Alloy LF8 新型氣閥合金研磨棒

Alloy LF8 新型氣閥合金研磨棒

1 概述

氣閥在高溫氣體腐蝕、高應(yīng)力作用等惡劣環(huán)境下工作，排氣閥承受的溫度高達(dá)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(lái)越多的關(guān)注。經(jīng)對(duì)ALLOY 80A合金組織性能進(jìn)行了研究發(fā)現(xiàn)，Ti/Al比的增加顯著提高室溫力學(xué)性能，當(dāng) Ti/Al比較低時(shí)，晶內(nèi)有β-NiAl相析出，會(huì)導(dǎo)致材料高溫?cái)嗔选?/p>

由于國(guó)家對(duì)于減排的要求不斷提高，導(dǎo)致對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)效率的要求不斷提高，燃燒室溫度也進(jìn)一步提高。根據(jù)目前對(duì)氣閥合金的高溫性能研究，發(fā)現(xiàn)ALLOY 80A和ALLOY 751可以在700℃左右使用,但當(dāng)溫度達(dá)到750℃時(shí),這類合金高溫性能顯得不足，還往往造成工作時(shí)氣閥失效。因此為了適應(yīng)不斷升高的排氣閥工作環(huán)境溫度，需要開發(fā)一種在750℃左右工作，其性能要優(yōu)于ALLOY 80A的新型氣閥合金。

ALLOY LF8是以ALLOY 80A合金為基礎(chǔ)研發(fā)出來(lái)的一種新型氣閥合金，金相試驗(yàn)和力學(xué)實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)表明，ALLOY LF8的穩(wěn)定性、力學(xué)性能強(qiáng)度和硬度均優(yōu)于ALLOY 80A，有希望成為750℃環(huán)境下氣閥合金的優(yōu)選材料。

2 應(yīng)用

ALLOY LF8主要應(yīng)用于750℃左右高溫工作溫度環(huán)境下的高性能內(nèi)燃機(jī)排氣閥。由于ALLOY LF8氣閥合的金室溫和高溫強(qiáng)度以及硬度均高于ALLOY 80A，有希望成為750℃氣閥合金的優(yōu)選材料。

3 化學(xué)成份(wt%)

表1

4 金相

圖1為 LF8 合金熱處理后的掃描電鏡照片

圖2為透射電鏡照片

表2 合金熱處理后的析出相

圖1 實(shí)驗(yàn)合金熱處理后的掃描電鏡圖片及對(duì)應(yīng)能譜

( a) 顯微組織掃描; ( b) 晶界碳化物形貌; ( c) M23C6能譜; ( d) MC 能譜

圖2 析出相透射照片和衍射花樣 ( a) γ'相; ( b) TiC 相; ( c) M23C6相

表2 合金熱處理后的析出相

由圖1 和圖2看出實(shí)驗(yàn)合金熱處理后的顯微組織為奧氏體基體并伴有大量的退火孿晶， 晶粒尺寸在20-150μm之間，析出相有γ'、M23C6和TiC相。根據(jù)熱力學(xué)計(jì)算結(jié)果，γ'相是ALLOY LF8 合金中主要的強(qiáng)化相，起到沉淀強(qiáng)化的作用，γ'相長(zhǎng)大時(shí)會(huì)增加界面能，使系統(tǒng)的不穩(wěn)定性增加，γ'相在耐熱合金中的時(shí)效過(guò)程中析出受到溫度和時(shí)間的雙重作用。對(duì)于ALLOY LF8合金，經(jīng)過(guò)760℃ / 5小時(shí)時(shí)效后，γ'相十分細(xì)小，在圖1掃描電鏡下無(wú)法分辨，在圖2中可以清晰的看到基體中細(xì)小的γ'相。ALLOY LF8合金中的 γ'相呈近球形，彌散分布在晶內(nèi)，尺寸大約在20nm。由于ALLOY LF8時(shí)效時(shí)間短，γ'相尺寸細(xì)小含量較少屬于析出初期，尚未發(fā)生粗化長(zhǎng)大。表2是ALLOY LF8合金熱處理后進(jìn)行化學(xué)萃取和 X射線衍射相分析定性結(jié)果，從表中可見γ'的點(diǎn)陣常數(shù)ɑ0 = 0.357-0.358nm，合金中的Cr溶入γ'，Cr含量增加使γ'相數(shù)量稍有增加。由圖1( b) 掃描照片和圖1( d) 能譜照片看出，Cr23C6為主要析出碳化物，呈不連續(xù)橢圓狀，長(zhǎng)度為 400-800nm，部分分布在晶內(nèi)的Cr23C6呈圓點(diǎn)狀，從表5中看出點(diǎn)陣常數(shù)ɑ0 = 0.430-0.431nm，合金中的Cr和Ni溶入M23C6形成Cr23C6。晶界處分布的Cr23C6相對(duì)晶界起到釘扎作用，有效增加合金的高溫強(qiáng)度，連續(xù)分布的Cr23C6相會(huì)減小界面能， 但不連續(xù)分布對(duì)晶界的釘扎效果更好，尺寸不宜過(guò)大，如果時(shí)效時(shí)間過(guò)長(zhǎng)Cr23C6相容易發(fā)生聚集長(zhǎng)大，影響合金的高溫性能。由圖1( a) 掃描照片和圖1( c) 能譜照片看出，晶內(nèi)析出碳化物為MC，呈小塊狀，數(shù)量較少，尺寸在 500-1000nm，從透射照片( 圖2b) 中還可以清楚的觀察到晶內(nèi)呈短棒狀的TiC。從表2中看MC相點(diǎn)陣常數(shù)為ɑ0 = 1.060-1.062nm，點(diǎn)陣常數(shù)較大。TiC可分為初生和次生兩種，初生TiC碳化物是在凝固過(guò)程中形成的，多分布在晶內(nèi)及晶界處，平均尺寸較大; 次生TiC 在熱加工后的合金冷卻、熱處理或者長(zhǎng)期使用過(guò)程中由γ基體中析出或者由其他相轉(zhuǎn)變而成。初生的TiC由于尺寸較大而且析出和溶解溫度較高，因此在熱加工和熱處理過(guò)程中比較穩(wěn)定。從熱力學(xué)軟件中看在760℃平衡相中并沒(méi)有TiC平衡相析出，熱力學(xué)軟件計(jì)算出的析出相都是平衡析出相并不包括未溶或者其他轉(zhuǎn)變相，合金中存在的TiC應(yīng)該是溶解度較高未回溶那部分少量初生TiC。

