無磁鋼按使用性能劃分，可分為奧氏體無磁不銹鋼和無磁結(jié)構(gòu)鋼.
無磁結(jié)構(gòu)鋼多采用Fe－Mn系無磁鋼，主要利用較高的Mn、C含量在室溫即獲得奧氏體組織，主要包括Fe－Mn、Fe－Mn－Cr和Fe－Mn－Al系無磁結(jié)構(gòu)鋼。
Fe－Mn系無磁結(jié)構(gòu)鋼
工業(yè)上曾使用的第一種奧氏體鋼是1882年英國冶金學(xué)家RobertHadfield所開發(fā)的一種含錳鋼，基本成分為11%～14%Mn，0.9%～1.4%C，該鋼水淬后因具有良好的強度和韌性匹配，以及較高的耐磨性和加工硬化能力，得以廣泛應(yīng)用，因此這種含錳鋼也被命名為Hadfield鋼。
對于一些只要求高強高韌、無磁性而對不銹性能要求不高的零部件，為進一步降低這類無磁結(jié)構(gòu)鋼的生產(chǎn)成本，通常只依靠足夠的Mn和C(或N)含量來擴大奧氏體相區(qū)，穩(wěn)定室溫奧氏體組織。
在Fe－Mn系合金的基礎(chǔ)上，又逐漸發(fā)展出Fe－Mn－Cr系、Fe－Mn－Al系等多個系列的高錳奧氏體無磁鋼。
與此同時，北京鋼鐵學(xué)院針對強化無鎳Fe－Mn和Fe－Mn－Cr系高錳無磁鋼經(jīng)過熱軋或熱鍛后利用冷加工硬化和時效硬化的強化效果及其對磁導(dǎo)率的影響進行了專門研究，提出冷加工硬化和時效硬化綜合利用提高材料性能的方案，即采用半熱鍛(溫加工)或鍛后直接時效處理，通過冷加工變形使奧氏體晶粒內(nèi)部產(chǎn)生滑移帶，改善碳化物的析出部位，使其更加均勻彌散，以獲得良好的強塑性匹配。
德國是最早對無磁鋼進行研究并且將無磁鋼單獨標(biāo)準(zhǔn)化的國家之一，德國鋼鐵協(xié)會推薦的Fe－Mn－C系無磁鋼牌號為X120Mn12和X35Mn18，并給出了相應(yīng)的熱加工和水淬溫度，經(jīng)過不同的熱處理工藝，得到無磁鋼的屈服強Rp0.2為250MPa～600MPa，抗拉強度Rm為700MPa～900MPa，延伸率A為30%～40%，磁導(dǎo)率μ≤1.03，經(jīng)冷變形強化后，磁導(dǎo)率μ升高到1.05～1.10。
阿塞洛米塔爾(ArcelorMittal)鋼鐵公司與蒂森－克虜伯(TyhssenKrupp)鋼鐵公司合作開發(fā)Fe－Mn－C系高錳鋼的冶煉工藝、成分設(shè)計和熱加工處理等技術(shù)，成功將Fe-23Mn-0.6C高錳奧氏體鋼板帶材商業(yè)化，室溫屈服強度599MPa，抗拉強度1162MPa，均勻延伸率達52.8%。
S.Allain等提出了Fe－Mn－C系奧氏體鋼的層錯能計算模型，利用該模型準(zhǔn)確預(yù)測了Fe－22Mn－0.6C鋼在不同溫度下的變形機制，認為當(dāng)層錯能≤18mJ/mol時，變形過程將發(fā)生ε－馬氏體相變;當(dāng)層錯能在12mJ/mol～35mJ/mol時，變形過程中將產(chǎn)生形變孿晶。
O.Bouaziz等介紹了Nb、V、Ti的添加對于Fe－(17～22)Mn－(0.6～0.9)C冷軋和退火奧氏體鋼屈服強度增量的影響，認為當(dāng)微合金元素添加量＜0.1%時，強化效果Ti＞V＞Nb。
