金属间化合物对高温合金强化机理的研究

第23卷 第1期2001年1月

上 海 金 属SHANGHAI METALS

Vol 123, No 11 J an. , 2001

11

金属间化合物对高温合金强化机理的研究

王兴庆 隋永江 何宝山 郭海亮

(上海大学, 200072)

=摘要> 研究了金属间化合物对高温合金材料的强化作用。在CrW MoV 合金中添加Al 和Ni 可以形成Ni ) Al 、Fe ) Al 和W ) Al 系等金属间化合物, 在合金中起到弥散强化作用和抗氧化作用, 能提高合金的高温强度和冲击韧性, 实验发现以2%Al 的添加为最佳。 =关键词> 高温合金 弥散强化 金属间化合物 强化处理

INVESTIGATION ON THE STRENGTHENING ACTION OF INTERMETALLICS

IN HIGH TEMPERATURE ALLOYS

Wang Xingqing Sui Yongjiang He Baoshan Guo Hailiang

(Shanghai Universi ty)

=Abstract >

The strengthening action of intermetallics i n CrWMoV high temperature alloys was investigated. The adding of

Al and Ni elements into CrWMoV alloy would form the intermetallics of N-i Al, Fe -Al and W -Al types which would take effect of dispersi on strengthening and oxide resi stance, therefore, to i mprove the high temperature s trength and i mpact toughness of the all oys. The resul ts sho wed that the addi tion of 2%Al would be the optimum amount.

=Key W ords >

Hi gh Temperature Alloy, Di spersion Strengthening, Intermetallics, Strengthening

1 前 言

作为高温结构材料和工具材料在使用温度下要能承受高的工作温度、高的撞击力及摩擦力的作用, 如铜镍合金的各种型材通常在高于800e 的温度下进行热加工。目前我国的热加工模具材料通常采用铬钨钼钒耐热合金钢。这种材料具有较高的中低温强度和硬度, 但是由于合金的硬度总是随温度升高而下降的, 特别是在600e 以上, 发生了退火软化, 材料的硬度急剧下降[1], 致使模具在使用中严重变形和破坏。因此模具在高温下的使用寿命很低, 使用过程中不得不频繁地更换模具, 产品的质量和经济效益均难于提高。

金属间化合物, 尤其是铝金属间化合物有许多优异性能, 如热稳定性高、抗氧化、耐腐蚀和机械强度高, 更可贵的是强度的温度异性即机械强度随温度上升而增高, 在高温下仍保持有较高

的强度。但是这种材料室温脆性很大、加工成形困难, 所以其应用一直受到限制[2]。如果将金属间化合物作为合金材料中的弥散强化质点应用, 就可以克服块状金属间化合物脆性大的不足之处, 充分发挥它们的优异特性, 提高合金材料的高温性能。

本研究制取的材料是以WCrMoV 合金钢中的合金元素为主要合金成分, 在该合金的基础上添加Ni 、Al 等合金元素, 以形成金属间化合物C 相弥散质点, C 相是(NiFe) m Al n 等金属间化合物, 具有材料强度随温度上升而增加的特性, 在合金中成弥散强化质点使合金得到强化, 并使合金材料在高温下还保持有较高的硬度, 并且Ni 、Al 等合金元素还能起到阻止晶粒再结晶长大的作用, 进一步提高了合金的高温性能。

本研究采用粉末冶金工艺, 通过粉末成形和烧结工艺直接制成各种形状的结构件。用粉末冶

联系人:王兴庆1956年生, 硕士, 副教授, 上海大学材料与工程学院, 上海市延长路149号(200072)

12上 海 金 属

第23卷

金生产的合金材料晶粒细微、在高温下不易发生再结晶长大, 这可以大大提高材料的综合性能。2 实 验

研制材料设计为5个成分的合金。按合金成分配料, 混合后压制成ISO 标准抗弯试样, 并进行烧结, 烧结温度为1150e 至1250e , 然后测试合金的力学性能和分析合金的组织结构。

