CN108677000B - 一种合金钢等温磁致硬化的方法 - Google Patents

一种合金钢等温磁致硬化的方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种合金钢等温磁致硬化的方法，包括如下步骤：⑴被处理材料准备，合金钢原料在真空感应熔炼炉和真空自耗电弧炉冶炼后制成钢锭，高温锻压成圆棒，将圆棒加热至1323K，保温0.5h后冷却至室温；⑵室温显微硬度测试，载荷为1.862N（0.2kgf）；⑶降温至240K～280K，对合金钢施加外磁场，恒温下磁场强度从0Oe增加至60000Oe～160000Oe，再降为0Oe，磁场的变场速率为150～200Oe/s；⑷升温至室温，测定处理后的合金钢的室温显微硬度。合金钢为0.22C‑18.8Co‑13.5Cr‑6.2Mo合金钢。本发明将合金钢材奥氏体化后在气体介质中冷却到室温300K以下，通过改变施加的最大磁场强度，实现马氏体体积分数和合金钢的硬度调控，合金钢产生显著的硬化效果。

Description

一种合金钢等温磁致硬化的方法
技术领域
本发属于金属改性处理技术领域，涉及一种合金钢的改性技术，具体涉及一种合金钢等温磁致硬化的方法。
背景技术
钢的传统淬火是将钢加热至Ac3（亚共析钢）或Ac1（过共析钢）以上并保温一段时间，使之全部或部分奥氏体化，然后快冷（大于临界冷却速度）至马氏体转变起始温度产生马氏体转变，从而提高钢的硬度，改善其力学性能。高合金钢淬透性高，传统淬火介质一般为油。众所周知，钢件淬火过程中，在热应力和组织应力的联合作用下变形量较大，容易造成尺寸不合格、严重时甚至开裂等缺陷而报废，合格率降低，造成经济损失。另外油淬会产生油烟、固体粉尘、CO、CO2、H2S和油蒸气等有害气体对大气环境和工作环境造成污染，危险系数增加，存在不安全隐患，同时影响工人的身体健康。
附加磁场可以轻微促进某些钢材在传统快冷淬火时奥氏体向马氏体的转变，而实际上对这些钢材硬度的影响很小，难以具备工程使用价值，通常忽略不计。在等温条件下通过单独对钢材施加磁场，激发大量马氏体相变并明显增加钢材的硬度方面，尚未见报道。一方面是由于过去技术上的原因，不能够提供足够激发相变的高强磁场，另一方面，是没有生产出或发现成分适宜的具有等温磁致硬化效应特征的合金钢。
发明内容
本发明的目的是提供一种合金钢等温磁致硬化的方法，通过对合金钢低温磁场处理，促使合金钢由奥氏体相向马氏相体转变，产生磁致硬化效应，改善合金钢的力学性能，优化合金钢处理工艺。
本发明的技术方案是：合金钢等温磁致硬化的方法，包括如下步骤：
⑴被处理材料准备，合金钢原料在真空感应熔炼炉和真空自耗电弧炉冶炼后制成的钢锭，高温锻压成圆棒，将圆棒加热至1323K，保温0.5h后气体介质中冷却至室温；切割成规格为10mm×15mm×2mm的对比样品用于X-射线衍射相定量对比分析马氏体含量；
⑵室温下显微硬度测试，载荷为1.862N（0.2kgf）；
⑶降温至240K～280K，对合金钢施加外磁场，恒温下磁场强度从0Oe增加至60000Oe～160000Oe，再降为0Oe；磁场的变场速率为150～200Oe/s；
⑷升温至室温，测定处理后的合金钢的室温显微硬度。
合金钢为0.22C-18.8Co-13.5Cr-6.2Mo合金钢，其它组分合金钢进行合金钢等温磁致硬化也属于本发明的保护范围。原料合金钢的冷却为气冷，冷却介质为空气、氮气或氩气。
马氏体含量的确定：钢中奥氏体相是顺磁性的（小且正的磁化率），马氏体相是铁磁性的（大且正的磁化率）。对于仅有奥氏体相和马氏体相两相存在的钢的微结构中，在恒定室温（300K）下，作为施加同等磁场强度（20000Oe）测得的饱和磁化强度值MS将与钢中存在的马氏体含量（体积分数）成比例。根据GB 8362-1987 规定的钢中残余奥氏体定量测定X射线衍射仪法，对冷态圆棒中线切割成规格为10mm×15mm×2mm的样品进行XRD分析，测得钢中马氏体含量（体积分数）。利用等温磁致硬化处理过程测得的M-H曲线，可得到样品相应不同状态下的饱和磁化强度值MS，通过计算得到合金钢在不同状态下的马氏体含量（体积分数）。
