衔铁是断路器产品中的关键零部件，其磁性能以及表面平整度对吸合电流具有很大的影响。坡莫Ｎｉ－Ｆｅ合金具有较低的矫顽力Ｈｃ、较高的饱和磁感应强度Ｂｓ和耐腐蚀性能，是迄今为止用途最为广泛的软磁合金，尤其１Ｊ５０最为典型，其饱和磁感应强度Ｂｓ最高，是导磁性能最优良的材料之一。１Ｊ５０在低温下晶体结构仍具有面心立方结构，因此其具有良好的塑性，易于加工，常用于小功率变压器铁芯、扼流圈，也用作磁屏蔽罩、电磁磁轭、衔铁和磁导体。
不同的热处理工艺后，１Ｊ５０材料可以显示出截然不同的磁滞回线以及不同的晶粒组织。Ｎｉ－Ｆｅ坡莫合金的热处理工艺大部分采用高真空保护或氢气保护处理。目前在脱扣器中对磁轭、衔铁材料性能的应用要求非常严格，而磁轭与衔铁经过氢气保护热处理后，晶粒尺寸长大，位错密度减小，同时晶界数量降低，对畴壁的钉扎作用减弱，有利于提高磁稳定性能。但在后续的磨削加工中，其磁性能会下降。为了消除衔铁因磨削产生的磁性能下降问题，本文对后续采用抛光与回火去应力处理后的组织结构和磁性能变化进行对比，以期通过采用最优的工艺得到磁性能良好的产品，提高脱扣器的稳定性。
试验材料及方法
试验所用1J50合金为锻造带材，采用直读式光谱仪测试化学成分如表１所示，满足标准ＧＢ／Ｔ ３２２８６．１—２０１５对坡莫合金
1
J50的
成分
要求。对比了不同温度及不同炉中环境，最终采用型号为ＴＥ０５０的德国快速升温管式电炉对坡莫合金
1
J50试
样在
高纯氢气保护气氛下进行热处理。以１０℃／min速率升温至℃，保温１ｈ，随后继续以１０℃／min速率升温至℃保温6h，结束后以℃／ｈ的速度缓慢冷却至７００℃，之后随炉冷却。
出炉后的样品为保证零件的平整度采用纵向进给速度１～１２ｍ／ｍｉｎ进行磨削，随后分别采用抛光与回火去应力两种方式对磨削后的衔铁进行处理，其中回火去应力是采用６００℃真空处理２ｈ的方式。然后，对比磁性能的变化，采用ＪＳＭ－ＩＴ８００ＳＨＬ扫描电子显微镜进行表面分析；采用测试系统ＭＡＴＳ－３０１０ＳＡ磁滞回线仪进行磁性能观测；采用Ｄ８ＡＤＶＡＮＣＥＸ射线能谱仪进行物相结构测试；利用软件Ｊａｄｅ５和Ｏｒｉｇｉｎ２０１８对测试数据进行分析。
零件磨削
衔铁经过氢气保护磁性退火热处理后，为了保证零件的平整度，减小气隙对吸合电流稳定性的影响，需要对其进行磨削处理。但是砂轮磨削后，其磁性能下降明显，图１所示为磨削前后的磁滞回线对比。从图１可以看出，材料在氢气保护气氛下进行热处理后，饱和磁感应强度Ｂｓ最大、矫顽力Ｈｃ最小，磁导率μｉ最大；但是随着后道磨削工艺的进行，其饱和磁感应强度Ｂｓ下降，磁导率也下降，磁性能下降明显。这是由磨削对零件表面的冷变形作用导致的。表面巨大的磨削力致使材料内部磁畴的排列也发生了变化，由无序排列形式转变为部分有序排列。材料的具体磁性能数据如表２所示，可以看出，饱和磁感应强度Ｂｓ下降，矫顽力Ｈｃ增大，初始磁导率μｉ以及最大磁导率μｍ下降，磁性能下降明显。
抛光或去应力退火对衔铁磁性能的影响
图２所示为衔铁经过抛光与回火去应力处理前后的磁滞回线，材料的具体磁性能数据如表３所示，可以看出材料在磨削之后，后续经过抛光或回火去应力（６００℃真空处理２ｈ）后，衔铁的矫顽力Ｈｃ均显著下降、磁导率μｉ均有所提高，磁性能明显改善。表３列出了抛光与回火去应力热处理工艺后１Ｊ５０的主要磁性能指标，可以看出，虽然经过氢气保护气氛下热处理后的磁衔铁性能大大提高，但是后续进行抛光或回火去应力热处理工艺后，衔铁的饱和磁感应强度Ｂｓ变化不大。由于其属于非结构敏感量，不受工艺加工条件、材料内部杂质含量、材料孔隙、晶粒大小等影响，因此其性能仅取决于材料的成分和密度。经过还原型气氛氢气热处理，去除材料杂质，饱和磁感应强度Ｂｓ会有所增大。
不同于磁感应强度Ｂｓ，矫顽力Ｈｃ和磁导率μｉ对结构比较敏感，不但受加工条件的影响，而且还受孔隙形状以及杂质Ｃ、Ｏ等影响。研究发现针对含量为５０％Ｎｉ的坡莫合金，其矫顽力主要受３方面的影响，可记作：Ｈｃ＝Ｈｃｏ＋Ｈｃｉ＋Ｈｃｋ其中，Ｈｃｏ决定于合金的成分、物相结构和残余应力，Ｈｃｉ由夹杂物决定，Ｈｃｋ与材料的内部晶粒尺寸相关。
金相组织
