提高45Mn17Al3钢磁导率性能的生产实践

张宇斌， 张志波， 范光伟

（山西太钢不锈钢股份有限公司技术中心， 山西 太原 030003）

生产实践·应用技术

提高45Mn17Al3钢磁导率性能的生产实践

张宇斌， 张志波， 范光伟

（山西太钢不锈钢股份有限公司技术中心， 山西 太原 030003）

分析了影响45Mn17Al3钢磁导率性能的主要因素。通过工业试验确定了合理的化学成分、热处理工艺制度及试样表面加工要求等。试验结果表明，45Mn17Al3钢在800、4 000及8 000 A/m三个磁场强度下，相对磁导率μr≤1.005，满足了某些特殊工程对磁性能的较高要求。

45Mn17Al3钢 磁导率 化学成分 热处理工艺 表面加工要求

45Mn17Al3钢属于中C、Fe-Mn-Al系奥氏体钢，钢中不含Cr、Ni等昂贵元素，并具有在强磁场中不易被磁化的特点，作为一种经济的低磁结构钢，主要用于防止产生各种电磁干扰的低磁构件及工程，如造船行业和低磁建筑工程等。

一般情况下，按照GJB 934—1990《45Mn17Al3低磁钢钢板》标准要求，45Mn17Al3钢在800、4 000及8 000 A/m三个磁场强度下，同时满足相对磁导率μr≤1.2要求，即可满足舰船及其他低磁结构件的设计要求。但对于某些特殊工程，为了保证工程运行的安全性及准确性，45Mn17Al3钢必须同时满足在上述三个磁场强度下，相对磁导率μr≤1.005设计要求，磁性能要求极高，给生产带来了较大的难度。为了满足工艺技术要求，开展提高45Mn17Al3钢磁性能的工艺研究与生产实践，取得了较好效果。

1 磁导率影响因素分析

当Fe-Mn-Al三元合金系处于单相奥氏体区域时，其相对磁导率μr较低。为了降低45Mn17Al3钢的相对磁导率μr，提高其磁性能，主要围绕钢的成分及成品热处理工艺等开展工艺研究与试验。

1.1 成分影响

1.1.1 主要元素作用[1]

C常温时，只有w（Mn）超过30%时才能得到单相奥氏体钢。此种Mn-Fe二元合金的稳定性较低，没有实际使用价值，在二元合金中加入C，可明显扩大奥氏体相区，使得在较低的Mn含量下得到稳定的奥氏体。

Mn在钢中大多固溶于奥氏体中，形成代位式固溶体，Mn具有面心立方的晶体结构，其原子与铁原子之间有较强的金属键作用，故作为合金元素加入钢中，可以在较宽的成分范围内形成稳定的奥氏体，是仅次于Ni的奥氏体形成元素。

Al是扩大铁素体相区的元素，但在高锰钢中，一定量的Al可起到提高层错能从而稳定奥氏体的作用。

1.1.2 成分控制要求

图1为1 000℃时Fe-Mn-Al三元合金系等温截面图[2]。Fe-Mn-Al系钢的基本成分主要由三元系状态图决定。可见，提高Mn含量、降低Al含量，可使合金处于单相奥氏体状态。

图1 1 000℃时Fe-Al-Mn等温截面图

1.2 热处理工艺影响

1.2.1 热处理温度影响

热处理工艺是决定钢组织的关键因素之一。下页图2示出了Fe-Mn-Al三元合金系从室温至1 100℃时的立体状态图[2]。可见，在低温时，奥氏体单相区域移向高锰高铝侧，（α+γ）两相共存区域较高温时趋向变宽。因此，为确保常温下具有单相奥氏体组织，应选取较高的热处理温度，保证在高温状态下45Mn17Al3完全转变为单相奥氏体组织。

图2 Fe-Al-Mn三元合金系相图

1.2.2 冷却工艺影响

图3示出Fe-Mn合金等温转变曲线[3]。由图3可见，当临界冷却速度降低到一定程度时，在奥氏体组织中会析出碳化物和形成α组织。碳化物相及α组织的存在会降低磁性能。因此，为确保常温下形成单相奥氏体组织，热处理过程应保证有较高的冷却速度。图4示出不同冷却速度时组织及磁导率性能[4]。由图4可见，当以单相奥氏体组织存在时，具有较高的相对磁导率性能；当γ组织中析出碳化物时磁导率性能有一定程度的降低；形成α组织时，相对磁导率性能进一步恶化。

图3 Fe-18Mn-0.65C合金等温转变曲线

2 大生产试验

2.1 关键设备及流程

1)关键设备。冶炼系统：80 tEBT电炉、LF/VD精炼炉及7.2 t下注模铸扁锭；初轧系统：1 000 mm初轧机，坯料规格170 mm×1 000 mm×1 900 mm；成品系统：2 300 mm二辊/四辊双机架中板轧机、50 m常化炉及18 m淬火机等

2）试验规格。（6.0～20.0）×（1 800～2 000）×（6 000～8 000）（mm）

图4 等温热处理对磁导率的影响

3）工艺流程。EBT电炉冶炼→LF钢包精炼→VD真空处理→模铸扁锭→初轧机开坯→堆冷→中板轧制→热处理→检验。

2.2 工艺实践

2.2.1 化学成分控制

由前面分析可知，在1 000℃高温下，对于Fe-Mn-Al系三元合金，提高钢中Mn含量、降低Al含量，可使合金处于单相奥氏体状态。高温下单相奥氏体组织的形成，成分控制起到重要作用。对45Mn17Al3钢的成分重新制定了控制范围，由工艺改进前的成分控制按中线要求，调整为对C、Mn等奥氏体形成元素在标准范围内按中上限控制，Al及Si等铁素体形成元素在标准范围内按中下限控制，见表1。

