白超壘,高天逸飛,于湘濤,俞有幸

(1.北京航空航天大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院,北京 100191;2.北京自動(dòng)化控制設(shè)備研究所,北京 100074)

0 引言

近年來(lái),航天航空及國(guó)防工業(yè)迅速發(fā)展,傳感器等精密器件對(duì)材料的研發(fā)和使用提出了更為苛刻和復(fù)雜的要求,大部分材料在受熱時(shí)會(huì)因非簡(jiǎn)諧的晶格振動(dòng)而膨脹,線膨脹系數(shù)過(guò)大或不匹配都會(huì)導(dǎo)致儀器精度降低。FeNi32Co5超因瓦合金在室溫范圍內(nèi)具有極低的線膨脹系數(shù),是制作室溫附近尺寸恒定計(jì)量器件、熱雙金屬被動(dòng)層、諧振腔零件和天文儀器架構(gòu)等的理想材料[1-3]。然而加速度計(jì)、重力儀等元件在克服溫度變化的同時(shí)還需要應(yīng)對(duì)復(fù)雜磁場(chǎng)環(huán)境,對(duì)材料的軟磁性能要求更高,當(dāng)前商用超因瓦合金的軟磁性能并不能滿足這一需求(Hc＞79.6 A/m),因此亟需發(fā)展兼具優(yōu)異軟磁性能與低膨脹特性的合金。當(dāng)前針對(duì)因瓦系合金的研究主要集中在改善力學(xué)性能方面[4-6],而磁學(xué)性能方面未得到應(yīng)有的關(guān)注[7]。FeNi32Co5作為一款軟磁合金,其軟磁性能與合金的熱處理工藝緊密相關(guān),因此可通過(guò)對(duì)FeNi32Co5合金采用不同的熱處理工藝調(diào)節(jié)合金的組織結(jié)構(gòu)和內(nèi)應(yīng)力等,改善合金的綜合性能。

均勻化處理可在一定程度上減小合金化學(xué)成分的不均勻性、改善組織偏析、消除內(nèi)應(yīng)力,從而改善合金的性能。超因瓦合金的均勻化退火溫度選取在820～880 ℃內(nèi)[8]。在均勻化處理過(guò)程中,冷卻方式的選擇尤為重要,不同的冷卻方式往往會(huì)影響合金的組織結(jié)構(gòu),從而導(dǎo)致合金性能出現(xiàn)顯著差別。其中爐冷、空冷、水冷及液氮冷卻的冷卻速率(vFC、vAC、vWQ及vLNQ)依次增大。根據(jù)試樣尺寸大小,爐冷冷卻速率vFC=0.02～0.03 ℃/s,空冷冷卻速率vAC=3～5℃/s,室溫水冷冷卻速率vWQ＞140 ℃/s[9],而液氮淬火冷卻速率比水冷大5倍左右,汽化潛熱是水的1/11,在液氮中淬火實(shí)質(zhì)上是氣體冷卻[10]。Kim等[11]研究了因瓦合金在連鑄過(guò)程中的熱裂形成機(jī)理,發(fā)現(xiàn)合金脆性斷裂向韌性斷裂的轉(zhuǎn)變溫度會(huì)隨著冷卻速率的增加而升高,當(dāng)冷卻速率增加到100 ℃/min時(shí),轉(zhuǎn)變溫度升至低于固相溫度43℃左右處,合金組織由柱狀枝晶轉(zhuǎn)變?yōu)榈容S枝晶,熱裂紋在初生枝晶間形成;Sridharan等[12]研究了Fe63.48Ni30.55Co5.72C0.25及Fe63.40Ni30.10Co6.50合金,發(fā)現(xiàn)可以通過(guò)變形、低溫處理、改變奧氏體化溫度和冷卻速率來(lái)調(diào)整微觀結(jié)構(gòu)中奧氏體與馬氏體的相對(duì)數(shù)量,進(jìn)而調(diào)整合金的線膨脹系數(shù)。均勻化處理后為了減少冷卻過(guò)程中產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力往往要進(jìn)行回火處理[13],董亞強(qiáng)等[14]在Fe-Si-B-C-Cu 納米晶合金中發(fā)現(xiàn)消除內(nèi)應(yīng)力后,會(huì)促進(jìn)α-Fe晶體的生長(zhǎng),飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度Bs提高到1.80 T,矯頑力Hc降低到9.4 A/m,得到了優(yōu)異的軟磁性能。

