熱處理對4J36合金線膨脹系數(shù)及磁性能影響研究

仝雄偉 張開望 石新泰 趙米楷 崔凱飛 徐 蕓 孫承琳

熱處理對4J36合金線膨脹系數(shù)及磁性能影響研究

仝雄偉 張開望 石新泰 趙米楷 崔凱飛 徐 蕓 孫承琳

（西安航天時代精密機電有限公司，陜西 710100）

導磁材料的磁性和膨脹性能對石英撓性加速度計的穩(wěn)定性有重大影響，通過磁性測試儀、光學膨脹儀研究了不同熱處理工藝對4J36合金的磁性能及線膨脹系數(shù)的影響作用。結果表明：不同熱處理工藝下，合金組織均為奧氏體組織；而冷卻速率對線膨脹系數(shù)和磁性能的影響作用是相反的，冷速較慢時，線膨脹系數(shù)變大，而合金初始磁導率和飽和磁感應強度會提高，合金磁性能提高。結合不同熱處理狀態(tài)下合金組織及性能發(fā)現(xiàn)，合金組織的穩(wěn)定性和單一性避免了組織轉變引起的體積變化，保證了線膨脹系數(shù)穩(wěn)定性。除此之外，F(xiàn)e原子運動狀態(tài)及其自發(fā)磁化過程中的磁致伸縮也會保證合金線膨脹系數(shù)穩(wěn)定性；影響磁性能的主要因素是保溫時間和冷卻速率，當延長保溫時間和降低冷卻速率時，磁性能有所提升。綜合考慮，對于4J36合金的熱處理工藝應選擇固溶+時效+穩(wěn)定+磁性退火。

4J36合金；熱處理；磁性能；線膨脹系數(shù)

1 引言

4J36膨脹合金長期以來以其優(yōu)異的低膨脹性能而聞名，在精密儀器、航空航天等領域被廣泛應用[1]，其具有較低的線膨脹系數(shù)，不完全符合正常的熱膨脹規(guī)律，這是一種異常的熱膨脹現(xiàn)象[2，3]，其中影響Fe-Ni膨脹合金熱膨脹系數(shù)的因素主要有合金成分、晶粒大小、缺陷含量、析出相等。研究表明35.7%Ni-Fe合金的熱膨脹系數(shù)最低，改變Ni、Fe元素含量后，合金的熱膨脹系數(shù)均會改變，因此準確控制Ni含量是獲得低膨脹系數(shù)的關鍵[4]。此外，機加過程中，由于應力力作用，F(xiàn)e-Ni合金中各種缺陷增加，降低基體的致密度，短程原子的有序程度被破壞，合金自發(fā)磁化程度和磁致伸縮比降低，合金熱膨脹系數(shù)開始降低，甚至會變?yōu)樨撝礫5]。同時4J36合金還表現(xiàn)出特殊的磁性，如自發(fā)磁化的突然偏離，高磁化率，居里溫度的依賴性強，容易退磁[6～8]。而4J36合金表現(xiàn)出來的較低的熱膨脹系數(shù)除了與合金成分相關外，其微觀結構的特殊變化也起到一定作用[9]。另外，當處在一個較寬的溫度區(qū)間內時，正常的晶格變化被自發(fā)的體積磁致伸縮所補償，這也是其膨脹系數(shù)較低的原因[10～12]。除此之外，4J36合金在從高溫冷卻到居里點的過程中，由于磁致伸縮效應，材料本身會膨脹，但同時在低溫條件下體積會縮小，兩者在室溫下相互抵消，合金膨脹系數(shù)趨于零[13]。但隨著整機靈敏度的不斷提高，器件需要小型化、多功能化，因此4J36合金需要既有極低的線性膨脹系數(shù)，又有良好的磁性能，尤其是磁導率的溫度穩(wěn)定性，這直接影響整機靈敏度[14]。

