熱處理和冷變形量對定膨脹合金4J32C線膨脹系數的影響

王方軍， 王東哲， 萬 紅， 時 瑤， 沈 濤

(1. 重慶材料研究院有限公司， 重慶 400707；2. 國家儀表功能材料工程技術研究中心， 重慶 400707)

1 試驗材料與方法

采用真空感應熔煉+電渣重熔的冶煉方法，制備了直徑φ400 mm的合金鋼錠，通過鍛造、熱軋、冷軋等變形工藝，獲得厚度為14 mm的板材。膨脹系數測試試樣尺寸均為φ6 mm×25 mm，對板材試樣進行不同工藝的固溶處理、穩定化處理及冷軋變形，研究固溶溫度、穩定化工藝及冷變形量對膨脹系數的影響，具體工藝見表1。

表1 熱處理工藝

通過ICP-AES801發射光譜儀、HCS-140紅外碳硫分析儀以及電感耦合電離子體質譜儀等分析了制備合金的化學成分，如表2所示。采用OLYMPUS-GX51光學顯微鏡分析合金的顯微組織，試樣的平均線膨脹系數用TMA 402 F3熱機械分析儀完成，檢測試樣膨脹性能之前，測量石英標塊進行基線校準。

表2 4J32C合金的化學成分(質量分數，%)

2 試驗結果及討論

2.1 固溶處理對線膨脹系數的影響

4J32C合金試樣經700～900 ℃不同溫度固溶處理1 h+310 ℃×4 h穩定化熱處理后的熱膨脹曲線和線膨脹系數如圖1所示，固溶溫度與平均線膨脹系數的關系如圖2所示。

圖1 不同固溶溫度下4J32C合金試樣的膨脹曲線Fig.1 Expansion curves of the 4J32C alloy specimens at different solution treatment temperatures(a) SO-1; (b) SO-2; (c) SO-3; (d) SO-4; (e) SO-5

圖2 4J32C合金平均線膨脹系數與固溶溫度的關系Fig.2 Relationship between solution treatment temperature and average linear expansion coefficient of the 4J32C alloy

10-6℃-1，但隨著固溶溫度進一步升高，線膨脹系數有所增大。這可能是由于在700～850 ℃溫度范圍內，固溶溫度的升高導致合金的微觀組織更加均勻，結構更加穩定，使得合金的磁致收縮能力有所加強，從而導致合金的線膨脹系數降低。類似研究[10]也表明，原始材料經過特定溫度退火后，內部位錯密度大幅度降低，同時部分溶質原子析出(析出密度遠小于原始材料中Cottrell氣團的密度)，對磁疇翻轉的約束將顯著降低，磁致收縮有效地抵消了正常點陣的伸縮，因此獲得了較低的室溫線膨脹系數。但是當固溶溫度進一步升高時，合金的晶粒會逐漸長大，合金的組織結構又會向不穩定的方向發展，因此線膨脹系數會逐漸回升。即當固溶溫度在700～850 ℃范圍時，影響4J32C合金線膨脹系數的主導因素是磁致收縮，而當固溶溫度在850～900 ℃范圍時，影響4J32C合金線膨脹系數的主導因素是點陣伸縮。

2.2 穩定化處理對線膨脹系數的影響

4J32C合金試樣經800 ℃×1 h固溶處理后，再分別經310 ℃×4 h、310 ℃×4 h+98 ℃×48 h和500 ℃×2.5 h穩定化處理后的膨脹曲線如圖3所示。

圖3 不同穩定化處理4J32C合金試樣的膨脹曲線Fig.3 Expansion curves of the 4J32C alloy specimens under different stabilization treatments (a) ST-1; (b) ST-2; (c) ST-3

2.3 冷變形量對線膨脹系數的影響

800 ℃×1 h固溶處理4J32C合金試樣，經12%、15%、20%、30%和35%的變形量冷軋及310 ℃×4 h穩定化處理后的膨脹曲線如圖4所示，線膨脹系數隨冷變形量的變化如圖5所示。

圖4 不同冷變形量下4J32C合金試樣的膨脹曲線Fig.4 Expansion curves of the 4J32C alloy specimens under different cold deformation(a) CR-0; (b) CR-12; (c) CR-15; (d) CR-20; (e) CR-30; (f) CR-35

圖5 4J32C合金的平均線膨脹系數與冷變形量的關系Fig.5 Relationship between average linear expansion coefficient and cold deformation of the 4J32C alloy

圖6顯示了不同冷變形試樣經穩定化處理后的顯微組織。觀察金相照片可知，不同變形量下，合金的顯微組織呈現相似的形貌，平均晶粒度均為9.0級。原因在于，固溶處理后4J32C合金熱軋板坯組織足夠均勻、致密、穩定，適當的冷加工不足以破壞合金的組織結構，因此也就不會明顯改變合金的平均線膨脹系數[1]。

圖6 不同冷變形量下4J32C合金試樣的顯微組織Fig.6 Microstructure of the 4J32C alloy specimens under different cold deformation(a) CR- 0; (b) CR-12; (c) CR-15; (d) CR-20; (e) CR-30; (f) CR-35

3 結論

1) 隨著固溶溫度的升高，4J32C合金的平均線膨脹系數逐漸降低，在850 ℃時達到最低值，隨后繼續升高固溶溫度，線膨脹系數略有增大。

2) 延長穩定化處理時間或提高穩定化處理溫度，可以適當增加4J32C合金的平均線膨脹系數，尤其是當穩定化處理溫度達到500 ℃時，合金的平均線膨脹系數提高較明顯。

3) 當冷變形量≤35%時，經穩定化處理后，4J32C合金的線膨脹系數不會發生明顯的改變，但當冷變形量為20%時，合金的平均線膨脹系數最小。