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10号钢磁性热处理工艺研究
收录时间:2022-11-25 23:02:52  浏览:0
工艺与材料 10 号钢磁性热处理工艺研究 孙 瑜 792 厂 陕西 宝鸡 721300 摘要 文章从理论上阐述了 10 号钢与电工纯铁的差别 10 号钢磁性热处理机理 10号钢磁性能 改善的方法 以及实际生产中 10号钢磁性热处理工艺 同时简述了 10号钢零件在通用继电器上的使 用效果 关键词 10号钢 电工纯铁 磁性热处理工艺 通用继电器 中图分类号 TG161 文献标识码 A 文章编号 1000 6133 2002 02 0034 04 1 前 言 随着继电器市场竟争日趋激烈 各生产 厂家投入大量的精力不断提高产品质量 降 低生产成本 在市场竟争中 要居于不败之 地 降低成本显得尤其重要 因此 研究 10 号钢磁性热处理工艺 降低 10 号钢矫顽力 成为达到这一目标的首选研究课题 2 10 号钢与电工纯铁的差别 10 号钢和电工纯铁的化学成分 可以 从表1 的对照列示中清楚地看出 10 号钢比 电工纯铁的含碳量和杂质含量高 且含碳量 范围较宽 所以使得 10 号钢的主要磁性 表 1 两种材料化学成分及主要磁性能对照表 材料牌号 化学成分 不大于 碳硅锰***硫铝镍铬铜 主要磁性能 Hc DT4E0 030 200 300 020 020 15 0 50 200 100 2048 A m 10号钢0 07 0 14 0 35 0 37 0 35 0 650 0350 0350 250 15无磁性能要求 收稿日期 2002 04 27 能指标矫顽力 Hc值 很大且离散性也大 国家有关标准中对 10号钢主要磁性能指标 矫顽力未作要求 可以说是由于此项指标的 不确定性而无法给出 3 10 号钢磁性热处理机理 要搞清 10 号钢磁性热处理机理 首先 要搞清电工纯铁磁性热处理机理 影响电 工纯铁磁性能的主要因素是含碳量和杂质 含量 且含碳量对矫顽力大小的影响远大于 杂质含量的影响 不妨从理论上分析一下它 们对电工纯铁磁性能的影响机理 3 1 碳对电工纯铁磁性能的影响 碳对纯铁的磁性能影响最大 它使磁导 率下降 矫顽力提高 铁损增大 磁化困难 碳在平衡组织中是以渗碳体 Fe3C 的形式存 在 那么渗碳体是怎样形成的呢 从铁碳合 金状态图 图 1 可知 对于含碳量为 0 0 0218 的纯铁 当加热温度高于 PG 线时 纯 铁的组织发生 F A 相变 随着温度的升高 34机 电 元 件 2002 年 6月 F 相不断转变为 A 相 ***时 当温度降到 PG线以下时 纯铁的组织又发生A F 相变 F 是铁素体 A 是奥氏体 随着温度的降 低 从 A 中不断析出先共析铁素体 先共析 铁素体在居里点温度以上是顺磁性的 在居 里点温度以下正好相反 它以体心立方结构 结晶成 F 相 这种晶体结构具有非常低的矫 顽力和很高的导磁率 当纯铁继续***时 将沿 PQ 线析出 3 次渗碳体 随着含碳量的 增加 析出 3 次渗碳体的量也将增大 渗碳 体具有高的矫顽力和低导磁率的性质 因此 磁性处理过程要避免渗碳体的产生 图 1 铁碳合金状态图 局部 碳还有一个***作用 即引起磁时效现 象 由于电工纯铁制成的软磁零件在长期 使用过程中 特别是温度升高到 150 200 在纯铁的铁磁性基体上会析出微细 的 弥散的非铁磁性相 这时伴有导磁率下 降 矫顽力升高 导致磁时效现象产生 因 为纯铁在退火后的***过程中 碳来不及析 出而以过饱和固溶体的形式存在于纯铁中 随着时间的加长和温度的升高 过饱和的碳 要析出 呈高度弥散的碳化物形式存在 因 而造成了纯铁的磁时效现象 由于此原因 纯铁在出厂前要进行无时效处理 而 10 号 钢含碳量远高于纯铁 因此磁时效现象相应 比较严重 3 2 杂质含量的影响 杂质含量比碳影响纯铁磁性能弱一些 但也不容忽视 因为加热保温过程晶粒长 大 杂质元素形成的化合物对它有很大影 响 磁性处理的目的 一是消除冷加工应力 和点阵畸变 二是使晶粒长大 改善磁性能 降低矫顽磁力 磁性处理过程实质上是晶 粒长大和内应力松弛的过程 为什么晶粒 尺寸大 矫顽力就小呢 因为晶粒尺寸大 晶界面少 材料在磁化过程中阻力小 容易 磁化 那么晶粒是怎样长大的呢 影响它 的因素是什么呢 从铁碳合金状态图 图 1 中得知 当纯铁加热到一定温度时发生 F A 相变 保温过程中 晶粒要不断长大 晶粒长大是一种自发过程 它是由大晶粒吞 并小晶粒的不均匀长大和大晶粒进一步均 匀长大两个阶段组成 晶粒的长大主要表 现为晶界的移动 高度弥散难熔的非金属或 金属化合物颗粒对晶粒长大起很大抑制作 用 使晶粒细化 矫顽力增大 这正说明了 实际生产中 常遇到电工纯铁由于杂质含量 高 质量差 但定碳 分析 含碳 量还小 于 0 03 所以磁性处理后矫顽力很难降下 来 需多次处理 3 3 10 号钢磁性热处理机理 前面分析了电工纯铁磁性热处理机理 谈到碳和杂质对磁性能的影响 10 号钢与 电工纯铁磁性处理机理基本一致 只是碳含 