抗弯强度试验在万能材料试验机上进行, 采用三点方式测试, 跨距为24mm, 在洛氏硬度机上测量HRA 硬度。抗弯强度和硬度测试数据均为10个试样的平均值。高温硬度在高温硬度测试仪上进行, 测试温度为700e 。采用电子扫描和探针、金相分析和X 衍射分析等方法分析合金的组织结构。3 结果与分析

311 合金成分对性能的影响

根据一系列实验结果设计了合金的基本成分。此后重点研究了Al 对合金性能的影响。因为Al 在合金中主要形成(NiFe) m Al n 金属间化合物, 对合金的强化起着重要的作用, 但添加的量要适当, 过多的加入将会给产品带来不利的影响。表1是合金的室温力学性能, 可见添加Al 提高了合金的强度和硬度, 其中以2%Al 为最佳。

表1 烧结态热挤压模材料室温下的力学性能

序号12345

Al 含量/wt%01234

密度/g/c m [***********]112

抗弯强度/MPa [**************]90

硬度/HRA 781

[**************]10

图1 3号合金硬度、强度与

烧结温度之间的关系

313 时效处理的影响

将3号和4号合金进行时效处理, 时效处理条件是在800e 下处理6h 。分析结果列于表2, 表明经时效处理后, 合金材料的强度和硬度均有所提高。金相分析表明通过时效处理增加了Al 金属间化合物的析出, 即增大了弥散相体积百分数。图2是3号和4号合金时效前后的金相照片, 从中可见经过时效合金中析出了大量细小的弥散质点, 从而增强了金属间化合物对合金的弥散强化作用。

表2 800e 6h 处理后的力学性能

序号34

Al 含量/wt%23

密度/g cm 381288122

抗弯强度/MPa 12501130

硬度/HRA 8382

4 讨 论

411 合金的强化机理

图2表示的是3号和4号合金的金相组织, 由图可见合金的显微组织由两个相组成, 添加铝后生成了细小的弥散质点, 并随Al 含量的增加弥散质点数量增加。X 衍射分析表明(见图3) 弥散质点是金属间化合物Ni (Fe) 3Al 和WAl 。众所周知, 金属间化合物具有很高的弹性模量和硬度, 更为可贵的是它们的力学性能具有温度异性, 即强度和硬度随着温度的上升而上升, 所以在800至1000e 仍保持有较高的强度和硬度。高温硬度测试结果表明, 添加2%Al 的合金在700e 下硬度HV 可达674, 不添加Al 的硬度为475, 结果显示Al 和Ni 的添加大大提高了合金(Fe) 312 烧结工艺的影响

采用上述序号为3的合金作工艺条件实验。图1是3号合金抗弯强度、硬度与烧结温度之间的关系。烧结温度的试验结果表明, 合金强度和硬度随烧结温度升高而增加, 在1200e 达到最佳值。这是因为, 粉末烧结坯的密度、粉末颗粒之间的结合强度以及合金化程度随烧结温度的增加而增加。但是过高的烧结温度将会使烧结坯中

第1期

王兴庆等:金属间化合物对高温合金强化机理的研究

13

和W Al 在合金中的弥散强化作用是分不开的。另外Ni (Fe) 3Al 和W Al 还能提高基体的再结晶温度和提高基体合金的高温抗氧化能力, 所以添加Al 对于提高合金的强度、硬度以及抗氧化能

力都具有很大的作用。由于金属间化合物的弥散强化的作用, 使合金在高温下仍保持有一定的高温强度和硬度,

满足了合金的工作要求。

图2 3号和4号合金时效前后的显微结构 @

100

生。其主要原因是, 在化合物形成过程中, 合金元素的偏扩散以及气体物质的产生导致了大量的孔隙形成, 结果在烧结体中形成大量孔隙, 使烧结体密度下降。化合物形成中产生的孔隙会降低合金强度, 结果当孔隙度增加到抵消其强化作用时, 合金的力学性能就明显降低。所以Al 的添加量一定要适当。本研究证明3号合金为最佳合金成分。

