退火工藝與碳含量對Monel 400合金組織穩定性的影響

張 濤, 鄭文杰, 李才巨, 方 軼

(1. 昆明理工大學 材料科學與工程學院, 云南 昆明 650039;2. 鋼鐵研究總院有限公司 特殊鋼研究院, 北京 100081;3. 攀鋼集團江油長城特殊鋼有限公司, 四川 江油 621701)

鉚接是飛行器上部件連接最普遍的方式[1-2],可實現部件連接和載荷傳遞,對飛行器的安全至關重要[3]。抽芯鉚釘作為一種標準連接件,因其優異的耐蝕性和適中的強度被廣泛應用于飛機鉚接[4-5]。鉚釘的成形性與性能穩定性是重要的性能指標,尤其是批次穩定性,目前國內制造鉚釘的水平還未達到飛機用鉚釘的使用標準,仍主要依賴進口[6]。鉚釘的性能穩定性與其絲材的組織控制密切相關,組織控制與其制造的全流程相關,絲材的最終熱處理是其組織性能調整的關鍵工序,掌握其組織性能與熱處理參數的變化規律,可以針對不同成分及工藝的絲材制定合理的熱處理工藝,保證絲材性能的穩定性。

用于制造Monel 400合金鉚釘絲材的加工工藝為熔煉→鍛造開坯→熱軋→中間退火處理→冷拔成絲→最終退火處理。絲材在成形過程中需要通過反復的退火及冷變形,中間退火主要是為了使絲材軟化以適合后續的冷變形,最終退火工藝用來調整絲材的組織及強度,合理的退火工藝能得到較為穩定的組織和適合的晶粒度,對其耐蝕性和力學性能的提升具有重要作用[7-10]。本文系統研究了熱處理工藝對Monel 400合金晶粒尺寸、組織均勻性的影響,并著重探究組織演變與組織穩定性的內在關系。

1 試驗材料與方法

采用真空感應爐冶煉6種不同C含量的試驗用Monel 400合金,其化學成分如表1所示。采用50 mm厚坯料,在1050 ℃熱軋成形為14 mm厚板材,變形結束后水冷至室溫。利用線切割從熱軋板上切取尺寸為10 mm×10 mm×6 mm的金相試樣,進行不同的中間退火處理。將試樣在750、800、850、900、950 ℃分別保溫10、20、30、60 min,保溫結束后迅速水冷,然后經打磨拋光和用10%(體積分數)高錳酸鉀溶液腐蝕,腐蝕后的試樣先用飽和草酸溶液清洗,再用清水清洗,隨后吹干。采用OLYMPUS-GX51型顯微鏡觀察顯微組織,并用人工截距法[11]統計不同退火處理后試樣的晶粒度。利用配有EBSD探頭的FEI Quanta 650FEG場發射掃描電鏡對750、800、850、900、950 ℃保溫30 min和950 ℃保溫10、20、30、60 min試樣進行EBSD分析。

表1 不同C含量的Monel 400試驗合金的化學成分(質量分數, %)

2 試驗結果與分析

2.1 退火溫度的影響

圖1為C含量為0.059%的Monel 400合金在不同溫度退火30 min后的EBSD圖像。可以看出,隨著退火溫度的升高,晶粒尺寸明顯增大,且存在有大量孿晶組織,晶粒無明顯取向關系。圖2為不同退火溫度下的晶粒尺寸(d)統計圖,其中樣本方差(σ2)用來表征晶粒尺寸的均勻性。可以看出,當退火溫度從750 ℃升至950 ℃時,奧氏體平均晶粒尺寸由23.8 μm升至51.5 μm,且當退火溫度達到900 ℃以上時,晶粒長大速度明顯加快,而晶粒尺寸方差先減小后增加,結合圖1可知,750 ℃時不同區域的晶粒尺寸差異明顯較大,而800 ℃和850 ℃時晶粒尺寸較為均勻,900 ℃以上時晶粒尺寸差異又增加。因此當退火溫度為800 ℃和850 ℃時,更容易得到晶粒度較小且相對均勻的組織。

