一種汽車發動機氣閥用節鎳型高溫合金的固溶時效工藝

(1. 瀘州職業技術學院 機械工程學院， 四川 瀘州 646000； 2. 重慶材料研究院有限公司， 重慶 400707； 3. 國家儀表功能材料工程技術研究中心， 重慶 400707； 4. 四川警察學院 刑事技術系， 四川 瀘州 646000)

內燃機包括柴油機和汽油機，是機車和汽車的心臟，而小小的氣閥則是內燃機的核心部件和易損部件，運行在溫度高、腐蝕強、氣流快、磨損大的復雜環境中，其性能的可靠性直接關系到內燃機使用安全性[1-3]。隨著內燃機工業的發展，氣閥材料也從最初的馬氏體鉻硅耐熱鋼逐漸過渡到奧氏體鎳耐熱鋼和鎳基高溫合金。其中，鎳基奧氏體高溫合金通過Ni、Al、Ti等金屬間化合物的沉淀析出，有著比鐵基奧氏體合金更好的高溫疲勞強度和高溫力學性能，成為高負荷型內燃機排氣門的首選材料[2,4]。

其典型代表為Nimonic 90、Nimonic 80A等鎳基奧氏體高溫合金。盡管它們有著顯著的性能優勢，但其金屬鎳含量高達80%以上，價格居高不下[5-6]。氣閥作為一種市場產品，其原材料成本也是必須要考慮的重要因素，在保證使用性能的情況下，盡可能降低原材料成本，這在氣閥的整個應用領域尤其是民用領域都是非常重要的發展趨勢[1,7-9]。基于此，節鎳型氣閥高溫合金隨之發展并得到廣泛研究和應用，如Inconel 751、Pyroment 31等[4]。為進一步降低金屬鎳的含量，NCF 5015D、NCF 3015、NCF 440等材料牌號被相繼開發，與之相對應的熱處理制度也不斷被探索[10-13]。本研究以含鎳量僅為30%左右的汽車發動機用節鎳型高溫合金為研究對象，通過研究固溶、時效熱處理溫度和時間對其力學性能的影響，以期對未來節鎳型高溫合金的固溶時效熱處理制度提供理論依據，促進該類合金在內燃機工業中的應用。

1 試驗材料及方法

試驗原材料為某公司提供的節鎳型高溫合金熱軋棒材，直徑φ9 mm，化學成分如表1所示。樣品在900～1100 ℃進行固溶處理，到溫裝爐，保溫時間為10～60 min，樣品取出后馬上進行水冷。時效處理溫度為700～760 ℃，時效時間為4 h，樣品取出后自然冷卻。每種熱處理類型分別制備3個試樣，測試結果取其平均值。按照GB/T 13298—1991《金屬顯微組織檢驗方法》，選用 5 g 氯化銅+100 mL 鹽酸+100 mL 乙醇作為侵蝕劑，分別對熱軋原材料以及熱處理試樣在光學顯微鏡下進行金相觀察。按 GB/T 228—2010《金屬材料 拉伸試驗 第1部分: 室溫試驗方法》及GB/T 231.1—2009《金屬材料 布氏硬度試驗》進行相關力學性能測試。

表1 節鎳型高溫合金的化學成分(質量分數，%)

試驗中使用的儀器設備主要有CMT4105微機控制電子萬能試驗機、HBRVU-187.5布洛維光學硬度計、ZBC-2302-1擺錘沖擊試驗機、RDJ50機械蠕變試驗機、OLYMPUS-GX51光學顯微鏡等。

2 結果與討論

2.1 原始熱軋態樣品顯微組織分析

圖1為原始熱軋態樣品的橫向顯微組織。可以清晰看到，原始軋制態試樣的晶粒細小、均勻，主要組成為奧氏體孿晶，晶粒度12級。試樣的非金屬夾雜物評級結果見表2，僅有D類夾雜，該節鎳型氣閥高溫合金的鋼質純凈，冶金質量較好。

圖1 原始熱軋態高溫合金的橫向顯微組織(a)及夾雜物形貌(b)Fig.1 Original transversal microstructure(a) and morphology of inclusion(b) of the as-hot-rolled superalloy

