章 晨，汪迪坤

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第二十一研究所，上海 200233)

0 引 言

同其它鐵鎳軟磁合金相比，1J50鐵鎳軟磁合金具有高飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度和中等的導(dǎo)磁率[1]，其生產(chǎn)工藝成熟，加工性好，表面不易發(fā)生腐蝕，廣泛用于中小功率變壓器、微電機(jī)、電磁離合器、屏蔽罩和導(dǎo)磁體等產(chǎn)品[2]。

在傳統(tǒng)生產(chǎn)中，加工產(chǎn)生的變形和殘余應(yīng)力會(huì)使1J50軟磁合金的磁性能下降，故通常將高溫退火作為零件加工的最終工序，以滿足磁性能的要求。但是在一些應(yīng)用場(chǎng)合，對(duì)零件的尺寸和形位公差同樣提出了較高要求，按傳統(tǒng)工藝流程加工的零件雖然磁性能滿足要求，但可能出現(xiàn)尺寸超差、形位公差不合格的問(wèn)題，合格率偏低。本文通過(guò)改進(jìn)工藝流程，增加熱處理過(guò)程，使零件同時(shí)滿足磁性能和尺寸公差要求[3]。

1 1J50的熱處理變形量

1J50軟磁合金為孿晶奧氏體，原始態(tài)晶粒較細(xì)分布不均勻，晶界多，位錯(cuò)密度大。經(jīng)過(guò)高溫退火，晶粒長(zhǎng)大，晶界減少，位錯(cuò)密度降低，從而提升了1J50軟磁合金的磁性能[4]。高溫退火變形是由于材料中殘余應(yīng)力得到釋放而在宏觀上表現(xiàn)出的尺寸變化，殘余應(yīng)力越大材料越容易變形。同時(shí)，材料在高溫中強(qiáng)度、剛度降低，在工藝過(guò)程中因?yàn)樽灾睾筒僮鞯年P(guān)系也更容易發(fā)生變形。而1J50軟磁合金的殘余應(yīng)力主要來(lái)源于：原材料冶煉鍛造等生產(chǎn)過(guò)程中產(chǎn)生的殘余應(yīng)力；零件在機(jī)械加工過(guò)程中因加工變形產(chǎn)生的殘余應(yīng)力[5-6]。

選取一根Φ60 mm×250 mm規(guī)格1J50棒料，加工制成樣環(huán)，規(guī)格編號(hào)如表1所示。

表1 樣環(huán)初始規(guī)格和編號(hào)

將1J50軟磁合金原材料制成的樣環(huán)(編號(hào)T1～T15)按圖1的熱處理曲線同一爐進(jìn)行真空熱處理，真空度5×10-3Pa，使用直流沖擊法對(duì)編號(hào)T1～T5樣環(huán)進(jìn)行磁性能測(cè)試，結(jié)果如表2所示，其熱處理前后外圓尺寸變化和圓度變化如表3所示。

圖1 1J50熱處理曲線

表2 1J50熱處理后磁性能

表3 樣環(huán)經(jīng)高溫退火后的尺寸變化

從表3中可以看到，經(jīng)過(guò)高溫退火，樣環(huán)尺寸變大，圓度放大，變形量不小于5 μm。在實(shí)際生產(chǎn)中，不對(duì)稱結(jié)構(gòu)零件的變形量會(huì)大于對(duì)稱結(jié)構(gòu)零件，同時(shí)加工切削參數(shù)也會(huì)影響殘余應(yīng)力的分布和釋放，導(dǎo)致變形量不同。故對(duì)零件尺寸公差要求較高的情況下，經(jīng)過(guò)高溫退火后的零件不能保證合格。

2 機(jī)械加工對(duì)磁性能的影響

研究表明，鐵鎳合金的磁導(dǎo)率μ0、μm和矯頑力Hc對(duì)結(jié)構(gòu)敏感，飽和磁化強(qiáng)度Bs對(duì)成份敏感[5]。對(duì)軟磁合金進(jìn)行機(jī)械加工，會(huì)導(dǎo)致合金表層晶粒發(fā)生不均勻變形，晶界變多，位錯(cuò)密度提高，從而使矯頑力增加，磁導(dǎo)率下降，而飽和磁化強(qiáng)度則變化不大。

將編號(hào)T6～T15的樣環(huán)進(jìn)行車削加工，加工至尺寸Φ40 mm×Φ32 mm×5 mm；編號(hào)T6～T10樣環(huán)僅加工外圓；編號(hào)T11～T15樣環(huán)內(nèi)外圓均加工。兩者外圓加工使用相同裝夾方式、相同規(guī)格全新刀具、相同加工參數(shù)。

用磁通計(jì)積分法對(duì)加工完成的樣環(huán)(編號(hào)T6～T15)進(jìn)行磁性能測(cè)試，結(jié)果如表4和表5所示。T1，T6，T11磁滯回線如圖2所示。

表4 高溫退火后的樣環(huán)經(jīng)車削后的磁性能

表5 車削后樣環(huán)平均磁性能相對(duì)于未車削樣環(huán)的下降百分比

圖2 未車削樣環(huán)T1和車削后T6,T11的磁滯回線(最大場(chǎng)強(qiáng)2 000 A/m)