通过等温磁致硬化处理前后马氏体相体积含量的比较表明，处理前合金钢钢中马氏体体积分数少（13.0%），硬度较低（302HV0.2）。经过稍低于室温的等温外加磁场工艺处理，马氏体体积分数明显上升（＞50%），其硬度显著提高（＞480HV0.2）。通过改变施加的最大磁场强度，实现马氏体体积分数和合金钢的硬度调控。随着等温外加磁场工艺处理温度逐渐降低，热致硬化在硬度增强中的作用逐渐加大，等温磁致硬化仍可以进一步提高硬度。在实际生产中，采用空冷至室温再经低于室温的等温外加磁场对合金钢进行磁致硬化处理，代替传统油冷淬火工艺切实可行。
本发明合金钢等温磁致硬化的方法，将合金钢钢材奥氏体化后在气体介质中冷却到室温300K以下，采用等温外加磁场的方法，使合金钢产生显著的硬化效果。处理过程中仅存在组织应力变化，没有外界温度变化和热应力形成，预期合金钢制作的工件总体变形量小，尺寸更易控制，产品合格率会提高。实施本发明避免了传统油淬时产生的污染，改善了工作环境质量，提升了工作安全系数。
附图说明
图1为1号样品恒温300K升场0-20000OeM-H的曲线；
图2为1号样品的M-T曲线
图3为1号样品的恒温280K升降场（0-90000Oe）的M-H曲线；
图4为2号样品恒温300K升场0-20000Oe的M-H曲线；
图5为2号样品的M-T曲线；
图6为2号样品的恒温260K升降场（0-90000Oe）的M-H曲线；
图7为3号样品恒温300K升场0-20000Oe的M-H曲线；
图8为3号样品的M-T曲线；
图9为3号样品的恒温240K升降场（0-90000Oe）的M-H曲线。
具体实施方式
下面结合实施例和附图对本发明进行详细说明。本发明保护范围不限于实施例，本领域技术人员在权利要求限定的范围内做出任何改动也属于本发明保护的范围。
以下实施例中的单位说明：磁场强度单位：1T=10000Oe；1Oe=79.6×A/m；磁化强度单位：1emu=10-3×A×m2，1emu/g=1A×m2/kg。
本发明合金钢等温磁致硬化的方法，包括如下步骤：
⑴被处理材料准备，合金钢原料在真空感应熔炼炉和真空自耗电弧炉冶炼后制成的钢锭，高温锻压成圆棒，将圆棒加热至1323K，保温0.5h后空气中冷却至室温；从圆棒中用线切割法切出3个直径3.5mm，长度4mm的圆柱形样品备用，分别为1号样品、2号样品和3号样品。切割成规格为10mm×15mm×2mm的对比样品用于X-射线衍射相定量对比分析马氏体含量。合金钢为0.22C-18.8Co-13.5Cr-6.2Mo合金钢；
⑵室温下显微硬度测试，载荷为1.862N（0.2kgf）；
⑶降温至240K～280K，对合金钢施加外磁场，恒温下磁场强度从0Oe增加至60000Oe～160000Oee，再降为0Oe，磁场的变场速率为150～200Oe/s；
⑷升温至室温，测定处理后的合金钢的室温下显微硬度。
合金钢等温磁致硬化处理采用借助综合物性测量系统及振动样品磁强计（PPMS-VSM，Quantum Design公司生产，型号：PPMS-16）进行处理，提供精确控制的温度和磁场实验环境。
实施例1
取1号样品，安装到PPMS系统的振动样品磁强计上，进行280K的等温外加磁场处理，外加的最大外磁场强度为9T，变场速率为160Oe/s，具体步骤如下：
1）在恒定300K温度下，对1号样品施加磁场，以160Oe/s变场速率从0Oe升至20000Oe进行恒温升场，同时测量磁场强度对应的磁化强度变化，得到M-H曲线，见图1中a1曲线；
2）在恒定20000Oe的磁场强度下，测量温度从300K降至 280K，得到M-T曲线，见图2中a1曲线；再从 280K升至300K的磁化强度变化，得到M-T曲线，见图2中b1曲线；
3）在恒定300K温度下，对步骤2）280K降温处理后的1号样品施加磁场，以160Oe/s变场速率从0Oe升至20000Oe进行恒温升场，同时测量磁场强度对应的磁化强度变化，得到M-H曲线，见图1中b1曲线；
