崔 硯，蘇義兵，郭 祎

（北京航天控制儀器研究所，北京，100854）

提高2J04磁鋼片的磁滯性能研究

崔 硯，蘇義兵，郭 祎

（北京航天控制儀器研究所，北京，100854）

2J04磁鋼片的磁滯性能，對(duì)電機(jī)啟動(dòng)可靠性及抗過(guò)載能力有重要影響。針對(duì)2J04轉(zhuǎn)子磁鋼片的磁滯性能低的問(wèn)題，通過(guò)大量的工藝實(shí)驗(yàn)對(duì)影響磁滯性能的因素進(jìn)行研究，提出生產(chǎn)工藝改善方法。結(jié)果表明：改善后的2J04轉(zhuǎn)子磁鋼片的磁滯性能有所提高。

2J04磁鋼片；熱處理；磨削；磁滯性能

0 引 言

2J04磁滯合金具有優(yōu)良的磁滯性能，因而被廣泛用于磁滯電機(jī)的轉(zhuǎn)子、電機(jī)、陀螺儀等航天航空設(shè)備[1,2]。采用動(dòng)壓氣浮軸承的電機(jī)具有壽命長(zhǎng)、精度高等特點(diǎn)，磁滯電機(jī)具有自啟動(dòng)的特點(diǎn)[3]。2J04轉(zhuǎn)子磁鋼片的磁滯性能決定電機(jī)的啟動(dòng)力矩和啟動(dòng)時(shí)間，對(duì)電機(jī)啟動(dòng)可靠性及抗過(guò)載能力有重要影響。

本文針對(duì)2J04轉(zhuǎn)子磁鋼片磁滯性能低的問(wèn)題進(jìn)行研究，通過(guò)大量的工藝試驗(yàn)，改進(jìn)了生產(chǎn)工藝，提高了2J04轉(zhuǎn)子磁鋼片的磁滯性能，同時(shí)提高了2J04轉(zhuǎn)子磁鋼片的生產(chǎn)工藝的技術(shù)成熟度。

1 轉(zhuǎn)子磁鋼片原有工藝分析

由于轉(zhuǎn)子磁鋼片采用2J04磁滯合金，未掌握熱處理工藝的最優(yōu)工藝參數(shù)，只是遵循QJ1398A-2008中關(guān)于2J04磁滯合金的熱處理參數(shù)，導(dǎo)致熱處理后材料的磁滯性能低，無(wú)法滿足更高的特殊要求。

表1為QJ1398A-2008中2J04磁滯合金的熱處理參數(shù)及磁滯性能。

表1 QJ1398A-2008中2J04磁滯合金的熱處理參數(shù)及磁滯性能

從表1可以看出，某型號(hào)任務(wù)中2J04磁滯合金的磁性能設(shè)計(jì)指標(biāo)為：當(dāng)最大磁場(chǎng)強(qiáng)度Hm=5 174 A/m時(shí)，Bm≥1.6 T；Br≥1.37 T；Hc≥4 140 A/m，高于國(guó)軍標(biāo)中的指標(biāo)。

表2為國(guó)軍標(biāo)及某型號(hào)任務(wù)設(shè)計(jì)提出的2J04磁滯合金的磁性能指標(biāo)。在生產(chǎn)過(guò)程中，轉(zhuǎn)子磁鋼片的磁滯性能指標(biāo)中主要是矯頑力Hc，尚未達(dá)到任務(wù)所要求的2J04磁滯合金的設(shè)計(jì)指標(biāo)，一般只能達(dá)到不小于3 680 A/m。

表3為采用QJ1398A-2008中的通用熱處理方法得到的數(shù)據(jù)。磁滯性能檢測(cè)使用NIM-2000s軟磁材料直流磁性能精密測(cè)量裝置，數(shù)值為3次測(cè)量的均值，誤差為±2%。

表2 2J04磁滯合金的磁性能指標(biāo)

表3 采用QJ1398A-2008中的通用熱處理方法得到的數(shù)據(jù)

2 2J04轉(zhuǎn)子磁鋼片生產(chǎn)工藝的改進(jìn)

