高强度型FeCo软磁合金微观组织研究

韩 劲,杨根林,倪志铭,王二敏

(北京航空材料研究院,北京100095)

高强度型FeCo软磁合金微观组织研究

韩 劲,杨根林,倪志铭,王二敏

(北京航空材料研究院,北京100095)

通过观察FeCo软磁合金带材退火热处理后的微观组织,对比常规1J21,1J22和高强度FeCo合金冷轧带材在不同温度退火后的组织变化。随着温度的上升,组织晶粒度增大,在840℃时,1J21和1J22的晶粒明显粗化,且不均匀,而高强度合金则依然保持均匀,大小在20μm以内。结果表明:晶粒细化是合金强化的重要因素。在高速电机中应用FeCo合金带材,必须综合考虑磁性能和力学性能,精密控制热处理组织是保证质量的关键。

FeCo软磁合金;精密热处理;高强度软磁合金;高速电机

随着我国飞机工业的发展,飞机智能化、信息化程度不断提高,各系统对电力的需求越来越多,飞机主发电机功率的设计指标要求不断增大,如国内主要飞机的发电机功率将由30kW逐步提升到60,120kW甚至250kW。为实现功率的提升,发电机的设计转速提高、体积(电机直径)增大,因此,发电机转子的线速度将大幅提高[1-4]。这样就要求制作转子的FeCo合金带材强度和韧性也必须大幅提高。为满足航空发电机的软磁合金需求,研制了新型高强度FeCo合金冷轧带材[5],其抗拉强度σb=1190M Pa,屈服强度σ0.2= 610M Pa,延伸率δ5=15.0%,饱和磁感应强度Bs= 21231T,矫顽力Hc=134.2A/m,在磁性能相对于国内商业牌号1J22冷轧带材基本不劣化的条件下,力学性能提高将近一倍,韧性也得到大幅提高。为了分析其强化机理,观察了其不同热处理条件下微观金相组织的变化,并和常规牌号1J22和1J21冷轧带材进行了比较。

1 实验

合金成分采用了Fe49Co49V 2为主的配方,添加元素为Cr,Nb等,采用真空中频感应熔炼获得合金铸锭,经过开坯锻造成方板,然后经过热轧和冷轧,制备了厚度δ为0.35mm的冷轧带材。合金的热处理采用了常用的氢气保护热处理方式进行,实验温度650～860℃。为了比较,将两种不同成分的带材同时进行取样,分别是常规牌号1J22和低矫顽力型1J21合金带材,前者V含量为2.0%(质量分数,下同),后者V含量为1.3%。合金试样采用化学浸蚀法处理。

2 结果分析和讨论

热处理后的试样使用体积分数为4%硝酸酒精作为浸蚀剂处理后,用光学显微镜分别观察高强度合金,1J22和1J21三种成分、厚度为0.35mm带材不同热处理温度下的微观组织。

2.1 低温热处理组织

低温热处理组织属于细微组织,680℃热处理后1J21,1J22,高强度合金0.35mm带材的微观组织如图1所示。由图1看到成片灰色组织和白亮组织,沿轧制方向呈条形分布。大致可以看出不同成分之间的微小差别,高强度合金的白亮组织比例较大,而1J21成分的灰色组织比例较大。

图1 680℃热处理后1J21,1J22,高强度合金0.35mm带材微观组织(a)1J21;(b)1J22;(c)高强度合金Fig.1 Themicrostructuresof 1J21,1J22 and high strength type belts with 0.35mm after annealed at 680℃(a)1J21;(b)1J22;(c)high strength alloy

图2为680℃热处理后高强度合金0.35mm带材微观组织照片。其形貌有些类似于枝状组织。从图2可知,灰色组织穿插在白亮组织之中,其中灰色组织方向基本与轧制方向垂直,白亮组织方向基本与轧制方向平行。图2上部以灰色组织为主,下部以白亮组织为主。在图片下部,白亮组织比较粗大,而上部白亮组织则相对细小或消失。上部灰色组织是退火后的再结晶组织,而白亮组织是还未开始再结晶的轧制态组织。680℃热处理后,再结晶过程已经发生,再结晶晶粒非常细小,但反应还不充分,处于两种组织并存的状态。

2.2 中温热处理组织

图2 680℃热处理后高强度合金0.35mm带材微观组织Fig.2 Themicrostructure of high strength type belts with 0.35mm after annealed at 680℃

图3是1J21,1J22和高强度合金带材在760℃热处理后的组织照片,可以看出,760℃时1J21和1J22看不出轧制的方向,已经完全再结晶,组织比较均匀,高强度合金还保留有轧制的方向特征,但也基本完成再结晶。对比晶粒的大小,高强度合金明显小得多, 1J21最大,约为20μm。

