导磁材料晶粒度与磁性关系的认识

2016-01-29李东侠

机电元件 2015年2期

关键词：热处理影响因素

李东侠

(厦门宏发电声有限公司，福建厦门，361021)

导磁材料晶粒度与磁性关系的认识

李东侠

(厦门宏发电声有限公司，福建厦门，361021)

摘要：本文从晶粒的概念开始，分别研究其在加工过程中的变化以及热处理对晶粒大小的影响，并分析出磁性大小与晶粒的关系。笔者认为，如果晶粒度与材料的磁性之间有一个显性的关系，将更能直观反映材料及零件的导磁性的优劣，从而在选材及热处理质量的评定方面将更直接。

关键词：晶粒度；热处理；磁性吸力；影响因素

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积或平均直径来表示。工业生产上采用晶粒度等级来表示晶粒大小。

标准晶粒度共分8级，1-4级为粗晶粒，5-8级为细晶粒。以继电器导磁零件铁芯为例，一般尺寸较小铁芯晶粒度更大，在5-7级，尺寸较大的铁芯，其晶粒度较小，在1-4级，具体可见下面调查表1：

表1不同尺寸铁芯来料的晶粒度

2加工过程对晶粒度的影响

当金属受力超过弹性极限后，在金属中将产生塑性变形，经过较大的变形后即发现晶粒被拉长，变形程度愈大，晶粒被拉得愈长；当变形程度很大时，呈纤维状组织，见图1所示。

图1　金属变形后的晶粒的纤维状组织

由于变形的结果，造成临界切应力提高，使继续变形发生困难，即产生了所谓加工硬化现象。随变形程度的增加，金属的硬度、强度、矫顽力、电阻增加，而塑性和韧性下降。

2.1　铁芯材料拉制过程中晶粒度的变化情况

抽查A产品铁芯与B产品铁芯,对其原材料、拉伸后材料及铁芯毛坯晶粒度进行检查，结果见表2：

表2　零件加工过程铁芯晶粒度检查情况

从结果可看出，两种铁芯的原材料的晶粒度在4级水平。拉伸后，没热处理的棒材及铁芯毛坯件晶粒度均为8级，拉伸可导致晶粒的变小。

3热处理对磁性材料性能指标及晶粒大小的影响

加工硬化后的金属，由于晶粒破碎，晶格歪扭、位错密度、空位和间隙原子等缺陷的增加，使其内能增加，金属处于不稳定状态，有力求恢复到稳定状态的趋势，加热则为之创造了条件，促进这一过程的进行。

变形后的金属在较低温度加热时，金属内部的应力部分消除，歪曲的晶格恢复正常但显微组织没有变化，原来拉长的晶粒仍然是伸长的。这时，金属可部分地恢复机械性能，而物理性能，如导电性，几乎全部恢复。

变形后，金属加热到再结晶温度以上时，发生再结晶过程，显微组织发生显著变化。生成新的无内应力的等轴晶粒，机械性能完全恢复。此后，温度再升高，晶粒愈大。再结晶后晶粒的大小，不仅与再结晶退火的温度有关，而且与再结晶退火前的变形度有关。

在进行冷塑性变形时，要得到大的晶粒，应尽量在临界变形度下变形，而要获得较细小的晶粒，应尽量避免在临界变形度下变形，而采用较大的变形度，以获得较细小的晶粒。临界变形度，因金属的本性及纯度而异，铁为7~15%，铝为2~4%。

3.1　铁芯材料拉伸再热处理晶粒度的变化

抽取A产品铁芯及B产品铁芯零件热处理前后进行对比，结果见表3、表4：

表3　外协厂零件加工过程铁芯晶粒度检查情况

表4　热处理后晶粒度检查情况

从上述对比图中可看出，原材料晶粒度，热处理后，从来料的4级水平，可变为1级水平，A产品与B产品拉伸后零件处理后的晶粒度差别较大，A产品晶粒度由8级可处理到1～2级，B产品由8级只可处理到7级。这主要与拉伸后晶粒破碎，晶格歪扭程度有关,B产品铁芯拉伸的程度大于A产品铁芯零件。因而，晶粒的破碎程度更大,晶粒要增大需要的温度及保温时间应更大,不同拉伸变形，应有一个最佳的热处理条件，这将是我们热处理工艺要研究的一个课题。

4晶粒度变化对导磁性影响的理论分析

矫顽力是为了使已磁化的铁磁质失去磁性而必须加的与原磁化方向相反的外磁场强度。在制造永磁体时，需要选择矫顽力大的材料。制造铁芯、轭铁等则需要电磁纯铁这样矫顽力小的材料，以使电流切断后尽快失去磁性。但是，由于材料结构的不均匀性，在晶粒边界、空隙、夹杂物处或局部应力区都可能存在一些极微小的磁畴即反磁化核，这些会给矫顽力极大的影响。当晶粒增大时，减少了晶界的数量，内部的应力也得到充分的释放，矫顽力也随之降低。当晶粒愈小时，则产生的晶界就愈多，变形阻力越大，强度越大，磁导率愈小，矫顽力愈大，晶界是妨碍磁化的一个重要因素。

电磁纯铁具有很强的组织敏感性，对材料中的晶体结构及缺陷、杂质等非常敏感，这取决于材料的成分、加工方法、热处理制度等，只有在各方面规范操作、严格控制，才能使其电磁性能达到最好。同时，退火后在运输装配过程中也要防止摔打碰撞而使零件产生内应力，影响其电磁性能。

因而，对于电磁纯铁热处理重要目的是晶粒增大，消除内应力，从而降低材料的矫顽力，提高导磁性。但是，晶粒越大，材料机械性能会降低，会变软及易腐蚀，这也是热处理时，要考虑问题之一。

室温下，纯铁的晶粒尺寸对最大导磁率μmax的影响见表5：