2J04轉(zhuǎn)子磁鋼片為淬火冷軋成材，該合金在回火熱處理前具有良好的塑性，適用于剪切和切削，可以進(jìn)行機(jī)械加工，但在熱處理后進(jìn)行機(jī)械加工會(huì)降低磁性能，一般留較少余量進(jìn)行磨削加工。針對(duì)2J04轉(zhuǎn)子磁鋼片的磁滯性能低的問(wèn)題，對(duì)原有的生產(chǎn)工藝進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)影響磁鋼片磁滯性能的工序主要有熱處理和磨削加工，其中主要瓶頸為熱處理。2J04轉(zhuǎn)子磁鋼片的具體生產(chǎn)工藝流程如圖1所示。

圖1 2J04轉(zhuǎn)子磁鋼片的生產(chǎn)工藝流程

改進(jìn) 2J04轉(zhuǎn)子磁鋼片的生產(chǎn)工藝，提高了 2J04轉(zhuǎn)子磁鋼片的磁滯性能，使其滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)，從而提高2J04轉(zhuǎn)子磁鋼片的生產(chǎn)工藝技術(shù)成熟度。

2.1 2J04轉(zhuǎn)子磁鋼片熱處理工藝的改進(jìn)

2J04磁滯合金經(jīng)過(guò)冷軋和淬火處理后，晶界上存在大量的高密度位錯(cuò)，這些位錯(cuò)會(huì)釘扎磁疇壁，在磁化過(guò)程中影響磁疇壁的移動(dòng)，增加磁疇從無(wú)序向有序轉(zhuǎn)變的阻力，從而降低磁滯合金整體的磁性能，因此需要經(jīng)過(guò)回火熱處理來(lái)消除這些殘留位錯(cuò)[4]。同時(shí)，2J04磁滯合金的磁性能對(duì)回火溫度較敏感，回火溫度為熱處理過(guò)程的主要影響因素，保溫時(shí)間和冷卻方式為一般影響因素[5,6]。

材料磁化過(guò)程中，沿磁場(chǎng)方向的拉應(yīng)力，能促進(jìn)磁化，使磁化所需要的能量減少。2J04磁滯合金屬于FeCoV合金，此種合金的性能對(duì)彈性拉伸力十分敏感，當(dāng)施加彈性拉伸力時(shí)，沿拉伸方向的磁性能隨拉伸應(yīng)力呈直線增加。去掉拉伸力磁性能又恢復(fù)到原始狀態(tài)。據(jù)分析，轉(zhuǎn)子磁鋼片在回火熱處理時(shí)施加一定大小的拉伸應(yīng)力可以使合金的磁性能得到提高，具有與磁場(chǎng)處理相同的效果。

通過(guò)前期的初步試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)磁鋼片做熱處理時(shí)，采用芯軸工裝，使2J04磁鋼片在低應(yīng)力狀態(tài)下回火可以提高磁鋼片的磁性能。圖2為2J04轉(zhuǎn)子磁鋼片熱處理專(zhuān)用工裝。

2.1.1 熱處理溫度對(duì)轉(zhuǎn)子磁鋼片磁滯性能的影響

圖2 轉(zhuǎn)子磁鋼片的熱處理工裝

通過(guò)分析可知，熱處理過(guò)程中對(duì)磁鋼片的磁滯性能影響的主要因素為：回火熱處理溫度和拉伸應(yīng)力，保溫時(shí)間和冷卻方式為一般影響因素。試驗(yàn)首先研究熱處理溫度對(duì)磁滯性能的影響，選定回火熱處理溫度，然后在此基礎(chǔ)上研究保溫時(shí)間和冷卻方式對(duì)磁滯性能的影響，實(shí)驗(yàn)件都使用熱處理工裝（見(jiàn)圖2）。磁滯合金的磁性能對(duì)回火溫度較敏感，試驗(yàn)中采用階段升溫法，嚴(yán)格控制溫度的沖擊，保證溫度的一致性；加熱方式選擇先緩慢預(yù)熱到550 ℃，入爐前保溫，最后放入熱處理爐，隨爐加熱以5 ℃/min緩慢加熱到預(yù)定溫度，以防止溫度沖擊；在熱處理工藝試驗(yàn)中，試樣采用2J04磁滯合金的成分如表4所示。

表4 2J04磁滯合金成分

表4中，回火熱處理溫度參考2J04常用回火溫度，選擇600 ℃、605 ℃、610 ℃、615 ℃、620 ℃、625℃和630 ℃；降溫方式為空冷；由于使用工裝，為保證磁鋼片在熱處理時(shí)熱透，選定保溫時(shí)間為1.5 h，比散片要長(zhǎng)；選用NIM-2000s軟磁材料進(jìn)行直流磁性能精密測(cè)量裝置，取3次測(cè)量均值。

