氣門鋼Nimonic80A熱處理混晶后的探索應用

■ 陳興，劉修艷

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中車集團戚墅堰機車有限公司氣閥分公司是中車內部專業從事機車柴油機氣門設計、制造的企業，是鐵路機車柴油機氣門標準的唯一起草單位。20世紀70年代以來，國內鐵路機車柴油機氣門材料普遍采用鐵基奧氏體氣門鋼45Cr14Ni14W2Mo（以下簡稱雙14）、Cr21Ni12N（以下簡稱21-12N）、33Cr23Ni8NMo（以下簡稱23-8N）等，上述常用氣門鋼綜合性能為：雙14＜21-12N＜23-8N，23-8N鋼的高溫力學性能及抗燃氣腐蝕性能明顯優于21-12鋼，2006年公司逐步采用23-8N氣門鋼制造重載高速機車柴油機氣門，應用至今質量穩定。

2006年底，公司立足自身研發制造HXN5大功率交流機車用GEVO16柴油機氣門，更高性能等級氣門鋼Nimonic80A（以下簡稱Ni80A）此時引入公司應用于HXN5機車GEVO16柴油機排氣門制造，同時應市場客戶需求，Ni80A鋼氣門目前已被廣泛應用于國內外船用柴油機市場。Ni80A氣門鋼是以鎳鉻為基加Al、Ti時效硬化型合金，在高溫運行環境中具有極為優秀的耐燃氣腐蝕特性和疲勞強度。目前，國內外柴油機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）的方向發展，柴油機零部件面臨著提高負荷和溫度的工作條件，在對使用劣質燃油的排氣門的耐蝕性進行了實驗室試驗和在試驗發動機上的試驗，試驗數據證明，采用Ni80A氣門鋼制造的氣門是目前解決耐高溫應力和耐燃氣腐蝕性最好的方法，已采用Ni80A鋼制造的近3萬只氣門在近8年的機車柴油機穩定運行中很好地驗證了上述說法。

2012年公司在氣門制造過程中，某爐次氣門鋼Ni80A在熱處理工序后出現了混晶現象，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性能試驗合格的前提下，圍繞該爐次Ni80A鋼能否應用，工程技術人員對氣門鋼Ni80A在熱處理后的混晶問題進行了研究和分析，為能解決實際工程應用進行探索。

1. 氣門鋼Ni80A入廠材檢

氣門鋼Ni80A采購入廠后在氣門制坯階段工藝流程為：原材料入廠材檢→氣門鋼棒斷料→盤部電鐓鍛打成形→熱處理→機械加工→……。

（1）入廠材檢 氣門鋼入廠材檢項目為：尺寸、外形、鋼棒直線度、化學成分、低倍組織、高倍檢驗、力學性能和表面質量。

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、表面質量經檢查符合技術要求；Ni80A鋼（產生混晶的）化學成分如表1所示，結果符合界限標準。

低倍組織（宏觀檢驗）：尺寸、外形、表面質量都合格，橫低倍如表2所示。

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

氣門鋼Ni80A入廠材檢試樣在小爐進行固溶時效熱處理后力學性能如表4所示。

（2）進入加工流程 Ni80A鋼棒入廠檢驗合格后進入氣門制造流程為：氣門鋼棒斷料（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℃時效×H2h、空冷。

熱處理后氣門毛坯（Ni80A鋼）實物解剖力學性能如表5所示。

氣門毛坯（Ni80A）熱處理后晶粒度（取樣部位為桿頸過渡區，橫截面直徑≤1.3D，D為桿部直徑）：晶粒度為3～7級（見圖1）。

圖1 Ni80A熱處理后混晶金相（3～7級）（100×）

圖2 Ni80A熱處理后正常金相（6級）（100×）

表1 Ni80A鋼材料化學成分（質量分數） （%）

表2 Ni80A鋼入廠試樣橫低倍檢驗記錄

表3 Ni80A鋼入廠試樣非金屬夾雜檢驗

表4 Ni80A鋼入廠試樣熱處理后力學性能

表5 Ni80A鋼熱處理后力學性能

2. 對產生混晶的批次氣門毛坯（Ni80A）進行分析

首先對氣門毛坯（Ni80A）熱處理所用的固溶爐和時效爐進行爐溫均勻度測定，均符合設備采購技術協議所列標準和技術要求。

對該爐次氣門毛坯（Ni80A）還未進行熱處理的，在對之前已有的熱處理工藝進行多次調整和試驗后，最終獲得不產生混晶的熱處理工藝，即1010℃固溶處理×H1h、空冷+700℃時效×H2h，空冷。熱處理后任取2根實物進行晶粒度檢測和力學性能試驗，都能滿足產品技術要求（晶粒度為6級），在對比氣門毛坯（Ni80A）熱處理后產生混晶的和未產生混晶的常溫力學性能后發現，常溫性能都能符合產品質量要求。由于氣門應用主要在高溫狀態，產品能否讓步應用取決于能否滿足實際工作條件，由此引出后面的高溫試驗。

