1 概述
氣閥材料是制造汽油發動機和柴油發動機進、排氣閥的必用材料,也是整個發動機中的關鍵材料。為了滿足不同類型內燃機的需求,世界發達國家在不斷開發各類新型氣閥材料。
氣閥在高溫燃氣腐蝕、高負荷及高應力作用等惡劣環境下工作,排氣閥承受的溫度高達600-800℃。常用的氣閥合金有兩種,一種是Alloy 80A,一種是Alloy 751,隨著Alloy 80A的大量使用,其高溫性能得到越來越多的關注。經對Alloy 80A合金組織性能進行了研究發現,Ti/Al比的增加顯著提高室溫力學性能,當 Ti/Al比較低時,晶內有β-NiAl相析出,會導致材料高溫斷裂。
Alloy LF2是鋼鐵研究總院研制的節鎳的經濟型Fe-Ni基時效強化型合金,其抗高溫燃氣腐蝕性能和耐高溫性能優異。與國外廣泛應用的鎳基氣閥合金Alloy 80A和Alloy 751合金高溫性能相當,由于Ni含量由70%下降至30%,成本大幅度降低。由該合金制成的氣閥已大量應用于東風4B機車,大連機車車輛廠、天津機車機輛配件廠的240B型機車等高負荷重型柴油機上,運行情況良好,在重型商用車、重型載重汽車上也得到了大量應用。LF2合金是一種潛力十分巨大的氣閥合金。但隨著內燃機參數的不斷增加,所產生的排氣溫度上升、排氣凈化率標準提高,都對氣閥合金的性能提出了更加嚴格的要求。
2 應用
ALLOY LF2主要用作高功率內燃機如重型柴油機的排氣閥材料。
3 化學成份(wt%)
表1
Fe | Ni | Co | Cr | Zr | Ti | Nb | Ce |
余量 | 20.0-28.0 | 0.10-3.0 | 17.0-23.0 | 0.01-0.20 | 1.80-3.20 | 0.70-2.00 | 0.003-0.10 |
Cu | C | Al | Mn | Si | P | S | |
0.05-0.50 | 0.02-0.20 | 0.70-2.00 | 0.40-1.50 | 0.10-1.50 | ≤0.015 | ≤0.010 |
4 金相
LF2合金是奧氏體為基體,時效后主要存在γ′相、MC相、Laves相和σ相。
表2為合金經過990℃ x 1h, 水冷 + 760℃ x 10h, 空冷處理后的相分析結果??梢钥闯?,γ'相的析出量多,其次是Laves相,3種析出相中Nb和Ti為主要構成元素。除此以外,γ'相中Al的含量較高,Laves相中含有少量的Cr元素,MC相中含有微量的C元素。
圖1所示合金經不同溫度保溫1h進行固溶處理+760℃ x 10h, 空冷后的微觀組織。
γ'相是長程有序的面心立方結構,LF2合金中γ' 相的質量分數最高。γ'相以近球形在晶內彌散析出,從析出相的析出量、析出顆粒數量和顆粒大小及形態綜合分析,γ'相對合金的強化效果是較大權重,是合金中主要的強化相。
Alloy LF2中的Laves相是(Fe,Ni,Cr)(Nb,Ti,Zr)2型金屬間化合物,呈六方結構。在時效過程中,Laves相也未聚集長大,呈粒狀和片層狀分布在晶界及晶界周邊,晶內有少量分布。
MC相是(Nb, Ti, Zr)C型碳化物相,是面心立方結構。在時效過程中,MC相并未發生聚集長大,呈粒狀和塊狀,主要分布在晶界及附近,晶內數量較少且呈粒狀。
σ相是四方晶體結構的Fe(Cr,Ni)型金屬間化合物。σ相的特征是由晶界向晶內生長和發展,并且在晶界內存在形成應力集中區的針狀σ 相,其在拉應力作用下首先萌生裂紋,而σ相向晶內發展,這就使得萌生的裂紋沿著σ相向晶內發展,形成裂紋擴展的通道,因此σ相的形成和發展對合金強度的下降起主要作用。
表2 試驗合金化學相分析(質量分數%)
Table 2 Chemical phase analysis of the tested alloys ( mass fraction %)
析出相 | 相質量分數% | 主要成分% |
γ'相 | 6.051 | 0.168Nb |
0.655Ti | ||
0.304Al | ||
Laves相 | 1.155 | 0.323Nb |
0.113Ti | ||
0.085Cr | ||
MC相 | 0.302 | 0.131Nb |
0.118Ti | ||
0.048C |
圖1 不同固溶溫度下LF2合金的顯微組織
Fig.1 Microstructure of Alloy LF2 under different solution temperatures (a,d) 950℃; (b,e) 990℃; (c,f) 1070℃
5 熱處理
固溶溫度
LF2合金在不同溫度(950,970,990,1020,1050和1070℃)下固溶1h后水冷,再經過760℃時效10h后進行室溫拉伸和硬度試驗,得到的合金性能曲線如圖2所示??梢钥闯?,固溶溫度對合金性能的影響較大,固溶溫度較低時,合金的強度基本不變,當固溶溫度達到1020℃時,合金的屈服強度開始迅速下降,1050℃時,合金的抗拉強度也迅速下降,1070℃時合金強度達到低值。斷后伸長率從950℃開始逐漸升高,970℃ 后開始保持平穩,斷面收縮率先降低,到970℃又開始緩慢增加。合金硬度隨固溶溫度的變化趨勢和屈服強度基本相同,固溶溫度在950~1020℃范圍內,合金的硬度基本不變,1020℃時合金的硬度開始下降。