研究發(fā)現(xiàn)，處于低環(huán)境溫度下，熱運動能量相對較低，不會過度干擾電子磁矩，因此在外加磁場作用后，磁矩更容易實現(xiàn)定向分布。相反，在高環(huán)境溫度下，熱運動劇烈，極大程度干擾電子磁矩，外磁場中部分能量與熱運動的能量相互抵消，外磁場的有效能量降低，磁矩定向分布變得困難[15，16]。熱處理后，F(xiàn)e-Ni合金的磁各向異性被削弱，其分布趨于均勻，磁導率可有效提高，從微觀結構角度出發(fā)，顯著減弱了磁各向異性及磁矩分布梯度，合金矯頑力下降[17]?，F(xiàn)階段，4J36合金的熱處理工藝研究主要還是集中在物理性能和熱膨脹系數(shù)上，而關于研究4J36合金低膨脹系數(shù)與磁性能之間平衡性卻較為欠缺。為了滿足更高的材料性能要求，本文對4J36合金熱處理工藝進行優(yōu)化，從同時穩(wěn)定4J36合金低膨脹系數(shù)和提高磁性能的目的出發(fā)，通過調整熱處理工藝參數(shù)，研究熱處理工藝對4J36合金線膨脹系數(shù)及磁性能的影響作用，同時初步探索在不同熱處理條件下4J36合金磁性能和線膨脹系數(shù)之間的相關性。

2 試驗材料與方法

本次試驗材料選擇熱軋態(tài)4J36合金棒料，表1所示為各元素占比。線膨脹系數(shù)測試試樣為棒狀試樣，試樣尺寸為10mm×50mm，磁性能測試試樣為環(huán)狀試樣。具體試樣尺寸如圖1所示。

表1 4J36合金化學成分 （質量分數(shù)，%）

圖1 線膨脹測試試樣及磁性能測試試樣

表2 熱處理工藝參數(shù)

將4組試樣分別在不同的熱處理參數(shù)下進行試驗，熱處理設備主要采用箱式電阻爐和真空氣淬爐，具體的熱處理工藝參數(shù)如表2所示。對處理后的棒料進行金相取樣，腐蝕后（腐蝕劑：4gCuSO4?5H2O+20mlHCL+20mlH2O），采用OLYMPUSGX-71光學顯微鏡對金相試樣進行組織形貌觀察；采用掃描電鏡觀察其高倍組織；采用DP-49光學三角差示膨脹儀進行熱膨脹系數(shù)測試（20～100℃）；采用TD8220軟磁直流測試設備測試磁性能。

3 結果與討論

3.1 合金顯微組織

圖2 不同熱處理狀態(tài)下4J36合金金相組織

圖2所示為不同熱處理狀態(tài)下4J36合金金相組織。從圖2可以看出，在不同熱處理工藝下，合金組織晶粒度發(fā)生改變，但組織無明顯變化，均為奧氏體組織。經固溶+時效處理后（如圖2a所示），合金仍為單相奧氏體，且基體內形成了大量的退火孿晶組織，其主要在晶界處形核，有的貫穿整個晶粒，有的終止于晶粒內部。這是由于面心立方結構的金屬或合金熱處理時，高于再結晶溫度后，在后續(xù)的加熱過程和保溫過程中再結晶晶粒通過晶界發(fā)生遷移生長，同時{111}密排面上層錯堆積，從而形成退火孿帶。

850℃退火處理后的合金組織仍為單相奧氏體，其形貌為等軸狀（如圖2b所示），退火孿晶帶寬度和長度增大，這是因為γ相層錯能低，遷移過程中受到某些阻力（如熱應力等），所以新形成的晶粒界面會受阻形成堆積。在后續(xù)溫度持續(xù)升高后，γ晶粒開始長大，晶粒尺寸和晶界尺寸明顯粗化。

磁性處理后的4J36合金組織無明顯變化（如圖2c所示），但晶粒尺寸發(fā)生明顯長大，且晶界明顯粗化，同時組織中出現(xiàn)的退火孿晶帶也異常長大。這是因為在磁性退火時，合金組織會發(fā)生局部再結晶或再結晶過程，導致晶界發(fā)生遷移，使得晶粒之間開始互相合并，晶粒開始長大。在延長保溫時間和增加退火溫度后，基體中的各種缺陷開始重新排列甚至消除，晶?；貜秃驮俳Y晶過程中所需的驅動力變大，晶粒成核和長大的驅動力變大，導致晶界遷移速度變快，晶粒容易長大。

