專利名稱：一種奧氏體無(wú)磁鋼及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種無(wú)磁鋼，尤其涉及一種用于制作電氣設(shè)備中不導(dǎo)磁部件的無(wú)磁鋼及其制備方法。
背景技術(shù)：
隨著我國(guó)電力工業(yè)的發(fā)展，輸送電容量大幅增加，對(duì)懸垂線夾、耐張線夾、防震錘等導(dǎo)線金具在輸電過(guò)程中消耗能量的問(wèn)題逐漸引起人們的關(guān)注。由于以上金具用可鍛鑄鐵和Q235鋼材鐵磁性材料制成。當(dāng)導(dǎo)線中通過(guò)交變電流，在電力金具上便形成一個(gè)閉合的磁回路，鐵磁物質(zhì)在交變磁場(chǎng)作用下反復(fù)磁化，其磁感應(yīng)強(qiáng)度的變化總是滯后于磁場(chǎng)強(qiáng)度的變化(即磁滯現(xiàn)象)。在反復(fù)磁化的過(guò)程中，由于磁疇的反復(fù)轉(zhuǎn)向，鐵磁物質(zhì)內(nèi)部的分子摩擦發(fā)熱而造成能量損耗，這種構(gòu)成閉合回路的電力金具在反復(fù)磁化過(guò)程中，因?yàn)榇女牱磸?fù)轉(zhuǎn)向?qū)е碌墓β蕮p耗，就是所謂的磁滯損耗。根據(jù)電磁感應(yīng)定律，這一交變磁場(chǎng)在金具內(nèi)部也會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)和感應(yīng)電流(即渦流)，由于鋼鐵材料電阻的存在，必然產(chǎn)生有功功率損耗，即渦流損耗。根據(jù)楞次定律和法拉第電磁感應(yīng)定律，在金具內(nèi)產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)與輸電線路的電流大小成正比，與材料的相對(duì)磁導(dǎo)率μr的大小成正比，與金具的厚度成正比。傳統(tǒng)的可鍛鑄鐵、Q235鋼制電力金具材料的相對(duì)磁導(dǎo)率大，存在磁滯渦流現(xiàn)象，在輸電線路上產(chǎn)生較大的磁滯和渦流損耗。
中國(guó)專利(公開(kāi)號(hào)CN1094453)公開(kāi)了一種耐磨耐蝕無(wú)磁鋼，該無(wú)磁鋼適用于球磨機(jī)襯板及其它要求耐磨耐蝕且不導(dǎo)磁的場(chǎng)合，但無(wú)法在普通機(jī)床上進(jìn)行切削加工或在沖床上沖壓成型，其力學(xué)性能和加工工藝性能都無(wú)法滿足制作輸電線路電力金具的要求。
中國(guó)專利(公開(kāi)號(hào)CN1039268)，公開(kāi)了鐵—錳—鋁—碳奧氏體無(wú)磁鋼與低溫鋼，是由Mn、C穩(wěn)定奧氏體結(jié)構(gòu)，該發(fā)明的新鋼種具有極低的磁導(dǎo)率與在77K及其以上溫度的高韌性。本發(fā)明新鋼種作為無(wú)磁鋼，可以用于變壓器、磁選機(jī)及電機(jī)等電氣設(shè)備中不導(dǎo)磁部件的制造。但該發(fā)明合金耐腐蝕性能低，只適合制造不接觸強(qiáng)腐蝕性介質(zhì)的部件，同時(shí)，該發(fā)明合金屈服強(qiáng)度僅為9％Ni鋼的60％，故不適合用于制備輸電線路電力金具。
《金屬學(xué)報(bào)》第19卷第4期《30Mn23Al4Cr5超低溫?zé)o磁鋼的研究》公開(kāi)了的超低溫?zé)o磁鋼，但該超低溫?zé)o磁鋼的高溫塑性指數(shù)不穩(wěn)定，其溫度低于850℃和1050℃～1200℃范圍呈高的塑性，850℃～1050℃內(nèi)綜合塑性指數(shù)低，呈現(xiàn)塑性低谷，這樣合金經(jīng)過(guò)鍛造后產(chǎn)品零件容易脆性斷裂現(xiàn)象。電力金具零件制造必須對(duì)鋼材軋制成圓鋼和扁鋼，然后機(jī)械加工或沖壓成電力金具零件。中溫區(qū)850℃～1050℃正是軋制鋼材必須使用的溫度，該鋼材產(chǎn)生低塑性，對(duì)軋制圓鋼和扁鋼有影響，因此對(duì)電力金具制造產(chǎn)生障礙。

