热处理对GH901合金的力学性能和晶粒度组织的影响.pdf

收件日期: 2007- 12-25 作者简介: 裴丙红, 助理工程师, 毕业于昆明理工大学金属材料专业, 现供职于攀钢集团四川长城特殊钢公司技术中心高温合金研究室, 联系电 话: 0816-3462212。 热处理对 GH901 合金的力学性能和晶粒度组织的影响 裴丙红 (攀钢集团四川长城特殊钢公司技术中心 四川 江油 621704) 摘 要: 通过对 GH901合金热处理制度的研究, 总结出民用 GH901合金采用 1 070 3 h, WC +775 4 h, AC+705 24 h, AC, 热处理方式更为合理。 关键词: 热处理制度 晶粒度 室温拉伸性能 硬度 高温持久 高温拉伸 中图分类号: TG113. 12 文献标识码: B Influence of Heat Treatment on Mechanical Properties and Grain Size of GH901 Alloy Pei Binhong (Technical Center, Changcheng Special Steel Company, Pangang Group, Jiangyou, Sichuan, 621704) Abstract: This paper summarized that civil GH901 alloy was heat treated by using 1070 3 h, WC +775 4 h, AC+ 705 24 h, this heat treatment methodwas more reasonable. Key Words: Heat treatment system, Grain size, Room temperature tensile property, Hardness, High temperature endurance, High temperature tensile 引 言 GH901合金目前常用的标准有某材料标准系 列与民用 CJX -S003 -2006, 两套标准热处理制度 存在一定的差异, 同时合金检验性能的侧重点也有 所区别 。近年生产中民用 GH901 合金一直在沿用 某材料标准热处理制度(1 090 3 h,WC + 775 4 h, AC + 705 24 h, AC) , 合金晶粒度经常出现 不合格的情况 、另外室温屈服强度, 合金持久寿命 偶尔也出现不合格的情况, 为此本文对该合金热处 理制度与晶粒度 、室温屈服强度, 合金持久寿命的 关系进行了研究, 同时对近些年该合金出现的质量 外事如硬度和高温拉伸性能也做了相应研究 。 某材料 标准系列 采用的 热处理 制度为: 固溶 1 090 10 , 保温 3h, 水冷; 一次时效 775 5 , 保温 4 h, 空冷+二次时效 705 720 , 保 温24 h, 空冷。 表 1 某标准力学性能要求 1 Ta ble 1 Mechanical properties requirements of a certain specification 温度 拉 伸 性 能蠕 变 性 能 b/MPa 0.2/MPa 5% MPa在100h 内总塑性变形量% 硬度 HB 57596069085900. 01 室温341 表 2 CJX-S003-2007标准力学性能要求 2 Table 2 Standard mechanical property requirement of CJX-S003-2007 温度 拉 伸 性 能 b/MPa0. 2/MPa 5% / % 硬度 HB 晶粒 度 持 久 性 能 /MPa /h 室温 1140825 10 15 302 388 3 级 65055023 民用标准 CJX- S003 - 2006 采用的热处理制度 为: 固溶 1 065 1 095 , 保温大于 1 h, 空冷或 更快; 一次时效 775 800 , 保温 2 4 h, 空冷 或更快 + 二次时效 705 745 , 保温 24 h, 空 冷。 对比两种热处理制度发现, 首先固溶温度范围 不同, 民用 GH901 合金固溶温度相对要低, 因固溶 温度对合金晶粒度影响较大, 低温处理晶粒度要 细, 因此采用低温固溶处理是一条解决合金晶粒度 问题的方法, 但是否会影响合金的性能呢 ? 这是本 文要研究的重点内容之一。其次中间时效温度 、 最 终时效温度也有一定的差异, 时效温度相对要高, 提高时效对合金性能有什么影响, 这是本文另外要 研究的重点内容。 两套标准检测项目各有针对, 某系列标准侧重 高温性能 。民用标准侧重室温性能 。 第 14卷 总第 54期 2008 年第 1 期 特钢技术 Special Steel Technology Vol . 14( 54) 2008, No . 1 DOI : 10. 16683/ j. cnki . issn1674 - 0971. 2008. 01. 002 14 特钢技术 第 14卷第 1期 1 试验用料及试验方法 试验用料是我厂真空 +电渣( 或自耗) 工艺生 产的GH901 合金, 任选 2 个炉号委托 302 车间锻造 成90 方科研料 。