經固溶+時效+穩(wěn)定+磁性處理后的4J36合金金相組織（如圖2d所示）仍為奧氏體組織。同時，溫度升高到1000℃以上時，再結晶晶粒出現(xiàn)了異常長大，這些異常長大的晶粒在等軸晶中重新形核長大，進行了新的再結晶過程，在后續(xù)加熱過程中，對于新的再結晶組織而言，基體中織構或表面熱蝕槽等產生的阻隔作用將開始消失，部分受影響較小的晶界開始遷移，晶粒繼續(xù)生長。

結合Fe-Ni合金二元相圖和4組熱處理工藝下的顯微組織可以看出，在Fe-Ni二元合金體系中主要以包晶反應和共析反應為主，在高溫時（430℃以上）處于單相區(qū)，為單一的γ相，且γ組織很穩(wěn)定，緩冷時主要為α+γ兩相平衡組織，快冷后則會得到fcc結構的γ固溶體。但是在實際冷卻條件下，α→γ相變會有一定的溫度滯后性，化學成分起伏導致合金中在降溫過程中，其雖不能完全發(fā)生馬氏體相變，但會發(fā)生一定程度的轉變，從而具有少量的馬氏體組織，但無法通過普通的金相顯微組織觀察到，所以分析其不同熱處理工藝下的金相組織得到的結論為4J36合金（63%Fe-36%Ni）在不同熱處理工藝下的加熱冷卻過程中，由于其加熱溫度均大于430℃，可以認為其在室溫狀態(tài)下的組織均為奧氏體組織。

3.2 對合金線膨脹系數(shù)的影響

圖3所示為不同狀態(tài)下4J36合金線膨脹系數(shù)，由圖3中可知，其供貨態(tài)的線膨脹系數(shù)平均值為1.886×10-6/℃，經中間退火處理b和磁性退火c處理后，合金線膨脹系數(shù)升高，分別為1.912×10-6/℃和2.137×10-6/℃，而對比a、d兩種狀態(tài)下的線膨脹系數(shù)可知，當合金經過固溶+時效+穩(wěn)定處理后，其線膨脹系數(shù)基本保持穩(wěn)定，均為1.616×10-6/℃，其不隨磁性能處理溫度變化而發(fā)生變化，且低于供貨態(tài)和中間退火態(tài)合金的線膨脹系數(shù)。

圖3 不同熱處理狀態(tài)下4J36合金線膨脹系數(shù)

