磁场热处理铁素体钢或珠光体钢时的传热现象

第12卷第3期2000年6月钢铁研究学报JOURNALOFIRONANDSTEELRESEARCHVOL12,NO3JUN2000作者简介杨钢19632,男,硕士,工程师收稿日期1999205206修订日期2000201215材料研究磁场热处理铁素体钢或珠光体钢时的传热现象杨钢1,冯光宏21钢铁研究总院结构材料研究所,北京1000812钢铁研究总院工艺研究所,北京100081摘要观察、分析了在磁场热处理条件下磁场对传热的作用。研究结果表明在磁场热处理铁素体钢或珠光体钢时,磁场能够显著地促进钢的传导传热、加速钢材的冷却、细化铁素体晶粒。磁场还能促进钢材的均匀冷却,缩小钢材表面与心部冷却速度的差异。关键词磁场热处理传导传热中图分类号TG1569文献标识码A文章编号10012096320000320031205PHENOMENONOFHEATCONDUCTIONINTHEMAGNETICFIELDHEATTREATMENTFORFERRITICANDPEARLITICSTEELSYANGGANG1,FENGGUANG2HONG212CENTRALIRONHEATCONDUCTION在钢材热处理过程中在线或离线施加磁场稳定磁场或脉冲磁场,可以显著提高钢材的强度,这一点已为国内外许多文献所报道1。可以预见,在不久的将来磁场热处理会成为一种新型的热处理方法。在我国,由于生产工艺比发达国家落后,钢材的强度级别较低,导致钢材的利用率不高。因此,采用磁场进行钢材的在线或离线热处理,以提高钢材的强度级别,具有非常广阔的应用前景。目前,国内外对磁场作用的研究主要集中在脉冲磁场对马氏体相变的影响方面,关于磁场稳定磁场和脉冲磁场对铁素体、珠光体相变的作用以及传热作用未见报道。而铁素体、珠光体相变过程中的传热显著影响铁素体的形核及长大过程,因此有必要了解铁素体钢和珠光体钢磁场热处理时的传热现象。本文选用低碳锰铌钢作为试验材料,进行一系列的磁场热处理。通过观察冷却过程中的温度变化差异、分析金相组织及进行硬度测试,考察了稳定磁场对传热的影响。1试验内容与方法11试验材料及加热工艺在50KG真空感应炉中冶炼试验钢,铸锭后锻成35MM60MM方坯,经控轧控冷轧成8MM厚的板坯作为试验材料,试样尺寸为30MM70MM8MM,钢的成分质量分数,为C009,SI1319942009CHINAACADEMICJOURNALELECTRONICPUBLISHINGHOUSEALLRIGHTSRESERVEDHTTP/WWWCNKINET020,MN132,S0007,P0007,NB0027,TI002。所用加热炉为20KW箱式炉。将试样放入1000的箱式炉中,加热到指定温度后保温15MIN。12磁场热处理工艺及方法将加热保温后的试样放入稳定磁场设备中,施加磁场冷却至室温,采用自然空冷和吹风冷却两种方式。图1为稳定磁场设备的示意图。通过改变试样与两极磁轭的接触方式来研究磁场对传导传热及辐射传热的作用。具体方法如下方法1用两根导热性能良好、对磁场无影响的铝片夹紧试样的两头放入稳定磁场中两极磁轭中间,使铝片接触两磁轭,此时的传热方式主要为热传导和热辐射方法2把试样放入稳定磁场两磁轭中间并固定,固定部分包上绝热石棉,试样不直接接触两磁轭,此时的传热方式主要为热辐射。磁场热处理工艺参数见表1。13金相观察及硬度测试试样抛光后经3的硝酸酒精浸蚀,在光学显微镜下观察金相组织,对比试样表面和心部组织的差异。用宏观硬度计测定试样表面及中心部位的硬度。图1稳定磁场设备的示意图FIG1EXPERIMENTALDEVICEOFSTABLEMAGNETICFIELD表1磁场热处理工艺参数TABLE1THETECHNIGUEPARAMETERSOFMAGNETICFIELDHEATTREATMENT试样号101102103104201202203204磁通密度T冷却方式01空冷08空冷15空冷0空冷01风冷08风冷15风冷0风冷2试验结果与分析21显微组织图2、图3分别为不同磁通密度下热处理后空冷试样中心及表面的金相组织。