GR660圓棒熱處理后硬度偏低的分析

范衛(wèi)東

(常熟市良益金屬材料有限公司，江蘇 蘇州 215500)

GR660(國標GH2132)是一種Fe-25Ni-15Cr基高溫合金，加入鉬、鈦、鋁、釩及微量硼綜合強化,在650 ℃以下具有高的屈服強度和持久、蠕變強度，并且具有較好的加工塑性和滿意的焊接性能。適合制造在650 ℃以下長期工作的航空發(fā)動機高溫承力部件，如渦輪盤、壓氣機盤、轉(zhuǎn)子葉片和緊固件等。該合金可以生產(chǎn)各種形狀產(chǎn)品，如：盤件、鍛件、板、棒、絲和環(huán)形件等。該合金常規(guī)的熱處理工藝有：(1)(980 ± 15)℃保持2小時,油冷或水冷，705～760 ℃保溫16小時,空冷；(2)(900 ±15)℃保持2小時,油冷或水冷，705～760 ℃保溫16小時,空冷。某重工設(shè)備制造有限公司委托我公司生產(chǎn)的四支Φ236 mm×2441 mm GR660合金圓棒選用第二種熱處理工藝，要求硬度不低于248 HBW,但實際熱處理好以后硬度不均勻，四支棒料中有兩支硬度不達標，最低硬度只有212 HBW,不能滿足客戶要求。

1 理化檢驗

1.1 成分分析

我們采用德國SPECTRO直讀光譜儀對兩支不達標的圓棒兩頭分別進行了化學(xué)成分分析，結(jié)果見表1。為了便于對比，表1中同時列出了ASTM A638標準規(guī)定的合金的化學(xué)成分范圍[1]。

由表1可以看到，兩支圓棒的化學(xué)成分符合標準要求，由于GR660合金的生產(chǎn)工藝為VIM+ESR,受電渣燒損的影響，1A和2A兩支圓棒的Ti含量在標準下限。

1.2 性能檢測

為進一步研究熱處理對性能的影響，我們在2支硬度不達標的圓棒兩頭分別取兩組試樣，使用CMT5205電子萬能試驗機和HB-3000B布氏硬度計檢測試樣。一組試樣直接進行室溫拉伸試驗和硬度試驗，另一組試樣先在SX2-10-12箱式電阻爐內(nèi)進行650 ℃保溫16小時后空冷的補充時效試驗，再進行室溫拉伸試驗和硬度試驗，兩次的檢測結(jié)果見表2。表2中同時列出了ASTM A638標準規(guī)定的合金力學(xué)性能[1]。

表2 GR660合金圓棒的力學(xué)性能

由表2可以看出，未做補充時效的四個試樣中只有一個性能全部達到要求，通過650 ℃的補充時效后，四個試樣性能都達到了規(guī)定要求，說明650 ℃的補充時效對棒材性能是有一定作用的。

1.3 金相檢測

我們將未做補充時效的四個頭部切取金相試樣，經(jīng)過預(yù)磨拋光后，采用日本OLYMPUS GX71型金相顯微鏡放大100倍，進行組織比對觀察，摸索晶粒度與硬度的對應(yīng)關(guān)系。如圖1所示。

1A 1B

2A 2B

從以上四張照片可以看出，1A和2A的晶粒要明顯粗于1B和2B,而從前面的硬度看，1B和2B的硬度要比1A和2A高，說明晶粒度對硬度也有一定影響。

2 分析討論

2.1 由于合金中加入Ti的目的是借助時效析出彌散的 γ'相作為主要強化手段，因此，合金中Ti含量的多少對γ'相的多少起著決定性的作用。也就是說Ti含量的多少對合金的性能起著至關(guān)重要的作用。從分析的兩支棒料情況來看，Ti含量高的棒料硬度相對更高，表明Ti含量高低對硬度確實有直接關(guān)系。有資料表明，GR660合金在標準熱處理后除奧氏體基體外，析出相主要為第二相強化作用的γ'相 ，并在γ基體上呈圓球狀均勻彌散分布，直徑約10—20 nm,因此，γ'相數(shù)量的多少對合金的性能起著至關(guān)重要的作用[2]。Ti是γ'相產(chǎn)出的主要元素，合理控制好Ti含量可以析出更多γ'相，從而可以確保合金的硬度。對于正常生產(chǎn)的GR660合金來說，相關(guān)資料表明，Ti一般控制在2.0%～2.2%之間為好[3]，考慮到電渣燒損影響，電渣生產(chǎn)時還應(yīng)合理使用渣料，以確保Ti控制在規(guī)定范圍內(nèi)。

2.2 如何獲得更多的γ'相數(shù)量，還可以從熱處理方面考慮。時效的目的是使γ'強化相以極微小的顆粒狀均勻分布在γ基體中，γ與γ'形成共格，使合金達到最大的強化效果。有資料表明γ'相的溶解溫度為830～850 ℃，γ'相的開始析出溫度為650 ℃左右，700～730 ℃析出最多[4]。通過上面兩支棒料可以看出，在650 ℃經(jīng)過16小時的補充時效后，γ'相再次析出，對γ基體再次產(chǎn)生了強化效應(yīng)，提高了鋼棒試樣的硬度值，使其達到了標準要求。

2.3 另外，從金相組織看兩支棒料四個試樣中有兩個試樣的晶粒小一點，另外兩個試樣的晶粒偏大，晶粒小的硬度要高一些，相關(guān)資料表明，晶粒越小，同樣大小的一塊材料中,晶界面積越多,晶界越曲折，越不利于裂紋的擴展，對位錯運動的阻礙就越大,從而導(dǎo)致硬度就越高。因此，在實際生產(chǎn)中，對棒材(特別是這種大規(guī)格棒材)應(yīng)把控好鍛造工藝，特別是終鍛溫度不能過高，并保證有足夠的變形量，以確保棒材晶粒度，從而確保棒材的性能。

3 結(jié)論

(1)合金棒料中，Ti含量高低對棒材硬度有直接影響，Ti含量高則硬度高、Ti含量低則硬度低，在實際生產(chǎn)中，還應(yīng)考慮到電渣燒損影響，要合理使用渣料，把Ti控制在2.0%～2.2%之間。

(2)GR660合金棒料按照標準熱處理后，如果硬度不夠可采用650 ℃16小時的補充時效，增加γ'相的析出量，以達到增加硬度的目的。

(3)根據(jù)細晶強化原理，GR660合金棒料在實際生產(chǎn)中可按細晶工藝生產(chǎn)，為以后熱處理后有好的性能提供先天條件。