在20世紀(jì)后半葉，由于電子信息產(chǎn)業(yè)高速發(fā)展和發(fā)電機、電動機組制造產(chǎn)生的強有力的推動作用，日本對高錳無磁結(jié)構(gòu)鋼也進行過大量系統(tǒng)的研究，發(fā)現(xiàn)Mn13鋼的韌性和焊接性差，無磁性也不穩(wěn)定，認為應(yīng)該在此基礎(chǔ)上發(fā)展高Mn低C無磁結(jié)構(gòu)鋼。Mn含量提高有利于保證磁導(dǎo)率穩(wěn)定且處于較低水平;降低C含量有利于改善焊接性能，同時大大降低無磁結(jié)構(gòu)鋼的線膨脹系數(shù);加入適量的Cr可提高鋼材的耐蝕性。
行方二郎對高強度低磁鋼，包括高Ni、高Mn－C、高Cr－Ni、高Mn－Cr以及高Mn－Cr－Ni系低磁鋼的強化方法及其材料性能進行了論述，給出了Fe－Mn－C和Fe－Mn－Cr系低磁鋼保持低磁性的合金成分范圍，并在研究含V低磁鋼過程中發(fā)現(xiàn)，添加V能使奧氏體無磁鋼呈現(xiàn)顯著的析出硬化現(xiàn)象，與Nb、Ti等其它微合金元素相比，V的碳化物更容易高溫固溶于奧氏體基體。時效過程中微細的VC彌散析出，與母相之間的共格性導(dǎo)致內(nèi)部應(yīng)變場的產(chǎn)生，使屈服強度達到980MPa以上，同時使基體的延性和韌性維持在一定程度，磁導(dǎo)率也保持在較低水平。
前蘇聯(lián)研究人員也開發(fā)和應(yīng)用了大量的無磁鋼鐵材料，針對Fe－Mn－C系高錳無磁鋼的研究中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)C含量在0.9%～1.2%，Mn含量在22%～30%之間時，隨著C、Mn含量的增加，實驗鋼在4K～293K溫度區(qū)間的力學(xué)性能得到提高，磁導(dǎo)率降低。A.Dumay等通過熱力學(xué)模型計算，研究了Cu、Cr、Al和Si的添加對于Fe－Mn－C系合金的層錯能的影響規(guī)律，結(jié)果表明隨著Cr含量的提高，層錯能下降。
Fe－Mn－Cr系無磁鋼
Fe－Mn－Cr系高錳無磁結(jié)構(gòu)鋼的典型合金成分為18Mn－4Cr，即w(C)=0.3%～0.5%、w(Si)=0.3%～0.8%、w(Mn)=17.0%～19.0%、w(Cr)=3.0%～5.0%、w(P)≤0.04%、w(S)≤0.03%，因其良好的力學(xué)性能，曾一度作為大型發(fā)電機護環(huán)用無磁結(jié)構(gòu)鋼，但當(dāng)工作環(huán)境中存在腐蝕性介質(zhì)(包括普通水)時容易發(fā)生應(yīng)力腐蝕開裂，近30年來逐步被不含Ni的18Cr－18Mn－N無磁不銹鋼取代作為發(fā)電機護環(huán)的主要制造材料。
然而，前者由于Cr含量相對較低而且不需要額外添加N來穩(wěn)定奧氏體，具有生產(chǎn)成本低廉，冶煉工藝相對簡單的優(yōu)勢，所以仍可用作無腐蝕環(huán)境下令人滿意的無磁鋼鐵結(jié)構(gòu)材料。
