1J22软磁合金(带材)热处理工艺试验研究及其应用

石英珂，徐 磊 ，胡晓雯

(中国电子科技集团公司第二十一研究所,上海200233)

0 引 言

1J22软磁合金(带材)是高饱和磁感应强度的铁钴钒软磁材料。该材料磁饱和强度较高(2.4 T),各向异性较小,在制作同等功率的电机时,可显著缩小该电机的体积。另外,该合金由于居里温度比较高,因此它能在一般软磁合金无法正常工作的温度较高的环境下继续工作,并能保持较为良好的磁性能,因此该材料作为航天同步、力矩等电机的电枢冲片在航天领域应用较为广泛。

近几年来,一般1J22软磁合金(带材)的真空退火处理,厚度0.2 mm和0.35 mm都采用同一工艺进行处理。此时,发现了一个现象,那就是0.35 mm厚的1J22软磁合金(带材)真空处理后的磁性能远低于0.2 mm厚的磁性能。因此初步判定该工艺可能仅适用于0.2 mm厚的1J22软磁合金(带材),而不适用于0.35 mm厚1J22软磁合金(带材)。如果仍然采用一般1J22(带材)热处理工艺规范对其进行退火处理,已经无法保证良好的磁性能,将严重影响产品的质量及电机的性能。由于该合金的含钴量(50%)较高,故其价格比较昂贵,更不能马虎对待。鉴于此,我们重新对1J22(带材)真空热处理工艺进行了各种试验和方案论证。通过几十炉次的试验,我们发现了问题所在,针对该问题我们重新优化工艺,然后结合产品处理,进一步稳定了该热处理工艺,使1J22(带材)热处理后的磁性能达到预

期水平。

1 铁钴钒合金概述

通常我们使用的1J22软磁材料(带材)是钴含量在50%左右的铁钴钒合金。该合金组织结构为体心立方晶格的单相固溶体,在900℃附近发生γ↔α相转变,当温度低于730℃时,产生有序化转变,形成FeCo超结构,无序的α相转变为有序α相[1]。并且该合金脆性较大,极易氧化。

2 合金化学成分对工艺及性能的影响

经过咨询材料进货方,发现进货厂方为了满足我们对0.35 mm厚1J22软磁合金硬度和提高切削加工的要求,故在冶炼时加入了少许杂质。材料成分对比如表1所示。

表1 化学成分对比(%)

由表1可知,0.35 mm厚1J22软磁合金的杂质多于0.2 mm,成分变化了,当然热处理工艺也必须相应地做调整。经过实践和试验,在保温温度上找到了问题所在。由于0.35 mm厚1J22软磁合金中加入了较多的杂质,因此它的最高退火温度必须降低。经过几十炉的摸索,找到了最适合0.35 mm厚1J22软磁合金(带材)的最高保温温度,即在850℃附近进行保温才能获得良好的磁性能。而原先所采用的工艺保温温度在890℃附近。原工艺与850℃工艺处理后所测得的磁性能对比如表2所示。

表2 0.35 mm厚1J22合金不同退火工艺下磁性能对比

由表2可看出,采用850℃保温温度新工艺所处理的0.35 mm厚1J22合金,B值大幅度提高,而矫顽力HC大幅度降低,通过分析验证,证明摸索出的新工艺是正确合理的。

3 真空退火中保温时间对1J22(带材)磁性能的影响

保温在磁性材料热处理工艺过程中是不可或缺的,保温时间的长短主要取决于真空热处理炉的规格和炉膛以及及等温区的大小。根据守则规定,以前我们1J22(带材)真空热处理一般保温采用3 h,最多不超过3.5 h,现经过不断摸索,发现保温时间5 h所处理的材料磁性能达到了优良水平。其原因有3点:(1)增加了保温时间,真空热处理炉的温度变得更加均匀;(2)5 h的保温时间已经基本能把合金的杂质去除干净;(3)合金中的晶粒进一步长大,更利于合金磁化,因此能显著提高1J22(带材)的磁性能。当然,过长的保温时间会使得1J22材料脆性增加,并增加机械加工的难度,因此一般我们不建议保温时间超过5 h。详见表3。

表3 保温时间对磁性能的影响

4 真空退火中真空度对1J22(带材)磁性能的影响

一般来说,1J22(带材)退火处理必须在氢气或真空中进行,由于条件限制,我们的1J22(带材)都是在真空热处理炉中进行处理。真空,顾名思义就是低于一个大气压力的气体状态。我们的真空炉之所以能达到真空状态,主要是通过机械泵、罗茨泵和扩散泵。1J22(带材)作为合金材料,随着温度的逐步升高,它会释放出大量气体及杂质等,同时真空炉自身的炉膛也会相应有水汽释放,此时真空度会比较低,约为1×10-1～3×10-2Pa。 在保温时,真空度则提升至5×10-3Pa左右。由于1J22(带材)特别容易氧化,因此真空度越高对该材料越有利。在高真空度下进行退火处理,可以保证1J22(带材)不被氧化,并且有利于去除和挥发有害气体及杂质,提高磁性能。

5 工艺优化后的应用

1J22软磁合金(带材)作为电枢铁心,是电机中的关键部件。因此1J22(带材)的磁性能直接影响电机最后的性能,在设计、工装、工艺相同的情况下对工艺优化前与优化后进行对比,应用结果对比如下:

某电机对起动电压有较高的要求,工艺优化前做过几轮产品,起动电压都无法达到设计要求,在工艺优化后起动电压已完全满足设计的要求。

6 结 语

本文详细叙述了1J22软磁合金(带材),由于化学成分的变化而导致热处理工艺的改变,尤其是保温温度的重新优化,是该材料热处理工艺的重中之重。经过多炉次的试验和探讨,证明了优化后的1J22软磁合金(带材)真空热处理工艺是科学合理的。应用于产品中也已取得了显著效果。

参考文献

[1] 《软磁合金手册》编写组,软磁合金手册[M].北京:冶金工业出版社,1974.

[2] 陈国钧.金属软磁材料及其热处理[M].北京:机械工业出版社,1986.

[3] 东北工学院、精密合金教研室.精密合金热处理[M].沈阳:东北工学院,1983.