磁場熱處理

磁場熱處理是指在磁場中居於居里溫度附近將材料保溫若干時間後冷卻，或以一定的速度在磁場中冷卻的熱處理過程。通過磁場熱處理，常常可以使合金中的磁性離子或離子對出現方向有序，從而引起所謂感生各向異性，使材料中原來易磁化方向各不相同的磁疇結構，變成易磁化的，方向大致平行於磁場取向的磁疇結構。

基本介紹

• 中文名：磁場熱處理
• 外文名：magnetic heat treatment
• 屬於：熱處理過程
• 套用：軟磁材料，永磁材料
• 學科：冶金工程
• 領域：冶煉

簡介

磁場熱處理,在諸多新型熱處理方法中受到了更廣泛的重視。磁場淬火能有效地改善各種金屬材料的力學性能,因此,已成為國際材料科學領域中重要的研究課題之一。

磁場淬火的實質,是利用外加磁場使奧氏體晶格發生形變(即晶格畸變) ,形成位錯胞,使馬氏體細化並增加位錯密度,改善力學性能。這與鋼的形變熱處理有相似之處。這雖是不同的兩種形變方式,但可產生相同的組織結構—位錯胞,使材料得到強化。而磁場淬火提高材料的強韌化效果更突出,使用壽命的提高更顯著。

磁場淬火工藝

1 磁場淬火工藝

磁場淬火工藝是從高溫奧氏體冷卻到馬氏體點至馬氏體轉變結束全過程的連續晶格形變,所以,工件在磁場中的冷卻曲線是一條自始至終的晶格形變曲線。

2 磁場淬火工藝曲線與形變淬火工藝曲線的對比

根據奧氏體在冷卻過程中形變溫度的不同,鋼的形變淬火工藝可分為高溫形變淬火、低溫形變淬火及複合形變淬火三種。分析可知,磁場淬火與鋼的形變熱處理中的複合形變淬火相似。其中AB 線段代表高溫奧氏體磁場晶格形變,CD 線段代表低溫奧氏體磁場晶格形變,DE 線段代表馬氏體轉變過程中磁場晶格形變, EF線段代表馬氏體轉變後的磁場時效。總體為複合形變淬火。複合形變淬火對材料的力學性能改善最明顯。

磁場淬火對力學性能的影響

複合形變淬火時,材料的單位形變的屈服強度增量為0. 76 (kg/ mm2/ %) ;高溫形變淬火時,材料單位形變的屈服強度增量為0. 50(kg/ mm2 %) ;低溫形變淬火時,材料單位形變的屈服強度增量為0. 63 ( kg/ mm2/ %) 。複合形變淬火時的衝擊值Ak 為47J ,延伸率A 為10. 5 % ,斷面收縮率Z 為39 % ,與相應的低溫形變淬火時的衝擊值Ak 為37J ,延伸率A 為11. 4 %及斷面收縮率Z 為36 %相比較,除了延伸率外,其餘兩項複合形變淬火時的衝擊值和斷面收縮率都比低溫形變淬火的高。

通過比較得知,複合形變淬火的強化效果最佳。由此引出,經磁場淬火的材料的強化效果也應該是很突出的。作者在磁場淬火研究中, 對低鉻耐磨材料經磁場淬火與普通淬火後的力學性能作了對比。經磁場粹火的低鉻耐磨材料硬度提高了1～ 1. 5HRC , 衝擊韌性提高了16 % , 強度提高了20 %～50 % ,鑄造清理設備(Q635 型) 拋頭上的低鉻耐磨葉片經磁場淬火,在使用<2. 5mm 大鐵丸的情況下,使用壽命提高了2 倍多。

磁場淬火工藝的生產及使用結果

用<G 系列磁場淬火槽(獲國家專利) ,對經磁場淬火和普通淬火的冷沖模進行了使用壽命測試。熱處理工藝:預熱—加熱—磁場淬火—回火,磁場強度6000A/ m 奧斯特,交流磁場。

自1988 年元月正式使用,六年來主要用於沖孔沖頭,切邊模、頂針等模具的淬火,平均壽命提高了0. 5～2 倍,大大降低了模具材料的消耗,降低了生產成本。

磁場回火

磁場回火所採用的磁場,一般以交流磁場和脈衝磁場為最多,而據有關資料報導,直流磁場採用的很少。

下面我們以高速鋼的脈衝磁場回火為例,了解一下磁場回火的套用潛值。

試驗材料選用國產W6Mo5Cr4V2 高速鋼,加熱設備為高溫鹽浴爐和高溫箱式爐。常規回火在硝鹽爐中進行,脈衝磁場回火在自製的脈衝磁場加熱爐中進行,其功率為10kW ,介質為硝鹽,磁場強度為1000A/ m 左右。衝擊試樣尺寸為10mm ×10mm ×55mm(無缺口) ,抗彎試樣尺寸為10mm ×10mm ×120mm 方鋼。

1 脈衝磁場回火最佳工藝的確定

選擇最佳回火工藝,在常規回火溫度560 ℃下改變磁場強度及回火時間,然後測定硬度變化,按560 ℃×45min ×2 次工藝對高速鋼進行脈衝磁場回火時, 出現硬度最高值( ≥65HRC) 。而常規回火時,則是560 ℃×1. 5h ×3 次後硬度達到最高值( ≥64. 5HRC) 。最後確定為560 ℃×45min ×2 次為脈衝磁場回火最佳工藝。

2 脈衝磁場回火對力學性能的影響

脈衝磁場回火對力學性能的影響。經脈衝磁場回火的高速鋼的抗彎強度值和衝擊韌性值均高於常規回火後的數值。

3 脈衝磁場回火對殘餘應力及殘餘奧氏體量的影響

常規回火和脈衝磁場回火對其殘餘內應力的影響。高速鋼的殘餘內應力經脈衝磁場回火後明顯下降,而常規回火後的殘餘應力下降的幅度較小。

另外,對經淬火的W6Mo5Cr4V2 鋼進行脈衝磁場回火和普通回火處理後,對殘餘奧氏體量進行了測定比較。脈衝磁場回火工藝: 560 ℃×45min ×2次;普通回火工藝:560 ℃×1. 5h ×3 次。

從中得知,經脈衝磁場回火和普通回火後鋼的殘餘奧氏體量接近,但脈衝磁場回火次數比普通回火次數少並且回火時間縮短了1/ 2 。脈衝磁場回火後殘餘應力低,說明回火是充分的,所以脈衝磁場回火完全可以取代常規回火工藝。

對磁場熱處理的展望

1 磁場淬火是屬於複合晶格形變淬火工藝,所以強韌化效果突出,特別在對提高機械另件使用壽命方面的作用尤為顯著。

2 磁場僅僅是改變晶格中原子之間的平衡距離,而不改變機械另件的幾何尺寸,所以套用範圍極其廣泛。凡是可通過普通淬火工藝處理的機械另件都可通過磁場淬火來提高強韌化效果,延長機械另件的使用壽命,因此,也必將激起同仁們對耗能大、效率低、周期長的傳統熱處理工藝的全面改革。

3 高速鋼的脈衝磁場回火的結果表明,磁場回火工藝具有可減少回火次數和回火時間,降低生產成本和縮短生產周期,提高生產效率等優點,這也是人們在長期的熱處理生產中在不斷追尋的一個重要經濟目標,也必將引起大家對磁場熱處理套用潛值的探索與開發。