提高低碳鋼磁性能的球化退火工藝試驗

章建軍， 莊曉偉， 湯曉峰

(江蘇龍城精鍛有限公司， 江蘇 常州 213164)

作為磁性材料使用時低碳鋼由于碳含量和雜質含量較多，其磁性能比電工純鐵而言有所不足，但由于價格便宜、冶煉方便、力學性能較好等優勢，在某些應用領域仍有廣泛用途，如汽車發電機爪極、繼電器、電磁離合器等[1-2]。由于低碳鋼多是被用作結構材料，長期以來有關其磁性退火等方面的研究較薄弱，研究文獻也少，因此對低碳鋼磁性熱處理做進一步的研究以豐富其理論及工藝的內容仍有較大的實用價值。

電工純鐵熱處理的目的是希望獲得較大晶粒提高磁性能[3-7]，所以其熱處理工藝多采用900 ℃以上的溫度進行退火[8-13]。低碳鋼磁性零件的熱處理也采取了與此類似的工藝，常用退火溫度一般在900 ℃以上[1-2,8]，工藝時間也較長，有的長達14 h以上。這種工藝得到的磁性能也確實較好，比鍛后空冷不退火或鍛后緩冷工藝的磁性能高出10%～20%，但該工藝能耗高、工時長，這與當前環保節能的大趨勢不相適應。本文探索了用低能耗、高效率的球化退火工藝來代替完全退火工藝，使鍛后空冷組織中的滲碳體形貌得以優化，經過球化退火后在磁性能上也能達到完全退火工藝的要求，在提高生產效率和降低能耗方面都取得了明顯的效益。

1 試驗材料及方法

試驗材料為08鋼熱軋棒料，其化學成分(質量分數，%)為0.05～0.07C、0.17～0.37Si、0.35～0.65Mn、≤0.035S、≤0.035P。棒料經熱鍛成形后空冷，鍛件分別按該產品原熱處理常規工藝(完全退火)和新工藝(球化退火)進行相應熱處理后加工成磁環，原工藝和新工藝的熱處理曲線見圖1(a，b)。熱處理設備型號為SX2-5-12GJ箱式爐。磁環幾何尺寸φ42 mm×φ32 mm×4 mm，如圖2所示。采用MATS-2010SD磁性材料分析儀測量各磁環的磁通量并進行對比。用Axio Vert.A1光學顯微鏡觀察組織的變化。

圖1 完全退火和球化退火工藝曲線Fig.1 Process curves of the complete annealing and spheroidizing annealing

圖2 磁環形狀及尺寸Fig.2 Shape and size of the magnetic ring

2 試驗結果與討論

由圖1曲線可見，原工藝在奧氏體區進行了較高溫度的長時間保溫，保溫時間為2.7 h，加熱溫度高達920 ℃，該溫度已經超過了低碳鋼的Ac3溫度[14-15]，材料發生相變，已經完全轉變為奧氏體，屬于完全退火。在奧氏體區保溫2.7 h后是長時間的緩冷過程，以50～55 ℃/h的速度緩冷到500 ℃左右后風冷降溫，工藝總時長為13.5 h。球化退火處理不再加熱到完全奧氏體區，而是加熱到700 ℃左右，只讓材料發生滲碳體的球化和碎裂，不發生基體的相變，這樣新工藝的溫度就比原工藝低了220 ℃左右。在該溫度保溫3～4 h，然后隨爐緩冷到600 ℃，出爐空冷，整個工藝的時間為6～7 h，遠遠低于原先完全退火工藝的時長，省時超過一半，降低能耗也在1/2左右，在節能省時方面有很大優勢。

磁性能試驗結果見表1。從試驗結果看，球化退火工藝得到的磁性能與完全退火工藝相比基本一致，達到了相同水平。對比兩種工藝所得基體中的滲碳體，尤其是三次滲碳體形貌(如圖3所示)，二者有明顯不同，完全退火工藝得到的基體組織中，三次滲碳體呈較完好的片狀分在晶界上，滲碳體片的面積占所處晶界的相當部分，該處滲碳體片將相鄰晶粒分隔開來。而經過球化退火后，基體組織中的三次滲碳體已經碎裂并球化，不再是連續的片狀，相鄰晶粒之間有部分面積直接相連而未被分隔。

