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钢铁/粉末冶金 |
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GH9158铁基高温合金析出相分析 |
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作者：曹士锐 郝曜 卢翠芬 周秀川 胡建勇 |
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摘 要：目的 研究合金元素在 GH9158 合金各析出相中的分配及浓度的变化规律。方法 采用电解萃取相分析方法。结果 测定和计算了不同时效温度下析出相的类型、数量、组成结构。结论 析出相 M6C，Laves 在 (720～820) ℃ 时效过程中是稳定的。
关键词：铁基高温合金；相分析；Laves 相；M6C 相
引 言
GH9158 铁基高温合金是由华北工学院研制的，是以 Cr，Ni，W，Mo 等多元素复合强化的一种新型热作模具材料。经固溶、 时效处理，获得奥氏体基体以及弥散分布的析出相，使合金具有很好的热强性、 热稳定性和抗氧化性。目前，该合金已用作大型弹体成形拔伸模圈，经生产实践考证，效果显著[1]。在该合金的研制过程中，作者对合金在不同时效处理状态下析出相的种类、 数量和组成结构以及合金元素在各析出相中的分配和浓度的变化规律进行了研究，这对于确定合金元素的用量，选择合金热处理制度及合金强化机理的研究均有重要的意义[2]。
1 试验条件及方法
1.1 试样的准备
试料为铸造毛坯，热轧成直径为 18 mm 的圆钢，固溶处理后(1 180 ℃ 加热，保温 2 h，水冷)加工成直径为 14 mm×100 mm 的圆棒，采用 3 种时效处理温度： 1# 样 720 ℃，2# 样 770 ℃，3# 样 820 ℃，时间均为 2.5 h。处理后的试样经砂纸打磨，粗电解后待用。
1.2 电解条件和电解萃取物 X 射线相分析
实验采用两种电解液对试样进行电解提取，其条件如表 1 所示。用 D/MAX-RB 型 X 射线衍射仪对各试样的阳极沉淀物进行定性物相分析，结果表明，3 种时效处理条件下的析出相均为 M6C 相和 Laves 相(即 AB2 相)。表 1 电解萃取条件[3]
| | 电解液的组成 | 电解制度 | | 1 | 4%磺基水杨酸，1%LiCl，5%甘油甲醇溶液 | 电流密度i=0.05 A/cm2，温度 (-7～-5) ℃ | | 2 | 5%HCl，5% 甘油，2% 柠檬酸甲醇溶液 | 电流密度i=(0.05～0.1)A/cm2，温度(-5～0)℃ |
1.3 相的分离和相中元素的测定
1.3.1 AB2 相和 M6C 相的分离
将电解得到的一定量的阳极沉淀洗净干燥后，浸泡于化学分离液中(分离液的组成为 10%KIO3+5%H2SO4+2%酒石酸钾钠+水)，在 95 ℃ 保温 1.5 h[3]。此时，M6C 相被溶解，AB2 相则定量保留。
将溶液过滤，用 1% 柠檬酸水溶液洗涤沉淀，以便将 KIO3 洗净。
1.3.2 M6C 和 AB2 相中元素的测定
将电解所得沉淀与分离所得的 AB2 相沉淀分别放入 30 mL 瓷坩埚中，灰化烧灼(650 ℃)，加入焦硫酸钾熔融。用 100 mL 5% NaOH 水溶液浸取熔块，放置数小时，待 Fe，Mn，Cr，Ni 的氢氧化物沉淀后用致密滤纸过滤于 200 mL 容量瓶中，用 1% NaOH 水溶液洗涤沉淀 10 次以上，稀释至刻度。溶液用于 W，Mo，V 等元素的测定。沉淀同滤纸一同放入原烧杯中，加入浓硫酸 10 mL，加 HNO3 溶解沉淀分解滤纸至冒烟，制成透明溶液加水溶解，转入另一个 200 mL 容量瓶中用水稀释至刻度，此溶液用于测定 Fe，Cr，Mn，Ni 等元素。
相中各元素的含量按常规比色分析法测定。M6C 相量=(M6C+AB2) 总量-AB2 相量。
2 分析结果
2.1 析出相的数量和组成
析出相中的各元素占合金的重量百分数和析出相在合金中的含量如表2，表3 所示。表 2 M6C 相的分析结果
| 试样号 | M6C 相量(重量比) | 相组成结构式 | | Fe | Mn | V | Cr | Ni | W | Mo | Si | C* | Σ | | 1# | 2.21 | 0.05 | 0.14 | 0.65 | 0.22 | 3.76 | 1.64 | 0.45 | 0.226 | 9.35 | (Fe0.35Mn0.01V0.03Ni0.03
Cr0.11W0.18Mo0.15Si0.14)6C | | 2# | 2.23 | 0.05 | 0.15 | 0.63 | 0.28 | 3.79 | 1.73 | 0.46 | 0.231 | 9.55 | (Fe0.34Mn0.01V0.02Ni0.04
