高强度铸造铝镍钴永磁合金及其制备工艺
技术领域
本发明涉及一种铸造铝镍钴永磁合金及其制备工艺，特别涉及一种高强度铸造铝镍钴永磁合金及其制备工艺。
背景技术
AX型继电器属于铁路信号继电器，主要用于铁路信号电路或其它控制电路中，是铁路信号设备主要器件之一。采用铸造铝镍钴永磁合金制备的各类磁钢是AX型继电器中的一个关键件。各类磁钢在AX型继电器中，除满足本身的磁特性以确保AX型继电器动作的可靠、准确外，还要满足作为结构件的相关机械性能，进而确保产品质量可靠，并满足对产品使用寿命的要求。
铝镍钴永磁合金是一种重要的永磁材料，具有很高的永磁性能和良好的稳定性，在电力、仪表、电子工业、医疗设备及雷达通讯等行业中获得了广泛的应用。影响铝镍钴永磁合金磁特性的主要因素是组成铝镍钴永磁合金的化学成分。从1931年日本三岛德七发明Alnico系永磁合金以来，对铝镍钴永磁合金的研究已经取得了巨大的成就。目前，铝镍钴永磁合金按成分和性能划分，包括三大类，即：高剩磁铝镍钴永磁合金、高磁能铝镍钴永磁合金及高矫顽力铝镍钴永磁合金。用于制备上述AX型继电器中磁钢的铝镍钴永磁合金主要是高剩磁铝镍钴永磁合金。
根据不同AX型继电器产品中对磁钢磁特性的不同要求，结合JB/T 8146《铝镍钴永磁(硬磁)合金技术条件》和GB/T 17951《硬磁材料一般技术条件》标准，可制备不同配方的铝镍钴永磁合金。
然而，组成铝镍钴永磁合金的化学成分中，许多合金元素的含量除了影响磁钢的磁特性外，对磁钢的铸造性能、机械性能也有很大影响；并且铸造成型的铸造铝镍钴永磁合金其机械性能本身不够好，属于硬而脆的材料；因此，对用于制备上述AX型继电器中磁钢的铸造铝镍钴永磁合金，在满足磁特性的要求下，如何提高其机械性能，并使其满足一定的强度要求，是一个亟需解决的问题。例如，图1、图2及图3所示的这种永久磁钢零件，其在AX型继电器中是起着连接作用的结构件，因而对该永久磁钢零件的强度提出了一定的要求，要求其在正常使用过程中不能发生断裂现象，且对交验的零件，除探伤检验外，还需进行振动检验。现有该永久磁钢零件的成品率在35％-40％左右，由于该零件的结构已定型，不能随意更改，因此，如何在满足其磁特性要求的前提下，提高该永久磁钢零件的机械性能和强度，进而提高其产品的成品率，降低产品制造成本，是一个亟需解决的问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种高强度铸造铝镍钴永磁合金及其制备工艺，以解决现有铸造铝镍钴永磁合金用于制备起连接作用的结构件时，其机械性能和强度不能满足使用要求，影响产品的成品率，进而使产品成本增加的技术问题。
本发明所采用的技术方案是，一种高强度铸造铝镍钴永磁合金，其特殊之处在于，按质量百分比配比为：
进一步地，为了使该铸造铝镍钴永磁合金的机械性能和强度更优，按质量百分比配比为：
本发明还提供了一种上述高强度铸造铝镍钴永磁合金的制备工艺，其特殊之处在于，包括以下步骤：
步骤1：依据待加工零件的形状，制作砂壳；
步骤2：对砂壳进行合型；
步骤3：将铝、镍、钴、铜、海绵钛、硫化亚铁以及铁按所述质量百分比进行配制，制得配料；
步骤4：将步骤3制得的配料进行熔化，将熔化后的配料浇注到步骤2合型后的砂壳中，制得铸件；
步骤5：对步骤4制得的铸件进行清理，获得表面干净的铸件；
步骤6：对步骤5清理后的表面干净的铸件进行预充磁检验；合格，执行下述步骤7；不合格，返回步骤4，将废品与步骤3制得的配料一起进行熔化；