4）降温至280 K，在280K恒温下对1号样品施加磁场，以160Oe/s变场速率从0Oe升至90000Oe进行恒温升场，同时测量磁场强度对应的磁化强度变化，得到M-H曲线，见图3中升场曲线；在280K恒温下，对1号样品以160Oe/s变场速率从90000Oe降至0Oe进行恒温降场，得到M-H曲线，见图3中降场曲线；
5)在恒定20000Oe的磁场强度下，测量温度从 280K升至300K的磁化强度变化，得到M-T曲线，见图2中c1曲线；
6）在恒定300K温度下，对经过步骤4）280 K磁场处理后的1号样品施加磁场，以160Oe/s变场速率从0Oe升至20000Oe进行恒温升场，同时测量磁场强度对应的磁化强度变化，得到M-H曲线，见图1中c1曲线。
降温280K处理前、后以及恒定280K 下最大90000Oe的磁场强度处理后进行室温显微硬度测试，载荷为1.862N（0.2kgf）。
图1是1号样品在在恒定300K温度下升场（0-20000Oe）M-H曲线，即：磁场强度（单位：79.6×安培/米）与磁化强度（单位：安培×米2/千克）的关系曲线。样品在20000Oe均已达到磁饱和状态，其相应的饱和磁化强度值MS可用作相定量分析的原始数据使用。由图1中a1 、b1和c1 M-H曲线，可得到外加磁场处理前后的饱和磁化强度值，A1点为1号样品在280K降温处理前的饱和磁化强度值，B1点为1号样品在280K降温处理后的饱和磁化强度值，C1点为恒定280K下外加磁场90000Oe处理后的饱和磁化强度值，将3个值列入表1。
图2为在恒定20000Oe的磁场强度下测量温度变化与磁化强度之间关系的M-T曲线图。a1为由300K降至280K的曲线，b1为由280K升至300K的曲线，两条曲线重合，说明温度300K降至280K，温度降低没有激发合金钢样品的马氏体相变。图2中a1和b1曲线表明，在相同强度的磁场作用下，磁化强度仅随温度发生微小的可逆变化，没有不可逆马氏体相变发生。c1是合金钢1号样品经过280K低温外加磁场处理过后的M-T曲线。磁化强度远高于未经低温外加磁场处理过的磁化强度，说明280K外加磁场处理后，不可逆马氏体相变使合金钢的磁致硬化性能稳定。
由步骤4）测得的M-H曲线见图3，在恒温升、降场处理时曲线不重合，是发生马氏体相变和磁致硬化效应的直接证据。M-H升场曲线在20000-50000Oe时趋近水平，已达到磁饱和状态，但从约50000Oe开始至90000Oe，曲线出现迅速上翘，显示发生了进一步马氏体相变使钢中马氏体含量明显增加。外加磁场处理前后测试的室温显微硬度硬度值列入表1。磁致硬化使钢的硬度由302HV0.2提高到505HV0.2，硬化效果十分明显。
马氏体含量的确定：对于拟低温外加磁场处理的合金钢，从冷却后圆棒中线切割成规格为10mm×15mm×2mm的样品，采用GB 8362-1987 钢中残余奥氏体定量测定 X射线衍射仪法进行XRD分析，测得钢中马氏体体积百分数为13.0%。由上述步骤1）测得的图1（a1曲线）中的A1点值为18.7emu/g，计算得到该钢种100％马氏体在300K、20000Oe时的饱和磁化强度为143.8emu/g。进而计算得到钢在C1点的马氏体含量为62.1%，结果列入表1。
表1.1号样品的测定数据
实施例2
取2号样品，安装到PPMS系统的振动样品磁强计上，进行260K等温外加磁场处理，外加的最大外磁场强度为9T，变场速率为160Oe/s，具体步骤如下：
1）在恒定300K温度下，对2号样品施加磁场，以160Oe/s变场速率从0Oe升至20000Oe进行恒温升场，同时测量磁场强度对应的磁化强度变化，得到M-H曲线，见图4中a2曲线；
2）在恒定20000Oe的磁场强度下，测量温度从300K降至 260K，再从 260K升至300K的磁化强度变化，得到M-T曲线，见图5中a2和b2曲线；
3）在恒定300K温度下，对2号样品施加磁场，以160Oe/s变场速率从0Oe升至20000Oe进行恒温升场，同时测量磁场强度对应的磁化强度变化，得到M-H曲线，见图4中b2曲线；；
