
101
EYJ-10
12.7
3.05
1.10
0.18
69.39
2.78
13.24
1139
129
104
EYJ-12
12.7
3.03
1.06
0.18
70.08
2.92
12.65
1127
132
103
EYJ-15
12.6
3.02
1.12
0.17
69.79
2.85
13.01
1101
135
100
EYJ-16
12.7
3.04
1.11
0.14
70.13
2.93
12.58
1111
133
100
3 结论
(1)采用S、C复合加入法，在加入S+C=0.3%～0.5%时，在加Al前加入合金中，在特定条件下可以获得良好的柱晶。
(2)S以FeS的形式，在炉料熔清后或在加入Al前加入对柱晶生长的影响不十分明显。
(3)C粉、Si-Cu粉混合加入时，在钢液中的反应时间在X秒时（0≤X≤60）所获得的柱晶最好。
(4)出钢前加入Ti、Nb、Al的顺序、搅拌时间、出钢温度对柱晶生长都有明显的影响。
(5)S和C烧损量分别达到50%以上，残余含量分别在0.1%～0.16% S，0.02%～0.03% C和S+C残余总量0.16%～0.20%时可获得最佳的综合永磁性能。
(6)Nb对高Co、高Ti合金磁性能的影响是明显的，Nb有促进柱晶成长的作用和促进晶粒粗大化的作用。
(7)含Nb高钴和高钛ALNiCo柱晶合金的磁性能指标可保持在Br=
1 100～1 140 mT；Hc=128 kA～136 kA/m；(BH)max=88 kJ/m3～103 kJ/m3范围内。
参考文献
[1]冶炼工艺对AlNiCo系合金柱晶的影响.冶金系统第一届精密合金生产工艺经验交流会资料汇编.北京冶金试验厂, 195
[2]镰田. 高保磁力含Tiァルニユ磁石合金の柱晶化にぉよぽす，S.C の复合添加の影响ならびに二、三合金の磁性.保安《日本金属学会志》，1967，30(9)：1053-1057
[3]史凤志. Nb对AlNiCo合金的影响.北冶研试通讯， 1974,2(4):243-250

作者：鄂志英 于玉林 62949547