铬含量对新型气阀合金组织和性能的影响

郑 卫 赵钧良 李 钧

(1.宝钢特钢有限公司，上海 200940； 2.上海大学材料研究所，上海 200072；3.上海大学兴化特种不锈钢研究院，江苏兴化 225721)

铬含量对新型气阀合金组织和性能的影响

郑 卫1赵钧良1李 钧2,3

(1.宝钢特钢有限公司，上海 200940； 2.上海大学材料研究所，上海 200072；3.上海大学兴化特种不锈钢研究院，江苏兴化 225721)

研究了铬含量对新型气阀合金组织、室温和高温力学性能的影响。结果表明，随着铬含量的增加，合金显微组织中第二相的数量明显增多，晶界处的析出物逐渐粗化，经确认第二相为碳化物Cr23C6；室温屈服强度和抗拉强度均随着铬含量的增加呈上升趋势，铬质量分数为20%时，室温断后伸长率最高，约为25%；高温屈服强度随铬含量的增加先是变化不大，然后有较为显著的升高；而高温抗拉强度、高温断后伸长率及断面收缩率均随着铬含量的增加先升高后下降；铬质量分数为20%的合金具有较好的综合性能。

铬含量 气阀合金 显微组织 力学性能

气阀合金是用于制造内燃机进气门和排气门的材料。近年来，随着汽车工业的发展，内燃机的需求量大大增长，加之内燃机技术的不断革新，都促进了气阀钢的生产和研发[1]。另外，汽车国V排放标准(轻型汽车污染物排放限值及测量方法(中国第五阶段))已实施[2]，这就意味着原有汽车发动机需要调整，对气阀钢的要求会更高。而我国各类高性能的气阀钢主要依赖进口，所以迫切需要研发和制造高性能的气阀钢。纵观气阀材料的发展历程，气阀钢经历了碳钢和低合金钢-硅铬型不锈钢— α相合金— 奥氏体型耐热钢等多个发展阶段。目前，国内外使用最多的是奥氏体型耐热钢[3]。奥氏体气阀钢具有优良的高温耐磨性和高温强度及良好的耐氧化腐蚀性能，被国内外广泛用作制造发动机排气阀的材料[4]。

钢中加入铬是为了生成以Cr2O3为主的氧化膜，以提高抗腐蚀性能。此外，还可以形成碳化物或氮化物，提高合金的强度。但是，随着铬含量的增加，一些金属间相(σ相等)的形成倾向增大。另外，铬是强碳化物形成元素，常见的碳化物有Cr23C6。

本文通过在新型气阀合金中添加不同量的铬，研究了铬含量对该合金组织、室温和高温力学性能的影响，揭示铬的作用，从而为指导实际生产提供理论依据。

1 试验材料和方法

本文试验研究采用的是实验室冶炼的新型气阀合金，化学成分列于表1， 具体试样铬的质量分数为：1号18%,2号20%,3号23%，其余合金成分相同。

表1 试验用新型气阀合金的化学成分(质量分数)Table 1 Chemical composition of the investigated alloy (mass fraction) %

在锻棒上取样，进行1 050 ℃保温0.5 h固溶处理，然后将试样在760 ℃时效4 h。

采用DLMAX- 2200 X射线衍射仪对试样进行XRD分析；采用扫描电镜(日立S- 570)、KEYENCE VHX- 100数码光学金相显微镜和高分辨透射电镜JEM- 2010FTEM进行显微观察分析；采用75A00175布洛维硬度计测定硬度，采用CMT5305万能电子拉伸试验机进行室温和高温拉伸试验。

2 试验结果及分析

2.1 铬含量对新型气阀合金组织的影响

图1是铬质量分数为18%、20%、23%的新型气阀合金的显微组织。从图1中可以看出，在以奥氏体为基体的组织中，3种成分的合金均有第二相存在，随着铬含量的增加，显微组织中第二相的数量明显增多，图1(b)比图1(a)析出相更均匀，主要分布在晶界处。图1(c)表明，当铬质量分数为23%时，显微组织中的第二相细小，有些部位第二相与锻造方向(拔长)平行分布。此外，在局部区域形成了第二相的聚集，呈团状分布，如图1(c)中箭头所指位置。

图1 含(a)18%Cr、(b)20%Cr和(c)23%Cr的新型气阀合金热处理后的显微组织Fig.1 Microstructures of the new valve alloy containing (a) 18%Cr, (b) 20%Cr and (c) 23%Cr after heat treatment

