提高45Mn17Al3鋼磁導(dǎo)率性能的生產(chǎn)實(shí)踐

張宇斌， 張志波， 范光偉

（山西太鋼不銹鋼股份有限公司技術(shù)中心， 山西 太原 030003）

生產(chǎn)實(shí)踐·應(yīng)用技術(shù)

提高45Mn17Al3鋼磁導(dǎo)率性能的生產(chǎn)實(shí)踐

張宇斌， 張志波， 范光偉

（山西太鋼不銹鋼股份有限公司技術(shù)中心， 山西 太原 030003）

分析了影響45Mn17Al3鋼磁導(dǎo)率性能的主要因素。通過工業(yè)試驗(yàn)確定了合理的化學(xué)成分、熱處理工藝制度及試樣表面加工要求等。試驗(yàn)結(jié)果表明，45Mn17Al3鋼在800、4 000及8 000 A/m三個(gè)磁場(chǎng)強(qiáng)度下，相對(duì)磁導(dǎo)率μr≤1.005，滿足了某些特殊工程對(duì)磁性能的較高要求。

45Mn17Al3鋼 磁導(dǎo)率 化學(xué)成分 熱處理工藝 表面加工要求

45Mn17Al3鋼屬于中C、Fe-Mn-Al系奧氏體鋼，鋼中不含Cr、Ni等昂貴元素，并具有在強(qiáng)磁場(chǎng)中不易被磁化的特點(diǎn)，作為一種經(jīng)濟(jì)的低磁結(jié)構(gòu)鋼，主要用于防止產(chǎn)生各種電磁干擾的低磁構(gòu)件及工程，如造船行業(yè)和低磁建筑工程等。

一般情況下，按照GJB 934—1990《45Mn17Al3低磁鋼鋼板》標(biāo)準(zhǔn)要求，45Mn17Al3鋼在800、4 000及8 000 A/m三個(gè)磁場(chǎng)強(qiáng)度下，同時(shí)滿足相對(duì)磁導(dǎo)率μr≤1.2要求，即可滿足艦船及其他低磁結(jié)構(gòu)件的設(shè)計(jì)要求。但對(duì)于某些特殊工程，為了保證工程運(yùn)行的安全性及準(zhǔn)確性，45Mn17Al3鋼必須同時(shí)滿足在上述三個(gè)磁場(chǎng)強(qiáng)度下，相對(duì)磁導(dǎo)率μr≤1.005設(shè)計(jì)要求，磁性能要求極高，給生產(chǎn)帶來了較大的難度。為了滿足工藝技術(shù)要求，開展提高45Mn17Al3鋼磁性能的工藝研究與生產(chǎn)實(shí)踐，取得了較好效果。

1 磁導(dǎo)率影響因素分析

當(dāng)Fe-Mn-Al三元合金系處于單相奧氏體區(qū)域時(shí)，其相對(duì)磁導(dǎo)率μr較低。為了降低45Mn17Al3鋼的相對(duì)磁導(dǎo)率μr，提高其磁性能，主要圍繞鋼的成分及成品熱處理工藝等開展工藝研究與試驗(yàn)。

1.1 成分影響

1.1.1 主要元素作用[1]

C常溫時(shí)，只有w（Mn）超過30%時(shí)才能得到單相奧氏體鋼。此種Mn-Fe二元合金的穩(wěn)定性較低，沒有實(shí)際使用價(jià)值，在二元合金中加入C，可明顯擴(kuò)大奧氏體相區(qū)，使得在較低的Mn含量下得到穩(wěn)定的奧氏體。

Mn在鋼中大多固溶于奧氏體中，形成代位式固溶體，Mn具有面心立方的晶體結(jié)構(gòu)，其原子與鐵原子之間有較強(qiáng)的金屬鍵作用，故作為合金元素加入鋼中，可以在較寬的成分范圍內(nèi)形成穩(wěn)定的奧氏體，是僅次于Ni的奧氏體形成元素。

Al是擴(kuò)大鐵素體相區(qū)的元素，但在高錳鋼中，一定量的Al可起到提高層錯(cuò)能從而穩(wěn)定奧氏體的作用。

1.1.2 成分控制要求

圖1為1 000℃時(shí)Fe-Mn-Al三元合金系等溫截面圖[2]。Fe-Mn-Al系鋼的基本成分主要由三元系狀態(tài)圖決定?？梢?，提高M(jìn)n含量、降低Al含量，可使合金處于單相奧氏體狀態(tài)。

圖1 1 000℃時(shí)Fe-Al-Mn等溫截面圖

1.2 熱處理工藝影響

1.2.1 熱處理溫度影響

熱處理工藝是決定鋼組織的關(guān)鍵因素之一。下頁(yè)圖2示出了Fe-Mn-Al三元合金系從室溫至1 100℃時(shí)的立體狀態(tài)圖[2]?？梢?，在低溫時(shí)，奧氏體單相區(qū)域移向高錳高鋁側(cè)，（α+γ）兩相共存區(qū)域較高溫時(shí)趨向變寬。因此，為確保常溫下具有單相奧氏體組織，應(yīng)選取較高的熱處理溫度，保證在高溫狀態(tài)下45Mn17Al3完全轉(zhuǎn)變?yōu)閱蜗鄪W氏體組織。

