電磁純鐵DT4C 材料真空退火工藝研究

王治標(biāo)，張斯博，侯漫路，徐 晶

（沈陽航天新光集團(tuán)有限公司，遼寧 沈陽 110044）

電磁純鐵是一種低碳含量的鐵基性能合金[1]。與Ni-Fe 合金相比，其具有磁感應(yīng)強度高、導(dǎo)磁率高、導(dǎo)磁率高、矯頑力低、加工性能優(yōu)異、磁性能穩(wěn)定等特點。在船舶、電氣工程、航空航天領(lǐng)域中得到廣泛應(yīng)用的材料。航天工業(yè)中通常將奧氏體不銹鋼與軟磁合金焊接成型作為電磁閥組件，為實現(xiàn)磁性合金功能特性，避免冷加工損傷磁性能，電磁閥組件在最終工序熱處理，采用真空熱處理方式，溫度精準(zhǔn)，有效控制產(chǎn)品變形。

我公司多種研制型號生產(chǎn)產(chǎn)品中關(guān)鍵零件均是閥體組件，閥體組件通常由電磁純鐵(DT4C) 與不銹鋼(1Cr18Ni9Ti) 真空釬焊而成，真空退火后，同爐熱處理的DT4C 環(huán)形試樣進(jìn)行磁性能的測定，要求磁性能數(shù)據(jù)應(yīng)滿足GB6983-2008 標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的各項磁性能指標(biāo)。由于釬焊制件焊接部位熔點較低，所以選擇合適的電磁純鐵退火溫度是滿足GB6983-2008 標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定各項磁性能指標(biāo)的關(guān)鍵。由于退火溫度不能超過950℃，按照GB6983-2008 給定的工藝制度進(jìn)行真空退火，出現(xiàn)多次矯頑力不合格的情況，為徹底改變這種狀況，進(jìn)行一系列工藝試驗，通過退火工藝參數(shù)優(yōu)化調(diào)整，使得產(chǎn)品矯頑力滿足技術(shù)要求。

1 實驗

電磁純鐵通過磁性退火消除加工應(yīng)力，退火溫度超過再結(jié)晶溫度，使晶粒充分長大以獲得高的電磁性能。金相組織是等軸的、大的晶粒且均勻的鐵素體組織具有高電磁性能[2]。直接影響矯頑力的因素為晶粒大小和均勻，而保溫溫度和升溫及降溫速度直接影響晶粒度的大小與均勻。因此熱處理工藝對降低電磁純鐵矯頑力也至關(guān)重要。

加熱速度及冷卻速度不同直接影響材料再結(jié)晶磁性退火的晶粒大小，也就是影響晶粒度的織構(gòu)，從而影響產(chǎn)品的矯頑力。找出升降溫速率與電磁純鐵矯頑力之間的規(guī)律，尋求生產(chǎn)過程中最佳的工藝制度。本試驗電磁純鐵采用DT4C 材料（見表1），外形尺寸為φ25mm×φ20mm×5 熱處理環(huán)形試樣。按國標(biāo)GB6983-2008 磁性合金退火工藝為：(900±10)℃保溫4h，升溫和降溫分別采用參數(shù)見表2。退火處理是在真空爐中進(jìn)行，真空度≤5.0×10-3Pa。在退火后的電磁純鐵試驗件進(jìn)行矯頑力、矯頑力時效增值、最大磁導(dǎo)率、磁感應(yīng)強度等檢測。

表1 試驗用DT4C 磁性材料化學(xué)成分( 質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%)

表2 試驗采用的升降溫工藝參數(shù)

2 結(jié)果與分析

為了說明升溫速度與降溫速度對電磁純鐵DT4C 材料各項磁性能的影響，同樣取φ25mm×φ20mm×5 熱處理試樣，分別進(jìn)行上述三種真空退火工藝方法（工藝參數(shù)圖表見圖1 至圖3），然后對三種試樣按照GB/T6983-2008 國家標(biāo)準(zhǔn)要求檢測各項磁性能指標(biāo)：矯頑力Hc ≤32.0A/m ；矯頑力時效增值ΔHc ≤4.0A/m ；最大磁導(dǎo)率μm ≥0.0151H/m，磁感應(yīng)強度B200 ≥1.20B/T ；B300 ≥1.30B/T ；B500 ≥1.40B/T ；B1000 ≥1.50B/T ；B2500 ≥1.62B/T ；B5000 ≥1.71B/T ；B10000 ≥1.80B/T。分 別采用三種工藝方法進(jìn)行真空退火后試樣磁性能檢測結(jié)果見表3。

