CN112281068A - 一种气阀合金等轴晶粒的制备方法 - Google Patents

Abstract

一种气阀合金等轴晶粒的制备方法，属于气阀合金制造以及金属材料微观组织表征技术领域。化学成分组成重量比为：C：0.05～0.18％，Si：0.10～0.50％，Mn：0.50～1.50％，P：≤0.025％，S：≤0.025％，Cr：22.00～27.00％，Ni：24.00～27.00％，Al：0.90～2.20％，Ti：2.00～3.00％，Nb：0.50～1.50％，V：0.20～0.50％，Zr：0.020～0.080％，Ce：0.030～0.080％。对气阀合金进行热压缩，当热压缩温度为1050℃～1200℃，应变速率为0.1S^‑1～1S^‑1，并且变形量在30％～60％时，获得等轴状的完全再结晶晶粒。优点在于，很好的解决高铬气阀合金不易腐蚀的问题，方便材料的组织检验。

Description

一种气阀合金等轴晶粒的制备方法

技术领域

本发明属于气阀合金制造以及金属材料微观组织表征技术领域，特别是涉及一种气阀合金等轴晶粒的制备及显示方法，适用于交通、冶金、机械、能源、航空、航天、化工等领域。

背景技术

气门材料又叫气阀材料，主要指用来制造内燃机进、排气门的材料。这类材料由于工作在高温以及具有腐蚀性气氛的工作环境下，因此要求这类材料具有良好的高温强度、高温硬度、抗蠕变性能以及抗烟气腐蚀能力。气阀合金属于气阀材料中的一种，气阀材料包括气阀钢和气阀合金。气阀钢包括马氏体气阀钢以及奥氏体气阀钢，常见的牌号有4Cr9Si2Mo、4Cr9Si3、21-4N、21-4NWNb以及23-8N等。目前国际上和国内常用的气阀合金有Nimonic 80A和Inconel 751。气阀合金与气阀钢相比具有更加优良的高温强度、抗氧化性能以及高温持久性能，因此常常被用来制造燃烧室温度更高，工作环境更苛刻，功率更高的发动机的排气阀。为了保证具有良好的耐腐蚀性能，通常在气阀合金中都含有一定量的的铬元素，以提高材料的抗腐蚀性能。但由于铬元素的加入也同时提高了合金的金相组织以及晶粒的腐蚀难度，因此，对于气阀合金通常都需要独特配制的腐蚀液。而对于气阀合金而言，完全再结晶后的组织是最理想的组织，也就是组织中的晶粒呈等轴状，这样的合金的性能也更加均匀，具有更优异的使用性能。

晶粒度是指钢铁材料或合金在奥氏体状态时的晶粒尺寸大小。由于钢铁材料的强度、硬度、韧性以及塑性等都与材料内部晶粒大小有很大的关系，所以晶粒度是评价钢铁材料组织特征的很重要的一项指标。绝大部分钢的奥氏体只是在高温下才是稳定的。因此欲测定奥氏体晶粒就得设法将高温状态奥氏体轮廓的痕迹在室温下显示出来，常用的显示奥氏体晶粒的方法可归纳为渗入外来元素法、化学试剂腐蚀法和控制冷却速度法3种。(1)渗入外来元素法。如渗碳法和氧化法，是利用奥氏体晶界优先形成渗碳体和氧化亚铁等组成物，形成网络显示出奥氏体轮廓。渗碳法一般适用于不高于0.3％c的渗碳钢和含不高于0.6％c而含碳化物元素较多的其他类型钢。氧化法却适用于任何结构钢和工具钢。(2)化学试剂腐蚀法。钢材经不同温度的淬火一回火处理后，磨光并用饱和苦味酸水溶液和新洁尔灭几滴浸蚀能抑制马氏体组织，促使奥氏体晶界的显示。或者直接用盐酸1～5mL、苦味酸(饱和的)和乙醇浸蚀，使马氏体直接显示出来，利用马氏体深浅不同和颜色的差异而显示出奥氏体的晶粒大小，此法适用于合金化程度高的能直接淬硬的钢。(3)控制冷却速度法。低碳钢、亚共析钢、共析钢、过共析钢可控制冷却速度使钢的奥氏体周围先共析析出网状铁素体、网状渗碳体，或使屈氏体沿晶界少量析出以显示出奥氏体晶粒。

