微合金化奧氏體氣閥鋼的組織和性能研究.pdf

1、本文在5Cr21Mn9Ni4N(21-4N)鋼基礎(chǔ)上采取RE及Nb、 V的微合金化技術(shù)試制成功21-4NRE和6Cr2lMn10MoVNbN奧氏體內(nèi)燃機(jī)氣閥鋼，其中21-4NRE鋼各項(xiàng)性能比21-4N鋼有不同程度的提高，而且成品率提高5﹪左右；6Cr2lMn10MoVNbN鋼性能達(dá)到國外同類標(biāo)準(zhǔn)水平，成品率達(dá)到60﹪以上，填補(bǔ)了國內(nèi)空白，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)和銷售上千噸，大幅度地替代了進(jìn)口，實(shí)現(xiàn)銷售收入數(shù)億元，產(chǎn)生了良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。系統(tǒng)研

2、究了稀土對(duì)21-4N鋼顯微組織、夾雜物、晶粒長大規(guī)律的影響，獲得了最佳的稀土加入量，并初步分析了稀土的作用機(jī)理。通過熱模擬壓縮試驗(yàn)和熱軋固溶試驗(yàn)系統(tǒng)分析了6Cr21Mn10MoVNbN鋼的熱變形行為和顯微組織演變規(guī)律，獲得了最佳的工藝參數(shù)。系統(tǒng)研究了兩種氣閥鋼的常規(guī)力學(xué)性能、抗氧化性能和耐磨性能，并分析了氣閥鋼的強(qiáng)化機(jī)理、抗氧化機(jī)理和磨損機(jī)制。 稀土微合金21—4N鋼中顯微組織研究發(fā)現(xiàn)：稀土在21-4N鋼中的固溶量約在10<-6

3、>～10<'-5>數(shù)量級(jí)之間。適量稀土(0.20﹪wt)加入21-4N鋼能使鑄態(tài)樹枝晶組織明顯得到細(xì)化，偏析現(xiàn)象減輕；能使成品態(tài)析出相分布更均勻，晶內(nèi)析出相增多；能有效變質(zhì)夾雜物，改善夾雜物的形貌。鑄態(tài)M<,7>C<,3>間隙相析出機(jī)制可能為胞狀脫溶，適量稀土減少了胞狀組織的出現(xiàn)。成品態(tài)時(shí)，微合金化21-4N鋼的析出相均為M<,23>C<,6>。稀土微合金21-4N鋼具有在1150℃以上時(shí)奧氏體晶粒急劇粗化的特征；適量稀土的加入有助于抑

4、制晶粒長大，提高晶粒長大激活能。21-4N鋼最佳的稀土加入量為0.2﹪Wt。 6Cr2lMnl0MoVNbN鋼的熱模擬壓縮試驗(yàn)表明：6Cr21Mn10MoVNbN鋼在本試驗(yàn)變形條件范圍內(nèi)均可發(fā)生動(dòng)態(tài)再結(jié)晶，其變形抗力和再結(jié)晶晶粒尺寸受形變條件影響較大；Miura H的晶界弓出形核改進(jìn)模型可以適用于高合金奧氏體氣閥鋼的動(dòng)態(tài)再結(jié)晶形核過程；M(C、N)相析出屬于一般脫溶，主要在熱變形過程中析出，開始析出時(shí)間要早于動(dòng)態(tài)再結(jié)晶的發(fā)生或者

5、和動(dòng)態(tài)再結(jié)晶競(jìng)爭(zhēng)發(fā)生，優(yōu)先在晶界析出；而M<,7>C<,3>相析出機(jī)制可能為胞狀脫溶，是在熱變形結(jié)束后的冷卻過程中進(jìn)行的，是熱變形裂紋產(chǎn)生的原因之一，該析出相主要在晶界和位錯(cuò)上形核，析出受形變條件和冷卻方式影響較大；通過顯微組織的分析獲得了單道次熱變形過程中顯微組織演變機(jī)制。6Cr21Mn10MoVNbN鋼的熱軋固溶試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：該鋼的晶粒粗化溫度為1150℃；析出相的粗化機(jī)制是擴(kuò)散控制的Ostwald熟化；1050℃～1100℃下的晶粒長