發(fā)明內(nèi)容
為了解決上述的技術(shù)難題，本發(fā)明提供了力學(xué)性能和加工工藝性能好，磁導(dǎo)率低，穩(wěn)定性能好，耐大氣腐蝕性能好，生產(chǎn)成本低的無(wú)磁鋼。
本發(fā)明的另外一個(gè)目的是提供上述無(wú)磁鋼的制備方法。
為了達(dá)到上述的目的，本發(fā)明采用了如下的技術(shù)方案一種奧氏體無(wú)磁鋼，按重量百分比含有錳20％～26％，鉻2％～10％，鋁1％～4％，碳0.18％～0.24％，稀土元素0.1％～0.2％，硫≤0.04％，磷≤0.04％，其余量為鐵。
作為優(yōu)選，按重量百分比錳的含量為20％～22％，鉻的含量為3％～4％，鋁的含量為1％～1.5％，碳的含量為0.2％～0.22％。
作為優(yōu)選，該合金還含有硅0.17％～0.37％。
作為優(yōu)選，所述的稀土元素為鑭、鈰、鐠、釹、釤、銪、釓、鋱、鏑、鈥、鉺、銩、鐿、镥、釔中的一種或多種。作為再優(yōu)選，所述的稀土元素為鐠和釹中的一種或2種。
為了達(dá)到本發(fā)明的另外一個(gè)目的，本發(fā)明采用了如下的技術(shù)方案一種奧氏體無(wú)磁鋼的制備方法，包括以下的工藝配制好符合要求的合金材料，先將鋼鐵在電爐中熔化1～2小時(shí)，當(dāng)溫度達(dá)到1500℃～1550℃時(shí)，加入電解錳、鉻、鋁及復(fù)合稀土元素，當(dāng)爐內(nèi)的金屬溫度達(dá)到1600℃～1660℃時(shí)，對(duì)金屬液除渣，脫氧，快速澆鑄，澆鑄完成后等鑄錠冷卻后進(jìn)行清理。
作為優(yōu)選，上述的脫氧采用鋁脫氧。
作為優(yōu)選，所述的電爐為中頻無(wú)芯感應(yīng)熔煉爐。
作為優(yōu)選，澆鑄的鑄型采用水玻璃砂或石英砂烘干制作而成。
本發(fā)明的主要化學(xué)成分的作用分析如下(1)錳、鋁、鉻，錳是主要合金元素，擴(kuò)大奧氏體相區(qū)，穩(wěn)定奧氏體組織，提高合金強(qiáng)度。碳一定時(shí)，隨含錳量增加，鋼的組織逐漸從珠光體到馬氏體并進(jìn)一步轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體，但是鋼的加工硬化能力提高。控制好錳的含量，可以保證鑄態(tài)完全的奧氏體組織和穩(wěn)定的奧氏體，使得經(jīng)過(guò)適當(dāng)變形后不致引發(fā)大量的形變馬氏體出現(xiàn)。
除了脫氧要求加入少量的鋁外，鋁元素為非碳化物形成元素，一般均勻分布在基體中阻礙碳原子在奧氏體中的擴(kuò)散，穩(wěn)定碳化物，同時(shí)易使奧氏體形成有序固溶體，增強(qiáng)γ-Fe原子的化學(xué)結(jié)合力，使γ-Fe原子移動(dòng)激活力提高，增強(qiáng)奧氏體的穩(wěn)定性，抑制Fe-Mn基合金中γ-ε轉(zhuǎn)變，這對(duì)控制加工過(guò)程中由于形變馬氏體引起的磁導(dǎo)率和加工硬度非常重要。
鋁和鉻可以提高材料的耐腐蝕能力，在Fe-Mn基合金中加入鋁或鉻，可以提高材料的耐大氣腐蝕性能，特別是鉻的加入使材料的耐腐蝕能力大大的提高。