量和杂质含量大大增加 在 10 号钢磁性处 理过程中影响将更加显著 由于 10 号钢含 碳量高 所以处理过程中不可避免地要形成 渗碳体 随着含碳量的增大 形成渗碳体的 机率将大大增加 杂质对晶粒长大的过程影 响也很显著 二者严重恶化了 10 号钢的磁 性能 因此 积极寻求一条降低二者对磁性 能影响的工艺方法 是研究 10 号钢如何替 代电工纯铁的关键 35 Vol 22 No 2 Electromechanical Components 4 10 号钢磁性能的改善 含碳量和杂质含量大大增加是恶化 10 号钢磁性能的两个主要因素 要降低二者的 影响 脱碳处理 除杂和阻止渗碳体产生等 工艺方法 可以达到改善 10 号钢磁性能的 目的 4 1 脱碳处理及除杂工艺方法 脱碳处理及除杂可以通过使用真空炉 或气体 氮气和氢气混合气或纯氢气 保护 热处理炉来实现 处理过程既能脱碳又能除 去材料内部的气体杂质 从而达到改善磁性 能的目的 同时又可以得到光亮表面 且能 降低表面处理费用 所以 真空炉和气体保 护热处理炉现在已被很多企业使用 效果很 好 4 2 阻止渗碳体产生的工艺方法 参看铁碳合金状态图 图 1 分析电工 纯铁和 10 号钢磁性处理机理 可以了解到 电工纯铁和 10 号钢的室温组织是铁素体 3 次渗碳体 只是 10 号钢比电工纯铁的 3 次 渗碳体多很多 要改善 10 号钢的磁性能 一方面必须采用比电工纯铁高的温度和长 的保温时间 因为渗碳体是亚稳定的金属化 合物 在高温和长时间保温条件下 要分解 成为铁及石墨状的游离碳 长时间保温可以 使晶粒充分长大 另一方面要阻止渗碳体 产生 必须注意加热速度和***速度 因为 在两相区内加热速度太快 对退火后获得低 矫顽力和较大晶粒都是很不利的 考虑到材 料在两相区内缓慢加热可以形成少量富碳 奥氏体 而其余大部分都是贫碳铁素体 这 对脱碳和获得大晶粒都有利 可以降低材料 矫顽力 在两相区内***速度也应该缓慢 这是获得大晶粒和低矫顽力的关键 而且使 A 晶格向 F 晶格的转变有充分的时间 5 实际生产中 10 号钢零件磁性 处理工艺 通过对 10 号钢和电工纯铁磁性处理理 论分析 改善 10 号钢磁性能是可行的 但 是 由于目前磁性处理设备条件所限 要实 现科学合理的热处理工艺 还要克服很多困 难 我们使用 10 号钢已有一年多时间 从试 验阶段已走向大批量生产 通过实际生产摸 索 10 号钢零件磁性处理状况如下 含碳量在 0 06 左右的 10 号钢 采 用 图 2 工艺规范处理 能达到的指标是 样件矫顽力 Hc 120A m 零件矫顽力 Hc 200A m 通常一次处理即可达到技术要求 图 2 普通箱式炉处理工艺 含碳量在 0 07 0 08 的 10 号 钢 采用 图 3 图 4 工艺规范处理 技术 指标可以达到样件矫顽力 Hc 120A m 零 件矫顽力 Hc 200A m 也是一次处理即可 达到指标 图 3 普通箱式炉处理工艺 36机 电 元 件 2002 年 6月 图 4 普通箱式炉处理工艺 含碳量在 0 08 0 14 的 10 号 钢 采用 图 3 图 4 工艺规范处理 能达 到的指标是 样件矫顽力Hc 160A m 零件 矫顽力为 200 300 A m 普通设备已难以 将零件磁性能指标矫顽力改善到 200A m 以 下 含碳量在 0 08 0 14 的 10 号 钢 采用 图 5 工艺规范处理 技术指标可 以达到零件矫顽力Hc 200A m 图 5 氢气炉处理工艺 6 10 号钢磁性处理后矫顽力的 稳定性及使用效果 电工纯铁 DT4型 在出厂前 原材料厂 已对其进行无时效处理 目的是使纯铁的组 织和性能稳定化 在使用中出现磁时效较 弱 称其为无时效纯铁 而 10 号钢由于国 家有关标准对其无磁性能要求 出厂前不进 行无时效退火处理 但加工成零件后 需进 行磁性处理 一方面磁性处理加热温度高 保温时间长 使一部分碳以稳定的石墨形式 存在 另一方面 磁性处理***速度缓慢 过饱和的碳大部分已经析出 所以 10 号钢 零件在使用中磁时效现象较弱 不会影响零 件的使用效果 但因磁性处理后 10 号钢 比电工纯铁的矫顽力大 因此 10 号钢现不 能用于整个通用继电器的电磁系统 只是用 于通用继电器的轭铁 产品通过例行试验表 明 各种参数符合技术要求 目前 电磁系 流轭铁用 10号钢替代电工纯铁已实现了降 低材料成本的阶段性目标 在通用继电器规 模生产中 取得了一定的经济效益 7 结 语 要解决 10号钢在通用继电器上的应 用 首先必须有良好的热处理设备作保证 所谓良好的设备应具备如下特性 a 气体保护功能 气体 氮气和氢气混 合气或纯氢气 保护不仅可以为 10 号钢脱 碳和除杂提供可靠保障 还能大大降低表面 处理成本 b 温度控制功能 精确和多功能的温 度控制功能 为实现科学合理的工艺规范提 供保障 含碳量 0 08 的 10 号钢 采用普 通箱式炉处理能达到的指标是 样件矫顽力 Hc 120A m 零件矫顽力Hc
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