表5為不同溫度下2J04轉(zhuǎn)子磁鋼片的回火熱處理試驗(yàn)結(jié)果。從表5可以看出，使用熱處理工裝后，轉(zhuǎn)子磁鋼片的磁滯性能大幅度提高。除600 ℃時(shí)矯頑力Hc略低于設(shè)計(jì)要求指標(biāo)，625 ℃及630 ℃時(shí)最大磁感應(yīng)強(qiáng)度Bm低于指標(biāo)，其余指標(biāo)均高于設(shè)計(jì)要求。

表5 不同溫度下2J04轉(zhuǎn)子磁鋼片的回火熱處理試驗(yàn)結(jié)果

圖3～圖6分別為最大磁感應(yīng)強(qiáng)度Bm、剩余磁感應(yīng)強(qiáng)度Br、矯頑力Hc和磁能積Br×Hc與熱處理溫度的關(guān)系。

圖3 Bm與熱處理溫度的關(guān)系

圖4 Br與熱處理溫度的關(guān)系

圖5 Hc與熱處理溫度的關(guān)系

圖6 磁能積與熱處理溫度的關(guān)系

從圖3～圖6中可以看出，隨著溫度的升高，最大磁感應(yīng)強(qiáng)度Bm及剩余磁感應(yīng)強(qiáng)度Br都明顯降低；而矯頑力Hc隨著溫度升高，在615 ℃以下呈上升趨勢(shì)，615 ℃以后輕微波動(dòng)，變化不大；磁能積在610 ℃達(dá)到頂峰隨著溫度的升高迅速下降。綜合來(lái)看，最佳溫度點(diǎn)應(yīng)為610 ℃，各項(xiàng)指標(biāo)均高于設(shè)計(jì)指標(biāo)。遠(yuǎn)高于散片熱處理數(shù)據(jù)。

2.1.2 冷卻方式對(duì)轉(zhuǎn)子磁鋼片磁滯性能的影響

選定最佳回火熱處理溫度后，再次進(jìn)行試驗(yàn)，研究不同冷卻方式對(duì)磁滯性能的影響。試驗(yàn)過(guò)程中采用階段升溫法，熱處理工裝，回火熱處理溫度為610 ℃，保溫時(shí)間為1.5 h和2 h，冷卻方式分別選擇空冷、水冷、液氮進(jìn)行。

表6為采用不同冷卻方式下2J04轉(zhuǎn)子磁鋼片的回火熱處理試驗(yàn)結(jié)果。從表6中可以看出，3種冷卻方式對(duì)2J04轉(zhuǎn)子磁鋼片的磁性能幾乎沒(méi)有影響，但從操作難易程度上看空冷是最簡(jiǎn)單的，選定最佳冷卻方式為空冷。

表6 不同冷卻方式下2J04轉(zhuǎn)子磁鋼片的回火熱處理試驗(yàn)結(jié)果

2.1.3 保溫時(shí)間對(duì)轉(zhuǎn)子磁鋼片磁滯性能的影響

選定冷卻方式后，進(jìn)行第3組試驗(yàn)，研究不同保溫時(shí)間對(duì)磁滯性能的影響。試驗(yàn)過(guò)程中采用階段升溫法，采用的熱處理工裝，回火熱處理溫度為610 ℃；冷卻方式選擇空冷，保溫時(shí)間分別為0.5 h、1 h、1.5 h和2 h進(jìn)行；磁性性能檢測(cè)于航天科工防御技術(shù)研究試驗(yàn)中心。選用NIM-2000s軟磁材料進(jìn)行直流磁性能精密測(cè)量裝置，對(duì)3次數(shù)值測(cè)量取均值。

