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微合金化奥氏体气阀钢的组织和性能研究

2020-11-23阅读(703)

微合金化奥氏体气阀钢的组织和性能研究

论文摘要

本文在5Cr21Mn9Ni4N（21-4N）钢基础上采取RE及Nb、V的微合金化技术试制成功21-4NRE和6Cr21Mn10MoVNbN奥氏体内燃机气阀钢,其中21-4NRE钢各项性能比21-4N钢有不同程度的提高,而且成品率提高5%左右;6Cr21Mn10MoVNbN钢性能达到国外同类标准水平,成品率达到60%以上,填补了国内空白,实现生产和销售上千吨,大幅度地替代了进口,实现销售收入数亿元,产生了良好的经济效益和社会效益。系统研究了稀土对21-4N钢显微组织、夹杂物、晶粒长大规律的影响,获得了最佳的稀土加入量,并初步分析了稀土的作用机理。通过热模拟压缩试验和热轧固溶试验系统分析了6Cr21Mn10MoVNbN钢的热变形行为和显微组织演变规律,获得了最佳的工艺参数。系统研究了两种气阀钢的常规力学性能、抗氧化性能和耐磨性能,并分析了气阀钢的强化机理、抗氧化机理和磨损机制。稀土微合金21-4N钢中显微组织研究发现:稀土在21-4N钢中的固溶量约在10-6～10-5数量级之间。适量稀土（0.20%wt）加入21-4N钢能使铸态树枝晶组织明显得到细化,偏析现象减轻;能使成品态析出相分布更均匀,晶内析出相增多;能有效变质夹杂物,改善夹杂物的形貌。铸态M7C3间隙相析出机制可能为胞状脱溶,适量稀土减少了胞状组织的出现。成品态时,微合金化21-4N钢的析出相均为M23C6。稀土微合金21-4N钢具有在1150℃以上时奥氏体晶粒急剧粗化的特征;适量稀土的加入有助于抑制晶粒长大,提高晶粒长大激活能。21-4N钢最佳的稀土加入量为0.2%wt。6Cr21Mn10MoVNbN钢的热模拟压缩试验表明:6Cr21Mn10MoVNbN钢在本试验变形条件范围内均可发生动态再结晶,其变形抗力和再结晶晶粒尺寸受形变条件影响较大;Miura H的晶界弓出形核改进模型可以适用于高合金奥氏体气阀钢的动态再结晶形核过程;M（C、N）相析出属于一般脱溶,主要在热变形过程中析出,开始析出时间要早于动态再结晶的发生或者和动态再结晶竞争发生,优先在晶界析出;而M7C3相析出机制可能为胞状脱溶,是在热变形结束后的冷却过程中进行的,是热变形裂纹产生的原因之一,该析出相主要在晶界和位错上形核,析出受形变条件和冷却方式影响较大;通过显微组织的分析获得了单道次热变形过程中显微组织演变机制。6Cr21Mn10MoVNbN钢的热轧固溶试验发现:该钢的晶粒粗化温度为1150℃;析出相的粗化机制是扩散控制的Ostwald熟化;1050℃～1100℃下的晶粒长大激活能为189.9KJ/mol,晶粒长大动力学方程为:D=D0+2.08×106 t0.368exp（-189856/RT）。最终获得了6Cr21Mn10MoVNbN钢的合理热变形温度范围为1150℃～950℃,冷却速度以空冷为宜,开轧时变形温度高变形量不宜过大;合理固溶处理温度范围为1100～1150℃,固溶时间3060 min左右为宜。6Cr21Mn10MoVNbN钢成品态中含三种析出相:M23C6、M（C、N）和M7C3相。微合金化奥氏体气阀钢力学性能测试表明:适量稀土（0.20%wt）对21-4N钢抗拉强度影响不大,但能明显提高高温延伸率,幅度约10%～17%。6Cr21Mn10MoVNbN钢500～900℃的高温抗拉强度均高于21-4N钢,增幅在11%～16%之间;高温延伸率在700～900℃时与21-4N钢相当。奥氏体气阀钢的强化机制是沉淀强化、固溶强化、细晶强化和位错强化等机制的组合,其中沉淀强化起主要作用。奥氏体气阀钢中裂纹易在以下位置萌生和扩展:析出相/基体界面、断裂的析出相、夹杂物/基体界面以及局部弱化的晶界处。奥氏体气阀钢的断裂机理主要为微孔聚集断裂。奥氏体气阀钢抗氧化性能发现:适量的稀土（0.2%wt）对21-4N钢700～900℃抗氧化性能均有一定幅度的提高,使氧化指数n增大,氧化速率常数kp减小,氧化激活能提高约10%。6Cr21Mn10MoVNbN钢抗氧化性能在800℃以下属于完全抗氧化级,900℃时属于抗氧化级。进入氧化稳定期后,随着氧化温度的升高,稀土微合金化21-4N钢和6Cr21Mn10MoVNbN钢的氧化动力学曲线均从抛物线规律逐渐向线性规律偏离,温度越高偏离越严重。随着氧化温度的升高,稀土微合金化21-4N钢和6Cr21Mn10MoVNbN钢氧化皮组成从锰的氧化物为主向铁的氧化物占较大比重转变。氧化皮中铁的氧化物大量出现和氧化皮疏松是温度升高抗氧化性能降低的主要原因。适量稀土的加入没有改变耐热钢氧化膜的相组成,而改善了氧化膜的结构,从而提高了耐热钢的高温抗氧化性能。Nb、V的加入改变6Cr21Mn10MoVNbN钢700℃氧化皮中各种氧化物所占的比例,改变800℃以上氧化皮的相组成,从而使其抗氧化性能相应提高或者降低。

