某軍工產(chǎn)品用磁放大器鐵芯,要求在室溫6000赫、80安培米條件下的動態(tài)磁性能為Bm≥1.45特斯拉；Br/Bm≥0.95；Hc≤24安培/米；μm≥0.05亨利/米；磁滯回線的圖象清晰無畸變。通常按冶金技術標準生產(chǎn)的1J34矩磁合金動態(tài)磁性能不穩(wěn)定,要達到上述技術要求時,合格率一般只20%左右,為了滿足軍品的綜合性能指標。提高1J34合全的動態(tài)磁性能,本文研制出一種能滿足軍品特殊動態(tài)磁性能要求的新材料1J34矩磁合金,用該材料繞制的鐵芯經(jīng)動態(tài)磁性能檢測、高低溫沖擊試驗等,性能合乎產(chǎn)品的技術要求。

1、試驗條件及測試

1.1 ??試驗條件及設備

在50公斤真空中頻感應爐中熔煉鑄錠,精煉期爐內(nèi)保持真空度0.133-0.667帕。原料采用1#電解鎳、2#電解鉆、1#燒結鉬條DT；純鐵、單晶硅、電解錳及鎳硼中間合金。脫氣用光譜純碳業(yè)增加了冷凍脫氣工序,精煉后期加入某些凈化和改善加工性能的元素。鑄錠經(jīng)刨皮后直接熱軋、冷軋至0.02毫米薄帶,帶材經(jīng)剪切清洗后電泳繞制成外徑22.8±0.2毫米,內(nèi)徑16.4毫米、高度3.2毫米的環(huán)形鐵芯,層間用MgO絕緣。高溫處理在可移動式管狀爐內(nèi)進行,真空或千氫保護。氫氣經(jīng)分子篩和鉑石棉爐多級凈化,露點達90℃。磁場處理在管狀爐中進行,控制在居里點附近等溫一段時期后,按不同爐號采取不同冷卻方式。

1.2 測試

???用自制的S2-203動態(tài)測量儀或Ci-2交流磁性自動記錄儀,在室溫6000赫下自動描繪出鐵芯的磁滯回線圖象,根據(jù)圖象計算出Hc、Bm、Br、μm和矩形比a值,并觀察回線形貌不得有畸變。合格鐵芯保存一段時期（一個月以上）再進行高低溫沖擊試驗,磁性能變化不得超過2%。為了檢驗不同溫度下鐵芯的磁性能變化,要定期檢查不同溫度下鐵芯磁性能,誤差不能超過5%。

用萬用電表測量鐵芯電阻?；瘜W分析法檢驗合金成分和氣體含量。

2、實驗結果及討論

2.1室溫6000赫、80安培/米下鐵芯的磁性能

1978年以前,一仁要采用自制的S2-203動態(tài)測量儀檢測,1982年以來,改用Cl-2交流磁滯回線自動記錄儀,對鐵芯零件進行100%檢測,結果分別列于表1及表2。

不論是用S2-203動態(tài)測量儀還是C1-2交流自動記錄儀所測鐵芯均要抽樣異地進行復測,數(shù)據(jù)能夠重復,合格率一般能保證85%以上。

2.2在6000赫、80安培/米磁場下不同沮度時鐵芯磁性能

將測試合格鐵芯,在6000赫不同溫度條件下測試磁性能變化,變化范圍在5%內(nèi),結果列于表3。

2.3經(jīng)二次離低沮佑環(huán)沖出后磁芯的磁性能

將存放一月以上的合格鐵芯先放在-60℃保溫2小時后,在5分鐘內(nèi)放入100℃保溫小時,再在5分鐘內(nèi)放入-60℃,這樣重復兩次,再測試鐵芯6000赫下的磁性能變化,變化范圍在2%內(nèi),結果列于表4

2.4合金成分及少和傲,元眾的加入對材料動態(tài)磁性的影晌

從Fe-Co-Ni。一三元相圖（圖1）可以看出,1J34-1合金成分是在坡明瓦合金區(qū)域和磁場熱處理效應可以使最大磁導率提高到50倍以上的橢圓形小區(qū)域內(nèi),可見主要成分嚴格準確炸制的重要。