图3 3号合金的X ) 衍射图谱

412 Al 对合金组织结构的影响

合金的组织分析表明添加Al 和Ni 后形成了W Al 、Ni (Fe) 3Al 金属间化合物, 在合金中起到弥散强化的作用, 但过多的铝将会形成孔隙, 降低合金的性能。表1的数据表明铝的添加使合金的密度下降。通过对含铝金属间化合物的烧结和金属间化合物的燃烧合成的大量研究表明[4, 5], 在烧结过程中, 化合物的形成会导致孔隙的产

5 结 论

在W -C r 合金中添加Al 和Ni, 可形成金属间化合物弥散质点, 从而大大提高了高温合金的强度和高温硬度。用这种合金制成的热挤压模具具有很高的使用寿命。本研究的合金有如下特点:

(1) 晶粒细、强度大、硬度高, 具有较高的高温强度、硬度和耐磨性, 在700e 温度下仍具有高的硬度。

(下转第44页)

44上 海 金 属

第23卷

计, 还可以用于离线工艺模拟计算。314 结果输出多样化

该软件不仅提供了方便直观的动态模拟显

示、表格、直方图和曲线图等界面显示功能, 还提供标准格式的报表打印以及计算结果数据库等功能, 从而满足了不同层次使用者的不同要求。

表1 热连轧工艺设计计算结果

机 架(道次) R1-1R2-1R2-2R2-3R2-4R2-5R3-1R4-1F1F2F3F4F5

入口厚度/

mm [***********]

[***********][***********][**************]3

压下率/%[***********][***********][***********][1**********]

入口温度/

e [***********][***********][***********][***********][1**********]127

速度/m/s 最小值[1**********]0

[***********][***********]4128

最大值[1**********]9

[***********][***********]7150

轧制力/kN 最小值010010010

[***********][***********][1**********]216

最大值[***********][***********][***********][***********][***********]0

轧制力矩/kNm 最小值[***********][***********][1**********]212

最大值[***********]

[***********][***********][***********]15

电机功率/kW最小值010010010

[***********][***********]117349418

最大值[***********][***********][***********][***********][1**********]

坯料规格(厚@长@宽, mm) : 250@10000@1200 中间坯规格(厚@长@宽, mm) : 50100@51282@117010

成品规格(厚@长@宽, mm) :精轧末架温度加速度(m/s 2) :出炉温度(e ) :卷取温度(e ) :

小时产量(100%轧机利用率, t/h) :

6100@427350@[***********][1**********]75

钢 种:

精轧末架功率加速度(m/s 2) :终轧温度(e ) :轧制周期(s) :

小时产量(85%轧机利用率, t/h) :

[***********]1693138

315 人机界面友好

热连轧工艺计算所需数据量大, 该软件提供了数据库功能, 简化了重复性工作。对于使用者经常使用的输入对话框, 做到了内容分类布置、参数意义明确、单位标准规范, 符合一般使用者的操作习惯。整个软件的操作也简单易学, 通过查看在线帮助手册, 可快速掌握使用方法。4 结 论

为了满足带钢热连轧工艺设计的要求, 开发了通用性的带钢热连轧工艺设计软件。该软件针对各种热连轧机组布置形式, 对粗轧、精轧、板(上接第13页)

(2) 合金采用粉末冶金工艺制造, 可直接加工成各种形状的机械零部件。

参考文献

[1]郭耕云. 高速钢及热处理. 机械工业出版社, 1985

形、层流冷却和轧制节奏等部分进行了全面的计算, 并且具有适应范围广、计算准确可靠、用户界面友好、操作方便等诸多优点。目前已在北京钢铁设计研究总院得到使用。

参考文献

[1]王国印译. Vis ual C++技术内幕(第三版) . 北京:清华大

学出版社, 1999

[2]万跃华编. 精通Visual C++编程. 成都:电子科技大学出

版社, 1998

来稿日期:2000-01-24

[2]Destefani J D 1. Adv. Mater. Process 1. 1989, (2) :37[3]M iracle D B 1. Acta Metall 1Mater. 1993, (3) :640[4]K. Kusaka. Powder M etallurgy. J ap 11990, 37(6):67~71[5]D. E. Alman and N. S. Stoloff. Int. J. PowderMetall. 1991,

