熱處理和冷變形量對定膨脹合金4J32C線膨脹系數(shù)的影響

王方軍， 王東哲， 萬 紅， 時 瑤， 沈 濤

(1. 重慶材料研究院有限公司， 重慶 400707；2. 國家儀表功能材料工程技術(shù)研究中心， 重慶 400707)

1 試驗材料與方法

采用真空感應(yīng)熔煉+電渣重熔的冶煉方法，制備了直徑φ400 mm的合金鋼錠，通過鍛造、熱軋、冷軋等變形工藝，獲得厚度為14 mm的板材。膨脹系數(shù)測試試樣尺寸均為φ6 mm×25 mm，對板材試樣進(jìn)行不同工藝的固溶處理、穩(wěn)定化處理及冷軋變形，研究固溶溫度、穩(wěn)定化工藝及冷變形量對膨脹系數(shù)的影響，具體工藝見表1。

表1 熱處理工藝

通過ICP-AES801發(fā)射光譜儀、HCS-140紅外碳硫分析儀以及電感耦合電離子體質(zhì)譜儀等分析了制備合金的化學(xué)成分，如表2所示。采用OLYMPUS-GX51光學(xué)顯微鏡分析合金的顯微組織，試樣的平均線膨脹系數(shù)用TMA 402 F3熱機械分析儀完成，檢測試樣膨脹性能之前，測量石英標(biāo)塊進(jìn)行基線校準(zhǔn)。

表2 4J32C合金的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)

2 試驗結(jié)果及討論

2.1 固溶處理對線膨脹系數(shù)的影響

4J32C合金試樣經(jīng)700～900 ℃不同溫度固溶處理1 h+310 ℃×4 h穩(wěn)定化熱處理后的熱膨脹曲線和線膨脹系數(shù)如圖1所示，固溶溫度與平均線膨脹系數(shù)的關(guān)系如圖2所示。

圖1 不同固溶溫度下4J32C合金試樣的膨脹曲線Fig.1 Expansion curves of the 4J32C alloy specimens at different solution treatment temperatures(a) SO-1; (b) SO-2; (c) SO-3; (d) SO-4; (e) SO-5

圖2 4J32C合金平均線膨脹系數(shù)與固溶溫度的關(guān)系Fig.2 Relationship between solution treatment temperature and average linear expansion coefficient of the 4J32C alloy

10-6℃-1，但隨著固溶溫度進(jìn)一步升高，線膨脹系數(shù)有所增大。這可能是由于在700～850 ℃溫度范圍內(nèi)，固溶溫度的升高導(dǎo)致合金的微觀組織更加均勻，結(jié)構(gòu)更加穩(wěn)定，使得合金的磁致收縮能力有所加強，從而導(dǎo)致合金的線膨脹系數(shù)降低。類似研究[10]也表明，原始材料經(jīng)過特定溫度退火后，內(nèi)部位錯密度大幅度降低，同時部分溶質(zhì)原子析出(析出密度遠(yuǎn)小于原始材料中Cottrell氣團(tuán)的密度)，對磁疇翻轉(zhuǎn)的約束將顯著降低，磁致收縮有效地抵消了正常點陣的伸縮，因此獲得了較低的室溫線膨脹系數(shù)。但是當(dāng)固溶溫度進(jìn)一步升高時，合金的晶粒會逐漸長大，合金的組織結(jié)構(gòu)又會向不穩(wěn)定的方向發(fā)展，因此線膨脹系數(shù)會逐漸回升。即當(dāng)固溶溫度在700～850 ℃范圍時，影響4J32C合金線膨脹系數(shù)的主導(dǎo)因素是磁致收縮，而當(dāng)固溶溫度在850～900 ℃范圍時，影響4J32C合金線膨脹系數(shù)的主導(dǎo)因素是點陣伸縮。

2.2 穩(wěn)定化處理對線膨脹系數(shù)的影響

4J32C合金試樣經(jīng)800 ℃×1 h固溶處理后，再分別經(jīng)310 ℃×4 h、310 ℃×4 h+98 ℃×48 h和500 ℃×2.5 h穩(wěn)定化處理后的膨脹曲線如圖3所示。

圖3 不同穩(wěn)定化處理4J32C合金試樣的膨脹曲線Fig.3 Expansion curves of the 4J32C alloy specimens under different stabilization treatments (a) ST-1; (b) ST-2; (c) ST-3

2.3 冷變形量對線膨脹系數(shù)的影響

800 ℃×1 h固溶處理4J32C合金試樣，經(jīng)12%、15%、20%、30%和35%的變形量冷軋及310 ℃×4 h穩(wěn)定化處理后的膨脹曲線如圖4所示，線膨脹系數(shù)隨冷變形量的變化如圖5所示。

圖4 不同冷變形量下4J32C合金試樣的膨脹曲線Fig.4 Expansion curves of the 4J32C alloy specimens under different cold deformation(a) CR-0; (b) CR-12; (c) CR-15; (d) CR-20; (e) CR-30; (f) CR-35

圖5 4J32C合金的平均線膨脹系數(shù)與冷變形量的關(guān)系Fig.5 Relationship between average linear expansion coefficient and cold deformation of the 4J32C alloy

圖6顯示了不同冷變形試樣經(jīng)穩(wěn)定化處理后的顯微組織。觀察金相照片可知，不同變形量下，合金的顯微組織呈現(xiàn)相似的形貌，平均晶粒度均為9.0級。原因在于，固溶處理后4J32C合金熱軋板坯組織足夠均勻、致密、穩(wěn)定，適當(dāng)?shù)睦浼庸げ蛔阋云茐暮辖鸬慕M織結(jié)構(gòu)，因此也就不會明顯改變合金的平均線膨脹系數(shù)[1]。

圖6 不同冷變形量下4J32C合金試樣的顯微組織Fig.6 Microstructure of the 4J32C alloy specimens under different cold deformation(a) CR- 0; (b) CR-12; (c) CR-15; (d) CR-20; (e) CR-30; (f) CR-35

3 結(jié)論

1) 隨著固溶溫度的升高，4J32C合金的平均線膨脹系數(shù)逐漸降低，在850 ℃時達(dá)到最低值，隨后繼續(xù)升高固溶溫度，線膨脹系數(shù)略有增大。

2) 延長穩(wěn)定化處理時間或提高穩(wěn)定化處理溫度，可以適當(dāng)增加4J32C合金的平均線膨脹系數(shù)，尤其是當(dāng)穩(wěn)定化處理溫度達(dá)到500 ℃時，合金的平均線膨脹系數(shù)提高較明顯。

3) 當(dāng)冷變形量≤35%時，經(jīng)穩(wěn)定化處理后，4J32C合金的線膨脹系數(shù)不會發(fā)生明顯的改變，但當(dāng)冷變形量為20%時，合金的平均線膨脹系數(shù)最小。