要想获得理想的完全再结晶组织，需要对材料的再结晶动力学进行研究，也就是对材料的热变形温度、变形速率以及变形量进行综合考虑，得出三种参数对材料动态再结晶的影响，才会获得材料发生完全动态再结晶的工艺参数。对于气阀合金而言，在高温下均是奥氏体状态，冷却过程中没有像钢铁材料那样的相变，所以气阀合金的晶粒形貌完全取决于前面的热变形和后面的固溶制度。但对于不同的气阀合金，其发生动态再结晶的工艺参数也不相同，这就需要做大量的试验来验证。对于气阀厂来说，也需要提供的气阀合金具有良好的组织特征和均匀的力学性能，所以，获得等轴状的晶粒对于气阀合金来说至关重要。

发明内容

本发明的目的在于提供一种气阀合金等轴晶粒的制备方法，采用该方法可以获得具有等轴状晶粒的气阀合金并且可以使这种合金的晶粒完整清晰的显现出来，该方法有不用加热，有操作简单，易于掌握等特点。

为了达到上述目的，本发明是这样实现的：

本发明的气阀合金采用真空感应炉冶炼，形成钢锭。其化学成分组成重量百分比为：C：0.05～0.18％，Si：0.10～0.50％，Mn：0.50～1.50％，P：≤0.025％，S：≤0.025％，Cr：22.00～27.00％，Ni：24.00～27.00％，Al：0.90～2.20％，Ti：2.00～3.00％，Nb：0.50～1.50％，V：0.20～0.50％，Zr：0.020～0.080％，Ce：0.030～0.080％，其余为Fe和不可避免的杂质。

钢锭经过开坯、锻造后形成Φ90mm棒材，从Φ90mm棒材上切取试样，经过磨削加工，形成Φ8mm×Φ15mm圆柱形试样，在型号为Gleeble-3800的热压缩模拟试验机上进行热压缩试验；以10℃/s～15℃/s的速度升温至1150℃～1170℃，保温5min～8min；当热压缩温度为1050℃～1200℃，应变速率为0.1S^-1～1S^-1，并且变形量在30％～60％时，可以获得等轴状的完全再结晶晶粒。

将热变形后的试样先在100目或200目的砂纸上打磨，去除表面氧化皮及较深的缺陷，然后分别用500目、800目和1000目的金相砂纸继续打磨，打磨光亮、平整后在金相抛光机上抛光。抛光过程中注意观察试样表面，待试样表面无肉眼可见划痕以及缺陷后，进行腐蚀。腐蚀液配比为：100ml蒸馏水，10～15g的分析纯的FeCl₃，2～4ml的浓HNO₃，3～5ml的浓HCl₃，5～6g的饱和苦味酸，3～4ml的洗洁精。将腐蚀液混合均匀，溶液中无不溶物。用棉球轻蘸腐蚀液，在试样表面轻轻擦拭，直到试样表面颜色变暗为止，用清水冲洗，用吹风机吹干，放在金相显微镜下进行观察、检测。

本发明的关键在于：首先提供了一种气阀合金等轴状晶粒的制备方法，其次通过采用合适的腐蚀液配比，获得了理想的晶粒显示方法，解决了高铬含量的气阀合金晶粒度不容易腐蚀的问题，为金属材料的形貌表征提供了一种新方法。