結合圖2不同熱處理工藝下的合金組織及圖3中合金線膨脹系數(shù)可以得到，合金組織的穩(wěn)定性和單一性對線膨脹系數(shù)起到穩(wěn)定作用，由圖3可以看到，其合金組織均為奧氏體組織，但晶粒大小不一，其線膨脹系數(shù)卻均為1.616×10-6/℃，無明顯變化，所以對于4J36合金而言，其晶粒尺寸變化并不能決定線膨脹系數(shù)的溫度穩(wěn)定性，只有當組織轉變而產生體積變化時，其線膨脹系數(shù)才會發(fā)生變化。除此之外，合金膨脹系數(shù)的變化也與加熱過程中Fe原子的運動狀態(tài)及其自發(fā)磁化過程中的磁致伸縮有關[18]。由圖3可知，固溶處理后，4J36合金的線性膨脹系數(shù)較小，這是因為在冷卻過程中，當溫度達到居里溫度以下時，合金自發(fā)磁化產生磁致伸縮會導致體積變大，與熱脹冷縮引起的體積縮小相互抵消，保證了4J36低膨脹合金的膨脹系數(shù)穩(wěn)定性[19]。1180℃磁性退火后，合金的線膨脹系數(shù)增大，這與Fe-Ni合金需要通過處于高自旋狀態(tài)來保證磁性能的穩(wěn)定性有關，鐵原子在高自旋態(tài)時會使得合金體積膨脹。同時，在溫度升高后，晶格振動頻率增大，原子熱振動劇烈，合金體積膨脹，導致線膨脹系數(shù)增大。如圖3所示，4J36合金在狀態(tài)a和狀態(tài)d下線膨脹系數(shù)一致的另一種原因是，4J36膨脹合金為Ni含量接近γ-α相變線的fcc結構的Fe-Ni二元合金，居里溫度以下呈鐵磁性，線膨脹系數(shù)對溫度的變化的敏感性很?。欢诰永餃囟纫陨蠟轫槾判?，隨著溫度的升高，線性膨脹系數(shù)開始線性增大。這是因為Fe-Ni合金的熱膨脹過程具有不連續(xù)性，低于居里溫度時，合金熱膨脹系數(shù)較低，在鎳含量為36%時，其熱膨脹系數(shù)幾乎不隨溫度變化。在居里溫度以上時，與大多數(shù)金屬相似，會發(fā)生熱脹冷縮反應。合金中的鎳含量和其磁性能是造成這種異常熱膨脹現(xiàn)象的主要原因[20]，fcc結構的γ-Fe原子本身就具有鐵磁性，同時其又存在兩種磁有序態(tài)，自旋平行（大體積）和反自旋平行（小體積），隨著加熱溫度升高，原子的振動頻率增大引起體積增加，此時Fe原子變?yōu)榉醋孕叫袪顟B(tài)以抵消熱脹冷縮引起的體積膨脹，合金體積保持不變。

3.3 對合金磁性能的影響

圖4分別表示合金在不同熱處理狀態(tài)下的初始磁導率、最大磁導率、矯頑力及飽和磁感應強度。由圖4可知，4J36合金在經過磁性處理后，由于磁性處理的溫度不同，其磁性能數(shù)據(jù)相差較大。由圖4a～圖4d中可以看出，當4J36合金在850℃（曲線b）進行退火處理時，其整體磁性能明顯低于1180℃時（狀曲線c）的磁性能，這是由于在850℃低溫處理時，未被溶解的雜質會沉淀析出，在基體中形成夾雜，由圖2b掃描圖中可以看到，在晶界處存在顆粒狀的析出物，此區(qū)域的夾雜物分布相對集中，同時夾雜物阻礙相鄰晶粒之間相互合并，從而使得退火過程中晶粒合并長大，導致磁性能下降。當合金在1180℃處理時，基體中發(fā)生二次再結晶，相較于850℃時的晶粒尺寸，此時由于晶粒尺寸的增大，組織中的夾雜凈化也較徹底，同時磁晶結構更加完善，晶格缺陷也有所消除，因此合金的直流磁性能得到優(yōu)化。除此之外，增加保溫時間后，晶粒開始進一步生長變大，這會直接影響矯頑力的大小，當晶粒持續(xù)生長變大時，矯頑力減小，飽和磁感增加，所以在適當延長保溫時間后，合金磁性能更容易提高。圖5所示為晶粒尺寸與矯頑力間的線性關系。Fe-Ni合金的矯頑力會隨晶粒的不斷增大而減小。這也從側面證明了Fe-Ni合金在磁性處理時保溫時間越長，越有利于合金晶粒長大，有利于提高合金磁性能。而分別對比圖4a～圖4d中曲線c、曲線d發(fā)現(xiàn)，當合金在經過固溶+時效+磁性處理后（曲線d），與僅進行磁性處理（曲線c）相比，雖然其0、μ有所降低，但總體而言，其磁性能數(shù)值差異較小，所以對比圖4a～圖4d中各磁性能數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，其中主要影響4J36合金的磁性能的因素是其冷卻速率和保溫時間，當保溫時間越長，冷卻速率越慢時，則越有利于提高合金磁性能。