本文采用不同的冷卻方式對(duì)Fe Ni32Co5超因瓦合金進(jìn)行退火冷卻處理,同時(shí)研究了退火冷卻后材料中不同的顯微組織和相結(jié)構(gòu)變化對(duì)熱膨脹性能和軟磁性能的影響,并進(jìn)一步分析了回火后合金性能的變化,探討了性能改善的機(jī)制,以期為優(yōu)化Fe-Ni32Co5合金的綜合性能提供參考。

1 實(shí)驗(yàn)方法

實(shí)驗(yàn)所用材料為商用超因瓦合金(FeNi32Co5)棒材,鑄錠開(kāi)鍛溫度1 050℃,終鍛溫度大于750 ℃,合金成分見(jiàn)表1。

表1 超因瓦合金(FeNi32 Co5)的化學(xué)組成Tab.1 Chemical composition of super-invar alloy(FeNi32 Co5)wt%

為探究不同冷卻方式下對(duì)超因瓦合金的組織和性能影響,依據(jù)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)YB/T 5241-2014《低膨脹鐵鎳、鐵鎳鈷合金》中鐵鎳鈷合金熱處理工藝,首先將清洗完畢的試樣封入真空石英管中進(jìn)行均勻化熱處理,在850 ℃下保溫1 h后,選取爐冷(FC)、空冷(AC)、以水為介質(zhì)的淬火(WQ)和以液氮為介質(zhì)的淬火(LNQ)四種冷卻方式。封管熱處理爐選用ZHX-03173型臺(tái)式爐,控溫精度為±1 ℃,滿足實(shí)驗(yàn)需求。回火處理選擇在315 ℃下保溫2 h后隨爐冷卻,選用OTF-1200X 型真空管式爐(真空度為10-4Pa),控溫精度±1 ℃,滿足實(shí)驗(yàn)需求。

對(duì)不同熱處理工藝下的試樣進(jìn)行微觀分析、熱膨脹性能測(cè)試和軟磁性能測(cè)試:采用日本理學(xué)D/MAX-2500粉末衍射儀Cu靶Kα射線測(cè)得X 射線衍射譜;采用LEICA DM4000金相顯微鏡觀察金相顯微組織;依據(jù)GB/T 6394-2002《金屬平均晶粒度測(cè)定方法》中截點(diǎn)法測(cè)得合金晶粒度;采用NIM-2000s軟磁材料磁性能測(cè)試系統(tǒng)對(duì)試樣的軟磁性能進(jìn)行測(cè)試。依照國(guó)標(biāo)GB/T 13012-2008,試樣為圓環(huán)狀,尺寸為外徑Φ24 mm、內(nèi)徑Φ22 mm、厚度6 mm,磁化匝數(shù)N1為30,測(cè)量匝數(shù)N2為60。采用NETZSCH DIL402C 熱膨脹分析儀對(duì)試樣的熱膨脹性能進(jìn)行測(cè)試,試樣為圓柱狀,尺寸為Φ4 mm×25 mm,在20～300 ℃內(nèi)測(cè)得熱膨脹性能。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同冷卻方式對(duì)FeNi32 Co5 微觀組織影響

FeNi32Co5合金經(jīng)不同冷卻方式處理后的XRD衍射譜如圖1 所示,其中液氮淬火LNQ 試樣的XRD 圖譜出現(xiàn)了明顯的(110)α和(211)α峰,體心立方(bcc)相含量為40%左右。原始OS試樣、爐冷FC試樣、空冷AC 試樣和水冷淬火WQ 試樣X(jué)RD衍射結(jié)果表明基體主要為面心立方(fcc)奧氏體相,另外還出現(xiàn)了少量的bcc相,其相對(duì)含量分別為10%,6%,7%和9%左右。

圖1 不同冷卻方式下FeNi32 Co5 的XRD衍射譜Fig.1 XRD diffraction spectra of FeNi32 Co5 under different cooling methods