表1 08鋼完全退火與球化退火后的磁性能

圖3 08鋼不同工藝退火后的顯微組織對比(a)完全退火;(b)球化退火Fig.3 Comparison of microstructure of the 08 steel annealed with different processes(a) complete annealing; (b) spheroidizing annealing

完全退火后的低碳鋼磁性能優于鍛后空冷件的主要原因在于經歷了再一次的退火相變過程[1-2]，且退火速度較慢，使組織接近于平衡態組織，鐵素體結晶較完善，基體組織內部缺陷減少，點陣畸變也隨之下降，磁性能因而得到提升。

而球化退火后的組織由于沒有經過再一次的相變過程，其組織結晶完善程度、點陣畸變程度等方面都要次于完全退火工藝，但仍然獲得了相同的磁性能，經過分析認為，其主要原因在于二者組織中的滲碳體尤其是三次滲碳體的形貌不同，原因如下：滲碳體相比于鐵素體是磁的不良導體，其磁導率較低而矯頑力較高[1-2,7]，由此推斷成片而連續的三次滲碳體片將晶粒隔斷的同時，也使原本通暢的磁路受到阻塞，當磁力線流過整個零件時會穿過許多三次滲碳體片，也因此會受到多處阻塞。滲碳體片的這種阻塞作用使得零件的磁阻增大，磁性能降低。而經過球化退火后，原先成片狀分布的三次滲碳體碎裂并球化，又由于奧斯瓦爾德熟化效應使得三次滲碳體獨立個體數量減少而體積增大，進一步降低了阻塞面積，原先被滲碳體片隔斷的晶粒可以直接接觸而使磁路通暢，使零件的總體磁阻下降，這使得鍛后空冷又經球化退火的材料磁性能比鍛后空冷而未經球化的材料更高，達到完全退火的水平。另外，共析滲碳體的球化也起到類似作用，但考慮到共析滲碳體呈團聚分布，也未將晶粒隔斷，因此主要的優化很可能是來自三次滲碳體的球化。

按以上分析，這兩種工藝都能使磁性能較鍛后空冷件有所提升，但各自機理有所不同。按照這種推斷，如果在完全退火后再進行一次球化退火，應該使磁性能進一步提升。為驗證以上推斷，對同一批原料、經完全退火的另外兩個零件再次進行補充球化退火，球化退火工藝仍然按照圖1 (b)工藝進行，球化保溫時間分別是3 h和4 h，然后測量磁性能，發現其磁性能確實得到進一步地提升，見表2。

表2 08鋼經完全退火+球化工藝的磁性能

從測試數據觀察，隨著球化保溫時間從3 h延長到4 h，磁性能優化效果進一步提升，這就證實了：①球化退火優化了滲碳體，尤其是三次滲碳體的形貌和分布，確實可以提高磁性能；②球化退火比完全退火更省時、節能，而性能可以達到完全退火工藝的性能，因此可以代替完全退火工藝而大幅度節省能耗和工時，有利于提高產品利潤和促進環保。

另外，關于三次滲碳體對磁性能的影響，以往多是較籠統地認為三次滲碳體妨礙了磁疇的移動，采取的措施一般是適度快冷以減少三次滲碳體的析出[16]，具體到三次滲碳體形貌和分布對磁性能有怎樣的影響則很少涉及，也未見采取措施優化三次滲碳體形貌和分布以改善低碳鋼磁性能的報道，本試驗的結果豐富了這方面內容。

3 結論

1) 球化退火工藝在磁性能上可以代替完全退火工藝，而工時和能耗都可以大幅度降低。

2) 球化退火提升磁性能的原因是優化了滲碳體形貌和分布，尤其是原先于晶界處成片狀分布的三次滲碳體碎裂并球化減輕了對磁路的阻塞。