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 鎮江 212300)

氣閥合金是制造汽車、柴油發動機的關鍵部件,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性、熱硬性、疲勞強度、耐磨性和抗腐蝕性等[1]。隨著發動機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,但是這些材料已經不能滿足先進發動機的要求[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,成本較低且性能優異[3]。NCF3015氣閥合金具有優越的綜合力學性能,在國外氣閥合金領域應用較廣,但是國內對該合金的研究文獻資料較少。國內胡日等[4]對NCF3015合金熱變形行為進行了研究,發現該合金的適宜熱加工溫度區間為1050～1150 ℃。本文主要研究該合金小棒材組織狀態變化規律,固溶處理后基體組織狀況,固溶時效處理后強化相尺寸變化規律,不同溫度的合金高溫拉伸性能,以期為該合金在國內氣閥合金行業中的應用提供理論依據。

1 試驗材料與方法

本研究使用的試驗材料冶煉方式為真空感應熔煉加保護氣氛電渣重熔,電渣鋼錠經過擴散退火后鍛造開坯至50 mm×50 mm×Lmm,然后使用250軋機軋制成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。本研究使用的試驗合金化學成分見表1。試驗過程中采用光學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,使用萬能拉伸試驗機測試合金的高溫力學性能。

表1 NCF3015合金的化學成分(質量分數,%)

2 試驗結果與討論

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化相。同時,根據合金的使用溫度,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行合金晶粒長大傾向試驗,結果見圖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NCF3015合金氣閥的實際使用工況溫度基本上在600 ℃以下,為使NCF3015合金獲得細小均勻的晶粒組織,進而保證氣閥得到較高的力學性能,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 固溶態基體組織析出物分析

NCF3015合金棒材經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。可以看出,經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。在后續的擴散退火、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 固溶時效態析出物分析

根據2.1節中NCF3015合金晶粒度變化規律,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γ′強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合金經固溶、時效后,晶內析出球形的γ′強化相顆粒,γ′相彌散分布,顆粒尺寸極其細小。合金棒材經950 ℃固溶、780 ℃時效后,基體內析出γ′強化相的尺寸在18.0 nm左右。棒材經過1050 ℃固溶、780 ℃時效后,基體內析出γ′強化相的尺寸在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′強化相尺寸相對更細小。

在NCF3015合金晶內析出物中暫未發現γ″強化相,可能與該合金中Nb元素含量太少有關。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性能

NCF3015氣閥合金的實際使用溫度低于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組數據,結果見表2。可以看出,NCF3015氣閥合金在低于750 ℃下使用,力學性能較好。當測試溫度升高至750 ℃左右時,合金的塑性急劇下降。測試溫度繼續升高至800 ℃以上時,在較低的應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 ℃,晶粒度已經長大到3級。

2) NCF3015合金棒材經固溶處理后,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合金經過固溶時效處理后,晶內析出球形的γ′強化相顆粒,γ′相彌散分布,顆粒尺寸極其細小。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,力學性能較好。當測試溫度升高至750 ℃左右時,合金的塑性急劇下降。測試溫度繼續升高至800 ℃以上時,在較低的應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。