圖1 C含量為0.059%的Monel 400合金在不同溫度退火30 min后的EBSD圖

圖2 C含量為0.059%的Monel 400合金在不同溫度下退火30 min后的晶粒尺寸統計

2.2 退火時間的影響

圖3為C含量為0.059%的Monel 400合金在950 ℃退火不同時間后的EBSD圖像。結合圖1(d)可以看出,隨著保溫時間的延長,晶粒尺寸明顯增加。圖4為不同退火時間下的晶粒尺寸統計結果,可以看出,退火時間從10 min增加到60 min,晶粒尺寸由32.5 μm增加到66.5 μm,且在20 ～30 min之間的晶粒長大速度較快,保溫30 min后,晶粒長大速率降低,而晶粒尺寸方差先增大后減小。

圖3 C含量為0.059%的Monel 400合金在950 ℃下退火不同時間后的EBSD圖

圖4 C含量為0.059%的Monel 400合金在950 ℃下退火不同時間后的晶粒尺寸統計

在退火處理時,奧氏體晶粒長大是一個自發的過程[12],該過程是晶粒長大動力和晶界推移阻力相互作用的結果。晶界推移阻力為細小難溶的第二相沉淀析出粒子,推移中的晶界遇到第二相粒子時將發生彎曲,導致晶界面積增大,界面能升高,因此第二相粒子將阻礙晶界遷移,起到釘扎晶界的作用。由于Monel 400合金的組織為典型單相奧氏體,幾乎不存在第二相粒子,無明顯析出物的影響,因此在退火過程中晶粒長大速度較快,晶粒長大的驅動力為奧氏體晶界面能的減少,在一定溫度條件下,奧氏體晶粒會相互吞噬長大。

奧氏體晶粒長大速度與晶界遷移速率及晶粒長大驅動力成正比,即:

u=K

(1)

式中:u為奧氏體晶粒長大速度;K為常數;R為氣體常數;T為絕對溫度;Qm為晶界移動激活能或原子擴散跨越晶界激活能;σ為比界面能;D為奧氏體晶粒尺寸。可見,隨加熱溫度升高,晶粒長大速度u呈指數關系迅速增大。同時,晶粒越細小,界面能越高,晶粒長大速度u就越大。但當晶粒長大到一定程度后,由于D增大,晶粒長大速度將減慢。因此,在10～30 min內,隨著保溫時間的延長,晶粒快速長大到一定程度,隨后由于D逐漸增大,晶粒長大速度減小。

在試樣中,奧氏體晶粒尺寸分布是不均勻的,當晶粒快速長大時,細小的晶粒逐漸縮小、消失,較大的晶粒逐漸吞噬較小的晶粒。因此,隨著退火時間的延長,晶粒尺寸的差異先增大,當細小的晶粒消失后,晶粒尺寸差異也減小,樣本方差表現為先增大后減小。

2.3 C含量對組織的影響

圖5為不同C含量Monel 400合金在750、800、850、900、950 ℃分別保溫10、20、30、60 min后的晶粒尺寸統計結果。可以看出,隨著退火溫度的升高和保溫時間的延長,晶粒尺寸明顯增大,且在不同溫度下,保溫30 min之內的晶粒長大速度均明顯大于保溫30 min以后的速度。在750 ℃退火時,C含量對晶粒的影響并無明顯規律;800～950 ℃退火時,C含量高的試樣晶粒普遍較小,說明C元素有細微的細化晶粒作用,相差0.1%C的試樣晶粒尺寸相差3～5 μm,C元素對晶粒長大的阻礙作用并不明顯。在Monel 400合金中C以間隙原子的形式存在,且含量很低,幾乎全部溶解在奧氏體當中,形成碳化物的數量極低,在奧氏體中只可能存在極少量的第二相粒子(EDS檢測并未發現明顯的第二相粒子),因此,在Monel 400合金中C元素細化晶粒的作用有限。

