提高低碳鋼磁性能的球化退火工藝試驗(yàn)

章建軍， 莊曉偉， 湯曉峰

(江蘇龍城精鍛有限公司， 江蘇 常州 213164)

作為磁性材料使用時(shí)低碳鋼由于碳含量和雜質(zhì)含量較多，其磁性能比電工純鐵而言有所不足，但由于價(jià)格便宜、冶煉方便、力學(xué)性能較好等優(yōu)勢(shì)，在某些應(yīng)用領(lǐng)域仍有廣泛用途，如汽車發(fā)電機(jī)爪極、繼電器、電磁離合器等[1-2]。由于低碳鋼多是被用作結(jié)構(gòu)材料，長(zhǎng)期以來有關(guān)其磁性退火等方面的研究較薄弱，研究文獻(xiàn)也少，因此對(duì)低碳鋼磁性熱處理做進(jìn)一步的研究以豐富其理論及工藝的內(nèi)容仍有較大的實(shí)用價(jià)值。

電工純鐵熱處理的目的是希望獲得較大晶粒提高磁性能[3-7]，所以其熱處理工藝多采用900 ℃以上的溫度進(jìn)行退火[8-13]。低碳鋼磁性零件的熱處理也采取了與此類似的工藝，常用退火溫度一般在900 ℃以上[1-2,8]，工藝時(shí)間也較長(zhǎng)，有的長(zhǎng)達(dá)14 h以上。這種工藝得到的磁性能也確實(shí)較好，比鍛后空冷不退火或鍛后緩冷工藝的磁性能高出10%～20%，但該工藝能耗高、工時(shí)長(zhǎng)，這與當(dāng)前環(huán)保節(jié)能的大趨勢(shì)不相適應(yīng)。本文探索了用低能耗、高效率的球化退火工藝來代替完全退火工藝，使鍛后空冷組織中的滲碳體形貌得以優(yōu)化，經(jīng)過球化退火后在磁性能上也能達(dá)到完全退火工藝的要求，在提高生產(chǎn)效率和降低能耗方面都取得了明顯的效益。

1 試驗(yàn)材料及方法

試驗(yàn)材料為08鋼熱軋棒料，其化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)為0.05～0.07C、0.17～0.37Si、0.35～0.65Mn、≤0.035S、≤0.035P。棒料經(jīng)熱鍛成形后空冷，鍛件分別按該產(chǎn)品原熱處理常規(guī)工藝(完全退火)和新工藝(球化退火)進(jìn)行相應(yīng)熱處理后加工成磁環(huán)，原工藝和新工藝的熱處理曲線見圖1(a，b)。熱處理設(shè)備型號(hào)為SX2-5-12GJ箱式爐。磁環(huán)幾何尺寸φ42 mm×φ32 mm×4 mm，如圖2所示。采用MATS-2010SD磁性材料分析儀測(cè)量各磁環(huán)的磁通量并進(jìn)行對(duì)比。用Axio Vert.A1光學(xué)顯微鏡觀察組織的變化。

圖1 完全退火和球化退火工藝曲線Fig.1 Process curves of the complete annealing and spheroidizing annealing

圖2 磁環(huán)形狀及尺寸Fig.2 Shape and size of the magnetic ring

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

由圖1曲線可見，原工藝在奧氏體區(qū)進(jìn)行了較高溫度的長(zhǎng)時(shí)間保溫，保溫時(shí)間為2.7 h，加熱溫度高達(dá)920 ℃，該溫度已經(jīng)超過了低碳鋼的Ac3溫度[14-15]，材料發(fā)生相變，已經(jīng)完全轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體，屬于完全退火。在奧氏體區(qū)保溫2.7 h后是長(zhǎng)時(shí)間的緩冷過程，以50～55 ℃/h的速度緩冷到500 ℃左右后風(fēng)冷降溫，工藝總時(shí)長(zhǎng)為13.5 h。球化退火處理不再加熱到完全奧氏體區(qū)，而是加熱到700 ℃左右，只讓材料發(fā)生滲碳體的球化和碎裂，不發(fā)生基體的相變，這樣新工藝的溫度就比原工藝低了220 ℃左右。在該溫度保溫3～4 h，然后隨爐緩冷到600 ℃，出爐空冷，整個(gè)工藝的時(shí)間為6～7 h，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于原先完全退火工藝的時(shí)長(zhǎng)，省時(shí)超過一半，降低能耗也在1/2左右，在節(jié)能省時(shí)方面有很大優(yōu)勢(shì)。

磁性能試驗(yàn)結(jié)果見表1。從試驗(yàn)結(jié)果看，球化退火工藝得到的磁性能與完全退火工藝相比基本一致，達(dá)到了相同水平。對(duì)比兩種工藝所得基體中的滲碳體，尤其是三次滲碳體形貌(如圖3所示)，二者有明顯不同，完全退火工藝得到的基體組織中，三次滲碳體呈較完好的片狀分在晶界上，滲碳體片的面積占所處晶界的相當(dāng)部分，該處滲碳體片將相鄰晶粒分隔開來。而經(jīng)過球化退火后，基體組織中的三次滲碳體已經(jīng)碎裂并球化，不再是連續(xù)的片狀，相鄰晶粒之間有部分面積直接相連而未被分隔。

