氣門(mén)鋼Nimonic80A熱處理混晶后的探索應(yīng)用

■ 陳興，劉修艷

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中車集團(tuán)戚墅堰機(jī)車有限公司氣閥分公司是中車內(nèi)部專業(yè)從事機(jī)車柴油機(jī)氣門(mén)設(shè)計(jì)、制造的企業(yè)，是鐵路機(jī)車柴油機(jī)氣門(mén)標(biāo)準(zhǔn)的唯一起草單位。20世紀(jì)70年代以來(lái)，國(guó)內(nèi)鐵路機(jī)車柴油機(jī)氣門(mén)材料普遍采用鐵基奧氏體氣門(mén)鋼45Cr14Ni14W2Mo（以下簡(jiǎn)稱雙14）、Cr21Ni12N（以下簡(jiǎn)稱21-12N）、33Cr23Ni8NMo（以下簡(jiǎn)稱23-8N）等，上述常用氣門(mén)鋼綜合性能為：雙14＜21-12N＜23-8N，23-8N鋼的高溫力學(xué)性能及抗燃?xì)飧g性能明顯優(yōu)于21-12鋼，2006年公司逐步采用23-8N氣門(mén)鋼制造重載高速機(jī)車柴油機(jī)氣門(mén)，應(yīng)用至今質(zhì)量穩(wěn)定。

2006年底，公司立足自身研發(fā)制造HXN5大功率交流機(jī)車用GEVO16柴油機(jī)氣門(mén)，更高性能等級(jí)氣門(mén)鋼Nimonic80A（以下簡(jiǎn)稱Ni80A）此時(shí)引入公司應(yīng)用于HXN5機(jī)車GEVO16柴油機(jī)排氣門(mén)制造，同時(shí)應(yīng)市場(chǎng)客戶需求，Ni80A鋼氣門(mén)目前已被廣泛應(yīng)用于國(guó)內(nèi)外船用柴油機(jī)市場(chǎng)。Ni80A氣門(mén)鋼是以鎳鉻為基加Al、Ti時(shí)效硬化型合金，在高溫運(yùn)行環(huán)境中具有極為優(yōu)秀的耐燃?xì)飧g特性和疲勞強(qiáng)度。目前，國(guó)內(nèi)外柴油機(jī)正向降低燃油消耗率，提高功率和采用多種燃料（例如燃用重油）的方向發(fā)展，柴油機(jī)零部件面臨著提高負(fù)荷和溫度的工作條件，在對(duì)使用劣質(zhì)燃油的排氣門(mén)的耐蝕性進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)和在試驗(yàn)發(fā)動(dòng)機(jī)上的試驗(yàn)，試驗(yàn)數(shù)據(jù)證明，采用Ni80A氣門(mén)鋼制造的氣門(mén)是目前解決耐高溫應(yīng)力和耐燃?xì)飧g性最好的方法，已采用Ni80A鋼制造的近3萬(wàn)只氣門(mén)在近8年的機(jī)車柴油機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行中很好地驗(yàn)證了上述說(shuō)法。

2012年公司在氣門(mén)制造過(guò)程中，某爐次氣門(mén)鋼Ni80A在熱處理工序后出現(xiàn)了混晶現(xiàn)象，如圖1所示。熱處理后正常金相如圖2所示。

由于Ni80A鋼成本高且在隨后一系列的常溫力學(xué)性能試驗(yàn)合格的前提下，圍繞該爐次Ni80A鋼能否應(yīng)用，工程技術(shù)人員對(duì)氣門(mén)鋼Ni80A在熱處理后的混晶問(wèn)題進(jìn)行了研究和分析，為能解決實(shí)際工程應(yīng)用進(jìn)行探索。

1. 氣門(mén)鋼Ni80A入廠材檢

氣門(mén)鋼Ni80A采購(gòu)入廠后在氣門(mén)制坯階段工藝流程為：原材料入廠材檢→氣門(mén)鋼棒斷料→盤(pán)部電鐓鍛打成形→熱處理→機(jī)械加工→……。

（1）入廠材檢 氣門(mén)鋼入廠材檢項(xiàng)目為：尺寸、外形、鋼棒直線度、化學(xué)成分、低倍組織、高倍檢驗(yàn)、力學(xué)性能和表面質(zhì)量。

試樣取樣：抽檢每冶金爐次的鋼棒任一根，分別取頭部和尾部各一段作為試樣1和試樣2。Ni80A鋼棒尺寸、外形、直線度、表面質(zhì)量經(jīng)檢查符合技術(shù)要求；Ni80A鋼（產(chǎn)生混晶的）化學(xué)成分如表1所示，結(jié)果符合界限標(biāo)準(zhǔn)。

