一种高剩磁特性的中碳低合金半硬磁钢及其制备方法、应用与流程

本发明属于半硬磁合金，特别涉及一种高剩磁特性的中碳低合金半硬磁钢及其制备方法、应用。

背景技术：

1、利用电磁转换直线运动式真空断路器操控机构具有零部件少，结构简单可靠、体积小且运动过程可控等优点，在电网输电配套真空断路电气设备和其他自动系统的同步驱动装置中应用广泛。半硬磁合金常用于双稳态真空断路操控机构铁芯的制作，其特点在于通过小功率励磁脉冲电流带动铁芯吸合，完成合闸动作，励磁后由于半硬磁合金的高剩磁特性保持合闸状态，在经过反向小功率电流使得铁芯退磁，从而在内置弹簧弹力的作用下完成开闸过程。

2、半硬磁合金制备的铁芯在服役过程中因反复多次使用，须具备优异的力学性能抵抗反复的吸合碰撞、具备高剩磁特性以保持吸合状态的稳定性、具备合适矫顽力一方面足以抵抗服役环境下外部磁场的干扰，但是过大矫顽力也会对驱动电气设备提出更高要求。国内常见的半硬磁合金主要有《gb/t 14988-2008磁滞合金》规定的fe-co-ni-v系，fe-co-v系，fe-co-mo系，fe-mn-ni-mo系半硬磁合金，其中矫顽力均远大于1000a/m且剩余磁感应强度要求均小于1.40t，难以满足实际需求。

3、因此，为了解决上述问题，本发明有必要提供一种高剩磁特性的中碳低合金半硬磁钢及其制备方法，本发明通过低合金化设计，降低制造成本同时提高了半硬磁钢的力学性能，并结合特定的热处理方式制得半硬磁钢。本发明制得的半硬磁钢具有优异的力学性能，在室温条件下，其屈服强度rp0.2大于800mpa，抗拉强度rm大于900mpa，伸长率a＞10％，同时兼顾优异磁性能，其中磁感应强度b8000大于1.70t，剩余磁感应强度br8000大于1.40t，以及合适的矫顽力hc8000为1100～1400a/m，填补了国内现有半硬磁合金这一性能空白。

技术实现思路

1、本发明的主要目的在于提供一种高剩磁特性的中碳低合金半硬磁钢及其制备方法、应用，以解决现有半硬磁合金难以同时兼具合适的矫顽力、高剩余磁感应强度和高力学性能的问题。

2、为了实现上述目的，本发明提供了一种高剩磁特性的中碳低合金半硬磁钢，按照质量百分比计，包括以下化学成分：mn:0.3％～1.5％，cr:0.5％～1.0％，mo:0.1％～0.3％，ni:0.5％～2.0％，c:0.25％～0.60％，si:0.20％～0.50％，p:＜0.010％，s:＜0.010％，o:＜0.0015％，n:＜0.008％，余量为fe和不可避免的杂质。

3、进一步地，所述中碳低合金半硬磁钢在室温下具备如下磁性能和力学性能组合：室温b8000大于1.7t，br8000大于1.4t，剩磁比大于0.8，矫顽力hc8000为1100～1400a/m，屈服强度rp0.2大于800mpa，抗拉强度rm大于900mpa，伸长率a＞10％。

4、本发明的另一方面，提供了一种高剩磁特性的中碳低合金半硬磁钢的制备方法，包括以下步骤：

5、将配方量的半硬磁钢原料进行转炉、电炉或真空感应炉冶炼；

6、将冶炼后的物料进行炉外精炼，精炼后连铸或模铸制得铸坯；

7、将铸坯经开坯后进行锻造，再经空冷处理；

8、将空冷后的锻料进行热处理，即获得所述高剩磁特性的中碳低合金半硬磁钢。

9、进一步地，所述热处理包括：将锻料先在在淬火介质中淬火获得马氏体组织，再进行回火处理，获得为回火托氏体组织的所述高剩磁特性的中碳低合金半硬磁钢。

10、进一步地，所述淬火的温度为750～900℃，加热保温的时间为30～300min。

11、进一步地，所述回火处理的温度为300～600℃，加热保温时间为30～300min。

12、进一步地，所述淬火介质为水、水雾或油中的一种或几种；所述回火处理中回火后进行空冷。

13、本发明的另一方面，还提供了一种上述的高剩磁特性的中碳低合金半硬磁钢在磁控机构铁芯用材料中的应用。

14、本发明各元素的作用及配比依据如下：

15、碳：最主要的强化元素之一，过高会引起半硬磁钢的塑性和韧性显著降低，高碳脆化效果不利于半硬磁钢反复吸合碰撞过程的抗冲击性。过低则缺少碳原子带来的固溶强化和析出强化效果，硬度、刚度下降将导致吸合碰撞过程材料易发生形变从而材料失效。因此，本发明控制c含量为0.25～0.60％。

16、铬：本发明钢中添加适当的cr不仅能够显著提高钢的淬透性，还能改善组织的均匀性，提高钢的抗氧化性和耐蚀性，铬的碳化物会提高钢的矫顽力。但过量的cr易形成cr7c3等碳化物，降低钢的塑、韧性。因此，本发明控制cr含量为0.5％～1.0％。

17、锰：是钢中主要的脱氧元素之一，通过固溶强化作用提高钢的强度，显著提高钢的淬透性，降低半硬磁钢淬火开裂、变形，mn过高不利于半硬磁钢磁性能。因此，本发明控制mn含量为0.3％～1.5％。

18、钼：提高钢的回火稳定性，mo与cr、mn并存时，抑制cr、mn导致的回火脆性。因此，本发明控制mo含量为mo:0.1％～0.3％。

19、镍：提高钢的硬化性能，降低钢中各元素的扩散速度，提高淬透性，是提高钢材韧性最有效的合金元素，综合合金成本及其与其他合金元素在强韧性、淬透性方面协同，同时ni可以优化磁性能稳定性。因此，本发明控制ni的含量为：ni:0.5％～2.0％。

20、硅：固溶强化作用显著，但是同时会损害韧性，起到脱氧作用，减小磁阻和晶体各向异性。因此，本发明控制si的含量为：si:0.20％～0.50％。

21、氮：常与nb、v、ti等微合金化元素形成第二相粒子强化基体，本文不涉及微合金化元素添加。因此，n元素控制范围为n:＜0.008％。

22、磷：本发明钢将p作为杂质元素控制，含量为p＜0.010％。

23、硫：本发明钢将s作为杂质元素控制，含量为s＜0.010％。

24、氧：已形成夹杂，本发明将o作为杂质元素控制，含量为o＜0.015％。

25、与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

26、本发明提供一种高剩磁特性的中碳低合金半硬磁钢及其制备方法，在化学成分上，采用中碳、总合金元素含量质量百分数低于5％的低合金化设计，价格低廉。

27、本发明中碳低合金半硬磁钢在适当热处理后可获得回火托氏体组织，兼备磁控机构用铁芯服役状态所需优异的力学性能和剩磁性能，较常见fe-co-ni-v系，fe-co-v系，fe-co-mo系，fe-mn-ni-mo系半硬磁合金，具有更优异的抗冲击力学性能和更高剩磁特性，其中本发明钢的剩余磁感应强度br8000＞1.40t。

28、本发明中碳低合金半硬磁钢的钢矫顽力较常见半硬磁合金更低，矫顽力hc8000为1100～1400a/m，可通过小功率脉冲电流励磁下完成饱和磁化过程和退磁过程，响应速度快。对操控电气设备要求更友好，在其他自动化控制系统领域亦具有推广潜力。