(2)碳、硅，碳既促進(jìn)形成單相奧氏體組織，又可使固溶強(qiáng)化，降低材料的最大磁導(dǎo)率和磁飽和度。從Fe-Mn二元相圖可知，常溫時(shí)只有錳含量相當(dāng)高(超過(guò)30％)時(shí)才能得到單相奧氏體。而在二元合金中加入碳后，構(gòu)成的Fe-Mn-C三元合金在含有約1.0％的碳時(shí)，錳加入量只要9％～15％就可得到單相奧氏體組織。但當(dāng)碳含量較高時(shí)，鑄態(tài)組織中碳化物數(shù)量增加，在奧氏體晶界上形成連續(xù)和半連續(xù)網(wǎng)狀碳化物，大大削弱了晶間強(qiáng)度和鋼的塑性、韌性，嚴(yán)重時(shí)甚至使鋼的韌性降低為零。經(jīng)固溶處理后雖可使部分碳化物溶入奧氏體，但因鋼的碳含量高而必須提高固溶處理的溫度或延長(zhǎng)熱處理的保溫時(shí)間。綜合考慮碳元素的利弊，采取適當(dāng)提高碳含量，允許組織中有少量的碳化物存在，這樣就可以使錳的加入量降低，而且可以使得到的奧氏體的穩(wěn)定性提高。
硅可固溶于奧氏體中，固溶強(qiáng)化。在鋼里加入少量的硅，提高材料的電阻率，以減少渦流。但是，硅可以降低碳在奧氏體中的溶解度，硅含量高時(shí)，鑄態(tài)組織中的碳化物數(shù)量增加，而且硅在高錳鋼結(jié)晶時(shí)有促使粗大枝晶形成的作用，并使鋼的晶粒粗化，降低材料機(jī)械性能。試驗(yàn)中選擇碳含量0.18％～0.24％，硅含量在0.17％～0.37％為佳。
(3)硫、磷，硫、磷在通常范圍內(nèi)對(duì)鑄鋼的磁性影響不大，但含量較高時(shí)，由于大量共晶體的產(chǎn)生，會(huì)使磁導(dǎo)率有所提高，同時(shí)形成的磷共晶、硫化物等雜質(zhì)會(huì)降低材料力學(xué)性能，因此應(yīng)嚴(yán)格控制S≤0.04％，P≤0.04％為宜。
(4)復(fù)合稀土元素，可以細(xì)化晶粒、細(xì)化磁疇，降低渦流損耗，復(fù)合稀土元素在奧氏體錳鋼中具有較大的偏析系數(shù)，可加劇合金凝固時(shí)的成分過(guò)冷現(xiàn)象，促進(jìn)樹(shù)枝晶的發(fā)展、熔斷、游離和增殖，提高其結(jié)晶形核率，有效地細(xì)化奧氏體晶粒。由于復(fù)合稀土元素的內(nèi)吸附作用，阻礙了碳原子的擴(kuò)散，使奧氏體晶界上不易形成網(wǎng)狀碳化物，其晶體界上碳化物數(shù)量減少，碳化物形狀為團(tuán)塊狀，因而鑄態(tài)組織中奧氏體內(nèi)固溶的碳量相對(duì)增加，且分布較為均勻，微觀組織的致密度增加，顯微缺陷減少。解決了中溫區(qū)產(chǎn)生低塑性的技術(shù)難題。
本發(fā)明的無(wú)磁鋼的性能和效果如下(1)電工性能磁導(dǎo)率≤1.5μH/m；電阻率≥12MΩ/m。
(2)力學(xué)性能抗拉強(qiáng)度達(dá)到800MPa；屈服強(qiáng)度達(dá)到675MPa；延伸率達(dá)到41％；布氏硬度小于193HB。各項(xiàng)指標(biāo)均符合GB/T2315-2000《電力金具標(biāo)稱破壞載荷系列形式尺寸及聯(lián)結(jié)方式》的規(guī)定。
(3)金相組織本發(fā)明的碳化物應(yīng)彌散分布于奧氏體組織中，材料在成型加工中和以后的服役過(guò)程中保持奧氏體組織的穩(wěn)定性，盡量防止了產(chǎn)生形變馬氏體，避免磁導(dǎo)率的上升。
(4)切削加工性能本發(fā)明的無(wú)磁鋼能在普通機(jī)床上進(jìn)行切削加工，可以在沖床上沖壓成型，加工性能好。
(5)經(jīng)濟(jì)成本上述的無(wú)磁鋼生產(chǎn)成本低，是鋁合金金具成本的50％，比原有的Q235鋼只提高10％，而且鋼材的原料來(lái)源廣泛，生產(chǎn)工藝簡(jiǎn)單。


圖1為實(shí)施例1的試樣200倍金相圖；圖2為實(shí)施例1的試樣X(jué)衍射分析譜；圖3、圖4為實(shí)施例1的試樣鍛造后的顯微組織×100的結(jié)構(gòu)圖；圖5為實(shí)施例1的試樣鍛造后的X衍射分析譜。