圖4 不同熱處理狀態(tài)下4J36合金磁性能

圖5 不同材料矯頑力與晶粒尺寸的關系

3.4 合金磁性能和線膨脹系數(shù)穩(wěn)定性的影響

表3所示為4種不同熱處理工藝條件下4J36合金的磁性能和線膨脹系數(shù)。在上述內容中已經分別闡述了不同熱處理工藝對4J36合金磁性能和線膨脹系數(shù)的影響作用，以及4J36合金線膨脹系數(shù)變化和磁性能變化的機制。通過表3結果可以發(fā)現(xiàn)，按照標準中對4J36合金線膨脹系數(shù)的要求（≤1.5×10-6/℃），很難保證其磁性能滿足使用要求的同時線膨脹系數(shù)合格。對表3中序號b、c的試驗結果進行比較分析發(fā)現(xiàn)，對于4J36合金磁性能而言，其和軟磁合金比較相似，當提高加熱溫度、延長保溫時間和降低冷卻速率后，其磁性能明顯提升，但是若僅進行磁性處理，其線膨脹系數(shù)又會變大，從而影響其體積穩(wěn)定性。同時對表3中序號a、b試驗結果進行比較分析發(fā)現(xiàn)，冷卻速率對線膨脹系數(shù)和磁性能的影響作用是相反的，當冷卻速率較慢時，線膨脹系數(shù)會升高，導致合金體積穩(wěn)定性變差，而初始磁導率和飽和磁感應強度會提高，可以提高合金磁性能穩(wěn)定性。所以對于4J36合金而言，要同時保證磁性能和線膨脹系數(shù)合格，則需要在進行磁性處理前保證合金組織為單一奧氏體組織，才能避免在后續(xù)磁性處理時發(fā)生組織變化引起的體積變化，進一步影響線膨脹系數(shù)發(fā)生變化。所以綜合考慮，對于4J36合金的熱處理工藝應選擇固溶+時效+穩(wěn)定+磁性退火。

表3 不同熱處理狀態(tài)下材料磁性能及線膨脹系數(shù)

4 結束語

a. 4J36合金熱處理前后，其組織均為單相奧氏體組織，且均為等軸晶組織，合金組織不隨熱處理工藝改變而改變，但隨溫度升高，其晶粒尺寸變大，并且在組織中出現(xiàn)再結晶晶粒和退火孿晶帶。

b. 4J36合金的冷卻速率對線膨脹系數(shù)和磁性能的影響作用是相反的，當冷卻速率較慢時，線膨脹系數(shù)會升高，導致合金體積穩(wěn)定性變差，而初始磁導率和飽和磁感應強度會提高，可以提高合金磁性能穩(wěn)定性。

c. 4J36合金基體中fcc結構的γ-Fe原子本身就具有鐵磁性，同時其又存在兩種磁有序態(tài)，自旋平行（大體積）和反自旋平行（小體積），隨著加熱溫度升高，原子的振動頻率增大導致原子的振動頻率增大引起體積增加，此時Fe原子變?yōu)榉醋孕叫袪顟B(tài)以抵消熱脹冷縮引起的體積膨脹，合金體積保持不變，所以其具有非常小的熱膨脹系數(shù)。

1 鄭建軍. 超低溫軋制因瓦合金薄帶的組織與力學性能[D]. 沈陽：東北大學，2017

2 石照夏，顏曉峰，段春華，等. 成分與熱處理對4J36合金力學和物理性能的影響[J]. 材料熱處理學報，2014(12)：31～36

3 Sahoo A, Medicherla V.R.R. Fe-Ni Invar alloys: A review[M]. Mater. Today Proc. 2021(43): 2242～2244

4 Yuan Junping, Yi Danqing, Yu Zhiming, et al. Influence of the deformation and heat treatment on the microstructures and properties of Invar alloy[J]. Heat Treat. Met. 2005(30): 50～53

5 Liu Jiang. Application and development of low expansion alloys[J]. Met. Funct. Mater. 2007(14): 33～37

6 Iwase A, Hamatani Y, Mukomoto Y, et al. Anomalous shift of Curie temperature in iron-nickel Invar alloys by high-energy heavy ionirradiation[J]. Nucl. Instrum. Methods B 2003(209): 323～328

7 Matsushima Y, Sun N.Q, Kanamitsu H, et al. Pressure dependence of the irradiation-induced ferromagnetism in Fe-Ni invar alloys[J]. Magn. Magn. Mater. 2006(298):14～18