6、大激活能為189.9KJ/mol，晶粒長大動(dòng)力學(xué)方程為：D=D<,O>+2.08×10<'6>t<'0.368>exp(-189856/RT)。最終獲得了6Cr21Mn10MoVNbN鋼的合理熱變形溫度范圍為1150℃～950℃，冷卻速度以空冷為宜，開軋時(shí)變形溫度高變形量不宜過大；合理固溶處理溫度范圍為l100～1150℃，固溶時(shí)間30～60 min左右為宜。6Cr21Mn10MoVNbN鋼成品態(tài)中含三種析出相：M23C6、M(C、N)

7、和M<'7>C<'3>相。 微合金化奧氏體氣閥鋼力學(xué)性能測(cè)試表明：適量稀土(0.20﹪wt)對(duì)21-4N鋼抗拉強(qiáng)度影響不大，但能明顯提高高溫延伸率，幅度約10﹪～17﹪。6Cr21Mn10MoVNbN鋼500～900℃的高溫抗拉強(qiáng)度均高于21-4N鋼，增幅在11﹪～16﹪之間；高溫延伸率在700～900℃時(shí)與21-4N鋼相當(dāng)。奧氏體氣閥鋼的強(qiáng)化機(jī)制是沉淀強(qiáng)化、固溶強(qiáng)化、細(xì)晶強(qiáng)化和位錯(cuò)強(qiáng)化等機(jī)制的組合，其中沉淀強(qiáng)化起主要作用。奧氏

8、體氣閥鋼中裂紋易在以下位置萌生和擴(kuò)展：析出相/基體界面、斷裂的析出相、夾雜物/基體界面以及局部弱化的晶界處。奧氏體氣閥鋼的斷裂機(jī)理主要為微孔聚集斷裂。 奧氏體氣閥鋼抗氧化性能發(fā)現(xiàn)：適量的稀土(0.2﹪wt)對(duì)21-4N鋼700～900℃抗氧化性能均有一定幅度的提高，使氧化指數(shù)n增大，氧化速率常數(shù)k<,p>減小，氧化激活能提高約10﹪。6Cr21Mn10MoVNbN鋼抗氧化性能在800℃以下屬于完全抗氧化級(jí)，900℃時(shí)屬于抗氧化級(jí)

9、。進(jìn)入氧化穩(wěn)定期后，隨著氧化溫度的升高，稀土微合金化21-4N鋼和6Cr21Mn10MoVNbN鋼的氧化動(dòng)力學(xué)曲線均從拋物線規(guī)律逐漸向線性規(guī)律偏離，溫度越高偏離越嚴(yán)重。隨著氧化溫度的升高，稀土微合金化21-4N鋼和6Cr21Mn10MoVNbN鋼氧化皮組成從錳的氧化物為主向鐵的氧化物占較大比重轉(zhuǎn)變。氧化皮中鐵的氧化物大量出現(xiàn)和氧化皮疏松是溫度升高抗氧化性能降低的主要原因。適量稀土的加入沒有改變耐熱鋼氧化膜的相組成，而改善了氧化膜的結(jié)構(gòu)，

10、從而提高了耐熱鋼的高溫抗氧化性能。Nb、v的加入改變6Cr21Mn10MoVNbN鋼700℃氧化皮中各種氧化物所占的比例，改變800℃以上氧化皮的相組成，從而使其抗氧化性能相應(yīng)提高或者降低。 微合金化奧氏體氣閥鋼磨損性能表明：室溫和500℃干摩擦條件下，適量的稀土(0.2﹪wt)有助于提高21-4N鋼的耐磨性能。相同磨損條件下，6Cr21Mn10MoVNbN鋼耐磨性能比21-4N鋼均有不同程度的提高。由于奧氏體氣閥鋼的顯微組織為