热处理工艺对气阀合金NCF3015组织和性能的影响

毛福祥, 蒋邵龙, 刘 伟, 束文武, 王林涛

(江苏图南合金股份有限公司, 江苏 镇江 212300)

气阀合金是制造汽车、柴油发动机的关键部件,是气阀门的专用材料。其工作条件恶劣,要求气阀钢具有良好的热强性、热硬性、疲劳强度、耐磨性和抗腐蚀性等[1]。随着发动机功率与性能的不断提高,其工作温度也不断提高,对气阀钢材料的要求越来越高。目前国内气阀制造多用马氏体钢和奥氏体耐热钢,但是这些材料已经不能满足先进发动机的要求[2]。NCF3015合金是一种新型铁镍基合金,是时效硬化型合金,其性能在铁基合金和镍基合金之间,成本较低且性能优异[3]。NCF3015气阀合金具有优越的综合力学性能,在国外气阀合金领域应用较广,但是国内对该合金的研究文献资料较少。国内胡日等[4]对NCF3015合金热变形行为进行了研究,发现该合金的适宜热加工温度区间为1050～1150 ℃。本文主要研究该合金小棒材组织状态变化规律,固溶处理后基体组织状况,固溶时效处理后强化相尺寸变化规律,不同温度的合金高温拉伸性能,以期为该合金在国内气阀合金行业中的应用提供理论依据。

1 试验材料与方法

本研究使用的试验材料冶炼方式为真空感应熔炼加保护气氛电渣重熔,电渣钢锭经过扩散退火后锻造开坯至50 mm×50 mm×Lmm,然后使用250轧机轧制成φ8.5 mm盘条,φ8.5 mm盘条退火后冷拉至φ7.0 mm,再次退火后校直磨光至φ6.4 mm,此时棒材的平均晶粒度为8级。固溶工艺为920～1050 ℃,保温30 min,水冷;时效工艺为780 ℃×4 h,空冷。本研究使用的试验合金化学成分见表1。试验过程中采用光学显微镜观察合金晶粒度,使用扫描电镜观察合金微观组织和析出物,使用万能拉伸试验机测试合金的高温力学性能。

表1 NCF3015合金的化学成分(质量分数,%)

2 试验结果与讨论

2.1 不同固溶温度下合金晶粒长大倾向

固溶处理可以得到过饱和固溶体,便于时效时重新析出强化相。同时,根据合金的使用温度,采用不同温度的固溶处理可以获得匹配的晶粒组织,以保证合金的使用性能。选择不同的固溶温度进行合金晶粒长大倾向试验,结果见图1,固溶温度在1010 ℃以下,晶粒长大过程较为缓慢,晶粒度都能大于5级,随着固溶温度升高到1050 ℃,晶粒度为3级。

从图2可以看出,随着固溶温度的升高,合金的晶粒度逐渐增大。根据NCF3015合金气阀的实际使用工况温度基本上在600 ℃以下,为使NCF3015合金获得细小均匀的晶粒组织,进而保证气阀得到较高的力学性能,固溶温度不能超过1010 ℃。

图2 固溶温度对NCF3015合金晶粒度的影响Fig.2 Effect of solution temperature on grain size of the NCF3015 alloy

2.2 固溶态基体组织析出物分析

NCF3015合金棒材经950 ℃固溶后,使用扫描电镜观察合金棒材基体组织和析出物的分布情况,见图3。可以看出,经950 ℃固溶处理后,NCF3015合金奥氏体基体上存在着块状的析出物,从析出物成分看,为Ti和Nb的一次碳化物。Ti和Nb为强碳化物形成元素,在钢液冷却凝固过程中析出MC型一次碳化物。在后续的扩散退火、锻造轧钢过程中,大块的一次碳化物会回溶、破碎成小块的碳化物。

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

2.3 固溶时效态析出物分析

根据2.1节中NCF3015合金晶粒度变化规律,选取950 ℃和1050 ℃固溶、780 ℃时效4 h后的试样,研究该合金在固溶时效处理后晶内γ′强化相尺寸的变化情况,见图4。

图4 950(a)、1050 ℃(b)固溶+780 ℃×4 h时效后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合金经固溶、时效后,晶内析出球形的γ′强化相颗粒,γ′相弥散分布,颗粒尺寸极其细小。合金棒材经950 ℃固溶、780 ℃时效后,基体内析出γ′强化相的尺寸在18.0 nm左右。棒材经过1050 ℃固溶、780 ℃时效后,基体内析出γ′强化相的尺寸在15.8 nm左右。950 ℃固溶+780 ℃时效处理后得到的γ′析出相尺寸大于1050 ℃固溶+780 ℃时效处理后的γ′析出相尺寸。这可能是合金1050 ℃固溶处理后,强化元素溶解更为充分,在基体中分布更为均匀。在同样的时效条件下处理时,γ′强化相尺寸相对更细小。

在NCF3015合金晶内析出物中暂未发现γ″强化相,可能与该合金中Nb元素含量太少有关。Nb元素一部分生成碳化物,一部分溶解于γ′相中。

2.4 固溶时效后的高温力学性能

NCF3015气阀合金的实际使用温度低于750 ℃。为此,选用较低的固溶温度可以得到较好的综合力学性能。本研究中选用950 ℃×30 min、水冷的固溶工艺,780 ℃×4 h、空冷的时效处理,然后测试该合金在不同测试温度下的高温拉伸性能,测试温度为550、650、750和850 ℃,每个温度测2组数据,结果见表2。可以看出,NCF3015气阀合金在低于750 ℃下使用,力学性能较好。当测试温度升高至750 ℃左右时,合金的塑性急剧下降。测试温度继续升高至800 ℃以上时,在较低的应力下合金的伸长率大幅度增加,不利于气阀零部件在此温度下长期使用,建议该合金气阀的使用温度控制在750 ℃以下。

表2 950 ℃固溶30 min+时效后NCF3015合金的高温拉伸性能

3 结论

1) 随着固溶温度的升高,NCF3015合金棒材的晶粒度逐渐增大。在1010 ℃以下,晶粒度长大过程较为缓慢,晶粒度都能大于5级,随着固溶温度升高到1050 ℃,晶粒度已经长大到3级。

2) NCF3015合金棒材经固溶处理后,奥氏体基体上存在着块状的析出物,从析出物成分看,为Ti和Nb的一次碳化物。

3) NCF3015合金经过固溶时效处理后,晶内析出球形的γ′强化相颗粒,γ′相弥散分布,颗粒尺寸极其细小。950 ℃固溶+780 ℃时效后得到的γ′析出相尺寸大于1050 ℃固溶+780 ℃时效后的γ′析出相尺寸。

4) NCF3015合金在低于750 ℃下测试,力学性能较好。当测试温度升高至750 ℃左右时,合金的塑性急剧下降。测试温度继续升高至800 ℃以上时,在较低的应力下合金的伸长率大幅度增加,不利于气阀零部件的长期温度使用,建议该合金气阀的测试温度控制在750 ℃以下。