表7為不同保溫時(shí)間下2J04轉(zhuǎn)子磁鋼片的回火熱處理試驗(yàn)結(jié)果。從表7中可以看出保溫時(shí)間從0.5 h到1.5 h之間對(duì)2J04轉(zhuǎn)子磁鋼片的磁性能影響很小，但保溫時(shí)間達(dá)到2 h轉(zhuǎn)子磁鋼片的磁性能會(huì)明顯下降，尤其是剩余磁感應(yīng)強(qiáng)度Br從1.54降至1.45。這是由于熱處理時(shí)間太長(zhǎng)，導(dǎo)致材料中晶粒尺寸的變大，影響磁疇的分布，從而影響剩余磁感應(yīng)強(qiáng)度 Br?？紤]到試驗(yàn)件的磁鋼片數(shù)量較少，在批量生產(chǎn)時(shí)磁鋼片數(shù)量較多，為保證其熱處理的熱透性，同時(shí)兼顧效率，最佳保溫時(shí)間為1 h。

表7 不同保溫時(shí)間下2J04轉(zhuǎn)子磁鋼片的回火熱處理試驗(yàn)結(jié)果

2.1.4 小 結(jié)

2J04轉(zhuǎn)子磁鋼片的磁性能優(yōu)異取決于磁能積的大小，因此熱處理的目的在于使材料的磁能積達(dá)到最大值。通過(guò)數(shù)次熱處理工藝試驗(yàn)，采用膨脹芯軸工裝，分別研究了熱處理溫度、冷卻方式、保溫時(shí)間等熱處理參數(shù)對(duì)轉(zhuǎn)子磁鋼片磁滯性能的影響，選定熱處理參數(shù)，優(yōu)化了熱處理工藝。優(yōu)化后的熱處理工藝為：使用膨脹芯軸工裝；熱處理過(guò)程中采用階段升溫法，防止溫度沖擊；熱處理溫度選擇為610 ℃；保溫時(shí)間為1 h；冷卻方式為空冷。優(yōu)化后的熱處理工藝，大幅度提高了2J04轉(zhuǎn)子磁鋼片的磁滯性能，使熱處理后轉(zhuǎn)子磁鋼片的磁滯性能滿足了型號(hào)的設(shè)計(jì)指標(biāo)。

2.2 2J04轉(zhuǎn)子磁鋼片磨削加工工藝的優(yōu)化

2J04轉(zhuǎn)子磁鋼片在回火熱處理后，磁性能顯著提高，但材質(zhì)變硬、變脆，不允許振動(dòng)敲打。機(jī)械加工由于會(huì)產(chǎn)生塑性擠壓形變，影響磁疇分布[7]。同時(shí)，在機(jī)加過(guò)程中產(chǎn)生較大的機(jī)械應(yīng)力，因此會(huì)顯著影響轉(zhuǎn)子磁鋼片的磁性能。磨削加工時(shí)要保證轉(zhuǎn)子磁鋼片冷卻性好，否則可能因表面溫度高而產(chǎn)生回火，使得材料性能大大改變。經(jīng)驗(yàn)表明，不加冷卻經(jīng)過(guò)強(qiáng)烈磨削后，會(huì)使轉(zhuǎn)子磁鋼疊片組件的磁滯性能下降30%。

研究方案為：首先按照轉(zhuǎn)子磁鋼片熱處理工藝進(jìn)行熱處理，然后進(jìn)行膠結(jié)疊片，選用不同磨削進(jìn)刀量分別加工轉(zhuǎn)子磁鋼疊片組件，同時(shí)在磨削加工的過(guò)程中使用冷卻液，對(duì)加工前后的轉(zhuǎn)子磁鋼疊片組件進(jìn)行磁性能檢測(cè)。選擇的進(jìn)刀量參數(shù)分別為0.001、0.005、0.01、0.02、0.05 mm/r。

表8為不同磨削進(jìn)刀量分別加工磁鋼疊片組件的磁性能統(tǒng)計(jì)。圖 7～圖 10分別為磨削加工進(jìn)刀量對(duì)最大剩余磁感應(yīng)強(qiáng)度Bm、剩余磁感應(yīng)強(qiáng)度Br、矯頑力Hc和磁能積的影響

表8 不同磨削進(jìn)刀量分別加工磁鋼疊片組件的磁性能統(tǒng)計(jì)