2.2 固溶處理制度的影響

固溶處理是溶解基體內碳化物等得到均勻過飽和的固溶體，便于后續時效處理重新析出晶粒細小、分布均勻的碳化物和強化相的重要手段。氣閥用高溫合金通過固溶處理，可以獲得適宜的晶粒度，以保證該合金在高溫惡劣工況下的高溫性能[14]。同時，固溶處理還可以消除熱軋線棒材熱加工所產生的應力，使合金發生再結晶。其中，熱處理溫度和保溫時間是固溶處理應當控制的兩個主要參數[15]。

試驗研究了保溫溫度900～1100 ℃、保溫時間10～60 min 條件下該氣閥高溫合金的晶粒長大情況。如圖2(a)所示，當溫度低于1000 ℃時，同一溫度下，保溫時間的延長使晶粒緩慢長大，結合其顯微組織表征(見圖3)，該過程中碳化物部分溶解，沉淀強化作用減弱，固溶強化作用有所提高；當固溶溫度進一步升高到1050 ℃時，奧氏體組織隨固溶溫度的升高和保溫時間的延長迅速粗化；當溫度達到1100 ℃時，奧氏體晶粒急劇粗化，甚至有混晶組織出現。氣閥高溫合金奧氏體晶粒在固溶處理過程中，奧氏體晶界的界面能驅動晶界遷移，從而導致晶粒長大，此時析出相基本溶解，對晶界遷移的阻礙和釘扎作用降低，溫度進一步升高時這種削弱作用愈加強烈，從而誘使晶粒異常粗化，最終出現混晶組織[16]。

表2 原始熱軋態高溫合金的非金屬夾雜物評級結果

圖3 試驗合金不同溫度下固溶30 min后的顯微組織Fig.3 Microstructure of the tested alloy solution treated at different temperatures for 30 min(a) 900 ℃; (b) 950 ℃; (c) 1000 ℃; (d) 1050 ℃; (e) 1100 ℃

圖2 試驗合金的晶粒度(a)及硬度(b)隨固溶溫度及保溫時間的變化情況Fig.2 Variation of grain size(a) and hardness(b) of the tested alloy with solution treatment temperature and holding time

節鎳型氣閥高溫合金硬度隨固溶溫度和保溫時間的變化情況如圖2(b)所示。可以看出，不同固溶溫度下，保溫時間改變對硬度的影響與晶粒度變化情況類似，即在較低溫度下，保溫時間的延長使待測樣品的硬度緩慢降低，此時碳氮化物溶解速度較慢，硬度下降幅度較小；當固溶溫度升高到1050 ℃，晶粒長大明顯，且隨保溫時間延長晶粒進一步長大，導致硬度進一步下降。相比較而言，固溶溫度的升高是導致硬度下降的主要因素。熱軋態試樣硬度約為373 HBW，經固溶處理后，硬度降至200 HBW以下，固溶處理能有效消除熱軋產生的內應力，使未溶碳氮化物充分融入奧氏體基體，有利于后續時效處理時強化相的彌散析出[17]。

根據我國汽車行業標準QC/T 469—2016《汽車發動機氣門技術條件》、美國汽車工程師協會SAE J775-2018Surfacevehicleinformationreport以及部分企業標準氣門高溫合金采購技術條件，對于長期高溫使用的合金，要求有較好的高溫持久和蠕變性能，應選擇較高的固溶溫度以獲得較大的晶粒尺寸，節鎳型氣閥高溫合金晶粒度調質為3～5級較為合適。鑒于此，固溶溫度選擇為1000～1050 ℃，保溫時間選擇為30 min，以保證主要強化相必要的析出條件且具有適宜的晶粒度。

2.3 時效處理制度的影響

時效硬化是氣閥用高溫合金的主要強化機制。在固溶處理后進行時效處理，可以使強化相以適當的數量和分布析出，在該過程中，時效溫度和時效時間的選擇對合金的性能以及組織有著重要的影響[10]。根據固溶處理后的晶粒度情況，選取1000、1020、1050 ℃三個溫度以及30 min保溫時間作為固溶熱處理條件。首先研究時效溫度對力學性能的影響。時效處理制度和試驗結果如表3所示。氣閥用高溫合金強度主要是通過析出Ni3(Al, Ti, Nb)硬化相而提高[18-19]。1000 ℃固溶處理時，晶粒度為6級，隨時效溫度升高，晶粒度不發生顯著變化，但抗拉強度和屈服強度都隨時效溫度的升高而增加(如表3所示)，這說明較高的時效溫度可使該節鎳型氣閥用高溫合金通過沉淀硬化以提升強度。同時，高速往復和氣流沖刷下的惡劣工況環境，也要求節鎳型氣閥高溫合金還應具有良好的韌性以保持良好的工作狀態。時效過程中，二次碳化物從奧氏體中析出，均勻分布于晶內和晶界，并伴有過飽和固溶體的再結晶。最終的微觀結構和性能取決于這兩個因素的共同作用[16,20]。隨著時效溫度升高，伸長率和斷面收縮率有所下降，碳氮化物析出增多，顆粒尺寸增大，導致韌性下降。節鎳型氣閥高溫合金要具有良好的力學性能，就必須在強度和韌性之間找到平衡點。從試驗數據來看，將720 ℃作為時效溫度、保溫4 h是比較適宜的。