27:29~41

来稿日期:2000-04-21

第23卷 第1期2001年1月

上 海 金 属SHANGHAI METALS

Vol 123, No 11 J an. , 2001

11

金属间化合物对高温合金强化机理的研究

王兴庆 隋永江 何宝山 郭海亮

(上海大学, 200072)

=摘要> 研究了金属间化合物对高温合金材料的强化作用。在CrW MoV 合金中添加Al 和Ni 可以形成Ni ) Al 、Fe ) Al 和W ) Al 系等金属间化合物, 在合金中起到弥散强化作用和抗氧化作用, 能提高合金的高温强度和冲击韧性, 实验发现以2%Al 的添加为最佳。 =关键词> 高温合金 弥散强化 金属间化合物 强化处理

INVESTIGATION ON THE STRENGTHENING ACTION OF INTERMETALLICS

IN HIGH TEMPERATURE ALLOYS

Wang Xingqing Sui Yongjiang He Baoshan Guo Hailiang

(Shanghai Universi ty)

=Abstract >

The strengthening action of intermetallics i n CrWMoV high temperature alloys was investigated. The adding of

Al and Ni elements into CrWMoV alloy would form the intermetallics of N-i Al, Fe -Al and W -Al types which would take effect of dispersi on strengthening and oxide resi stance, therefore, to i mprove the high temperature s trength and i mpact toughness of the all oys. The resul ts sho wed that the addi tion of 2%Al would be the optimum amount.

=Key W ords >

Hi gh Temperature Alloy, Di spersion Strengthening, Intermetallics, Strengthening

1 前 言

作为高温结构材料和工具材料在使用温度下要能承受高的工作温度、高的撞击力及摩擦力的作用, 如铜镍合金的各种型材通常在高于800e 的温度下进行热加工。目前我国的热加工模具材料通常采用铬钨钼钒耐热合金钢。这种材料具有较高的中低温强度和硬度, 但是由于合金的硬度总是随温度升高而下降的, 特别是在600e 以上, 发生了退火软化, 材料的硬度急剧下降[1], 致使模具在使用中严重变形和破坏。因此模具在高温下的使用寿命很低, 使用过程中不得不频繁地更换模具, 产品的质量和经济效益均难于提高。

金属间化合物, 尤其是铝金属间化合物有许多优异性能, 如热稳定性高、抗氧化、耐腐蚀和机械强度高, 更可贵的是强度的温度异性即机械强度随温度上升而增高, 在高温下仍保持有较高

的强度。但是这种材料室温脆性很大、加工成形困难, 所以其应用一直受到限制[2]。如果将金属间化合物作为合金材料中的弥散强化质点应用, 就可以克服块状金属间化合物脆性大的不足之处, 充分发挥它们的优异特性, 提高合金材料的高温性能。

本研究制取的材料是以WCrMoV 合金钢中的合金元素为主要合金成分, 在该合金的基础上添加Ni 、Al 等合金元素, 以形成金属间化合物C 相弥散质点, C 相是(NiFe) m Al n 等金属间化合物, 具有材料强度随温度上升而增加的特性, 在合金中成弥散强化质点使合金得到强化, 并使合金材料在高温下还保持有较高的硬度, 并且Ni 、Al 等合金元素还能起到阻止晶粒再结晶长大的作用, 进一步提高了合金的高温性能。

本研究采用粉末冶金工艺, 通过粉末成形和烧结工艺直接制成各种形状的结构件。用粉末冶

联系人:王兴庆1956年生, 硕士, 副教授, 上海大学材料与工程学院, 上海市延长路149号(200072)

12上 海 金 属

第23卷

金生产的合金材料晶粒细微、在高温下不易发生再结晶长大, 这可以大大提高材料的综合性能。2 实 验

研制材料设计为5个成分的合金。按合金成分配料, 混合后压制成ISO 标准抗弯试样, 并进行烧结, 烧结温度为1150e 至1250e , 然后测试合金的力学性能和分析合金的组织结构。