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的具體實(shí)施例做一個(gè)詳細(xì)的說(shuō)明。
實(shí)施例1無(wú)磁鋼的配方如下錳20％，鋁1％，鉻3％，碳0.2％，復(fù)合稀土元素0.1％，硫＜0.04％，磷＜0.04％，復(fù)合稀土元素為鐠和釹，其余量為鐵。
配制好上述的合金材料。先將Mn鋼在中頻無(wú)芯感應(yīng)熔煉爐中熔化，爐料的尺寸為φ45以上，長(zhǎng)度為200mm左右，爐料要分批加入，一般熔化時(shí)間為1.5～2小時(shí)(具體根據(jù)爐料的多少而不同)，當(dāng)溫度達(dá)到1500℃時(shí)，加入電解錳、鉻、鋁及復(fù)合稀土元素，金屬錳應(yīng)盡快加入到金屬液中，防止金屬錳與空氣接觸而燒損，從而保證金屬爐料的成分。這時(shí)準(zhǔn)備好鑄型，當(dāng)爐內(nèi)的金屬溫度達(dá)到1620℃時(shí)，準(zhǔn)備澆鑄，澆鑄前要先對(duì)金屬液除渣，并采用上述配方中鋁重量的0.1％進(jìn)行脫氧。
鑄型采用水玻璃砂或石英砂烘干制作而成，澆鑄程度要快，防止金屬液氧化。澆鑄完成后，等鑄錠冷卻后進(jìn)行清理。粗車(chē)鑄錠表面，清除粘砂表皮。將鑄錠鍛制成測(cè)試和制作零件所需的規(guī)格，主要是圓棒和扁鋼。
將上述的制得的合金取4組，分別進(jìn)行金相顯微觀察、X衍射分析、硬度測(cè)試和力學(xué)拉伸試驗(yàn)，各項(xiàng)性能如下1、力學(xué)性能4個(gè)拉力試件結(jié)果如表1表1 試件力學(xué)性能

2、組織分析從金相照片可以觀察到，組織以?shī)W氏體為主，少量的碳化物(X衍射對(duì)含量小于2％的相不能掃射到該物的相峰，故在衍射譜中沒(méi)有碳化物的峰)，奧氏體組織呈多變性，晶界清晰，碳化物分布在晶界和晶粒內(nèi)。X衍射譜中以?shī)W氏體的(111)、(200)主峰為主，但是存在少量的鐵素體峰(110)。以上說(shuō)明，試樣的成分基本已達(dá)到奧氏體組織要求。見(jiàn)圖1、圖2。
3、鍛造后的組織與性能電力金具作為一種結(jié)構(gòu)件，必須經(jīng)過(guò)沖壓、機(jī)械加工，鋼材在鋼廠批量生產(chǎn)時(shí)，可以通過(guò)軋鋼機(jī)軋出扁鋼和圓鋼，再加工成零件，所以材料在鍛造后的性能的好壞將決定能否進(jìn)行機(jī)械加工。
將上述的4組試樣進(jìn)行了鍛造加工，然后用在鑄態(tài)時(shí)相同的儀器設(shè)備對(duì)鍛后的試樣進(jìn)行了硬度測(cè)定、顯微組織觀察和X射線衍射分析。見(jiàn)表2，圖3、圖4、圖5。
表2 試樣鍛造前后硬度值的比較

從上述表2，圖3、圖4可以看出，試樣在經(jīng)過(guò)鍛造后奧氏體晶界被打破，鍛造后的奧氏體基體呈條狀分布，組織變得更加致密，因此硬度有所增加，但與普通高錳鋼不同，在鍛造變形過(guò)程中沒(méi)有發(fā)生明顯的加工硬化，所以鍛造后的硬度值為220HB，材料的切削加工性能仍比較理想。我們將鍛造的圓棒，在普通車(chē)床C620上車(chē)成φ12圓鋼，并在兩端挑M12的螺紋(圓鋼長(zhǎng)度154mm，螺紋長(zhǎng)30mm)，沒(méi)有什么問(wèn)題了，只感覺(jué)表面有硬化，車(chē)去1mm左右后，切屑即成連續(xù)卷狀，硬度就低了，并能將車(chē)完的雙頭螺桿彎曲成U型螺絲，鍛造的扁鋼毛坯，先在立銑床用銑刀加工成6×40的斷面，然后用125T沖床，切圓頭沖孔，壓型成掛板，制成無(wú)磁鋼零件裝配成懸垂線夾，在整個(gè)鍛造以后，切削加工及沖壓以后，都沒(méi)有發(fā)生增加磁導(dǎo)率的情況，加工性能基本良好。
從鍛造前后的X射線衍射圖譜的比較可以看出，鍛造后組織中的ε馬氏體增多，這也是導(dǎo)致材料硬度上升的原因。
