1J22軟磁合金(帶材)熱處理工藝試驗(yàn)研究及其應(yīng)用

石英珂，徐 磊 ，胡曉雯

(中國電子科技集團(tuán)公司第二十一研究所,上海200233)

0 引 言

1J22軟磁合金(帶材)是高飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度的鐵鈷釩軟磁材料。該材料磁飽和強(qiáng)度較高(2.4 T),各向異性較小,在制作同等功率的電機(jī)時,可顯著縮小該電機(jī)的體積。另外,該合金由于居里溫度比較高,因此它能在一般軟磁合金無法正常工作的溫度較高的環(huán)境下繼續(xù)工作,并能保持較為良好的磁性能,因此該材料作為航天同步、力矩等電機(jī)的電樞沖片在航天領(lǐng)域應(yīng)用較為廣泛。

近幾年來,一般1J22軟磁合金(帶材)的真空退火處理,厚度0.2 mm和0.35 mm都采用同一工藝進(jìn)行處理。此時,發(fā)現(xiàn)了一個現(xiàn)象,那就是0.35 mm厚的1J22軟磁合金(帶材)真空處理后的磁性能遠(yuǎn)低于0.2 mm厚的磁性能。因此初步判定該工藝可能僅適用于0.2 mm厚的1J22軟磁合金(帶材),而不適用于0.35 mm厚1J22軟磁合金(帶材)。如果仍然采用一般1J22(帶材)熱處理工藝規(guī)范對其進(jìn)行退火處理,已經(jīng)無法保證良好的磁性能,將嚴(yán)重影響產(chǎn)品的質(zhì)量及電機(jī)的性能。由于該合金的含鈷量(50%)較高,故其價格比較昂貴,更不能馬虎對待。鑒于此,我們重新對1J22(帶材)真空熱處理工藝進(jìn)行了各種試驗(yàn)和方案論證。通過幾十爐次的試驗(yàn),我們發(fā)現(xiàn)了問題所在,針對該問題我們重新優(yōu)化工藝,然后結(jié)合產(chǎn)品處理,進(jìn)一步穩(wěn)定了該熱處理工藝,使1J22(帶材)熱處理后的磁性能達(dá)到預(yù)

期水平。

1 鐵鈷釩合金概述

通常我們使用的1J22軟磁材料(帶材)是鈷含量在50%左右的鐵鈷釩合金。該合金組織結(jié)構(gòu)為體心立方晶格的單相固溶體,在900℃附近發(fā)生γ?α相轉(zhuǎn)變,當(dāng)溫度低于730℃時,產(chǎn)生有序化轉(zhuǎn)變,形成FeCo超結(jié)構(gòu),無序的α相轉(zhuǎn)變?yōu)橛行颚料郲1]。并且該合金脆性較大,極易氧化。

2 合金化學(xué)成分對工藝及性能的影響

經(jīng)過咨詢材料進(jìn)貨方,發(fā)現(xiàn)進(jìn)貨廠方為了滿足我們對0.35 mm厚1J22軟磁合金硬度和提高切削加工的要求,故在冶煉時加入了少許雜質(zhì)。材料成分對比如表1所示。

表1 化學(xué)成分對比(%)

由表1可知,0.35 mm厚1J22軟磁合金的雜質(zhì)多于0.2 mm,成分變化了,當(dāng)然熱處理工藝也必須相應(yīng)地做調(diào)整。經(jīng)過實(shí)踐和試驗(yàn),在保溫溫度上找到了問題所在。由于0.35 mm厚1J22軟磁合金中加入了較多的雜質(zhì),因此它的最高退火溫度必須降低。經(jīng)過幾十爐的摸索,找到了最適合0.35 mm厚1J22軟磁合金(帶材)的最高保溫溫度,即在850℃附近進(jìn)行保溫才能獲得良好的磁性能。而原先所采用的工藝保溫溫度在890℃附近。原工藝與850℃工藝處理后所測得的磁性能對比如表2所示。

