热处理工艺对半硬磁2J85合金结构和磁性能的影响

摘要：利用光学显微镜及电子显微镜对不同热处理阶段的磁棒进行金相组织观察，发现经过多级回火，强磁性相α1长大，弱磁性相α2的量相对减少。且两者相对比例不同所表现出的磁性能也不同。同时发现磁性能低的磁棒金相组织中存在白色析出物，推断为合金化学成分不均匀造成的，通过调整回火工艺及固溶处理工艺得出：1200℃保温30min固溶处理且采用5级回火工艺时能够使矫顽力稳定在17．90kA／m附近，完全满足客户的要求。

关键词：Fe-Cr-Co合金；半硬磁；磁性能；热处理

 

1、引言

Fe-Cr-Co变形永磁合金2J85，它的最大特点就是具有可加工性，可进行冷变形加工。其钴含量低，磁性能相对较高且加工工艺比较简单，主要用于电、声、传感器、仪表、汽车等领域。

我公司生产的2J85系列产品，是依据用户要求的磁性能，通过拔制、压延、冲压等加工方式生产各种磁性元件。金属磁性材料大致分为高磁导率软磁合金和高矫顽力硬磁合金两大类。而性能介于软磁材料和硬磁材料之间的为半硬磁材料，其矫顽力HC为0．79～19．89kA／m，剩磁BT为1T以上。半硬磁材料的发展主要可归结为两个方面。其一，矫顽力HC=3．97～19．89kA／m，剩磁BT>800mT的永磁合金用于磁滞电机中，具有起动快、同步特性优异、噪音低等优点，目前正得到广泛的应用。由于磁滞电机对材料的需要量越来越大，种类也不断增加；其二，在自动控制系统中的铁簧继电器、门锁继电器等需要用矫顽力鼠较低、剩磁研较高的材料；一些其它的电子仪器也广泛使用这种具有中间性能的材料，且用量和种类都不断扩大，从而推动了这类具有中间性能的半硬磁材料的发展。

对于2J85半硬磁性元件，用户技术要求为剩磁BT>1.20T,矫顾力HC在15.91～19.89kA/m之间，矫顽力区间很窄，超过范围的均为不合格品，因此需要保证产品的矫顽力稳定在这个范围内。但在实际生产中，矫顾力的波动总是难以避免，即便是同一批次的产品矫顽力也会出现较大波动，超出要求的范围，因此每个批次的元件都要逐一检测，不仅影响生产效率而且造成浪费。为解决这个问题，我们分别对不同热处理阶段、不同磁性能的元件进行金相组织观察，进行了一系列的试验，来寻找稳定半硬磁2J85磁性能的方法。

2、实验

以工业纯铁、金属铬、电解钴、高纯硅和其他些合金化元素为原料，按表1的成分，在200kg的真空中频感应炉中熔炼合金，然后经过锻造、热乳和冷拔，最后加工成直径2.95x34mm的小棒。

 

Fe-Cr-Co合金的磁硬化过程属于一种亚稳分解型(调幅分解)反应。一般热处理制度均为高温固溶后快速冷却，然后再进行中温磁场热处理，最后进行多级回火。一般的热处理工艺为:

(1)固溶处理:在1200℃x(20~30)min，冷水淬。

(2)磁场热处理:在大于200kA/m(2500Oe)微场强度的热处理炉中，进行(640-650)℃x(1一2h)等温处理。

(3)回火热处理:进行620℃xlh+610℃x1h+590℃x2h+570℃x3h+560℃x4h+540℃x6h阶梯多级回火。

用LEICADMIXP光学显微镜(OM)对磁棒的金相组织进行观察。采用Cambridge-S250型扫描电镜(SEM/EDS)进行电镜组织观察。用国产AMT-4型磁性能测试仪检测磁棒的剩磁BT和矫可力Hc，并利用Minitab15软件对实验数据进行处理。

 

