熱處理工藝對氣閥合金NCF3015組織和性能的影響

毛福祥, 蔣邵龍, 劉 偉, 束文武, 王林濤

(江蘇圖南合金股份有限公司, 江蘇 鎮(zhèn)江 212300)

氣閥合金是制造汽車、柴油發(fā)動機(jī)的關(guān)鍵部件,是氣閥門的專用材料。其工作條件惡劣,要求氣閥鋼具有良好的熱強(qiáng)性、熱硬性、疲勞強(qiáng)度、耐磨性和抗腐蝕性等[1]。隨著發(fā)動機(jī)功率與性能的不斷提高,其工作溫度也不斷提高,對氣閥鋼材料的要求越來越高。目前國內(nèi)氣閥制造多用馬氏體鋼和奧氏體耐熱鋼,但是這些材料已經(jīng)不能滿足先進(jìn)發(fā)動機(jī)的要求[2]。NCF3015合金是一種新型鐵鎳基合金,是時效硬化型合金,其性能在鐵基合金和鎳基合金之間,成本較低且性能優(yōu)異[3]。NCF3015氣閥合金具有優(yōu)越的綜合力學(xué)性能,在國外氣閥合金領(lǐng)域應(yīng)用較廣,但是國內(nèi)對該合金的研究文獻(xiàn)資料較少。國內(nèi)胡日等[4]對NCF3015合金熱變形行為進(jìn)行了研究,發(fā)現(xiàn)該合金的適宜熱加工溫度區(qū)間為1050～1150 ℃。本文主要研究該合金小棒材組織狀態(tài)變化規(guī)律,固溶處理后基體組織狀況,固溶時效處理后強(qiáng)化相尺寸變化規(guī)律,不同溫度的合金高溫拉伸性能,以期為該合金在國內(nèi)氣閥合金行業(yè)中的應(yīng)用提供理論依據(jù)。

1 試驗(yàn)材料與方法

本研究使用的試驗(yàn)材料冶煉方式為真空感應(yīng)熔煉加保護(hù)氣氛電渣重熔,電渣鋼錠經(jīng)過擴(kuò)散退火后鍛造開坯至50 mm×50 mm×Lmm,然后使用250軋機(jī)軋制成φ8.5 mm盤條,φ8.5 mm盤條退火后冷拉至φ7.0 mm,再次退火后校直磨光至φ6.4 mm,此時棒材的平均晶粒度為8級。固溶工藝為920～1050 ℃,保溫30 min,水冷;時效工藝為780 ℃×4 h,空冷。本研究使用的試驗(yàn)合金化學(xué)成分見表1。試驗(yàn)過程中采用光學(xué)顯微鏡觀察合金晶粒度,使用掃描電鏡觀察合金微觀組織和析出物,使用萬能拉伸試驗(yàn)機(jī)測試合金的高溫力學(xué)性能。

表1 NCF3015合金的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù),%)

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 不同固溶溫度下合金晶粒長大傾向

固溶處理可以得到過飽和固溶體,便于時效時重新析出強(qiáng)化相。同時,根據(jù)合金的使用溫度,采用不同溫度的固溶處理可以獲得匹配的晶粒組織,以保證合金的使用性能。選擇不同的固溶溫度進(jìn)行合金晶粒長大傾向試驗(yàn),結(jié)果見圖1,固溶溫度在1010 ℃以下,晶粒長大過程較為緩慢,晶粒度都能大于5級,隨著固溶溫度升高到1050 ℃,晶粒度為3級。

從圖2可以看出,隨著固溶溫度的升高,合金的晶粒度逐漸增大。根據(jù)NCF3015合金氣閥的實(shí)際使用工況溫度基本上在600 ℃以下,為使NCF3015合金獲得細(xì)小均勻的晶粒組織,進(jìn)而保證氣閥得到較高的力學(xué)性能,固溶溫度不能超過1010 ℃。

圖2 固溶溫度對NCF3015合金晶粒度的影響Fig.2 Effect of solution temperature on grain size of the NCF3015 alloy

2.2 固溶態(tài)基體組織析出物分析

NCF3015合金棒材經(jīng)950 ℃固溶后,使用掃描電鏡觀察合金棒材基體組織和析出物的分布情況,見圖3?？梢钥闯?經(jīng)950 ℃固溶處理后,NCF3015合金奧氏體基體上存在著塊狀的析出物,從析出物成分看,為Ti和Nb的一次碳化物。Ti和Nb為強(qiáng)碳化物形成元素,在鋼液冷卻凝固過程中析出MC型一次碳化物。在后續(xù)的擴(kuò)散退火、鍛造軋鋼過程中,大塊的一次碳化物會回溶、破碎成小塊的碳化物。

