高強度彈簧鋼磁滯性能研究

高蔚

摘 要 一種異形部件采用高強度彈簧鋼制造，其具備優良的力學性能和較高的屈強比，可以滿足部件在高應力下的工作要求，同時還具備磁滯性能，可以實現特定的能量轉換功能。為適應新一代產品的要求，需要磁滯性能提高20%以上。本文研究了成分優化、軋制工藝、熱處理工藝對材料磁滯性能的影響，通過在高強度彈簧鋼基礎上優化成分添加鉻，提高材料的磁硬化程度;在熱處理前增加冷軋變形量，提高矩形比Br/Bs和凸起系數Kμ;通過延長回火時間，提高矯頑力Hc和比磁滯損耗Pμ;通過增加回火溫度，提高凸起系數Kμ。工藝優化后，比磁滯損耗Pμ達到10.13KJ/m3，提高23.8%，凸起系數Kμ達到0.75，提高22.9%。

關鍵詞 彈簧鋼;熱處理;磁滯性能

中圖分類號： TG142.1;TG306? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼： A

AbstractA component of a particular shape is made of high strength spring steel，it needs to have good mechanical properties and higher yield ratio，it can meet the requirement of parts working under high stress.And it needs to have good hysteresis performance.To meet the design requirements of the new product， high strength spring steel needs to improve its hysteresis performance，including Pμ and Kμ.This paper studies the effdct of composition optimization ，rolling process and heat treatment process on materical properties.High strength spring steel improve the magnetic hardning degree of the material? by adding Cr. Br/Bs and Kμ are improved by increasing the cold rolling deformation.Hc and Pμ are improved by extending the tempering time.Kμ is improved by raising the tempering temperature.Using adding 0.1% Cr，60% cold rolling deformation and tempering process 480℃×2h，Pμof? high strength spring steel is 10.13KJ/m3，23.8% higher than before， and Kμis 0.75，22.9 % higher than before.

Key WordsSpring steel;Heat treatment process;Hysteresis performance

0 前言

一種異性部件采用高強度彈簧鋼制造，在實際工況下需要材料具備良好的磁滯性能來實現部件特定的能力轉換功能。為適應新一代產品的要求，對材料的磁滯性能提出了更高要求，需要提高材料最大磁導率點的比磁滯損耗Pμ和凸起系數Kμ。本文通過成分優化，再結合冷軋工藝和熱處理工藝優化，提高材料的磁滯性能。

1 試驗材料及方法

1.1 試驗材料

試驗所用的高強度彈簧鋼通過750kg非真空感應爐進行熔煉，澆鑄成180mm的圓坯后先鍛成方坯，再鍛成32mm×100mm的扁坯，通過熱軋將扁坯軋成3mm×100 mm的帶坯。高強度彈簧鋼添加強碳化物形成元素鉻，材料化學成分見表1。

1.2 試驗方法

1.2.1 冷軋工藝試驗

3mm×100mm帶坯經軟化退火及酸洗修磨后，采用不可逆式二輥冷軋機進行冷軋，制成冷軋變形量為40%和60%的帶材。

1.2.2 熱處理工藝試驗

將冷軋帶材截成適當尺寸，在其表面涂抹抗氧化涂料進行熱處理。使用SX-G36123型節能箱式電爐進行淬火，淬火冷卻液為普通淬火油，采用井式回火爐進行回火，回火后空冷。

1.2.3 磁滯性能測試

將熱處理后的帶材加工成外徑Φ40mm，內徑Φ30mm，厚度1mm的試樣，在軟磁直流磁性能測試系統進行測試，檢測按GB/T 13012-2008《軟磁材料直流磁性能的測量方法》規定進行。

2 試驗結果與分析

2.1 添加Cr對材料飽和磁感應強度Bs和矯頑力Hc的影響

磁性材料的磁滯回線圖如圖1所示，比磁滯損耗Pμ是磁滯回線所包圍的面積的大小，它表征單位體積材料在一個完整的磁化周期所引起的磁滯損耗。凸起系數Kμ是磁滯回線面積與包圍磁滯回線矩形的面積的比值，代表磁滯回線的方形度。從磁滯回線來看，材料的飽和磁感應強度Bs、剩余磁感應強度Br和矯頑力Hc越大，該材料所構成的磁滯回線面積越大，那么所對應的比磁滯損耗Pμ也越高，磁滯回線越接近于矩形，則所對應的凸起系數Kμ也越高。

高強度彈簧鋼通過回火后形成鐵素體+滲碳體的雙相組織結構，Cr是碳化物形成元素，添加Cr可以通過一定的工藝形成更多細小碳化物析出相，對在相內移動的磁疇疇壁形成阻力，從而提高材料的磁硬化程度。