论文目录

  • 摘要
  • ABSTRACT
  • 第一章 绪论
  • 1.1 引言
  • 1.2 Cr-Mn-N 系奥氏体气阀钢的发展
  • 1.2.1 气阀钢研究现状
  • 1.2.2 21-4N 奥氏体气阀钢研究现状
  • 1.2.3 Cr-Mn-N 系奥氏体气阀钢的发展趋势
  • 1.3 稀土在钢中的作用机理
  • 1.3.1 稀土夹杂物变质和改善显微组织作用
  • 1.3.2 稀土在钢中的固溶量和合金化作用
  • 1.4 Nb、V 微合金化在钢中的应用
  • 1.4.1 Nb、V 对钢的凝固过程的影响
  • 1.4.2 热加工过程中Nb、V 的析出溶解机制和作用
  • 1.5 本课题的研究背景、工作基础和内容
  • 1.5.1 研究背景
  • 1.5.2 工作基础
  • 1.5.3 本课题的研究内容
  • 第二章 实验研究方法
  • 2.1 工艺路线
  • 2.2 试验钢的冶炼制备
  • 2.2.1 试验钢的成分设计
  • 2.2.2 试验钢生产工艺流程
  • 2.3 热模拟实验方法
  • 2.4 热处理实验方法
  • 2.5 力学性能测试
  • 2.6 抗氧化性能
  • 2.7 耐磨性能测定
  • 2.8 微观分析
  • 2.8.1 金相显微分析
  • 2.8.2 SEM 分析
  • 2.8.3 X 射线衍射分析（XRD）
  • 2.8.4 TEM 分析
  • 第三章 稀土微合金化21-4N 钢显微组织和稀土作用机理
  • 3.1 稀土对21-4N 钢显微组织的影响
  • 3.1.1 稀土在21-4N 钢中的固溶量
  • 7C3 相形成机制'>3.1.2 稀土对铸态显微组织的影响和铸态M7C3相形成机制
  • 3.1.3 成品态显微组织和析出相分析
  • 3.2 稀土对21-4N 钢夹杂物的影响
  • 3.3 稀土微合金化21-4N 钢的晶粒长大规律
  • 3.3.1 固溶温度与奥氏体晶粒尺寸
  • 3.3.2 稀土微合金化21-4N 钢奥氏体晶粒等温长大规律
  • 3.4 稀土对21-4N 钢显微组织的作用机理分析
  • 3.5 实施效果
  • 3.6 本章结论
  • 第四章 6Cr21Mn10MoVNbN 钢热加工工艺及显微组织研究
  • 4.1 6Cr21Mn10MoVNbN 钢铸态和锻造态显微组织
  • 4.2 6Cr21Mn10MoVNbN 气阀钢热变形行为和显微组织研究
  • 4.2.1 实验方法
  • 4.2.2 热变形抗力
  • 4.2.3 热变形显微组织的动力学影响因素
  • 4.2.4 6Cr21Mn10MoVNbN 钢的动态再结晶
  • 4.2.5 热变形过程中析出相的析出规律
  • 4.2.6 热变形显微组织形成机理分析
  • 4.3 热处理试验和奥氏体晶粒长大动力学
  • 4.3.1 固溶温度对显微组织和硬度的影响
  • 4.3.2 固溶时间对显微组织和硬度的影响