不同冷卻方式下Fe Ni32Co5合金的金相顯微組織如圖2所示,從圖2(a)中可以看出,OS試樣的金相組織為均勻的等軸晶組織,晶粒尺寸較為細(xì)小。圖2(b),(c)和(d)分別為FC,AC和WQ 試樣的金相組織,可以看出經(jīng)過(guò)退火后冷卻后晶粒有明顯粗化,尺寸分布均勻并伴有少量穿晶型和中止型的退火孿晶,但由于bcc相含量較少所以并未觀察到明顯的bcc馬氏體相。圖2(e)中經(jīng)液氮冷卻后LNQ試樣合金組織出現(xiàn)了大量透鏡狀馬氏體,這與圖1中LNQ試樣的XRD衍射譜結(jié)果一致,合金組織由bcc馬氏體和未轉(zhuǎn)變的fcc奧氏體共同組成,其中馬氏體相部分呈點(diǎn)狀分布,部分呈交叉網(wǎng)狀分布。表2為不同冷卻方式下合金的晶粒度和晶粒尺寸,對(duì)比FC,AC,WQ 和LNQ 試樣的晶粒尺寸可知,均勻化退火后三種冷卻方式的晶粒尺寸均增大至35μm 左右,這表明在未發(fā)生相變時(shí)冷卻方式的改變對(duì)FeNi32Co5合金的晶粒尺寸影響不大。

圖2 不同冷卻方式下FeNi32 Co5 合金的金相顯微組織Fig.2 Metallographic microstructure of FeNi32 Co5 alloy with different cooling methods

表2 不同冷卻方式下FeNi32 Co5 合金的晶粒度和晶粒尺寸Tab.2 The grain size and grain size of specimens of FeNi32 Co5 alloy with different cooling methods

2.2 不同冷卻方式下FeNi32 Co5 的熱膨脹性能

圖3(a)為不同冷卻方式下FeNi32Co5合金的相對(duì)長(zhǎng)度改變量ΔL/L隨溫度變化曲線,對(duì)該曲線微分后得到不同冷卻方式下(FC/AC/WQ/LNQ)合金的瞬時(shí)線膨脹系數(shù)α曲線(b)～(f),其中T'為低膨脹特性(α=2.0×10-6·K-1)對(duì)應(yīng)溫度,表3為不同冷卻方式下FeNi32Co5的平均線膨脹系數(shù)。從圖3(a)中可以看出發(fā)生馬氏體相變的LNQ 試樣相對(duì)長(zhǎng)度改變量ΔL/L較高,并隨著溫度的升高而急劇增大,其對(duì)應(yīng)的α值隨溫度變化關(guān)系如圖3(f)所示,在293～573 K 內(nèi),LNQ 試樣的α值隨溫度的升高幾乎呈線性增長(zhǎng),并始終高于2.0×10-6·K-1,在溫度升高至375 K 后,α值保持線性增長(zhǎng)并迅速升高至10.0×10-6·K-1以上,馬氏體為bcc結(jié)構(gòu),奧氏體為fcc結(jié)構(gòu),兩者結(jié)構(gòu)致密度相差6%,故而發(fā)生馬氏體相變后發(fā)生線性膨脹[15]。OS試樣與FC試樣在293～400 K保持平緩,ΔL/L值保持在0.1×10-3～0.2×10-3,其α值在此溫度范圍內(nèi)始終保持在2.0×10-6·K-1以下;AC試樣的α值在293～425 K內(nèi)保持在2.0×10-6·K-1以下,在20～100 ℃內(nèi)平均線膨脹系數(shù)α(20～100℃)為0.66×10-6·K-1,線膨脹系數(shù)降低了24.14%;WQ 試樣在293～440 K內(nèi)始終滿足低膨脹合金性能要求,其低膨脹特性溫度T'較OS試樣升高了40 K,并且α(20～100℃)僅為0.38×10-6·K-1,較OS 試樣降低了56.32%,在四種退火冷卻試樣中最佳。由上可以看出,除了發(fā)生馬氏體相變的LNQ 試樣不滿足低膨脹特性外,FC,AC和WQ試樣的低膨脹特性溫度T'逐漸升高,其熱膨脹性能也逐漸提升。這是由于在未發(fā)生馬氏體相變時(shí),隨著冷卻速率的增大,缺陷密度增大導(dǎo)致晶格畸變區(qū)增多[16],這些畸變區(qū)的熱弛豫部分彌補(bǔ)了升溫導(dǎo)致的體積膨脹,但畸變區(qū)的增多在優(yōu)化膨脹性能的同時(shí)也會(huì)降低合金的軟磁性能。