對(duì)于環(huán)形導(dǎo)磁體，如果只有一個(gè)面或者小部分面尺寸要求較高時(shí)，可以根據(jù)實(shí)際磁性能要求，針對(duì)性地在熱處理后只加工這部分表面。

3 二次退火回復(fù)磁性能

在粗加工后，對(duì)零件進(jìn)行高溫退火再進(jìn)行精加工，雖然控制了尺寸，但晶粒變形變小與位錯(cuò)密度提高，導(dǎo)致磁性能下降很多。晶粒變形變小與位錯(cuò)密度提高主要集中在表層，而心部仍然保持原有結(jié)構(gòu)，其殘余應(yīng)力遠(yuǎn)低于高溫退火前的殘余應(yīng)力，如果在精加工后再進(jìn)行一次退火，其殘余應(yīng)力釋放后，對(duì)尺寸的影響也應(yīng)遠(yuǎn)小于第一次高溫退火。第二次退火必須控制溫度，不得過(guò)高，原因有兩點(diǎn)，一是減少熱處理過(guò)程中因材料剛度強(qiáng)度下降導(dǎo)致的變形，二是因?yàn)榻?jīng)第一次高溫退火后的心部晶粒大小是最佳尺寸，晶體晶粒生長(zhǎng)速率會(huì)隨著溫度上升而加快，為了避免心部晶粒過(guò)于粗大導(dǎo)致機(jī)械性能和磁性能的雙重惡化，可以將零件加工至快冷溫度上300 ℃左右進(jìn)行第二次退火，促使奧氏體再結(jié)晶，均勻化表層晶粒，減少位錯(cuò)密度，提高磁性能。

選用兩種加熱溫度分別對(duì)T6，T11和T7，T12進(jìn)行第二次退火，如圖3、圖4所示。

圖3 T6，T11樣環(huán)熱處理曲線(800 ℃，3 h)

圖4 T7，T12樣環(huán)熱處理曲線(860 ℃，3 h)

對(duì)T6，T11和T7，T12再次進(jìn)行磁測(cè)，結(jié)果如表6所示，磁滯回線如圖5、圖6所示。

表6 樣環(huán)二次退火后的磁性能及相對(duì)于T1～T5高溫退火后平均磁性能的百分比

圖5 未車削樣環(huán)T1和T6，T11二次退火后的磁滯回線(最大場(chǎng)強(qiáng)2 000 A/m)

圖6 未車削樣環(huán)T1和T7，T12二次退火后的磁滯回線(最大場(chǎng)強(qiáng)2 000 A/m)

經(jīng)過(guò)第二次退火后(860 ℃，3 h)，內(nèi)外圓均加工樣環(huán)T12和僅外圓加工樣環(huán)T7的磁導(dǎo)率均能達(dá)到高溫退火樣環(huán)的80%左右，矯頑力都能回復(fù)到高溫退火樣環(huán)的120%以下，得到和T1近似的磁滯回線。

對(duì)T1，T6，T7樣環(huán)取樣表面磨平、拋光，使用王水腐蝕1 min，其金相組織如圖7～圖11所示。

圖7 T1的金相組織 圖8 T6的加工處金相組織

圖9 T6心部金相組織 圖10 T7加工處金相組織

圖11 T7心部金相組織

從金相圖看，三者均為孿晶奧氏體，T6加工處晶粒形狀不規(guī)則，整體偏小，最靠近邊緣處還能看到明顯擠壓變形；T7加工處晶粒形狀趨向于等軸，無(wú)明顯變形，尺寸比T6稍大，兩者均小于心部晶粒，T1，T6，T7三者心部晶粒大小相似?？梢姡瓮嘶鹬饕羌庸ぬ幵俳Y(jié)晶、晶粒均勻化、重新長(zhǎng)大的過(guò)程，從而使磁性能回復(fù)，而且二次退火后心部晶粒未見明顯長(zhǎng)大。

4 二次退火后尺寸變化

使用三坐標(biāo)測(cè)量?jī)x對(duì)T6，T7，T11，T12二次退火前后的外圓尺寸和圓度進(jìn)行了測(cè)量比對(duì)，結(jié)果如表7所示，參考表3可見，樣環(huán)二次退火后的熱處理變形量明顯小于樣環(huán)高溫退火后的變形量，所以精加工后進(jìn)行二次退火的方法是可行的，其同時(shí)滿足了磁性能和尺寸精度要求。

表7 二次退火后樣環(huán)的尺寸變化

5 結(jié) 語(yǔ)

1J50軟磁合金樣環(huán)磁性能經(jīng)過(guò)高溫退火后達(dá)到最佳，經(jīng)過(guò)機(jī)械加工后，其磁性能急劇下降，加工面積越大，下降幅度越多。如果只對(duì)部分尺寸有較高要求，同時(shí)允許磁性能有所損失，則可以采取退火后只加工部分表面的工藝流程來(lái)滿足使用要求。

對(duì)機(jī)械加工后的樣環(huán)進(jìn)行二次退火(860 ℃，3 h)后，其磁導(dǎo)率能基本回復(fù)至第一次退火后的80%左右、矯頑力能回復(fù)至120%以下，此時(shí)其尺寸變化也很小。

因此，對(duì)磁性能和尺寸要求都較高的情況下，可以根據(jù)零件實(shí)際情況，在零件精加工滿足尺寸要求后，再進(jìn)行二次退火的工藝流程。