  • 4.3.3 析出相对晶粒长大的阻碍以及析出相的粗化规律
  • 4.3.4 奥氏体晶粒长大动力学
  • 4.4 6Cr21Mn10MoVNbN 钢成品态显微组织和析出相分析
  • 4.5 生产控制和实施效果
  • 4.6 本章结论
  • 第五章 微合金化奥氏体气阀钢力学性能及强化机制
  • 5.1 常温下的力学性能
  • 5.1.1 稀土微合金化21-4N 钢的常温力学性能和断口形貌
  • 5.1.2 6Cr21Mn10MoVNbN 钢的常温力学性能和断口分析
  • 5.2 高温下的力学性能
  • 5.2.1 稀土微合金化21-4N 钢高温力学性能分析
  • 5.2.2 6Cr21Mn10MoVNbN 钢高温力学性能
  • 5.3 奥氏体气阀钢强化机理
  • 5.4 奥氏体气阀钢断裂机理
  • 5.5 微合金化元素对奥氏体气阀钢强韧性的作用
  • 5.6 本章结论
  • 第六章 微合金化奥氏体气阀钢抗氧化性能研究
  • 6.1 稀土微合金化21-4N 钢的高温抗氧化性能
  • 6.1.1 氧化动力学
  • 6.1.2 氧化皮的形貌和相组成
  • 6.2 6Cr21Mn10MoVNbN 钢的高温抗氧化性能分析
  • 6.2.1 氧化动力学
  • 6.2.2 氧化皮的相组成
  • 6.2.3 氧化皮的形貌分析
  • 6.3 氧化动力学分析
  • 6.3.1 稀土微合金化21-4N 钢
  • 6.3.2 6Cr21Mn10MoVNbN 钢
  • 6.4 氧化皮形成过程和微合金元素作用分析
  • 6.4.1 稀土微合金化21-4N 钢
  • 6.4.2 6Cr21Mn10MoVNbN 钢氧化皮形成过程和Nb、V 作用分析
  • 6.5 本章结论
  • 第七章 微合金化奥氏体气阀钢磨损性能研究
  • 7.1 试验方法
  • 7.1.1 常温下干摩擦磨损试验步骤
  • 7.1.2 高温下干摩擦磨损试验步骤
  • 7.1.3 试验方案
  • 7.2 稀土微合金化21-4N 钢耐磨性能
  • 7.2.1 常温下磨损实验结果
  • 7.2.2 500℃下稀土微合金化21-4N 钢的耐磨性
  • 7.2.3 磨面的形貌观察
  • 7.3 6Cr21Mn10MoVNbN 钢耐磨性能研究
  • 7.3.1 常温下耐磨性能
  • 7.3.2 500℃下6Cr21Mn10MoVNbN 钢的耐磨性
  • 7.3.3 6Cr21Mn10MoVNbN 钢磨面的形貌观察
  • 7.4 奥氏体气阀钢磨损机理分析
  • 7.4.1 磨损的几种基本机理
  • 7.4.2 奥氏体气阀钢磨损机理
  • 7.5 本章结论
  • 第八章 结论
  • 参考文献
  • 致谢
  • 攻读博士学位期间发表的论文与成果

    • 相关论文文献

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