圖5 不同C含量Monel 400合金在不同溫度下退火不同時間后的晶粒尺寸統計

圖6為不同C含量的Monel 400合金在850和900 ℃保溫10 min后的顯微組織。C含量為0.004% 的合金出現了混晶組織,如圖6(a, b)所示,而C含量≥0.036%時均未出現混晶組織,且C含量為0.036%的合金組織較為均勻,如圖6(c, d)所示。因此可以判斷,適當的C含量在一定程度上有利于保持組織的均勻性,產生混晶現象的原因排除是第二相粒子和熱軋過程中的不完全再結晶,可能是退火過程中相對細小的晶粒逐漸消失,較大的晶粒逐漸長大的過程中出現晶粒尺寸偏差較大的原因[13]。理想狀態的晶粒呈六邊形,晶界呈直線,3條晶界相交于一點且互成120°角。每個晶粒周圍均有6個相鄰的晶粒,這種狀態下的晶粒不容易長大。而事實上由于晶粒大小難以保持完全均勻,相對較小的晶粒其相鄰晶粒的數量可能會小于6,而相對較大的晶粒其相鄰晶粒的數量可能會大于6。因此,由于界面張力的平衡作用,在退火時,相鄰晶粒小于6的晶粒將彎曲成正曲率弧,使其晶界面積增大,界面能升高。為了降低界面能,這部分晶粒的晶界將從曲線變成直線,故導致該晶粒縮小,直至消失;而相鄰晶粒數大于6的晶粒也因界面張力平衡彎曲成負曲率弧,為了減少界面面積,降低界面能,該晶粒將長大吞并周圍的小晶粒[14]。在這個過程中,相鄰晶粒小于6的晶粒逐漸消失,相鄰晶粒大于6的晶粒逐漸長大,在加熱時短時間內將導致晶粒尺寸的差異變大[15],因此C含量為0.004%的合金在850、900 ℃保溫10 min出現了部分混晶組織。

圖6 C含量為0.004%(a, b)和0.036%(c, d)的 Monel 400合金在850 ℃(a, c)和900 ℃(b, d)退火10 min后的顯微組織

由于在工業應用中Monel 400合金的C含量普遍大于0.036%,因此可以避免超低C含量(0.004%)Monel 400合金出現混晶的現象。綜合退火溫度和時間的影響,在800～850 ℃保溫10～20 min可得到晶粒細小且相對均勻的組織。

2.4 晶粒長大模型

從動力學角度來看,晶粒長大的本質就是晶界在晶體組織中的推移,是一個熱激活的過程,其驅動力是晶界能,因此退火溫度和時間決定著合金晶粒長大后的尺寸。變形過程中晶粒長大動力學模型可用平均晶粒尺寸與退火溫度和退火時間的函數關系來表示,目前研究奧氏體晶粒的長大規律一般采用Sellar模型[16]和Anelli改進的模型[17-18]。本文采用Anelli改進模型:

d-d0=Atmexp(-Q/RT)

(2)

式中:d和d0分別為晶粒長大后與長大前的平均晶粒尺寸;t和T分別為退火時間和退火溫度;A為材料常數;m為晶粒生長系數;R為氣體常數;Q為晶粒長大激活能。對式(1)兩邊分別取對數得:

(3)

將試驗測得的不同C含量Monel 400合金的晶粒尺寸代入式(2)中進行線性回歸處理,再根據式(3)處理數據得到m、A和Q的值以及Monel 400合金退火時的晶粒長大方程,如表2所示。

表2 不同C含量Monel 400合金的Anelli改進模型參數值及晶粒長大方程

3 結論

1) Monel 400合金晶粒尺寸隨退火溫度的升高和保溫時間的延長而增大,退火溫度在900 ℃以上時,晶粒長大的速度更快,組織均勻性隨溫度的升高而變差;退火時間在30 min之內時,晶粒長大速度較快,而組織均勻性逐漸變差,晶粒長大到一定程度后,其長大速度降低,組織均勻性略有改善。

2) 非超低C含量(≥0.036%)的Monel 400合金在800～850 ℃退火10～20 min可得到晶粒細小且相對均勻的組織。

3) 根據Anelli改進模型建立了不同C含量Monel 400合金退火時的晶粒長大方程。