圖3 不同冷卻方式下FeNi32 Co5 合金的相對(duì)長(zhǎng)度改變量ΔL/L 隨溫度變化曲線及瞬時(shí)線膨脹系數(shù)α 曲線Fig.3 Relative length changeΔL/L curve with temperature with different colling methods of FeNi32 Co5 alloy and instantaneous linear expansion coefficientαcurve

表3 不同冷卻方式下FeNi32 Co5 合金的平均線膨脹系數(shù)Tab.3 Average coefficient of linear expansion coefficient of FeNi32 Co5 alloy samples with different cooling methods

2.3 不同冷卻方式下FeNi32 Co5 的軟磁性能

不同冷卻方式下FeNi32Co5合金的軟磁性能如圖4所示,原始OS試樣軟磁性能較差,其初始磁導(dǎo)率μi與最大磁導(dǎo)率μm分別為0.264 6 k和0.862 9 k,矯頑力Hc為265.5 A/m。其中,磁導(dǎo)率及矯頑力為結(jié)構(gòu)敏感參數(shù),受晶粒尺寸及雜質(zhì)等因素影響,而飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度Bs對(duì)結(jié)構(gòu)不敏感,它取決于材料的化學(xué)成分和密度等[17],因此隨著冷卻方式的改變,Bs數(shù)值雖然先增大后減小,但整體變化不大。圖4(a)所示為不同冷卻方式處理下初始磁導(dǎo)率μi與最大磁導(dǎo)率μm的變化情況,二者變化趨勢(shì)相同,μi與μm均先增大后減小。其中AC試樣的μi與μm值分別為1.469 k和3.711 k,相較于OS試樣分別提高了約4.5倍和3.3倍,矯頑力Hc僅為39.52 A/m,在四種冷卻方式中最低,僅為OS試樣的1/7左右,軟磁性能表現(xiàn)最佳。LNQ 試樣的μi與μm值分別為0.288 3 k和0.645 6 k,矯頑力Hc增大至319.6 A/m,這是由于馬氏體相變?cè)黾恿舜罅课⒂^缺陷,如位錯(cuò)、層錯(cuò)和孿晶等,這會(huì)增大對(duì)磁疇壁的釘扎作用,從而會(huì)在一定程度上降低合金的軟磁性能[18];一般來(lái)說(shuō),矯頑力Hc主要隨晶粒大小變化,與晶粒尺寸往往成反比[19-20],而WQ 試樣的晶粒尺寸僅與AC試樣相差5%,但矯頑力Hc卻是AC 試樣的2.3倍,為91.32 A/m,原因是水冷淬火的冷卻速率遠(yuǎn)高于空冷,試樣經(jīng)歷汽膜期、沸騰期和對(duì)流期三個(gè)冷速差異極大的階段,熱沖擊等產(chǎn)生的應(yīng)力損傷會(huì)降低合金的軟磁性能。

圖4 不同冷卻方式下FeNi32 Co5 合金的軟磁性能Fig.4 Soft magnetic properties of FeNi32 Co5 alloy with different cooling methods

2.4 回火處理對(duì)FeNi32 Co5 合金的膨脹性能及軟磁性能影響

為了減少熱沖擊帶來(lái)的應(yīng)力損傷,對(duì)WQ 試樣和LNQ 試樣進(jìn)行了回火處理(WQ-TP,LNQ-TP)。圖5為WQ 試樣回火前后的軟磁性能對(duì)比,可以看出WQ 試樣在回火后矯頑力Hc由91.32 A/m 降至57.8 A/m,降幅為36.71%,最大磁導(dǎo)率μm由1.908 k提高至2.993 k,增幅為36.25%,是OS試樣的3.5倍左右,軟磁性能提升明顯,這說(shuō)明回火處理可有效改善WQ 試樣由熱應(yīng)力導(dǎo)致的軟磁性能惡化問(wèn)題。LNQ 試樣在淬火過(guò)程中發(fā)生馬氏體相變,回火處理后矯頑力有所降低,為276.7 A/m,仍處于較高水平,原因是回火處理雖然可改善由熱應(yīng)力導(dǎo)致的軟磁性能惡化問(wèn)題,但不能消除馬氏體相,馬氏體相的釘扎作用可顯著增大矯頑力,是影響LNQ 軟磁性能的主要原因。