5 力學(xué)性能

圖3為ALLOY LF8和ALLOY 80A在室溫環(huán)境下的拉伸性能和硬度對(duì)比圖

圖4為ALLOY LF8和 ALLOY 80A高溫拉伸性能對(duì)比圖

圖5 合金平衡態(tài)熱力學(xué)相圖

圖3 ALLOY LF8和ALLOY 80A的拉伸性能、硬度對(duì)比圖

圖4 常規(guī)熱處理實(shí)驗(yàn)后Alloy LF8的高溫力學(xué)性能 (a) 抗拉強(qiáng)度; (b) 屈服強(qiáng)度

圖5 合金平衡態(tài)熱力學(xué)相圖 (a) ALLOY LF8合金平衡態(tài)熱力學(xué)相圖; (b) ALLOY 80A合金平衡態(tài)熱力學(xué)相圖

從圖3中可以看出ALLOY LF8的抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度分別為1307MPa和973MPa，硬度為40.8HRC，ALLOY 80A在室溫條件下的抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度分別為1194MPa和776MPa，硬度為37.6HRC，分別比ALLOY 80A高8.6%、20%和7.9%。

從圖4(a)、5(b)中可以看出ALLOY LF8和ALLOY 80A的抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度隨著溫度的升高而降低，ALLOY LF8在 750℃時(shí)抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度為845MPa和750MPa，而ALLOY 80A在750℃時(shí)的抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度只有802MPa和657MPa，ALLOY LF8的抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度明顯高于ALLOY 80A，分別高5.0%和12.4%。

金屬材料中時(shí)效態(tài)析出相的含量、尺寸以及分布對(duì)其強(qiáng)度有較大的影響，合金時(shí)效后微觀結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性也會(huì)對(duì)其力學(xué)性能產(chǎn)生影響。γ'和碳化物是鎳基合金中的重要強(qiáng)化相，在鎳基耐熱合金中γ'與基體之間為共格關(guān)系存在，LI2型結(jié)構(gòu)的 γ'在時(shí)效后與基體的的錯(cuò)配度增大，易轉(zhuǎn)變?yōu)楦臃€(wěn)定的立方結(jié)構(gòu)。在760℃/5小時(shí)時(shí)效后，γ'相以及晶界上碳化物析出都增加了ALLOY LF8的強(qiáng)度，圖5是 Thermo-calc 熱力學(xué)軟件計(jì)算結(jié)果，從平衡相圖中我們看出ALLOY LF8合金的γ'相在760℃平衡相析出含量為27.21%，ALLOY 80A只有18.60%，ALLOY LF8比ALLOY 80A的γ'平衡析出相含量高8.61%。表明在760℃時(shí)ALLOY LF8的γ'相析出含量大于80A析出含量，從而在理論上驗(yàn)證了ALLOY LF8的強(qiáng)度高于ALLOY 80A。同時(shí)，合金中加入了Co元素增加了固溶強(qiáng)化的作用，減少γ'相的溶解。高溫下晶界的裂紋往往是導(dǎo)致合金提前失效的主要原因，碳在高溫下容易向晶界擴(kuò)散，使晶界處富Cr的碳化物聚集長(zhǎng)大，最終形成片層狀的脆性相降低合金的高溫強(qiáng)度和韌性。與ALLOY 80A、ALLOY 751、ALLOY 617 等鎳基耐熱合金相比，ALLOY LF8合金熱處理過(guò)后，晶界碳化物為不連續(xù)分布，這種形貌的碳化物能有效的釘扎晶界，提高合金晶界結(jié)合力增加晶界滑移的阻力，減少晶界裂紋源的形成，從而提高了晶界對(duì)拉伸的抗性。經(jīng)過(guò)力學(xué)實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)分析，ALLOY LF8合金的強(qiáng)度和硬度高于ALLOY 80A，有希望成為750℃ 氣閥合金的優(yōu)選材料。

6 產(chǎn)品

棒材和條桿：交貨狀態(tài)有軋制、熱處理、氧化、除鱗、車光、磨光、拋光。

其它：盤件、無(wú)縫管、筒件、鍛件、鍛坯等。