4Cr9Si2马氏体耐热钢的调质工艺和回火脆性研究.pdf

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1、江苏大学硕士学位论文4Cr9Si2马氏体耐热钢的调质工艺和回火脆性研究姓名：邹庆治申请学位级别：硕士专业：材料学指导教师：黄根良20031201江苏大学学位论文摘要本文以内燃机气门用钢4 C r 9 S i 2 作为研究对象，简述了国内外内燃机气门材料热处理的现状，剖析了目前4 C r 9 S i 2 钢脆性较大及气门发生断裂的原因，在深入分析该钢的工艺特性和影响因素的基础上，以提高其韧性和综合力学性能为目的，研究了化学成分、热处理工艺、回火后冷却速度对4 C r 9 S i 2 钢组织和性能的影响，为实际生产兼有足够的韧性和硬度的气门材料，并为提高它在高温工况条件下的使用寿命提供了理论依据。

2、4 C r 9 S i 2 钢作为一种高铬钢，本身具有较大的脆性，因此如何提高其韧性成为本实验的关键所在。首先研究了淬火工艺对其的影响，探讨了常规淬火、亚温淬火、临界点淬火三种不同的淬火工艺，通过对试样硬度及冲击韧性的变化规律来分析三者的优劣。重点研究了回火工艺对4 C r 9 S i 2 钢的影响。研究了试样在经过常规淬火后，回火温度、回火时间和回火后冷却方式对材料的影响。通过对试样的组织分析和断口S E M 观察，绘制了冲击试验值同上述三者之间的准确定量关系，结果表明：在5 0 0 C 7 5 0 C 之间，试样的冲击韧性值是下降然后上升，在5 4 0 C 左右出现脆性的最大值；随着回火时

3、间的增加，试样的冲击韧性逐渐下降，但下降的趋势越来越不明显，最终接近于与水平坐标平行，可以用非平衡晶界偏聚理论来解释这种现象。由于4 C r 9 S i 2 钢对冷速敏感，因此我们在函数记录仪上定量的研究了回火后冷却速度对韧脆性的影响。实践证明冷速越快，试样越不易变脆，如果回火后采用炉冷则试样的冲击值接近谷底，这主要是由于口相时效析出对位错产生了强钉扎。运用计算机J A V A 编程来计算由磷的非平衡晶界偏聚导致回火脆的临界时间与有效时间，比较其大小和内在关系，并检验了计算值是否与生产实际值相符合。关键词：高温回火脆性，冲击韧性，非平衡偏聚，位错钉扎，晶界偏析江苏大学学位论文A B S T R

4、 A C TI nt h i sp a p e rw et a k e4 C r 9 S i 2w h i c hW a Su s e dw i t hc o m b u s t i o ne n g i n ea i rv a l v e鹬s t u d yo b j e c t。t h ed e v e l o p m e n th i s t o r ya n da c t u a l i t yo f4 C r 9 S i 2s t e e la th o m ea n da b r o a da t er e v i e w e da n dt h el e a s o i L Sw

5、 h y4 C r 9 S i 2s t e e ls h o w sb a dd u c t i l i t yp r o p e r t i e sa r ep r o f o u n d l ya n a l y z e d I no r d e rt oi m p r o v ei t sd u c t i l i t ya n di n t e g r a t e dm e c h a n i c a lp r o p e r t i e s，o nab a s i so fi n t e n s i v ea n a l y z i n gi t sc r i t i c a lt

6、 e c h n i q u ea n di n f l u e n c ef a c t o r,w es t u d yt h ec h e m i c a lc o m p o s i t i o n、h e a tt r e a t m e n tp r o c e s sa n dc o o l i n gd o w ns p e e da f t e rt e m p e r i n gw h i c hi n f l u e n ts t e e l sc o m p o s ea n dp e r f o r m a n c e A s4 C r 9 S i 2i sm u c

7、 hb r i t t l e n e s s，t h ek e yp o 血o ft h i se x p e r i m e n ti st oi m p r o v ei t sd u c t i l i t yp r o p e g i e s A tf i r s tw es t u d yt h ei n f l u e n c eo fq u e n c h i n gp r o c e s s，d i s c u s st h er o u t i n eq u e n c h i n g、s u b-t e m p e r a t u r eq u e n c h i n g

