80年代末, R型變壓器由日本北村機(jī)電株式會(huì)社首先研究和開(kāi)發(fā)成功。它是替代 傳統(tǒng)的E、C型變壓器的理想產(chǎn)品，廣泛應(yīng)用在復(fù)印機(jī)、計(jì)算機(jī)等高 檔電子產(chǎn)品和醫(yī)療 儀器設(shè)備中,大大提高了以上各類產(chǎn)品的性能。R型變壓器風(fēng)靡了整個(gè)變壓 器行業(yè),它的誕 生使電子設(shè)備的品質(zhì)大為提高。
    1990年國(guó)內(nèi)某企業(yè)從日本引進(jìn)該項(xiàng)技術(shù)的設(shè)備和生產(chǎn)技術(shù)進(jìn)行生產(chǎn)。此后還有 企業(yè)陸續(xù)引進(jìn)。為了進(jìn)行國(guó)產(chǎn)化，某廠自己研制核心設(shè)備分條機(jī)和繞卷機(jī)，并使加工出 來(lái)的產(chǎn)品外形和 尺寸精度都非常理想，但是鐵芯的電磁性能參數(shù)分散、空載電流和空載 鐵損大，Ⅰ級(jí)品只有三成左右，合格率不到80%，嚴(yán)重制約著生產(chǎn)和影響了經(jīng)濟(jì)效益。

1、鐵芯材質(zhì)、工藝及對(duì)電磁性能的影響
    　R型變壓器鐵芯，選用牌號(hào)為DQ133G-30的電工用冷軋取向硅鋼帶。鐵芯生產(chǎn)工藝 流程為：分條→繞卷→電阻點(diǎn)焊→熱處理→測(cè)試分等級(jí)→浸漆、烘烤→繞初、 次級(jí)線圈 并制成R型變壓器產(chǎn)品。鐵芯是由單獨(dú)一根,分條成連續(xù)變寬的優(yōu)質(zhì)硅鋼帶一次卷繞 而成，在始端和終端采用電阻點(diǎn)焊固定， 制成的鐵芯如圖1所示。分條和繞卷成形應(yīng)保 證成形鐵芯形位精度和尺寸精度。同時(shí)應(yīng)限制毛刺（邊）的高度，否則會(huì)引起片間短路 從而增大渦流損耗。分條和繞卷是通過(guò)剪切和壓力加工進(jìn)行的，不可避免地產(chǎn)生塑性變 形和應(yīng)力，導(dǎo)致組織變化和晶格的畸變，使硅鋼片已形成的擇優(yōu)取向結(jié)構(gòu)破壞，損害電 磁性能。

　熱處理的目的是消除應(yīng)力，使剪口塑變部位“再結(jié)晶”，并大限度地恢復(fù)擇優(yōu)取 向結(jié)構(gòu)和 電磁性能。常用的工藝有真空退火和保護(hù)氣氛退火［4～7］。該廠采用保護(hù)氣氛 退火 (低真空充氮退火)，在帶馬弗的RJJ-90-9井式電阻爐 (配置了用于換氣的一級(jí)機(jī)械真 空泵)中進(jìn)行。為了保證鐵芯的形狀和位置精度，退火鐵芯連 同模芯(鑄鐵制成)一起裝入 爐內(nèi)。模芯與條料接觸面之間繞卷了二層紙墊，以方便熱處理后 拆除模芯。每次裝爐量 1000 kg左右，退火工藝如圖2。

　引起鐵芯電磁性能參數(shù)分散，Ⅰ級(jí)品少、合格率低的原因很多。鋼帶原材料質(zhì)量、成形鐵芯 的形狀位置精度和尺寸精度、熱處理質(zhì)量等都是制約因素。對(duì)原材料鋼帶，金相分析顯示，其組 織為粗大的單相鐵素體；電子探針?lè)治霰砻髟牧蠠o(wú)明顯含碳的跡象；在原材料和成品鐵芯中分 別取樣作法向反極圖試驗(yàn)，表明成品與原材料擇優(yōu)取向程度相近，說(shuō)明鋼帶原材料質(zhì)量合格。外 觀檢查分條毛剌不明顯，并且在繞卷過(guò)程中得到修整，成形鐵芯形位精度和尺寸精度合格。至此 可以初步判斷產(chǎn)生廢品的主要原因不在于原材料和鐵芯成形過(guò)程，很可能出在后道的熱處理(即氮 氣保護(hù)氣氛退火)工序上。

