專利名稱：軟磁性鋼材的制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及軟磁性材料，特別是涉及電磁石磁芯材料或磁屏蔽材料等要求高直流磁化特性的軟磁性材料。
作為直流電磁石鐵芯材料，或近年來(lái)進(jìn)步和普及特快的醫(yī)療器械和各種物理器械，電子部件及設(shè)備等磁屏蔽材料，目前使用的是比較廉價(jià)的軟鐵和純鐵以及價(jià)格非常昂貴的坡莫合金(強(qiáng)磁性鐵鎳合金)或超坡莫合金(鎳鉬鐵超導(dǎo)磁合金)。但是，軟鐵和純鐵在1 Oe的磁通密度(以下稱B1值)大約為3000-11000G左右，將它們作為MRI(核磁共振的斷層像攝影診斷裝置)的磁屏蔽等直至幾高斯程度的磁屏蔽材料，或作為電磁石鐵芯用材料使用。
直流磁化特性為重要的用途中，以磁屏蔽為例，說(shuō)明已有技術(shù)的問(wèn)題點(diǎn)。即，目前雖然在MRI的磁屏蔽上使用較廉價(jià)且飽和磁化高的純鐵，然而即使規(guī)定以軟鐵、純鐵作為對(duì)象的電磁軟鐵的JIS規(guī)范中最嚴(yán)格的O種(例如JIS C2504 SUYPO)也將B1值的下限規(guī)定為8000G。以這種特性很難進(jìn)行地磁程度的磁屏蔽，而且，為了進(jìn)行幾高斯左右的磁屏蔽而造成屏蔽系統(tǒng)厚重化。作為能進(jìn)行更好屏蔽的屏蔽材料，有時(shí)也采用坡莫合金或超坡莫合金，這些材料可以屏蔽地磁程度以下的磁，但反之價(jià)格昂貴，而且飽和磁化與純鐵相比，低1/3-2/3，因此在屏蔽高磁場(chǎng)時(shí)有必須大大增加厚度的缺點(diǎn)，若大量使用是不經(jīng)濟(jì)的。
根據(jù)這些問(wèn)題點(diǎn)，已做過(guò)一些無(wú)損于純鐵類材料所具有的高飽和磁化，且能提高導(dǎo)磁率的研究。例如，特公昭63-45443號(hào)，特開(kāi)昭62-77420號(hào)，或日本金屬學(xué)會(huì)第23卷第5號(hào)(1984年發(fā)行)“極厚電磁鋼板的開(kāi)發(fā)”中所公開(kāi)的方法都是以隨著鐵素體晶粒粗大化而提高導(dǎo)磁率為目標(biāo)，而這些技術(shù)是其對(duì)象限于板厚較薄的熱軋板的技術(shù)，或者是不能達(dá)到像本發(fā)明那樣在評(píng)價(jià)更嚴(yán)格直流磁化特性的0.5 Oe處其磁通密度(以下稱B0.5值)在10000G以上的技術(shù)，作為能獲得優(yōu)良直流磁化特性的技術(shù)，這些方法都是不充分的。
按上述現(xiàn)狀，是不能提供飽和磁化高且在地磁程度相當(dāng)?shù)偷拇艌?chǎng)中顯示高磁通密度，即導(dǎo)磁率高的材料。本發(fā)明的目的在于能廉價(jià)提供這種材料的方法。
本發(fā)明者們?yōu)榱私鉀Q上述問(wèn)題，首先對(duì)作為直流磁場(chǎng)用軟磁性材料基礎(chǔ)的工業(yè)用純鐵進(jìn)行了研究，搞清了它的缺點(diǎn)，然后謀求改善其特性而進(jìn)行了研究，得到如下發(fā)現(xiàn)。