Cr0.11W0.18Mo0.16Si0.14)6C | | 3# | 2.24 | 0.05 | 0.15 | 0.59 | 0.43 | 4.54 | 1.96 | 0.50 | 0.251 | 10.71 | (Fe0.32Mn0.01V0.02Ni0.06
Cr0.09W0.20Mo0.16Si0.14)6C | | C计算值；Σ相总量 |
表 3 AB2(Laves) 相的分析结果
| 试样号 | AB2 相量(重量比) | 相组成结构式 | | Fe | Mn | V | Cr | Ni | W | Mo | Σ | | 1# | 1.63 | 0.03 | 0.20 | 0.36 | 0.17 | 2.02 | 1.03 | 5.44 | (Fe0.67Mn0.01V0.09Cr0.16Ni0.07)2(W0.51Mo0.49) | | 2# | 1.77 | 0.03 | 0.21 | 0.39 | 0.19 | 2.19 | 1.11 | 5.89 | (Fe0.67Mn0.01V0.09Cr0.16Ni0.07)2(W0.51Mo0.49) | | 3# | 1.89 | 0.03 | 0.23 | 0.42 | 0.20 | 2.34 | 1.18 | 6.29 | (Fe0.67Mn0.01V0.09Cr0.16Ni0.07)2(W0.51Mo0.49) |
2.2 相组成结构式
2.2.1 M6C 相组成结构式
M6C 型碳化物系间隙相，其组成大致可分为 A3B3C，A2B4C，A4B2C 型，其中 A 原子主要是过渡族金属的 Fe，Cr，Mn，Ni，Co，V 等，B 原子是由原子半径大的 Mo，Zr，Nb，Ta，Ti 等组成。M6C 具有复杂面心立方结构，单位晶胞含有 96 个金属原子，碳原子 16 个[4]。根据测定的 M6C 相元素的组成，计算各试样 M6C 相组成的结构式，如表2 所示。
2.2.2 Laves (AB2) 相组成结构式
Laves 相又称 AB2 相，系拓扑密排相(TCP)，共有 3 种结构： MgCu2 型复杂立方点阵，MgZn2 型复杂六方点阵；MgNi2 型复杂六方点阵。多元合金及钢中出现的是 MgZn2 型 AB2 相，其中 A 是由原子半径较大的 Ti，Zr，W，Mo 等元素组成的，B 是由 Fe，Cr，Ni，Mn和Si所组成的[4]。目前，在耐热钢的研究中广泛应用 AB2 相来强化中、 高合金耐热钢，具有较高的热稳定性，可使长时间持久强度保持在较高水平[5]。根据测定的 AB2 相元素的组成，计算各试样的 AB2 相组成的结构式如表 3 所示。
3 结 论
(1) 随着时效温度的升高，析出相总量增加，M6C 相在 750 ℃ 以上析出速度加快，Laves 相则变化平缓。
(2) 随着时效温度的升高，M6C 相组成结构式略有变化，而 Laves 相组成结构式不变，表明两种析出相有很高的热稳定性，对 GH9158 高温合金的热强性和热稳定性有良好的作用。
(3) 析出相 (M6C 和 Laves) 中的 W，Mo 含量约占合金中加入量的 82% 和 75%，即 W，Mo 是该合金中形成 M6C 和 Laves 相的主要合金元素；Si 不参与 Laves 相的形成，但在 M6C 中含量较大，在 820 ℃ 时效时，约 62.5% 进入 M6C 中，说明 Si 显著增加了 M6C 的生成速度和稳定性。
(4) 合金中 90% 以上的 Ni，Cr 固溶于基体中，除保证合金获得单一奥氏体基体外，也是固溶强化的主要元素。对合金的热强性、 抗氧化性均产生有益的作用。
部级“八五”预研基金资助项目
曹士锐(1955-)，男，讲师.从事专业：金属热处理.
曹士锐（华北工学院 材料工程系，山西 太原 030051）
郝曜（华北工学院 材料工程系，山西 太原 030051）
卢翠芬（钢铁研究总院，北京 100081）周秀川（华北工学院 材料工程系，山西 太原 030051）
胡建勇（华北工学院 材料工程系，山西 太原 030051）
参考文献：
[1] 郝曜，曹士锐。奥氏体型铁基合金时效强化机理研究
[2] 冶金部钢铁研究总院化学分析室相分析组。钢和合金中第二相的元素组成
[3] 冶金部钢铁研究总院。钢和铁镍基合金的物理化学相分析
[4] 陆金生，王彪，姚影澄。钢和合金中常见相X-射线鉴定手册
[5] 章守华。合金钢(end)
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(7/4/2005) |
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