3、结果与分析

3.1金相组织观察

用扫描电镜观察固溶+磁场热处理及同落+础场+回火热处理后试样的横向和纵向的金相组织，如图1所示，经过磁场热处理时发生调幅分解α-α1+α2，形成强铁磁性相的α1相单畴粒子弥散地分布在非(弱)铁磁性相α2相基体周围的组织结构。图la中细小的白色点状物为析出的强铁磁性相α1，弥散分布在弱磁性相α2中。但由于α1α2两相的成分差别不大，导致合金的矫顽力、最大磁能积等性能很低，故需要进一步低温回火以增大两相的成分差别。从图1b中可以看出α1相的长度较短，此时试样的磁性能非常低，剩磁214．5mT，矫顽力3．74kA／m。

低温回火过程中Fe-Cr-Co合金组织将发生以下三种变化：α1、α2 两相的成分差别增大、α1相体积分数增多以及调幅组织的粗化。经过多级回火处理后，Cr向α2扩散，而Fe、Co原子向α1相扩散，α1和α2两相成分差和点阵常数差逐步增大。另外在回火过程中α1相和α2相的相对量要发生变化，实验表明，随回火温度的降低，α2相的相对量减少，而α1相的相对量增加，经过多级回火后α1相的体积增加了1．5~2.0倍。根据时效过程中调幅结构周期的不变性，从而推断，在时效过程中α1相体积分数的增加，不是由于新相的析出，而是α1相的伸长和长大所致。由图1c和d可看出经过多级回火后α1相明显比回火前(图1a和b)长大，α1相横截面的直径变大，纵向伸长。试样的磁性能为，剩磁Br=1．34T，矫顽力Hc=18．86kA／m。而当两个相的相对比例不同时，所表现出的磁性能也不同。

由此说明，影响2J85磁性能稳定性最为关键的因素之一是磁性能提高最快的热处理阶段一多级回火。

 

3．2不同多级回火工艺对半硬磁铁铬钴合金的影响

对同一化学成分的(直径2．95x34mm试样，选定固溶处理及磁场处理工艺，改变回火处理工艺，具体如下：

固溶处理工艺：1200℃x20min

磁场处理工艺：650℃×lh

回火处理均采用多级回火，分为A、B、C、D共4组回火工艺：

第一组采用工艺A：620℃×lh+610℃×lh+590℃x2h三级回火；

第二组采用工艺B：620℃xlh+610℃×lh+590℃x2h+570℃x3h四级回火；

第三组采用工艺C：620℃xlh+610℃Xlh+590℃x2h+570℃x3h+560℃x3h五级回火；

第四组采用工艺D：620℃×lh+610℃×lh+590℃x2h+570℃x3h+560℃x3h+540℃x2h六级回火。

对应上述不同回火工艺的样品磁性能如表2所示。从表中可以看出，材料的剩磁没有太大变化，矫顽力的差异较为明显。随着回火级数增加，矫顽力逐渐增大。回火工艺C对应的样品的矫顽力为18．78kA／m和19．41kA／m，符合矫顽力鼠=15．91～19．89kA／m的要求，因此应采用工艺C的5级回火处理此批产品。

 

对回火工艺C的50个试样的矫顽力进行检测，并采用直方图进行分析，如图2所示。矫顽力的均值为17．28kA／m，标准差为1．54kA／m，标准差反映了任一过程或产品特性值相对于其均值的分散程度。标准差越小，说明该批产品特性值的分散程度越小。由图2可以看出，有少部分元件的矫顽力超出了15．91～19．89kA／m的范围，因此可以判定该批产品的磁性能不是很稳定，还不能完全符合要求。

 

 

3-3不同工艺阶段材料的金相组织观察

对不同热处理阶段的样品进行金相组织观察，结果如图3所示，在固溶处理阶段出现清晰的晶界，合金元素完全固溶在基体中(图3a)，但是在经过分级回火后磁性能低的金相组织中发现有白色颗粒状析出物(图3c)，而在磁性能相对高的试样中没有发现白色析出物。通过对磁场热处理阶段试样的金相组织观察，个别试样的组织中也有粒状的白色析出物(图3b)。

在合金中，不同微区存在化学成分起伏，在磁场热处理阶段发生调幅分解，形成富Fe、Co的α1相和富Cr的α2相。由于不同微区的化学成分不同，在分解后来不及扩散的元素以富集某元素的形式析出。