4）降温至260 K，在260K恒温下对2号样品施加磁场，以160Oe/s变场速率从0Oe升至90000Oe进行恒温升场，同时测量磁场强度对应的磁化强度变化，得到M-H曲线，见图6中升场曲线；在260K恒温下，对2号样品以160Oe/s变场速率从90000Oe降至0Oe进行恒温降场，得到M-H曲线，见图6中降场曲线；
5）在恒定20000Oe的磁场强度下，测量温度从260K升至300K的磁化强度变化，得到M-T曲线，见图5中c2曲线;
6）在恒定300K温度下，对经过步骤4）260 K磁场处理的2号样品施加磁场，以160Oe/s变场速率从0Oe升至20000Oe进行恒温升场，同时测量磁场强度对应的磁化强度变化，得到M-H曲线，见图4中c2曲线。
降温260K处理前、后以及恒定260K 下最大90000Oe的磁场强度处理后进行室温显微硬度测试，载荷为1.862N（0.2kgf）。
图4是2号样品在260K降温处理和外加磁场90000Oe处理前后，300K恒温0-20000Oe磁场升场的M-H曲线，即：磁场强度与磁化强度的关系曲线。样品在20000Oe均已达到磁饱和状态，其相应的饱和磁化强度值MS可用作相定量分析的原始数据使用。由图4中a2、b2和c2M-H曲线，可得到外加磁场处理前后的饱和磁化强度值，A2点为2号样品在260K降温处理前的饱和磁化强度值，B2点为2号样品在260K降温处理后的饱和磁化强度值， C2点为恒定260K下外加磁场处理后的饱和磁化强度值，将3个值列入表2。
由步骤4）测得的M-H曲线见图6，在恒温升、降场处理时曲线不重合，说明2号样品260K恒温施加90000Oe磁场后合金钢的硬度变化不可逆，是发生马氏体相变和磁致硬化效应的直接证据。M-H升场曲线在20000-50000Oe时趋近水平，已达到磁饱和状态，但从约50000Oe开始至90000Oe，曲线出现迅速上翘，显示发生了进一步马氏体相变使钢中马氏体含量明显增加。外加磁场处理前后测试的室温显微硬度硬度值列入表2。磁致硬化使钢的硬度由466HV0.2提高到549HV0.2，硬化效果较明显。
马氏体含量的确定：对于拟低温外加磁场处理的合金钢，从冷却后圆棒中线切割成规格为10mm×15mm×2mm的样品，采用GB 8362-1987 钢中残余奥氏体定量测定 X射线衍射仪法进行XRD分析，测得钢中马氏体体积百分数为13.0%。由上述步骤1）测得的图4（a2曲线）中的A2点值为18.7emu/g，计算得到该钢种100％马氏体在300K、20000Oe时的饱和磁化强度为143.8emu/g。进而计算得到钢在其他处理状态的马氏体含量，结果列入表2。
由图4、图5和表2可见，A2点、B2点相应状态钢的饱和磁化强度值分别为18.7emu/g和80.2emu/g，表明在300K至260K降温过程中有热致相变发生。在300K至275K降温过程中没有相变发生，这是因为该钢空冷后放置而产生了奥氏体热稳定化，使马氏体转变迟滞。热致相变发生在275K至260K降温过程中。热致硬化使钢的硬度由302HV0.2提高到466HV0.2，因此，一定程度限制了后续磁致硬化效果的发挥。
表2. 2号样品的测定数据
样品2 硬度 /（HV<sub>0.2</sub>） 饱和磁化强度M<sub>S</sub>/（emu/g） 马氏体体积分数/（%）
A<sub>2</sub>点 302 18.7 13.0
B<sub>2</sub>点 466 80.2 55.8
C<sub>2</sub>点 549 101.0 70.2
实施例3
取3号样品，安装到PPMS系统的振动样品磁强计上，进行240K等温外加磁场处理，外加的最大外磁场强度为9T，变场速率为160Oe/s，具体步骤如下：
具体步骤如下：
1）在恒定300K温度下，对3号样品施加磁场，以160Oe/s变场速率从0Oe升至20000Oe进行恒温升场，同时测量磁场强度对应的磁化强度变化，得到M-H曲线，见图7中a3曲线；