表2 0.35 mm厚1J22合金不同退火工藝下磁性能對比

由表2可看出,采用850℃保溫溫度新工藝所處理的0.35 mm厚1J22合金,B值大幅度提高,而矯頑力HC大幅度降低,通過分析驗(yàn)證,證明摸索出的新工藝是正確合理的。

3 真空退火中保溫時間對1J22(帶材)磁性能的影響

保溫在磁性材料熱處理工藝過程中是不可或缺的,保溫時間的長短主要取決于真空熱處理爐的規(guī)格和爐膛以及及等溫區(qū)的大小。根據(jù)守則規(guī)定,以前我們1J22(帶材)真空熱處理一般保溫采用3 h,最多不超過3.5 h,現(xiàn)經(jīng)過不斷摸索,發(fā)現(xiàn)保溫時間5 h所處理的材料磁性能達(dá)到了優(yōu)良水平。其原因有3點(diǎn):(1)增加了保溫時間,真空熱處理爐的溫度變得更加均勻;(2)5 h的保溫時間已經(jīng)基本能把合金的雜質(zhì)去除干凈;(3)合金中的晶粒進(jìn)一步長大,更利于合金磁化,因此能顯著提高1J22(帶材)的磁性能。當(dāng)然,過長的保溫時間會使得1J22材料脆性增加,并增加機(jī)械加工的難度,因此一般我們不建議保溫時間超過5 h。詳見表3。

表3 保溫時間對磁性能的影響

4 真空退火中真空度對1J22(帶材)磁性能的影響

一般來說,1J22(帶材)退火處理必須在氫氣或真空中進(jìn)行,由于條件限制,我們的1J22(帶材)都是在真空熱處理爐中進(jìn)行處理。真空,顧名思義就是低于一個大氣壓力的氣體狀態(tài)。我們的真空爐之所以能達(dá)到真空狀態(tài),主要是通過機(jī)械泵、羅茨泵和擴(kuò)散泵。1J22(帶材)作為合金材料,隨著溫度的逐步升高,它會釋放出大量氣體及雜質(zhì)等,同時真空爐自身的爐膛也會相應(yīng)有水汽釋放,此時真空度會比較低,約為1×10-1～3×10-2Pa。 在保溫時,真空度則提升至5×10-3Pa左右。由于1J22(帶材)特別容易氧化,因此真空度越高對該材料越有利。在高真空度下進(jìn)行退火處理,可以保證1J22(帶材)不被氧化,并且有利于去除和揮發(fā)有害氣體及雜質(zhì),提高磁性能。

5 工藝優(yōu)化后的應(yīng)用

1J22軟磁合金(帶材)作為電樞鐵心,是電機(jī)中的關(guān)鍵部件。因此1J22(帶材)的磁性能直接影響電機(jī)最后的性能,在設(shè)計(jì)、工裝、工藝相同的情況下對工藝優(yōu)化前與優(yōu)化后進(jìn)行對比,應(yīng)用結(jié)果對比如下:

某電機(jī)對起動電壓有較高的要求,工藝優(yōu)化前做過幾輪產(chǎn)品,起動電壓都無法達(dá)到設(shè)計(jì)要求,在工藝優(yōu)化后起動電壓已完全滿足設(shè)計(jì)的要求。

6 結(jié) 語

本文詳細(xì)敘述了1J22軟磁合金(帶材),由于化學(xué)成分的變化而導(dǎo)致熱處理工藝的改變,尤其是保溫溫度的重新優(yōu)化,是該材料熱處理工藝的重中之重。經(jīng)過多爐次的試驗(yàn)和探討,證明了優(yōu)化后的1J22軟磁合金(帶材)真空熱處理工藝是科學(xué)合理的。應(yīng)用于產(chǎn)品中也已取得了顯著效果。

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