试验选用同炉号的 90方试样经过 不同的热处理制度( 保证同一性能在同块 90 方试 样取样) , 分别讨论热处理对合金各项性能的影响。 2 试验结果 2. 1 固溶处理对合金晶粒度的影响 依据以上数据得出固溶处理对合金晶粒度影 响的曲线如图 2。 图 2 固溶温度与晶粒度关系曲线图 Fig . 2 Curve of relationship between solution temperature and grain size 合金晶粒度与固溶处理温度有直接的关系, 通 过以上 8 组不同固溶处理制度得出的晶粒度级别, 可以得出 : 低温固溶处理晶粒度细且均匀, 高温段 固溶处理晶粒度粗大且不均。 2. 2 热处理制度对室温拉伸性能的影响 本文从固溶处理温度及冷却方式、中间时效温 度以及最终处理温度三方面对合金室温性能进行 了研究如表3, 通过对比可以得出 : (1) 固溶处理时更快的冷却方式对提高合金室 温屈服强度有利 。 ( 2) 在 1 065 1 095 的温度范围内随着温 度的升高合金的室温强度0. 2基本不变、b略有下 降、 伸长率及面缩率也有所下降。 ( 3) 在 775 790 的中间时效处理温度范 围内随着温度的升高, 合金的室温性能强度0 . 2呈 下降趋势 、b影响不大。 (4) 在 705 730 的最终时效处理温度范围 内, 随温度升高合金的室温、 高温强度都呈下降趋势。 表 3 固溶温度及冷却方法、中间时效处理对合金室温性能的影响 Table 3 Influence of solution temperature and cooling method, intermediate aging treatment on room temperature property of GH 901 热处理制度: 固溶+中间时效+最终时效 拉 伸 性 能 0.2 /MPa b /MPa / % /% 10653h, 水冷 +7604h,AC+70524h, AC95712951726 10653h, 空冷 +7604h,AC+70524h, AC94312781625 10653h, 水冷 +7754h,AC+70524h, AC95412921725 10653h, 空冷 +7754h,AC+70524h, AC94212901626 10653h, 水冷 +7904h,AC+70524h, AC93712901623 10653h, 空冷 +7904h,AC+70524h, AC92912851621 10803h, 水冷 +7604h,AC+70524h, AC94312801521 10803h, 空冷 +7604h,AC+70524h, AC91512641522 10803h, 水冷 +7754h,AC+70524h, AC94312641320 10803h, 空冷 +7754h,AC+70524h, AC9121278120 10953h, 水冷 +7604h,AC+70524h, AC93612561418 10953h, 水冷 +7604h,AC+73024h, AC93612451217 10953h, 水冷 +7904h,AC+70524h, AC93212301114 10953h, 水冷 +7904h,AC+73024h, AC93212151113 标准要求825 1140 10 15 2 . 3 最终时效制度对合金硬度的影响结果如表 4 表 4 热处理制度对合金硬度的影响研究 Table 4 Influence of heat treatment system on hardness of GH 901 热处理 制度 不处理 1090 3h, WC 1090 3h, WC+7754h, AC+74524h, AC 10903h, WC+775 4h, AC+720 24h, AC 10903h, WC+7754h, AC + 70524h, AC 检测 结果 311149335350359 315149341354359 269143329343343 272144325337343 标 准 某- 7029-96 CJX-S003- 2006 要求HB341 要求 HB=( 302- 388) 由表 2 作对比曲线图如图 3。 本文主要对最终时效制度与合金的室温硬度 进行了研究, 并探讨了不热处理及只固溶处理时合 金的硬度情况, 得出以下结论 : (1) 不热处理时合金硬度差异较大, 远远达不 到标准要求。 ( 2) 只固溶处理时合金的硬度最低。 (3) 最终时效处理温度低温处理硬度指标高于 高温处理强度 。 2 . 4 热处理制度对合金高温拉伸及持久性能的影 响结果见表5 本文对最终时效制度与合金的高温性能进行 了研究, 可以得出: 在 705 720 的最终时效处 理温度范围内, 随温度升高合金的高温强度都呈下 152008年第 1期 裴丙红 : 热处理对 GH901合金的力学性能和晶粒度组织的影响 降趋势; 室温伸长率、面缩率基本不变 。持久寿命 下降, 持久延伸率升高。 