高強度型FeCo軟磁合金微觀組織研究

韓 勁,楊根林,倪志銘,王二敏

(北京航空材料研究院,北京100095)

高強度型FeCo軟磁合金微觀組織研究

韓 勁,楊根林,倪志銘,王二敏

(北京航空材料研究院,北京100095)

通過觀察FeCo軟磁合金帶材退火熱處理后的微觀組織,對比常規(guī)1J21,1J22和高強度FeCo合金冷軋帶材在不同溫度退火后的組織變化。隨著溫度的上升,組織晶粒度增大,在840℃時,1J21和1J22的晶粒明顯粗化,且不均勻,而高強度合金則依然保持均勻,大小在20μm以內(nèi)。結(jié)果表明:晶粒細化是合金強化的重要因素。在高速電機中應用FeCo合金帶材,必須綜合考慮磁性能和力學性能,精密控制熱處理組織是保證質(zhì)量的關(guān)鍵。

FeCo軟磁合金;精密熱處理;高強度軟磁合金;高速電機

隨著我國飛機工業(yè)的發(fā)展,飛機智能化、信息化程度不斷提高,各系統(tǒng)對電力的需求越來越多,飛機主發(fā)電機功率的設(shè)計指標要求不斷增大,如國內(nèi)主要飛機的發(fā)電機功率將由30kW逐步提升到60,120kW甚至250kW。為實現(xiàn)功率的提升,發(fā)電機的設(shè)計轉(zhuǎn)速提高、體積(電機直徑)增大,因此,發(fā)電機轉(zhuǎn)子的線速度將大幅提高[1-4]。這樣就要求制作轉(zhuǎn)子的FeCo合金帶材強度和韌性也必須大幅提高。為滿足航空發(fā)電機的軟磁合金需求,研制了新型高強度FeCo合金冷軋帶材[5],其抗拉強度σb=1190M Pa,屈服強度σ0.2= 610M Pa,延伸率δ5=15.0%,飽和磁感應強度Bs= 21231T,矯頑力Hc=134.2A/m,在磁性能相對于國內(nèi)商業(yè)牌號1J22冷軋帶材基本不劣化的條件下,力學性能提高將近一倍,韌性也得到大幅提高。為了分析其強化機理,觀察了其不同熱處理條件下微觀金相組織的變化,并和常規(guī)牌號1J22和1J21冷軋帶材進行了比較。

1 實驗

合金成分采用了Fe49Co49V 2為主的配方,添加元素為Cr,Nb等,采用真空中頻感應熔煉獲得合金鑄錠,經(jīng)過開坯鍛造成方板,然后經(jīng)過熱軋和冷軋,制備了厚度δ為0.35mm的冷軋帶材。合金的熱處理采用了常用的氫氣保護熱處理方式進行,實驗溫度650～860℃。為了比較,將兩種不同成分的帶材同時進行取樣,分別是常規(guī)牌號1J22和低矯頑力型1J21合金帶材,前者V含量為2.0%(質(zhì)量分數(shù),下同),后者V含量為1.3%。合金試樣采用化學浸蝕法處理。

2 結(jié)果分析和討論

熱處理后的試樣使用體積分數(shù)為4%硝酸酒精作為浸蝕劑處理后,用光學顯微鏡分別觀察高強度合金,1J22和1J21三種成分、厚度為0.35mm帶材不同熱處理溫度下的微觀組織。

2.1 低溫熱處理組織

低溫熱處理組織屬于細微組織,680℃熱處理后1J21,1J22,高強度合金0.35mm帶材的微觀組織如圖1所示。由圖1看到成片灰色組織和白亮組織,沿軋制方向呈條形分布。大致可以看出不同成分之間的微小差別,高強度合金的白亮組織比例較大,而1J21成分的灰色組織比例較大。

圖1 680℃熱處理后1J21,1J22,高強度合金0.35mm帶材微觀組織(a)1J21;(b)1J22;(c)高強度合金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

圖2為680℃熱處理后高強度合金0.35mm帶材微觀組織照片。其形貌有些類似于枝狀組織。從圖2可知,灰色組織穿插在白亮組織之中,其中灰色組織方向基本與軋制方向垂直,白亮組織方向基本與軋制方向平行。圖2上部以灰色組織為主,下部以白亮組織為主。在圖片下部,白亮組織比較粗大,而上部白亮組織則相對細小或消失。上部灰色組織是退火后的再結(jié)晶組織,而白亮組織是還未開始再結(jié)晶的軋制態(tài)組織。680℃熱處理后,再結(jié)晶過程已經(jīng)發(fā)生,再結(jié)晶晶粒非常細小,但反應還不充分,處于兩種組織并存的狀態(tài)。

