复合物理场热处理——磁场热处理

，舍综述；舍舍复合物理场热处理一磁场热处理周敬恩，席生岐西安交通大学材料科学与工程学院金属材料强度国家重点实验室，陕西西安710049摘要介绍了磁场热处理的原理。论述了磁场对铁基合金相变热力学、相变过程和相变产物的影响。评述了经磁场退火、磁场淬火和磁场回火处理的结构钢、工具钢、低铬耐磨铸铁等材料的组织和性能以及产生磁场的方法及磁场热处理的工程应用和存在的问题。关键词复合物理场热处理；磁场热处理；组织；性能中图分类号TG15697文献标识码A文章编号10081697201204000107COMPOSITEFIELDHEATTREATMENTMAGNETICHEATTREATMENTZHOUJINGENXISHENGQISTATEKEYLABORATORYFORMECHANICALBEHAVIOROFMATERIALS，SCHOOLOFMATERIALSSCIENCEANDENGINEERING，XIANJIAOTONGUNIVERSITY，XIAN710049，SHAANXICHINAABSTRACTTHEPRINCIPLESOFMAGNETICHEATTREATMENT，INCLUDINGINFLUENCEOFMAGNETICFIELDONTHERM0DYNAMICS，PROCESSANDPRODUCTSOFPHASETRANSFORMATIONOFIRONBASEALLOYSWEREREVIEWEDMICROSTRUCTUREANDMECHANICALPROPERTIESOFSTRUCTURALSTEEL，TOOLSTEELANDLOWCHROMIUMWEARRESISTANTCASTIRONSUBJECTEDTOANNEALING，QUENCHINGANDTEMPERINGINMAGNETICFIELDWEREDISCUSSEDTHEMEANSOFPRODUCINGMAGNETICFIELDASWELLASTHEENGINEERINGAPPLICATIONSANDPROBLEMSOFMAGNETICHEATTREATMENTWEREBRIEFLYGIVENKEYWORDSCOMPOSITEFIELDHEATTREATMENT；MAGNETICHEATTREATMENT；MICROSTRUCTURE；PROPEY传统热处理是指金属材料在加热和冷却过程中，通过固态相变改变其组织与性能的热加工技术。这一过程主要涉及温度场。近二十年来，愈来愈多的研究发现，除了温度场外，施加强磁场、应力场和脉冲电场，能够改变材料热处理的进程和最终产物。磁场和脉冲电场对固态相变的作用机制不同于温度场，也不同于传统的感应加热热处理，感应加热虽然也涉及电场，但感应电流的主要作用是作为热源产生温度场，感应电场本身并不影响热处理过程。文献中将强磁场、应力场和脉冲电场作用下的热处理称为磁场热处理、形变热处理和脉冲电场热处理。这类热处理的共同特点是除温度场外，还涉及另外的物理场，本文称这类热处理为复合物理场热处理。电场热处理和形变热处理将于另文讨论，本文主要评述磁场热处理。1磁场热处理原理磁场作为一种冷物理场，在热处理中，通过影响物质中电子的运动状态使相变发生变化，从而影响工件的热处理过程和最终结果。磁场热处理包括磁场退火、磁场淬火、磁场回火、磁场渗氮等。相变过程取决于相变热力学和相变动力学。从热力学的角度，相的GIBBS自由能决定相的稳定性，GIBBS自由能越小，该相越稳定。由于不同相具有不同的磁化率和介电常数，因而磁场对特定相的自由能及其稳定性具有不同的影响。从动力学的角度，磁场则通过影响位错和晶界而影响相变。11磁场对固态相变热力学的影响以奥氏体向马氏体转变为例，在施加和未施加磁场条件下，铁基合金自由能随温度的变化如图1所示J。不加磁场时H0，母相奥氏体自由收稿日期20111021作者简介周敬恩1942一，男，山东人，教授，博士生导师，出版专著6部，发表论文230余篇。