即，從得到高導(dǎo)磁率觀點(diǎn)出發(fā)，通過(guò)添加Al，①可以有效地脫氧、不僅隨著氧量及氧化物類夾雜物的減少使得導(dǎo)磁率提高，而且對(duì)導(dǎo)磁率有不利影響的固溶N能因AlN粒子的形成而降低，②通過(guò)某種必要量的添加，可以使細(xì)分散的AlN粒子凝聚化，可以極力抑制AlN的不利影響，與此同時(shí)，還可得到促進(jìn)鐵素體晶粒粗?；男Ч鄢^(guò)0.5%的添加量會(huì)顯著提高變態(tài)溫度，或者有可能成為鐵素體單相，因此不會(huì)導(dǎo)入因變態(tài)引起的變形，從而有可能在超過(guò)900℃的溫度下進(jìn)行退火，而且這種高溫退火能有效地消除晶格變形和使鐵素體晶粒粗大化，認(rèn)為固溶Al也有提高導(dǎo)磁率的效果，由這些作用的相乘效果可以獲得極優(yōu)導(dǎo)磁率，④還可根據(jù)需要添加適量的Ti，它們能優(yōu)先固定N從而使特性提高，特別是無(wú)須進(jìn)行減少N含量的努力，此外，從保持材料的高飽和磁化觀點(diǎn)出發(fā)，⑤應(yīng)避免Al的添加量超過(guò)2%，⑥C、N含量多時(shí)變態(tài)溫度降低，或者必要的Al添加量要加大，從而因固溶C、N的增加引起晶格變形或生成碳化物、氮化物往往會(huì)導(dǎo)致特性惡化，因此為了避免這些情況，要有一個(gè)C、N量的上限。本發(fā)明者們基于這些發(fā)現(xiàn)完成了本發(fā)明。
本發(fā)明有如下特征。
(1)一種軟磁性鋼材的制造方法，其特征是，將按重量%組成為C0.004%以下、Si0.5%以下、Mn0.5%以下、P0.015%以下、S0.01%以下、Sol.Al0.5-2.0%、N0.005%以下、氧0.005%以下，余量為Fe及不可避免雜質(zhì)組成的鋼片或鑄片在700℃以上、1300℃以下的溫度加熱，在700℃以上的溫度完成熱加工，最終在900-1300℃進(jìn)行退火，從而得到保磁力為0.4Oe以下，在0.5Oe的磁通密度為10000G以上的軟磁性鋼材。
(2)一種軟磁性鋼材的制造方法，其特征是，將按重量%組成為C0.004%以下、Si0.1%以下、Mn0.15%以下、P0.015%以下、S0.01%以下、Sol.Al0.5-2.0%、N0.005%以下、氧0.005%以下、余量為Fe及不可避免雜質(zhì)組成的鋼片或鑄片在700℃以上1300℃以下的溫度加熱，在700℃以上溫度完成熱加工，最終在1000-1300℃進(jìn)行退火，從而得到保磁力為0.4Oe以下，在0.5Oe的磁通密度為10000G以上的軟磁性鋼材。
(3)一種軟磁性鋼材的制造方法，其特征是將按重量%組成為C0.004%以下，Si0.5%以下、Mn0.50%以下、P0.015%以下、S0.01%以下、Sol.Al0.5-2.0%、N0.012%以下、氧0.005%以下、Ti0.005-1.0%、余量為Fe及不可避免的雜質(zhì)組成的鋼片或鑄片在700℃以上，1300℃以下加熱，在700℃以上的溫度下完成熱加工，最后在900-1300℃下進(jìn)行退火，從而得到保磁力為0.4Oe以下，0.5Oe的磁通密度為10000G以上的軟磁性鋼材。
以下說(shuō)明本發(fā)明中組成及制造條件的限定理由。
為了確保優(yōu)良的導(dǎo)磁率，C和N同樣都希望盡可能地降低，但工業(yè)制造中，極度降低是很困難的，而且會(huì)造成成本升高。由于通過(guò)添加Al來(lái)提高變態(tài)溫度，如果不將C的添加量控制在低水平則會(huì)使Al的必要添加量增加，結(jié)果會(huì)導(dǎo)致飽和磁化降低，這與本發(fā)明的意圖相反。因此，將C的上限量規(guī)定為0.004(Wt)%。
Si能提高導(dǎo)磁率，但本發(fā)明中是通過(guò)添加Al來(lái)達(dá)到提高導(dǎo)磁率的目的，而且擔(dān)心大量添加Si會(huì)導(dǎo)致飽和磁化降低，因此將其上限規(guī)定為0.5(Wt)%，最好為0.1(Wt)%。
