贾辉
西安融盛铁路成套设备有些责任公司 陕西 西安 710100）
摘要：铝镍钴永磁合金是一种具有很高永磁性能和良好稳定性的永磁材料，采用该合金生产的各类磁钢是制造铁路信号安全型继电器产品中的一个关键件，除满足本身的磁特性以确保继电器的动作可靠、准确外，同时还是结构件以满足相关的机械性能。通过对影响磁钢产品质量主要因素所采取的措施，使磁钢在满足继电器产品磁特性的条件下，提升磁钢的铸造性能及机械性能，形成一种高强度铸造铝镍钴永磁合金及其制备工艺，进而提高产品质量及成品率。
关键词：铸造、铝镍钴永磁合金、成分、热处理、工艺、质量
一：引言
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、电子等行业获得广泛的应用。采用铝镍钴永磁合金生产的各类磁钢是制造铁路安全型继电器产品中的一个关键件，安全型继电器主要用于铁路及城市轨道交通信号控制系统中，是铁路信号设备主要器件之一。磁钢在继电器中除满足本身的磁特性以确保继电器的动作可靠、准确外，同时还是结构件以满足相关的机械性能来确保产品质量可靠及使用寿命。
影响铝镍钴永磁合金磁特性的主要因素是组成合金的化学成分。从1931年三岛德七发明铝镍钴系永磁合金以来，对合金的研究已经取得了巨大的成就。根据继电器产品对磁钢磁特性的要求，结合相关的标准，可制备出满足磁特性要求成分配比的合金材料，在组成合金材料的化学成分中，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。
铝镍钴永磁合金属于脱溶硬化型合金，材料本身硬而脆，因此根据制备工艺的不同常常采用铸造及粉末冶金工艺得到毛坯件后采用电加工、磨加工等方法得到最终产品零件。根据继电器产品中各类磁钢结构的特点，采用铸造及磨加工的工艺方法。磁钢的制备工艺流程主要包括造型、合型、配料、熔炼、浇注、清砂、热处理、磨加工、探伤等环节，其制备工艺繁杂、生产周期长。因此对磁钢的工艺过程控制要求很高，否则会在各个生产环节中产生各种质量问题，这些质量问题将会严重影响磁钢的磁特性及机械性能。
可见，影响磁钢产品磁特性、机械性能的主要因素是合金的化学成分及其制备工艺。本文根据多年的生产实践经验，通过调整磁钢的化学成分配比及改善制备工艺来提高磁钢的产品质量，形成一种高强度铸造铝镍钴永磁合金及其制备工艺，进而提高产品质量及成品率。
二： 磁钢成分配比的改进
组成铝镍钴永磁合金的成分主要有铝、镍、钴、铜、铁及微量元素钛、硫等。在这些成分中铁、镍及铝是合金的基础材料，在合金的冷却过程中外加磁场形成了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、铜及一些稀有元素以改善合金的磁能积BH、矫顽力Hc及剩磁Br。
根据继电器产品中磁钢磁特性的要求，结合GB/T 17951《硬磁材料一般技术条件》等相关标准，对组成合金中的铝、镍、钴、铜、铁及微量元素钛及硫等成分进行选择可制备出满足磁特性要求的不同配方。配方中各成分配比对磁钢的性能有很大的影响，这些成分中除有影响磁钢的磁特性元素外，一些元素对磁钢的铸造性能、机械性能及热处理都有也有一定的影响。
1）铁、镍、钴、铜及铝的选取
铁、镍、铝三元合金是弥散硬化型合金中最常见的，是铝镍钴永磁合金的基础材料。加入钴可以在合金中替代一部分铁、镍及铝来充分发挥钴在合金中对磁特性的作用，使合金的扩散过程变慢，降低临界冷却速度，获得较好的磁性能，而且随钴量的增加居里温度也相应提高。
通过参考文献及试验，在镍含量为18-19%的合金中，随着钴含量的增加，Hc、BH不断增加；在钴含量为17-18%的合金中，随着镍含量的增加，Hc增加、Br下降；对于磁钢将镍含量及钴含量控制在18-19%、17-18%时能够达到最佳平衡状态，此时铝含量在8.5-10%范围内可使磁钢具有较高的磁性能。
铜对磁性能的影响和镍相似，可以取代一部分镍。铜在合金中能够减少合金磁性能对成分的敏感性，提高合金的稳定性，改善钴所引起的临界冷却速度过低的不利因素。目前磁钢的铜含量控制在3-3.5%比较合适，铜含量太低会使Hc下降。
2）微量元素的选取
