GR660圆棒热处理后硬度偏低的分析

2021-07-20范卫东

四川冶金 2021年3期

范卫东

(常熟市良益金属材料有限公司，江苏苏州 215500)

GR660(国标GH2132)是一种Fe-25Ni-15Cr基高温合金，加入钼、钛、铝、钒及微量硼综合强化,在650 ℃以下具有高的屈服强度和持久、蠕变强度，并且具有较好的加工塑性和满意的焊接性能。适合制造在650 ℃以下长期工作的航空发动机高温承力部件，如涡轮盘、压气机盘、转子叶片和紧固件等。该合金可以生产各种形状产品，如：盘件、锻件、板、棒、丝和环形件等。该合金常规的热处理工艺有：(1)(980 ± 15)℃保持2小时,油冷或水冷，705～760 ℃保温16小时,空冷；(2)(900 ±15)℃保持2小时,油冷或水冷，705～760 ℃保温16小时,空冷。某重工设备制造有限公司委托我公司生产的四支Φ236 mm×2441 mm GR660合金圆棒选用第二种热处理工艺，要求硬度不低于248 HBW,但实际热处理好以后硬度不均匀，四支棒料中有两支硬度不达标，最低硬度只有212 HBW,不能满足客户要求。

1 理化检验

1.1 成分分析

我们采用德国SPECTRO直读光谱仪对两支不达标的圆棒两头分别进行了化学成分分析，结果见表1。为了便于对比，表1中同时列出了ASTM A638标准规定的合金的化学成分范围[1]。

由表1可以看到，两支圆棒的化学成分符合标准要求，由于GR660合金的生产工艺为VIM+ESR,受电渣烧损的影响，1A和2A两支圆棒的Ti含量在标准下限。

1.2 性能检测

为进一步研究热处理对性能的影响，我们在2支硬度不达标的圆棒两头分别取两组试样，使用CMT5205电子万能试验机和HB-3000B布氏硬度计检测试样。一组试样直接进行室温拉伸试验和硬度试验，另一组试样先在SX2-10-12箱式电阻炉内进行650 ℃保温16小时后空冷的补充时效试验，再进行室温拉伸试验和硬度试验，两次的检测结果见表2。表2中同时列出了ASTM A638标准规定的合金力学性能[1]。

表2 GR660合金圆棒的力学性能

由表2可以看出，未做补充时效的四个试样中只有一个性能全部达到要求，通过650 ℃的补充时效后，四个试样性能都达到了规定要求，说明650 ℃的补充时效对棒材性能是有一定作用的。

1.3 金相检测

我们将未做补充时效的四个头部切取金相试样，经过预磨抛光后，采用日本OLYMPUS GX71型金相显微镜放大100倍，进行组织比对观察，摸索晶粒度与硬度的对应关系。如图1所示。

1A 1B

2A 2B

从以上四张照片可以看出，1A和2A的晶粒要明显粗于1B和2B,而从前面的硬度看，1B和2B的硬度要比1A和2A高，说明晶粒度对硬度也有一定影响。

2 分析讨论

2.1 由于合金中加入Ti的目的是借助时效析出弥散的 γ'相作为主要强化手段，因此，合金中Ti含量的多少对γ'相的多少起着决定性的作用。也就是说Ti含量的多少对合金的性能起着至关重要的作用。从分析的两支棒料情况来看，Ti含量高的棒料硬度相对更高，表明Ti含量高低对硬度确实有直接关系。有资料表明，GR660合金在标准热处理后除奥氏体基体外，析出相主要为第二相强化作用的γ'相，并在γ基体上呈圆球状均匀弥散分布，直径约10—20 nm,因此，γ'相数量的多少对合金的性能起着至关重要的作用[2]。Ti是γ'相产出的主要元素，合理控制好Ti含量可以析出更多γ'相，从而可以确保合金的硬度。对于正常生产的GR660合金来说，相关资料表明，Ti一般控制在2.0%～2.2%之间为好[3]，考虑到电渣烧损影响，电渣生产时还应合理使用渣料，以确保Ti控制在规定范围内。

2.2 如何获得更多的γ'相数量，还可以从热处理方面考虑。时效的目的是使γ'强化相以极微小的颗粒状均匀分布在γ基体中，γ与γ'形成共格，使合金达到最大的强化效果。有资料表明γ'相的溶解温度为830～850 ℃，γ'相的开始析出温度为650 ℃左右，700～730 ℃析出最多[4]。通过上面两支棒料可以看出，在650 ℃经过16小时的补充时效后，γ'相再次析出，对γ基体再次产生了强化效应，提高了钢棒试样的硬度值，使其达到了标准要求。

2.3 另外，从金相组织看两支棒料四个试样中有两个试样的晶粒小一点，另外两个试样的晶粒偏大，晶粒小的硬度要高一些，相关资料表明，晶粒越小，同样大小的一块材料中,晶界面积越多,晶界越曲折，越不利于裂纹的扩展，对位错运动的阻碍就越大,从而导致硬度就越高。因此，在实际生产中，对棒材(特别是这种大规格棒材)应把控好锻造工艺，特别是终锻温度不能过高，并保证有足够的变形量，以确保棒材晶粒度，从而确保棒材的性能。