在添加元素中,鉬被認為是改善材料磁性的最佳元素。它的主要作用在于降低磁晶各間異性值,使K和入幾趨近于0,同時也能增大電阻率,降低高磁感下的鐵損以提高動態(tài)磁性能。由于它能使最佳磁性所需的冷速變慢,從而簡化了熱處理工藝。試驗時曾將鉑的配入量提高到3.8%,矯頑力降至19.安培/米,比一般情況降低15%左右。但鉬含量過高會降低居里點和飽和磁感應強度,也將導致合金偏離磁場熱處理效應最佳的橢圓形小區(qū)域。通常鉬控制在3%-3.5%合適。

錳的原子半徑與鐵差不多,因此它不是影響磁性的決定性元素,但可起凈化作用,特別是同硅一道加入,對消除夾雜,進一步脫氣有明顯的作用。有人發(fā)現(xiàn)軟磁合金中錳含量在0.3-0.5%。,可獲得最大的μ值。同時錳也能改善材料的熱加工性能,提高滋性穩(wěn)定性’但錳過高會減慢有序化狀態(tài)的形成,且不能獲得高的導磁率,一般加入為0.35-0.5%合適。

硅曾被認為是對磁性有害的元素,但它能提高材料的電阻率,又能使晶粒明顯長大,在真空熔煉中,同錳一起加入比單加錳具有更好的凈化效呆。硅含量一般控制在0.25%以下,因硅過高,會使Hc增大,磁滯回線崎變,試驗發(fā)現(xiàn)當含硅量大于0.3%后,鐵芯會因崎變而不能應用。

非鐵磁性元素的C、O、S對材料班性危害很大。碳形成間隙式固溶體,氧、硫則形成置換式固溶體,都會使晶格扭曲,造成很大的內(nèi)應力,阻礙晶粒長大,降低合金的自旋磁矩能量,也影響磁疇壁的移動。在研究合金時有人發(fā)現(xiàn)Ku值與C、O含的重量平均值之間有一近似直線的正比關系,認為固溶體中所有間隙雜質(zhì)均影響Ku值,而C的效應比氧大近3.2倍。蒲蘭斯福特給出了C、O、S等雜質(zhì)對交變磁滯損失的關系（見圖2）也說明了碳的危害最大。但真空熔煉時,C是主要的脫氧劑,考慮到C、O兩者的危害,可先按原料中氧含量配入的3/4的C首先脫氧,嚴格控制熔煉工藝,增強精煉效果,采取多次冷凍將C、O降至極低,在熔城后期再加入Si,Mn等進一步脫氧去碳,使合金碳氧含量分別降到0.01%和0.006%以下,保證了動態(tài)磁性能。

2.5加工工藝對材料動態(tài)礁性的形晌

1J34-1合金從鑄錠到成品帶,一般包括熱鍛、熱軋和冷軋,生產(chǎn)周期長,尤其熱鍛要在高溫1200℃左右進行。熱鍛開裂是合金加工過程中常常發(fā)生的事情,是造成成材率低的重要原因之一。根據(jù)對各工序的分析,認為冷軋最終變形量對織構影響大,其它工序可適當調(diào)整。采取了鑄錠經(jīng)剝皮后直接熱軋開坯的新工藝,使帶材成材率提高了10-20%。

金屬發(fā)生塑性變形時總是沿一定的晶面和一定的結晶學方向產(chǎn)生滑移變形,使晶粒趨向一致方位,形變程度愈大,晶粒方向的一致性愈強。1J34-1合金形變織構為{112}（111及{110}（112）,隨變形量增大,織構的聚集度亦提高,完善的冷加工織構及形變的均勻性,有利于高溫下的再結晶和轉變?yōu)橥晟频?/span>（001）{100}立方織構。因此,在改變加工工藝時,必須保證冷軋的最終變形量大于95%,在批量生產(chǎn)中就是采取了這一工藝,獲得了較好的動態(tài)磁性能。

2.6鐵芯繞制技術對材料動態(tài)盛性能的影晌

鐵芯繞制的關鍵是電泳涂層。電泳是帶電的膠體質(zhì)點或微粒（MgO）在直流電場力的作用下,向帶材泳動業(yè)吸附和沉積在表面上形成的熱絕緣層的生產(chǎn)過程。其作用是提高環(huán)形鐵芯的環(huán)面電阻,減少渦流損耗。由于絕緣性能的好壞對鐵芯的Hc有影響,特別是金屬與絕緣薄膜之間的線膨脹系數(shù)的差別,必然導致熱處理時在鋼帶中引起殘余應力,使鐵芯磁性降低。因此,為了提高鐵芯的動態(tài)磁性能,MgO涂層不宜過厚,以3-5微米為宜。涂復均勻,端面平整,松緊適當,重量足夠,這些是保證在隨后的熱處理中獲得好的磁性的充分條件。試驗中發(fā)現(xiàn),同一根帶材僅僅因繞制技術的差異,鐵芯合格率相差很大,繞得過緊的因內(nèi)應力大,磁滯回線容易崎變,合格率低于50%,而符合上述要求的,合格率達85-90%。

