固溶處理對(duì)ZG40Cr25Ni20Si2耐熱鋼力學(xué)性能的影響

孫曉霞，馬 丁，李 煦，李 明，裴曉霞，李昕東，馬詩(shī)童

(1.中國(guó)勞動(dòng)關(guān)系學(xué)院， 北京 100048; 2.四川航天長(zhǎng)征裝備制造有限公司， 成都 610100;3.中國(guó)運(yùn)載火箭技術(shù)研究院， 北京 100076; 4.安泰天龍鎢鉬科技有限公司， 北京 100094;5.萊州市豐友機(jī)械有限公司， 山東 煙臺(tái) 261411)

上世紀(jì)40年代，歐美等國(guó)研發(fā)了Cr-Ni系列奧氏體耐熱鋼，目前，鉻鎳耐熱高溫鋼已形成了ZG40Cr25Ni20和ZG30Cr25Ni25等十余種鋼號(hào)。奧氏體型耐熱不銹鋼是指以鐵為基，以鎳、鉻、錳等主要元素合金化，室溫下組織為奧氏體的鋼類，產(chǎn)量占不銹鋼總產(chǎn)量的50%～60%以上，以其良好的耐高溫、抗腐蝕、抗氧化等特性，得以在高溫和腐蝕氣體環(huán)境中廣泛使用[1～4]。

近些年，隨著民參軍、商業(yè)航天大潮的興起，耐熱鋼以及其相對(duì)良好的高溫性能以及明顯的成本優(yōu)勢(shì)，在飛行器耐高溫部件中的應(yīng)用逐漸增多，對(duì)耐熱鋼的研究也成果顯著。目前文獻(xiàn)主要從時(shí)效的組織變化、元素含量對(duì)組織和蠕變性能的影響、工藝的影響等方面對(duì)奧氏體耐熱鋼性能的進(jìn)行研究。文獻(xiàn)[5-7]分析了Al、B、Ti、W等對(duì)耐熱鋼顯微組織及硬度的影響；文獻(xiàn)[8-10]研究了等溫時(shí)效、高溫時(shí)效后的組織性能變化；文獻(xiàn)[11-12]總結(jié)了熱處理工藝、噴丸處理對(duì)耐熱鋼的影響。目前涉及到具體產(chǎn)品性能的研究較少。此外，產(chǎn)品實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，由于選用標(biāo)準(zhǔn)一般為普通的國(guó)標(biāo)，如《GB/T8492—2002 一般用途用耐熱鋼和合金鑄件》，而一些特殊用途用耐熱鋼，缺少相對(duì)高要求的標(biāo)準(zhǔn)支持，或者對(duì)產(chǎn)品狀態(tài)(如熱處理狀態(tài)還是鑄造狀態(tài))要求不明確，給設(shè)計(jì)選用及后續(xù)產(chǎn)品質(zhì)量控制帶來(lái)一定的困擾。

本文將從高性能產(chǎn)品工程化應(yīng)用的角度，以牌號(hào)為ZG40Cr25Ni20Si2的燃?xì)舛姘惭b殼體為研究對(duì)象，針對(duì)某批產(chǎn)品取樣測(cè)試出現(xiàn)的力學(xué)性能偏低的情況，對(duì)鑄態(tài)原始試樣以及同批次的固溶態(tài)試樣的力學(xué)性能、斷口形貌進(jìn)行對(duì)比分析，獲得固溶處理對(duì)ZG40Cr25Ni20Si2耐熱鋼的影響，為后續(xù)型號(hào)用耐熱鋼產(chǎn)品質(zhì)量控制提供技術(shù)參考。

1 試驗(yàn)材料和方法

1.1 研究對(duì)象

對(duì)鑄造殼體的原材料進(jìn)行取樣，通過(guò)移動(dòng)式直讀光譜儀PMI-MASTER PRO分析得到其化學(xué)成分如表1所示，參照《GB/T8492—2014》的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，成分均滿足要求，原材料驗(yàn)證合格。

表1 ZG40Cr25Ni20Si2鋼的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)

1.2 試驗(yàn)方法

對(duì)原始復(fù)驗(yàn)料進(jìn)行取樣，兩件規(guī)格均為φ15×300 mm，分別編號(hào)為1#和2#。對(duì)2#試樣進(jìn)行固溶處理(固溶溫度為1 080 ℃，保溫時(shí)間為90 min)，與1#原始鑄態(tài)組織試樣對(duì)比分析兩者力學(xué)性能、金相組織的異同。