EMAILJEZHOUMAILXJTNEDUEN通讯作者席生岐，教授，博士生导师，主要研究方向为金属材料、机械合金化新材料等。EMAILXISHQMAILXJUEDUCN热处理2012年第27卷第4期能G与马氏体自由能G相等的温度为，温度低于TO，GG温度高于TO，GG，如图中实线所示。马氏体相变的开始温度为MS，相应的相变驱动力为两相自由能差G，在外加磁场作用下H0，马氏体自由能的降低如图中虚线所示。由于奥氏体为顺磁相，磁场对其自由能影响很小，可以忽略不计，因而两相自由能相等的温度由升高至，MS也相应增加到MS。上述磁场对相变影响的基本原理也适用于铁素体相变和珠光体相变等高温扩散型相变。根据GIBBS自由能的计算，外加磁场对FEC相图的影响见图2。施加磁场使FEC相图向上移动，使和A温度升高，对AC温度影响很小。在L2T磁场作用下，钢的共析点碳含量由076增加到078以上，共析温度由1000K升高到1012K，纯铁的一D转变温度由1184K升高到1194K。上述理论计算得到了实验证实，如图3所示。矗蠹岂们宝MSMS00TEMPERATURET图1有磁场和无磁场作用时铁基合金自由能随温度变化的示意图FIG1SCHEMATICDIAGRAMOFTHEVARIATIONOFGIBBSFREEENERGYWITHTEMPERATUREUNDERORWITHOUTTHEACTIONOFMAGNETICFIELDFORIRONBASEDALLOYWEIGHTPERCENTCARBON图2施加磁场对FEC相图的影响OE为非法定计量单位，1OE795775AMFIG2EFFECTOFAPPLIEDMAGNETICFIELDONIRONCARBONEQUILIBRIUMDIAGRAMF1OE795775AMMAGNETICFIELD,KTOHT图3磁场强度对纯铁。【一Y和YO相变温度的影响。FIG3EFFECTOFMAGNETICFIELDINTENSITYON0LANDTRANSFORMATIONTEMPERATURESOFPUREIRON磁场对低碳钢铁素体和珠光体相变的影响主要表现在提高相变温度；增加形核率；增大产物相的生长速率。与形变储存能的影响相似，磁场能的作用相当于增大了一仅相变自由能。在磁场作用下，铁素体相变的临界形核功G为AG8V21式中G一磁场能；G一形成新相仪一FE时摩尔自由能变化值；FE的摩尔体积；R，一界面能。式1表明，由于磁场的作用，使AG降低，铁素体形核率增大。铁素体形核率，可表示为，KP一EXP2假设，N和，分别为不加磁场和施加磁场时铁素体的形核率，则有EXPKEXP11AGAGAG3式3表明，随着AGM增大，AG降低，厶呈指数大幅度增加，铁素体形核率明显增大。稳恒磁场对铁基合金马氏体相变的影响具有类似的规律。12磁场对固态相变过程及产物的影响施加磁场能显著影响固态相变行为及相变产物的数量、形态、尺寸和分布。在交变强磁场作用下，高温顺磁相奥氏体发生反复的磁化形变晶格畸变，形成高密度位错胞结构，并有弥散碳化物析出，这种位错胞结构在淬火后被马氏体继承并限制了马氏体长大，细化了组织。在外加磁场作用下，由于MS点的升高，当工件冷却到一定温度时，磁场淬火比常规淬火具有更大的过冷程度MS一，导致马氏体转变量增加，残留奥氏体量减少，2热处理2012年第27卷第4期JNQG0强度RPOZ纵向343MPA，RP0Z横向358MPA，性能满足了产品技术条件的要求。优化后的真空磁场热处理工艺为真空度0133PA，加热速度300400OCH，温度76010QC，保温时间2530H，随炉冷至730OC，以300600OCH冷至500OC后，再炉冷至室温。充磁电流330A；充磁过程控制在保温终了前15RAIN，接通充磁电流，经过20MIN后，将充磁电流断开。磁场淬火可显著提高钢的强度，强化效果随钢中碳含量的提高而增大。直流磁场淬火时，磁化方向对强化效果有影响。