8、a n dc r i t i c a lp o i n tq u e n c h i n g，w ea n a l y s et r i a d i cr e l g i o nb yc o m p a r e dw i t hh a r d n e s sv a l u eo f c r a c k e ds a m p l e sa s p e c t W es e l e c t i v ea n a l y s et h ei n f l u e n c eo ft e m p e r i n gp r o c e s s，a n di n v e s t i g a t et h e

9、r e l a t i o n s h i pa m o n gt a m p e rt e m p e r a t u r e、h o l d i n gt i m e、c o o l i n g-d o w nm e t h o d B yt h em e a l 吣o fS E Ma n a l y s i s w ep l o tt h ec u r v eb e t w e e ni m p a c tv a l u ea n dt h ea b o v ev a l u e T h er e s u l ts h o w st h a tt h ei m p a c tv a l

10、u ed e s c e n ta n dt h e na s c e n tb e t w e e n5 0 0 7 5 0 C i ti sm i n i m aa t5 4 0 C A st h eh o l d i n gt i m ee x t e n d,t h es a m p l e si m p a c tv a l u ed e s c e n t,b u tt h et e n d e n c yi ss m a l l e ra n ds m a l l e r,w ec a l le x p l a i nt h i sp h e n o m e n o nw i t

11、 hn o n-e q u i l i b r i u mg r a i nb o u n d a r ys e g r e g a t i o n A s4 C r 9 S i 2s t e e li ss e n s i t i v et ot h ec o o l i n g-d o w ns p e e d，w es t u d yt h er o l eo fc o o l i n g-d o w ns p e e dw i t hf u n c t i o nr e c o r d e r,t h es a m p l eh a st h et e n d e n c yo f d

12、 u c t i l i t yw i t hh i g hc o o l i n g-d o w ns p e a d i ft h es a m p l ei sc o o l e di nt h ef u r n a c e i t si m p a c tv a l u ei sv e r yl o wb e c a u s eo f 口Sa g e i n gb e h a v i o rw i t c hi sa n c h o r i n go f d i s l o c a t i o n W ec a l c u l a t e dt h ec r a s ht i m ew

13、 h i c hc a nb r i n gt e m p e rb r i t t l e n e s si n t oe x i s t e n c ew i t hp r o g r a m8 f f a v g a ,a n dc h e c k e di f t h ea c t u a lv a l u ef i to f t h et h e o r e t i c a lv a l u e K e yW o r d s：h i g ht e m p e r a t u r et e m 耐n gb r i t t l e n e s s，h n p a c td u c t i

14、 l i t y,n o n-e q u i l i b r i u ms e g r e g a t i o n,a n c h o r i n go fd i s l o c a t i o n,g r a i nb o u n d a r ys e g r e g a t i o ny1 0 1 6 1 2 6学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权江苏大学可以将本学位论文的全部内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。

15、保密口本学位论文属于，在年我解密后适用本授权书。不保密囱学位论文作者签名：印众汔p 辛年；月即日指导教师签名亏l 痧彤年弓月力f 日f本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容以外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。学位论文作者签名：即投沲日期：呼年；月叶日江苏大学颂士学位论文第一章绪论在高温下具有一定的热稳定性和热强性的钢称为耐热钢。按照性能，耐热钢可以分为抗氧化钢和热强钢。抗氧化钢在高温下具有较好

16、的抗氧化性及抗其它介质腐蚀的性能：热强钢在高温时具有较高的硬度，并具有一定的抗氧化和抗腐蚀性能。按组织类型耐热钢可以分为铁素体钢、马氏体钢和奥氏体钢三类【1】。现在日本科学家已经成功开发出比现有产品寿命长十倍的耐热钢，将来用它制造气门，可以极大地提高气门的使用寿命。许多工作者将合金元素对马氏体耐热钢的影响进行了较为系统的研究”。并探讨了合金元素镍、钨及铌在该钢中的作用。1 1 马氏体耐热钢的基本性能1 1 1 耐热钢的抗氧化性钢在高温时抵抗氧化气氛腐蚀作用的性能称为抗氧化性。碳钢在5 7 0 C 以上加热时，形成三层氧化膜：外层是F e：0，中层是F e，0。，里层(即与金属邻接)为F e O

17、，其含氧量由表至里逐渐减少。其中F e 2 0，最薄，F e 3 0 次之，l e O 最厚。F e O 是缺位固溶体，晶体结构不致密，氧原子容易通过晶格空隙进行扩散，因而氧化速度急剧增加，所以碳钢的抗氧化性很差。当钢中加入C r、S i、A l 等元素时，由于这些合金元素比铁容易氧化，在钢的表面形成一层致密而稳定的氧化膜，使氧和金属原子在氧化膜中不易扩散，氧化过程被抑制，从而提高了钢的抗氧化性。由图1 1 可以看出，零件的工作温度越高，保证钢具有高抗氧化性的含铬量也越高。从图中还可以看出，钢中单独加入1 8 C r、3 S i 或3 A 1，都能提高钢在1 0 0 0 左右的抗氧化性。但在一