2.2 中溫熱處理組織

圖2 680℃熱處理后高強度合金0.35mm帶材微觀組織Fig.2 Themicrostructure of high strength type belts with 0.35mm after annealed at 680℃

圖3是1J21,1J22和高強度合金帶材在760℃熱處理后的組織照片,可以看出,760℃時1J21和1J22看不出軋制的方向,已經(jīng)完全再結(jié)晶,組織比較均勻,高強度合金還保留有軋制的方向特征,但也基本完成再結(jié)晶。對比晶粒的大小,高強度合金明顯小得多, 1J21最大,約為20μm。

圖3 760℃熱處理后1J21,1J22和高強度合金0.35mm帶材微觀組織(a)1J21;(b)1J22;(c)高強度合金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 高溫熱處理組織

圖4是1J21,1J22和高強度合金帶材在840℃熱處理后的組織照片。可以看出,840℃時1J21晶粒已經(jīng)明顯粗化,而且不均勻,1J22晶粒還比較均勻,有個別長大現(xiàn)象,高強度合金則已經(jīng)完全再結(jié)晶,晶粒細小均勻,多數(shù)不到20μm。

圖4 840℃熱處理后1J21,1J22和高強度合金0.35mm帶材微觀組織(a)1J21;(b)1J22;(c)高強度合金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

綜上所述,FeCo合金帶材的熱處理過程中組織的變化大致按以下規(guī)律:冷軋組織—沿平行于軋制方向產(chǎn)生再結(jié)晶—再結(jié)晶沿垂直于軋制方向呈枝狀擴展—完全再結(jié)晶的均勻細晶粒—均勻長大—非均勻長大—粗大晶粒組織。

對比三種合金的成分,除Fe,Co元素外,1J21添加元素V的含量低,高強度合金除V外,還添加了Nb等。從其微觀組織的不同可以看出,V,Nb的添加對晶粒的細化作用明顯,尤其是Nb顯著提高了帶材的再結(jié)晶溫度,延緩了再結(jié)晶晶粒隨溫度的升高而變大的趨勢,并且在840℃時晶粒還很均勻細小。

結(jié)合力學性能的結(jié)果[1],可以認為,細化的晶粒組織提高了合金的強度以及韌性。但晶粒細化由于增加了晶界面積,必然會導致磁疇轉(zhuǎn)變更加困難,磁性能相反會降低。因此,要同時使合金的磁性能和力學性能滿足設(shè)計要求,必須考慮熱處理及其組織狀態(tài)。從實驗結(jié)果來看,通過合金成分和熱處理調(diào)整是可以實現(xiàn)的,但由于帶材加工過程中不同批次合金冷軋過程的不一致,會產(chǎn)生變形量的不同,同一批次的合金也會出現(xiàn)變形不均勻的情況,因此,作為一種新的研究材料,考核其技術(shù)條件時,對于熱處理條件和最終組織的控制也是十分重要的工作。在以往的FeCo合金生產(chǎn)和考核時,往往只檢查磁性能,而不要求力學性能和組織控制,在今后的應用中,這種慣例應該進行改變,尤其是高轉(zhuǎn)速電機轉(zhuǎn)子用軟磁合金,對其加以重視是十分有必要的。

3 結(jié)論

(1)高強度FeCo軟磁合金相對于常規(guī)1J21和1J22合金,再結(jié)晶溫度提高,在相同熱處理條件下晶粒更細化。

(2)高強度FeCo軟磁合金在840℃熱處理后還能保持晶粒在20μm以內(nèi),且比較均勻。

(3)高速發(fā)電機轉(zhuǎn)子用的軟磁合金同時提出了磁性能要求和力學性能要求,使用時必須嚴格控制熱處理制度和合金組織狀態(tài)。

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[3] 張偉.航空發(fā)動機[M].北京:航空工業(yè)出版社,2008.421—422.

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[5] 韓勁,倪志銘,楊根林,等.高強度型Fe2Co軟磁合金研制[J].金屬功能材料,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

韓勁(1971—),男,碩士,高級工程師,從事方向:金屬功能材料,聯(lián)系地址:北京市81信箱72分箱(100095),E2mail:jinhan_biam@ sina.com