2）在恒定20000Oe的磁场强度下，测量温度从300K降至 240K，再从 240K升至300K的磁化强度变化，得到M-T曲线，见图8中a3、b3曲线；
3）在恒定300K温度下，对3号样品施加磁场，以160Oe/s变场速率从0Oe升至20000Oe进行恒温升场，同时测量磁场强度对应的磁化强度变化，得到M-H曲线，见图7中b3曲线；
4）降温至240K，在240K恒温下对3号样品施加磁场，以160Oe/s变场速率从0Oe升至90000Oe进行恒温升场，同时测量磁场强度对应的磁化强度变化，得到M-H曲线，见图9中升场曲线；在240K恒温下，对3号样品以160Oe/s变场速率从90000Oe降至0Oe进行恒温降场，得到M-H曲线，见图9中降场曲线；
5）在恒定20000Oe的磁场强度下，测量温度从240K升至300K的磁化强度变化，得到M-T曲线，见图8中c3曲线;
6）在恒定300K温度下，对经过步骤4） 240K磁场处理的3号样品施加磁场，以160Oe/s变场速率从0Oe升至20000Oe进行恒温升场，同时测量磁场强度对应的磁化强度变化，得到M-H曲线，见图7中c3曲线。
降温240K处理前、后以及恒定240K 下最大90000Oe的磁场强度处理后进行室温显微硬度测试，载荷为1.862N（0.2kgf）。
图7是3号样品在240K降温处理和外加磁场90000Oe处理前后，300K恒温0-20000Oe磁场升场的M-H曲线。由图7中a3、b3和c3M-H曲线，可得到外加磁场处理前后的饱和磁化强度值，A3点为3号样品在240K降温处理前的饱和磁化强度值，B3点为3号样品在240K降温处理后的饱和磁化强度值， C3点为恒定240K下外加90000Oe的磁场处理后的饱和磁化强度值，将3个值列入表3。
由图7、图8和表3可见，A3点、B3点相应状态下钢的饱和磁化强度值分别为18.7emu/g和102.1emu/g，表明在300K至240K降温过程中有热致相变发生。在300K至 275K降温过程中没有相变发生，这是因为该钢空冷后放置而产生了奥氏体热稳定化，使马氏体转变迟滞。热致相变发生在275K至240K降温过程中。热致硬化使钢的硬度由302HV0.2提高到551HV0.2，从而限制了后续磁致硬化效果的充分发挥。由图7～图9的C3点较B3点相比，相应状态钢的饱和磁化强度值和马氏体体积分数均有提高，对应于磁致硬化。
由图9可见，在恒温升、降场处理时曲线不重合，是发生马氏体相变和磁致硬化效应的直接证据。M-H升场曲线在20000-50000Oe时趋近水平，已达到磁饱和状态，但从约50000Oe开始至90000Oe，曲线出现明显上翘，显示发生了进一步马氏体相变使钢中马氏体含量明显增加。磁致硬化使钢的硬度由551HV0.2提高到565HV0.2，硬化效果较明显。
表3.3号样品的测定数据
样品3 硬度 /（HV<sub>0.2</sub>） 饱和磁化强度M<sub>S</sub>/（emu/g） 马氏体体积分数/（%）
A<sub>3</sub>点 302 18.7 13.0
B<sub>3</sub>点 551 102.1 71.0
C<sub>3</sub>点 565 115.4 80.3

Claims (2)

1.一种合金钢等温磁致硬化的方法，所述合金钢为0.22C-18.8Co-13.5Cr-6.2Mo合金钢；其特征是：所述方法包括如下步骤：
⑴被处理材料准备，合金钢原料在真空感应熔炼炉和真空自耗电弧炉冶炼后制成的钢锭，高温锻压成圆棒，将圆棒加热至1323K，保温0.5h后冷却至室温；
⑵室温下显微硬度测试，载荷为1.862N；
⑶降温至240K～280K，对合金钢施加外磁场，恒温下磁场强度从0Oe增加至50000Oe～160000Oe，再降为0Oe；所述磁场的变场速率为150～200Oe/s；
⑷升温至室温，测定处理后的合金钢的室温显微硬度。
2.根据权利要求1所述的合金钢等温磁致硬化的方法，其特征是：所述合金钢原料的冷却为气冷，冷却介质为空气、氮气或氩气。
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