18、般情况下都不单独加入一种元素。例如在铬钢中加入2 C r 或2 A 1，既可提高钢的抗氧化性，还可以改善钢的热强性及工艺性。评定耐热钢的抗氧化性主要是用称重法，郎用单位时间、单位面积上增加或减少的重量来表示。因为耐热钢表面的氧化物不易脱落，故整个过程表现为增重。江苏大学硕士学位论文主&吾棚壬K 口，口a01 D z oC“)S i()图L 1C r、A I 对钥在高温下氧化速度的影响F 琢1 1I n f l u e n c eo fC r、A 1 t h eo x i d a t i o ns p e e di nM g nt e B p e r a t t w e1 1 2 耐热钢的高温强

19、度钢在高温时抵抗塑性变形及破断的能力称为钢的高温强度。评定高温强度的指标很多，其中主要的指标是蠕变极限和持久强度。可以通过加入合金元素和热处理来提高钢的高温强度，合金元素对钢的高温强度有很大的影响，其强化作用主要有以下几个方面：(1)基体的固溶强化。加入C r、w、M o、S i 等合金元素提高钢基体原子间的结合力和再结晶温度，从而提高钢的抗蠕变能力。同时，加入一种或多种合金元素如N i、等使钢成为单相的奥氏体。因为，相铁原子排列比较致密，原子问结合力较强，故奥氏体型耐热钢比铁素体型耐热钢的高温强度高。(2)晶界强化。高温下晶界的强度比晶粒低，并且晶界原子排列不规则，扩散易于进行，因此粗晶粒比

20、细晶粒具有更高的高温强度【3 1 例如在钢中加硼能填充晶界的空位，使扩散受到阻碍，从而使晶界强化。(3)沉淀强化。因合金碳化物或金属化合物在高温下不易聚集和长大，因此可以使钢强化。例如在奥氏体型耐热钢或耐热合金中通过(w、M o、C r)。c。或(V、N b)C。等碳化物的沉淀强化，可提高基体的高温强度。1 24 C r g S i 2 马氏体耐热钢的制造及其应用4 C r 9 S i 2 钢属于马氏体耐热钢，它是在铬钢中加入S i。加入S i 不仅可以显著提高钢的抗氧化性能”，而且还能减少钢在蠕变开始阶段时的变形速度。它可用2江苏大学硕士学位论文于制造使用温度低于7 0 0 (2 的内燃机进

21、气阀，减负荷发动机的排气阀等，因此，该钢在各种型号柴油机上被广泛使用。目前，该钢作为气门阀材料需要解决的主要问题是热处理对其最终性能的影响，特别是对冲击韧性的影响。热处理时，应该根据不同产品对其进排气阀的不同要求，采用不同的工艺。热处理的正确、先进与否，首先在于被处理零件的质量是否达到技术要求；其次是成本低，能源消耗少，生产率高；最后是操作安全方便，劳动强度低。1 3 两类回火脆性的基本特点淬火钢在回火时，随着回火温度升高，其冲击韧性总的趋势是增大。但是有些钢在一定温度范围回火后，冲击韧性反而比在较低温度回火后显著下降。这种在回火过程中发生的脆性现象，称为回火脆性。钢中常见的回火脆性可以分为低

22、温回火脆性和高温回火脆性两类。1 3 1 低温回火脆性通常将在2 0 0 4 0 0 C 回火后发生的脆性称为低温回火脆性，即第一类回火脆性。其主要特点是：(1)所有淬火钢，只要在2 5 0 4 0 0 温度范围回火后，都会不同程度的出现脆性；(2)回火脆性的出现与回火方式和回火后的冷却速度无关，凡是在此温度范围回火，无论快冷还是慢冷，都会出现脆性；(3)具有不可逆性，即如果将己产生该脆性的钢置于更高温度回火后，其脆性逐渐消失，再置于2 5 0 4 0 0 回火后，脆性也不会重新出现，所以这种回火脆性也称为不可逆回火脆性。产生这种回火脆性的原因，一般认为是由于马氏体分解时，沿着马氏体条或片的界

