孫 歌,孔德此,曾燕鵬,黎志彥,梁育卿
(懷集登月氣門有限公司,廣東 懷集 526400)
NCF3015合金是一種沉淀硬化鐵-鎳基氣閥鋼,其機(jī)械性能在鐵基和鎳基合金的氣閥鋼之間,并且相比鎳基氣閥鋼具有更低的成本。早在20世紀(jì)40年代,國(guó)際上開始研發(fā)鎳基高溫合金。其歐洲主要研究Nimonic系列鎳基合金,主要代表有Nimonic75鎳基合金和Nimonic80合金。美國(guó)則主要研究Inconel系列合金,比如Inconel 751,就是通過調(diào)整鈦鋁比例形成的新鎳基氣閥合金材料[1]。
由于原材料鎳的價(jià)格居高不下,對(duì)性能和成本的雙重追求下,日本于1994年發(fā)明了NCF3015合金,并且廣發(fā)應(yīng)用于歐美制造發(fā)動(dòng)機(jī)排氣閥[2]。而我國(guó)對(duì)NCF3015合金材料的國(guó)產(chǎn)化和應(yīng)用研究,于2013年后才逐步開始。目前,由于該材料具備更低的成本和良好的高溫綜合性能,已作為Inconel751替代材料,廣泛應(yīng)用于國(guó)內(nèi)主機(jī)廠。
試驗(yàn)材料采用國(guó)內(nèi)某鋼廠生產(chǎn)加工的NCF3015棒料,其棒料直徑為10.5mm,試驗(yàn)用的NCF3015鐵鎳基合金的化學(xué)成分見表1。熱處理制度為:750℃×4h,空冷。熱處理后的NCF3015室溫力學(xué)性能見表2,室溫拉伸試驗(yàn)采用 GB/T228.1-2002《金屬材料拉伸試驗(yàn) 第1部分:室溫試驗(yàn)方法》[3]標(biāo)準(zhǔn)。熱處理后的試樣經(jīng)機(jī)械加工制成旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞試樣,其疲勞試樣的尺寸如圖1所示。試驗(yàn)設(shè)備選擇QBWP-10000型懸臂旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞試驗(yàn)機(jī),應(yīng)力比為-1,確定判定通過的疲勞壽命值為1×107。
表1 NCF3015合金的化學(xué)成分(wt%)
圖1 金屬測(cè)試旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞漏斗形試樣
表2 NCF3015室溫力學(xué)性能表
NCF3015合金經(jīng)過760℃4小時(shí)時(shí)效熱處理后的疲勞試樣金相顯微鏡觀察金相組織如圖2所示。從圖2可看出,試樣晶粒度為9級(jí),合金的基體為奧氏體組織,晶界處有少量的析出物。
圖2 NCF3015僅時(shí)效狀態(tài)橫向金相組織
圖3 NCF3015材料550℃下疲勞測(cè)試升降圖
圖4 NCF3015材料650℃下疲勞測(cè)試升降圖
表4 疲勞源各區(qū)域的成分表
NCF3015氣閥鋼在550℃和650℃的高溫條件下50%存活率的旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞S-N曲線如圖5所示。從圖5可看出隨著應(yīng)力水平降低,疲勞壽命延長(zhǎng)。根據(jù)升降法,得知在550℃下,當(dāng)應(yīng)力為700MPa時(shí)試樣經(jīng)107循環(huán)不發(fā)生斷裂;在650℃下,當(dāng)應(yīng)力為560MPa時(shí)試樣經(jīng)107循環(huán)不發(fā)生斷裂。根據(jù)根據(jù)GB/T 24176中的相關(guān)規(guī)定計(jì)算,NCF3015熱處理僅時(shí)效狀態(tài),50%失效概率的疲勞強(qiáng)度下極限分別為550℃為580MPa和650℃為723MPa。
圖5 NCF3015合金高溫旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞的應(yīng)力-疲勞壽命(S-N)曲線
圖7 試樣的裂紋源EDS成分檢測(cè)
表3 疲勞源各區(qū)域的成分表
疲勞斷口SEM觀察表明NCF3015的旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞斷口均是由裂紋萌生區(qū),裂紋穩(wěn)態(tài)擴(kuò)展區(qū)和裂紋失穩(wěn)擴(kuò)展到瞬間斷裂區(qū)三部分組成。轉(zhuǎn)彎曲疲勞斷口觀察表明,裂紋均起源于試樣表面和近表面的缺陷處,見圖6和圖8。圖6斷口近表面有一層平整光滑,是由于加載過程中試樣兩個(gè)裂紋面的不斷摩擦嚙合形成的平整帶。從EDS檢測(cè)得知,斷口近表面黑色塊狀組織(區(qū)域2)主要為金屬碳化物。
圖6 NCF3015合金疲勞斷裂形貌
圖8 NCF3015合金疲勞斷裂形貌
圖9 試樣的裂紋源EDS成分檢測(cè)
NCF3015疲勞斷裂的另一種方式主要為夾雜物,從圖8斷口形貌圖顯示有明顯的“魚眼”斷口形貌。在近表面的位置,有明顯的夾雜物,通過EDS對(duì)疲勞源夾雜物的成分分析??梢钥吹絽^(qū)域1主要為金屬碳化物的夾雜物,區(qū)域2主要為碳化鈣鉀硫硅中的非金屬夾雜物,同時(shí)附近有較為明顯的應(yīng)力集中,確定其為魚眼的中心且為主要的疲勞源。
(1)發(fā)動(dòng)機(jī)氣門材料NCF3015僅時(shí)效狀態(tài)下的高溫旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞特性,在550 ℃疲勞極限為723 MPa,650 ℃下的疲勞極限為580MPa;根據(jù)550 ℃和650 ℃下所進(jìn)行的高溫旋轉(zhuǎn)疲勞測(cè)試所得S-N圖可知,隨著溫度的升高,NCF3015抗疲勞強(qiáng)度受到了較為明顯的影響,隨著溫度的升高而降低。
(2)NCF3015氣門鋼的疲勞破壞模式主要兩種,即近表面碳化物起裂、內(nèi)表面金屬和非金屬夾雜物起裂。其中,內(nèi)表面夾雜物起裂有明顯的“魚眼”特征。