在磁浮轴承或飞轮技术中，高速旋转 （50,000-80,000 rpm） 的锻造部件需要高感应软磁合金。 Hiperco® 合金 27 （Co27-Fe） 具有延展性，具有高磁饱和度 （24 kG），但屈服应力低 （35-55 ksi）。这项工作报道了一种碳强化 Co27铁-C0.23 具有高屈服应力 （75-85 ksi）、高感应（H=20 和 21 Oe 时分别为 B=100 和 150 kG）和良好延展性（1 英寸伸长率 =21%）的合金。锻造后退火对于实现高磁感应、高屈服应力和良好延展性的理想组合至关重要。
凭借低摩擦和不含易燃润滑剂的优点，磁浮轴承已在高速和高功率设备（如压缩机、发动机和发电机）中取代滚珠轴承，尤其是在飞机和其他高端应用中。具有高饱和矩的 Fe-Co 材料是满足高推力/重量比要求的候选材料。公司49铁49V2 (Hiperco® 合金 50）带材在近有序状态下表现出优异的软磁性能，可考虑用于用作径向磁轴承转子/定子的叠片 [1-2].然而，推力磁轴承盘、轴颈或轴必须使用具有高感应性、良好延展性和高强度的锻造块状材料。公司27Fe（Hiperco Alloy 27，无有序倾向）具有良好的延展性和高感应性，但其屈服应力 （35-55 ksi） 太低。低碳钢或马吉钢具有良好的机械强度，但感应强度要低得多，是上述应用的唯一可用材料;然而，这导致更重、更不紧凑的设备不适合飞机应用。我们发现碳有效地增加了 Co 的屈服应力27Fe 合金，同时保持良好的延展性和高感应性[3].该材料可以被认为是推力轴承应用的更好选择。本文介绍了 Co 的详细研究27-铁-CX （x=0-1.2 wt %） 合金。
合金是通过真空感应熔炼 （30-400 lbs） 制备的。将铸锭加热至 1200 °C，然后锻造成坯料。合金具有优良的热加工性，适合锻造。我们使用环形样品进行直流磁测试。拉伸试样由标距长度为 1 英寸、直径为 0.25 英寸的锻造板加工而成。热处理是在干燥的氢气气氛中进行的。如果不考虑光亮的表面，也可以采用真空退火。磁性和机械测试在室温下进行。
Hiperco 合金 27（碳痕量 0.0005 wt %）在 900 °C/24 小时下退火，作为参考点，在 Co 中显示出最高的磁性。27-Fe 合金但强度低（屈服和极限拉伸应力分别为 34.8 ksi 和 56.8 ksi）。通过增加碳含量，屈服强度可以从 35-54 ksi 提高到 75-85 ksi，极限拉伸强度从 57-93 ksi 提高到 116-139 ksi，具体取决于退火温度。然而，过多的碳添加 （>0.3 wt %） 会降低延展性（观察到较小的伸长率），而屈服强度不会进一步提高。微观结构研究表明，石墨颗粒在那些高碳 （> 0.6wt %） 合金中形成。很明显，碳的溶解度在 Fe 中大大降低了 27 wt % Co。
为了获得更好的机械强度，尽管磁性能略低，但仍应使用较低的退火温度 （730-760 °C）。较高的温度 （800-900°C） 退火导致更高的磁导率但较低的屈服强度。碳是奥氏体形成剂，因此会降低 g 相变温度。Co 的退火温度27-铁-Cx 最好保持在 800 °C 以下，以避免 g 相沉淀。冷却速率似乎对屈服强度有影响。退火后较慢的冷却速度往往会导致更高的屈服强度。我们强烈建议采用以下热处理参数：锻造和机加工部件在 760 °C 下退火 2 小时，然后在干氢中以 100 °C/小时缓慢冷却。
随着碳含量的增加，较低测试场（例如 30 Oe）的磁感应显示出更敏感的变化。相比之下，饱和感应（高磁场测试点）受少量碳添加的影响较小。这意味着少量的碳添加有效地降低了磁导率，但仅在单相合金（碳 < 0.23 wt %）中以更小的程度稀释了饱和矩。在具有两相结构（碳 > 0.6 wt %）的合金中，石墨相不利于减少磁感应并显着恶化磁导率。
基于上述观察，我们得出结论，碳含量 0.23 wt % 是屈服强度、延展性和磁感应的最佳组合。Hiperco Alloy 27 HS 是一种市售合金，成分为 Co27-铁-C0.23 .Hiperco 合金 27 HS 的磁感应，在表 I 中列为 Co27-铁-C0.225 合金，仍然远远超过了 Hiperco 合金 801（27 型合金）棒材产品的 ASTM A2 标准要求。
Co 的应力-应变曲线中出现屈服点升高27-铁-Cx 合金，表明碳进入 Co-Fe 晶格的间隙位点形成“Cottrell 气氛”。碳还可以将晶粒尺寸从 Hiperco 合金 4 的 ASTM 5-27 降低到 Hiperco 合金 8 HS 的 ASTM 9-27。由于晶粒尺寸较小，Co27铁-C0.23 是 12 Oe，而 Co 为 5.1 Oe27铁合金。固溶体和晶粒细化被认为是这种合金的两种主要强化机制。
B. 退火前锻造合金的性能
锻造 Co27-铁-Cx 合金很脆。“碳带”（常见于碳钢）在 1200 °C 加热后锻造后形成。这种高/低碳相结构是导致锻态材料脆性的原因。锻造后退火可以使碳分布均匀化，通过电子探针分析对退火和未退火的 Hiperco 合金 27 HS 样品进行碳映射来确认，从而消除“碳带”并提高延展性。
锻造和机械加工后，使用 Hiperco Alloy 27 HS 制成的部件必须进行退火，以确保安全运行并达到最佳磁性。
0.23 wt % 碳添加到 Co 中27Fe 合金显着提高了机械强度，同时提供高感应和良好的延展性。锻造后退火对于获得磁性和机械性能的必要组合至关重要。