步骤7：对铸件进行热处理；
步骤8：对热处理后的铸件进行退磁处理；
步骤9：对退磁处理后的铸件进行机加工，制成形状尺寸满足待加工零件设计要求的零件半成品；
步骤10：给零件半成品涂漆；
步骤11：对步骤10涂漆后的零件半成品进行充磁稳磁，获得零件成品；
步骤12：对步骤11获得的零件成品进行检验；合格，则零件制备完成，获得合格零件成品；不合格，返回步骤4，将废品与步骤3制得的配料一起进行熔化。
进一步地，为了尽早发现不合格品，以免造成后续资源浪费，步骤2中，所述对砂壳进行合型之前，还包括对步骤1制作的砂壳进行检验的步骤；检验合格，对砂壳进行合型；检验不合格，则返回步骤1，重新制作砂壳；
步骤10中，所述给零件半成品涂漆之前，还包括对步骤9制成的零件半成品依次进行机加检验、探伤的步骤；对于机加检验合格且探伤合格的零件半成品，给零件半成品涂漆；对于机加检验不合格的以及机加检验合格，之后探伤不合格的零件半成品中的废品，均返回步骤4，将废品与步骤3制得的配料一起进行熔化。
进一步地，为了提高铸件的外观质量，所述步骤1中，依据待加工零件的形状，采用射芯机，使用覆膜砂工艺，制作砂壳。
进一步地，为了实现快速熔炼，减少元素氧化烧损及吸气，步骤3中，配制所述配料时，海绵钛和硫化亚铁原材料每块重量不大于20克，其它原材料每块重量不大于100克，且原材料板材厚度为3-5毫米；
所述步骤4中，采用中频炉将步骤3制得的配料进行熔化。
进一步地，为了提高铸件表面质量，减少氧化夹渣缺陷，对所述步骤3配制配料的原材料、所述步骤6中预充磁检验后的废品以及所述步骤12中零件成品检验后的废品，在熔化前，用履带式抛丸机清除油污及氧化物。
进一步地，为了确保最终制得的零件成品中各元素含量的准确，进而使其磁特性、机械性能以及强度更优的满足设计要求，所述步骤6中预充磁检验后的废品以及所述步骤12中零件成品检验后的废品，在返回步骤4，将废品与步骤3制得的配料一起进行熔化之前，需对铝、镍以及钴进行补损，其补损量分别按下式(1)计算：
补损量＝废品总重量×占合金的质量百分比×补损百分比(1)；
(1)式中：铝的补损百分比为5％～10％；镍的补损百分比为0.5％～1％；钴的补损百分比为0.5％～1％。
进一步地，为了减少熔炼时的氧化烧损，获得高质量的铸件，步骤6中所述将废品与步骤3制得的配料一起进行熔化时以及步骤12中所述将废品与步骤3制得的配料一起进行熔化时，其加料顺序及工艺过程为：先将所述废品加入中频炉中；然后将铁加入中频炉中；待所述废品和铁全部熔化后，再加入镍和钴熔炼，熔炼时不停搅拌，待炉料全部熔化并升温至1550℃～1580℃时，再搅拌5～10次后除渣；最后，加入铜、硫化亚铁、海绵钛以及铝并继续升温达到1620℃～1650℃时出炉浇注，并且在2分钟内浇注完毕。先将废品加入中频炉中，然后将铁加入中频炉中，待废品和铁全部熔化后，再加入镍和钴熔炼，熔炼时不停搅拌，是为了防止“造桥”发生。
进一步地，步骤4中，所述浇注时，浇包烘干，浇注液流连续且平稳，浇注过程中进行挡渣；浇注完成后再保持30分钟后，立即打开砂壳，去除周边覆膜砂使铸件空冷；
步骤7中，所述热处理包括固溶处理、热磁处理及回火。
浇注时，浇注液流连续，是为了防止形成冷隔，影响磁特性；浇注过程中进行挡渣，是为了防止溶渣及其它夹杂物进入型腔，影响磁钢的内部质量；而优良的热处理能使磁特性得到充分发挥。