23、面析出碳化物薄片所引起的，这种硬而脆的碳化物薄片显著的降低了马氏体界面的断裂强度，因而使钢的脆性明显增加。此外，回火过程中残余奥氏体的转变也加重了这种回火脆性。在低于2 5 0 C 回火时，由于不发生碳化物析出，故不会引起冲击韧性急剧下降。当回火温度高于4 0 0 时，碳化物开始聚集和球化，对基体的割裂作用减少，因而钢的冲击韧性又重新升高。而在2 5 0 4 0 0 回火后，正是由于析出了碳化物薄片，故产生回火脆性。低温回火脆性对于钢件强度与韧性的最佳配合不利。但目前尚未找到有效的江苏大学硕士学位论文方法完全消除这种回火脆性，只能尽量避免在这个温度范围回火，或采用等温淬火代替。在钢中加入I 3

24、 S i，可以使碳化物的析出移向较高温度进行，从而使脆性产生的温度范围升高，这对改善钢回火后的冲击韧性有利。1,3 2 高温回火脆性在4 5 0 6 5 0 C 回火后出现的脆性，通常称为高温回火脆性，或称第二类回火脆性。这种回火脆性的主要特点是：(1)回火脆性主要在含有c r、N i、M n、s i 等元素的合金结构钢中出现。(2)回火脆性的出现与回火后的冷却速度有关，通常回火后快冷不出现回火脆性。(3)具有可逆性。如果把已经出现这种回火脆性的钢重新加热到脆性区温度回火，再快冷到室温，其回火脆性即可消除。已经消除了回火脆性的钢，如果重新加热到脆性区温度回火，随后缓慢冷却到室温，则脆性又会出现

25、。因此这种回火脆性具有可逆性，也称为可逆回火脆性。(4)其断口呈晶间断裂。多数人认为高温回火脆性产生的主要原因，是在4 5 0 6 5 0 C 回火时微量杂质元素(P、S b、s n、A s 等)或合金元素向原来的奥氏体晶界偏聚或析出，削弱了晶粒之自J 的结合强度，从而使钢出现脆性。它可以用来解释一些高温回火脆性的现象，例如：这种脆性的出现是由于晶界变脆引起的 8 1，所以回火脆性试样的断口为晶间断裂。又如，杂质元素在晶界的偏聚是在一定的温度和条件下产生的，也可以在另外的温度、时问条件下消除，因此这种回火脆性是可逆的。再如，晶粒越粗，晶界越少，杂质元素在晶界偏聚的浓度越高，故粗晶粒钢比细晶粒钢

26、的回火脆性严重。1 4 影响回火脆性的因素影响回火脆性的因素可以分成以下三个方面m】，即钢的化学成分、热处理工艺和组织状态。1 4 1 钢的化学成分成分是影响回火脆性的最根本的因素。例如碳钢，它不含合金元素，便没有这类脆性。根据钢中成分对回火脆性的作用，大体可以把它们分为三类：(1)包括铬、镍、锰、碳等它们都有不同程度促进回火脆性的作用。当单独加入时，其作用大小按锰、铬、镍、硅、碳的顺序递减。但这类元素促进脆性4江苏大学硕士学位论文的作用必须有磷、锡、锑、砷等杂质存在才能表现出来。如不含上述杂质的高纯镍钢就不显示回火脆性。当两种和两种以上这类元素同时加入时，其促进脆性的能力会大于单独加入时两者

27、的作用之和。(2)包括磷、硫、锡、砷、硼等杂质。它们也具有促进回火脆性的作用，但这类元素只有与(1)类元素共存时，才能引起回火脆性，所以碳钢中虽含有以上某些杂质，却不存在回火脆性。从试验的结果看，磷和锑是两个影响最大的杂质元素，其余的影响较小；一般来说，含量在1 0 p p m 数量级，影响较小，但如果含量在l O O p p m 以上，则认为是高含量，并往往会引起明显的回火脆性。磷对回火脆性的影响见表2 1。表2 1钢中加入0 0 5 P 对回火脆性的影响T a b l e 4 1E f f e c to f0 0 5 Pi ns t e e lo nt e m p e rb r i t t