表1 08鋼完全退火與球化退火后的磁性能

圖3 08鋼不同工藝退火后的顯微組織對(duì)比(a)完全退火;(b)球化退火Fig.3 Comparison of microstructure of the 08 steel annealed with different processes(a) complete annealing; (b) spheroidizing annealing

完全退火后的低碳鋼磁性能優(yōu)于鍛后空冷件的主要原因在于經(jīng)歷了再一次的退火相變過程[1-2]，且退火速度較慢，使組織接近于平衡態(tài)組織，鐵素體結(jié)晶較完善，基體組織內(nèi)部缺陷減少，點(diǎn)陣畸變也隨之下降，磁性能因而得到提升。

而球化退火后的組織由于沒有經(jīng)過再一次的相變過程，其組織結(jié)晶完善程度、點(diǎn)陣畸變程度等方面都要次于完全退火工藝，但仍然獲得了相同的磁性能，經(jīng)過分析認(rèn)為，其主要原因在于二者組織中的滲碳體尤其是三次滲碳體的形貌不同，原因如下：滲碳體相比于鐵素體是磁的不良導(dǎo)體，其磁導(dǎo)率較低而矯頑力較高[1-2,7]，由此推斷成片而連續(xù)的三次滲碳體片將晶粒隔斷的同時(shí)，也使原本通暢的磁路受到阻塞，當(dāng)磁力線流過整個(gè)零件時(shí)會(huì)穿過許多三次滲碳體片，也因此會(huì)受到多處阻塞。滲碳體片的這種阻塞作用使得零件的磁阻增大，磁性能降低。而經(jīng)過球化退火后，原先成片狀分布的三次滲碳體碎裂并球化，又由于奧斯瓦爾德熟化效應(yīng)使得三次滲碳體獨(dú)立個(gè)體數(shù)量減少而體積增大，進(jìn)一步降低了阻塞面積，原先被滲碳體片隔斷的晶?？梢灾苯咏佑|而使磁路通暢，使零件的總體磁阻下降，這使得鍛后空冷又經(jīng)球化退火的材料磁性能比鍛后空冷而未經(jīng)球化的材料更高，達(dá)到完全退火的水平。另外，共析滲碳體的球化也起到類似作用，但考慮到共析滲碳體呈團(tuán)聚分布，也未將晶粒隔斷，因此主要的優(yōu)化很可能是來自三次滲碳體的球化。

按以上分析，這兩種工藝都能使磁性能較鍛后空冷件有所提升，但各自機(jī)理有所不同。按照這種推斷，如果在完全退火后再進(jìn)行一次球化退火，應(yīng)該使磁性能進(jìn)一步提升。為驗(yàn)證以上推斷，對(duì)同一批原料、經(jīng)完全退火的另外兩個(gè)零件再次進(jìn)行補(bǔ)充球化退火，球化退火工藝仍然按照?qǐng)D1 (b)工藝進(jìn)行，球化保溫時(shí)間分別是3 h和4 h，然后測(cè)量磁性能，發(fā)現(xiàn)其磁性能確實(shí)得到進(jìn)一步地提升，見表2。

表2 08鋼經(jīng)完全退火+球化工藝的磁性能

從測(cè)試數(shù)據(jù)觀察，隨著球化保溫時(shí)間從3 h延長(zhǎng)到4 h，磁性能優(yōu)化效果進(jìn)一步提升，這就證實(shí)了：①球化退火優(yōu)化了滲碳體，尤其是三次滲碳體的形貌和分布，確實(shí)可以提高磁性能；②球化退火比完全退火更省時(shí)、節(jié)能，而性能可以達(dá)到完全退火工藝的性能，因此可以代替完全退火工藝而大幅度節(jié)省能耗和工時(shí)，有利于提高產(chǎn)品利潤(rùn)和促進(jìn)環(huán)保。

另外，關(guān)于三次滲碳體對(duì)磁性能的影響，以往多是較籠統(tǒng)地認(rèn)為三次滲碳體妨礙了磁疇的移動(dòng)，采取的措施一般是適度快冷以減少三次滲碳體的析出[16]，具體到三次滲碳體形貌和分布對(duì)磁性能有怎樣的影響則很少涉及，也未見采取措施優(yōu)化三次滲碳體形貌和分布以改善低碳鋼磁性能的報(bào)道，本試驗(yàn)的結(jié)果豐富了這方面內(nèi)容。

3 結(jié)論

1) 球化退火工藝在磁性能上可以代替完全退火工藝，而工時(shí)和能耗都可以大幅度降低。

2) 球化退火提升磁性能的原因是優(yōu)化了滲碳體形貌和分布，尤其是原先于晶界處成片狀分布的三次滲碳體碎裂并球化減輕了對(duì)磁路的阻塞。