图2 含(a)18%Cr、(b)20%Cr和(c)23%Cr的新型气阀合金热处理后的SEM形貌 Fig.2 SEM morphologies of the valve alloy containing (a) 18%Cr, (b) 20%Cr and (c) 23%Cr after heat treatment

使用SEM对不同铬含量的新型气阀合金的显微组织做进一步观察。如图2所示， 随着铬含量的增加， 晶界处的析出物逐渐增多， 含18%Cr和20%Cr的合金晶界处析出物较少， 23%Cr合金的显微组织中第二相的数量非常多，晶界析出物大多呈连续分布，长度比较长。

对铬质量分数为23%的新型气阀合金的局部显微组织进行放大观察。如图3所示，在孪晶界处(图3(a)中箭头所指位置)也出现了析出物，自由晶界处的析出物宽度约为微米级，呈树枝状，使用EDS对其进行成分分析(图3(c)中箭头所指位置)得出其为含铬的碳化物。

图3 含23%Cr的新型气阀合金晶界处碳化物的SEM图像及晶界析出物的能谱图Fig.3 SEM morphologies of carbide in the valve alloy with 23%Cr and corresponding EDS patterns

图4中，自下而上分别是含23%Cr、20%Cr、18%Cr的气阀合金样品的XRD图谱，可以看出样品基体为单一的奥氏体，没有出现其他物相的衍射峰，这可能是由于析出相的数量太少所致。

为了清晰地观察晶界析出物的形貌及尺寸，确定析出物的具体成分，对铬质量分数为23%的新型气阀合金样品的晶界析出物进行了透射电镜观察。析出物的衍射花样如图5(b)所示，对其衍射花样进行标定，确定其为Cr23C6。由图5可知，晶界处的Cr23C6呈颗粒状，较粗大，尺寸约为200 nm，已经发生了明显的粗化，有些颗粒连在了一起(如图5(a)中箭头所指位置)。

图4 不同铬含量的新型气阀合金热处理后的XRD图谱Fig.4 XRD patterns of the new valve alloy with different chromium contents after heat treatment

图5 含23%Cr的新型气阀合金晶界析出物的(a)TEM明场和(b)暗场像Fig.5 (a) Bright and (b) dark field TEM morphologies of carbide in the valve alloy with 23%Cr

2.2 铬含量变化对新型气阀合金力学性能的影响

对铬质量分数为18%、20%、23%的新型气阀合金进行室温力学性能测试，获得的屈服强度(Rp0.2)、抗拉强度(Rm)、断后伸长率(A)如图6所示。从图中可以看出，室温屈服强度与抗拉强度均随着铬含量的增加而升高，铬质量分数为23%时，室温屈服强度和抗拉强度提高更为明显。断后伸长率随铬含量的增加先升高后降低，铬质量分数为20%时的断后伸长率达25%左右。

图7为铬质量分数为18%、20%、23%的新型气阀合金室温拉伸断口的SEM图像。由图可知，18%Cr和20%Cr合金的断口处有大量韧窝，表现出明显的韧性断裂特征；23%Cr合金的断口呈现出冰糖状花样，在断口处可以看到数量较多的沿晶裂纹和解理台阶， 表现出明显的脆性断裂特征。此外，在冰糖状花样表面有数量较多且细小的韧窝，由此也可以判断23%Cr合金的室温拉伸断裂机制为韧性和脆性的混合型断裂。

图6 不同铬含量的新型气阀合金的室温力学性能Fig.6 Effect of chromium contents on mechanical properties of the new valve alloy at room temperature

图7 含18%Cr(a)、20%Cr(b)和23%Cr(c)的新型气阀合金室温拉伸断口的SEM图像Fig.7 SEM fractographs of the new valve alloy specimens containing (a) 18%Cr ,(b) 20%Cr and(c) 23%Cr after tensile test at room temperature

不同铬含量的新型气阀合金在700 ℃进行力学性能测试，获得的高温屈服强度(Rp0.2)、抗拉强度(Rm)、断后伸长率(A)和断面收缩率(Z)数据列于表3。

表3 不同铬含量的新型气阀合金700 ℃的力学性能Table 3 Mechanical properties of the new valve alloy with different chromium contents at 700 ℃