圖3 950 ℃固溶后NCF3015合金的SEM圖及EDS分析Fig.3 SEM images and EDS analysis of the NCF3015 alloy solution treated at 950 ℃

2.3 固溶時效態(tài)析出物分析

根據(jù)2.1節(jié)中NCF3015合金晶粒度變化規(guī)律,選取950 ℃和1050 ℃固溶、780 ℃時效4 h后的試樣,研究該合金在固溶時效處理后晶內(nèi)γ′強(qiáng)化相尺寸的變化情況,見圖4。

圖4 950(a)、1050 ℃(b)固溶+780 ℃×4 h時效后NCF3015合金的γ′相尺寸Fig.4 Size of γ′ phases of the NCF3015 alloy solution treated at 950 ℃(a), 1050 ℃(b) and aged at 780 ℃ for 4 h

NCF3015合金經(jīng)固溶、時效后,晶內(nèi)析出球形的γ′強(qiáng)化相顆粒,γ′相彌散分布,顆粒尺寸極其細(xì)小。合金棒材經(jīng)950 ℃固溶、780 ℃時效后,基體內(nèi)析出γ′強(qiáng)化相的尺寸在18.0 nm左右。棒材經(jīng)過1050 ℃固溶、780 ℃時效后,基體內(nèi)析出γ′強(qiáng)化相的尺寸在15.8 nm左右。950 ℃固溶+780 ℃時效處理后得到的γ′析出相尺寸大于1050 ℃固溶+780 ℃時效處理后的γ′析出相尺寸。這可能是合金1050 ℃固溶處理后,強(qiáng)化元素溶解更為充分,在基體中分布更為均勻。在同樣的時效條件下處理時,γ′強(qiáng)化相尺寸相對更細(xì)小。

在NCF3015合金晶內(nèi)析出物中暫未發(fā)現(xiàn)γ″強(qiáng)化相,可能與該合金中Nb元素含量太少有關(guān)。Nb元素一部分生成碳化物,一部分溶解于γ′相中。

2.4 固溶時效后的高溫力學(xué)性能

NCF3015氣閥合金的實(shí)際使用溫度低于750 ℃。為此,選用較低的固溶溫度可以得到較好的綜合力學(xué)性能。本研究中選用950 ℃×30 min、水冷的固溶工藝,780 ℃×4 h、空冷的時效處理,然后測試該合金在不同測試溫度下的高溫拉伸性能,測試溫度為550、650、750和850 ℃,每個溫度測2組數(shù)據(jù),結(jié)果見表2?？梢钥闯?NCF3015氣閥合金在低于750 ℃下使用,力學(xué)性能較好。當(dāng)測試溫度升高至750 ℃左右時,合金的塑性急劇下降。測試溫度繼續(xù)升高至800 ℃以上時,在較低的應(yīng)力下合金的伸長率大幅度增加,不利于氣閥零部件在此溫度下長期使用,建議該合金氣閥的使用溫度控制在750 ℃以下。

表2 950 ℃固溶30 min+時效后NCF3015合金的高溫拉伸性能

3 結(jié)論

1) 隨著固溶溫度的升高,NCF3015合金棒材的晶粒度逐漸增大。在1010 ℃以下,晶粒度長大過程較為緩慢,晶粒度都能大于5級,隨著固溶溫度升高到1050 ℃,晶粒度已經(jīng)長大到3級。

2) NCF3015合金棒材經(jīng)固溶處理后,奧氏體基體上存在著塊狀的析出物,從析出物成分看,為Ti和Nb的一次碳化物。

3) NCF3015合金經(jīng)過固溶時效處理后,晶內(nèi)析出球形的γ′強(qiáng)化相顆粒,γ′相彌散分布,顆粒尺寸極其細(xì)小。950 ℃固溶+780 ℃時效后得到的γ′析出相尺寸大于1050 ℃固溶+780 ℃時效后的γ′析出相尺寸。

4) NCF3015合金在低于750 ℃下測試,力學(xué)性能較好。當(dāng)測試溫度升高至750 ℃左右時,合金的塑性急劇下降。測試溫度繼續(xù)升高至800 ℃以上時,在較低的應(yīng)力下合金的伸長率大幅度增加,不利于氣閥零部件的長期溫度使用,建議該合金氣閥的測試溫度控制在750 ℃以下。