K.Sipos等對奧氏體預(yù)變形對于Fe－20Mn－4Cr－C鋼力學(xué)性能的影響和應(yīng)變誘導(dǎo)馬氏體相變進行了研究，結(jié)果表明，應(yīng)變誘導(dǎo)ε馬氏體相變增加鋼材的低溫脆性斷裂傾向。當(dāng)溫度為373K和773K時，對奧氏體進行預(yù)變形后，鋼的拉伸性能顯著提高。預(yù)變形產(chǎn)生的形變孿晶和位錯亞結(jié)構(gòu)對ε馬氏體板條的生長起阻礙作用，減少了拉伸變形過程中ε馬氏體的生成數(shù)量，從而提高了鋼的低溫韌性。J.Kriz等針對不同C和V含量的高錳奧氏體鋼(Mn18Cr4Ni)的析出硬化動力學(xué)進行了研究，指出當(dāng)V含量＜2.5%時，該鋼可以通過析出硬化作為高強度低磁材料使用，但強度硬度提高的同時，塑性會有一定程度的降低。550℃時效，析出十分緩慢，可以忽略;650℃時效，在時效開始0.5h之內(nèi)，析出就會以較高速率進行。
O.I.Balyts＇kyi綜述了各國關(guān)于18Mn－4Cr高強度護環(huán)用無磁結(jié)構(gòu)鋼的化學(xué)成分和力學(xué)性能的研究結(jié)果，指出一定量的Cr能提高鋼的屈服強度。18Mn－4Cr鋼在550℃熱處理時，斷裂韌性達到最低值。當(dāng)鋼中V含量在1.3～1.5%時，強度和韌性的匹配達到最佳效果。對于40Mn18Cr4鋼，不能通過冷拉伸變形進行強化，因為在冷變形過程中具有強烈地形成α＇馬氏體的傾向，而熱變形過程中，形變孿晶受到抑制，主要形成大量的位錯亞結(jié)構(gòu)。
與40Mn18Cr4相比，50Mn18Cr4變形過程中更易形成形變孿晶，在550℃～950℃時效過程中，碳化物沿奧氏體晶界析出。18Mn－4Cr鋼在有水存在環(huán)境下對腐蝕開裂更為敏感，應(yīng)盡力保證服役環(huán)境的干燥。加入0.4%Cu能增加奧氏體的穩(wěn)定性，使磁導(dǎo)率μ值保持在1.003～1.01范圍內(nèi)。
E.S.Gorkunov等研究了具有不同奧氏體穩(wěn)定性的Fe－Mn和Fe－Mn－Cr系無磁鋼經(jīng)過室溫單向拉伸和扭轉(zhuǎn)變形后磁學(xué)性能的演變。結(jié)果表明，與03Mn20、03Mn22Cr13鋼相比，30Mn21Cr4無磁鋼中奧氏體組織最為穩(wěn)定，室溫拉伸變形中不形成α＇馬氏體，生成的ε馬氏體的含量約為12%。并指出原始狀態(tài)的30Mn21Cr4無磁鋼為抗磁性，磁化率為－6.5×10－3，但隨著剪切變形量的逐漸增大，該鋼開始表現(xiàn)順磁性，磁化率達到4.3×10－3，這與變形過程中生成的順磁性的ε馬氏體的數(shù)量有關(guān)。
日本神戶鋼鐵公司開發(fā)了一種易切削的高錳無磁鋼板KNM－295M，其主要成分為w(C)=0.25%、w(Mn)=25.0%、w(Cr)=5.0%，該鋼無磁性能穩(wěn)定，當(dāng)冷變形達到40%時，磁導(dǎo)率μ值仍保持在1.002左右;鉆孔性能良好，相當(dāng)于傳統(tǒng)高C高Mn無磁鋼的30倍以上;線膨脹系數(shù)相當(dāng)于普通奧氏體不銹鋼的2/3左右，適合應(yīng)用于各種發(fā)電機、電動機、變壓器等強電設(shè)備的結(jié)構(gòu)材料以及鉆孔量大的部件或不希望出現(xiàn)熱伸縮的部件。
另外，日本研究了30種不同成分的低碳錳系奧氏體極低溫?zé)o磁鋼，最佳成分牌號為Mn35Cr5，在－170℃時屈服強度380MPa，伸長率為60%。可其屈服強度較低，如果采用控軋控冷工藝，由于位錯強化，可使該鋼強度提高，韌性略有下降。
