高蔚

摘 要 一種異形部件采用高強(qiáng)度彈簧鋼制造，其具備優(yōu)良的力學(xué)性能和較高的屈強(qiáng)比，可以滿足部件在高應(yīng)力下的工作要求，同時(shí)還具備磁滯性能，可以實(shí)現(xiàn)特定的能量轉(zhuǎn)換功能。為適應(yīng)新一代產(chǎn)品的要求，需要磁滯性能提高20%以上。本文研究了成分優(yōu)化、軋制工藝、熱處理工藝對(duì)材料磁滯性能的影響，通過(guò)在高強(qiáng)度彈簧鋼基礎(chǔ)上優(yōu)化成分添加鉻，提高材料的磁硬化程度;在熱處理前增加冷軋變形量，提高矩形比Br/Bs和凸起系數(shù)Kμ;通過(guò)延長(zhǎng)回火時(shí)間，提高矯頑力Hc和比磁滯損耗Pμ;通過(guò)增加回火溫度，提高凸起系數(shù)Kμ。工藝優(yōu)化后，比磁滯損耗Pμ達(dá)到10.13KJ/m3，提高23.8%，凸起系數(shù)Kμ達(dá)到0.75，提高22.9%。

關(guān)鍵詞 彈簧鋼;熱處理;磁滯性能

中圖分類號(hào)： TG142.1;TG306? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A

AbstractA component of a particular shape is made of high strength spring steel，it needs to have good mechanical properties and higher yield ratio，it can meet the requirement of parts working under high stress.And it needs to have good hysteresis performance.To meet the design requirements of the new product， high strength spring steel needs to improve its hysteresis performance，including Pμ and Kμ.This paper studies the effdct of composition optimization ，rolling process and heat treatment process on materical properties.High strength spring steel improve the magnetic hardning degree of the material? by adding Cr. Br/Bs and Kμ are improved by increasing the cold rolling deformation.Hc and Pμ are improved by extending the tempering time.Kμ is improved by raising the tempering temperature.Using adding 0.1% Cr，60% cold rolling deformation and tempering process 480℃×2h，Pμof? high strength spring steel is 10.13KJ/m3，23.8% higher than before， and Kμis 0.75，22.9 % higher than before.

Key WordsSpring steel;Heat treatment process;Hysteresis performance

0 前言

一種異性部件采用高強(qiáng)度彈簧鋼制造，在實(shí)際工況下需要材料具備良好的磁滯性能來(lái)實(shí)現(xiàn)部件特定的能力轉(zhuǎn)換功能。為適應(yīng)新一代產(chǎn)品的要求，對(duì)材料的磁滯性能提出了更高要求，需要提高材料最大磁導(dǎo)率點(diǎn)的比磁滯損耗Pμ和凸起系數(shù)Kμ。本文通過(guò)成分優(yōu)化，再結(jié)合冷軋工藝和熱處理工藝優(yōu)化，提高材料的磁滯性能。

1 試驗(yàn)材料及方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)所用的高強(qiáng)度彈簧鋼通過(guò)750kg非真空感應(yīng)爐進(jìn)行熔煉，澆鑄成180mm的圓坯后先鍛成方坯，再鍛成32mm×100mm的扁坯，通過(guò)熱軋將扁坯軋成3mm×100 mm的帶坯。高強(qiáng)度彈簧鋼添加強(qiáng)碳化物形成元素鉻，材料化學(xué)成分見(jiàn)表1。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 冷軋工藝試驗(yàn)

3mm×100mm帶坯經(jīng)軟化退火及酸洗修磨后，采用不可逆式二輥冷軋機(jī)進(jìn)行冷軋，制成冷軋變形量為40%和60%的帶材。

1.2.2 熱處理工藝試驗(yàn)

將冷軋帶材截成適當(dāng)尺寸，在其表面涂抹抗氧化涂料進(jìn)行熱處理。使用SX-G36123型節(jié)能箱式電爐進(jìn)行淬火，淬火冷卻液為普通淬火油，采用井式回火爐進(jìn)行回火，回火后空冷。

