热处理和冷变形量对定膨胀合金4J32C线膨胀系数的影响

王方军， 王东哲， 万 红， 时 瑶， 沈 涛

(1. 重庆材料研究院有限公司， 重庆 400707；2. 国家仪表功能材料工程技术研究中心， 重庆 400707)

1 试验材料与方法

采用真空感应熔炼+电渣重熔的冶炼方法，制备了直径φ400 mm的合金钢锭，通过锻造、热轧、冷轧等变形工艺，获得厚度为14 mm的板材。膨胀系数测试试样尺寸均为φ6 mm×25 mm，对板材试样进行不同工艺的固溶处理、稳定化处理及冷轧变形，研究固溶温度、稳定化工艺及冷变形量对膨胀系数的影响，具体工艺见表1。

表1 热处理工艺

通过ICP-AES801发射光谱仪、HCS-140红外碳硫分析仪以及电感耦合电离子体质谱仪等分析了制备合金的化学成分，如表2所示。采用OLYMPUS-GX51光学显微镜分析合金的显微组织，试样的平均线膨胀系数用TMA 402 F3热机械分析仪完成，检测试样膨胀性能之前，测量石英标块进行基线校准。

表2 4J32C合金的化学成分(质量分数，%)

2 试验结果及讨论

2.1 固溶处理对线膨胀系数的影响

4J32C合金试样经700～900 ℃不同温度固溶处理1 h+310 ℃×4 h稳定化热处理后的热膨胀曲线和线膨胀系数如图1所示，固溶温度与平均线膨胀系数的关系如图2所示。

图1 不同固溶温度下4J32C合金试样的膨胀曲线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

图2 4J32C合金平均线膨胀系数与固溶温度的关系Fig.2 Relationship between solution treatment temperature and average linear expansion coefficient of the 4J32C alloy

10-6℃-1，但随着固溶温度进一步升高，线膨胀系数有所增大。这可能是由于在700～850 ℃温度范围内，固溶温度的升高导致合金的微观组织更加均匀，结构更加稳定，使得合金的磁致收缩能力有所加强，从而导致合金的线膨胀系数降低。类似研究[10]也表明，原始材料经过特定温度退火后，内部位错密度大幅度降低，同时部分溶质原子析出(析出密度远小于原始材料中Cottrell气团的密度)，对磁畴翻转的约束将显著降低，磁致收缩有效地抵消了正常点阵的伸缩，因此获得了较低的室温线膨胀系数。但是当固溶温度进一步升高时，合金的晶粒会逐渐长大，合金的组织结构又会向不稳定的方向发展，因此线膨胀系数会逐渐回升。即当固溶温度在700～850 ℃范围时，影响4J32C合金线膨胀系数的主导因素是磁致收缩，而当固溶温度在850～900 ℃范围时，影响4J32C合金线膨胀系数的主导因素是点阵伸缩。

2.2 稳定化处理对线膨胀系数的影响

4J32C合金试样经800 ℃×1 h固溶处理后，再分别经310 ℃×4 h、310 ℃×4 h+98 ℃×48 h和500 ℃×2.5 h稳定化处理后的膨胀曲线如图3所示。

图3 不同稳定化处理4J32C合金试样的膨胀曲线Fig.3 Expansion curves of the 4J32C alloy specimens under different stabilization treatments (a) ST-1; (b) ST-2; (c) ST-3

2.3 冷变形量对线膨胀系数的影响

800 ℃×1 h固溶处理4J32C合金试样，经12%、15%、20%、30%和35%的变形量冷轧及310 ℃×4 h稳定化处理后的膨胀曲线如图4所示，线膨胀系数随冷变形量的变化如图5所示。

图4 不同冷变形量下4J32C合金试样的膨胀曲线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

图5 4J32C合金的平均线膨胀系数与冷变形量的关系Fig.5 Relationship between average linear expansion coefficient and cold deformation of the 4J32C alloy

图6显示了不同冷变形试样经稳定化处理后的显微组织。观察金相照片可知，不同变形量下，合金的显微组织呈现相似的形貌，平均晶粒度均为9.0级。原因在于，固溶处理后4J32C合金热轧板坯组织足够均匀、致密、稳定，适当的冷加工不足以破坏合金的组织结构，因此也就不会明显改变合金的平均线膨胀系数[1]。

图6 不同冷变形量下4J32C合金试样的显微组织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 结论

1) 随着固溶温度的升高，4J32C合金的平均线膨胀系数逐渐降低，在850 ℃时达到最低值，随后继续升高固溶温度，线膨胀系数略有增大。

2) 延长稳定化处理时间或提高稳定化处理温度，可以适当增加4J32C合金的平均线膨胀系数，尤其是当稳定化处理温度达到500 ℃时，合金的平均线膨胀系数提高较明显。

3) 当冷变形量≤35%时，经稳定化处理后，4J32C合金的线膨胀系数不会发生明显的改变，但当冷变形量为20%时，合金的平均线膨胀系数最小。