圖5 回火后FeNi32 Co5 合金的軟磁性能Fig.5 Soft magnetic properties of FeNi32 Co5 alloy after tempering

WQ 及LNQ 試樣回火前后的熱膨脹性能如圖6所示,圖6(a)為WQ試樣與LNQ試樣回火前后的相對(duì)長(zhǎng)度改變量ΔL/L在293～573 K范圍內(nèi)隨溫度變化曲線,可以看出經(jīng)過(guò)回火后,WQ 試樣在293～400 K 內(nèi)的相對(duì)長(zhǎng)度改變量ΔL/L幾乎沒(méi)有變化,在溫度升高至400 K 后略有增大。WQ 試樣與WQ-TP試樣的瞬時(shí)膨脹系數(shù)α隨溫度變化曲線如圖6(c)和(d)所示,其中WQ-TP 試樣的低膨脹特性溫度T'為420 K,較WQ 試樣降低了20 K。表4 為回火前后WQ 試樣和LNQ 試樣的平均線膨脹系數(shù),可以看出,WQ-TP試樣在20～100 ℃內(nèi)的平均線膨脹系數(shù)α(20～100℃)由0.38×10-6·K-1增大至0.54×10-6·K-1,仍遠(yuǎn)低于OS試樣,且該低膨脹特性與目前多種類型的低膨脹合金相比更具優(yōu)勢(shì)[21-24]。經(jīng)過(guò)回火后WQ 試樣的熱膨脹性能略有降低,但相較于OS試樣,仍保持著優(yōu)良的低膨脹特性。LNQ 試樣與LNQ-TP試樣的瞬時(shí)線膨脹系數(shù)α隨溫度變化曲線如圖6(e)和(f)所示,LNQ-TP試樣未出現(xiàn)低膨脹區(qū),從表4中可以看到LNQ-TP試樣的平均線膨脹系數(shù)進(jìn)一步增大,α(20～100℃)為3.35×10-6·K-1。

圖6 回火前后FeNi32 Co5 合金的相對(duì)長(zhǎng)度改變量ΔL/L 隨溫度變化曲線及瞬時(shí)線膨脹系數(shù)α 曲線Fig.6 Curve of relative lengthΔL/L of FeNi32 Co5 alloy with temperature and instantaneous linear expansion coefficientαcurve before and after tempering

表4 回火前后FeNi32 Co5 合金的平均線膨脹系數(shù)Tab.4 Average coefficient of linear expansion coefficient of FeNi32 Co5 alloy after tempering

3 結(jié)論

1)Fe Ni32Co5合金的顯微組織經(jīng)不同冷卻方式處理后有明顯差異:FC,AC 和WQ 試樣基體主要為fcc奧氏體相,同時(shí)含有少量bcc相,經(jīng)過(guò)退火后其晶粒較原始OS試樣明顯發(fā)生粗化,但不同冷卻方式之間的晶粒尺寸差異不大。液氮淬火LNQ 試樣發(fā)生馬氏體相變,在金相組織中觀察到大量透鏡狀馬氏體相,合金組織由奧氏體和馬氏體共同組成。

2)不同冷卻方式對(duì)FeNi32Co5合金的綜合性能影響顯著:其中FC,AC和WQ 試樣在20～100 ℃內(nèi)的平均線膨脹系數(shù)α(20～100℃)逐步降低,低膨脹特性溫度T'逐漸提高。FC,AC和WQ 試樣經(jīng)退火冷卻后晶粒發(fā)生粗化,軟磁性能均有提升,其中AC的最大磁導(dǎo)率μm達(dá)到了3.711 k,矯頑力Hc為39.52 A/m,軟磁性能最佳。

3)對(duì)水冷淬火試樣進(jìn)行315℃回火處理有效地改善了由熱應(yīng)力導(dǎo)致的軟磁性能惡化問(wèn)題,WQ-TP試樣的μm增大至2.993 k,Hc為57.8 A/m,同時(shí)保持了優(yōu)異的低膨脹性能(α(20～100℃)=0.54×10-6·K-1)。綜合考慮FeNi32Co5合金的性能指標(biāo),對(duì)均勻化熱處理后的合金進(jìn)行水冷淬火和回火處理可獲得兼具優(yōu)異的軟磁性能和低膨脹性能的FeNi32Co5合金。