鋼材混晶主要表現為在細晶粒的基體上存在部分特別粗大的晶粒。在20世紀20年代初，冶金學家就已開始了對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鋼的力學性能的影響做過試驗研究，隨著電子顯微鏡、電子計算機和其他電子儀器設備的應用，也由于人們對材料性能越來越高的要求，這方面的研究越來越深入?；炀щm然在熱處理后產生，但它不是熱處理缺陷，而是鋼材本身的缺陷。

混晶的形成規律及產生混晶原因，以及混晶對鋼的力學性能影響一直以來受到國內外許多冶金學者的關注，國外學者對奧氏體晶粒度與鋼的性能之間的關系也有較多的研究，由于試驗方法和手段各異，所得結論也不盡相同，鋼的奧氏體混晶的形成規律和機理仍然不清楚，特別是關于混晶對鋼的力學性能的影響方面，只有少數幾個人進行了一些簡單試驗，從現有報道來看，混晶對力學性能的影響并無一致的結論。

圖3 Zwick Z-150電子萬能試驗機

圖4 排氣門的溫度分布規律

我們關注氣門毛坯（Ni80A）在熱處理后已產生混晶的和未產生混晶的（相同的冶金爐次）在接近產品高溫應用條件下的力學性能方面有何差異，對氣門正常使用有何影響，工程實際應用效果如何。

（1）力學性能對比試驗 對該爐次氣門鋼Ni80A產生混晶的和未產生混晶的毛坯各任取6根實物進行高溫力學性能對比試驗。

試驗設備：Zwick Z-150電子萬能試驗機，如圖3所示。檢驗標準：GB/T4338—2006 《金屬材料高溫拉伸試驗方法》。

根據氣門工作條件設定對比試驗溫度。氣門是柴油機完成工作循環、實現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，排氣門是承受熱負荷最高的零件之一。根據有關資料和我公司柴油機試驗、應用收集的數據得出柴油機排氣門的溫度分布規律（見圖4），最高溫度是排氣門的中心A處，直接與高溫氣體接觸，其次是氣門桿頸部C處及氣門的盤錐部與氣門座圈接觸的B處，同時需要說明的是排氣門的溫度分布是不對稱的，靠近氣缸套側的溫度低，靠近噴油嘴側的溫度高，二者之間的溫度差和熱負荷的高低與柴油機運轉因素有關。因此，對比試驗溫度設定為600℃和700℃。

對比試樣取樣：①試樣編號：1、2、3、4、5、6（晶粒度為6級）。②試樣編號：1-1、2-2、3-3、4-4、5-5、6-6（晶粒度為混晶3~7級）。③在600℃下進行力學性能試驗，試樣編號：1、2、3、1-1、2-2、3-3。④在700℃下進行力學性能試驗試樣編號：4、5、6、4-4、5-5、6-6。試驗數據如表6所示。

（2）統計分析 綜合上面600℃和700℃兩種試驗條件下非混晶和混晶兩組試樣的高溫力學性能統計分析，初步結論為：①不能得出非混晶試樣組的高溫力學性能好于混晶試樣組的明確結論。②考慮到具體試驗中隨機性影響因素比較多，本次試驗制備的試樣數量有限，因此試驗初步結果可能存在局限性。③混晶材料中各種等級晶粒的數量比例及混晶分布特征均未作為試驗和分析對象。兩種試樣在兩種高溫下的力學性能變化趨勢比較混雜，提示將來可從這個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℃時的力學性能數據

經過上述高溫力學性能試驗及試驗數據的研究與分析，決定對該批次混晶氣門鋼Ni80A毛坯進行單獨制造CW250柴油機排氣門5臺份進行裝機運行試驗。

3. 結語

采用混晶氣門鋼Ni80A用于制造CW250排氣門5臺份已裝機應用至今（近5年），目前該5臺柴油機運用狀態良好。因此，氣門鋼Ni80A出現混晶后應實際問題具體分析，通過試驗數據和分析來判斷其是否還具有工程應用價值。