例如，CRWMN钢在轴向磁场中淬火可使其抗弯强度显著提高，而在径向磁场中淬火时强化效果不明显，甚至略有降低。交流磁场的强化效果大于直流磁场，磁场强度越大效果越好。磁场淬火可以使钢在提高强度的同时保持良好的塑性和韧性。磁场淬火能使低铬耐磨铸铁的硬度提高115HRC，冲击韧度提高16，强度提高2050。对LD、WI8CR4VL、9SICR、60SI2A等冷作模具钢制造的冲孑L冲头、切边模和顶针等进行磁场淬火，其平均使用寿命比普通淬火模具提高052倍。经脉冲磁场球化退火和稳恒磁场等温淬火处理的9SICR钢，其退火组织为球化良好的均匀球状珠光体，淬火组织为下贝氏体马氏体残留奥氏体碳化物；硬度为5860HRC，无缺口冲击韧度OLK51JCLQFL；抗弯强度达2860MPA。经该工艺处理的9SICR钢制M10内六角凸模光冲，使用寿命比常规处理的提高3倍以上。磁场回火通常采用交流磁场和脉冲磁场。W6MO5CR4V2高速钢经1225OC加热淬火后，在560分别进行常规回火和脉冲磁场回火处理，常规回火处理3次，每次15H，磁场回火2次，每次45MIN。力学性能测试结果表明，高速钢经两种工艺回火后，其硬度相近，约为65HRC，但与常规回火相比，脉冲磁场回火的高速钢，其抗弯强度提高40，达3500MPA；残留应力降低64，约为100MPA；冲击韧度提高约30，达60JCM。磁场回火不仅能够大幅度提高钢的力学性能，还具有减少回火次数和回火时间，降低生产成本和缩短生产周期，提高生产效率等优点。J。磁场热处理能使钢的淬透性下降，改善钢的耐蚀性能。在12T稳恒磁场中对32CRMNNBV钢进行热处理，结果发现，在连续冷却过程中加磁场，可使铁素体转变的等温转变图左移，先共析铁素休量增多，淬透性下降；在奥氏体化加热过程中加磁场，会降低奥氏体的稳定性，造成冷却过程中等温转变图左移。磁场淬火获得的马氏体组织明显细化，随着磁场强度的增大，钢的耐蚀性提高，如图11所示。MAGNETICFIELDT图11经磁场淬火的32CRMNNBV钢的腐蚀速率曲线FIG11CORROSIONRATESOF32CRMNNBVSTEELHARDENEDINMAGNETICFIELD3磁场淬火设备及存在的问题磁场热处理的效果取决于外加磁场的强度和性质。目前用于产生磁场的方法主要有以下几种1由直流电磁铁产生的恒磁场，通过调整磁极间距可产生不同的磁场强度。试验表明，适当调整磁极间的距离，磁场强度可达20000OE1710。AM；2由正弦交变电流产生的交变磁场，采用磁链的独特方案设计的磁路，可在电流较低的条件下获得高达70008000OE的磁场强度。目前，要在一个比较大的空问范围内获得很强的磁场强度尚有一定困难，难以获得强磁场和制作大尺度的淬火槽限制了磁场热处理的工程应用。参考文献1OHTSUKAHEFFECTSOFSTRONGMAGNETICFIELDSONBAINITICTRANSFINMATIONJJCURRENTOPERATIONINSOLIDSTATEANDMATERIALSSCIENCE，2004，8279，2842JOOHD，KINSU，SHINNS，ETA1ANEFFEETOFHIGHMAGNETICFIELD011PHASETRANSFORMATIONINFECSYSTEMJMATERIALL,ETTERS，2000，432252293KAKESHITAT，FUKUDATMAGNETICFIELDCONTROLOFMICROSTRUCTUREANDFUNCTIONOFMATERIALSEXHIBITINGSOLIDSOLIDPHASETRANSFORMATIONJSCIENCEANDTECHNOLOGYOFADVANCEDMATERIALS，200673503554宫晓龙，赵骧，宋建字，等强磁场对FE076C合金共析点的影响J材料热处理学报，2009，305155杨钢，冯光宏稳恒磁场对低碳锰铌钢一相变的影响【J1_钢铁研究学报，2000，121031356王亚男，廖代强，武战军稳恒磁场对马氏体转变的影响J金属热处理，2007，32468717王西宁，陈铮，刘兵磁场对材料固态相变影响的研究进展LJ材料导报，2002，16225278冯光宏，周少雄，杨钢稳恒磁场对低碳锰铌钢晶粒细化的影响J钢铁研究学报，2000，12427306热处理2012年第27卷第4期；综述铍青铜的热处理谢伟滨江西理工大学材料科学与工程学院，江西赣州341000摘要铍青铜具有良好的力学性能，弹性，导电、导热性能，以及无磁性，耐寒、耐磨、耐蚀等。