表3 試驗合金熱處理工藝及試驗結果

如圖4所示，當固溶溫度從1000 ℃逐漸升高到1050 ℃時，節鎳型氣閥高溫合金的抗拉強度和屈服強度有一定程度的降低，但降低幅度不明顯，說明在這一溫度區間范圍內，其靜態強度特性對固溶溫度不敏感。而從韌塑性指標來看，隨固溶溫度升高，伸長率和斷面收縮率增加，這主要是由奧氏體晶粒長大引起的。由于節鎳型氣閥高溫合金工作在溫度高、腐蝕性強、氣流快、磨損大的復雜環境中，因此要求其具有良好的強度、韌性和延展性，從而增加氣閥壽命，使發動機運行平穩可靠。據相關汽車行業標準，節鎳型氣閥高溫合金在固溶時效后應具有較高的強度(抗拉強度≥1000 MPa)和韌性(伸長率≥30%、斷面收縮率≥50%)等綜合性能。為獲得匹配度良好的強度和韌性，應根據具體的應用環境選擇合適的熱處理制度。從試驗數據來看，固溶溫度最好≥1020 ℃，而時效溫度≤720 ℃為宜。

圖4 固溶溫度對試驗合金力學性能的影響(720 ℃時效4 h)Fig.4 Effect of solution treatment temperature on mechanical properties of the tested alloy aged at 720 ℃ for 4 h

2.4 熱處理調質后的高溫性能

采取1020 ℃固溶處理30 min、水冷，然后在720 ℃時效處理4 h、空冷的固溶時效熱處理工藝。在此條件下，該合金的室溫抗拉強度為1105 MPa，屈服強度為680 MPa，伸長率為36%，斷面收縮率為59%，室溫沖擊吸收能量(KV2)可達101 J，彈性模量為200 GPa，表現出良好的強韌匹配性能，滿足相關標準要求。而高溫持久強度試驗可幫助判定該合金在模擬高溫高壓工況下的力學性能，是高溫構件設計選材的重要依據[21]。在溫度為750 ℃的高溫下，加載載荷150 MPa，經固溶時效后合金的持久時間可達68 h以上，加載拉斷后其伸長率和斷面收縮率分別為34%和55%，表明該固溶時效工藝可得到綜合性能優良的節鎳型氣閥高溫合金，固溶時效后的合金在溫度、應力共同作用下，在規定的持續時間內具有良好的強度和韌塑性，有利于其低周疲勞性能和抗裂紋發展能力。

3 結論

1) 在固溶溫度900～1100 ℃、保溫時間10～60 min 條件下，該節鎳型氣閥高溫合金的晶粒隨保溫溫度的提高和保溫時間的延長逐漸長大，升溫過程中碳化物部分溶解，沉淀強化作用減弱，固溶強化有所提高。固溶處理能有效消除熱軋加工產生的內應力，使未溶碳氮化物充分融入奧氏體基體，有利于后續時效處理時強化相的彌散析出。

2) 在時效溫度700～760 ℃條件下，該合金的強度隨時效溫度升高而增加，該節鎳型氣閥用高溫合金通過沉淀硬化以提升強度。但也注意到，韌塑性是隨溫度升高而逐漸降低的，為滿足合金性能，需在二者之間找到平衡匹配。

3) 在固溶時效熱處理工藝為1020 ℃×30 min(水冷)+720 ℃×4 h(空冷)時，合金擁有良好的強度、韌性、延展性和適宜的晶粒度。經調質后，該節鎳型高溫合金擁有優良的室溫和高溫力學性能，有利于促進該類合金在內燃機工業中的低成本化應用。