固溶处理对ZG40Cr25Ni20Si2耐热钢力学性能的影响

孙晓霞，马 丁，李 煦，李 明，裴晓霞，李昕东，马诗童

(1.中国劳动关系学院， 北京 100048; 2.四川航天长征装备制造有限公司， 成都 610100;3.中国运载火箭技术研究院， 北京 100076; 4.安泰天龙钨钼科技有限公司， 北京 100094;5.莱州市丰友机械有限公司， 山东 烟台 261411)

上世纪40年代，欧美等国研发了Cr-Ni系列奥氏体耐热钢，目前，铬镍耐热高温钢已形成了ZG40Cr25Ni20和ZG30Cr25Ni25等十余种钢号。奥氏体型耐热不锈钢是指以铁为基，以镍、铬、锰等主要元素合金化，室温下组织为奥氏体的钢类，产量占不锈钢总产量的50%～60%以上，以其良好的耐高温、抗腐蚀、抗氧化等特性，得以在高温和腐蚀气体环境中广泛使用[1～4]。

近些年，随着民参军、商业航天大潮的兴起，耐热钢以及其相对良好的高温性能以及明显的成本优势，在飞行器耐高温部件中的应用逐渐增多，对耐热钢的研究也成果显著。目前文献主要从时效的组织变化、元素含量对组织和蠕变性能的影响、工艺的影响等方面对奥氏体耐热钢性能的进行研究。文献[5-7]分析了Al、B、Ti、W等对耐热钢显微组织及硬度的影响；文献[8-10]研究了等温时效、高温时效后的组织性能变化；文献[11-12]总结了热处理工艺、喷丸处理对耐热钢的影响。目前涉及到具体产品性能的研究较少。此外，产品实际生产过程中，由于选用标准一般为普通的国标，如《GB/T8492—2002 一般用途用耐热钢和合金铸件》，而一些特殊用途用耐热钢，缺少相对高要求的标准支持，或者对产品状态(如热处理状态还是铸造状态)要求不明确，给设计选用及后续产品质量控制带来一定的困扰。

本文将从高性能产品工程化应用的角度，以牌号为ZG40Cr25Ni20Si2的燃气舵安装壳体为研究对象，针对某批产品取样测试出现的力学性能偏低的情况，对铸态原始试样以及同批次的固溶态试样的力学性能、断口形貌进行对比分析，获得固溶处理对ZG40Cr25Ni20Si2耐热钢的影响，为后续型号用耐热钢产品质量控制提供技术参考。

1 试验材料和方法

1.1 研究对象

对铸造壳体的原材料进行取样，通过移动式直读光谱仪PMI-MASTER PRO分析得到其化学成分如表1所示，参照《GB/T8492—2014》的国家标准，成分均满足要求，原材料验证合格。

表1 ZG40Cr25Ni20Si2钢的化学成分(质量分数，%)

1.2 试验方法

对原始复验料进行取样，两件规格均为φ15×300 mm，分别编号为1#和2#。对2#试样进行固溶处理(固溶温度为1 080 ℃，保温时间为90 min)，与1#原始铸态组织试样对比分析两者力学性能、金相组织的异同。

采用线切割在铸锭上切取金相试样，按标准金相技术制取试样，采用试剂(成分：2.5 g三氯化铁+25 mL盐酸+50 mL 蒸馏水)进行浸蚀。腐蚀后，先后用清水和无水乙醇冲洗，烘干保存。使用光学显微镜对所制金相试样进行微观组织观察和分析。

按照国家标准《GB/T228.1—2010》和《GB/T228.2—2015》，使用CSS-44050型电子万能试验机测试室温和高温(900 ℃)环境下试样的拉伸性能。

常温下试样加工成如图1所示，拉伸速率为1 mm/min。

图1 室温力学性能拉伸试样

高温(900 ℃)下，加工试样如图2所示，拉伸速率为0.5 mm/min。

图2 高温(900 ℃)力学性能拉伸试样

按照《GB/T 231.1—2009》的要求，使用HB3000C型电子布氏硬度计进行对两个试样进行布氏硬度测试，观察硬度变化情况。利用FEI vanano450扫描电镜观察分析两个试样的断口截面形貌等。

2 试验结果与分析

2.1 组织观察及分析

对1#铸态试样的金相组织进行观察，结果如图3所示。

由于ZG40Cr25Ni20Si2 钢中含有较多的合金元素，可以将其分为两大类：促进奥氏体的Ni、Mn和促进铁素体的Cr、Si，分别用Ni当量(Nieq)和Cr当量(Creq)表示，计算式如(1)和(2)所示。

Creq=%Cr+1.5(%Si)+1(%Mo)+

2(%Ti)+0.5(%Nb)

(1)

Nieq=%Ni+0.5(%Mn)+30(%C)+30(%N)

(2)

图3 铸态试样的金相图片

根据表1中的元素成分，计算得出钢中的Ni当量Nieq=33.79，Cr当量Creq=28.446。根据Schaeflfer-Delong当量图(如图4)可大致判断钢中组织，常温下钢的基体组织为奥氏体[13]。