低倍組織（宏觀檢驗(yàn)）：尺寸、外形、表面質(zhì)量都合格，橫低倍如表2所示。

微觀檢驗(yàn)（高倍檢驗(yàn)）：試樣1和試樣2的晶粒度都為6級(jí)，非金屬夾雜如表3所示。

氣門(mén)鋼Ni80A入廠材檢試樣在小爐進(jìn)行固溶時(shí)效熱處理后力學(xué)性能如表4所示。

（2）進(jìn)入加工流程 Ni80A鋼棒入廠檢驗(yàn)合格后進(jìn)入氣門(mén)制造流程為：氣門(mén)鋼棒斷料（略）、電鐓鍛打制坯（略）、毛坯熱處理……

毛坯熱處理工藝為：1030℃固溶處理×H1h、空冷+ 700℃時(shí)效×H2h、空冷。

熱處理后氣門(mén)毛坯（Ni80A鋼）實(shí)物解剖力學(xué)性能如表5所示。

氣門(mén)毛坯（Ni80A）熱處理后晶粒度（取樣部位為桿頸過(guò)渡區(qū)，橫截面直徑≤1.3D，D為桿部直徑）：晶粒度為3～7級(jí)（見(jiàn)圖1）。

圖1 Ni80A熱處理后混晶金相（3～7級(jí)）（100×）

圖2 Ni80A熱處理后正常金相（6級(jí)）（100×）

表1 Ni80A鋼材料化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） （%）

表2 Ni80A鋼入廠試樣橫低倍檢驗(yàn)記錄

表3 Ni80A鋼入廠試樣非金屬夾雜檢驗(yàn)

表4 Ni80A鋼入廠試樣熱處理后力學(xué)性能

表5 Ni80A鋼熱處理后力學(xué)性能

2. 對(duì)產(chǎn)生混晶的批次氣門(mén)毛坯（Ni80A）進(jìn)行分析

首先對(duì)氣門(mén)毛坯（Ni80A）熱處理所用的固溶爐和時(shí)效爐進(jìn)行爐溫均勻度測(cè)定，均符合設(shè)備采購(gòu)技術(shù)協(xié)議所列標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù)要求。

對(duì)該爐次氣門(mén)毛坯（Ni80A）還未進(jìn)行熱處理的，在對(duì)之前已有的熱處理工藝進(jìn)行多次調(diào)整和試驗(yàn)后，最終獲得不產(chǎn)生混晶的熱處理工藝，即1010℃固溶處理×H1h、空冷+700℃時(shí)效×H2h，空冷。熱處理后任取2根實(shí)物進(jìn)行晶粒度檢測(cè)和力學(xué)性能試驗(yàn)，都能滿足產(chǎn)品技術(shù)要求（晶粒度為6級(jí)），在對(duì)比氣門(mén)毛坯（Ni80A）熱處理后產(chǎn)生混晶的和未產(chǎn)生混晶的常溫力學(xué)性能后發(fā)現(xiàn)，常溫性能都能符合產(chǎn)品質(zhì)量要求。由于氣門(mén)應(yīng)用主要在高溫狀態(tài)，產(chǎn)品能否讓步應(yīng)用取決于能否滿足實(shí)際工作條件，由此引出后面的高溫試驗(yàn)。

鋼材混晶主要表現(xiàn)為在細(xì)晶粒的基體上存在部分特別粗大的晶粒。在20世紀(jì)20年代初，冶金學(xué)家就已開(kāi)始了對(duì)鋼的奧氏體晶粒度的顯示方法、晶粒度的控制，以及奧氏體晶粒度對(duì)鋼的力學(xué)性能的影響做過(guò)試驗(yàn)研究，隨著電子顯微鏡、電子計(jì)算機(jī)和其他電子儀器設(shè)備的應(yīng)用，也由于人們對(duì)材料性能越來(lái)越高的要求，這方面的研究越來(lái)越深入?；炀щm然在熱處理后產(chǎn)生，但它不是熱處理缺陷，而是鋼材本身的缺陷。

混晶的形成規(guī)律及產(chǎn)生混晶原因，以及混晶對(duì)鋼的力學(xué)性能影響一直以來(lái)受到國(guó)內(nèi)外許多冶金學(xué)者的關(guān)注，國(guó)外學(xué)者對(duì)奧氏體晶粒度與鋼的性能之間的關(guān)系也有較多的研究，由于試驗(yàn)方法和手段各異，所得結(jié)論也不盡相同，鋼的奧氏體混晶的形成規(guī)律和機(jī)理仍然不清楚，特別是關(guān)于混晶對(duì)鋼的力學(xué)性能的影響方面，只有少數(shù)幾個(gè)人進(jìn)行了一些簡(jiǎn)單試驗(yàn)，從現(xiàn)有報(bào)道來(lái)看，混晶對(duì)力學(xué)性能的影響并無(wú)一致的結(jié)論。

