淋處理對(duì)FeCo-2V-0.5Cr軟磁合金力學(xué)與磁學(xué)性能的影響

陳慈航，明開勝，畢曉昉

北京航空航天大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，北京 100191

FeCo合金是一類性能優(yōu)異的金屬軟磁材料，其飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度高，將其應(yīng)用于對(duì)磁力有一定要求的領(lǐng)域中，可以大大降低相關(guān)設(shè)備的重量，且該合金居里溫度高，具有其他軟磁合金很難實(shí)現(xiàn)的高溫磁穩(wěn)定性，因而在航空航天、電氣通信以及核工業(yè)等國(guó)防工業(yè)中有著重要的應(yīng)用［1-4］，但復(fù)雜的實(shí)際應(yīng)用環(huán)境要求FeCo合金不僅要具有優(yōu)異的軟磁學(xué)性能，還要具有良好的力學(xué)性能［5］。

由于FeCo二元合金較脆，一般通過添加原子分?jǐn)?shù)為2%的V以改善其加工性能［6］。為滿足實(shí)際需求，需要進(jìn)一步添加除V以外的微量元素以提高其抗拉強(qiáng)度和延展性等力學(xué)性能，然而合金化常常會(huì)使合金的磁性能嚴(yán)重惡化［7］。因此，尋找合適的添加元素并結(jié)合熱處理工藝使FeCo-2V合金在保證其良好磁學(xué)性能的基礎(chǔ)上提高其力學(xué)性能，成為國(guó)內(nèi)外相關(guān)領(lǐng)域研究者共同關(guān)注的熱點(diǎn)課題。

在本課題組的前期工作中，發(fā)現(xiàn)在FeCo-2V合金中添加原子分?jǐn)?shù)為0.5%的Cr，并在800℃下真空熱處理2 h，可使合金的力學(xué)性能獲得提高，且其軟磁性能的劣化最?。?］；此時(shí)合金抗拉強(qiáng)度與延伸率分別達(dá)到867.8 MPa和10.4%，而矯頑力可保持在2 Oe。為了進(jìn)一步提高該合金的力學(xué)性能而不影響其軟磁性能，本文首先通過改變熱處理時(shí)間，研究了組織結(jié)構(gòu)變化對(duì)該合金磁學(xué)與力學(xué)性能的影響規(guī)律，在此基礎(chǔ)上，又研究了不同的磁場(chǎng)熱處理對(duì)合金力學(xué)與磁學(xué)性能的影響規(guī)律，通過改變磁場(chǎng)熱處理過程中的磁場(chǎng)保溫時(shí)間和磁場(chǎng)撤除溫度，研究其對(duì)合金矯頑力與交流損耗的影響規(guī)律。

1 實(shí)驗(yàn)方法

合金成分為FeCo-2V-0.5Cr。該合金在Ar保護(hù)下，通過真空電弧熔煉進(jìn)行制備。除了Fe的純度達(dá)到99.99%外，其余單質(zhì)金屬的純度均為99.9%。熔煉所得的合金錠在1 200℃下進(jìn)行4 h的擴(kuò)散退火，合金通過鍛造成為板型試樣，在1 100℃下熱軋至3 mm厚后，通過冷軋成型獲得厚度為2 mm的金屬板材，最后對(duì)冷軋合金進(jìn)行不同工藝的真空熱處理。

熱處理后的合金通過電子探針（EPMA）觀察該合金的微觀組織結(jié)構(gòu)；通過振動(dòng)樣品磁強(qiáng)儀與直流B-H磁滯回線測(cè)試儀測(cè)量合金的矯頑力；通過交流B-H磁滯回線測(cè)試儀測(cè)量合金的交流損耗；用于力學(xué)性能測(cè)試的樣品，其尺寸為：厚1.8 mm，標(biāo)距18 mm，寬度3 mm。在INSTRON-8801力學(xué)性能測(cè)試機(jī)上進(jìn)行拉伸試驗(yàn)。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 熱處理時(shí)間對(duì)合金性能的影響規(guī)律

圖1為在熱處理溫度800℃下，經(jīng)過t=0.5、2.0、4.0和10.0 h不同時(shí)間的真空熱處理后，合金的組織結(jié)構(gòu)圖?？梢钥闯?，當(dāng)熱處理時(shí)間分別為0.5 h與4 h時(shí)，合金的晶粒尺寸分別為15μm與30μm，即合金的晶粒尺寸隨熱處理時(shí)間的增加而不斷增大。析出相的含量隨熱處理時(shí)間增加而增多，但熱處理時(shí)間大于2.0 h后，其含量不再有所變化；而析出相的尺寸隨熱處理時(shí)間不斷增大。這些結(jié)果表明，合金的晶粒尺寸、析出相含量與尺寸隨不同的熱處理時(shí)間有明顯的變化。

