導磁材料晶粒度與磁性關系的認識

李東俠

(廈門宏發電聲有限公司，福建廈門，361021)

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導磁材料晶粒度與磁性關系的認識

李東俠

(廈門宏發電聲有限公司，福建廈門，361021)

摘要：本文從晶粒的概念開始，分別研究其在加工過程中的變化以及熱處理對晶粒大小的影響，并分析出磁性大小與晶粒的關系。筆者認為，如果晶粒度與材料的磁性之間有一個顯性的關系，將更能直觀反映材料及零件的導磁性的優劣，從而在選材及熱處理質量的評定方面將更直接。

關鍵詞：晶粒度； 熱處理；磁性吸力；影響因素

1晶粒度的概念

晶粒度表示晶粒大小的尺度，一般用晶粒的平均面積或平均直徑來表示。工業生產上采用晶粒度等級來表示晶粒大小。

標準晶粒度共分8級，1-4級為粗晶粒，5-8級為細晶粒。以繼電器導磁零件鐵芯為例，一般尺寸較小鐵芯晶粒度更大，在5-7級，尺寸較大的鐵芯，其晶粒度較小，在1-4級，具體可見下面調查表1：

表1不同尺寸鐵芯來料的晶粒度

2加工過程對晶粒度的影響

當金屬受力超過彈性極限后，在金屬中將產生塑性變形，經過較大的變形后即發現晶粒被拉長，變形程度愈大，晶粒被拉得愈長；當變形程度很大時，呈纖維狀組織，見圖1所示。

圖1　金屬變形后的晶粒的纖維狀組織

由于變形的結果，造成臨界切應力提高，使繼續變形發生困難，即產生了所謂加工硬化現象。隨變形程度的增加，金屬的硬度、強度、矯頑力、電阻增加，而塑性和韌性下降。

2.1　鐵芯材料拉制過程中晶粒度的變化情況

抽查A產品鐵芯與B產品鐵芯,對其原材料、拉伸后材料及鐵芯毛坯晶粒度進行檢查，結果見表2：

表2　零件加工過程鐵芯晶粒度檢查情況

從結果可看出，兩種鐵芯的原材料的晶粒度在4級水平。拉伸后，沒熱處理的棒材及鐵芯毛坯件晶粒度均為8級，拉伸可導致晶粒的變小。

3熱處理對磁性材料性能指標及晶粒大小的影響

加工硬化后的金屬，由于晶粒破碎，晶格歪扭、位錯密度、空位和間隙原子等缺陷的增加，使其內能增加，金屬處于不穩定狀態，有力求恢復到穩定狀態的趨勢，加熱則為之創造了條件，促進這一過程的進行。

變形后的金屬在較低溫度加熱時，金屬內部的應力部分消除，歪曲的晶格恢復正常但顯微組織沒有變化，原來拉長的晶粒仍然是伸長的。這時，金屬可部分地恢復機械性能，而物理性能，如導電性，幾乎全部恢復。

變形后，金屬加熱到再結晶溫度以上時，發生再結晶過程，顯微組織發生顯著變化。生成新的無內應力的等軸晶粒，機械性能完全恢復。此后，溫度再升高，晶粒愈大。再結晶后晶粒的大小，不僅與再結晶退火的溫度有關，而且與再結晶退火前的變形度有關。

在進行冷塑性變形時，要得到大的晶粒，應盡量在臨界變形度下變形，而要獲得較細小的晶粒，應盡量避免在臨界變形度下變形，而采用較大的變形度，以獲得較細小的晶粒。臨界變形度，因金屬的本性及純度而異，鐵為7~15%，鋁為2~4%。

3.1　鐵芯材料拉伸再熱處理晶粒度的變化

抽取A產品鐵芯及B產品鐵芯零件熱處理前后進行對比，結果見表3、表4：

表3　外協廠零件加工過程鐵芯晶粒度檢查情況

表4　熱處理后晶粒度檢查情況

從上述對比圖中可看出，原材料晶粒度，熱處理后，從來料的4級水平，可變為1級水平，A產品與B產品拉伸后零件處理后的晶粒度差別較大，A產品晶粒度由8級可處理到1～2級，B產品由8級只可處理到7級。這主要與拉伸后晶粒破碎，晶格歪扭程度有關,B產品鐵芯拉伸的程度大于A產品鐵芯零件。因而，晶粒的破碎程度更大,晶粒要增大需要的溫度及保溫時間應更大,不同拉伸變形，應有一個最佳的熱處理條件，這將是我們熱處理工藝要研究的一個課題。

4晶粒度變化對導磁性影響的理論分析

矯頑力是為了使已磁化的鐵磁質失去磁性而必須加的與原磁化方向相反的外磁場強度。在制造永磁體時，需要選擇矯頑力大的材料。制造鐵芯、軛鐵等則需要電磁純鐵這樣矯頑力小的材料，以使電流切斷后盡快失去磁性。但是，由于材料結構的不均勻性，在晶粒邊界、空隙、夾雜物處或局部應力區都可能存在一些極微小的磁疇即反磁化核，這些會給矯頑力極大的影響。當晶粒增大時，減少了晶界的數量，內部的應力也得到充分的釋放，矯頑力也隨之降低。當晶粒愈小時，則產生的晶界就愈多，變形阻力越大，強度越大，磁導率愈小， 矯頑力愈大，晶界是妨礙磁化的一個重要因素。

電磁純鐵具有很強的組織敏感性，對材料中的晶體結構及缺陷、雜質等非常敏感，這取決于材料的成分、加工方法、熱處理制度等，只有在各方面規范操作、嚴格控制，才能使其電磁性能達到最好。同時，退火后在運輸裝配過程中也要防止摔打碰撞而使零件產生內應力，影響其電磁性能。

因而，對于電磁純鐵熱處理重要目的是晶粒增大，消除內應力，從而降低材料的矯頑力，提高導磁性。但是，晶粒越大，材料機械性能會降低，會變軟及易腐蝕，這也是熱處理時，要考慮問題之一。

室溫下，純鐵的晶粒尺寸對最大導磁率μmax的影響見表5：

表5　純鐵的晶粒尺寸對最大導磁率的影響

5結束語

從目前論述及試驗，我們可看出:

a)導磁零件晶粒的大小與其導磁性有必然的聯系，晶粒越大，其導磁性越好，矯頑力越小，具體兩者是如何的函數關系將是我們進一步研究的問題。

b)熱處理結果會使晶粒度變化，如何對不同的零件采取不同的熱處理條件，促使晶粒向有利于導磁性方向變化，這將成為熱處理工藝研究的一個方向。

c)不同的變形量，其在熱處理后晶粒度的變化效果會存在差異。這向我們提出對材料變形量的一個控制要求，從而使導磁零件在熱處理后會有一個最佳狀態。

d)基于晶粒度與導磁性必然的聯系，將其作為導磁性強度的一個直觀的衡量指標，將更有助于我們對原材料及過程零件導磁性的監控。

中圖分類號：TN784

文獻標識碼：A

文章編號：1000-6133(2015)02-0029-03

Doi:10.3969/j.issn.1000-6133.2015.02.007

收稿日期：2015-01-16