圖3 Zwick Z-150電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)

圖4 排氣門(mén)的溫度分布規(guī)律

我們關(guān)注氣門(mén)毛坯（Ni80A）在熱處理后已產(chǎn)生混晶的和未產(chǎn)生混晶的（相同的冶金爐次）在接近產(chǎn)品高溫應(yīng)用條件下的力學(xué)性能方面有何差異，對(duì)氣門(mén)正常使用有何影響，工程實(shí)際應(yīng)用效果如何。

（1）力學(xué)性能對(duì)比試驗(yàn) 對(duì)該爐次氣門(mén)鋼Ni80A產(chǎn)生混晶的和未產(chǎn)生混晶的毛坯各任取6根實(shí)物進(jìn)行高溫力學(xué)性能對(duì)比試驗(yàn)。

試驗(yàn)設(shè)備：Zwick Z-150電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)，如圖3所示。檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)：GB/T4338—2006 《金屬材料高溫拉伸試驗(yàn)方法》。

根據(jù)氣門(mén)工作條件設(shè)定對(duì)比試驗(yàn)溫度。氣門(mén)是柴油機(jī)完成工作循環(huán)、實(shí)現(xiàn)氣缸換氣和密封功能的重要零件。在形成密閉燃燒室空間的零件中，排氣門(mén)是承受熱負(fù)荷最高的零件之一。根據(jù)有關(guān)資料和我公司柴油機(jī)試驗(yàn)、應(yīng)用收集的數(shù)據(jù)得出柴油機(jī)排氣門(mén)的溫度分布規(guī)律（見(jiàn)圖4），最高溫度是排氣門(mén)的中心A處，直接與高溫氣體接觸，其次是氣門(mén)桿頸部C處及氣門(mén)的盤(pán)錐部與氣門(mén)座圈接觸的B處，同時(shí)需要說(shuō)明的是排氣門(mén)的溫度分布是不對(duì)稱的，靠近氣缸套側(cè)的溫度低，靠近噴油嘴側(cè)的溫度高，二者之間的溫度差和熱負(fù)荷的高低與柴油機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)因素有關(guān)。因此，對(duì)比試驗(yàn)溫度設(shè)定為600℃和700℃。

對(duì)比試樣取樣：①試樣編號(hào)：1、2、3、4、5、6（晶粒度為6級(jí)）。②試樣編號(hào)：1-1、2-2、3-3、4-4、5-5、6-6（晶粒度為混晶3~7級(jí)）。③在600℃下進(jìn)行力學(xué)性能試驗(yàn)，試樣編號(hào)：1、2、3、1-1、2-2、3-3。④在700℃下進(jìn)行力學(xué)性能試驗(yàn)試樣編號(hào)：4、5、6、4-4、5-5、6-6。試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表6所示。

（2）統(tǒng)計(jì)分析 綜合上面600℃和700℃兩種試驗(yàn)條件下非混晶和混晶兩組試樣的高溫力學(xué)性能統(tǒng)計(jì)分析，初步結(jié)論為：①不能得出非混晶試樣組的高溫力學(xué)性能好于混晶試樣組的明確結(jié)論。②考慮到具體試驗(yàn)中隨機(jī)性影響因素比較多，本次試驗(yàn)制備的試樣數(shù)量有限，因此試驗(yàn)初步結(jié)果可能存在局限性。③混晶材料中各種等級(jí)晶粒的數(shù)量比例及混晶分布特征均未作為試驗(yàn)和分析對(duì)象。兩種試樣在兩種高溫下的力學(xué)性能變化趨勢(shì)比較混雜，提示將來(lái)可從這個(gè)方面拓展思路并作更深層次的研究。

表6 Ni80A試樣分別在600℃和700℃時(shí)的力學(xué)性能數(shù)據(jù)

經(jīng)過(guò)上述高溫力學(xué)性能試驗(yàn)及試驗(yàn)數(shù)據(jù)的研究與分析，決定對(duì)該批次混晶氣門(mén)鋼Ni80A毛坯進(jìn)行單獨(dú)制造CW250柴油機(jī)排氣門(mén)5臺(tái)份進(jìn)行裝機(jī)運(yùn)行試驗(yàn)。

3. 結(jié)語(yǔ)

采用混晶氣門(mén)鋼Ni80A用于制造CW250排氣門(mén)5臺(tái)份已裝機(jī)應(yīng)用至今（近5年），目前該5臺(tái)柴油機(jī)運(yùn)用狀態(tài)良好。因此，氣門(mén)鋼Ni80A出現(xiàn)混晶后應(yīng)實(shí)際問(wèn)題具體分析，通過(guò)試驗(yàn)數(shù)據(jù)和分析來(lái)判斷其是否還具有工程應(yīng)用價(jià)值。