28、 l e n e s s合金元索()A F A T T(C)N iC rM n(冷脆转变温度)O 12|31 02 2 83 oO1 61 6 63 22 10 11 3 2(3)包括钨、钼、钒，钛等，对回火脆性有抑制作用，其中以钼的作用最为明显，钨次之。研究表明，函钼量有一个最佳值，高于或低于这个值，都不能很好地抑制回火脆性。据统计，最佳含钼量在0 5 左右，随钢的化学成分不同可能在0 2 0 7 阃变化，当加入的钨量为钼的2 倍左右时，大约能达到与钼相同的抑制效果。1 4 2 热处理工艺若在回火脆化温度范围内回火，或在更高的温度回火并慢冷通过此温度区间，均会导致回火脆性。当然，不同的钢这一

29、温度范围有所不同。回火后的冷速对出现回火脆性有很大的影响，脆化后的钢可用脱脆处理加以改善。1 4 3 组织状态这里主要指的是回火前的组织状态。不论钢材具有什么原始组织(珠光体、贝氏体、马氏体)，经脆化处理后都出现回火脆性。对镍铬钢而言，马氏体回火时脆性最严重，贝氏体次之，珠光体最轻。原奥氏体晶粒大小对回火脆性也有明显的影响。一般来说，原奥氏体晶粒越江苏大学硕士学位论文粗大，钢的脆化程度也越大，其原因可能是粗大的奥氏体晶粒使单位体积内晶界面积减小，因而增大了弓l 起回火脆性的碳化物和杂质元素在晶界上的浓度，从而促进了晶问断裂。钢在热处理后的硬度对回火脆性也有影响，硬度高的比硬度低的具有较大的回火

30、脆化倾向。1 5 当前国内外内燃机气门研究现状和发展趋势我国内燃机气门行业经过。八五”技术改造，在产品设计、质量、产量及其新产品、新工艺开发等方面都有一定的发展，如精锻、表面Q P O 处理等新工艺已被越来越多的企业所采用。据不完全统计，国内有一定生产规模的企业有4 0 多家，年生产气门1 亿多只，一些新品种气门(S A N T A N A、康明斯、奥迪、切诺基、1 2 5、1 5 7、6 1 1 2、2 4 4)等已经批量生产，代替了一些进口产品。在材质方面，还是主要运用4 C r g S i 2 等钢材，也研制成了一些性能优良的气门新材料投入生产，如M F 8 1 1、X B、2 1-2

31、N、2 1 1 2 N、2 3 8 N、2 0 1 1 P B 等。但多数厂家仍主要使用4 C r 9 S i 2 作为气门材料。而国外内燃机气门发展主要有以下几点：(1)重视基础理论研究及新产品开发工作。气门厂家与主机厂共同设计或主机厂委托气门厂独立设计。(2)气门材料品种齐全，有完整的体系。由于材质品种档次齐全，可以根据不同型号、不同工况条件的主机选不同材质的气门，从而提高发动机的可靠性和寿命。国外进气门一般采用马氏体钢，如4 C r 9 S i 2、4 C r l O S i 2 M o 和)(B 等。排气门头部普遍采用2 1-2 N、2 1 4 N、2 1-1 2 N、2 3 8 N

32、和2 0-l I P B 等奥氏体钢1 6 。(3)产品结构先进、性能优良、质量稳定。一般进气门采用整体结构的马氏体钢，而排气门多数采用双金属对焊或焊钢片结构，排气门锥面堆焊耐磨，耐蚀合金，杆部镀铬或氮化，以提高耐磨、耐蚀性能。在中型增压强化发动机上采用中空冲钠结构及带旋转机构的气门，以改善其散热及减轻积碳，提高其使用寿命。耳前国内外内燃机气门都是向高温、高负荷的方向发展，因为气门的工作条件越来越苛刻，所以对材质的要求也越来越高。解决的途径一是开发性能更为优良的新材料；二是在材料表面进行改性处理，获得耐热、耐腐蚀的表面，从而改善气门的性能以延长其使用寿命。6江苏大学硕士学位论文国内用4 C r

33、 9 S i 2 制作的内燃机气门，无论是在制造过程中还是在装机后的使用中，断裂现象都时有发生。目前对断裂进行的分析，主要是围绕原材料的质量、制造工艺的缺陷(如电镦引起的过热、过烧等)进行。对于热处理工艺对其性能影响的研究相对较少。特别是把淬火工艺、回火温度与时间以及回火后的冷速结合起来研究对气门最终性能的影响，国内还鲜有报道。1 6 本课题的研究目的和内容排气阀是内燃机配气结构中的一个重要零件。它是在高温、高速运动和各种不同的应力状态下工作，承受着高压燃气的冲刷和腐蚀。排气门的颈部断裂均发生在气门工作的第二高温点上，断裂与该部位存在的显微裂纹有关I”。气门的断裂主要有两种情况：一是在杆部校直