圖2為800℃下真空熱處理后，合金矯頑力隨熱處理時(shí)間的變化曲線?？梢钥闯?，隨著熱處理時(shí)間的增加，合金矯頑力呈現(xiàn)先迅速下降而后緩慢上升又略有下降的趨勢(shì)，在熱處理時(shí)間為0.5～2 h時(shí)出現(xiàn)最小值，即2.6～3.3 Oe。結(jié)合組織觀察，合金在該熱處理時(shí)間范圍內(nèi)，析出相含量較少且具有較小的尺寸，因此可以認(rèn)為對(duì)磁疇壁的釘扎作用較小，使矯頑力較低，呈現(xiàn)出良好的軟磁性能。而熱處理時(shí)間為4～10 h時(shí)，一方面析出物的含量與尺寸增大，對(duì)磁疇壁移動(dòng)起到釘扎作用，另一方面晶粒長(zhǎng)大減少了晶界對(duì)磁疇壁移動(dòng)的阻礙［9-10］，兩者的相互競(jìng)爭(zhēng)作用使合金的矯頑力在熱處理時(shí)間大于2 h后出現(xiàn)了先升高后降低的變化趨勢(shì)。

圖1 800℃下不同時(shí)間真空熱處理后合金的組織結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Organization microstructure images for alloys after different time of vacuum heat treatment at 800℃

圖2 800℃下真空熱處理后合金矯頑力隨熱處理時(shí)間的變化曲線Fig.2 Dependence curve of coercivity on heat treatment time for alloys after vacuum heat treatment at 800℃

圖3為在800℃下經(jīng)過不同時(shí)間真空熱處理后，合金抗拉強(qiáng)度與延伸率隨熱處理時(shí)間的變化曲線?？梢钥闯?，熱處理后合金的抗拉強(qiáng)度與延伸率均有所降低。顯然合金加熱到800℃后，其軋制組織消除，即發(fā)生了回復(fù)再結(jié)晶，位錯(cuò)極大程度降低，從而導(dǎo)致抗拉強(qiáng)度與延展率下降［11-12］。然而，隨著熱處理時(shí)間的增加，兩者又開始上升，在熱處理時(shí)間為2 h時(shí)達(dá)到極值后，此時(shí)抗拉強(qiáng)度與延伸率分別為867.8 MPa與10.4%。隨著熱處理時(shí)間的進(jìn)一步增加，抗拉強(qiáng)度與延伸率又發(fā)生不同程度的下降。結(jié)合組織觀察，當(dāng)熱處理時(shí)間大于0.5 h時(shí)，合金的析出相含量增多，析出強(qiáng)化作用增強(qiáng)［13-14］，同時(shí)也抑制了晶粒長(zhǎng)大，使合金抗拉強(qiáng)度和延伸率提高。隨著熱處理時(shí)間繼續(xù)增加至4～10 h，析出物的含量與尺寸增大的同時(shí)，晶粒開始長(zhǎng)大，從而導(dǎo)致合金的抗拉強(qiáng)度和延伸率下降。綜上所述，熱處理時(shí)間為0.5～2 h時(shí)有利于提高合金的相關(guān)力學(xué)性能。進(jìn)一步比較熱處理時(shí)間為2 h和10 h時(shí)的合金性能可以看出，矯頑力、抗拉強(qiáng)度和延伸率的變化分別為2 Oe、150 MPa和3%。在實(shí)際應(yīng)用中，服役溫度一般約為500～600℃，低于800℃［15］。因此，可以認(rèn)為該合金在實(shí)際應(yīng)用過程中能在較長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)基本保持良好的磁學(xué)與力學(xué)性能，具有較高的持久壽命。

圖3 800℃下不同時(shí)間真空熱處理后合金抗拉強(qiáng)度與延伸率隨熱處理時(shí)間的變化曲線Fig.3 Dependence curves of tensile strength and elongation on heat treatment time for alloys after different time of vacumm heat treatment at 800℃

2.2 磁場(chǎng)熱處理對(duì)合金性能的影響規(guī)律

通過研究熱處理時(shí)間對(duì)合金性能的影響，獲得了相關(guān)性能與組織結(jié)構(gòu)的關(guān)聯(lián)性，在此基礎(chǔ)上研究了磁場(chǎng)熱處理對(duì)合金性能的影響規(guī)律。