8 Goria P, Martinez B, Blanco J. A, et al. Neutron powder thermo-diffraction in mechanically alloyed Fe64Ni36 invar alloy[J]. Alloy Compd. 2010, 495: 495～498

9 Homenko, O.A. Origin and specific features of invar anomalies of physical properties: Fe-Ni alloys with an FCC lattice. Phys. Met[J]. Metallogr. 2007, 104, 146～156

10 Shiga M. Invar alloys[M]. Curr. Opin. Solid State Mater. 1996

11 Van S. M, Abrikosov I. A, Johansson B. Origin of the Invar effect in iron-nickel alloys[J]. Nature, 1999(400): 46～49

12 Jiang Xiang, Li Lijuan, Zhai Qijie. Effect of annealing process on microstructure and properties of hot-rolled plate of Fe-36Ni invar alloy[J]. Shanghai Met. 2012(34): 14～18

13 林政，張紹維，吳學仁，等. 低膨脹高溫合金膨脹系數(shù)的物理表征[J]. UntitledDoemueni，1999(l)：l～5

14 龍毅，周蘭. 鈷、銅元素含量對超因瓦合金磁性溫度穩(wěn)定性的影響[J].功能材料，1999，30(l)：21～23

15 齊鳳秦. 因瓦合金的磁學性能研究(二)[D]. 大連：大連理工大學，1999

16 齊鳳秦. 環(huán)境溫度對因瓦合金的磁性能的影響[D]. 大連：大連理工大學，1999

17 唐龍英，胡來林. 熱處理方式對Fe基和Fe-Ni基非晶態(tài)合金磁學性能影響的研究[J]. 安徽師范大學學報，2001(l)：27～30

18 袁均平. 變形及熱處理對因瓦合金組織與性能的影響[D]. 湖南：中南大學，2005

19 Huang Lin, Zhou Yongjian, Guo Tingwen, et al. Investigation of temperature-dependent magnetic properties and coefficient of thermal expansion in invar alloys[J]. Materials 2022(15): 1504

20 鄭建軍. 超低溫軋制因瓦合金薄帶的組織與力學性能[D]. 沈陽：東北大學，2017

Effect of Heat Treatment on Linear Expansion Coefficient and Magnetic Properties of 4J36 Alloy

Tong Xiongwei Zhang Kaiwang Shi Xintai Zhao Mikai Cui Kaifei Xu Yun Sun Chenglin

(Xi’an Aerospace Times Precision Electromechanical Co., Ltd., Xi’an 710100)

The magnetic properties and expansion properties of magnetic permeable materials have great influence on the stability of quartz flexible accelerometer. The effects of different heat treatment processes on the magnetic properties and linear expansion coefficient of 4J36 alloy were studied by magnetic tester and optical dilatometer. The results show that the alloys are all austenitic structures under different heat treatment processes. The effect of cooling rate on the linear expansion coefficient and magnetic properties is opposite. When the cooling rate is slow, the linear expansion coefficient becomes larger, and the initial permeability and saturation magnetic induction strength of the alloy will increase, and the magnetic properties of the alloy will increase. Based on the microstructure and properties of the alloy under different heat treatment conditions, it is found that the stability and uniformity of the alloy microstructure avoid the volume change caused by the microstructure transformation and ensure the stability of the linear expansion coefficient. In addition, the motion state of Fe atoms and the magnetostriction in the process of spontaneous magnetization also ensure the stability of the linear expansion coefficient of the alloy. The main factors affecting the magnetic properties are the holding time and cooling rate. When the holding time is extended and the cooling rate is reduced, the magnetic properties are improved. Overall consideration, the heat treatment process of 4J36 alloy should choose solution + aging + stabilization + magnetic annealing.

4J36 alloy；heat treatment；magnetic energy；linear expansion coefficient

TG132.11；V462

A

國家自然科學基金（61075030）。

仝雄偉(1996)，碩士，材料科學與工程專業(yè)；研究方向：金屬材料熱處理及磁性處理及研究。

2023-05-19