34、时；二是在装机后的使用过程中，主要是在零件的杆部脆断。常见的断裂部位如图1 2 所示。圈1 2气门断裂示意田F i 9 1 2R u p t u r eo f t h eV a l v e无论是哪种情况下的断裂，都会对企业产生很大的损失，尤其是后一种，还可能引起人身伤害事故，据估计这种情况下的断裂率约在万分之一左右。由于气门的产薰大，所以断裂的绝对数量不小，企业因此而支付赔偿的损失也相当可观，所以企业迫切希望避免或减少气门的断裂。众所周知，4 C r 9 S i 2 钢具有高温回火脆性，所以气门的断裂在排除了原材料质量和其它加工工艺的影响后，显然与热处理工艺有密切关系。1 6 1 本课置的研究

35、目的由于4 C r 9 S i 2 钢具有回火脆性，所以回火后要快冷来抑制回火脆性的出现，但是目前只是笼统的说要采用快冷，而具体的冷速究竟要多大，其回火脆性与冷却速度之间比较准确的定量关系还未曾有人加以系统的论证。将4 C r 9 s i 2 钢回火后迅速以不同的冷却速度冷却以后，材料的冲击韧性如何变化，内部组织有没有7江苏大学硬士学位论文明显的改变，在这方面迄今为止也没有人做过系统的研究。现在，4 C r g S i 2 钢气门回火后都采用水冷，但是水冷也会带来一系列的问题。由于该钢的回火温度较高，水冷产生大量的雾气，除了影响环境外，还可能使气门产生很大的变形，导致工件在校直时常常发生断裂。

36、分析断裂原因就是回火后水冷引起较大的变形和内应力，造成了校直时的断裂，从而给实际的生产带来极大的麻烦。目前，国内外有不少人对多种材料的回火脆性问题开展了研究【1 0，如3 0 C r M n S i A、C o-N i 钢、2 0 S i 钢、1 6 C o l 4 N i l 0 C r 2 l o 钢1 C r l 7 N i 2 钢等，但是有关4 C r 9 S i 2 钢的研究却几乎没有，这方面也几乎没有什么参考资料，因此，开展4 C r 9 S i 2 钢回火脆性与冷却速度之间定量关系的研究是很有实际意义的。在学术上，可以从定量的水平上说明冲击韧性与冷却速度之间的关系，并在此基础上进

37、一步探讨引起4 C r 9 S i 2 钢回火脆性的原因及分析其机理，在这方面的工作应该是很有创新意义的。在生产中，研究得出的结论可以用来指导实践，并将它运用在实际工作中来改进现有的生产方式。把淬火加热温度、回火温度、回火时间、回火冷却方式结合起来考虑，获得一个最佳的、既有良好的机械性能，又可以尽量减少变形的工艺，这将具有相当大的经济效益。我们以前曾经对该钢的热处理工艺进行了一系列的探讨，但是目前对回火后的冷却速度对材料的冲击韧性的影响尚未作深入的研究，只是把回火后的冷却分为水冷、油冷、空冷三种，并没有一个比较准确的定量关系。实际上，由于回火后冷却速度对其机械性能的影响，可能对淬火加热温度、回

38、火温度都存在一定的内在联系。因此将这三者结合起来考虑，也可以说是对前面工作的进一步深入。1 6 2 本课题研究的主要内容我们知道，要提高4 C r 9 S i 2 钢的最终机械性能，需要从该材料的热处理角度来考虑。因此，我们可以从它的淬火温度、淬火保温时间、淬火后的冷却方式、回火温度、回火保温时间、回火后的冷却方式这几方面来研究，以期找到这些热处理工艺对它最终机械性能的影响，从而改善其热处理工艺。笔者准备从淬火方式的改变、回火参数的变化来研究该材料。由于该材料属于高铬钢，它的材质比较脆，所以研究其回火脆性更是显得尤其重要。目前，国内外对回火后冷却方式的认识还处在一个比较模糊的阶段，一般都8江苏