2、鐵芯異常組織的產(chǎn)生原因分析
　對(duì)熱處理后的鐵芯觀察發(fā)現(xiàn)，部分鐵芯局部表面有一層藍(lán)色的氧化膜。選擇廢品拆片時(shí)發(fā)現(xiàn) 部分鋼片脆性極大，用手一彎就斷。
    從廢品中取樣，將在料筐中心、邊緣等不同位置選取的樣品作好標(biāo)記，制備成金相試樣，對(duì) 鐵芯相同部位(即剪口處)進(jìn)行晶粒大小比較。發(fā)現(xiàn)普遍的情況是位于料筐中心的比邊緣的再結(jié)晶晶 粒細(xì)小。顯然爐內(nèi)邊緣溫度偏高而中心溫度偏低。塑變?cè)俳Y(jié)晶晶粒度與退火的溫度和時(shí)間有關(guān)， 尤其對(duì)溫度敏感。“真空退火爐”爐內(nèi)工件溫度的均勻性依賴輻射和對(duì)流傳熱。因RJJ-90-9爐子的 料筐直徑尺寸(•φ600)大，在升溫過(guò)程中，中央和邊緣工件溫差大 ，層數(shù)越多屏蔽輻射的效果越 強(qiáng)烈，中央工件到溫的滯后時(shí)間越長(zhǎng)。按估計(jì)在1.3～13Pa真空度條件下，這個(gè)滯后時(shí)間要超過(guò)3 h。按實(shí)際工藝條件，在1.3×103～1.3×104Pa真空度范圍內(nèi)，對(duì)流傳熱仍然起到一定的作用，因此 實(shí)際的滯后時(shí)間介于真空條件下和空氣爐二者之間，即滯后1～3 h。在冷卻過(guò)程中，爐內(nèi)壓力較高 甚至是正壓，加速了對(duì)流傳熱，但降溫階段中央工件“滯后到溫”仍然未能完全補(bǔ)償升溫階段的 滯后到溫時(shí)間。綜合結(jié)果是中央工件的實(shí)際加熱保溫時(shí)間短，實(shí)際的有效退火時(shí)間不足，所以再 結(jié)晶晶粒細(xì)小，電磁性能普遍較差。 　　
    爐內(nèi)溫度的不均勻必然伴隨氣氛的不均勻。如果爐內(nèi)氣氛不良，就會(huì)引起氧化或滲碳。圖3是 硅鋼片按圖2工藝處理后靠近墊紙位置取樣所觀察到的異常組織。(a)、(b) 為同一視場(chǎng)所拍照，以 不同的浸蝕劑腐蝕的金相組織，證明沿晶界分布的是Fe3C；在電鏡 照 片(c)中，可以看到鐵素體與 滲碳體片層相間的珠光體組織。采用電子探針對(duì)珠光體和基體定量分析，結(jié)果如表1所示。可見(jiàn)珠 光體組織的含碳量為0.61%；基體的碳含量也高出原材料碳含量（C≤0.003%）一個(gè)數(shù)量級(jí)。在鋼 廠供貨狀態(tài)下的硅鋼片中，沒(méi)有發(fā)現(xiàn)上述情況。

    上述結(jié)果顯示，在退火過(guò)程中，確實(shí)出現(xiàn)了局部的滲碳現(xiàn)象。究其原因應(yīng)與以下工 裝條件有 關(guān)。繞卷R型鐵芯所用的模芯材料為鑄鐵，鑄鐵中的石墨是供C源；而模芯與 條料間的墊紙?jiān)诎l(fā)生不完全燃燒時(shí)也會(huì)引致相鄰近鋼帶的滲碳。至于氧化膜，是在退火 工藝初期形成的。從圖2工藝可知，退火爐內(nèi)真空度甚低(僅為5×103～1.3×104Pa)，雖然 充氮保護(hù)，但爐內(nèi)的氧勢(shì)足以使鋼料在升溫過(guò)程中(主要是在＜570℃階段)發(fā)生氧化，生 成以Fe3O4為主的氧化膜。但在金相分析和外觀檢查中發(fā)現(xiàn)，并非所有的鐵芯都出現(xiàn)第二 相和產(chǎn)生氧化膜，這是爐內(nèi)溫度和氣氛不均勻的反映。組織不一致是導(dǎo)致產(chǎn)品電磁性能 參數(shù)分散的原因，特別是那些出現(xiàn)第二相的鐵芯，電磁性能劇烈變壞。

