一种对1J50软磁合金零件加工工艺过程的优化方案

章 晨，汪迪坤

(中国电子科技集团公司第二十一研究所，上海 200233)

0 引 言

同其它铁镍软磁合金相比，1J50铁镍软磁合金具有高饱和磁感应强度和中等的导磁率[1]，其生产工艺成熟，加工性好，表面不易发生腐蚀，广泛用于中小功率变压器、微电机、电磁离合器、屏蔽罩和导磁体等产品[2]。

在传统生产中，加工产生的变形和残余应力会使1J50软磁合金的磁性能下降，故通常将高温退火作为零件加工的最终工序，以满足磁性能的要求。但是在一些应用场合，对零件的尺寸和形位公差同样提出了较高要求，按传统工艺流程加工的零件虽然磁性能满足要求，但可能出现尺寸超差、形位公差不合格的问题，合格率偏低。本文通过改进工艺流程，增加热处理过程，使零件同时满足磁性能和尺寸公差要求[3]。

1 1J50的热处理变形量

1J50软磁合金为孪晶奥氏体，原始态晶粒较细分布不均匀，晶界多，位错密度大。经过高温退火，晶粒长大，晶界减少，位错密度降低，从而提升了1J50软磁合金的磁性能[4]。高温退火变形是由于材料中残余应力得到释放而在宏观上表现出的尺寸变化，残余应力越大材料越容易变形。同时，材料在高温中强度、刚度降低，在工艺过程中因为自重和操作的关系也更容易发生变形。而1J50软磁合金的残余应力主要来源于：原材料冶炼锻造等生产过程中产生的残余应力；零件在机械加工过程中因加工变形产生的残余应力[5-6]。

选取一根Φ60 mm×250 mm规格1J50棒料，加工制成样环，规格编号如表1所示。

表1 样环初始规格和编号

将1J50软磁合金原材料制成的样环(编号T1～T15)按图1的热处理曲线同一炉进行真空热处理，真空度5×10-3Pa，使用直流冲击法对编号T1～T5样环进行磁性能测试，结果如表2所示，其热处理前后外圆尺寸变化和圆度变化如表3所示。

图1 1J50热处理曲线

表2 1J50热处理后磁性能

表3 样环经高温退火后的尺寸变化

从表3中可以看到，经过高温退火，样环尺寸变大，圆度放大，变形量不小于5 μm。在实际生产中，不对称结构零件的变形量会大于对称结构零件，同时加工切削参数也会影响残余应力的分布和释放，导致变形量不同。故对零件尺寸公差要求较高的情况下，经过高温退火后的零件不能保证合格。

2 机械加工对磁性能的影响

研究表明，铁镍合金的磁导率μ0、μm和矫顽力Hc对结构敏感，饱和磁化强度Bs对成份敏感[5]。对软磁合金进行机械加工，会导致合金表层晶粒发生不均匀变形，晶界变多，位错密度提高，从而使矫顽力增加，磁导率下降，而饱和磁化强度则变化不大。

将编号T6～T15的样环进行车削加工，加工至尺寸Φ40 mm×Φ32 mm×5 mm；编号T6～T10样环仅加工外圆；编号T11～T15样环内外圆均加工。两者外圆加工使用相同装夹方式、相同规格全新刀具、相同加工参数。

用磁通计积分法对加工完成的样环(编号T6～T15)进行磁性能测试，结果如表4和表5所示。T1，T6，T11磁滞回线如图2所示。

表4 高温退火后的样环经车削后的磁性能

表5 车削后样环平均磁性能相对于未车削样环的下降百分比

图2 未车削样环T1和车削后T6,T11的磁滞回线(最大场强2 000 A/m)

对于环形导磁体，如果只有一个面或者小部分面尺寸要求较高时，可以根据实际磁性能要求，针对性地在热处理后只加工这部分表面。

3 二次退火回复磁性能

在粗加工后，对零件进行高温退火再进行精加工，虽然控制了尺寸，但晶粒变形变小与位错密度提高，导致磁性能下降很多。晶粒变形变小与位错密度提高主要集中在表层，而心部仍然保持原有结构，其残余应力远低于高温退火前的残余应力，如果在精加工后再进行一次退火，其残余应力释放后，对尺寸的影响也应远小于第一次高温退火。第二次退火必须控制温度，不得过高，原因有两点，一是减少热处理过程中因材料刚度强度下降导致的变形，二是因为经第一次高温退火后的心部晶粒大小是最佳尺寸，晶体晶粒生长速率会随着温度上升而加快，为了避免心部晶粒过于粗大导致机械性能和磁性能的双重恶化，可以将零件加工至快冷温度上300 ℃左右进行第二次退火，促使奥氏体再结晶，均匀化表层晶粒，减少位错密度，提高磁性能。

选用两种加热温度分别对T6，T11和T7，T12进行第二次退火，如图3、图4所示。

图3 T6，T11样环热处理曲线(800 ℃，3 h)

图4 T7，T12样环热处理曲线(860 ℃，3 h)

对T6，T11和T7，T12再次进行磁测，结果如表6所示，磁滞回线如图5、图6所示。

表6 样环二次退火后的磁性能及相对于T1～T5高温退火后平均磁性能的百分比

图5 未车削样环T1和T6，T11二次退火后的磁滞回线(最大场强2 000 A/m)

图6 未车削样环T1和T7，T12二次退火后的磁滞回线(最大场强2 000 A/m)

经过第二次退火后(860 ℃，3 h)，内外圆均加工样环T12和仅外圆加工样环T7的磁导率均能达到高温退火样环的80%左右，矫顽力都能回复到高温退火样环的120%以下，得到和T1近似的磁滞回线。

对T1，T6，T7样环取样表面磨平、抛光，使用王水腐蚀1 min，其金相组织如图7～图11所示。

图7 T1的金相组织 图8 T6的加工处金相组织

图9 T6心部金相组织 图10 T7加工处金相组织

图11 T7心部金相组织

从金相图看，三者均为孪晶奥氏体，T6加工处晶粒形状不规则，整体偏小，最靠近边缘处还能看到明显挤压变形；T7加工处晶粒形状趋向于等轴，无明显变形，尺寸比T6稍大，两者均小于心部晶粒，T1，T6，T7三者心部晶粒大小相似。可见，二次退火主要是加工处再结晶、晶粒均匀化、重新长大的过程，从而使磁性能回复，而且二次退火后心部晶粒未见明显长大。

4 二次退火后尺寸变化

使用三坐标测量仪对T6，T7，T11，T12二次退火前后的外圆尺寸和圆度进行了测量比对，结果如表7所示，参考表3可见，样环二次退火后的热处理变形量明显小于样环高温退火后的变形量，所以精加工后进行二次退火的方法是可行的，其同时满足了磁性能和尺寸精度要求。

表7 二次退火后样环的尺寸变化

5 结 语

1J50软磁合金样环磁性能经过高温退火后达到最佳，经过机械加工后，其磁性能急剧下降，加工面积越大，下降幅度越多。如果只对部分尺寸有较高要求，同时允许磁性能有所损失，则可以采取退火后只加工部分表面的工艺流程来满足使用要求。

对机械加工后的样环进行二次退火(860 ℃，3 h)后，其磁导率能基本回复至第一次退火后的80%左右、矫顽力能回复至120%以下，此时其尺寸变化也很小。

因此，对磁性能和尺寸要求都较高的情况下，可以根据零件实际情况，在零件精加工满足尺寸要求后，再进行二次退火的工艺流程。