圖1 工藝方法1 真空退火工藝曲線

圖2 工藝方法2 真空退火工藝曲線

表3 磁性能測試結(jié)果

圖3 工藝方法3 真空退火工藝曲線

電磁純鐵DT4C 的磁性熱處理溫度對矯頑力及其他技術(shù)參數(shù)的影響較大，根據(jù)文獻(xiàn)所述電磁純鐵DT4C 材料的熱處理溫度總體變化趨勢是：隨著磁性退火溫度的升高，產(chǎn)品的矯頑力越低。750℃～850℃變化明顯。當(dāng)加熱溫度過低時，影響晶粒長大。當(dāng)熱處理溫度達(dá)到900℃以上時，雖然隨著溫度的升高，矯頑力還會越來越小，但變化趨于平緩。這是因為隨著磁性退火溫度的升高，保溫4h 后晶粒充分長大并逐漸穩(wěn)定，因而矯頑力變化不明顯。當(dāng)磁性退火溫度超過950℃時，雖然矯頑力較小，但材料容易發(fā)生粘結(jié)現(xiàn)象。因此，退火溫度為850 至900℃最能充分發(fā)揮材料潛在磁性能[3]。

圖4 工藝方法1 顯微組織圖片

2.1 升溫速度對DT4C 磁性能的影響

控制升溫速度目的是防止材料脫碳和得到大小均勻晶粒。由于本次試驗原材料碳含量已經(jīng)很低，為0.025%，單從脫碳角度來看，可以不控制升溫速率。但在800℃以上加熱速度過快時，晶粒來不及并吞，往往會形成晶粒大小不一，從而影響矯頑力[4]。矯頑力的定義是使磁化至技術(shù)飽和的永磁體的磁感應(yīng)強度降低至零件所需要的反向磁場強度[5]。矯頑力的大小受晶界、位錯的多少影響，晶粒隨溫度的升高迅速長大[6]，在體積一定的情況下，晶粒越大，晶界被擠壓，面積會縮小，位錯就減少，內(nèi)應(yīng)力就減小，妨礙金屬的磁化和去磁過程作用就減小[7]，因此矯頑力明顯下降。從表3 可以看出，不控制升溫速度的工藝與正常在800℃以上控制升溫速率的磁性熱處理工藝相比，不控制升溫速度對矯頑力的影響差別為5A/m 至6A/m 左右。由于矯頑力的影響使得磁感應(yīng)強度也隨之降低，但下降幅度不是很大都大于技術(shù)要求標(biāo)準(zhǔn)值。從圖1 可以看出，由于升溫速率較快，由許多細(xì)小的晶粒還沒有來得及被并吞，造成材料的晶粒均勻度較差, 這樣就導(dǎo)致晶界面積較大，位錯增大，使得材料內(nèi)部應(yīng)力增大從而阻礙了金屬的磁化作用；而圖2 為采用800℃以上緩慢加熱的工藝方法，則其晶粒的均勻度要明顯優(yōu)于沒有控制升溫速率的工藝方法，其內(nèi)部的內(nèi)應(yīng)力會降低許多，最終導(dǎo)致材料的磁性能有了一定的差異。因此，控制升溫速度對電磁純鐵DT4C 材料磁性能有一定的影響。

2.2 降溫速度對DT4C 磁性能的影響

降溫速度在900℃～700℃之間控制在≤50℃/h，是為了防止因冷卻速度太快而產(chǎn)生的熱應(yīng)力影響磁性能。工藝方法1 由于沒有控制降溫速度，會導(dǎo)致存在一定的熱應(yīng)力妨礙材料的磁化作用，對其磁性能指標(biāo)會造成一定影響。在生產(chǎn)過程中，在700℃以下冷卻時，由于真空熱處理的裝爐量通常不會過于飽滿，冷卻速度也較快，故在700℃～500℃之間控制冷卻速度能夠更好的確保材料的熱應(yīng)力可完全被消除，從表3 的矯頑力和磁感應(yīng)強度等數(shù)據(jù)可以看出工藝方法2 和3 的差別不明顯，故在700℃以上的降溫速度對材料的磁性能有一定的影響，在700℃以下的降溫速度對材料的磁性能則影響較小。

3 結(jié)論

（1）在電磁純鐵DT4C 真空熱處理加熱過程中，800℃以上加熱速度過快時，由于晶粒來不及并吞，會形成晶粒大小不一，晶界面積較大，位錯較多，內(nèi)應(yīng)力較大，導(dǎo)致妨礙材料的磁化作用，使得DT4C 材料的磁性能受到一定的影響。

（2）降溫速度在900℃～700℃之間控制在≤50℃/h，可以防止因冷卻速度太快而產(chǎn)生的熱應(yīng)力影響DT4C 材料的磁性能，在700℃以下的降溫速度對材料的磁性能則影響較小。