采用線切割在鑄錠上切取金相試樣，按標(biāo)準(zhǔn)金相技術(shù)制取試樣，采用試劑(成分：2.5 g三氯化鐵+25 mL鹽酸+50 mL 蒸餾水)進(jìn)行浸蝕。腐蝕后，先后用清水和無(wú)水乙醇沖洗，烘干保存。使用光學(xué)顯微鏡對(duì)所制金相試樣進(jìn)行微觀組織觀察和分析。

按照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《GB/T228.1—2010》和《GB/T228.2—2015》，使用CSS-44050型電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)測(cè)試室溫和高溫(900 ℃)環(huán)境下試樣的拉伸性能。

常溫下試樣加工成如圖1所示，拉伸速率為1 mm/min。

圖1 室溫力學(xué)性能拉伸試樣

高溫(900 ℃)下，加工試樣如圖2所示，拉伸速率為0.5 mm/min。

圖2 高溫(900 ℃)力學(xué)性能拉伸試樣

按照《GB/T 231.1—2009》的要求，使用HB3000C型電子布氏硬度計(jì)進(jìn)行對(duì)兩個(gè)試樣進(jìn)行布氏硬度測(cè)試，觀察硬度變化情況。利用FEI vanano450掃描電鏡觀察分析兩個(gè)試樣的斷口截面形貌等。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 組織觀察及分析

對(duì)1#鑄態(tài)試樣的金相組織進(jìn)行觀察，結(jié)果如圖3所示。

由于ZG40Cr25Ni20Si2 鋼中含有較多的合金元素，可以將其分為兩大類：促進(jìn)奧氏體的Ni、Mn和促進(jìn)鐵素體的Cr、Si，分別用Ni當(dāng)量(Nieq)和Cr當(dāng)量(Creq)表示，計(jì)算式如(1)和(2)所示。

Creq=%Cr+1.5(%Si)+1(%Mo)+

2(%Ti)+0.5(%Nb)

(1)

Nieq=%Ni+0.5(%Mn)+30(%C)+30(%N)

(2)

圖3 鑄態(tài)試樣的金相圖片

根據(jù)表1中的元素成分，計(jì)算得出鋼中的Ni當(dāng)量Nieq=33.79，Cr當(dāng)量Creq=28.446。根據(jù)Schaeflfer-Delong當(dāng)量圖(如圖4)可大致判斷鋼中組織，常溫下鋼的基體組織為奧氏體[13]。

圖4 Schaeflfer-Delong當(dāng)量圖

因此，1#鑄態(tài)試樣的金相組織為奧氏體、少量鐵素體和碳化物(較多的M23C6)。在奧氏體的晶界處，分布著碳化物和少量鐵素體。晶界碳化物以較薄的片狀形態(tài)分布在晶粒之間，有些在晶界三角區(qū)域處發(fā)生少量集聚現(xiàn)象。

2#固溶態(tài)試樣的金相組織如圖5所示。金相組織形態(tài)發(fā)生明顯變化，奧氏體晶粒變粗，成長(zhǎng)為柱狀樹枝晶、少量鐵素體和碳化物(較多的M23C6)。碳化物連續(xù)性較低，晶界呈彎折狀，能夠使晶界滑移和擴(kuò)展受阻，從而延長(zhǎng)斷裂時(shí)間，提高合金的性能及使用壽命[14-15]。

圖5 固溶態(tài)試樣的金相圖片

鑄態(tài)和固溶態(tài)試樣的金相組織對(duì)比發(fā)現(xiàn)，前者奧氏體晶粒較小，呈現(xiàn)尖角多邊形狀，分布不均勻；后者經(jīng)固溶處理，奧氏體晶粒粗化，分布更均勻。

2.2 室溫拉伸性能分析

室溫條件下，兩根拉伸試樣的性能參數(shù)測(cè)試結(jié)果見表2，參數(shù)均滿足設(shè)計(jì)要求。經(jīng)過(guò)固溶處理的2#試樣抗拉強(qiáng)度達(dá)到556 MPa，相比原始鑄態(tài)1#試樣提高了11%，可見固溶處理對(duì)材料強(qiáng)度改善效果明顯。室溫下伸長(zhǎng)率略有降低，由于產(chǎn)品最終工作環(huán)境為高溫條件，因此高溫條件下的伸長(zhǎng)率變化對(duì)產(chǎn)品更有參考意義。

表2 ZG40Cr25Ni20Si2室溫主要性能參數(shù)