圖2 Fe-Al-Mn三元合金系相圖

1.2.2 冷卻工藝影響

圖3示出Fe-Mn合金等溫轉(zhuǎn)變曲線[3]。由圖3可見，當(dāng)臨界冷卻速度降低到一定程度時(shí)，在奧氏體組織中會(huì)析出碳化物和形成α組織。碳化物相及α組織的存在會(huì)降低磁性能。因此，為確保常溫下形成單相奧氏體組織，熱處理過程應(yīng)保證有較高的冷卻速度。圖4示出不同冷卻速度時(shí)組織及磁導(dǎo)率性能[4]。由圖4可見，當(dāng)以單相奧氏體組織存在時(shí)，具有較高的相對(duì)磁導(dǎo)率性能；當(dāng)γ組織中析出碳化物時(shí)磁導(dǎo)率性能有一定程度的降低；形成α組織時(shí)，相對(duì)磁導(dǎo)率性能進(jìn)一步惡化。

圖3 Fe-18Mn-0.65C合金等溫轉(zhuǎn)變曲線

2 大生產(chǎn)試驗(yàn)

2.1 關(guān)鍵設(shè)備及流程

1)關(guān)鍵設(shè)備。冶煉系統(tǒng)：80 tEBT電爐、LF/VD精煉爐及7.2 t下注模鑄扁錠；初軋系統(tǒng)：1 000 mm初軋機(jī)，坯料規(guī)格170 mm×1 000 mm×1 900 mm；成品系統(tǒng)：2 300 mm二輥/四輥雙機(jī)架中板軋機(jī)、50 m?；癄t及18 m淬火機(jī)等

2）試驗(yàn)規(guī)格。（6.0～20.0）×（1 800～2 000）×（6 000～8 000）（mm）

圖4 等溫?zé)崽幚韺?duì)磁導(dǎo)率的影響

3）工藝流程。EBT電爐冶煉→LF鋼包精煉→VD真空處理→模鑄扁錠→初軋機(jī)開坯→堆冷→中板軋制→熱處理→檢驗(yàn)。

2.2 工藝實(shí)踐

2.2.1 化學(xué)成分控制

由前面分析可知，在1 000℃高溫下，對(duì)于Fe-Mn-Al系三元合金，提高鋼中Mn含量、降低Al含量，可使合金處于單相奧氏體狀態(tài)。高溫下單相奧氏體組織的形成，成分控制起到重要作用。對(duì)45Mn17Al3鋼的成分重新制定了控制范圍，由工藝改進(jìn)前的成分控制按中線要求，調(diào)整為對(duì)C、Mn等奧氏體形成元素在標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)按中上限控制，Al及Si等鐵素體形成元素在標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)按中下限控制，見表1。

表1 45Mn17Al3鋼標(biāo)準(zhǔn)與內(nèi)控成分要求 %

2.2.2 熱處理工藝控制

由前面分析可見，45Mn17Al3鋼采用較高的熱處理溫度及較快的冷卻速度，可使常溫下形成單相奧氏體組織，具有低的相對(duì)磁導(dǎo)率。

大生產(chǎn)試驗(yàn)制訂了兩種熱處理制度，即930～950℃和970～1 000℃，冷卻方式全部采用水冷。當(dāng)熱處理試驗(yàn)采用溫度970～1 000℃結(jié)合水冷工藝，成品相對(duì)磁導(dǎo)率性能合部滿足μr≤1.005要求。由于熱處理溫度太高，奧氏體晶粒比較粗大，鋼板上下兩面并伴有輕微脫碳現(xiàn)象，成品力學(xué)性能指標(biāo)，尤其是屈服強(qiáng)度接近標(biāo)準(zhǔn)的下限、甚至部分批次出現(xiàn)不合格，且6～8 mm薄板因熱處理過程熱應(yīng)力大，使板形劣化嚴(yán)重。當(dāng)熱處理試驗(yàn)采用溫度930～950℃結(jié)合水冷工藝，成品相對(duì)磁導(dǎo)率性能合部滿足μr≤1.005要求，力學(xué)性能指標(biāo)全部滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，且有一定的富裕量。6～8 mm薄板仍然存在因熱處理過程熱應(yīng)力大使板形劣化的問題。對(duì)于6～8 mm薄板，進(jìn)一步采用了溫度930～950℃、冷卻方式改為空冷的熱處理制度，成品相對(duì)磁導(dǎo)率性能全部滿足μr≤1.005要求，力學(xué)性能指標(biāo)全部滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，且成品板形控制良好。