抗弯强度试验在万能材料试验机上进行, 采用三点方式测试, 跨距为24mm, 在洛氏硬度机上测量HRA 硬度。抗弯强度和硬度测试数据均为10个试样的平均值。高温硬度在高温硬度测试仪上进行, 测试温度为700e 。采用电子扫描和探针、金相分析和X 衍射分析等方法分析合金的组织结构。3 结果与分析

311 合金成分对性能的影响

根据一系列实验结果设计了合金的基本成分。此后重点研究了Al 对合金性能的影响。因为Al 在合金中主要形成(NiFe) m Al n 金属间化合物, 对合金的强化起着重要的作用, 但添加的量要适当, 过多的加入将会给产品带来不利的影响。表1是合金的室温力学性能, 可见添加Al 提高了合金的强度和硬度, 其中以2%Al 为最佳。

表1 烧结态热挤压模材料室温下的力学性能

序号12345

Al 含量/wt%01234

密度/g/c m [***********]112

抗弯强度/MPa [**************]90

硬度/HRA 781

[**************]10

图1 3号合金硬度、强度与

烧结温度之间的关系

313 时效处理的影响

将3号和4号合金进行时效处理, 时效处理条件是在800e 下处理6h 。分析结果列于表2, 表明经时效处理后, 合金材料的强度和硬度均有所提高。金相分析表明通过时效处理增加了Al 金属间化合物的析出, 即增大了弥散相体积百分数。图2是3号和4号合金时效前后的金相照片, 从中可见经过时效合金中析出了大量细小的弥散质点, 从而增强了金属间化合物对合金的弥散强化作用。

表2 800e 6h 处理后的力学性能

序号34

Al 含量/wt%23

密度/g cm 381288122

抗弯强度/MPa 12501130

硬度/HRA 8382

4 讨 论

411 合金的强化机理

图2表示的是3号和4号合金的金相组织, 由图可见合金的显微组织由两个相组成, 添加铝后生成了细小的弥散质点, 并随Al 含量的增加弥散质点数量增加。X 衍射分析表明(见图3) 弥散质点是金属间化合物Ni (Fe) 3Al 和WAl 。众所周知, 金属间化合物具有很高的弹性模量和硬度, 更为可贵的是它们的力学性能具有温度异性, 即强度和硬度随着温度的上升而上升, 所以在800至1000e 仍保持有较高的强度和硬度。高温硬度测试结果表明, 添加2%Al 的合金在700e 下硬度HV 可达674, 不添加Al 的硬度为475, 结果显示Al 和Ni 的添加大大提高了合金(Fe) 312 烧结工艺的影响

采用上述序号为3的合金作工艺条件实验。图1是3号合金抗弯强度、硬度与烧结温度之间的关系。烧结温度的试验结果表明, 合金强度和硬度随烧结温度升高而增加, 在1200e 达到最佳值。这是因为, 粉末烧结坯的密度、粉末颗粒之间的结合强度以及合金化程度随烧结温度的增加而增加。但是过高的烧结温度将会使烧结坯中

第1期

王兴庆等:金属间化合物对高温合金强化机理的研究

13

和W Al 在合金中的弥散强化作用是分不开的。另外Ni (Fe) 3Al 和W Al 还能提高基体的再结晶温度和提高基体合金的高温抗氧化能力, 所以添加Al 对于提高合金的强度、硬度以及抗氧化能

力都具有很大的作用。由于金属间化合物的弥散强化的作用, 使合金在高温下仍保持有一定的高温强度和硬度,

满足了合金的工作要求。

图2 3号和4号合金时效前后的显微结构 @

100

生。其主要原因是, 在化合物形成过程中, 合金元素的偏扩散以及气体物质的产生导致了大量的孔隙形成, 结果在烧结体中形成大量孔隙, 使烧结体密度下降。化合物形成中产生的孔隙会降低合金强度, 结果当孔隙度增加到抵消其强化作用时, 合金的力学性能就明显降低。所以Al 的添加量一定要适当。本研究证明3号合金为最佳合金成分。