Mn是使直流磁化特性惡化的元素，希望降低，但極度降低會(huì)導(dǎo)致成本升高和N含量增加，此外，將S固定會(huì)有防止熱脆性的效果，因此在Mn/S不低于10的范圍內(nèi)其添加量的上限可為0.5(Wt)%，最好為0.15(Wt)%。
P.S.是雜質(zhì)元素，希望在不增加成本的原則下降低，其上限分別為0.015(Wt)%、0.01(Wt)%。
如上所述，Al在本發(fā)明中是重要添加劑元素。即Al會(huì)使固溶N固定，并且AlN粒子凝聚化，使變態(tài)溫度上升，并使鐵素體區(qū)域擴(kuò)大，因而能實(shí)現(xiàn)高溫退火，從而能使鐵素體晶粒粗大化和降低內(nèi)部變形以致導(dǎo)磁率提高，此外，考慮Al本身也有提高導(dǎo)磁率的效果，因此，它是本發(fā)明中為得到優(yōu)良直流磁化特性所必須添加的元素。這種Al的效果在Sol.Al狀態(tài)下添加0.5(Wt)%以上即可得到，而另一方面，如果添加量超過(guò)2.0(Wt)%則會(huì)造成飽和磁化降低，這是不希望的，因此Al的添加量范圍，在Sol.Al狀態(tài)下，規(guī)定為0.5-2.0(Wt)%。
N和C同樣會(huì)侵入Fe的晶格內(nèi)，常常產(chǎn)生晶格變形而使直流磁化特性惡化。而且，為了不使AlN粒子生成得太多，希望N量極低。這種想法也在于使添加的Al作為即使很少也很有效的固溶Al存在，因此，N量規(guī)定在0.005(Wt)%以下。本發(fā)明中，如下所述還可根據(jù)需要添加能積極生成氮化物的元素-Ti。Ti是不必對(duì)引起成本升高的N量加以嚴(yán)格上限規(guī)定，而能達(dá)到減少上述N害處目的的添加元素，因此，在這種情況下N的上限值規(guī)定為0.012(Wt)%。
由上述發(fā)現(xiàn)可清楚地看出，為了能更確實(shí)地確保直流磁化特性，希望規(guī)定N和C的總量。即不添加Ti的情況下，C+N最好規(guī)定為0.007(Wt)%;在添加Ti的情況下，C+N最好規(guī)定為0.014(Wt)%以下。
氧和Mn同樣是使直流磁化特性惡化的元素，特別是生成非金屬夾雜物，對(duì)導(dǎo)磁率的惡化有很大影響，必須在本發(fā)明熔煉時(shí)充分降低，規(guī)定其上限值為0.005(Wt)%。
如上所述，Ti是積極生成氮化物的元素，添加量范圍在0.005-1.0(Wt)%，即使是含N量不能足夠降低的廉價(jià)素材中，也能避免因固溶N的固定效果顯著地?fù)p害直流磁化特性。含N量比較低的情況下，氮化物粒子的生成量也少，還可期望直流磁化特性有若干提高。另一方面，如果添加量超過(guò)上述上限值，則會(huì)使直流磁化特性惡化。
以下說(shuō)明本發(fā)明的制造條件。
本發(fā)明中，關(guān)于熱軋條件，采用極普通的熱加工條件，將上述組成的鋼片或鑄片在700℃以上、1300℃以下加熱，進(jìn)行熱加工。但是，隨低溫域軋制會(huì)使熱加工時(shí)的變形阻力增加和熱加工所消耗的時(shí)間增加而導(dǎo)致成本升高，而且在極低溫度下軋制還可能會(huì)因退火時(shí)的再結(jié)晶而導(dǎo)致細(xì)?；蚨景l(fā)明中對(duì)加工結(jié)束溫度規(guī)定了700℃的下限溫度。