2.3 高溫拉伸性能分析

高溫(900 ℃)條件下，對(duì)試樣拉伸性能參數(shù)測(cè)試結(jié)果見表3，固溶后抗拉強(qiáng)度提高了14%，伸長(zhǎng)率也提高了14%，表明固溶處理后的金相組織，晶粒更均勻，同時(shí)晶界形成更多的碳化物，碳化物的硬度高，合金的強(qiáng)度也得到不同程度的提高。

表3 ZG40Cr25Ni20Si2高溫(900 ℃)拉伸性能參數(shù)

2.4 硬度

對(duì)每個(gè)試樣分別選取3個(gè)位置進(jìn)行硬度測(cè)量，結(jié)果見表4。

表4 硬度測(cè)試結(jié)果

鋼的硬度受其晶粒尺寸、碳化物數(shù)量、形貌及分布等因素影響，奧氏體耐熱鋼的硬度約為162～229HB。測(cè)試結(jié)果可見，固溶處理后，硬度提高約16%，有助于提高產(chǎn)品性能。這與前文的金相組織是相對(duì)應(yīng)的。固溶處理后的金相組織，晶粒更均勻，同時(shí)晶界形成更多的碳化物，碳化物的硬度高，合金的硬度也得到不同程度的提高。

2.5 金相斷口分析

采用FEI vanano450掃描電子顯微鏡，對(duì)高溫拉伸試樣的斷口掃描，典型形貌如圖6所示。分析發(fā)現(xiàn)，鑄態(tài)的試樣斷口形貌呈現(xiàn)明顯的樹枝晶斷裂，斷口上有大量的撕裂棱。固溶態(tài)的試樣在低倍下的斷口形貌與鑄態(tài)試樣類似，但是在高倍下可看見較多韌窩，為典型的韌性斷裂斷口形貌。因此，2#試樣的塑性表現(xiàn)更好。

圖6 高溫試樣的斷口形貌

3 分析討論

本文的試驗(yàn)結(jié)果表明，通過(guò)增加固溶處理過(guò)程，材料表現(xiàn)出了良好的綜合力學(xué)性能。ZG40Cr25Ni20Si2鋼的硬度、強(qiáng)度等性能，與晶粒尺寸、形貌及分布，碳化物數(shù)量等因素有關(guān)。ZG40Cr25Ni20Si2鋼在常溫下基體為奧氏體，鋼中的C元素和Cr元素相互結(jié)合能力非常強(qiáng)，極易形成鉻的碳化物，分布于晶界，因此常溫下鋼中主要是奧氏體和少量碳化物。固溶處理使得鐵素體增多而奧氏體減少，隨著固溶時(shí)間增加，鐵素體中合金元素Cr、Mo含量逐漸變多，在過(guò)飽和鐵素體基體中與未溶入鐵素體的碳相結(jié)合形成碳化物析出相，使耐熱合金的硬度增加，晶界碳化物的形貌和分布狀態(tài)發(fā)生變化。碳化物能以斷續(xù)塊狀或桿狀分散于晶界處，可有效阻礙晶界的遷移，提高合金的持久和蠕變強(qiáng)度，使試樣的強(qiáng)度改善，有利于提高合金的力學(xué)性能。另一方面，通過(guò)固溶處理，固溶在合金基體中的碳、硅、鉻、鎳等元素，使晶格發(fā)生了一定的畸變，從而晶體彈性應(yīng)力場(chǎng)發(fā)生改變，并與位錯(cuò)交互作用，將其穩(wěn)穩(wěn)扎住，從而提高合金的抗拉強(qiáng)度[15-22]。

4 結(jié)論

1) 合理的固溶處理可使耐熱鋼中的碳化物數(shù)量增長(zhǎng)，析出相、晶粒尺寸和形貌分布發(fā)生改變，獲得強(qiáng)化的固溶體，抗拉強(qiáng)度明顯提高；材料斷口為明顯的韌性斷裂，呈現(xiàn)更好的塑性特征。

2) 固溶處理使原始鑄態(tài)試樣的性能得到明顯改善，常溫和900 ℃高溫下，抗拉強(qiáng)度分別提高了11%和14%，900 ℃高溫下伸長(zhǎng)率提高14%，成本增加約1%，有利于批量產(chǎn)品在有效控制成本的前提下，顯著提升質(zhì)量。

3) 本文僅針對(duì)一種試驗(yàn)參數(shù)進(jìn)行了論證分析，后續(xù)可通過(guò)變更固溶時(shí)間、溫度、產(chǎn)品規(guī)格、形狀、裝爐量，獲得固溶處理的最優(yōu)工藝參數(shù)，制定相應(yīng)的監(jiān)控措施，保證產(chǎn)品性能，保障批量產(chǎn)品的合格率。