图 3 最终时效温度对合金硬度的影响 Fig. 3 Influence of final aging temperature on hardness of GH 901 注: 1 表示不处理 2表示 1 090 3 h,WC 3 表示 1 090 3 h, WC+775 4 h,AC+745 24 h, AC 4 表示 1 090 3 h, WC+775 4 h,AC+720 24 h, AC 5 表示 1 090 3 h, WC+775 4 h,AC+705 24 h, AC 图 4 固溶处理温度与性能的关系曲线 Fig. 4 Curve of relationship between solid solution temperatures and properties 表 5 热处理制度对合金高温性能的影响 Table 5 Influence of heat treatment system on high temperature properties of GH 901 热处理制度 检 测 结 果 持久性能 高温拉伸性能 时间 /h 伸长率 / % 0. 2 /MPa b /MPa / % / % 10903h WC+775 4h AC+70524h AC 72. 05498011201826 32. 266969107511. 211 39. 50595011101429 38. 39592010701219 组平均值45. 55595510941421. 5 10903h,90 . 135 . 8950111012. 833 WC+775 4h AC+71024h AC 42. 504. 0945110012. 822 23. 506. 092010601615. 5 25. 4811. 291010601022 组平均值45. 406. 75931108312. 923 10903h WC+775 4h AC+71524h AC 72. 148. 894410011420. 0 27. 205. 693611101422 28. 038. 092511731422 33. 041091810391625. 0 组平均值40. 118. 1929108114. 522. 5 10903h WC+775 4h AC+72024h AC 55. 305. 1895105912. 019 46. 1914. 0895105310. 022 28. 1810890110016. 026 30. 536. 8840112516. 024 组平均值408. 9880108013. 522. 5 标 准 234 6909608 不要求 3 分析与讨论 变形高温合金热处理的目的在于控制合金的 晶粒度, 调整各种相的析出, 得到合理的强化相大 小、 数量及分布, 以期得到良好的组织和性能。 GH901合金是通过添加Mo 、Ti 、 Al 来强化的Ni - Fe - Cr 基高温合金, 合金主要金属间化合物 r 相强 化, 因此 r 相的数量大小和分布对合金的性能起着 至关重要的作用。 3 . 1 固溶温度对合金晶粒度及性能影响的分析 研究合金的性能与热处理的关系了解合金中 相的变化是很有必要的, 资料显示 GH901合金固溶 处理时相有这样的变化: 资料显示, 原始锻轧态 GH901合金锻造比 6 时, 合金晶粒度细于 8 级, 合 金组织中还有一次碳化物、碳氮化物夹杂, 还有少 量的硼化物及氧化物, 沿加工方向分布, 同时基体 上存在少量细小均匀分布的 r 相 。 合金在 900 2 h 固溶处理后存在大量的 相、 r 相、 相及碳化物, 这时 r 相有一定的强化作 用。950 2 h 固溶处理后 r 相接近于溶解, 到 980 2 h 固溶处理后 r 相完全溶解, 相开始溶 16 特钢技术 第 14卷第 1期 解, 合金晶粒度开始长大 。1 070 时所有的二次 析出相都溶解完毕, 合金晶界细直洁净 。1 090 晶粒急剧长大。 资料 3 显示合金固溶处理时, 固溶小于 950 以下, 晶粒度基本不变, 均小于 8 级; 980 开始出 现6 7级粗晶带, 到 1 010 为 5 7 级均匀晶粒 ; 1 040 合金晶粒度长大速度加快, 到 1 090 保温 2 h 后晶粒度3 4 级, 之后晶粒长大速度猛烈增快, 这与我们的试验数据相吻合。 由图 4 可知: 在 1 025 以上固溶处理, 合金持 久性能随固溶温度的升高而得到优化, 合金的室温 性能强度0. 2基本不变 、b略有下降 、伸长率及面 缩率也有所下降 。合金的高温性能强度b略有下 降、 伸长率基本不变, 面缩率略有下降, 这与我们的 试验数据相吻合。 综上分析可知固溶处理温度控制在 1 070 较 为合理。 3 . 2 中间时效处理对合金性能影响的分析 在760 803 的温度范围内保温时, 在晶 界上析出成分为( Ti,Mo) C 的 MC 型碳化物, 而在晶 内析出一定数量的 r 相。随着合金固溶温度的升 高, r 相尺寸长大, 合金强度受到一定的影响呈下降 趋势, 相关资料也证明了这一点。 图组 5 中间时效处理温度与性能的关系曲线 Fig . 5 Curve of relationship between intermediate aging temperatures and properties 由图组5 可知 : 在 775 800 的中间时效处 理温度范围内, 合金的室温性能强度0. 