用于磁場(chǎng)熱處理的合金試樣尺寸為40 mm×8 mm。樣品在800℃下經(jīng)過2 h的真空熱處理后，接著在有附加磁場(chǎng)中、500℃下進(jìn)行保溫時(shí)間為30 min的真空熱處理。表1列出了磁場(chǎng)熱處理前后合金的抗拉強(qiáng)度與延伸率?？梢钥闯觯艌?chǎng)熱處理后合金的抗拉強(qiáng)度略有下降而延伸率卻略有上升，結(jié)合圖2所示結(jié)果，可以認(rèn)為力學(xué)性能的微小變化與附加磁場(chǎng)關(guān)系不大，而只是受溫度的影響所致。

圖4為不同磁場(chǎng)熱處理后合金的損耗對(duì)比與損耗分離圖。其中，磁場(chǎng)強(qiáng)度為0.5 T；P為損耗值；f為頻率；Ph與Pe分別為磁滯損耗與渦流損耗；樣品1為全程加磁場(chǎng)熱處理；樣品2為在冷卻至300℃時(shí)關(guān)閉外磁場(chǎng)；樣品3為全程不加磁場(chǎng)熱處理；樣品4為只進(jìn)行800℃下2 h熱處理；樣品5為沿樣品短軸方向全程加磁場(chǎng)熱處理。

表1 磁場(chǎng)熱處理前后合金的抗拉強(qiáng)度與延伸率Table 1 Tensile strength and elongation for alloys before and after magnetic field heat treatment

圖4 不同磁場(chǎng)熱處理后合金的損耗對(duì)比與損耗分離圖Fig.4 Loss comparison and loss separation images for alloys after different magnetic field heat treatments

當(dāng)沒有附加磁場(chǎng)時(shí)，樣品3的損耗相對(duì)樣品4有明顯增加，磁性能發(fā)生劣化。相比之下，樣品2和樣品1的損耗均與樣品4的損耗基本一致。比較冷卻過程中樣品2和樣品1的損耗，發(fā)現(xiàn)附加磁場(chǎng)撤除的溫度越低，越有利于抑制損耗的增加。這一結(jié)果表明，附加磁場(chǎng)可以提高該合金磁學(xué)性能的高溫穩(wěn)定性。進(jìn)一步對(duì)樣品1與樣品3的損耗進(jìn)行分離處理，結(jié)果如圖4（b）所示，可以看到，磁場(chǎng)熱處理使磁滯損耗大幅度降低，而渦流損耗略有降低。通過比較不同外磁場(chǎng)方向下的測(cè)試結(jié)果，發(fā)現(xiàn)樣品1的損耗明顯小于樣品5的損耗。通過對(duì)兩者矯頑力的對(duì)比，可以認(rèn)為附加磁場(chǎng)方向?qū)Υ艙p耗的影響是由平行于磁場(chǎng)方向的矯頑力小于垂直于磁場(chǎng)方向的矯頑力所致，這一結(jié)果與合金的矯頑力隨磁場(chǎng)熱處理保溫時(shí)間的變化相一致。

表2為500℃下磁場(chǎng)熱處理合金的矯頑力隨保溫時(shí)間的變化，磁場(chǎng)撤除溫度均為室溫?？梢钥闯?，矯頑力隨保溫時(shí)間的增加而呈現(xiàn)下降的趨勢(shì)，表明在該磁場(chǎng)熱處理?xiàng)l件下，樣品中產(chǎn)生了附加單軸各向異性，即附加磁場(chǎng)方向?yàn)槿菀状呕较颍?6］。進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)，500℃下，保溫時(shí)間從10 min增加至20 min時(shí)，合金的矯頑力下降了0.8 Oe，而保溫時(shí)間進(jìn)一步增加至30 min后，矯頑力只下降了0.2 Oe。顯然，保溫時(shí)間為20 min時(shí)就可以獲得這種磁場(chǎng)處理效果?？s短保溫時(shí)間，可以有效地節(jié)約成本，提高生產(chǎn)效率。

表2 500℃下磁場(chǎng)熱處理合金的矯頑力隨保溫時(shí)間的變化Table 2 Dependence of coercivity on annealing time for alloys treated by magnetic field at 500℃

3 結(jié) 論

1）800℃下熱處理后，F(xiàn)eCo-2V-0.5Cr合金中有第二相析出，通過控制析出物的數(shù)量和大小可使合金的抗拉強(qiáng)度、延伸率和矯頑力達(dá)到最佳，當(dāng)熱處理時(shí)間為2 h左右時(shí)，抗拉強(qiáng)度、延伸率和矯頑力分別為867 MPa、10.4%和2.0 Oe。

2）500℃下磁場(chǎng)熱處理對(duì)合金相關(guān)力學(xué)性能影響不大；但合金的矯頑力下降至1.6 Oe，同時(shí)可以抑制合金在高溫實(shí)際應(yīng)用中磁損耗的增加。

參 考 文 獻(xiàn)

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