钢铁材料或者合金的力学性能取决于其内部组织，内部组织越均匀，材料的力学性能也越均匀。无论是钢铁材料或者是合金在使用过程中都尽量避免出现性能和组织部均匀现象，因此，最理想的组织就是具有完全再结晶的组织，即具有等轴状晶粒的组织，这也是金属材料工作者一直所追求的目标。但在实际生产中，由于成分的偏析、热变形温度不均匀以及热变形量不够等原因，往往得不到等轴状晶粒，给材料的使用带来较大的风险。对于普通的钢铁材料，在加热和冷却过程中存在奥氏体和铁素体相变，因此存在一个晶粒形核和长大的过程，可以使晶粒细化，并生长为等轴状。但对于一些没有相变的材料，如一些合金而言，由于在升温和降温过程中只有一种基体相存在，所以不存在相变过程，其晶粒细化和等轴化完全依赖于热加工工艺，也就是动态再结晶。影响材料动态再结晶的因素主要有三个，热变形温度，变形速率和变形量，这三种参数对合金的动态再结晶都有着直接影响，如对于相同变形速率和变形量而言，热变形温度越高，越容易发生动态再结晶，也就越容易获得等轴状晶粒。而在相同温度和变形量条件下，变形速率越小也越容易发生动态再结晶。但对于不同的合金，其发生动态再结晶的条件也不同，需要经过大量的试验才能确定。

两相合金的腐蚀主要是一个电化学腐蚀过程。两个组成相具有不同的电极电位，在腐蚀剂中，形成极多微小的局部电池。具有较高负电位的一相成为阳极，被溶入电解液中而逐渐凹下去；具有较高正电位的另一相为阴极，保持原来的平面高度。因而在显微镜下可清楚地显示出合金的两相。纯金属及单相合金的晶界腐蚀是一个化学溶解的过程。由于晶界上原子排列不规则，具有较高自由能，所以晶界易受腐蚀而呈凹沟而显示出来，在显微镜下可以看到多边形的晶粒。若腐蚀较深，则由于各晶粒位向不同，不同的晶面溶解速率不同，腐蚀后的显微平面与原磨面的角度不同，在垂直光线照射下，反射进入物镜的光线不同，可看到明暗不同的晶粒。对于含铬量较高的合金，由于在腐蚀初始阶段在合金表面就生成了一层钝化膜，防止了氧原子与其他腐蚀介质与基体的进一步反应，而提高合金的耐蚀性。所以，对于含铬量高的合金的晶粒腐蚀就需要专门的腐蚀液，而通常腐蚀钢铁材料的硝酸+酒精以及苦味酸+酒精已经不再适用，需要重新进行配制。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

可以用来制备组织性能均匀性要求高的气阀合金，另外同时提供了一种适用气阀合金显示晶粒的方法，采用这种方法可以很好的解决高铬气阀合金不易腐蚀的问题，方便材料的组织检验。

附图说明

图1为等轴晶粒图(变形量30％，变形速率0.1S^-1，变形温度1050℃)。

图2为等轴晶粒与非等轴晶粒对照等轴晶粒(变形量60％，变形速率1S^-1，变形温度1100℃)图。

图3为变形晶粒图(变形量20％，变形速率5S^-1，变形温度1200℃)。

图4为变形晶粒+不完全再结晶晶粒图(变形量30％，变形速率0.01S^-1，变形温度1200℃)。

图5为本发明实施例腐蚀后的晶粒照片。

图6为本发明实施例腐蚀后的另一炉钢的晶粒照片。

具体实施方式

下面结合一个典型实施例对本发明作进一步说明。

本实施例中，采用50公斤真空感应炉冶炼，先后冶炼了7炉，冶炼的7炉气阀合金的具体成分如表1所示。合金钢锭经过开坯、锻造后形成Φ90mm棒材，从Φ90mm棒材上切取试样，经过磨削加工，形成Φ8mm×Φ15mm圆柱形试样，在型号为Gleeble-3800的热压缩模拟试验机上进行热压缩试验。具体工艺是：以10℃/s的速度升温至加热温度，保温5min，然后以规定的变形速率进行热压缩，达到所规定的变形量后，停止压缩，将试样快速水冷。压缩温度为900℃、950℃、1000℃、1050℃、1100℃、1150℃、1200℃，压缩的应变速率为0.01S^-1、0.1S^-1、1S^-1、5S^-1，变形量为10％、20％、30％和60％。7炉合金的热变形工艺和获得晶粒情况见表2。从中可见，当热压缩温度为1050℃～1200℃，应变速率为0.1S^-1～1S^-1，并且变形量在30％～60％时，可以获得等轴状的完全再结晶晶粒，获得的等轴状晶粒与不完全再结晶的组织对比见图1。