綜上分析，試樣經(jīng)鍛造后基本保留了鑄態(tài)下的奧氏體組織，硬度有所增加。
實(shí)施例2無(wú)磁鋼的配方如下錳22％，鉻3％，鋁1.5％，碳0.21％，復(fù)合稀土元素0.2％，硫＜0.04％，磷＜0.04％，其余量為鐵。
無(wú)磁鋼的制備方法如實(shí)施例1。
實(shí)施例3無(wú)磁鋼的配方如下錳22％，鉻3％，鋁1.5％，碳0.19％，復(fù)合稀土元素0.2％，硫＜0.04％，磷＜0.04％，其余量為鐵。
無(wú)磁鋼的制備方法如實(shí)施例1。
實(shí)施例4無(wú)磁鋼的配方如下錳20％，鉻3％，鋁1.5％，碳0.21％，復(fù)合稀土元素0.2％，硫＜0.04％，磷＜0.04％，其余量為鐵。
無(wú)磁鋼的制備方法如實(shí)施例1。
權(quán)利要求
1.一種奧氏體無(wú)磁鋼，其特征在于該無(wú)磁鋼按重量百分比含有錳20％～26％，鉻2％～10％，鋁1％～4％，碳0.18％～0.24％，稀土元素0.1％～0.2％，硫≤0.04％，磷≤0.04％，其余量為鐵。
2.如權(quán)利要求1所述的一種奧氏體無(wú)磁鋼，其特征在于按重量百分比錳的含量為20％～22％，鉻的含量為3％～4％，鋁的含量為1％～1.5％，碳的含量為0.2％～0.22％。
3.如權(quán)利要求1或2所述的一種奧氏體無(wú)磁鋼，其特征在于該合金還含有硅0.17％～0.37％。
4.如權(quán)利要求1或2所述的一種奧氏體無(wú)磁鋼，其特征在于所述的復(fù)合稀土元素為鑭、鈰、鐠、釹、釤、銪、釓、鋱、鏑、鈥、鉺、銩、鐿、镥、釔中的一種或多種。
5.如權(quán)利要求4所述的一種奧氏體無(wú)磁鋼，其特征在于所述的復(fù)合稀土元素為鐠和釹中的一種或2種。
6.如權(quán)利要求1所述的一種奧氏體無(wú)磁鋼的制備方法，其特征在于該制備方法包括以下的工藝配制好符合要求的合金材料，先將鋼鐵在電爐中熔化1～2小時(shí)，當(dāng)溫度達(dá)到1500℃～1550℃時(shí)，加入電解錳、鉻、鋁及復(fù)合稀土元素，當(dāng)爐內(nèi)的金屬溫度達(dá)到1600℃～1660℃時(shí)，對(duì)金屬液除渣，脫氧，快速澆鑄，澆鑄完成后等鋼材冷卻后進(jìn)行清理。
7.如權(quán)利要求6所述的一種奧氏體無(wú)磁鋼的制備方法，其特征在于所述的脫氧采用鋁脫氧。
8.如權(quán)利要求6或7所述的一種奧氏體無(wú)磁鋼的制備方法，其特征在于所述的電爐為中頻無(wú)芯感應(yīng)熔煉爐。
9.如權(quán)利要求6或7所述的一種奧氏體無(wú)磁鋼的制備方法，其特征在于澆鑄的鑄型采用水玻璃砂或石英砂烘干制作而成。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種無(wú)磁鋼，尤其涉及一種用于制作電氣設(shè)備中不導(dǎo)磁部件的無(wú)磁鋼及其制備方法。一種奧氏體無(wú)磁鋼，按重量百分比該無(wú)磁鋼含有錳20％～26％，鉻2％～10％，鋁1％～4％，碳0.18％～0.24％，稀土元素0.1％～0.2％，硫≤0.04％，磷≤0.04％，其余量為鐵。本發(fā)明的無(wú)磁鋼電工性能、力學(xué)性能、加工性能優(yōu)越，而且經(jīng)濟(jì)成本低，生產(chǎn)工藝簡(jiǎn)單，因此特別適用于制造輸電線路電力金具。本發(fā)明另外還提供了該無(wú)磁鋼的制備方法。
文檔編號(hào)C21C7/06GK1727509SQ20051005083
公開(kāi)日2006年2月1日 申請(qǐng)日期2005年7月22日 優(yōu)先權(quán)日2005年7月22日
發(fā)明者駱憶祖, 高文樞 申請(qǐng)人:鳳凰金具有限公司