PDF《N 对汽车发动机用新型奥氏体耐热铸钢 1000 ℃ 蠕变性能的影...》

850 ℃ 升高至1050 ℃ , 而部件本身温度则被加热到1000 ℃[3,4] . 传统的发动机排气部件(排气歧管、 涡轮 壳等)用材料, 包括耐热铸铁和铁素体耐热铸钢, 已 不能满足该部件未来的承温能力要求[1,5] . 因此, 汽 车工业界迫切需要设计、 开发一种承温能力更高、 经济环保的新材料, 以替换现有排气部件用材料. 在高温服役条件下, Nb稳定化奥氏体耐热铸钢 的力学性能明显优于铁素体耐热铸钢, 且成本远低 于镍基高温合金[5] . 而且铸钢采用铸造工艺, 无需预 先固溶、 时效等热处理措施, 可以进一步降低部件 制造成本[5] . 因此, Nb稳定化奥氏体耐热铸钢可以作 为设计、 开发排气部件用新材料的基础合金. 为了 提高其高温力学性能, 添加微量合金元素N是极为 有效的手段之一[6,7] . N是强碳氮化物形成元素, 可以 促进 Nb 稳定化耐热铸钢在凝固过程中析出 Nb(C, N), 从而达到沉淀强化的目的[8,9] . 而且, 与C类似, N 同时也是间隙型强奥氏体形成元素[10] . 添加微量 N 就能达到节约铸钢中主要奥氏体形成元素 Ni 的目 的, 因而能进一步提高新材料的经济性[11] . 相应地, 奥氏体耐热铸钢中有害相的数量, 如残余 d 铁素体 和与之相关的金属间化合物(s 相等), 也可以得到 合理控制[5] . 然而, 过量N的添加, 会促进大量氮化物 (Cr2N)析出, 使铸钢变脆;

同时会降低基体中固溶 的Cr含量, 恶化铸钢的抗氧化性能和抗晶间腐蚀能 力[12] . 因此, 系统研究 N 对Nb 稳定化奥氏体耐热铸 钢组织和高温蠕变性能的影响规律是非常必要的. 然而, 到目前为止, 研究工作主要还是集中在 Cr-Mn-N型奥氏体不锈钢[12~14] . 针对N在Cr-Ni型奥 氏体不锈钢中合金化作用的研究非常有限, 尤其是 奥氏体耐热铸钢. 部分原因在于, 受制于合金冶炼 技术的发展, 奥氏体耐热铸钢中微量N的添加量无 法得到精确控制[11] . 而且, 少量已开展或报道的关于 奥氏体耐热铸钢蠕变性能的研究工作[5,15] , 普遍在

1000 ℃以下进行, 这可能是因为以前缺少相应的工 业需求. 因此, 虽然 N 作为一种认知较早的奥氏体 强化元素, 但它对奥氏体耐热铸钢的微观组织和

1000 ℃蠕变性能的影响机理尚不明确. 本工作以新设计的

3 种不同 N 含量的 Nb 稳定 化奥氏体耐热铸钢为研究对象, 通过对合金蠕变前 后的显微组织观察和电子探针(FE-EPMA)分析, 探 讨了N对该系列合金1000 ℃蠕变性能的影响机理. 本研究建立的成分、 显微组织和1000 ℃蠕变性能之 间的关系将有助于该领域合金的设计和微观组织 优化.

1 实验方法 设计了

3 种不同 N 含量的新型 Nb 稳定化奥氏 体耐热铸钢. 合金冶炼选用真空感应熔炼炉, 浇注 模具为冷铸铁模, 容量

20 kg. 所有合金均采用相同 的铸造工艺: 合金浇注温度为1500~1550 ℃, 浇注后 真空炉冷至600 ℃, 随后取出铸锭空冷至室温. 合金 的实测化学成分如表

1 所示, 并以 C 和N含量命名 该系列合金.

662 第6期为了减小铸造缺陷(如缩孔、 杂质等)对蠕变性 能测试的干扰, 选用合金铸锭的中段为实验材料. 因圆柱铸锭横截面积(直径为

80 mm)较大, 统一从 靠近铸锭表皮

5 mm, 径向宽约

15 mm 的外围圆周 区域切取蠕变试样, 以排除铸锭径向差异较大的凝 固速率对合金组织和性能的影响. 蠕变试样的取样 方向与圆柱铸锭的轴向平行. 所有样品经机加工为 标距长