固溶處理對ZG40Cr25Ni20Si2耐熱鋼力學性能的影響

孫曉霞，馬 丁，李 煦，李 明，裴曉霞，李昕東，馬詩童

(1.中國勞動關系學院， 北京 100048; 2.四川航天長征裝備制造有限公司， 成都 610100;3.中國運載火箭技術研究院， 北京 100076; 4.安泰天龍鎢鉬科技有限公司， 北京 100094;5.萊州市豐友機械有限公司， 山東 煙臺 261411)

上世紀40年代，歐美等國研發了Cr-Ni系列奧氏體耐熱鋼，目前，鉻鎳耐熱高溫鋼已形成了ZG40Cr25Ni20和ZG30Cr25Ni25等十余種鋼號。奧氏體型耐熱不銹鋼是指以鐵為基，以鎳、鉻、錳等主要元素合金化，室溫下組織為奧氏體的鋼類，產量占不銹鋼總產量的50%～60%以上，以其良好的耐高溫、抗腐蝕、抗氧化等特性，得以在高溫和腐蝕氣體環境中廣泛使用[1～4]。

近些年，隨著民參軍、商業航天大潮的興起，耐熱鋼以及其相對良好的高溫性能以及明顯的成本優勢，在飛行器耐高溫部件中的應用逐漸增多，對耐熱鋼的研究也成果顯著。目前文獻主要從時效的組織變化、元素含量對組織和蠕變性能的影響、工藝的影響等方面對奧氏體耐熱鋼性能的進行研究。文獻[5-7]分析了Al、B、Ti、W等對耐熱鋼顯微組織及硬度的影響；文獻[8-10]研究了等溫時效、高溫時效后的組織性能變化；文獻[11-12]總結了熱處理工藝、噴丸處理對耐熱鋼的影響。目前涉及到具體產品性能的研究較少。此外，產品實際生產過程中，由于選用標準一般為普通的國標，如《GB/T8492—2002 一般用途用耐熱鋼和合金鑄件》，而一些特殊用途用耐熱鋼，缺少相對高要求的標準支持，或者對產品狀態(如熱處理狀態還是鑄造狀態)要求不明確，給設計選用及后續產品質量控制帶來一定的困擾。

本文將從高性能產品工程化應用的角度，以牌號為ZG40Cr25Ni20Si2的燃氣舵安裝殼體為研究對象，針對某批產品取樣測試出現的力學性能偏低的情況，對鑄態原始試樣以及同批次的固溶態試樣的力學性能、斷口形貌進行對比分析，獲得固溶處理對ZG40Cr25Ni20Si2耐熱鋼的影響，為后續型號用耐熱鋼產品質量控制提供技術參考。

1 試驗材料和方法

1.1 研究對象

對鑄造殼體的原材料進行取樣，通過移動式直讀光譜儀PMI-MASTER PRO分析得到其化學成分如表1所示，參照《GB/T8492—2014》的國家標準，成分均滿足要求，原材料驗證合格。

表1 ZG40Cr25Ni20Si2鋼的化學成分(質量分數，%)

1.2 試驗方法

對原始復驗料進行取樣，兩件規格均為φ15×300 mm，分別編號為1#和2#。對2#試樣進行固溶處理(固溶溫度為1 080 ℃，保溫時間為90 min)，與1#原始鑄態組織試樣對比分析兩者力學性能、金相組織的異同。

采用線切割在鑄錠上切取金相試樣，按標準金相技術制取試樣，采用試劑(成分：2.5 g三氯化鐵+25 mL鹽酸+50 mL 蒸餾水)進行浸蝕。腐蝕后，先后用清水和無水乙醇沖洗，烘干保存。使用光學顯微鏡對所制金相試樣進行微觀組織觀察和分析。

按照國家標準《GB/T228.1—2010》和《GB/T228.2—2015》，使用CSS-44050型電子萬能試驗機測試室溫和高溫(900 ℃)環境下試樣的拉伸性能。

常溫下試樣加工成如圖1所示，拉伸速率為1 mm/min。

圖1 室溫力學性能拉伸試樣

高溫(900 ℃)下，加工試樣如圖2所示，拉伸速率為0.5 mm/min。

圖2 高溫(900 ℃)力學性能拉伸試樣

按照《GB/T 231.1—2009》的要求，使用HB3000C型電子布氏硬度計進行對兩個試樣進行布氏硬度測試，觀察硬度變化情況。利用FEI vanano450掃描電鏡觀察分析兩個試樣的斷口截面形貌等。

2 試驗結果與分析

2.1 組織觀察及分析

對1#鑄態試樣的金相組織進行觀察，結果如圖3所示。

由于ZG40Cr25Ni20Si2 鋼中含有較多的合金元素，可以將其分為兩大類：促進奧氏體的Ni、Mn和促進鐵素體的Cr、Si，分別用Ni當量(Nieq)和Cr當量(Creq)表示，計算式如(1)和(2)所示。

Creq=%Cr+1.5(%Si)+1(%Mo)+

2(%Ti)+0.5(%Nb)

(1)

Nieq=%Ni+0.5(%Mn)+30(%C)+30(%N)

(2)

圖3 鑄態試樣的金相圖片

根據表1中的元素成分，計算得出鋼中的Ni當量Nieq=33.79，Cr當量Creq=28.446。根據Schaeflfer-Delong當量圖(如圖4)可大致判斷鋼中組織，常溫下鋼的基體組織為奧氏體[13]。