由表3可知，20%Cr和18%Cr合金的高温屈服强度相近，随着铬含量的进一步增加而提高。而高温抗拉强度、高温断后伸长率及断面收缩率随着铬含量的增加变化趋势大致相同，均为先升高后降低。20%Cr合金的高温抗拉强度、高温断后伸长率及断面收缩率最高。这是由于碳化物的析出越多，强化作用越大，而碳化物析出较弥撒，组织越均匀，使之变性协调，对塑性非常有利。碳化物聚集分布在晶界，削弱了晶界的结合力[5]，合金容易产生脆性断裂。

3 结论

(1)随着铬含量的增加，新型气阀合金显微组织中第二相的数量明显增多，第二相为Cr23C6。

(2)合金的室温屈服强度和抗拉强度均随着铬含量的增加而升高，铬质量分数为23%时，室温屈服强度和抗拉强度分别为750和1 240 MPa；室温断后伸长率随铬含量的增加先升高后降低，铬质量分数为20%时断后伸长率最高，为24.8%。

(3)铬质量分数为18%和20%时，合金的高温屈服强度相近，随着铬含量的进一步增加，高温屈服强度有较显著的升高；高温抗拉强度、高温断后伸长率及断面收缩率均随着铬含量的增加先升高后下降，铬质量分数为20%时均达到最高值，分别为905 MPa、25%、41%。

(4)新型气阀合金的铬质量分数控制在20%左右比较适宜。

[1] 程世长,刘正东,杨钢,等.中国内燃机气阀钢的现状和建议[J].钢铁研究学报,2005,17(3):1- 4.

[2] 范卫民.国Ⅴ排放标准升级将给专用车企业带来什么影响[J].专用汽车, 2016(4):52- 54.

[3] 秦添艳. 内燃机气阀用钢的发展现状[J].上海金属, 2011,33(2):50- 54.

[4] 郑雨旸，刘全，顾新根，等.2.3 t铸锭的奥氏体气阀钢轧制工艺探索及生产[J]. 上海金属, 2012,34(5):33- 36.

[5] 黄灿萍，田志，刘锡奎，等.21- 4N钢层状组织对冷拉钢棒表面裂纹的影响[J].理化检验- 物理分册，1996,32(5):52- 54.

收修改稿日期：2016- 09- 09

信息

2016全球废钢进口在连续4年下滑后恢复增长

根据世界钢铁协会公布的数据，2016年全球废钢进口量为8 630万t，同比微增0.6%。从全球主要废钢进口来看，主要为土耳其、欧盟国家以及亚洲一些钢铁工业发展较快而废钢资源又暂不能满足所需的国家和地区。

土耳其仍然是全球最大的废钢进口国，2016年进口量达到1 770万t，同比增长8.6%，主要是从欧盟国家进口，其余则主要从美国和独联体进口。

亚洲国家中，韩国是最主要的废钢进口国，2016年进口量为580万t，同比基本持平，不过近几年韩国废钢进口量总体呈下降趋势，主要是该国电炉钢产量下降。此外，中国台湾也是亚洲主要的废钢进口地区，不过2016年进口量出现下降，同比下降5.9%至320万t；2016年中国废钢进口量为220万t，同比减少4.3%。

在欧盟国家中，意大利、德国、比利时、西班牙和荷兰是该地区主要的废钢进口国，2016年进口量分别为440万t、410万t、410万t、400万t和190万t。

罗维 供稿

ImpactofChromiumContentonMicrostructureandPropertiesofANewValveAlloy

Zheng Wei1Zhao Junliang1Li Jun2,3
(1. Baosteel Special Steel, Shanghai 200940, China;2. Institute of Materials, Shanghai University, Shanghai 200072, China; 3. Shanghai University Xinghua Institute of Special Stainless Steels，Xinghua Jiangsu 225721, China)

The impact of chromium content on microstructure and mechanical properties of a new valve alloy at both room and high temperatures was investigated. It was observed that with the increase in chromium contents the amount of second phase in microstructure of the alloy increased obviously, and the precipitates at grain boundaries tended to become coarser. It was affirmed that the second phase was carbide Cr23C6. At room temperature, as chromium content increased, so too did the yield strength and tensile strength of the alloy, and the elongation reached as maximum as about 25% when the chromium content was 20% by mass. At high temperature, with the increase in chromium content in the alloy, its yield strength changed a little at first, then increased remarkably, and the tensile strength, elongation, and reduction in area all increased first, and then decreased. The alloy with 20% Cr had better comprehensive properties than others.

chromium content, valve alloy, microstructure, mechanical property

郑卫，男，主要从事特种钢研究，Email:zhengwei@baosteel.com

李钧，博士，主要从事特种钢研究，Email: junli@shu.edu.cn