淋處理對FeCo-2V-0.5Cr軟磁合金力學(xué)與磁學(xué)性能的影響

陳慈航，明開勝，畢曉昉

北京航空航天大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，北京 100191

FeCo合金是一類性能優(yōu)異的金屬軟磁材料，其飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度高，將其應(yīng)用于對磁力有一定要求的領(lǐng)域中，可以大大降低相關(guān)設(shè)備的重量，且該合金居里溫度高，具有其他軟磁合金很難實(shí)現(xiàn)的高溫磁穩(wěn)定性，因而在航空航天、電氣通信以及核工業(yè)等國防工業(yè)中有著重要的應(yīng)用［1-4］，但復(fù)雜的實(shí)際應(yīng)用環(huán)境要求FeCo合金不僅要具有優(yōu)異的軟磁學(xué)性能，還要具有良好的力學(xué)性能［5］。

由于FeCo二元合金較脆，一般通過添加原子分?jǐn)?shù)為2%的V以改善其加工性能［6］。為滿足實(shí)際需求，需要進(jìn)一步添加除V以外的微量元素以提高其抗拉強(qiáng)度和延展性等力學(xué)性能，然而合金化常常會使合金的磁性能嚴(yán)重惡化［7］。因此，尋找合適的添加元素并結(jié)合熱處理工藝使FeCo-2V合金在保證其良好磁學(xué)性能的基礎(chǔ)上提高其力學(xué)性能，成為國內(nèi)外相關(guān)領(lǐng)域研究者共同關(guān)注的熱點(diǎn)課題。

在本課題組的前期工作中，發(fā)現(xiàn)在FeCo-2V合金中添加原子分?jǐn)?shù)為0.5%的Cr，并在800℃下真空熱處理2 h，可使合金的力學(xué)性能獲得提高，且其軟磁性能的劣化最小［8］；此時合金抗拉強(qiáng)度與延伸率分別達(dá)到867.8 MPa和10.4%，而矯頑力可保持在2 Oe。為了進(jìn)一步提高該合金的力學(xué)性能而不影響其軟磁性能，本文首先通過改變熱處理時間，研究了組織結(jié)構(gòu)變化對該合金磁學(xué)與力學(xué)性能的影響規(guī)律，在此基礎(chǔ)上，又研究了不同的磁場熱處理對合金力學(xué)與磁學(xué)性能的影響規(guī)律，通過改變磁場熱處理過程中的磁場保溫時間和磁場撤除溫度，研究其對合金矯頑力與交流損耗的影響規(guī)律。

1 實(shí)驗(yàn)方法

合金成分為FeCo-2V-0.5Cr。該合金在Ar保護(hù)下，通過真空電弧熔煉進(jìn)行制備。除了Fe的純度達(dá)到99.99%外，其余單質(zhì)金屬的純度均為99.9%。熔煉所得的合金錠在1 200℃下進(jìn)行4 h的擴(kuò)散退火，合金通過鍛造成為板型試樣，在1 100℃下熱軋至3 mm厚后，通過冷軋成型獲得厚度為2 mm的金屬板材，最后對冷軋合金進(jìn)行不同工藝的真空熱處理。

熱處理后的合金通過電子探針（EPMA）觀察該合金的微觀組織結(jié)構(gòu)；通過振動樣品磁強(qiáng)儀與直流B-H磁滯回線測試儀測量合金的矯頑力；通過交流B-H磁滯回線測試儀測量合金的交流損耗；用于力學(xué)性能測試的樣品，其尺寸為：厚1.8 mm，標(biāo)距18 mm，寬度3 mm。在INSTRON-8801力學(xué)性能測試機(jī)上進(jìn)行拉伸試驗(yàn)。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 熱處理時間對合金性能的影響規(guī)律

圖1為在熱處理溫度800℃下，經(jīng)過t=0.5、2.0、4.0和10.0 h不同時間的真空熱處理后，合金的組織結(jié)構(gòu)圖。可以看出，當(dāng)熱處理時間分別為0.5 h與4 h時，合金的晶粒尺寸分別為15μm與30μm，即合金的晶粒尺寸隨熱處理時間的增加而不斷增大。析出相的含量隨熱處理時間增加而增多，但熱處理時間大于2.0 h后，其含量不再有所變化；而析出相的尺寸隨熱處理時間不斷增大。這些結(jié)果表明，合金的晶粒尺寸、析出相含量與尺寸隨不同的熱處理時間有明顯的變化。