将热变形后的试样先在100目或200目的砂纸上打磨，去除表面氧化皮及较深的缺陷，然后分别用500目、800目和1000目的金相砂纸继续打磨，打磨光亮、平整后在金相抛光机上抛光。抛光过程中注意观察试样表面，待试样表面无肉眼可见划痕以及缺陷后，进行腐蚀。腐蚀液配比为：100ml蒸馏水，10～15g的分析纯的FeCl₃，2～4ml的浓HNO₃，3～5ml的浓HCl₃，5～6g的饱和苦味酸，3～4ml的洗洁精。这7炉合金的试样采用的腐蚀液配比见表3所示。将腐蚀液混合均匀，溶液中无不溶物。用棉球轻蘸腐蚀液，在试样表面轻轻擦拭，直到试样表面颜色变暗为止，用清水冲洗，用吹风机吹干，放在金相显微镜下进行观察、检测。7炉合金的部分晶粒度照片见图2所示，从中可见，经过采用本发明中的方法，气阀合金的晶粒度清晰可见。

表1本发明实施例化学成分(wt％)

表2本发明实施例热变形工艺参数及晶粒情况

表3本发明实施例中腐蚀液配比

	蒸馏水(ml)	FeCl<sub>3</sub>(g)	浓HNO<sub>3</sub>(ml)	浓HCl<sub>3</sub>(ml)	饱和苦味酸(g)	洗洁精(ml)
							腐蚀液1	100	11.5	3.0	3.5	5.6	3.5
腐蚀液2	100	12.0	4.0	4.0	5.5	3.6
							腐蚀液3	100	11.5	4.0	4.0	5.1	3.5
腐蚀液4	100	14.5	3.5	4.5	5.2	3.2
							腐蚀液5	100	13.5	2.5	3.5	5.5	3.8

Claims (2)

1.一种气阀合金等轴晶粒的制备方法，其特征在于：

气阀合金的化学成分按重量百分比为：C：0.05～0.18％，Si：0.10～0.50％，Mn：0.50～1.50％，P：≤0.025％，S：≤0.025％，Cr：22.00～27.00％，Ni：24.00～27.00％，Al：0.90～2.20％，Ti：2.00～3.00％，Nb：0.50～1.50％，V：0.20～0.50％，Zr：0.020～0.080％，Ce：0.030～0.080％，其余为Fe和不可避免的杂质；

钢锭经过开坯、锻造后形成Φ90mm棒材，从Φ90mm棒材上切取试样，经过磨削加工，形成Φ8mm×Φ15mm圆柱形试样，在型号为Gleeble-3800的热压缩模拟试验机上进行热压缩试验；以10℃/s～15℃/s的速度升温至1150℃～1170℃，保温5min～8min；当热压缩温度为1050℃～1200℃，应变速率为0.1S^-1～1S^-1，并且变形量在30％～60％时，获得等轴状的完全再结晶晶粒。

2.按照权利要求1所述的气阀合金等轴状晶粒制备方法，其特征在于：晶粒显示：将热变形后的试样先在100目或200目的砂纸上打磨，去除表面氧化皮及较深的缺陷，然后分别用500目、800目和1000目的金相砂纸继续打磨，打磨光亮、平整后在金相抛光机上抛光；待试样表面无肉眼可见划痕以及缺陷后，进行腐蚀。腐蚀液配比为：100ml蒸馏水，10～15g的分析纯的FeCl₃，2～4ml的浓HNO₃，3～5ml的浓HCl₃，5～6g的饱和苦味酸，3～4ml的洗洁精；用棉球轻蘸腐蚀液，在试样表面轻轻擦拭，直到试样表面颜色变暗为止，用清水冲洗，用吹风机吹干，放在金相显微镜下进行观察、检测。

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