本发明的有益效果是：
(1)本发明的高强度铸造铝镍钴永磁合金，浇注成型后，其内部断面可见晶粒由原来的3X3左右的晶粒细化为0.1X0.1左右，断面无非金属夹杂物，机械性能和强度得到了很大提高；加工背景技术中提及的永久磁钢零件后，该永久磁钢零件的成品率提升到75％左右，使产品成本降低，且其磁特性未发生变化，满足设计要求；因此，本发明解决了现有铸造铝镍钴永磁合金用于制备起连接作用的结构件时，其机械性能和强度不能满足使用要求，影响产品的成品率，进而使产品成本增加的技术问题。
(2)本发明的高强度铸造铝镍钴永磁合金，其剩磁Br≥850(8500)mT(G)，矫顽力Hcb≥55(700)KA/m(Oe)，最大磁能积(BH)max≥20(2.2×106)KJ/m3(MG Oe)，满足磁特性要求的前提下，其机械性能和强度得到了很大提高。
附图说明
图1是背景技术中永久磁钢零件的主视图；
图2是图1的俯视图；
图3是图1的左视图；
图4是本发明的高强度铸造铝镍钴永磁合金的制备工艺实施例的流程图；
图5是采用原有配方和采用本发明配方制备的铸造铝镍钴永磁合金断面的比对示意图，其中位于左边的两块为采用原有配方制备，最右边的一块为采用本发明配方制备。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
本发明一种高强度铸造铝镍钴永磁合金，按质量百分比配比为：
为了使该铸造铝镍钴永磁合金的机械性能和强度更优，本实施例的高强度铸造铝镍钴永磁合金，优选地按质量百分比配比为：
参见图4，本发明还提供了一种上述高强度铸造铝镍钴永磁合金的制备工艺，包括以下步骤：
步骤1：依据待加工零件的形状，制作砂壳；
步骤2：对砂壳进行合型；
步骤3：将铝、镍、钴、铜、海绵钛、硫化亚铁以及铁按上述质量百分比进行配制，制得配料；
步骤4：将步骤3制得的配料进行熔化，将熔化后的配料浇注到步骤2合型后的砂壳中，制得铸件；
步骤5：对步骤4制得的铸件进行清理，获得表面干净的铸件；
步骤6：对步骤5清理后的表面干净的铸件进行预充磁检验；合格，执行下述步骤7；不合格，返回步骤4，将废品与步骤3制得的配料一起进行熔化；
步骤7：对铸件进行热处理；
步骤8：对热处理后的铸件进行退磁处理；
步骤9：对退磁处理后的铸件进行机加工，制成形状尺寸满足待加工零件设计要求的零件半成品；
步骤10：给零件半成品涂漆；
步骤11：对步骤10涂漆后的零件半成品进行充磁稳磁，获得零件成品；
步骤12：对步骤11获得的零件成品进行检验；合格，则零件制备完成，获得合格零件成品；不合格，返回步骤4，将废品与步骤3制得的配料一起进行熔化。
本实施例中，为了尽早发现不合格品，以免造成后续资源浪费，优选地步骤2中，上述对砂壳进行合型之前，还包括对步骤1制作的砂壳进行检验的步骤；检验合格，对砂壳进行合型；检验不合格，则返回步骤1，重新制作砂壳；步骤10中，上述给零件半成品涂漆之前，还包括对步骤9制成的零件半成品依次进行机加检验、探伤的步骤；对于机加检验合格且探伤合格的零件半成品，给零件半成品涂漆；对于机加检验不合格的以及机加检验合格，之后探伤不合格的零件半成品中的废品，均返回步骤4，将废品与步骤3制得的配料一起进行熔化。
本实施例中，为了提高铸件的外观质量，优选地上述步骤1中，依据待加工零件的形状，采用射芯机，使用覆膜砂工艺，制作砂壳。
