強磁場對高鉻鋼中碳化物低溫回火析出的影響

陳 龍，侯廷平，吳光輝，周 雯，李 鈺，吳開明

(1.武漢科技大學高性能鋼鐵材料及其應用湖北省協同創新中心，湖北 武漢，430081； 2.武漢科技大學國際鋼鐵研究院，湖北 武漢，430081)

近年來，隨著超導磁體技術的不斷發展和進步，利用磁場熱處理來改善鋼鐵性能的工藝受到越來越多的關注，研究者圍繞強磁場對鋼鐵材料中馬氏體、貝氏體、鐵素體及珠光體等基礎相變的影響開展了大量的研究工作[1-4]，證實了外加磁場可以促進上述相變過程并提升其轉變溫度。夏志新等[5]研究發現，磁場強度為10 T的強磁場可阻止棒狀碳化物沿著板條界面生長并促進碳化物球化，外加磁場造成碳化物/基體間界面能增大是碳化物長大行為發生改變的主導因素，此時碳化物通過球化方式減小自身表面積以降低總界面能；Hou等[6-8]的研究表明，外加磁場不僅能促進鋼中合金碳化物的析出，還能顯著地改變合金碳化物中溶質原子的濃度。鑒于外加磁場對鋼中碳化物的析出與演變過程具有不可忽視的影響作用，本文在對高鉻鋼進行低溫回火處理的過程中引入穩態強磁場，重點探討了外加磁場對高鉻鋼中碳化物析出行為的影響。

1 試驗材料及方法

試驗用高鉻鋼由真空感應爐冶煉，其C含量為0.1%，Cr含量為9.63%，W含量小于0.1%。

冶煉鋼錠經熱軋成鋼板后表面涂抹高溫防氧化涂料，置于加熱爐中在1100 ℃條件下保溫48 h以達到成分均勻化，隨后空冷至室溫，再將其置于真空退火爐中，在950 ℃條件下奧氏體化15 min后迅速移至溫度為-3 ℃的冰鹽水中進行淬火處理。將淬火態鋼板切割成若干尺寸為7 mm×7 mm×20 mm的長方體樣品，借助附帶JMTD-12T100型超導強磁場系統的真空加熱爐對樣品分別進行有、無外加磁場條件下的回火處理，磁體裝置的磁感應強度調節范圍為 0～12 T，升磁速度為0.3 T/min。無磁場條件下的回火處理工序為：將樣品置于真空度小于10-3Pa的加熱爐中，以5 ℃/s的升溫速度將爐溫升至200 ℃，保溫60 min后樣品隨爐冷卻至室溫。至于外加磁場條件下的回火處理，首先打開磁體裝置的勵磁開關，待磁場強度升至12 T并達到穩定狀態后，再按照上述回火工序進行后續操作。回火處理完畢后先關閉勵磁開關再取出樣品。

借助JEM-2010HT型透射電鏡(TEM)觀察分析回火樣品的組織形貌；采用THV-1MD型維氏硬度儀測量回火樣品的顯微硬度，加載載荷為1 kg，加載時間為10 s，每個樣品測定10個值，平均值即為樣品的顯微硬度；結合樣品TEM照片，利用Nano Measurer粒徑分析軟件對樣品中析出的碳化物粒徑分布及數量進行統計；使用JMatPro材料性能模擬軟件對試驗鋼回火過程中碳化物的析出行為進行計算機模擬。

2 結果與分析

2.1 析出碳化物類型

在無外加磁場條件下，試驗鋼于200 ℃回火60 min后的TEM照片如圖1所示。從圖1(c)和圖1(f)的電子衍射花樣標定結果可以判斷，樣品基體為馬氏體，析出碳化物類型為M3C型。