1.2.3 磁滯性能測(cè)試

將熱處理后的帶材加工成外徑Φ40mm，內(nèi)徑Φ30mm，厚度1mm的試樣，在軟磁直流磁性能測(cè)試系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試，檢測(cè)按GB/T 13012-2008《軟磁材料直流磁性能的測(cè)量方法》規(guī)定進(jìn)行。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 添加Cr對(duì)材料飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度Bs和矯頑力Hc的影響

磁性材料的磁滯回線圖如圖1所示，比磁滯損耗Pμ是磁滯回線所包圍的面積的大小，它表征單位體積材料在一個(gè)完整的磁化周期所引起的磁滯損耗。凸起系數(shù)Kμ是磁滯回線面積與包圍磁滯回線矩形的面積的比值，代表磁滯回線的方形度。從磁滯回線來(lái)看，材料的飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度Bs、剩余磁感應(yīng)強(qiáng)度Br和矯頑力Hc越大，該材料所構(gòu)成的磁滯回線面積越大，那么所對(duì)應(yīng)的比磁滯損耗Pμ也越高，磁滯回線越接近于矩形，則所對(duì)應(yīng)的凸起系數(shù)Kμ也越高。

高強(qiáng)度彈簧鋼通過(guò)回火后形成鐵素體+滲碳體的雙相組織結(jié)構(gòu)，Cr是碳化物形成元素，添加Cr可以通過(guò)一定的工藝形成更多細(xì)小碳化物析出相，對(duì)在相內(nèi)移動(dòng)的磁疇疇壁形成阻力，從而提高材料的磁硬化程度。

表2是成分優(yōu)化前后的磁滯性能對(duì)比，兩者采用相同的回火的工藝，回火溫度為440℃，回火時(shí)間為1小時(shí)。可以看到兩者的磁飽和強(qiáng)度Bs基本相同，優(yōu)化后材料的矯頑力Hc比優(yōu)化前高40A/m，比磁滯損耗Pμ提高0.43 KJ/m3。

磁感應(yīng)強(qiáng)度Bs主要取決于材料的化學(xué)成分及晶體結(jié)構(gòu)[1]。材料的化學(xué)成分只進(jìn)行了微調(diào)，因此材料的磁飽和強(qiáng)度Bm基本不會(huì)變化。通過(guò)添加Cr元素，在鐵素體相上形成更多的析出相，這些析出相使基體產(chǎn)生很多的晶界和位錯(cuò)，同時(shí)析出相本身的形成造成更大的內(nèi)應(yīng)力，對(duì)疇壁位移形成阻力，從而提高材料的矯頑力Hc。綜合對(duì)材料的飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度Bs和矯頑力Hc兩方面的影響來(lái)看，添加Cr有利于比磁滯損耗Pμ的提高。

2.2 延長(zhǎng)回火時(shí)間對(duì)材料比磁滯損耗Pμ的影響

要想提高材料的比磁滯損耗Pμ，主要的方向是提高材料的矯頑力Hc。要想提高矯頑力Hc，只有通過(guò)磁疇的疇壁釘扎來(lái)實(shí)現(xiàn)。疇壁釘扎[2]是材料中的第二相質(zhì)點(diǎn)對(duì)在第一相內(nèi)移動(dòng)的磁疇疇壁的阻力作用。阻力越大，疇壁移動(dòng)越困難，材料的磁硬化程度就越高。第二相質(zhì)點(diǎn)的位置、形狀、大小均是影響疇壁釘扎阻力大小的重要因素。根據(jù)這個(gè)理論，通過(guò)延長(zhǎng)回火時(shí)間，使析出相充分長(zhǎng)大，形成不有利于磁疇移動(dòng)的環(huán)境。