3、防止產(chǎn)生異常組織的措施
　　原退火爐里、外溫差大，造成中心位置部分鐵芯有效退火時(shí)間不足，同時(shí)不能保證 爐內(nèi)各 工件所處的氣氛均勻一致，工裝所用的紙墊、鑄鐵模芯中的石墨成為C源，引起 局部滲碳。通過(guò)改造設(shè)備，增加爐用風(fēng)扇強(qiáng)迫爐內(nèi)氣體循環(huán)，保證氣氛和溫度的均勻 性；采用電工純鐵替代鑄鐵制造模芯，同時(shí)模芯設(shè)計(jì)成機(jī)械(如擰螺絲)膨脹式，取消紙 墊，消滅C源。 　　
    熱處理工序，不但要保證爐內(nèi)各零件所處的溫度和氣氛均勻一致，而且要防止有害 元素的侵入；退火的工藝參數(shù)要利于磁疇取向再結(jié)晶。這樣才能大限度地使產(chǎn)品電磁 性能恢復(fù)到原材料供應(yīng)時(shí)的水平。 　　
    我們按照爐內(nèi)正壓采用風(fēng)扇強(qiáng)迫循環(huán)來(lái)保證爐內(nèi)各處溫度和氣氛均勻的思路，對(duì) RJJ-90-9進(jìn)行改造，選用爐用密封電機(jī)，加裝風(fēng)扇。調(diào)整熱處理工藝：升溫的同時(shí)抽真 空，在350℃恒溫2 h，之后充氮?dú)獠⒔Y(jié)束抽真空；800℃到溫再進(jìn)行一次換氣，其余參數(shù) 按圖2退火工藝執(zhí)行。換氣就是將爐內(nèi)的氣體抽出并充入氮?dú)?。隨溫度的升高和工件表面 吸咐的氣體的逸出使?fàn)t壓上升，當(dāng)爐壓上升到一定值時(shí)放氣并抽真空至極限真空度時(shí)再 充入氮?dú)饧赐瓿梢淮螕Q氣。其目的是使?fàn)t內(nèi)氧氣更加稀薄，使工件處在“純”氮?dú)饨橘|(zhì) 下進(jìn)行退火。由800℃起始到溫度降至400℃的全過(guò)程，充氮?dú)獗ＷC爐內(nèi)處于正壓下。這 樣有利于對(duì)流傳熱，保證爐內(nèi)溫度均勻。照此作工藝試驗(yàn)結(jié)果，產(chǎn)品外觀光亮，合格率 達(dá)98%以上，Ⅰ級(jí)品率也有較大的提高。選取其中的不合格產(chǎn)品取樣金相觀察未發(fā)現(xiàn)異 常組織。事實(shí)進(jìn)一步說(shuō)明熱處理爐溫不均勻和爐內(nèi)氣氛不一致，導(dǎo)致產(chǎn)品質(zhì)量不穩(wěn)定、 電磁性能參數(shù)分散；爐內(nèi)氣氛不良(含氧氣和碳源)而引起工件的氧化和滲碳，劇烈地引 起鐵芯電磁性能變壞，空載電流和空載鐵損急劇增大。

4　 結(jié)論 　　
(1) 鐵芯在退火過(guò)程中，由于設(shè)備工裝和退火工藝不合理，致使材料表面生成Fe3O4 氧化膜 ，部分硅鋼帶基體中析出網(wǎng)狀Fe3C等異常組織；再結(jié)晶晶粒大小不均勻，這是造 成R型變壓器鐵芯電磁性能低下、廢品率高的主要原因。 　　
(2) 采用電工純鐵替代鑄鐵制造模芯，同時(shí)將模芯設(shè)計(jì)成機(jī)械膨脹式，取消紙墊，消 滅C源 ；工藝上采取換氣等方法，稀釋空氣中的氧氣，可有效防止異常組織的產(chǎn)生。 　　
(3) 對(duì)設(shè)備稍作改造后，只要工裝和工藝合理，低真空充氮(保護(hù)氣氛)退火便能適合 R型變 壓器鐵芯的技術(shù)要求。