顺序热处理过程中微观组织与织构演变对双相磁性材料磁性能的影响

《Journal of Alloys and Compounds》：The Effect of Microstructure and Texture Evolution on Magnetic Properties of Dual Phase Magnetic Material During a Sequential Process of Heat treatment

摘要双相磁性材料已被提出，以减轻硅钢电机在服役过程中产生的严重漏磁问题。本文选取Fe–Cr–Mn铁素体不锈钢薄板作为初始材料，开发了一种结合预退火、固溶氮化和后退火的处理路线。未退火板材在1.5 T、50 Hz下的比总损耗P1.5/50为18.7144&n

　　

摘要

双相磁性材料已被提出，以减轻硅钢电机在服役过程中产生的严重漏磁问题。本文选取Fe–Cr–Mn铁素体不锈钢薄板作为初始材料，开发了一种结合预退火、固溶氮化和后退火的处理路线。未退火板材在1.5 T、50 Hz下的比总损耗P_1.5/50为18.7144 W/kg，在H = 5000 A/m下磁感应强度B₅₀为0.8462 T。在930 °C预退火2 min的试样表现出最佳磁性能，P_1.5/50为4.2633 W/kg，B₅₀为1.2087 T。随后在1150 °C对优化后的试样进行150 min的选择性固溶氮化。氮化后，磁性区域仍保持软磁性能，B₅₀为1.2104 T，P_1.5/50为4.0645 W/kg。相比之下，非磁性区域在2 T下的质量磁化强度降至10.78 emu/g，比磁性区域低92.6%。随后在660 °C进行20 min的后退火，磁性区域在2 T下的质量磁化强度进一步提高至159.16 emu/g，而非磁性区域仍保持在8.72 emu/g的低水平。结果表明，所提出的工艺路线在改善磁性区域性能的同时，保持非磁性区域的低磁化水平。

引言

在发展高效电机和高频电力转换系统的过程中，需要在中高磁感应强度和高频条件下降低铁磁核心材料的铁芯损耗，这对于提高能源利用率和功率密度至关重要[1], [2], [3], [4], [5]。硅钢仍是最广泛使用的电机铁芯材料。然而，传统硅钢在运行过程中磁通会穿过大部分区域，因此在转子磁桥和中心柱等特定结构区域经常出现强烈的漏磁。漏磁增加了局部附加损耗并削弱了整体磁通调节能力，这些效应限制了电机性能的进一步提升[6], [7], [8], [9], [10]。因此，提出了双相磁性材料[10]。通过在漏磁区域引入非磁性区域来阻断磁场传导，同时剩余区域保持铁磁性，可以抑制漏磁并提高可用磁通密度。目前，双相磁性材料的制备通常依赖于高温固溶氮化。在富氮气氛中，将试样加热至1150 °C并保温150 min，用氮气吹扫炉膛并在处理过程中持续供氮，铁素体相随后转变为奥氏体，导致消磁。尽管如此，整体工艺路线仍然复杂，热处理参数与磁性能之间的关系需要深入研究。在转子叠片中，这种设计使得磁桥或中心柱可以变为非磁性，而主载磁区域保持磁性，从而在不组装异种材料的情况下减少漏磁。

优化热处理工艺制度是调整软磁材料磁性能的最有效方法之一[11], [12]。Wei等[13]研究了再结晶退火对3.3 wt.% Si无取向电工钢织构和磁性能的影响。在400 °C下退火1 h的再结晶退火使再结晶织构从以传统γ纤维（?111?//ND）为主，转变为显著促进{021}?100?、{332}?uvw?和λ纤维（?001?//ND）等取向的形核和生长，同时γ纤维显著减弱。Wen等[14]采用高磁场退火（HMF）来调控高强度无取向电工钢的回复–再结晶行为和织构演变。随着退火温度升高，微观结构经历回复和再结晶并伴随晶粒长大，磁感应强度随温度升高先增加后降低。在850 °C高磁场退火后获得了最佳综合性能，B₅₀ = 1.679 T，高频铁芯损耗P_1.0/400 = 21.44 W/kg。Jiao等[15]研究了双辊带铸无取向电工钢在900–1200 °C再结晶退火后的织构与磁性能之间的耦合关系。在1100 °C时获得了磁性能和各向异性匹配的最佳组合，最小铁芯损耗为3.23 W/kg，磁感应强度为1.71 T。Zhong等[16]对冷轧高牌号无取向电工钢在800 °C进行了再结晶退火。随着退火时间增加，基体经历回复和再结晶，晶粒显著长大，位错密度显著降低，磁性能相应改善。然而，现有大多数研究集中在硅钢上，关于双相磁性材料热处理的文献仍然稀缺，需要进一步研究。

本文选取Fe–Cr–Mn铁素体不锈钢作为初始材料。在固溶氮化前引入900–990 °C的预退火作为预处理。系统比较了退火温度和保温时间对B₅₀和P_1.5/50的影响。利用织构表征技术研究织构演变及其与磁性能的关联。此外，评估了固溶氮化后磁性能的变化。随后进行后退火处理，以进一步增强磁性区域的磁性能，同时保持非磁性区域的消磁水平。

章节摘要

材料与方法

采用冷轧Fe–Cr–Mn铁素体不锈钢薄板，厚度为0.5 mm。化学成分见表1。该板材通过热轧、正火和冷轧制备。随后依次进行预退火、电化学镀镍、固溶氮化和后退火处理，如图1所示。

用于选择性氮化和局部表征的矩形试样尺寸为10 mm × 20 mm × 0.5 mm。每个试样沿长度方向被划分

预退火对初始材料磁性能和织构的影响

预退火使用SL93-365梯度炉进行。温度范围为900 °C至990 °C，保温时间设为2 min或5 min。设计了八个工艺制度，标记为P1至P8，见表2。预退火后进行磁性能筛选，选择综合性能最佳的试样进行氮化处理。

在900–990 °C下退火、保温2或5 min后对八个试样进行了测试。未退火的

讨论

预退火带来的改善应从织构重新分布和冷轧诱发缺陷可能的弛豫两方面来解释。在BCC Fe基板材中，?100?族为易磁化方向。增强的η纤维将一个?100?方向与RD对齐，而λ纤维在?001?//ND条件下将两个晶体学等价的?100?方向置于板面内。这些变化可以减少沿

结论

以Fe–Cr–Mn铁素体不锈钢为初始材料制备了双相磁性材料。在固溶氮化前引入预退火作为预处理。未退火板材的软磁性能较差，P_1.5/50为18.7144 W/kg，B₅₀为0.8462 T。在900–990 °C下退火2 min或5 min后，P_1.5/50降至4.2633–5.5255 W/kg，B₅₀升至1.0790–1.2087 T，表明铁芯损耗显著降低

资助

作者感谢国家自然科学基金的资助（批准号：52005374）。

CRediT作者贡献声明

谢琛浩：撰写 – 初稿，软件，方法论，形式分析，概念设计。刘伟：撰写 – 初稿，监督，资金获取，数据整理。王华君：撰写 – 审阅与编辑，资源，概念设计。王柯含：验证，软件。黄尚宇：撰写 – 审阅与编辑。

利益冲突

作者声明不存在可能影响本文所报告工作的已知竞争性经济利益或个人关系。

利益冲突声明

作者声明不存在可能影响本文所报告工作的已知竞争性经济利益或个人关系。

谢琛浩|刘伟|王华君|王柯含|黄尚宇

武汉理工大学材料科学与工程学院，武汉430070，中国