圖4 Schaeflfer-Delong當量圖

因此，1#鑄態試樣的金相組織為奧氏體、少量鐵素體和碳化物(較多的M23C6)。在奧氏體的晶界處，分布著碳化物和少量鐵素體。晶界碳化物以較薄的片狀形態分布在晶粒之間，有些在晶界三角區域處發生少量集聚現象。

2#固溶態試樣的金相組織如圖5所示。金相組織形態發生明顯變化，奧氏體晶粒變粗，成長為柱狀樹枝晶、少量鐵素體和碳化物(較多的M23C6)。碳化物連續性較低，晶界呈彎折狀，能夠使晶界滑移和擴展受阻，從而延長斷裂時間，提高合金的性能及使用壽命[14-15]。

圖5 固溶態試樣的金相圖片

鑄態和固溶態試樣的金相組織對比發現，前者奧氏體晶粒較小，呈現尖角多邊形狀，分布不均勻；后者經固溶處理，奧氏體晶粒粗化，分布更均勻。

2.2 室溫拉伸性能分析

室溫條件下，兩根拉伸試樣的性能參數測試結果見表2，參數均滿足設計要求。經過固溶處理的2#試樣抗拉強度達到556 MPa，相比原始鑄態1#試樣提高了11%，可見固溶處理對材料強度改善效果明顯。室溫下伸長率略有降低，由于產品最終工作環境為高溫條件，因此高溫條件下的伸長率變化對產品更有參考意義。

表2 ZG40Cr25Ni20Si2室溫主要性能參數

2.3 高溫拉伸性能分析

高溫(900 ℃)條件下，對試樣拉伸性能參數測試結果見表3，固溶后抗拉強度提高了14%，伸長率也提高了14%，表明固溶處理后的金相組織，晶粒更均勻，同時晶界形成更多的碳化物，碳化物的硬度高，合金的強度也得到不同程度的提高。

表3 ZG40Cr25Ni20Si2高溫(900 ℃)拉伸性能參數

2.4 硬度

對每個試樣分別選取3個位置進行硬度測量，結果見表4。

表4 硬度測試結果

鋼的硬度受其晶粒尺寸、碳化物數量、形貌及分布等因素影響，奧氏體耐熱鋼的硬度約為162～229HB。測試結果可見，固溶處理后，硬度提高約16%，有助于提高產品性能。這與前文的金相組織是相對應的。固溶處理后的金相組織，晶粒更均勻，同時晶界形成更多的碳化物，碳化物的硬度高，合金的硬度也得到不同程度的提高。

2.5 金相斷口分析

采用FEI vanano450掃描電子顯微鏡，對高溫拉伸試樣的斷口掃描，典型形貌如圖6所示。分析發現，鑄態的試樣斷口形貌呈現明顯的樹枝晶斷裂，斷口上有大量的撕裂棱。固溶態的試樣在低倍下的斷口形貌與鑄態試樣類似，但是在高倍下可看見較多韌窩，為典型的韌性斷裂斷口形貌。因此，2#試樣的塑性表現更好。

圖6 高溫試樣的斷口形貌

3 分析討論

本文的試驗結果表明，通過增加固溶處理過程，材料表現出了良好的綜合力學性能。ZG40Cr25Ni20Si2鋼的硬度、強度等性能，與晶粒尺寸、形貌及分布，碳化物數量等因素有關。ZG40Cr25Ni20Si2鋼在常溫下基體為奧氏體，鋼中的C元素和Cr元素相互結合能力非常強，極易形成鉻的碳化物，分布于晶界，因此常溫下鋼中主要是奧氏體和少量碳化物。固溶處理使得鐵素體增多而奧氏體減少，隨著固溶時間增加，鐵素體中合金元素Cr、Mo含量逐漸變多，在過飽和鐵素體基體中與未溶入鐵素體的碳相結合形成碳化物析出相，使耐熱合金的硬度增加，晶界碳化物的形貌和分布狀態發生變化。碳化物能以斷續塊狀或桿狀分散于晶界處，可有效阻礙晶界的遷移，提高合金的持久和蠕變強度，使試樣的強度改善，有利于提高合金的力學性能。另一方面，通過固溶處理，固溶在合金基體中的碳、硅、鉻、鎳等元素，使晶格發生了一定的畸變，從而晶體彈性應力場發生改變，并與位錯交互作用，將其穩穩扎住，從而提高合金的抗拉強度[15-22]。

4 結論

1) 合理的固溶處理可使耐熱鋼中的碳化物數量增長，析出相、晶粒尺寸和形貌分布發生改變，獲得強化的固溶體，抗拉強度明顯提高；材料斷口為明顯的韌性斷裂，呈現更好的塑性特征。

2) 固溶處理使原始鑄態試樣的性能得到明顯改善，常溫和900 ℃高溫下，抗拉強度分別提高了11%和14%，900 ℃高溫下伸長率提高14%，成本增加約1%，有利于批量產品在有效控制成本的前提下，顯著提升質量。

3) 本文僅針對一種試驗參數進行了論證分析，后續可通過變更固溶時間、溫度、產品規格、形狀、裝爐量，獲得固溶處理的最優工藝參數，制定相應的監控措施，保證產品性能，保障批量產品的合格率。