通過試驗(yàn)，確定45Mn17Al3鋼大生產(chǎn)最佳熱處理工藝制度為：溫度為930～950℃；厚度規(guī)格大于8 mm鋼板冷卻方式為水冷，6～8 mm薄板冷卻方式為空冷。

2.2.3 試樣表面狀態(tài)控制

為了考查試樣表面氧化鐵皮、加工應(yīng)力對(duì)磁導(dǎo)率性能的影響，對(duì)不同表面狀態(tài)下磁性試樣進(jìn)行了磁導(dǎo)率性能的測(cè)試，如表2所示。

表2 不同表面狀態(tài)下試樣的磁導(dǎo)率性能

由此可見，氧化鐵皮對(duì)磁導(dǎo)率性能影響較大；表面加工應(yīng)力對(duì)磁導(dǎo)率性能影響程度不大；無應(yīng)力狀態(tài)試樣所測(cè)磁導(dǎo)率值可以反映實(shí)際的相對(duì)磁導(dǎo)率性能。

大生產(chǎn)磁導(dǎo)率試樣加工可以采用熱處理后再機(jī)加工的方式，但必須保證表面不帶氧化鐵皮。

2.3 試驗(yàn)效果

試驗(yàn)前后不同工藝控制與成品相對(duì)磁導(dǎo)率μr性能的檢測(cè)情況，如表3所示。

對(duì)2015年工藝試驗(yàn)前后成品磁性能進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)，全年共生產(chǎn)6.0～20.0 mm不同規(guī)格45Mn17Al3鋼板306批。工藝試驗(yàn)前生產(chǎn)了170批，其中在800、4 000及8 000 A/m三個(gè)磁場(chǎng)強(qiáng)度下，相對(duì)磁導(dǎo)率μr≤1.005有63批，占比37%。工藝試驗(yàn)后生產(chǎn)了136批，其中在800、4 000及8 000 A/m三個(gè)磁場(chǎng)強(qiáng)度下，相對(duì)磁導(dǎo)率μr≤1.005有132批，占比97%。工藝試驗(yàn)后磁性能提高了60%，達(dá)到了較好的水平?？梢姡囼?yàn)過程對(duì)成分及熱處理制度的工藝設(shè)計(jì)是合理的。

表3 不同工藝控制與成品磁性能的情況

3 結(jié)論

1）鋼的成分控制及熱處理工藝制度是影響45Mn17Al3鋼磁性能的主要因素。

2）通過采取合理控制合金成分、制訂最佳熱處理工藝制度及加強(qiáng)試樣表面管理等措施，45Mn17Al3鋼板在800、4 000及8 000 A/m三個(gè)磁場(chǎng)強(qiáng)度下的相對(duì)磁導(dǎo)率μr達(dá)到1.005以下。產(chǎn)品滿足了某些特殊工程對(duì)產(chǎn)品磁性能的較高要求。

[1] 孫珍寶，朱譜藩，林慧國(guó)，等.合金鋼手冊(cè)（上冊(cè)）[M].北京：冶金工業(yè)出版社，1984：50-68.

[2] 田中克彥，佐藤一則，上野學(xué)，等.高マンガンー高アルミニウム鋼の三元系狀態(tài)図と熱処理組織[J].鉄與鋼，1984，70（13）：401.

[3] 加藤哲男，藤倉(cāng)正國(guó)，矢萩慎一郎，等.高マンガン非磁性材料RM711の透磁率に及ぼす諸因子について [J].電気製鋼，1978，49（2）：90-99.

[4] 加藤哲男，藤倉(cāng)正國(guó)，矢萩慎一郎，等.高マンガン非磁性材料RM711の透磁率に及ぼす諸因子について [J].電気製鋼，1978，49（2）：90-99.

（編輯：苗運(yùn)平）

Production Practice of 45Mn17Al3 Steel in Increasing Magnetic Performance

Zhang Yubin,Zhang Zhibo,Fan Guangwei
（Technology Center of Shanxi Taigang Stainless Steel Co.,Ltd.,Taiyuan Shanxi 030003）

The main influence factors of magnetic permeability of 45Mn17Al3 steel have been analyzed.Reasonable chemical composition,heat treatment process and sample surface processing requirements have been confirmed through industrial experiment.The results show that the relative magnetic permeability of 45Mn17Al3 steel is not more than 1.005 in magnetic field intensity of 800,4 000 and 8 000A/m,which can satisfy some special engineering requirement that demands higher magnetic performance.

45Mn17Al3 steel,magnetic permeability,chimerical composition,heat treatment process,surface processing requirements

TN491

A

1672-1152（2017）01-0075-03

10.16525/j.cnki.cn14-1167/tf.2017.01.30

2016-10-17

張宇斌（1972—），男，工程師，1997年畢業(yè)于太原理工大學(xué)，從事高錳鋼工藝研究。