圖2為800℃下真空熱處理后，合金矯頑力隨熱處理時間的變化曲線。可以看出，隨著熱處理時間的增加，合金矯頑力呈現(xiàn)先迅速下降而后緩慢上升又略有下降的趨勢，在熱處理時間為0.5～2 h時出現(xiàn)最小值，即2.6～3.3 Oe。結(jié)合組織觀察，合金在該熱處理時間范圍內(nèi)，析出相含量較少且具有較小的尺寸，因此可以認(rèn)為對磁疇壁的釘扎作用較小，使矯頑力較低，呈現(xiàn)出良好的軟磁性能。而熱處理時間為4～10 h時，一方面析出物的含量與尺寸增大，對磁疇壁移動起到釘扎作用，另一方面晶粒長大減少了晶界對磁疇壁移動的阻礙［9-10］，兩者的相互競爭作用使合金的矯頑力在熱處理時間大于2 h后出現(xiàn)了先升高后降低的變化趨勢。

圖1 800℃下不同時間真空熱處理后合金的組織結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Organization microstructure images for alloys after different time of vacuum heat treatment at 800℃

圖2 800℃下真空熱處理后合金矯頑力隨熱處理時間的變化曲線Fig.2 Dependence curve of coercivity on heat treatment time for alloys after vacuum heat treatment at 800℃

圖3為在800℃下經(jīng)過不同時間真空熱處理后，合金抗拉強(qiáng)度與延伸率隨熱處理時間的變化曲線。可以看出，熱處理后合金的抗拉強(qiáng)度與延伸率均有所降低。顯然合金加熱到800℃后，其軋制組織消除，即發(fā)生了回復(fù)再結(jié)晶，位錯極大程度降低，從而導(dǎo)致抗拉強(qiáng)度與延展率下降［11-12］。然而，隨著熱處理時間的增加，兩者又開始上升，在熱處理時間為2 h時達(dá)到極值后，此時抗拉強(qiáng)度與延伸率分別為867.8 MPa與10.4%。隨著熱處理時間的進(jìn)一步增加，抗拉強(qiáng)度與延伸率又發(fā)生不同程度的下降。結(jié)合組織觀察，當(dāng)熱處理時間大于0.5 h時，合金的析出相含量增多，析出強(qiáng)化作用增強(qiáng)［13-14］，同時也抑制了晶粒長大，使合金抗拉強(qiáng)度和延伸率提高。隨著熱處理時間繼續(xù)增加至4～10 h，析出物的含量與尺寸增大的同時，晶粒開始長大，從而導(dǎo)致合金的抗拉強(qiáng)度和延伸率下降。綜上所述，熱處理時間為0.5～2 h時有利于提高合金的相關(guān)力學(xué)性能。進(jìn)一步比較熱處理時間為2 h和10 h時的合金性能可以看出，矯頑力、抗拉強(qiáng)度和延伸率的變化分別為2 Oe、150 MPa和3%。在實(shí)際應(yīng)用中，服役溫度一般約為500～600℃，低于800℃［15］。因此，可以認(rèn)為該合金在實(shí)際應(yīng)用過程中能在較長的時間內(nèi)基本保持良好的磁學(xué)與力學(xué)性能，具有較高的持久壽命。

圖3 800℃下不同時間真空熱處理后合金抗拉強(qiáng)度與延伸率隨熱處理時間的變化曲線Fig.3 Dependence curves of tensile strength and elongation on heat treatment time for alloys after different time of vacumm heat treatment at 800℃

2.2 磁場熱處理對合金性能的影響規(guī)律

通過研究熱處理時間對合金性能的影響，獲得了相關(guān)性能與組織結(jié)構(gòu)的關(guān)聯(lián)性，在此基礎(chǔ)上研究了磁場熱處理對合金性能的影響規(guī)律。