 

在后续的阶梯回火过程中，Cr和Co元素相互扩散，Cr元素不断向弱磁性相α2相扩散，而Fe、Co元素不断向强磁性相α1相扩散，α1和α2两相通过扩散长大，但在成分不均匀的微区中，仍有未扩散分解的相存在，在热处理结束后残留在金相组织中。当析出物达到一定的量时就会对磁性能产生相应的影响，对于Fe-Cr-Co系水磁合金，磁性能对成分极为敏感，例如有研究表明，对Co成分相近的两个炉号的合金，Cr波动近3%，则娇顽力H.波动40%。

图3d是电子显微镜下放大5万倍基体的金相照片，发现有很多微小絮状的物质弥散分布在基体上，这些絮状物是分解不完全的残留相。有研究者用穆斯堡尔谱研究Fe-Cr-Co合金分级回火处理后相的变化时发现弱磁相α2相占13.3%，大量为强铁磁相α1相，同时还发现调幅分解不完全的残留相，它占总体的13%。因此说明合金中存在化学成分起伏，虽然固溶处理后形成单一的a相，但在经过磁场热处理发生调幅分解时，分解并不完全，仍有部分相没有分解，即便经过多级回火处理后也会有“定数量的未分解残留相弥散分布在基体上。

由此可见合金中存在化学成分不均匀的现象越严重，就会残留越多的未分解相，这些残留相对磁性能会产生很大的影响，而消除化学成分不均匀的有效途径就是在高温下延长保温时间，使合金元素充分扩散，以达到化学成分均匀化的作用。由此说明影响2J85碰性能稳定性的最为关键的因素之二是化学成分不均匀。

3-3材料磁性能的稳定化处理

取矫顽力波动范围较大而不合格的某炉的直径2.95x34mmm的元件，一部分进行固溶处理，1200℃时保温25min和30min，磁场热处理及5级回火与上述工艺C相同，另一部分只重复进行回火工艺C。分别检测50个数据进行分析，结果如表3及图4所示。

从表3中可以看出试验后测得的剩磁均没有明显的变化，都大于1200mT，符合要求。

保温25min的样品矫顽力均值较试验前提高较多，其均值为18.61kA/m，高于要求的材料矫顾力(15.911989kA/m)的均值17.90kA/m;保温30min的样品矫顾力均值为17.82kA/m，接近客户的要求，而且其标准差也最小，为720A/m，明显小于试验前的标准差(2.45kA/m)，因此可以判断稳定化处理后的产品的磁性能一致性好。

 

 

从图4可以看出，与试验前(图4a)相比，保温25min(图4b)和30min(图4c)试样的矫顽力分布比较集中。说明延长固溶处理时的保温时间有利于合金的均匀化，对稳定矫顽力有明显的效果。保温25min有利于材料矫顽力的整体提高，而保温30min更加利于提高材料矫顽力的一致性。

只进行分级回火工艺试样的矫顽力与试验前相比，矫顽力的均值17．78kA／m，接近要求，但其标准差较高，达到了2．81kA／m，其分散程度最高。说明仅重复5级回火处理虽然能使矫顽力的均值略有提高，但却不是整体提高，而是在很大范围内出现波动(图4d)，这种波动甚至比试验前还要大。因此矫顽力波动大的元件仅靠再次重复分级回火的补救方法不能使矫顽力整体提高，更不能起到稳定矫顽力的作用，其数值的分散程度更大。

4、结论

(1) 影响2J85磁性能稳定性最为关键_的因素是成分的波动和多级回火热处理。(2)采用620℃×lh+610℃×lh+590℃x2h+570℃x3h+560℃x3h的5级回火试样的矫顽力在l5．91～19．89kA／m之间，是比较合适的处理工艺。

(2) 采用1200℃保温30min固溶处理的试样，其矫顽力的标准差最小(720A／m)，说明其分散程度最小，比较稳定地分布在均值17．90kA／m附近。

(4)矫顽力波动大的元件仅靠再次分级回火的补救方法不能使矫顽力整体提高，更不能起到稳定矫顽力的作用，性能波动更大。