图３为不同工艺前后试样的金相显微组织图，从图３（ａ）和图３（ｂ）对比可以看出，热处理前１Ｊ５０坡莫合金晶粒大小仅约为２００μｍ，组织主要为孪晶奥氏体。相较于热处理前，氢气气氛下热处理后１Ｊ５０材料晶粒尺寸增大，平均晶粒尺寸达到５００μｍ。晶粒尺寸越大，磁畴转动受到磁畴壁的阻力越小，因此其材料的磁性能矫顽力Ｈｃ越小，磁导率μｉ越大。图３（ｃ）和图３（ｄ）为抛光和回火去应力处理后的金相图片，可以看出晶粒大小与热处理后没有明显差异。此外，１Ｊ５０坡莫合金热处理后没有发生相变，组织依然为孪晶奥氏体，其原因是由于坡莫合金中含有大量Ｎｉ元素，其与γ－Ｆｅ无限互溶，使Ａ３线下降，Ａ４线升高，扩大γ相区作用。
表面形貌及能谱ＥＤＳ分析
图４（ａ）～图４（ｄ）分别展示了热处理后、磨削后、抛光后和６００℃保温２ｈ后的表面形貌图。表４列出了ＥＤＳ成分，可以看出：磨削后表面含碳量和含硅量明显增大；热处理去应力后在还原型气氛炉中含碳量明显减小，含硅量稍微减小；而抛光后含碳量和含硅量都明显减小。
对比图４（ａ）和图４（ｂ）可以发现，相较于磨削前，磨削后表面呈现了很明显的磨痕，磨痕宽度大约５μｍ，磨痕间距为１５μｍ。表面ＥＤＳ结果显示，磨痕处成分和非磨痕处含碳量具有明显的差异，这是由于磨削砂轮的材质为碳化硅。软磁材料的磁性能对含碳量非常敏感，含碳量越大，其矫顽力越大，磁导率越低。对比图４（ｃ）和图４（ｄ）可以发现，热处理去应力后保留了磨削的痕迹而抛光后磨削痕迹会消失。
表面平面度
零件表面的平整度会影响衔铁的接触面积，进而影响气隙的大小，影响吸合电流的稳定。测试３组零件在热处理前后、磨削后、抛光后、采用６００℃保温２ｈ去应力处理后的表面平整度，结果如表５所示。从表５可以看出：热处理后的零件平整度零散性较大；而磨削后、抛光后、采用６００℃保温２ｈ处理的零件平整度相差不大。表明抛光后和采用６００℃保温２ｈ处理对零件的平整度没有影响。
物相结构分析
图５为经氢气还原气氛热处理前后１Ｊ５０试样ＸＲＤ图谱，热处理后的衍射峰细化，表明经过热处理后材料内部晶粒长大，缺陷减少，晶体结构更加完整。采用Ｊａｄｅ５软件对数据进行分析，坡莫合金１Ｊ５０三强线与（Ｆｅ，Ｎｉ）对应较好，出现差别的原因是，Ｆｅ与Ｎｉ无限固溶，在热处理的过程中Ｎｉ溶入Ｆｅ中出现差别，致使不能完全对应ＰＤＦ卡片。此外，经过热处理之后，合金没有发生相变，都为（Ｆｅ，Ｎｉ）固溶体。对比磨削前后、抛光后、采用６００℃保温２ｈ后物相分析，均无新相的产生。
表面内应力
采用Ｘ射线衍射法测量零件内部的残余应力，表６列出了磨削前后、抛光后，采用６００℃保温２ｈ去应力热处理后残余应力的数据大小。可以看出，磨削前的零件残余应力最小，由于其经过氢气高温还原热处理后，内应力减小，随着３００℃氮气快速冷却，零件表面残余微量压应力。但是磨削后，由于砂轮对零件表面形成的巨大的磨削力，造成表面磨痕变形，形成很大的压应力。为了消除残余压应力带来的磁性能下降，采用了抛光和６００℃保温２ｈ去应力处理两者方案进行后续处理，测试数据显示：两个方案都能降低磨削造成的残余压应力，但６００℃去应力处理效果更明显，这是由于其零件表面压应力从表面到心部逐渐递减，抛光只去除了表面一层磨削带来的变质层，而热处理对零件整体去应力处理。
脱扣器吸合电流
衔铁处理后进行成品组装验证，断路器吸合电流结果如表７所示。可以看出，衔铁经过磨削后其吸合电流最大，６００℃保温２ｈ去应力处理产品吸合电流最小。抛光的样品吸合电流次之，结果表明磨削造成零件磁性能下降，进而影响断路器吸合电流，而后续通过抛光或去应力处理可以提高零件的磁性能，改善断路器的吸合性能。
结论
１）衔铁１Ｊ５０软磁合金经过氢气保护热处理后，晶粒尺寸变大且均匀，磁性能得到显著改善，但后续经磨削处理后，磁性能会下降。
２）为了改善衔铁磁性能，磨削后进行去应力处理或抛光，对比分析了试样的ＸＲＤ图谱、表面形貌、平整度、金相组织以及表面内应力，由测试结果发现，经过这两种后处理工艺后，物相结构、晶粒大小、表面形貌和平整度没有差异，但表面内应力差异明显。磨削后压应力较大，而经过后续去应力处理或抛光后，压应力减小，去应力处理效果更明显。
３）验证了衔铁去应力处理或抛光后，对成品吸合电流的影响，试验结果表明，经６００℃保温２ｈ去应力处理后，产品的吸合电流最小。