用于磁場熱處理的合金試樣尺寸為40 mm×8 mm。樣品在800℃下經(jīng)過2 h的真空熱處理后，接著在有附加磁場中、500℃下進(jìn)行保溫時間為30 min的真空熱處理。表1列出了磁場熱處理前后合金的抗拉強(qiáng)度與延伸率。可以看出，磁場熱處理后合金的抗拉強(qiáng)度略有下降而延伸率卻略有上升，結(jié)合圖2所示結(jié)果，可以認(rèn)為力學(xué)性能的微小變化與附加磁場關(guān)系不大，而只是受溫度的影響所致。

圖4為不同磁場熱處理后合金的損耗對比與損耗分離圖。其中，磁場強(qiáng)度為0.5 T；P為損耗值；f為頻率；Ph與Pe分別為磁滯損耗與渦流損耗；樣品1為全程加磁場熱處理；樣品2為在冷卻至300℃時關(guān)閉外磁場；樣品3為全程不加磁場熱處理；樣品4為只進(jìn)行800℃下2 h熱處理；樣品5為沿樣品短軸方向全程加磁場熱處理。

表1 磁場熱處理前后合金的抗拉強(qiáng)度與延伸率Table 1 Tensile strength and elongation for alloys before and after magnetic field heat treatment

圖4 不同磁場熱處理后合金的損耗對比與損耗分離圖Fig.4 Loss comparison and loss separation images for alloys after different magnetic field heat treatments

當(dāng)沒有附加磁場時，樣品3的損耗相對樣品4有明顯增加，磁性能發(fā)生劣化。相比之下，樣品2和樣品1的損耗均與樣品4的損耗基本一致。比較冷卻過程中樣品2和樣品1的損耗，發(fā)現(xiàn)附加磁場撤除的溫度越低，越有利于抑制損耗的增加。這一結(jié)果表明，附加磁場可以提高該合金磁學(xué)性能的高溫穩(wěn)定性。進(jìn)一步對樣品1與樣品3的損耗進(jìn)行分離處理，結(jié)果如圖4（b）所示，可以看到，磁場熱處理使磁滯損耗大幅度降低，而渦流損耗略有降低。通過比較不同外磁場方向下的測試結(jié)果，發(fā)現(xiàn)樣品1的損耗明顯小于樣品5的損耗。通過對兩者矯頑力的對比，可以認(rèn)為附加磁場方向?qū)Υ艙p耗的影響是由平行于磁場方向的矯頑力小于垂直于磁場方向的矯頑力所致，這一結(jié)果與合金的矯頑力隨磁場熱處理保溫時間的變化相一致。

表2為500℃下磁場熱處理合金的矯頑力隨保溫時間的變化，磁場撤除溫度均為室溫。可以看出，矯頑力隨保溫時間的增加而呈現(xiàn)下降的趨勢，表明在該磁場熱處理?xiàng)l件下，樣品中產(chǎn)生了附加單軸各向異性，即附加磁場方向?yàn)槿菀状呕较颍?6］。進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)，500℃下，保溫時間從10 min增加至20 min時，合金的矯頑力下降了0.8 Oe，而保溫時間進(jìn)一步增加至30 min后，矯頑力只下降了0.2 Oe。顯然，保溫時間為20 min時就可以獲得這種磁場處理效果。縮短保溫時間，可以有效地節(jié)約成本，提高生產(chǎn)效率。

表2 500℃下磁場熱處理合金的矯頑力隨保溫時間的變化Table 2 Dependence of coercivity on annealing time for alloys treated by magnetic field at 500℃

3 結(jié) 論

1）800℃下熱處理后，F(xiàn)eCo-2V-0.5Cr合金中有第二相析出，通過控制析出物的數(shù)量和大小可使合金的抗拉強(qiáng)度、延伸率和矯頑力達(dá)到最佳，當(dāng)熱處理時間為2 h左右時，抗拉強(qiáng)度、延伸率和矯頑力分別為867 MPa、10.4%和2.0 Oe。

2）500℃下磁場熱處理對合金相關(guān)力學(xué)性能影響不大；但合金的矯頑力下降至1.6 Oe，同時可以抑制合金在高溫實(shí)際應(yīng)用中磁損耗的增加。

參 考 文 獻(xiàn)

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