中國護環(huán)用鋼主要包括4個鋼號，即40Mn18Cr4、50Mn18Cr4、50Mn18Cr4N、50Mn18Cr4WN，經(jīng)變形強化后，Rp0.2可達1100MPa。此外，40Mn18Cr3和55Mn18Cr3兩種仿制的大型發(fā)電機護環(huán)用無磁結(jié)構(gòu)鋼主要作為利用半熱鍛形變強化工藝制造護環(huán)材料，將40Mn18Cr3鋼中C含量提高到0.45%～0.65%，可使形變強化率得到有效改善。其半熱鍛最佳溫度區(qū)間為550℃～600℃，變形量為30%，此時的形變強化方式以滑移、塊移和蠕變?nèi)N方式同時進行。
馬如璋和王世亮對Fe－Mn－C和Fe－Mn－Cr系合金中馬氏體相變進行了研究。通過反復(fù)高溫淬火工藝，發(fā)現(xiàn)γ→ε馬氏體相變形核地點具有繼承性，直接證明了此相變?yōu)榉蔷鶆蛐魏耍⑶以诜磸?fù)相變過程中，ε馬氏體數(shù)量顯著變化，但鐵磁性相α＇馬氏體的數(shù)量幾乎不變。王敏等開發(fā)了50Mn18Cr4V作為電機專用低磁材料，通過合理的熱處理制度形成均勻彌散的VC析出物，使材料的屈服強度最高達到800MPa，抗拉強度達到1200MPa，相對磁導(dǎo)率低于1.02。
Fe－Mn－Al系無磁鋼
20世紀(jì)30年代，提出以錳代鎳，以鋁代鉻的Fe－Mn－Al－C系合金，是作為非腐蝕環(huán)境下部分替代較為昂貴的Cr－Ni系奧氏體不銹鋼而產(chǎn)生的。由于具有高強度、無磁性、抗氧化、耐腐蝕、低密度和低成本等一系列優(yōu)點而受到世界各國材料科學(xué)研究者的普遍重視。
1958年，Ham及Cairns等研究了合金成分為Fe－34Mn－10Al－0.76C的超高Mn－Al－C鋼，其抗拉強度達到750MPa，同時延伸率達到了70%。
Sato等于1989年研究了Fe－20/30Mn－0/7Al奧氏體鋼在－196℃～25℃范圍內(nèi)的變形后的微觀組織，發(fā)現(xiàn)鋼中Al的加入將會抑制γ→ε的馬氏體相變，同時促進了變形過程中形變孿晶的形成。
實驗結(jié)果表明，具有較高Mn含量以及Al含量的鋼種在層錯能γ大約在20mJ/m2時變形過程中更容易形成形變孿晶而不是γ→ε的馬氏體相變。
隨著汽車工業(yè)的飛速發(fā)展以及未來汽車制造正朝著輕量化、安全性和低能耗的方向發(fā)展，F(xiàn)e－Mn－Al－C鋼一直以來主要設(shè)想作為高強汽車鋼板開發(fā)和應(yīng)用，因此，各國對于Fe－Mn－Al－C系合金的研究工作主要集中在層錯能、力學(xué)性能提高和變形過程中發(fā)生的形變孿晶、γ→ε馬氏體相變等變形機制的探討，而對其無磁性能的研究相對較少。
20世紀(jì)60年代，張彥生、師昌緒提出以較高的Mn含量替代Ni來穩(wěn)定奧氏體，并加入少量Al抑制γ→ε馬氏體相變，在配制30個不同成分的Fe－Mn－Al系高錳奧氏體鋼的基礎(chǔ)上研究了其組織結(jié)構(gòu)、高低溫瞬時力學(xué)性能、時效性能及抗氧化性能，并指出利用適量的C、Si元素，22%～25%Mn和2.5%～4%Al的合金成分范圍發(fā)展低溫?zé)o磁鋼的可能性。