钛可以提高Hc，消除碳含量的危害、细化晶粒并改善形状各异性，因此钛在提高Hc同时也能够提高合金的机械性能。在钴、镍含量为17-18%、18-19%的磁钢中，钛含量控制在0.5-0.9%可以明显提高磁钢的机械强度，改善磁钢的磨加工性能，同时对磁特性影响不大。
硫能够有效的促进铸造中合金的流动性能，防止铸件内部出现冷隔、气孔及缩孔等铸造缺陷而影响磁钢的强度；能够有效的进行排渣，防止合金内部因非金属夹杂物的存在而影响磁钢的强度；同时硫在合金中可以有效的改善其力学性能，提高磁钢的强度、降低脆性，提高磨削性能，消除裂纹、崩角、剥落等缺陷。但硫也会对合金的磁性能有一定的影响，目前在磁钢中将硫控制在0.35-0.5%时能够大大提高磁钢的强度和磨削性能，同时不影响磁特性。
三：热处理工艺参数的改进
铝镍钴永磁合金的成分是决定磁特性的内因，但是必须通过相应的最佳热处理才能充分发挥出合金的优良磁性能。永磁合金在高温状态下为过饱和的单一体心立方固溶体α相，在适当的条件下可以按α→α1+α2分解，其中α1相是体心立方的富Fe、Co的强磁性单畴微粒相，α2相是体心立方的弱磁性的富Ni、Al的母相，各项异性的α1相弥散分布在弱磁性的α2相的基体里。在高温单相区α→α1+α2分解温度区存在α→γ相（面心立方有害相）反应的温度区，整个热处理过程就是抑制有害相γ相的析出，保证在单一的α相的前提下实现α→α1+α2分解是磁硬化的基本条件。
铝镍钴永磁合金的热处理包括固溶处理、热磁处理及回火处理三个环节，其中热磁处理是其中的关键环节。
1）固溶处理过程
固溶处理就是将磁钢加热到一定的温度来消除铸态组织，得到单一均匀的固溶体α相，为实现α→α1+α2分解创造条件。根据磁钢的成分将固溶温度设置在1250-1260℃，以确保得到单一均匀的α相，防止出现γ相。目前采用两台加热炉分别在900℃和1250℃两级加热方式对磁钢进行固溶加热，以防止磁钢因直接放入高温区而产生开裂的现象并同时缩短生产周期。
预热及固溶保温时间按磁钢的形状、大小来确定，以能否实现固溶化为原则，一般20-30分钟即可。保温时间不易过长，以防止表面氧化。
2）热磁处理过程
热磁处理的目的就是在适当的温度条件下实现α→α1+α2的分解，同时使单畴α1相沿外磁场方向取向化，防止α1相形成多畴性。热磁处理的关键是温度、冷却速度及磁场强度，按磁钢合金成分及形状大小，将其冷却速度控制在0.7-1.5℃/秒较来实现α→α1+α2较为合适，同时在稍高于居里温度的900-950℃外加1500奥斯特的磁场来确保α1相的定向分解而形成单畴性。在热磁处理时应注意按磁钢的形状来正确使用磁场极头，尽量避免磁场的漏磁损失而影响磁钢的磁性能；同时要确保磁钢在使用时的磁通方向与热磁处理的磁场方向相吻合，防止产生磁化差角使磁钢的磁性能降低。
3）回火过程
回火处理是进一步提高合金Hc和BH的必要环节，通过回火可以使α1相更变成富Fe、Co的强磁性相，而α2相变成富Ni、Al的弱磁性相。即回火后α1相单畴粒子的铁磁性和α2相的非铁磁性均有所增大，从而导致Hc和BH的提高，但是Br会略有降低。当采用单级回火工艺时，Hc和BH升高后又降低，但是经次级较低的温度回火时则磁性可以得到恢复或改善。目前采用的是：在600℃、570℃、540℃各保温4小时的三级回火制度和在600℃、580℃各保温4小时的两级回火制度，然后空冷的工艺方案来进一步提高磁钢的Hc和BH。
四： 铸造工艺方面的改进
1）用覆膜砂造型工艺替代粘土砂造型工艺
粘土砂造型工艺，生产效率低，表面质量差，内部非金属夹杂物较多，磁钢成品率较低。同时粘土砂造型工艺在浇注时会产生大量的粉尘、有害气体等对环境的污染。采用覆膜砂造型工艺解决了以下问题：
a) 减少污染：由于粘土砂加入不能重复利用的助燃物煤粉，造成资源的浪费，同时燃烧产生的还原性气体及残留的灰分对大气及工作环境造成严重污染。而覆膜砂是一种采用优质精选天然砂为砂基，经过特殊性能的树脂混合而成，用砂量少，使用后的废砂全部回收利用，工作现场干净，工作环境明显改善。
b)覆膜砂砂层薄，用砂量比粘土砂造型少10-20倍，使用后的型砂可以再生循环利用，生产成本低，浪费小。
c)粘土砂型硬度低，退让性大，浇注时涨砂、掉砂、气孔、缩松等铸造缺陷严重，造成外观质量差，内部缺陷多，废品率高。覆膜砂造型中的骨料是经过高温焙烧，降低了燃烧后砂型的膨胀量，固化后砂型的强度高，发气量小。因此提高了磁钢铸件的外观及内部质量，提高了毛坯件的尺寸精度，减少后序磨削余量，节约稀有金属原材料。同时铸件毛坯成品率高，质量稳定。