铍青铜的性能主要取决于热处理包括固溶和时效处理。铍青铜零件固溶处理应在木炭、氨分解气或酒精裂解气等保护介质中进行。时效也是铍青铜的一道重要热处理工序，包括欠时效，正常时效，过时效及改进的分步时效、双重时效等。介绍了常用铍青铜的化学成分及其经不同工艺热处理后的组织和性能。关键词铍青铜；热处理；时效；性能中图分类号TG1662文献标识码A文章编号10081690201204000706HEATTREATMENTOFBERYLLIUMBRONZEXIEWEIBINSCHOOLOFMATERIALSSCIENCEANDENGINEERING，JIANGXIUNIVERSITYOFSCIENCEANDTECHNOLOGY，GANZHOU341000，JIANGXICHINAABSTRACTTHEBERYLLIUMBRONZEPOSSESSESSATISFACTORYPROPERTIES，SUCHASHIGHMECHANICALANDELASTICPROPERTIES，GOODELECTRICANDTHERMALCONDUCTIVITIES，NONMAGNETICPROPEYANDGOODCOLD，WEARANDCORROSIONRESISTANCESTHEPROPERTIESOFBERYLLIUMBRONZEAREDEPENDENTESSENTIALLYONTHEHEATTREATMENTPROCESSCONSISTINGOFSOLUTIONTREATINGANDAGINGTHEBERYLLIUMBRONZEPARTSARETOBESOLUTIONTREATEDINSUCHPROTECTIVEMEDIAASWOODCOAL，AMMONIADECOMPOSEDORALCOHOLCRACKEDATMOSPHEREANDSOONTHEAGINGALSOISANIMPORTANTHEATTREATMENTSEQUENCE，收稿日期20111101作者简介谢伟滨1988一，男，江西赣州人，硕士研究生，研究方向为有色金属加工。联系电EMAILX881109100163COIN基金项目江西省自然基金资助项目2009GZC0048；江西省钨铜重点实验室开放基金资助项目NO2010一WTCL39ZHANGY，HEC，ZHAOX，ETA1THREMODYNAMIEANDKINETIC15ZHANGY，GEYN，HEC，ETA1HIGHTEMPERATURETEMPERINGCHARACTERISTICSOFTHEAUSTENITETOFERRITETRANSFORMATIONUNDERHIGHBEHAVIORSINASTRUCTURALSTEELUNDERHIGHMAGNETICFIELDJAETAMAGNEHCFIEHTINMEDIUMCARBONSTEELJJOURNALOFMAGNETISMMATERIALIA，2004，5234673474ANDMAGNETICMATERIALS，2005，29426727216MOLODOVDA，BOLLMANNC，GOTTSFEINGIMPACTOFAMAGNETICFIELD10CHOIJK，OHTSUKAH，XUY，ETA1EFLBCTSOFASTRONGMAGNETICOILTHEANNEALINGBEHAVIOROFCOLDROLLEDTITANIUMJMATERIALSFIEHTODLHEPHASESTABILITYOFPLAINCARBO