關(guān)于最終必須實(shí)施的退火，則有必要在不觸及主要取決于Al添加量的變態(tài)溫度范圍內(nèi)實(shí)施，但至少為900℃以上，最好為1000℃以上，如果不在這種溫度下進(jìn)行退火則達(dá)不到本發(fā)明鋼所希望具備的極優(yōu)直流磁化特性。具體地說(shuō)，C0.001(Wt)%、N0.0020(Wt)%時(shí)，由于添加1(Wt)%左右的Al，本發(fā)明鋼呈鐵素體單相、則有可能在1100℃以上非常高的溫度下退火，但超過(guò)1300℃溫度域的退火卻有困難，而且會(huì)導(dǎo)致成本升高，因而，退火溫度規(guī)定為900-1300℃，最好為1000-1300℃。關(guān)于加熱保持時(shí)間，可根據(jù)素材的熱容量變化，但希望保持30分鐘以上;關(guān)于加熱保持的冷卻，從盡可能不導(dǎo)致熱變形的觀點(diǎn)考慮則希望緩冷。當(dāng)然，有均勻冷卻措施時(shí)，很難導(dǎo)致熱變形，此時(shí)就不一定需要緩冷。
如上所述，在本發(fā)明之化學(xué)成分和制造條件下，由于特別限定了退火溫度，B0.5值和飽和磁化得以提高，即可以得到直流磁場(chǎng)中軟磁特性優(yōu)良的鋼材。
本發(fā)明還包括用直壓熱軋進(jìn)行熱軋的情況。作為本發(fā)明制造對(duì)象的鋼材，包括熱加工材，冷加工(包括溫加工)材兩種材料，因此，本發(fā)明規(guī)定的最終退火沒(méi)有熱加工后進(jìn)行場(chǎng)合和熱加工-冷加工后進(jìn)行場(chǎng)合的區(qū)別。當(dāng)然，也包括在熱加工和冷加工途中進(jìn)行中間退火，和在幾個(gè)階段中進(jìn)行上述各加工的情況。
作為本發(fā)明對(duì)象的鋼材包括厚板，薄板，條材(形鋼)、鍛材等。
實(shí)施例實(shí)施例1表1示出實(shí)施例及對(duì)比例中所用鋼的化學(xué)成分。鋼A-E是熔煉后制成厚度為110mm的鋼錠，經(jīng)過(guò)1200℃加熱的熱軋形成板厚為15mm的鋼材。鋼A-C是適合于本發(fā)明化學(xué)成分的鋼材、鋼D、E、F及G是對(duì)比例鋼種。表1中示出對(duì)以0.5℃/秒的加熱速度升溫至1300℃時(shí)的變態(tài)點(diǎn)進(jìn)行調(diào)研的結(jié)果。該變態(tài)點(diǎn)測(cè)定結(jié)果表示實(shí)施例列舉的本發(fā)明鋼為鐵素體單相。
表2示出對(duì)本發(fā)明鋼及對(duì)比鋼測(cè)定其直流磁化特性的結(jié)果，由熱軋后板厚中心部位取外徑45mm，內(nèi)徑33mm、厚6mm的試驗(yàn)片。對(duì)此試驗(yàn)片進(jìn)行退火后測(cè)定直流磁化特性及鐵素體晶粒徑的結(jié)果，該退火相當(dāng)于本發(fā)明規(guī)定的最終退火。退火的加熱保持時(shí)間是1-3小時(shí)，冷卻速度是約100℃/小時(shí)的緩冷。
表2中，No.1是基于對(duì)鋼A進(jìn)行1100℃退火之本發(fā)明的實(shí)施例。該實(shí)施例中，由于低C化和添加Al而呈鐵素體單相，因此不會(huì)導(dǎo)致變態(tài)變形以及變態(tài)引起的細(xì)?；?，從而可以高溫退火，也就是說(shuō)，通過(guò)1100℃的高溫退火可使得鐵素體粒徑達(dá)到2mm以上的顯著粗?；?，同時(shí)消除晶格變形，從而得到最大導(dǎo)磁率超過(guò)60000的極優(yōu)特性。
No.2是對(duì)鋼A進(jìn)行1000℃退火的實(shí)施例。在該實(shí)施例中，退火溫度比No.1低，鐵素體粒徑為0.5-1.0mm左右，即使導(dǎo)磁率比No.1實(shí)施例小，也可以得到最大導(dǎo)磁率為23900的良好特性。