本实施例中，为了实现快速熔炼，减少元素氧化烧损及吸气，优选地步骤3中，配制上述配料时，海绵钛和硫化亚铁原材料每块重量不大于20克，其它原材料每块重量不大于100克，且原材料板材厚度为3-5毫米；上述步骤4中，采用中频炉将步骤3制得的配料进行熔化。
本实施例中，为了提高铸件表面质量，减少氧化夹渣缺陷，优选地对上述步骤3配制配料的原材料、上述步骤6中预充磁检验后的废品以及上述步骤12中零件成品检验后的废品，在熔化前，用履带式抛丸机清除油污及氧化物。严禁用带锈带油污或带砂土的原材料，海绵钛、硫化亚铁表面不得有氧化物及外来夹杂物。
本实施例中，为了确保最终制得的零件成品中各元素含量的准确，进而使其磁特性、机械性能以及强度更优的满足设计要求，优选地上述步骤6中预充磁检验后的废品以及上述步骤12中零件成品检验后的废品，在返回步骤4，将废品与步骤3制得的配料一起进行熔化之前，需对铝、镍以及钴进行补损，其补损量分别按下式(1)计算：
补损量＝废品总重量×占合金的质量百分比×补损百分比(1)；
(1)式中：铝的补损百分比为5％～10％；镍的补损百分比为0.5％～1％；钴的补损百分比为0.5％～1％。
为了减少熔炼时的氧化烧损，获得高质量的铸件，采用合理的加料顺序尤为重要，其不仅要考虑元素与氧的结合力，还要考虑各元素的熔点。本实施例中优选地步骤6中上述将废品与步骤3制得的配料一起进行熔化时以及步骤12中上述将废品与步骤3制得的配料一起进行熔化时，其加料顺序及工艺过程为：先将上述废品加入中频炉中；然后将铁加入中频炉中；待废品和铁全部熔化后，再加入镍和钴熔炼，熔炼时不停搅拌，待炉料全部熔化并升温至1550℃～1580℃时，再搅拌5～10次后除渣；最后，加入铜、硫化亚铁、海绵钛以及铝并继续升温达到1620℃～1650℃时出炉浇注，并且在2分钟内浇注完毕。本实施例先将废品加入中频炉中，然后将铁加入中频炉中，待废品和铁全部熔化后，再加入镍和钴熔炼，熔炼时不停搅拌，是为了防止“造桥”发生。本实施例熔炼时搅拌采用带有绝缘的专用搅拌棒搅拌。
本实施例优选地步骤4中，上述浇注时，浇包烘干，浇注液流连续且平稳，浇注过程中进行挡渣，浇注过程中避免紊流和液流中断；浇注完成后再保持30分钟后，立即打开砂壳，去除周边覆膜砂使铸件空冷；步骤7中，上述热处理包括固溶处理、热磁处理及回火。在本实施例中，热处理具体为采用两级加热到1250℃～1260℃，按不同磁钢类型保温适当时间后，空冷到稍高于居里温度后通过外加磁场完成热磁处理。最后采用600℃、570℃、540℃的三级回火来进一步提供磁钢矫顽力和磁能积。浇注时，浇注液流连续，是为了防止形成冷隔，影响磁特性；浇注过程中进行挡渣，是为了防止溶渣及其它夹杂物进入型腔，影响磁钢的内部质量；合金成分虽然是决定磁特性好坏的内因，但是通过相应的最佳热处理能使磁特性得到充分发挥。
以下是用上述本发明高强度铸造铝镍钴永磁合金的制备工艺，制备铸造铝镍钴永磁合金的5个实施例：
实施例1：铝9.65％、镍18.5％、钴17.0％、铜3.35％、海绵钛0.85％、硫化亚铁0.46％、其余为铁。制备的零件成品的磁性能：剩磁Br 890mT(G)、矫顽力55.5KA/m、最大磁能积(BH)max 21.05KJ/m3。
实施例2：铝9.70％、镍18.8％、钴17.3％、铜3.40％、海绵钛0.86％、硫化亚铁0.47％、其余为铁。制备的零件成品的磁性能：剩磁Br 885mT(G)、矫顽力55.7KA/m、最大磁能积(BH)max 21.38KJ/m3。