對Fe－Mn及Fe－Mn－Al系高錳奧氏體鋼的深入研究主要集中在二十世紀(jì)八十至九十年代，不僅其低溫斷裂行為進行了系統(tǒng)的研究，而且還深入地探討了系列高錳奧氏體鋼的磁性轉(zhuǎn)變、低溫組織和力學(xué)行為、變形及開裂機制、組織穩(wěn)定性及形變硬化行為等重要問題。李依依等對Fe－Mn－Al系相圖的系統(tǒng)研究，證實高錳奧氏體鋼中反鐵磁轉(zhuǎn)變點的存在，觀察到此類合金中ε－馬氏體層錯重疊的極軸形核長大機制，這不僅為發(fā)展超低溫高強無磁鋼提供了科學(xué)依據(jù)，而且對低溫鋼的合金化和馬氏體相變的研究具有重要意義。
15Mn26Al4低溫?zé)o磁鋼具有一定的強度、韌性和耐蝕性，但最主要的是具有較好的奧氏體組織穩(wěn)定性，在液氫溫度下使用不至于發(fā)生α＇馬氏體型相變，也不會因形變而誘導(dǎo)產(chǎn)生ε馬氏體相變，使鋼材變脆。在Fe－25Mn鋼中，將Al含量提高到4%，則可以完全避免α＇馬氏體和ε馬氏體相變。研究15Mn26Al4無磁鋼在不同變形量(17%、26%、36%、47%)、固溶、時效和負溫處理(－170℃)對磁導(dǎo)率μ的影響時發(fā)現(xiàn)，隨著變形量的增加，μ值緩慢增加;時效和負溫處理狀態(tài)下，μ值無明顯變化，一般不超過1.005。15Mn26Al4無磁鋼不含Cr和Ni，室溫力學(xué)性能與1Cr18Ni9Ti無磁不銹鋼相當(dāng)，屈服強度稍高，但耐腐蝕性能較差。20Mn23Al無磁鋼在較寬的溫度范圍內(nèi)具有穩(wěn)定的單相奧氏體組織，易于切削和焊接，表面質(zhì)量優(yōu)于15Mn26Al4，因此生產(chǎn)成本更低。
30Mn20Al3和30Mn23Al4Cr5兩個鋼種為中科院金屬研究所張彥生等研制開發(fā)的低溫?zé)o磁鋼。與1Cr18Ni9Ti不銹鋼相比，30Mn20Al3無磁鋼的強度和塑性較高，奧氏體穩(wěn)定性較好，磁導(dǎo)率低而電阻率高，成本只有其1/3左右，可在－196℃使用仍保持較高的低溫性能，在對耐蝕性要求不高的場合能夠完全替代1Cr18Ni9Ti無磁不銹鋼。
在研究過程中發(fā)現(xiàn)，F(xiàn)e－Mn合金中加入Al可以抑制γ→ε及γ→ε→α＇相的轉(zhuǎn)變，使馬氏體轉(zhuǎn)變溫度降低，同時C對于穩(wěn)定奧氏體的作用更為顯著。而30Mn23A14Cr5無磁鋼的低溫韌性較高，低溫奧氏體組織更為穩(wěn)定，時效變脆傾向很小，可應(yīng)用于超導(dǎo)、低溫工程等領(lǐng)域。
秦小梅等研究了30Mn20Al3無磁鋼冷軋板經(jīng)1000℃和800℃固溶處理后的拉伸變形加工硬化行為和組織結(jié)構(gòu)變化。該鋼在變形量較小時，以滑移為主要變形機制;隨著變形量增大，變形機制以形變孿晶與位錯及形變孿晶之間的交互作用為主。
經(jīng)1000℃固溶處理的晶粒尺寸較800℃的大，變形過程中產(chǎn)生的形變孿晶較多，且隨著變形量增加，形變孿晶可持續(xù)形成，表現(xiàn)出較強的TWIP效應(yīng)。Fe－Mn系無磁結(jié)構(gòu)鋼因其不含或含有較少的Ni、Cr元素，不但力學(xué)性能優(yōu)良，而且生產(chǎn)成本低廉，工藝相對簡單，具有良好的市場發(fā)展前景。
| |
|
? 請關(guān)注 微信公眾號: steeltuber. 轉(zhuǎn)載請保留鏈接: http://www.bviltd.cn/Steel-Knowledge/Non-magnetic-structural-steel.html
|