可以看出,随着磁通密度的增加,铁素体晶粒得到明显的细化,但试样的心部与表面的铁素体晶粒大小没有明显的差别。对风冷试样也进行了同样的金相观察,其铁素体晶粒变化规律与空冷试样相同。观察同一磁通密度下空冷试样和风冷试样的金相组织,它们之间的组织结构和铁素体晶粒大小没有明显的区别,这表明在本试验条件下采用弱风冷却对细化铁素体晶粒作用不大。22硬度图4为空冷试样中心及表面的硬度测试结果。可以看出,随着磁通密度的提高,硬度也增大,这与显微组织的细化规律相对应见图2、图3。在不加磁场的条件下,由于试样表面的冷却速度高于试样中心部位的冷却速度,因而其硬度也高于中心部位的硬度。但在施加磁场后,出现了试样表面硬度略低于试样中心硬度的现象,风冷试样也得到了同样的试验结果,其原因可能是磁场能促使试样心部与表面的冷却均匀。在本试验中,由于试样表面的合金元素及碳元素在加热保温过程中有烧损,因此试样心部的合金元素含量及碳含量略高于试样表面。当试样心部的冷却速度接近或等于试样表面的冷却速度时,就表现为试样的心部硬度值高于试样表面的硬度值。3讨论31磁场对加速冷却的作用由试验观察可知,在接触式传热方法1的情况下,随着磁通密度的提高,试样的冷却速度明显加快,远高于不加磁场的情况。由此可见,施加磁场可加速试样的传热。在此条件下,传热方式主要是传导传热和辐射传热。而在方法2的情况下主要是辐射传热,整个冷却过程中可观察到加磁场试样的冷却速度仅略高于不加磁场试样的冷却速度。因此,在本232000年钢铁研究学报第12卷19942009CHINAACADEMICJOURNALELECTRONICPUBLISHINGHOUSEALLRIGHTSRESERVEDHTTP/WWWCNKINET图2不同磁通密度下热处理后空冷试样中心的显微组织A01TB08TC15TD不加磁场FIG2THEMICROSTRUCTUREOFSPECIMENSATTHECENTREUNDERDIFFERENTFLUXDENSITY图3不同磁通密度下热处理后空冷试样表面的显微组织A01TB08TC15TD不加磁场FIG3THEMICROSTRUCTUREOFTHESPECIMENSATTHESURFACEUNDERDIFFERENTFLUXDENSITY33第3期杨钢等磁场热处理铁素体钢或珠光体钢时的传热现象6月19942009CHINAACADEMICJOURNALELECTRONICPUBLISHINGHOUSEALLRIGHTSRESERVEDHTTP/WWWCNKINET图4磁通密度对空冷试样中心与表面硬度的影响FIG4EFFECTOFFLUXDENSITYONTHESPECIMENHARDNESSATTHESURFACEANDTHECENTRE试验所采用的磁通密度条件下,施加磁场虽然对辐射传热有促进作用,但影响不大,主要对显微组织产生影响。为了解磁场中的辐射传热和传导传热以及不加磁场对铁素体晶粒大小的影响而专门设计了一种试验方法,图5给出了进行这一试验时的取样位置,即把一根长试样经加热保温后放入磁场装置中,用磁轭夹紧一头A段,B段在稳定磁场中,C段在磁轭外面此处的磁场非常弱,相对于B段可视为无磁场。各段分别取样A、B、C做金相观察,得到图6A、B、C。试样B取自靠近C段的部位。A段由于有传导传热,冷却速度非常快。试样B由于靠近C段,与C段的冷却速度基本相同,冷却较慢。由图5和图6可以看出,在基本相同的冷却速度下试样B和试样C,试样B金相组织中的铁素体晶粒却明显细于试样C,其原因可能是由于试样B处于磁场中,磁场提高了试样B中的铁素体形核率。