表1 45Mn17Al3钢标准与内控成分要求 %

2.2.2 热处理工艺控制

由前面分析可见，45Mn17Al3钢采用较高的热处理温度及较快的冷却速度，可使常温下形成单相奥氏体组织，具有低的相对磁导率。

大生产试验制订了两种热处理制度，即930～950℃和970～1 000℃，冷却方式全部采用水冷。当热处理试验采用温度970～1 000℃结合水冷工艺，成品相对磁导率性能合部满足μr≤1.005要求。由于热处理温度太高，奥氏体晶粒比较粗大，钢板上下两面并伴有轻微脱碳现象，成品力学性能指标，尤其是屈服强度接近标准的下限、甚至部分批次出现不合格，且6～8 mm薄板因热处理过程热应力大，使板形劣化严重。当热处理试验采用温度930～950℃结合水冷工艺，成品相对磁导率性能合部满足μr≤1.005要求，力学性能指标全部满足标准要求，且有一定的富裕量。6～8 mm薄板仍然存在因热处理过程热应力大使板形劣化的问题。对于6～8 mm薄板，进一步采用了温度930～950℃、冷却方式改为空冷的热处理制度，成品相对磁导率性能全部满足μr≤1.005要求，力学性能指标全部满足标准要求，且成品板形控制良好。

通过试验，确定45Mn17Al3钢大生产最佳热处理工艺制度为：温度为930～950℃；厚度规格大于8 mm钢板冷却方式为水冷，6～8 mm薄板冷却方式为空冷。

2.2.3 试样表面状态控制

为了考查试样表面氧化铁皮、加工应力对磁导率性能的影响，对不同表面状态下磁性试样进行了磁导率性能的测试，如表2所示。

表2 不同表面状态下试样的磁导率性能

由此可见，氧化铁皮对磁导率性能影响较大；表面加工应力对磁导率性能影响程度不大；无应力状态试样所测磁导率值可以反映实际的相对磁导率性能。

大生产磁导率试样加工可以采用热处理后再机加工的方式，但必须保证表面不带氧化铁皮。

2.3 试验效果

试验前后不同工艺控制与成品相对磁导率μr性能的检测情况，如表3所示。

对2015年工艺试验前后成品磁性能进行了统计，全年共生产6.0～20.0 mm不同规格45Mn17Al3钢板306批。工艺试验前生产了170批，其中在800、4 000及8 000 A/m三个磁场强度下，相对磁导率μr≤1.005有63批，占比37%。工艺试验后生产了136批，其中在800、4 000及8 000 A/m三个磁场强度下，相对磁导率μr≤1.005有132批，占比97%。工艺试验后磁性能提高了60%，达到了较好的水平。可见，试验过程对成分及热处理制度的工艺设计是合理的。

表3 不同工艺控制与成品磁性能的情况

3 结论

1）钢的成分控制及热处理工艺制度是影响45Mn17Al3钢磁性能的主要因素。

2）通过采取合理控制合金成分、制订最佳热处理工艺制度及加强试样表面管理等措施，45Mn17Al3钢板在800、4 000及8 000 A/m三个磁场强度下的相对磁导率μr达到1.005以下。产品满足了某些特殊工程对产品磁性能的较高要求。

[1] 孙珍宝，朱谱藩，林慧国，等.合金钢手册（上册）[M].北京：冶金工业出版社，1984：50-68.

[2] 田中克彦，佐藤一則，上野学，等.高マンガンー高アルミニウム鋼の三元系状態図と熱処理組織[J].鉄与鋼，1984，70（13）：401.

[3] 加藤哲男，藤倉正国，矢萩慎一郎，等.高マンガン非磁性材料RM711の透磁率に及ぼす諸因子について [J].電気製鋼，1978，49（2）：90-99.

[4] 加藤哲男，藤倉正国，矢萩慎一郎，等.高マンガン非磁性材料RM711の透磁率に及ぼす諸因子について [J].電気製鋼，1978，49（2）：90-99.

（编辑：苗运平）

Production Practice of 45Mn17Al3 Steel in Increasing Magnetic Performance

Zhang Yubin,Zhang Zhibo,Fan Guangwei
（Technology Center of Shanxi Taigang Stainless Steel Co.,Ltd.,Taiyuan Shanxi 030003）

The main influence factors of magnetic permeability of 45Mn17Al3 steel have been analyzed.Reasonable chemical composition,heat treatment process and sample surface processing requirements have been confirmed through industrial experiment.The results show that the relative magnetic permeability of 45Mn17Al3 steel is not more than 1.005 in magnetic field intensity of 800,4 000 and 8 000A/m,which can satisfy some special engineering requirement that demands higher magnetic performance.

45Mn17Al3 steel,magnetic permeability,chimerical composition,heat treatment process,surface processing requirements

TN491

A

1672-1152（2017）01-0075-03

10.16525/j.cnki.cn14-1167/tf.2017.01.30

2016-10-17

张宇斌（1972—），男，工程师，1997年毕业于太原理工大学，从事高锰钢工艺研究。