圖7 磨削加工進(jìn)刀量與Bm的關(guān)系

圖8 磨削加工進(jìn)刀量與Br的關(guān)系

圖9 磨削加工進(jìn)刀量與Hc的關(guān)系

圖10 磨削加工進(jìn)刀量與磁能積的關(guān)系

從圖7～圖10中可以看出，磨削加工進(jìn)刀量較小，分別為0.001、0.005和0.01 mm/r時(shí)，對(duì)于磁性能的影響較小，當(dāng)磨削進(jìn)刀量達(dá)到0.02 mm/r，磁性能開(kāi)始明顯下降，尤其是剩余磁感應(yīng)強(qiáng)度Br和矯頑力Hc，分別由1.55 T和4 400 A/m降至1.45 T和4 080 A/m，其磁能積也由6 820 J/m3降至5 910 J/m3?？梢缘贸鋈缦陆Y(jié)論：磨削加工時(shí)，應(yīng)選擇較小的進(jìn)刀量，進(jìn)刀量越小，對(duì)于磁性能的損失越小，但考慮到加工效率，推薦選擇磨削加工進(jìn)刀量為0.005 mm/r。

3 2J04轉(zhuǎn)子磁鋼片工藝改進(jìn)后的工藝分析

針對(duì) 2J04轉(zhuǎn)子磁鋼片的磁滯性能低的問(wèn)題，對(duì)2J04轉(zhuǎn)子磁鋼片的生產(chǎn)工藝尤其是熱處理和磨削加工進(jìn)行了優(yōu)化改進(jìn)。采用改進(jìn)后的工藝，對(duì)2J04轉(zhuǎn)子疊片進(jìn)行熱處理，嚴(yán)格控制回火溫度（±5 ℃），2J04轉(zhuǎn)子磁鋼片的磁滯性能均達(dá)到了設(shè)計(jì)指標(biāo)，合格率達(dá)到100%，從而驗(yàn)證了本方法的穩(wěn)定性和繼承性；同時(shí)，通過(guò)大量工藝試驗(yàn)及磁滯性能檢測(cè)，驗(yàn)證了工藝的完整性，其磁性能指標(biāo)可以檢測(cè)。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文通過(guò)大量工藝試驗(yàn)，對(duì)2J04轉(zhuǎn)子磁鋼片工藝進(jìn)行研究，提高了其磁性能。對(duì)于提高電機(jī)啟動(dòng)可靠性及抗過(guò)載能力，提高整表穩(wěn)定性，保證研制工作順利進(jìn)行有重要影響。同時(shí)對(duì)磁滯合金的共性問(wèn)題探索出可借鑒的典型工藝方法供同類(lèi)產(chǎn)品研制參考、運(yùn)用。

[1]邱克立. 永磁同步電機(jī)與磁鋼性能的關(guān)系[J]. 微特電機(jī), 1997(2): 16-18.

[2]黃海燕. 陀螺馬達(dá)用磁滯合金研究[J]. 上海鋼研, 1998(4): 3-7.

[3]李建春, 馮浩, 王曉瑜, 等. 氣體動(dòng)壓軸承技術(shù)在陀螺電機(jī)中的應(yīng)用[J].微電機(jī), 2012(6): 80-82.

[4]樊開(kāi)倫. 2J04磁滯合金回火處理對(duì)磁性能的影響[J]. 金屬熱處理, 1997(10): 33-35.

[5]李春紅, 欒佰峰, 李峰, 等. Fe-Co合金磁滯性能溫度特性研究[J]. 功能材料, 2015（增1）: 97-104.

[6]杜忠澤, 何濤, 符寒光, 等. 回火處理對(duì)超細(xì)晶 2J4磁滯合金磁性能的影響[J]. 金屬功能材料, 2007(6): 1-4.

[7]杜忠澤, 伍來(lái)智, 符寒光, 等. ECAP變形2J4合金的顯微組織演變[J].航空材料學(xué)報(bào), 2008(1): 23-29.

Research on Increasing Hysteresis Properties of 2J04 Magnet Steel

Cui Yan, Su Yi-bing, Guo Yi
(Beijing Aerospace Control Device Institute, Beijing, 100854)

Hysteresis properties of 2J04 magnet steel affect the reliability of enablement and the ability of overload protection of electrical motor. Research on improving the production technology through a large number of tests to increase hysteresis properties of 2J04 magnet steel is introduced.

2J04 magnet steel; Heat treatment; Grinding; Hysteresis properties

TN304.05

A

1004-7182(2017)01-0084-05

10.7654/j.issn.1004-7182.20170120

2016-04-01；

2016-07-01

崔 硯（1981-），男，高級(jí)工程師，主要研究方向?yàn)殡姍C(jī)加工及裝配工藝技術(shù)