图3 3号合金的X ) 衍射图谱

412 Al 对合金组织结构的影响

合金的组织分析表明添加Al 和Ni 后形成了W Al 、Ni (Fe) 3Al 金属间化合物, 在合金中起到弥散强化的作用, 但过多的铝将会形成孔隙, 降低合金的性能。表1的数据表明铝的添加使合金的密度下降。通过对含铝金属间化合物的烧结和金属间化合物的燃烧合成的大量研究表明[4, 5], 在烧结过程中, 化合物的形成会导致孔隙的产

5 结 论

在W -C r 合金中添加Al 和Ni, 可形成金属间化合物弥散质点, 从而大大提高了高温合金的强度和高温硬度。用这种合金制成的热挤压模具具有很高的使用寿命。本研究的合金有如下特点:

(1) 晶粒细、强度大、硬度高, 具有较高的高温强度、硬度和耐磨性, 在700e 温度下仍具有高的硬度。

(下转第44页)

44上 海 金 属

第23卷

计, 还可以用于离线工艺模拟计算。314 结果输出多样化

该软件不仅提供了方便直观的动态模拟显

示、表格、直方图和曲线图等界面显示功能, 还提供标准格式的报表打印以及计算结果数据库等功能, 从而满足了不同层次使用者的不同要求。

表1 热连轧工艺设计计算结果

机 架(道次) R1-1R2-1R2-2R2-3R2-4R2-5R3-1R4-1F1F2F3F4F5

入口厚度/

mm [***********]

[***********][***********][**************]3

压下率/%[***********][***********][***********][1**********]

入口温度/

e [***********][***********][***********][***********][1**********]127

速度/m/s 最小值[1**********]0

[***********][***********]4128

最大值[1**********]9

[***********][***********]7150

轧制力/kN 最小值010010010

[***********][***********][1**********]216

最大值[***********][***********][***********][***********][***********]0

轧制力矩/kNm 最小值[***********][***********][1**********]212

最大值[***********]

[***********][***********][***********]15

电机功率/kW最小值010010010

[***********][***********]117349418

最大值[***********][***********][***********][***********][1**********]

坯料规格(厚@长@宽, mm) : 250@10000@1200 中间坯规格(厚@长@宽, mm) : 50100@51282@117010

成品规格(厚@长@宽, mm) :精轧末架温度加速度(m/s 2) :出炉温度(e ) :卷取温度(e ) :

小时产量(100%轧机利用率, t/h) :

6100@427350@[***********][1**********]75

钢 种:

精轧末架功率加速度(m/s 2) :终轧温度(e ) :轧制周期(s) :

小时产量(85%轧机利用率, t/h) :

[***********]1693138

315 人机界面友好

热连轧工艺计算所需数据量大, 该软件提供了数据库功能, 简化了重复性工作。对于使用者经常使用的输入对话框, 做到了内容分类布置、参数意义明确、单位标准规范, 符合一般使用者的操作习惯。整个软件的操作也简单易学, 通过查看在线帮助手册, 可快速掌握使用方法。4 结 论

为了满足带钢热连轧工艺设计的要求, 开发了通用性的带钢热连轧工艺设计软件。该软件针对各种热连轧机组布置形式, 对粗轧、精轧、板(上接第13页)

(2) 合金采用粉末冶金工艺制造, 可直接加工成各种形状的机械零部件。

参考文献

[1]郭耕云. 高速钢及热处理. 机械工业出版社, 1985

形、层流冷却和轧制节奏等部分进行了全面的计算, 并且具有适应范围广、计算准确可靠、用户界面友好、操作方便等诸多优点。目前已在北京钢铁设计研究总院得到使用。

参考文献

[1]王国印译. Vis ual C++技术内幕(第三版) . 北京:清华大

学出版社, 1999

[2]万跃华编. 精通Visual C++编程. 成都:电子科技大学出

版社, 1998

来稿日期:2000-01-24

[2]Destefani J D 1. Adv. Mater. Process 1. 1989, (2) :37[3]M iracle D B 1. Acta Metall 1Mater. 1993, (3) :640[4]K. Kusaka. Powder M etallurgy. J ap 11990, 37(6):67~71[5]D. E. Alman and N. S. Stoloff. Int. J. PowderMetall. 1991,

27:29~41

来稿日期:2000-04-21