39、大学硕士学位论文认为除了对回火脆性敏感的钢材在高温回火后采用水冷或油冷外，其余都采用空冷，但是带来的问题是冷却速度究竟是多少才比较合理，一直未能得出冷却速度与冲击韧性之间的定量关系，这也是国内外对这方面研究比较欠缺的地方而本课题正是针对上述问题所提出，它主要是研究柴浊机气门阔在回火后冷却速度不同而造成性能方面的一系列变化，主要是对回火脆性的影响，对残余应力的影响。本课题主要研究以下方面的内容：(1)在不同的回火温度下，以相同的冷却速度冷却试样。对试样进行冲击实验，观察断口形貌，得出不同的回火温度和时间对试样宏观和微观断口形貌的变化，(2)对经过不同热处理的试验分组，观察试样的金相变化。(3)在

40、不同的回火温度回火后采用不同的冷速冷却，观察其断口形貌，测量冲击韧性，分析不同冷速对材质最终性能的影响获得不仅可以抑制高温回火脆性，又能使变形减少的合理冷却介质。(4)运用计算机的多元回归计算，用J A V A 编程来计算达到脆化所需要的非平衡晶界偏聚过程中的临界时间以及计算其有效时间，将两者对照比较，得出相应的结论。9江苏大学硕士学位论文第二章实验材料和实验过程2 1 实验材料本实验所用的4 C r 9 S i 2 钢系实际生产用冷轧钢，重庆特殊钢厂生产，其化学成分如表2 1 所示表2 1 材料成分T a b l e 2 IC o n c e n t r a t i o ao f t h e

41、M a t e r i a lIcS jM nPSN iC r单位Io 3 5-0 52 O o 3 0 00 7 00 0 3 50 0 30 6 08 o o 1 0 0l碳C 是使钢达到一定强度和硬度的主要元素。细小弥散的碳化物既是强化相也是耐磨相，对钢在高温服役时的性能有好处【】。但碳含量高，球化退火时易出现严重的碳化物围网现象，对冷塑性不利，碳化物增多自然也加大了冷变形的难度，所以碳一般应控制在中下限范围内。硅S i 是固溶强化基体的主要元素，能提高钢的抗氧化性。它阻碍马氏体的分解，使析出的碳化物不易聚集长大，所以能明显提高钢的回火稳定性但是当有C r、i n 存在时，它增加了钢的回

42、火脆性。由于冷作硬化性强，增大了冷变形的难度。当s i 含量大于2 5 时，变形困难；大于3 时塑性显著降低。为此，S i 应控制在2 O 2 5 范围。铬C r 具有提高抗氧化性、淬透性和形成碳化物的作用。当C r l O 时，对钢的塑性有益，反之则使钢的塑性大幅度降低。所以，c r 含量也应控制在中下限范围U 4|。另外，作为有害元素的P、S，钢中含量越少越好。夹杂物的减少，有利于冷拔塑性的提高，一般要求P、s 含量应0 0 2。图2 1 是4 C r 9 S i 2 钢的能谱成分图，由图我们可以看出，该钢材的主要成分是硅、铁、铬、碳，其它的成分很少，这也说明了该钢材的纯度比较高，含有的杂

43、质元素比较少。作为中小型柴油机进排气门的主要用材，它的加工工艺流程如下：下料一电镦一头部成型一校直一淬火一高温回火一校直一磨加工。1 0江苏大学硕士学位论文=”。“4“。”器：；2，r图2 1 材料能谱图F i 9 2 1C o m p o s i t i o nA r m l y s i so ft h eM a t e r i 8 1通常，经过一定的热处理以后，可以达到表2 2 所示的机械性能，最终硬度值应该处于3 3 3 7 H R c 表2 2 材料的机械性能T a b l e 2 2M e c h a n i c a lP r o p e r t yo ft h eM a t e r

44、 i a l机械性能(不小于)热处理(高于临界点淬火吒以占l 矿+高温回火)M P aM P a1 0 3 0 油淬，6 5 0 C 油冷9 0 06 0 02 05 52 2 冲击断口的S E M 观察将进行冲击断裂的试样迅速用酒精清洗，关键是冲击断口不受污染，然后将试样再次利用超声振荡进行清洗，5 l O 分钟君取出试样，用吹风机微风烘干后整齐地排放于试验盒中，在日本产的J X A-S 4 0 型电子探针扫描电镜上进行冲击断口的S E M 观察。2 3 显微组织的观察将试样在砂轮机上打磨平整后，分别用目数不同的砂纸依次磨试样，然后用苦味酸钠溶液进行腐蚀，在光学显微镜下观察试样的显微组织。扛