d) 覆膜砂造型采用射芯机机械自动化造型，提高生产效率，缩短了造型时间，降低工人的劳动强度。
2) 合理规划浇注工艺
a) 快速熔炼：合金熔炼时在中频炉采用以每公斤1-1.5分钟的快速熔炼方法来减少合金熔化过程中各成分的氧化烧损及吸气，减少氧化夹渣物形成的条件。
b) 加料顺序：熔炼时采用合理的加料顺序以解决并减少熔炼时各成分配料的氧化烧损，得到准确的合金成分配比，从而确保所需的磁特性、机械性能和强度，同时可以节约稀有金属原材料。加料顺序不仅要考虑各配料元素与氧的结合力，还要考虑各配料元素的熔点。目前采用的加料工艺过程为：先将回炉料加入中频炉、然后加入纯铁；待回炉料和纯铁全部熔化后，再加入镍、钴进行熔炼；在熔炼过程中，用带有绝缘装置的搅拌棒不停地进行搅拌，防止“造桥”发生；待炉料全部熔化并升温到1550℃-1580℃时，再搅拌5-10次后除渣；最后加入铜、硫、钛及铝后出炉浇注。
c) 确定浇注温度：浇注温度太高，容易造成粘砂；浇注温度太低，气体来不及排出而凝固形成气孔；一般在1580℃左右进行浇注即可。
d) 为解决并防止磁钢内部产生夹渣及非金属夹杂物，提高磁钢铸件的表面质量。采用石墨浇包替代原来的手工粘土砂浇包，以减少铁水中的渣子；对所有的原材料在熔炼前用履带式抛丸机清除油污、氧化物及夹杂物并保持干燥。
e) 浇注时将原一人拎包浇注改为两人抬包浇注，使浇注过程更加安全、平稳。有效防止了冲砂、飞溅；实现浇注的快而准，防止浇注不足，避免紊流、液流中断而形成的冷隔造成对磁性的影响；便于在浇注过程中进行挡渣，防止溶渣及其它夹杂物进入型腔而产生夹渣，影响磁钢的内部质量。
f) 浇注完成后并保持30分钟，立即打开砂壳，去除周边覆膜砂使铸件空冷的工艺方法来替代原埋砂保温的工艺方法。其目的是采用控制磁钢铸造后的保温时间及冷却速度来控制晶粒的长大速度，防止晶粒粗大，以确保磁钢的机械性能和强度。同时可以减少因覆膜砂退让性相对较差而在磁钢内部产生较大的热应力，防止热裂。应注意防止过快的冷却速度会产生很大的内应力从而产生冷裂纹，因此需要考虑环境因素对开箱时间及冷却速度的影响。
3) 对配料中合金成分的烧损量进行合理的补损
在配料过程中需要对回炉料中易烧损的铝、镍及钴进行补损，以确保得到准确的成分配比，其补损量根据经验可按以下公式进行计算：
补损量=回炉料总重量×占合金的质量百分比×补损百分比
式中：铝的补损百分比为5-10%；镍、钴的补损百分比为0.5-1%。
五：高强度铸造铝镍钴永磁合金及其制备工艺的效果
通过对磁钢的合金成分、热处理及铸造工艺改进所形成的一种高强度铸造铝镍钴永磁合金及其制备工艺的实施，磁钢在满足产品磁特性要求的前提下，通过探伤及振动检验，成品率已提升到75-80%左右，机械性能和强度得到很大提高。
1）满足铁路安全型继电器产品对磁钢的磁特性要求，其中：剩磁Br≥850 mT、矫顽力Hc ≥55 KA/m、最大磁能积（BH）max ≥20 KJ/m3，
2）解决了磁钢铸造浇注时流动性能不好易产生冷隔，浇注成型后其内部断面可见晶粒粗大、肉眼可见非金属夹杂物，气孔、缩孔、裂纹等缺陷从而使磁钢强度不够，容易造成断裂的质量问题。
3）提高了磁钢铸件的外观质量及尺寸精度，减少后序磨削余量，节约稀有金属原材料，降低产品制造成本。
4）减少对环境的污染，满足环保要求，提高生产效率，降低工人的劳动强度，缩短了劳动时间。
六：结束语
磁钢的制备工艺繁杂、生产周期长，影响产品质量的因素还有很多。本文从磁钢的成分配比、铸造、热处理等方面提出一些初浅的见解，为各位读者针对铸造铝镍钴永磁合金的质量提升起到抛砖引玉作用，对于制备工艺中其它因素对磁钢质量的影响不再一一列举进行阐述。
参考文献
［1］金山器材厂.永磁合金工艺. [M].北京：北京冶金研究所.1975
［2］万永，编译. 铸造铝镍钴系永磁合.金. [M].北京：科学出版社.1973
［3］齐凤春.四机部1933所. 铸造铝镍钴永磁合金的热处理. [J] .1979
作者简介
贾辉,1970.05,男，汉族，毕业于兰州铁道学院（现：兰州交通大学），铁路行业工艺技术
（作者单位：西安融盛铁路成套设备有限责任公司）