No.3，4是鋼B、C的實(shí)施例。這些實(shí)施例中也由于添加Al而使鐵素體單相比，都能在1000℃以上進(jìn)行高溫退火，由于鐵素體晶粒的粗大化和消除內(nèi)部變形的相乘效果，可以得到No.3中最大導(dǎo)磁率為56000，No.4中最大導(dǎo)磁率為37200的優(yōu)良特性。
以上No.1-4實(shí)施例都能得到最大導(dǎo)磁率為20000以上，保磁力在0.4Oe以下的優(yōu)良直流磁化特性，不僅能滿足JIS C2504 SUYPO中所規(guī)定的特性，而且由于B0.5值超過(guò)11000G，因此還可能屏蔽地磁程度的磁。
No.5、6、7是基于鋼D、E、F的對(duì)比鋼種。鋼D、E、F都相當(dāng)于工業(yè)用純鐵，與本發(fā)明中規(guī)定的化學(xué)成分不相同。因此，如No.5、6所示，即使在1000℃以上的溫度下退火也不可能期待鐵素體晶粒有顯著的粗大化，進(jìn)而由奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)殍F素體的變態(tài)時(shí)導(dǎo)致變形，因而不能有良好的特性。No.7是將退火溫度規(guī)定在變態(tài)點(diǎn)以下時(shí)的結(jié)果，都不具備良好的特性。
實(shí)施例2表3示出實(shí)施例和對(duì)比例所用鋼的化學(xué)成分。鋼I-U在熔煉后制成厚度為110mm的鋼錠，通過(guò)1200℃加熱的熱軋制形成板厚為15mm的鋼材后進(jìn)行退火。鋼I-S、W-Y、Z、b-d是適合于本發(fā)明成分的鋼種，而鋼T、U、V、a是對(duì)比鋼種。表4是對(duì)本發(fā)明鋼和對(duì)比鋼測(cè)定其直流磁化特性及鐵素體晶粒徑的結(jié)果匯編。本實(shí)施例中，退火的加熱保持時(shí)間為1-3小時(shí)，冷卻速度為100℃/小時(shí)-500℃/小時(shí)。
表4中，No.10-13是在本發(fā)明規(guī)定范圍內(nèi)變化Mn添加量的實(shí)施例。
No.23-26是調(diào)研Sol.Al量的影響，No.28是調(diào)研C量影響，No.29-31是調(diào)研Si量影響的結(jié)果。
No.14-16是添加Ti時(shí)的實(shí)施例。在這些實(shí)施例中由于添加Al而呈鐵素體單相比，而且由于添加Ti使得N固定，認(rèn)為No.14、16有良好的特性。特別是No.15是基于在相當(dāng)No.22的鋼中添加Ti的本發(fā)明實(shí)施例，由于添加Ti而使N充分固定，認(rèn)為與No.22對(duì)比例相比較有很大的改善。
No.21是Ti的添加量超過(guò)本發(fā)明規(guī)定范圍的對(duì)比例，認(rèn)為其直流磁化特性顯著惡化。
No.22是N的添加量高且不添加Ti的對(duì)比例，由于AlN的析出狀態(tài)穩(wěn)定，即使進(jìn)行退火也不能使得鐵素體粒子充分粗大化，而且固溶N量也高，因而得不到良好的特性。
No.17-18是對(duì)鋼P(yáng)、Q進(jìn)行1000℃退火的實(shí)施例。
以上No.10-18，No.24-26，No.27，No.29-31的實(shí)施例，都可以得到保磁力為0.4Oe以下，B0.5值為10000G以上的優(yōu)良直流磁化特性，不只是能很好地滿足JIS C2504 SUYPO中規(guī)定的特性，而且可在地磁程度以下的磁場(chǎng)環(huán)境中用作磁屏蔽材料。
