NCF3015氣閥鋼時(shí)效處理旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞壽命性能研究

孫 歌，孔德此，曾燕鵬，黎志彥，梁育卿

（懷集登月氣門有限公司，廣東 懷集 526400）

NCF3015合金是一種沉淀硬化鐵-鎳基氣閥鋼，其機(jī)械性能在鐵基和鎳基合金的氣閥鋼之間，并且相比鎳基氣閥鋼具有更低的成本。早在20世紀(jì)40年代，國(guó)際上開始研發(fā)鎳基高溫合金。其歐洲主要研究Nimonic系列鎳基合金，主要代表有Nimonic75鎳基合金和Nimonic80合金。美國(guó)則主要研究Inconel系列合金，比如Inconel 751，就是通過調(diào)整鈦鋁比例形成的新鎳基氣閥合金材料[1]。

由于原材料鎳的價(jià)格居高不下，對(duì)性能和成本的雙重追求下，日本于1994年發(fā)明了NCF3015合金，并且廣發(fā)應(yīng)用于歐美制造發(fā)動(dòng)機(jī)排氣閥[2]。而我國(guó)對(duì)NCF3015合金材料的國(guó)產(chǎn)化和應(yīng)用研究，于2013年后才逐步開始。目前，由于該材料具備更低的成本和良好的高溫綜合性能，已作為Inconel751替代材料，廣泛應(yīng)用于國(guó)內(nèi)主機(jī)廠。

1 試驗(yàn)制備與方法

試驗(yàn)材料采用國(guó)內(nèi)某鋼廠生產(chǎn)加工的NCF3015棒料，其棒料直徑為10.5mm，試驗(yàn)用的NCF3015鐵鎳基合金的化學(xué)成分見表1。熱處理制度為：750℃×4h，空冷。熱處理后的NCF3015室溫力學(xué)性能見表2，室溫拉伸試驗(yàn)采用 GB/T228.1-2002《金屬材料拉伸試驗(yàn) 第1部分：室溫試驗(yàn)方法》[3]標(biāo)準(zhǔn)。熱處理后的試樣經(jīng)機(jī)械加工制成旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞試樣，其疲勞試樣的尺寸如圖1所示。試驗(yàn)設(shè)備選擇QBWP-10000型懸臂旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞試驗(yàn)機(jī)，應(yīng)力比為-1，確定判定通過的疲勞壽命值為1×107。

表1 NCF3015合金的化學(xué)成分（wt%）

圖1 金屬測(cè)試旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞漏斗形試樣

表2 NCF3015室溫力學(xué)性能表

2 結(jié)果和分析

2.1 顯微組織

NCF3015合金經(jīng)過760℃4小時(shí)時(shí)效熱處理后的疲勞試樣金相顯微鏡觀察金相組織如圖2所示。從圖2可看出，試樣晶粒度為9級(jí)，合金的基體為奧氏體組織，晶界處有少量的析出物。

圖2 NCF3015僅時(shí)效狀態(tài)橫向金相組織

2.2 高溫疲勞性能

圖3 NCF3015材料550℃下疲勞測(cè)試升降圖

圖4 NCF3015材料650℃下疲勞測(cè)試升降圖

表4 疲勞源各區(qū)域的成分表

NCF3015氣閥鋼在550℃和650℃的高溫條件下50%存活率的旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞S-N曲線如圖5所示。從圖5可看出隨著應(yīng)力水平降低，疲勞壽命延長(zhǎng)。根據(jù)升降法，得知在550℃下，當(dāng)應(yīng)力為700MPa時(shí)試樣經(jīng)107循環(huán)不發(fā)生斷裂；在650℃下，當(dāng)應(yīng)力為560MPa時(shí)試樣經(jīng)107循環(huán)不發(fā)生斷裂。根據(jù)根據(jù)GB/T 24176中的相關(guān)規(guī)定計(jì)算，NCF3015熱處理僅時(shí)效狀態(tài)，50%失效概率的疲勞強(qiáng)度下極限分別為550℃為580MPa和650℃為723MPa。

圖5 NCF3015合金高溫旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞的應(yīng)力－疲勞壽命（S－N）曲線

圖7 試樣的裂紋源EDS成分檢測(cè)

表3 疲勞源各區(qū)域的成分表

疲勞斷口SEM觀察表明NCF3015的旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞斷口均是由裂紋萌生區(qū)，裂紋穩(wěn)態(tài)擴(kuò)展區(qū)和裂紋失穩(wěn)擴(kuò)展到瞬間斷裂區(qū)三部分組成。轉(zhuǎn)彎曲疲勞斷口觀察表明，裂紋均起源于試樣表面和近表面的缺陷處，見圖6和圖8。圖6斷口近表面有一層平整光滑，是由于加載過程中試樣兩個(gè)裂紋面的不斷摩擦嚙合形成的平整帶。從EDS檢測(cè)得知，斷口近表面黑色塊狀組織（區(qū)域2）主要為金屬碳化物。

圖6 NCF3015合金疲勞斷裂形貌

圖8 NCF3015合金疲勞斷裂形貌

圖9 試樣的裂紋源EDS成分檢測(cè)

NCF3015疲勞斷裂的另一種方式主要為夾雜物，從圖8斷口形貌圖顯示有明顯的“魚眼”斷口形貌。在近表面的位置，有明顯的夾雜物，通過EDS對(duì)疲勞源夾雜物的成分分析?？梢钥吹絽^(qū)域1主要為金屬碳化物的夾雜物，區(qū)域2主要為碳化鈣鉀硫硅中的非金屬夾雜物，同時(shí)附近有較為明顯的應(yīng)力集中，確定其為魚眼的中心且為主要的疲勞源。

3 結(jié)論

（1）發(fā)動(dòng)機(jī)氣門材料NCF3015僅時(shí)效狀態(tài)下的高溫旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞特性，在550 ℃疲勞極限為723 MPa，650 ℃下的疲勞極限為580MPa；根據(jù)550 ℃和650 ℃下所進(jìn)行的高溫旋轉(zhuǎn)疲勞測(cè)試所得S-N圖可知，隨著溫度的升高，NCF3015抗疲勞強(qiáng)度受到了較為明顯的影響，隨著溫度的升高而降低。

（2）NCF3015氣門鋼的疲勞破壞模式主要兩種，即近表面碳化物起裂、內(nèi)表面金屬和非金屬夾雜物起裂。其中，內(nèi)表面夾雜物起裂有明顯的“魚眼”特征。