图3 760℃热处理后1J21,1J22和高强度合金0.35mm带材微观组织(a)1J21;(b)1J22;(c)高强度合金Fig.3 Themicrostructures of 1J21,1J22 and high strength type belts with 0.35mm after annealed at 760℃(a)1J21;(b)1J22;(c)high strength alloy

2.3 高温热处理组织

图4是1J21,1J22和高强度合金带材在840℃热处理后的组织照片。可以看出,840℃时1J21晶粒已经明显粗化,而且不均匀,1J22晶粒还比较均匀,有个别长大现象,高强度合金则已经完全再结晶,晶粒细小均匀,多数不到20μm。

图4 840℃热处理后1J21,1J22和高强度合金0.35mm带材微观组织(a)1J21;(b)1J22;(c)高强度合金Fig.4 Themicrostructures of 1J21,1J22 and high strength type belts with 0.35mm after annealed at 840℃(a)1J21;(b)1J22;(c)high strength alloy

综上所述,FeCo合金带材的热处理过程中组织的变化大致按以下规律:冷轧组织—沿平行于轧制方向产生再结晶—再结晶沿垂直于轧制方向呈枝状扩展—完全再结晶的均匀细晶粒—均匀长大—非均匀长大—粗大晶粒组织。

对比三种合金的成分,除Fe,Co元素外,1J21添加元素V的含量低,高强度合金除V外,还添加了Nb等。从其微观组织的不同可以看出,V,Nb的添加对晶粒的细化作用明显,尤其是Nb显著提高了带材的再结晶温度,延缓了再结晶晶粒随温度的升高而变大的趋势,并且在840℃时晶粒还很均匀细小。

结合力学性能的结果[1],可以认为,细化的晶粒组织提高了合金的强度以及韧性。但晶粒细化由于增加了晶界面积,必然会导致磁畴转变更加困难,磁性能相反会降低。因此,要同时使合金的磁性能和力学性能满足设计要求,必须考虑热处理及其组织状态。从实验结果来看,通过合金成分和热处理调整是可以实现的,但由于带材加工过程中不同批次合金冷轧过程的不一致,会产生变形量的不同,同一批次的合金也会出现变形不均匀的情况,因此,作为一种新的研究材料,考核其技术条件时,对于热处理条件和最终组织的控制也是十分重要的工作。在以往的FeCo合金生产和考核时,往往只检查磁性能,而不要求力学性能和组织控制,在今后的应用中,这种惯例应该进行改变,尤其是高转速电机转子用软磁合金,对其加以重视是十分有必要的。

3 结论

(1)高强度FeCo软磁合金相对于常规1J21和1J22合金,再结晶温度提高,在相同热处理条件下晶粒更细化。

(2)高强度FeCo软磁合金在840℃热处理后还能保持晶粒在20μm以内,且比较均匀。

(3)高速发电机转子用的软磁合金同时提出了磁性能要求和力学性能要求,使用时必须严格控制热处理制度和合金组织状态。

[1] FINGERSR T,RUBERTUSC S.Application of high tempera2 ture magneticmaterials[J].IEEE Transon Magn,2000,36(5): 3373—3375.

[2] 方昌德.航空发动机的发展历程[M].北京:航空工业出版社, 2007.165—166.

[3] 张伟.航空发动机[M].北京:航空工业出版社,2008.421—422.

[4] 周磊,金自力,张羊换,等.铁钴基软磁材料合金化的研究进展[J].金属功能材料,2006,13(6):38—41.

[5] 韩劲,倪志铭,杨根林,等.高强度型Fe2Co软磁合金研制[J].金属功能材料,2010,323(4):13—16.

Study on M icrostructure of FeCo Soft M agnetic A lloys w ith High Strength

HAN Jin,YANG Gen2lin,N IZhi2ming,WANG Er2min
(Beijing Institute of Aeronautical Materials,Beijing 100095,China)

M icrostructures of cold2rolling belts of FeCo soft magnetic alloys were observed and com2 pared f rom different typesof 1J21,1J22 and high strength alloy at different anneal treatment tempera2 ture.The grains grow up as treatment temperature goes up.A t high temperature of 840℃,the grains of 1J21 and 1J22 turn to coarse and asymmetry,but the grains of high strength type keep around 20μm and equality.The results indicate that the refinement of grains is the main facto r of consolida2 tion of FeCo alloys.To be dep loyed in high speed motors,the p roper synthesisof magnetic p roperties and mechanical p roperties of rolling belts m ust be considered.The microstructure control through p recise heat treatment is very important.

FeCo soft magnetic alloy;p recise heat treatment;high strength soft magnetic alloy;high speed motor

TG132.2+71

A

100124381(2010)0820078203

2009206202;

2010205206

韩劲(1971—),男,硕士,高级工程师,从事方向:金属功能材料,联系地址:北京市81信箱72分箱(100095),E2mail:jinhan_biam@ sina.com