2.7熱處理工藝對材料動態(tài)磁性能的影晌

高溫處理的主要目的是使軋制織構轉變?yōu)榱⒎娇棙?同時消除加工應力,促進品粒均勻長大,方便磁疇取向,且在凈化的氫氣或真空中通過還原作用和去氣作用使材料得到進一步凈化。顯然溫度是決定織構轉變是否完全的主要因素。有人在研究變形量大于98%的50Ni-Fe合金時發(fā)現(xiàn),600℃x1小時,開始出現(xiàn)立方織構,隨著溫度升高,立方織構逐漸增強,冷軋織構逐漸減弱,達1100℃x1小時后,軋制織構已完全轉化為立方織構了。試驗采用1100℃、1150℃、1180℃和1200℃進行了對比,以115~1180℃x4小時最好,通常認為在此條件「高溫理處的各項目的均能充分得到滿足。溫度超過1200℃后,由于二次再結晶破壞了織構,同時MgO涂層的擴散不僅影響基體結構,也會破壞層間絕緣,使磁性下降,磁滯回線畸變。

高溫處理后的冷卻,特別要避免有序化結構Ni3Fe形成,因此在Ni3Fe轉變溫度處采取快冷是必要的,但冷卻太快會產(chǎn)生很大的熱應力,試驗中采取高溫處理后用2-2.5小時冷卻至700℃后再吹風快冷,約30分鐘達200℃,此工藝效果好。

2.8磁場熱處理對鐵芯動態(tài)磁性的影晌

1J34-1合金是一種利用磁疇取向來獲得矩形回線的合金。鐵芯在高溫處理后須再經(jīng)過縱向磁場處理,動態(tài)磁性才能充分顯現(xiàn)出來,尤其是導磁率和矩形比可以增長10倍。

磁場處理的物理本質(zhì)是磁疇取向,即原子對的短程有序轉變過程。有人曾指出450℃時就開始了疇內(nèi)方向有序向外場作用下的方向有序過渡,但因能量不夠,方向有序不充分。溫度提高到500℃,原子擴散得到充分進行,方向有序提高。到600℃附近,180°疇排列更趨完善,磁性達最佳值。因此靠近600℃進行磁場處理是有利的。為了保證疇內(nèi)取向穩(wěn)定,還必須給予充分時間,至于外磁場的大小一般控制在1200-1600安培/米即可。試驗采取550-650℃x2小時效果很好。

磁場處理的冷卻速度對鐵芯磁性能極為敏感。即算是成分相同但爐號不同,往往因熔煉、加工、繞制及熱處理等過程中任何微小的差異,對動態(tài)磁性的影響都會在磁退火的冷卻速度中反應出來。冷速快,ku一般將下降,如果ku小到不能對其它各問異性占壓倒優(yōu)勢,單軸性變差,矩形比下降。冷速過慢,疇壁偏移,擴散型轉變不徹底,導磁率和矯頑力都變壞。因此采取什么樣的冷卻速度要根據(jù)不同爐號進行調(diào)整,試驗采取等溫磁場處理后停電爐冷至450-500℃,再直接在裝有鐵芯零件的鋼管外表淋水快冷工藝效果很好。

3、結論

{1}用研制出的1J34-1矩磁合金薄帶0.02毫米繞制的鐵芯,在室溫6000赫、80安培/米磁場下測試,動態(tài)磁性能為：

Bm≥1.45特斯拉；Br/Bm≥0.95；Hc≤24安培/米；μm≥0.05亨利/米

磁滯回線圖象清晰端正。經(jīng)-60℃和100℃二個溫度循環(huán)熱沖擊和-60℃到100℃不同溫度下測試,磁性能的變化都在允許范圍之內(nèi)。

{2}研制的1J34-1矩磁合金,經(jīng)航空航天部幾家工廠長期使用,動態(tài)磁性能穩(wěn)定,鐵芯合格率在85%以上,用它裝調(diào)出的軍工產(chǎn)品性能穩(wěn)定可靠,收到了很好的經(jīng)濟效益