80年代末, R型變壓器由日本北村機電株式會社首先研究和開發(fā)成功。它是替代 傳統(tǒng)的E、C型變壓器的理想產品，廣泛應用在復印機、計算機等高 檔電子產品和醫(yī)療 儀器設備中,大大提高了以上各類產品的性能。R型變壓器風靡了整個變壓 器行業(yè),它的誕 生使電子設備的品質大為提高。
    1990年國內某企業(yè)從日本引進該項技術的設備和生產技術進行生產。此后還有 企業(yè)陸續(xù)引進。為了進行國產化，某廠自己研制核心設備分條機和繞卷機，并使加工出 來的產品外形和 尺寸精度都非常理想，但是鐵芯的電磁性能參數分散、空載電流和空載 鐵損大，Ⅰ級品只有三成左右，合格率不到80%，嚴重制約著生產和影響了經濟效益。

1、鐵芯材質、工藝及對電磁性能的影響
    　R型變壓器鐵芯，選用牌號為DQ133G-30的電工用冷軋取向硅鋼帶。鐵芯生產工藝 流程為：分條→繞卷→電阻點焊→熱處理→測試分等級→浸漆、烘烤→繞初、 次級線圈 并制成R型變壓器產品。鐵芯是由單獨一根,分條成連續(xù)變寬的優(yōu)質硅鋼帶一次卷繞 而成，在始端和終端采用電阻點焊固定， 制成的鐵芯如圖1所示。分條和繞卷成形應保 證成形鐵芯形位精度和尺寸精度。同時應限制毛刺（邊）的高度，否則會引起片間短路 從而增大渦流損耗。分條和繞卷是通過剪切和壓力加工進行的，不可避免地產生塑性變 形和應力，導致組織變化和晶格的畸變，使硅鋼片已形成的擇優(yōu)取向結構破壞，損害電 磁性能。

　熱處理的目的是消除應力，使剪口塑變部位“再結晶”，并大限度地恢復擇優(yōu)取 向結構和 電磁性能。常用的工藝有真空退火和保護氣氛退火［4～7］。該廠采用保護氣氛 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機械真 空泵)中進行。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。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分散，Ⅰ級品少、合格率低的原因很多。鋼帶原材料質量、成形鐵芯 的形狀位置精度和尺寸精度、熱處理質量等都是制約因素。對原材料鋼帶，金相分析顯示，其組 織為粗大的單相鐵素體；電子探針分析表明原材料無明顯含碳的跡象；在原材料和成品鐵芯中分 別取樣作法向反極圖試驗，表明成品與原材料擇優(yōu)取向程度相近，說明鋼帶原材料質量合格。外 觀檢查分條毛剌不明顯，并且在繞卷過程中得到修整，成形鐵芯形位精度和尺寸精度合格。至此 可以初步判斷產生廢品的主要原因不在于原材料和鐵芯成形過程，很可能出在后道的熱處理(即氮 氣保護氣氛退火)工序上。

2、鐵芯異常組織的產生原因分析
　對熱處理后的鐵芯觀察發(fā)現，部分鐵芯局部表面有一層藍色的氧化膜。選擇廢品拆片時發(fā)現 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記，制備成金相試樣，對 鐵芯相同部位(即剪口處)進行晶粒大小比較。發(fā)現普遍的情況是位于料筐中心的比邊緣的再結晶晶 粒細小。顯然爐內邊緣溫度偏高而中心溫度偏低。塑變再結晶晶粒度與退火的溫度和時間有關， 尤其對溫度敏感。“真空退火爐”爐內工件溫度的均勻性依賴輻射和對流傳熱。因RJJ-90-9爐子的 料筐直徑尺寸(•φ600)大，在升溫過程中，中央和邊緣工件溫差大 ，層數越多屏蔽輻射的效果越 強烈，中央工件到溫的滯后時間越長。按估計在1.3～13Pa真空度條件下，這個滯后時間要超過3 h。按實際工藝條件，在1.3×103～1.3×104Pa真空度范圍內，對流傳熱仍然起到一定的作用，因此 實際的滯后時間介于真空條件下和空氣爐二者之間，即滯后1～3 h。在冷卻過程中，爐內壓力較高 甚至是正壓，加速了對流傳熱，但降溫階段中央工件“滯后到溫”仍然未能完全補償升溫階段的 滯后到溫時間。綜合結果是中央工件的實際加熱保溫時間短，實際的有效退火時間不足，所以再 結晶晶粒細小，電磁性能普遍較差。 　　
    爐內溫度的不均勻必然伴隨氣氛的不均勻。如果爐內氣氛不良，就會引起氧化或滲碳。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。采用電子探針對珠光體和基體定量分析，結果如表1所示?？梢娭?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%）一個數量級。在鋼 廠供貨狀態(tài)下的硅鋼片中，沒有發(fā)現上述情況。

    上述結果顯示，在退火過程中，確實出現了局部的滲碳現象。究其原因應與以下工 裝條件有 關。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 條料間的墊紙在發(fā)生不完全燃燒時也會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，退火爐內真空度甚低(僅為5×103～1.3×104Pa)，雖然 充氮保護，但爐內的氧勢足以使鋼料在升溫過程中(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，并非所有的鐵芯都出現第二 相和產生氧化膜，這是爐內溫度和氣氛不均勻的反映。組織不一致是導致產品電磁性能 參數分散的原因，特別是那些出現第二相的鐵芯，電磁性能劇烈變壞。

3、防止產生異常組織的措施
　　原退火爐里、外溫差大，造成中心位置部分鐵芯有效退火時間不足，同時不能保證 爐內各 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。通過改造設備，增加爐用風扇強迫爐內氣體循環(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，同時模芯設計成機械(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；退火的工藝參數要利于磁疇取向再結晶。這樣才能大限度地使產品電磁 性能恢復到原材料供應時的水平。 　　
    我們按照爐內正壓采用風扇強迫循環(huán)來保證爐內各處溫度和氣氛均勻的思路，對 RJJ-90-9進行改造，選用爐用密封電機，加裝風扇。調整熱處理工藝：升溫的同時抽真 空，在350℃恒溫2 h，之后充氮氣并結束抽真空；800℃到溫再進行一次換氣，其余參數 按圖2退火工藝執(zhí)行。換氣就是將爐內的氣體抽出并充入氮氣。隨溫度的升高和工件表面 吸咐的氣體的逸出使爐壓上升，當爐壓上升到一定值時放氣并抽真空至極限真空度時再 充入氮氣即完成一次換氣。其目的是使爐內氧氣更加稀薄，使工件處在“純”氮氣介質 下進行退火。由800℃起始到溫度降至400℃的全過程，充氮氣保證爐內處于正壓下。這 樣有利于對流傳熱，保證爐內溫度均勻。照此作工藝試驗結果，產品外觀光亮，合格率 達98%以上，Ⅰ級品率也有較大的提高。選取其中的不合格產品取樣金相觀察未發(fā)現異 常組織。事實進一步說明熱處理爐溫不均勻和爐內氣氛不一致，導致產品質量不穩(wěn)定、 電磁性能參數分散；爐內氣氛不良(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　 結論 　　
(1) 鐵芯在退火過程中，由于設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狀Fe3C等異常組織；再結晶晶粒大小不均勻，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，同時將模芯設計成機械膨脹式，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生。 　　
(3) 對設備稍作改造后，只要工裝和工藝合理，低真空充氮(保護氣氛)退火便能適合 R型變 壓器鐵芯的技術要求。