45、苏大学硕士学位论文2 44 c r g s i 2 钢的热重分析资料介绍，4 C O S i 2 钢A C 点基本上在9 1 0 左右，而A Q 点基本上在9 7 0 左右。它的A r，点在8 0 5 Y!，A r3 点在8 3 0 1 2，它的M s 点在1 9 0 C。图2 2 是4 C r 9 S i 2钢的热分析图。可以看出：在整个加热过程中它的重量值是一直增加的。mO删r哪圈2 2 热重分析图F i 9 2 2T h e m a l y s i so fH e a ta n dC e i g h t i n e s s2 5 冲击断裂试样侧面的硬度测试将冲击断裂试样的一个面磨平，在洛

46、氏硬度计上每隔一定的距离打硬度值，通常每个试样打三个硬度值，单位是H R C，最后取它们的平均值作为最终该试样的硬度值。2 6 试样冲击值的测定按照G B 2 1 0 6-8 0 金属夏比(v 型缺口)冲击实验方法中的规定形状和尺寸(2 r a m 缺口1 0 X1 0 X 5 5 m m)制备冲击试样。冲击试验按照G B l 4 5 9-8 4金属夏比冲击实验方法进行。冲击实验机为吴忠材料实验机厂生产的型号为J B G D-3 0 0 冲击实验机，该实验机除了放样需要手工操作外，其他过程完全由电气自动控制。1 2江苏大学硕士学位论文2 7 俄歇能谱测量本实验的俄歇能谱实验在南京东南大学分析测

47、试中心进行，机器型号是爱年华E RC O P EA E S 3 5 0 型。其实验参数如下：电子枪能量：3 K e y：本底2 10-6 T o r t：A r 离子能量；3 K c v2 a m r a i n。俄歇电子能量分布中的特征图形可能是尖锐的、明显的，但更常遇到的是难以分辨或只不过是在一个很陡的本底上出现一些小拐折，这样一些图形不能作为一种分析方法。通常采用微商分布以r 陋)，d g 中的极小值作为能量坐标的峰的位置n”微分俄歇能谱曲线的峰一峰幅值S i S：的大小，应是有效激发体积内元素浓度的标志，我们把测得的蜂高1(A 为某元素)，换算成它的原子百分浓度C。，为此采用特定的纯元

48、素标样一银，其计算公式如下：c。2 配巩(2 1)其中1 0 1 是纯银标样的峰高值：s 一是元素A 的相对俄歇灵敏度因子，可由专门的手册查出：D x 为标度因子，当I。和I 置的测量条件相同时，D x5 1 测得俄歇谱中所有元素(A，B，C，N)的峰峰幅值，则相对浓度值由下式计算：C A-巧盟(2-2)也偈)扛苏大学颈士学位论文第三章4 C r 9 S i 2 钢调质工艺分析4 C r 9 S i 2 钢的最终机械性能不仅与钢的化学成分有关，而且与热处理后的组织有密切关系。因为4 C r 9 S i 2 钢的淬火温度范围较宽(9 6 0 1 0 5 0)，生产厂家根据各自的经验和习惯选用淬火

49、温度，但产品在装机使用中时有断裂，虽然气门断裂的原因很复杂，但多数情况与热处理工艺有关【2“。为此，笔者系统地研究了淬火温度、回火温度与硬度、组织之间的关系，在此基础上提出了最佳的调质工艺。3 1 试样及工艺设计试样直接取自生产用钢，4 C r 9 S i 2 钢的化学成分如表2 1 所示。该气门是经电镦，红冲成型的，为排除可能出现的组织遗传影响1 2 l J，选用原始棒材。本实验过程中有两种试样，一种试样尺寸为中1 0 n t m，长度为5 5 n n；另一种为标准冲击试样。试样经盐浴加热，8 0 0 C 预热1 5 分钟，然后在一定的淬火温度下保温1 0 r a i n s，油冷，回火时间

50、为9 0 r a i n s。3 24 C r 9 S i 2 钢三种淬火工艺分析比较4 C r 9 S i 2 钢的淬火温度范围较宽，根据不同产品的要求可以采用不同的工艺。张成杰参考了大量文献，结合该厂的多年实践，改进了4 C r 9 S i 2 钢的热处理工艺1 5 1，提出了采用亚温淬火和临界点淬火的新工艺，对提高4 C r 9 S i 2 钢的冲击韧性有明显效果。下面即为笔者对几种工艺进行的实验和分析比较。3 2 1 常规淬火试样的常规淬火工艺如图3 1 所示：淬火采用油冷，回火后采用水冷。将该试样与经常规淬火的试样进行机械性能比较，可以发现如下特征：当回火温度为6 7 0 C 时，硬