2呈下降趋 势、b影响不大, 伸长率有所下降 、面缩率基本不 变。合金的高温性能强度0 . 2呈基本不变、b呈上 升趋势, 伸长率快速下降, 面缩率略有下降, 综合分 析可知中间处理温度控制在 775 较为合理 。 4 最终时效处理对合金性能影响的分析 最终时效温度升高, r 相长大, 对合金室温强度 图组 6 最终时效处理温度与性能的关系曲线 Fig. 6 Curve of relationship between final aging treatment temperatures and properties(下转第 29页) 172008年第 1期 裴丙红 : 热处理对 GH901合金的力学性能和晶粒度组织的影响 表 5 热处理对棒材力学性能的影响热处理制度 Table 5 Effect of heat treatments on mechanical properties of the bars 热 处 理 制 度 0.2 /MPa b /MPa 5 / % /% Ak /J 技术要求 930 1230 10 55 62 1000 , 1h, 水冷, -70 , 2h, 425 时效 3h, 空冷 1065129014. 565. 5104 106012901667145 1000 , 1h, 水冷, 430 时 效3h, 空冷 111512801868. 5110 108012702066155 1000 , 1h, 水冷, 435 时 效3h, 空冷 109012801764139 108512751867120 为不回火 650 , 实验用料为攀长钢生产的直径 20 mm 的棒材 。图 2 和图 3 分别给出了钢经 960 和1 000 固溶处理后, 不同温度回火与力学性能 变化关系曲线。从图中可以看出, 960 固溶处理 后和 1 000 固溶处理后, 时效温度对钢的力学性 能影响变化规律是相同的。b、0. 2和 HRC 超过 400时效, 大幅度上升, 至 460 时效强度和硬度 出现峰值。从 460 650 时效, 强度, 硬度出现 下降 。5和 400 以后时效开始略有降低, 460 出现最低点 。aK在 200 时效出现最大值, 从 300开始下降, 至 455 460 时效出现最小 值。960 空冷与 1 000 水冷同在450 回火的峰 值强度相比, 960 空冷 +450 回火峰值强度比 1 000 水冷+450 回火后峰值强度略高( 1 000 水冷, 450 回火后强度为 1 315 MPa, 960 空冷 + 450 回火后强度为 1 340 MPa) 。从强度与韧性综 合考虑, 钢采用 425 430 时效, 可以获得较高 的强度和韧性。 5. 2 时效处理温度对钢力学性能的影响 对大规格棒材未达到技术条件要求的炉号 T04 - 501 进行了不同的热处理工艺, 试验结果如表 5。 由以上检验结果表明, 425 3h 空冷时效处 理前加一次 - 70 2h 的冷处理, 强度有较大幅度 的提高, 拉伸强度达到 1 290 MPa, 冲击韧性符合技 术标准要求。而将时效处理温度提高到 430 和 435 , 拉伸性能和冲击韧性都达到了技术标准要 求 。因此, 为完全保证大规格棒材及某大型环轧件 力学性能, 适宜的热处理制度为 1 000 , 1h, 水冷, - 70 , 2 h, 425 时效 3 h, 空冷或 1000 , 1 h, 水 冷, 430 时效 3 h, 空冷 。 6 结论 6. 1 采 用 真 空 感 应 炉 冶 炼 加 电 渣 重 熔 0Cr15Ni5Cu2Ti 钢大规格棒材, 合理的化学成份控制 及添加适量的 Co 、 Mo 是保证钢具有良好的力学性 能的基础。 6. 2 锻造生产过程中, 为使钢锭保持良好的变形和 组织细化, 保证棒材的综合性能, 采用二镦二拔的锻 造工艺, 使其镦粗比 8 。 6. 3 为完全保证大规格棒材及某大型环轧件力学 性 能 , 适 宜 的 热 处 理 制度 为 1 000 , 1 h, 水 冷, -70 , 2 h, 425 时效 3 h, 空冷或 1 000 , 1h, 水冷, 430 时效3 h, 空冷。 致谢:本文的试验工作得到了理化检验中心 及 621所的大力协助, 在此表示衷心的感谢 。 ( 上接第 17页) 产生不利影响。 由图组6 可知 : 在 705 745 的最终时效处 理温度范围内, 随温度升高合金的室温 、 高温强度都 呈下降趋势; 室温伸长率 、 面缩率基本不变。持久寿 命下降, 持久延伸率升高 。 由于该合金着重点在室温强度及持久寿命, 因 此综合考虑, 最终处理温度控制在 705 较为合理 。 5 结论 在标准要求的热处理温度范围内, 民用 GH901 合金采用 1 070 3 h, WC +775 4 h, AC + 705 24 h, AC, 热处理方式较为合理, 对解决合 金晶粒度、 室温屈服强度较为有利。 参考文献 1 某标准汇编 2 标准 CJX - S003-2006 3 高温合金文集 292008年第 1期 隆文庆: 某大型环轧件用 0Cr15Ni5Cu2Ti 钢大规格棒材研制