实施例3：铝9.75％、镍19.0％、钴17.5％、铜3.50％、海绵钛0.88％、硫化亚铁0.48％、其余为铁。制备的零件成品的磁性能：剩磁Br 867mT(G)、矫顽力56.0KA/m、最大磁能积(BH)max 21.65KJ/m3。
实施例4：铝9.80％、镍19.2％、钴17.6％、铜3.40％、海绵钛0.88％、硫化亚铁0.49％、其余为铁。制备的零件成品的磁性能：剩磁Br 890mT(G)、矫顽力57.8KA/m、最大磁能积(BH)max 20.85KJ/m3。
实施例5：铝9.85％、镍19.5％、钴18.0％、铜3.35％、海绵钛0.90％、硫化亚铁0.50％、其余为铁。制备的零件成品的磁性能：剩磁Br 910mT(G)、矫顽力56.8KA/m、最大磁能积(BH)max 21.75KJ/m3。
本发明的原理为：
影响铸造铝镍钴永磁合金机械性能和强度的因素主要包括两个方面：一是铸造工艺；二是铸造铝镍钴永磁合金的化学成分配方。
在铸造工艺方面，由黏土沙铸造工艺提升为覆膜砂铸造工艺，且在浇注工艺中也采用了新的浇注工艺方法。通过这些铸造工艺的改进，对公司生产的其它磁钢产品成品率贡献很大，使成品率得到了很大提高。但是对背景技术中提及的永久磁钢零件，其成品率还维持在35％-40％左右。通过对背景技术中提及的永久磁钢零件影响其成品率因素的分析，其废品主要体现在浇注时流动性能不好，产生冷隔，浇注成型后其内部断面可见晶粒粗大及肉眼可见非金属夹杂物，从而使磁钢强度不够，容易造成断裂。通过比对其它型号的磁钢产品及浇注的工艺，决定将研究方向转变为调整制备该永久磁钢零件的铸造铝镍钴永磁合金的化学成分配方上。
原组成制备该永久磁钢零件的铸造铝镍钴永磁合金的化学成分主要有铝、镍、钴、铜、铁、海绵钛、硫化亚铁。在这些化学成分中，铁、镍和铝是永磁合金的基础材料，在合金的冷却过程中外加磁场形成了技术上非常重要的各向异性。随着晶体取向的引入及磁场热处理的工艺研究，在此基础上增加了钴、铜及一些稀有元素如钛等，以改善磁钢的磁能积、矫顽力及剩磁。各种合金成分对磁钢的性能有很大的影响，在这些成分中，除了有影响磁钢磁特性的元素外，一些元素对铝镍钴永磁合金的铸造性能等机械性能、以及热磁处理都有一定的影响。比如海绵钛可以提高铝镍钴永磁合金的矫顽力和磁能积，同时可以细化晶粒并改善磨加工性能，但是会使剩磁降低；硫化亚铁可以增加铝镍钴永磁合金的机械强度和磨加工性能；铜可以部分取代镍的作用，可以使磁钢获得最佳磁性能的临界冷却速度及磁性能对成分的敏感性，有利于提高合格率，降低生产成本。
通过对铸造铝镍钴永磁合金的化学成分的配比不断的调整，进行了大量的实验研究，发现采用上述本发明的高强度铸造铝镍钴永磁合金的配方，浇注成型后其内部断面可见晶粒由原来的3X3左右的晶粒细化为0.1X0.1左右，断面无非金属夹杂物，参见图5；而且对于加工背景技术中提及的永久磁钢零件，该永久磁钢零件的成品率提升到75％左右，使产品成本降低，且其磁特性未发生变化，满足设计要求。
本发明的高强度铸造铝镍钴永磁合金，其剩磁Br≥850(8500)mT(G)，矫顽力Hcb≥55(700)KA/m(Oe)，最大磁能积(BH)max≥20(2.2×106)KJ/m3(MG Oe)，满足磁特性要求的前提下，其机械性能和强度得到了很大提高。