图4 Schaeflfer-Delong当量图

因此，1#铸态试样的金相组织为奥氏体、少量铁素体和碳化物(较多的M23C6)。在奥氏体的晶界处，分布着碳化物和少量铁素体。晶界碳化物以较薄的片状形态分布在晶粒之间，有些在晶界三角区域处发生少量集聚现象。

2#固溶态试样的金相组织如图5所示。金相组织形态发生明显变化，奥氏体晶粒变粗，成长为柱状树枝晶、少量铁素体和碳化物(较多的M23C6)。碳化物连续性较低，晶界呈弯折状，能够使晶界滑移和扩展受阻，从而延长断裂时间，提高合金的性能及使用寿命[14-15]。

图5 固溶态试样的金相图片

铸态和固溶态试样的金相组织对比发现，前者奥氏体晶粒较小，呈现尖角多边形状，分布不均匀；后者经固溶处理，奥氏体晶粒粗化，分布更均匀。

2.2 室温拉伸性能分析

室温条件下，两根拉伸试样的性能参数测试结果见表2，参数均满足设计要求。经过固溶处理的2#试样抗拉强度达到556 MPa，相比原始铸态1#试样提高了11%，可见固溶处理对材料强度改善效果明显。室温下伸长率略有降低，由于产品最终工作环境为高温条件，因此高温条件下的伸长率变化对产品更有参考意义。

表2 ZG40Cr25Ni20Si2室温主要性能参数

2.3 高温拉伸性能分析

高温(900 ℃)条件下，对试样拉伸性能参数测试结果见表3，固溶后抗拉强度提高了14%，伸长率也提高了14%，表明固溶处理后的金相组织，晶粒更均匀，同时晶界形成更多的碳化物，碳化物的硬度高，合金的强度也得到不同程度的提高。

表3 ZG40Cr25Ni20Si2高温(900 ℃)拉伸性能参数

2.4 硬度

对每个试样分别选取3个位置进行硬度测量，结果见表4。

表4 硬度测试结果

钢的硬度受其晶粒尺寸、碳化物数量、形貌及分布等因素影响，奥氏体耐热钢的硬度约为162～229HB。测试结果可见，固溶处理后，硬度提高约16%，有助于提高产品性能。这与前文的金相组织是相对应的。固溶处理后的金相组织，晶粒更均匀，同时晶界形成更多的碳化物，碳化物的硬度高，合金的硬度也得到不同程度的提高。

2.5 金相断口分析

采用FEI vanano450扫描电子显微镜，对高温拉伸试样的断口扫描，典型形貌如图6所示。分析发现，铸态的试样断口形貌呈现明显的树枝晶断裂，断口上有大量的撕裂棱。固溶态的试样在低倍下的断口形貌与铸态试样类似，但是在高倍下可看见较多韧窝，为典型的韧性断裂断口形貌。因此，2#试样的塑性表现更好。

图6 高温试样的断口形貌

3 分析讨论

本文的试验结果表明，通过增加固溶处理过程，材料表现出了良好的综合力学性能。ZG40Cr25Ni20Si2钢的硬度、强度等性能，与晶粒尺寸、形貌及分布，碳化物数量等因素有关。ZG40Cr25Ni20Si2钢在常温下基体为奥氏体，钢中的C元素和Cr元素相互结合能力非常强，极易形成铬的碳化物，分布于晶界，因此常温下钢中主要是奥氏体和少量碳化物。固溶处理使得铁素体增多而奥氏体减少，随着固溶时间增加，铁素体中合金元素Cr、Mo含量逐渐变多，在过饱和铁素体基体中与未溶入铁素体的碳相结合形成碳化物析出相，使耐热合金的硬度增加，晶界碳化物的形貌和分布状态发生变化。碳化物能以断续块状或杆状分散于晶界处，可有效阻碍晶界的迁移，提高合金的持久和蠕变强度，使试样的强度改善，有利于提高合金的力学性能。另一方面，通过固溶处理，固溶在合金基体中的碳、硅、铬、镍等元素，使晶格发生了一定的畸变，从而晶体弹性应力场发生改变，并与位错交互作用，将其稳稳扎住，从而提高合金的抗拉强度[15-22]。

4 结论

1) 合理的固溶处理可使耐热钢中的碳化物数量增长，析出相、晶粒尺寸和形貌分布发生改变，获得强化的固溶体，抗拉强度明显提高；材料断口为明显的韧性断裂，呈现更好的塑性特征。

2) 固溶处理使原始铸态试样的性能得到明显改善，常温和900 ℃高温下，抗拉强度分别提高了11%和14%，900 ℃高温下伸长率提高14%，成本增加约1%，有利于批量产品在有效控制成本的前提下，显著提升质量。

3) 本文仅针对一种试验参数进行了论证分析，后续可通过变更固溶时间、温度、产品规格、形状、装炉量，获得固溶处理的最优工艺参数，制定相应的监控措施，保证产品性能，保障批量产品的合格率。