當固溶溫度較低時,合金的晶粒比較小,晶內和晶界上的析出相較多,晶內的γ'相和顆粒狀的MC相不斷析出,再加上晶界上纖維狀和塊狀Laves相的增多,都對合金起到強化的作用。因此固溶溫度低于1020℃時,合金的強度較高。隨著固溶溫度的升高,合金的晶粒尺寸逐漸變大,并出現混晶現象,晶內和晶界上 的析出相逐漸減少,晶內MC相和晶界上Laves相的減少使其對合金的強化作用效果減弱,再加上晶粒的長大使晶界的總面積較少,對裂紋擴展的阻力減小,從而導致合金強度的下降。固溶溫度過低時,合金內部在加工過程中產生的熱應力難以消除,影響合金的性能,當固溶溫度為990℃時,晶粒已達到基本均勻的程度。因此,選取適合LF2合金的最佳固溶溫度為990℃。
時效溫度
合金經過990℃ x 1 h固溶處理后,分別在680, 720, 760和800℃時效10h,進行試驗得到的性能曲線如圖3所示??梢钥闯?,隨著時效溫度的增加,合金的強度先逐漸增加,抗拉強度在時效溫度為720℃時達到極大值,屈服強度在760℃時達到極大值后開始降低。在選取的時效溫度中,時效溫度在720-760℃時,都能獲得較好的強度,760℃時合金的屈服強度極高。合金的塑性從680℃開始逐漸下降,在720-760℃時基本保持平穩,760℃開始,斷后伸長率逐漸升高,斷面收縮率逐漸降低。合金的硬度在720-760℃之間較高,680-720℃范圍內硬度逐漸增加,760-800℃逐漸降低。
不同時效溫度下合金的微觀組織如圖4所示,從圖6中可以看出,時效溫度為680℃時,合金晶界上的析出相很少,難以觀察到清晰的晶界形貌,顆粒狀的MC 相和塊狀Laves相彌散分布在組織內部。隨著時效溫度的升高,晶界上塊狀的Laves相和MC相逐漸增多,連續性增加,纖維狀的Laves相不斷析出,γ'相顆粒也逐漸增加,對合金起到強化作用,合金的強度提高。當時效溫度升高到760℃時,晶界碳化物進一步長大,并明顯的發生聚集,形狀開始發生變化,晶界碳化物的尖角處,容易造成應力集中,如果受外應力時在尖角處受到的應力大于MC相與晶界的結合力,則容易萌生裂紋,再加上γ'相的長大和聚集可能導致γ'相的應力場弱化,γ'相的強化效果開始減弱,從而導致材料強度的下降。綜合合金的力學性能以及微觀組織,最終選擇 760℃為LF2合金的最佳時效溫度。
時效時間
鍛態LF2合金經過990℃ x 1h,WQ的固溶處理后,在760℃分別時效5, 10, 15和20h,得到的性能結果如圖5所示。從圖7中可以看出,時效時間對合金性能的影響不大,隨著時效時間的增加,合金的抗拉強度基本不發生變化,而屈服強度逐漸升高,15h后開始趨于平穩,時效時間在10-15h范圍內,合金的強度較高; 合金的塑性從5h開始逐漸降低,時效時間達到10h后又開始升高; 合金的硬度隨著時效時間的增加緩慢升高。
不同時效時間合金的微觀組織如圖8所示,從圖中可以看出,時效時間對組織形貌和晶粒大小的影響不大。時效時間為10h時,組織內部的晶界輪廓已經十分清晰,顆粒狀MC相和塊狀的Laves相連續分布在晶界上,與密集分布的纖維狀Laves相交織在一起,隨著時效時間的增加,晶界上的MC相和Laves相不斷長大,纖維狀Laves相不斷析出,團簇在晶界上,再加上γ'相顆粒的不斷增加,對合金起到了強化的作用,使合金的強度提高。結合力學性能與微觀組織,以及考慮到實際應用中能源消耗等因素,選取時效時間為10 h。
實驗表明,采用固溶退火990℃ x 1h,水冷,時效溫度760℃ x 10h,空冷的熱處理制度,合金可以獲得合適的性能。
圖2 不同固溶溫度下 LF2 合金的力學性能 ( a) 強度; ( b) 塑性; ( c) 硬度
圖3 不同時效溫度下LF2合金的力學性能(990 ℃ x 1 h固溶處理)(a)強度; (b)塑性; (c)硬度
圖4 不同時效溫度下LF2合金的顯微組織(990℃ x 1 h固溶處理)
圖5 不同時效時間下LF2合金的力學性能 (a)強度; (b)塑性; (c) 硬度
6 力學性能
熱處理制度: 固溶退火990℃ x 1h,水冷,時效溫度760℃ x 10h,空冷。
抗拉強度Rm | 屈服強度Rp0.2 | 斷后伸長率 | 斷面收縮率 |
MPa | MPa | % | % |
1201 | 772 | 21.8 | 32 |
7 產品
棒材和條桿:交貨狀態有軋制、熱處理、氧化、除鱗、車光、磨光、拋光。
其它:盤件、無縫管、筒件、鍛件、鍛坯等。
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