通過(guò)表3可以看出，回火時(shí)間延長(zhǎng)到2小時(shí)后的矯頑力Hc明顯增大，與延長(zhǎng)回火時(shí)間之前相比提高206A/m，比磁滯損耗Pμ提高1.53KJ/m3。如圖2所示，在保持材料飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度Bs的前提下，實(shí)現(xiàn)了材料Hc大幅度的提高，進(jìn)而提高了材料的比磁滯損耗Pμ。

2.3 增加冷軋變形量對(duì)材料矩形比Br/Bs和凸起系數(shù)Kμ的影響

為了提高凸起系數(shù)Kμ，需要在有限大的矩形內(nèi)盡可能地?fù)未蟠艤鼐€的面積。其本質(zhì)的物理過(guò)程分為兩個(gè)部分。在圖形的一、三象限，要使材料具有某種織構(gòu)，造成磁矩一定程度的取向性，增大矩形比Br/Bs。在圖形的二、四象限，要使材料內(nèi)部產(chǎn)生較大的疇壁釘扎作用，造成磁壁移動(dòng)的困難，使曲線的轉(zhuǎn)折點(diǎn)趨近于Hc。

為了增加矩形比Br/Bs，可通過(guò)在材料的熱處理之前的冷軋加工來(lái)實(shí)現(xiàn)。原冷軋工藝采用的是變形量40%，結(jié)合材料實(shí)際狀態(tài)和冷軋機(jī)工作能力采用60%變形量進(jìn)行冷軋。兩種冷軋變形量的材料經(jīng)熱處理后的磁滯性能如表4所示，可以看到新型材料在冷軋變形量為60%時(shí)的Br/Bs明顯提高，因而Kμ也明顯增大。

增加冷軋變形量的目的是為了在熱處理前形成一個(gè)理想的原始狀態(tài)，使材料在淬火后得到更加明顯的結(jié)晶織構(gòu)和磁取向性，在回火后得到更有利于產(chǎn)生疇壁釘扎的析出狀態(tài)。

2.4 提高回火溫度對(duì)材料凸起系數(shù)Kμ的影響

提高Kμ要求疇壁釘扎作用發(fā)生的時(shí)間要早一些，效果要好一些，這就需要材料內(nèi)部的組織結(jié)構(gòu)更加符合理論的要求。根據(jù)金屬學(xué)原理，回火溫度決定析出相的形核率和長(zhǎng)大率[3]。通過(guò)控制回火溫度來(lái)調(diào)節(jié)析出相的形核率和長(zhǎng)大率的大小，可以間接控制析出相顆粒的數(shù)量和尺度。

將回火溫度提高到480℃，如表5所示，提高回火溫度后材料的Kμ明顯增加。從圖3中磁滯回線在二、四象限的轉(zhuǎn)折點(diǎn)可以看到，提高回火溫度后，磁滯回線在圖形的二、四象限有明顯突起，這是Kμ增加的主要原因。

3 結(jié)論

高強(qiáng)度彈簧鋼通過(guò)優(yōu)化化學(xué)成分添加Cr元素，提高材料的磁硬化程度。

通過(guò)高強(qiáng)度彈簧鋼熱處理前增加冷軋加工的變形量，提高材料的矩形比Br/Bs和凸起系數(shù)Kμ;通過(guò)延長(zhǎng)回火時(shí)間，提高材料的矯頑力Hc和比磁滯損耗Pμ;通過(guò)增加回火溫度，提高材料的凸起系數(shù)Kμ。

高強(qiáng)度彈簧鋼添加Cr元素0.1%，冷軋變形量采用60%，回火工藝采用480℃×2h，材料的比磁滯損耗Pμ可以達(dá)到10.13KJ/m3，提高23.8%，凸起系數(shù)Kμ達(dá)到0.75，提高22.9%。

參考文獻(xiàn)

[1]孫光飛，強(qiáng)文江.磁功能材料. 北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2006：7-8.

[2]鐘文定.鐵磁學(xué).北京：科學(xué)出版社，1987.

[3]余永寧.金屬學(xué)原理.北京：冶金工業(yè)出版社，2000.