在12 T磁場作用下，試驗鋼于200 ℃回火60min后的TEM照片如圖2所示。從圖2(c)中可以看出，此時鋼中析出的碳化物類型仍為M3C型。

(a)基體明場像 (b)基體暗場像 (c)基體電子衍射花樣標定

(d)碳化物明場像 (e)碳化物暗場像 (f)碳化物電子衍射花樣標定

圖1無外加磁場條件下回火樣品的TEM照片

Fig.1TEMimagesoftemperedsampleswithoutexternalmagneticfield

(a)碳化物明場像 (b)碳化物暗場像 (c)碳化物電子衍射花樣標定

圖2外加磁場條件下回火樣品的TEM照片

Fig.2TEMimagesoftemperedsampleswithexternalmagneticfield

2.2 析出碳化物的粒徑分布及數量統計

圖3為回火樣品中析出碳化物分布情況的TEM照片，圖中黑色顆粒即為析出的碳化物相。利用Nano Measurer粒徑分析軟件對圖中析出碳化物的粒徑分布及數量進行統計，結果如圖4所示。統計結果表明，在外加磁場作用下，回火樣品中析出的碳化物數密度為33個/μm2,明顯高于無外加磁場時的相應值(22個/μm2)，尤其在析出碳化物中占比最高的粒徑介于20～40nm范圍的碳化物，其析出數量相比無外加磁場時的相應值增幅接近100%。

(a)無外加磁場

(b)外加12 T強磁場

Fig.3TEMimagesofprecipitatedcarbidesdistributionintemperedsamples

圖4 回火樣品中析出碳化物的粒徑分布統計

Fig.4Sizedistributionofprecipitatedcarbidesintemperedsamples

2.3 回火樣品的顯微硬度

在無外加磁場條件下，試驗鋼在200 ℃回火60 min后的顯微硬度為(382±8)HV，而外加12 T強磁場時試樣的相應值為(390±5)HV，二值相差不大，表明外加磁場對回火樣品的顯微硬度無顯著影響。

2.4 碳化物析出行為的計算機模擬

使用JMatPro材料性能模擬軟件對試驗鋼回火過程中碳化物析出行為進行計算機模擬的結果如圖5所示。模擬結果表明，試驗鋼經980 ℃淬火后在200 ℃回火過程中析出的碳化物類型主要為M3C型，這與實際透射電鏡分析結果一致。

圖5 碳化物析出的計算機模擬

3 討論

3.1 外加磁場對碳化物析出的影響

馬氏體中高度過飽和的碳、高應變能和界面能以及一定量的殘余奧氏體使得淬火馬氏體極度不穩定，馬氏體、殘余奧氏體不穩定狀態與平衡狀態之間存在自由能差，這為相變的發生提供了驅動力，使得回火轉變成為一種自發的轉變。本文試驗結果表明，無論有、無外加磁場，試驗鋼在200 ℃回火60 min后均有M3C型碳化物析出，且在12 T強磁場條件下回火時，試驗鋼中析出的碳化物數密度明顯高于無磁場環境時的相應值。

根據經典形核理論[9]，單位體積中碳化物形核率N的計算公式為

(1)

式中:N0為定量；Q為擴散活化能，取決于冷卻速度；R為氣體常數；T為絕對溫度；形核勢壘ΔG*滿足

(2)

式中：c為常量；σ為新相和母相之間的界面能，與溫度無關；ΔGυ為化學自由能變化。在一定的溫度和冷卻速度條件下，形核率主要受形核勢壘ΔG*影響。在有外加磁場的情況下，公式(2)將修正為

(3)

式中磁自由能ΔGM定義為[10]

(4)

式中：M為磁化強度；H為磁場強度。由此可見，當外加12 T強磁場時，磁自由能ΔGM的引入將造成形核勢壘ΔG*降低，導致碳化物獲得更大的形核率N從而碳化物最終析出量增多。

3.2 外加磁場對試驗鋼硬度的影響

硬度測試結果表明，強磁場對高鉻鋼的回火硬度沒有顯著影響，雖然在強磁場條件下，鋼中碳化物析出數量相比無外加磁場時的相應值明顯增多，但其引起的析出強化效果并不理想。這主要是因為碳化物的析出造成基體過飽和碳含量減少[11-12]，以至于析出強化效果被基體中因過飽和碳含量減少造成的硬度下降所抵消，樣品總體硬度值沒有發生明顯變化。

4 結論

(1)高鉻鋼分別在12 T強磁場及無外加磁場條件下于200 ℃低溫回火60 min后均析出M3C型碳化物，但外加磁場的引入導致鋼中析出的碳化物數密度相比無外加磁場時的相應值明顯增加。

(2)高鉻鋼分別在12 T強磁場及無外加磁場條件下于200 ℃低溫回火60 min后的顯微硬度無明顯差異。