表2是成分優化前后的磁滯性能對比，兩者采用相同的回火的工藝，回火溫度為440℃，回火時間為1小時。可以看到兩者的磁飽和強度Bs基本相同，優化后材料的矯頑力Hc比優化前高40A/m，比磁滯損耗Pμ提高0.43 KJ/m3。

磁感應強度Bs主要取決于材料的化學成分及晶體結構[1]。材料的化學成分只進行了微調，因此材料的磁飽和強度Bm基本不會變化。通過添加Cr元素，在鐵素體相上形成更多的析出相，這些析出相使基體產生很多的晶界和位錯，同時析出相本身的形成造成更大的內應力，對疇壁位移形成阻力，從而提高材料的矯頑力Hc。綜合對材料的飽和磁感應強度Bs和矯頑力Hc兩方面的影響來看，添加Cr有利于比磁滯損耗Pμ的提高。

2.2 延長回火時間對材料比磁滯損耗Pμ的影響

要想提高材料的比磁滯損耗Pμ，主要的方向是提高材料的矯頑力Hc。要想提高矯頑力Hc，只有通過磁疇的疇壁釘扎來實現。疇壁釘扎[2]是材料中的第二相質點對在第一相內移動的磁疇疇壁的阻力作用。阻力越大，疇壁移動越困難，材料的磁硬化程度就越高。第二相質點的位置、形狀、大小均是影響疇壁釘扎阻力大小的重要因素。根據這個理論，通過延長回火時間，使析出相充分長大，形成不有利于磁疇移動的環境。

通過表3可以看出，回火時間延長到2小時后的矯頑力Hc明顯增大，與延長回火時間之前相比提高206A/m，比磁滯損耗Pμ提高1.53KJ/m3。如圖2所示，在保持材料飽和磁感應強度Bs的前提下，實現了材料Hc大幅度的提高，進而提高了材料的比磁滯損耗Pμ。

2.3 增加冷軋變形量對材料矩形比Br/Bs和凸起系數Kμ的影響

為了提高凸起系數Kμ，需要在有限大的矩形內盡可能地撐大磁滯回線的面積。其本質的物理過程分為兩個部分。在圖形的一、三象限，要使材料具有某種織構，造成磁矩一定程度的取向性，增大矩形比Br/Bs。在圖形的二、四象限，要使材料內部產生較大的疇壁釘扎作用，造成磁壁移動的困難，使曲線的轉折點趨近于Hc。

為了增加矩形比Br/Bs，可通過在材料的熱處理之前的冷軋加工來實現。原冷軋工藝采用的是變形量40%，結合材料實際狀態和冷軋機工作能力采用60%變形量進行冷軋。兩種冷軋變形量的材料經熱處理后的磁滯性能如表4所示，可以看到新型材料在冷軋變形量為60%時的Br/Bs明顯提高，因而Kμ也明顯增大。

增加冷軋變形量的目的是為了在熱處理前形成一個理想的原始狀態，使材料在淬火后得到更加明顯的結晶織構和磁取向性，在回火后得到更有利于產生疇壁釘扎的析出狀態。

2.4 提高回火溫度對材料凸起系數Kμ的影響

提高Kμ要求疇壁釘扎作用發生的時間要早一些，效果要好一些，這就需要材料內部的組織結構更加符合理論的要求。根據金屬學原理，回火溫度決定析出相的形核率和長大率[3]。通過控制回火溫度來調節析出相的形核率和長大率的大小，可以間接控制析出相顆粒的數量和尺度。

將回火溫度提高到480℃，如表5所示，提高回火溫度后材料的Kμ明顯增加。從圖3中磁滯回線在二、四象限的轉折點可以看到，提高回火溫度后，磁滯回線在圖形的二、四象限有明顯突起，這是Kμ增加的主要原因。

3 結論

高強度彈簧鋼通過優化化學成分添加Cr元素，提高材料的磁硬化程度。

通過高強度彈簧鋼熱處理前增加冷軋加工的變形量，提高材料的矩形比Br/Bs和凸起系數Kμ;通過延長回火時間，提高材料的矯頑力Hc和比磁滯損耗Pμ;通過增加回火溫度，提高材料的凸起系數Kμ。

高強度彈簧鋼添加Cr元素0.1%，冷軋變形量采用60%，回火工藝采用480℃×2h，材料的比磁滯損耗Pμ可以達到10.13KJ/m3，提高23.8%，凸起系數Kμ達到0.75，提高22.9%。

參考文獻

[1]孫光飛，強文江.磁功能材料. 北京：化學工業出版社，2006：7-8.

[2]鐘文定.鐵磁學.北京：科學出版社，1987.

[3]余永寧.金屬學原理.北京：冶金工業出版社，2000.