No.19，20中調(diào)研了與N量、C+N量的關(guān)系中添加Ti的影響，它們都是N＞0.005%，C+N＞0.007%，但是No.20中添加了Ti，因而得到良好的特性。
顯示良好直流磁化特性的本發(fā)明例，都有0.5mm以上的粗大鐵素體晶粒徑。
如上所述，由本發(fā)明得到的軟磁性鋼材，具有優(yōu)良直流磁化特性，因此在弱磁場(chǎng)也能容易磁化，用作高功能鐵芯材料和高功能磁屏蔽材料是極有利的。
權(quán)利要求
1.一種軟磁性鋼材的制造方法，其特征是它將按重量%組成為C0.004%以下，Si0.5%以下，Mn0.50%以下，P0.015%以下，S0.01%以下，Sol.Al0.5-2.0%，N0.005%以下，氧0.005%以下，余量為Fe及不可避免的雜質(zhì)組成的鋼片或鑄片在700℃以上1300℃以下加熱，在700℃以上的溫度下完成熱加工，最后在900-1300℃進(jìn)行退火，由此得到保磁力為0.40e以下，0.50e的磁通密度為10000G以上的軟磁性鋼材。
2.一種軟磁性鋼材的制造方法，其特征是它將按重量%組成為C0.004%以下，Si0.1%以下，Mn0.15%以下，P0.015%以下、S0.01%以下，Sol.Al0.5-2.0%、N0.005%以下，氧0.005%以下，余量為Fe及不可避免雜質(zhì)組成的鋼片或鑄片在700℃以上、1300℃以下加熱，在700℃以上的溫度完成熱加工、最后在1000-1300℃進(jìn)行退火、由此得到保磁力為0.4Oe以下，0.5Oe的磁通密度為10000G以上的軟磁性鋼材。
3.權(quán)利要求1或2所述的軟磁性鋼材制造方法，其特征是按重量%，規(guī)定C+N0.007%以下。
4.一種軟磁性鋼材的制造方法，其特征是它將按重量%組成為C0.004%以下，Si0.5%以下，Mn0.50%以下，P0.015%以下、S0.01%以下，Sol.Al0.5-2.0%、N0.012%以下，氧0.005%以下、Ti0.005-1.0%以下、余量為Fe和不可避免雜質(zhì)組成的鋼片和鑄片在700℃以上1300℃以下加熱，以700℃以上的溫度完成熱加工，最后在900-1300℃進(jìn)行退火，由此得到保磁力為0.4Oe以下，0.5Oe的磁通密度為10000G以上的軟磁性鋼材。
5.權(quán)利要求4所述的軟磁性鋼材的制造方法，其特征是按重量%，規(guī)定C+N0.014以下。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種用作電磁石磁芯材料或磁屏蔽材料等要求高直流磁化特性的軟磁性鋼材的制造方法。該方法是將化學(xué)成分為C，Si，Mn，P，S，Al，N，O，還可含有Ti，余量為Fe及不可避免雜質(zhì)的鋼片或鑄片在700℃以上1300℃以下加熱，在700℃以上溫度完成熱加工，最后在900-1300℃進(jìn)行退火，從而得到保磁力為0.4Oe以下，0.5Oe的磁通密度為10000G以上的軟磁性鋼材，它有優(yōu)良的直流磁化特性，在弱磁場(chǎng)也易磁化，可用作高功能鐵芯材料和高功能磁屏蔽材料。
文檔編號(hào)C21D8/12GK1048236SQ89109230
公開(kāi)日1991年1月2日 申請(qǐng)日期1989年12月8日 優(yōu)先權(quán)日1989年6月17日
發(fā)明者大森俊道, 鈴木治雄, 三瓶哲也, 國(guó)定泰信, 高野俊夫 申請(qǐng)人:日本鋼管株式會(huì)社