可认为,在试样冷却过程中施加磁场,因ZEEMAN效应磁场能够提供给试样磁场能,因此增加了铁素体的形核功,也就提高了铁素体的形核率。这方面正在进行深入的理论研究。图5磁场热处理试样的取样示意图FIG5THEILLUSTRATIONOFSAMPLINGLOCATIONFORMAGNETICFIELDHEATTREATMENT图6试样不同部位的金相组织FIG6THEMICROSTRUCTUREOFTHESPECIMENATDIFFERENTPART在铁素体形核率相同的情况下试样A和试样B,由图6A和图6B的比较可知,试样A的金相组织明显细于试样B。而且,比较图2C和图2D可知,在相同的接触传热方式下,施加磁场的试样的冷却速度明显大于不加磁场的试样,其组织也明显细化。因此,可以认为这是由于磁场能够加速试样A的传导传热,而阻止了铁素体晶粒长大。磁场促进金属传导传热的现象,可以用传热学理论和电磁学理论进行初步解释,即金属的导热主要依靠金属中的自由电子传递2,试样中的自由电子越多,运动越快,则其传热的能力越强。在施加磁场的条件下,外加磁场引起铁原子D层电子的有序化,提高了电子跃迁的几率,因此,增加了自由电子的数量,导致了传导传热的加快。32磁场对均匀冷却的作用由图2试样心部的金相照片和图3试样表面的432000年钢铁研究学报第12卷19942009CHINAACADEMICJOURNALELECTRONICPUBLISHINGHOUSEALLRIGHTSRESERVEDHTTP/WWWCNKINET金相照片比较可知,在本试验的磁通密度条件下,试样表面和心部组织中铁素体晶粒尺寸的差异较小。结合图4和试样的加热保温过程可判断试样表面和心部的冷却速度差异。对本试验而言,由于试样是在空气炉中加热保温,试样表面易产生氧化且试样表面的碳元素和合金元素有烧损,因此当试样表面和心部的冷却速度相同时,心部的硬度应高于表面的硬度。从图4可以看出,不加磁场的试样磁通密度为0,其表面硬度高于心部硬度。由此可断定在不加磁场的条件下,冷却是不均匀的,试样表面的冷却速度高于试样心部的冷却速度。施加磁场后,试样心部的硬度高于其表面,很明显是由于试样心部的冷却速度提高了的缘故,因此,磁场可以减少试样表面和心部的冷却速度差异,从而提高了试样的均匀冷却能力。应用电磁学理论来解释这些现象目前还有困难,现正在对其进行深入的研究。4结论1稳定磁场可以提高试验钢种的传导传热能力。施加的磁通密度越高,试验钢种的传导传热能力越强。2在本试验条件下,稳定磁场可以使试样表面和心部的冷却速度差异减小,从而提高试验钢种的冷却均匀性。参考文献1KAKESHITATMAGNETICFIELD2INDUCEDMARTENSITICTRANSFORMA2TIONINAFEWFERROUSALLOYSJJOURNALOFMAGNETISMANDMAGNETICMATERIALS,1990,19612342362许肇钧传热学M北京机械工业出版社,1980技术推广电渣熔铸内燃机车柴油机曲轴毛坯工艺电渣熔铸是自耗电极在水冷结晶器内通电后,以高纯度的熔渣产生的渣阻热为热源,使熔渣参与冶金反应的一种边熔化边结晶成形的净化型重铸过程。它利用强制的冷却作用和控制适宜的熔化速度使金属定向结晶。结晶从结晶器表面向金属熔池中心部位进行。由于冷却强度大、冷却速度快,所以形成的树枝状晶体细小、化学成分的局部偏析小、无各向异性、力学性能好。电渣熔铸产品还具有表面光洁、组织致密、金属利用率高等特点。铁道部第18工程局蓟县机械厂、钢铁研究总院、北京二七机车厂等家合作,将电渣熔铸技术用于生产内燃机车柴油机曲轴取得成功。他们用卧式逐次电渣熔铸法生产出6拐曲轴,借助电渣热源熔铸出整根曲轴,实现了用较小容量的电渣炉熔铸出大吨位的曲轴23T。采用这种方法生产的柴油机曲轴毛坯经过适当的热处理后,其性能已达到或超过锻钢曲轴毛坯的水平抗拉强度817MPA、伸长率