NCF3015气阀钢时效处理旋转弯曲疲劳寿命性能研究

孙 歌，孔德此，曾燕鹏，黎志彦，梁育卿

（怀集登月气门有限公司，广东 怀集 526400）

NCF3015合金是一种沉淀硬化铁-镍基气阀钢，其机械性能在铁基和镍基合金的气阀钢之间，并且相比镍基气阀钢具有更低的成本。早在20世纪40年代，国际上开始研发镍基高温合金。其欧洲主要研究Nimonic系列镍基合金，主要代表有Nimonic75镍基合金和Nimonic80合金。美国则主要研究Inconel系列合金，比如Inconel 751，就是通过调整钛铝比例形成的新镍基气阀合金材料[1]。

由于原材料镍的价格居高不下，对性能和成本的双重追求下，日本于1994年发明了NCF3015合金，并且广发应用于欧美制造发动机排气阀[2]。而我国对NCF3015合金材料的国产化和应用研究，于2013年后才逐步开始。目前，由于该材料具备更低的成本和良好的高温综合性能，已作为Inconel751替代材料，广泛应用于国内主机厂。

1 试验制备与方法

试验材料采用国内某钢厂生产加工的NCF3015棒料，其棒料直径为10.5mm，试验用的NCF3015铁镍基合金的化学成分见表1。热处理制度为：750℃×4h，空冷。热处理后的NCF3015室温力学性能见表2，室温拉伸试验采用 GB/T228.1-2002《金属材料拉伸试验 第1部分：室温试验方法》[3]标准。热处理后的试样经机械加工制成旋转弯曲疲劳试样，其疲劳试样的尺寸如图1所示。试验设备选择QBWP-10000型悬臂旋转弯曲疲劳试验机，应力比为-1，确定判定通过的疲劳寿命值为1×107。

表1 NCF3015合金的化学成分（wt%）

图1 金属测试旋转弯曲疲劳漏斗形试样

表2 NCF3015室温力学性能表

2 结果和分析

2.1 显微组织

NCF3015合金经过760℃4小时时效热处理后的疲劳试样金相显微镜观察金相组织如图2所示。从图2可看出，试样晶粒度为9级，合金的基体为奥氏体组织，晶界处有少量的析出物。

图2 NCF3015仅时效状态横向金相组织

2.2 高温疲劳性能

图3 NCF3015材料550℃下疲劳测试升降图

图4 NCF3015材料650℃下疲劳测试升降图

表4 疲劳源各区域的成分表

NCF3015气阀钢在550℃和650℃的高温条件下50%存活率的旋转弯曲疲劳S-N曲线如图5所示。从图5可看出随着应力水平降低，疲劳寿命延长。根据升降法，得知在550℃下，当应力为700MPa时试样经107循环不发生断裂；在650℃下，当应力为560MPa时试样经107循环不发生断裂。根据根据GB/T 24176中的相关规定计算，NCF3015热处理仅时效状态，50%失效概率的疲劳强度下极限分别为550℃为580MPa和650℃为723MPa。

图5 NCF3015合金高温旋转弯曲疲劳的应力－疲劳寿命（S－N）曲线

图7 试样的裂纹源EDS成分检测

表3 疲劳源各区域的成分表

疲劳断口SEM观察表明NCF3015的旋转弯曲疲劳断口均是由裂纹萌生区，裂纹稳态扩展区和裂纹失稳扩展到瞬间断裂区三部分组成。转弯曲疲劳断口观察表明，裂纹均起源于试样表面和近表面的缺陷处，见图6和图8。图6断口近表面有一层平整光滑，是由于加载过程中试样两个裂纹面的不断摩擦啮合形成的平整带。从EDS检测得知，断口近表面黑色块状组织（区域2）主要为金属碳化物。

图6 NCF3015合金疲劳断裂形貌

图8 NCF3015合金疲劳断裂形貌

图9 试样的裂纹源EDS成分检测

NCF3015疲劳断裂的另一种方式主要为夹杂物，从图8断口形貌图显示有明显的“鱼眼”断口形貌。在近表面的位置，有明显的夹杂物，通过EDS对疲劳源夹杂物的成分分析。可以看到区域1主要为金属碳化物的夹杂物，区域2主要为碳化钙钾硫硅中的非金属夹杂物，同时附近有较为明显的应力集中，确定其为鱼眼的中心且为主要的疲劳源。

3 结论

（1）发动机气门材料NCF3015仅时效状态下的高温旋转弯曲疲劳特性，在550 ℃疲劳极限为723 MPa，650 ℃下的疲劳极限为580MPa；根据550 ℃和650 ℃下所进行的高温旋转疲劳测试所得S-N图可知，随着温度的升高，NCF3015抗疲劳强度受到了较为明显的影响，随着温度的升高而降低。

（2）NCF3015气门钢的疲劳破坏模式主要两种，即近表面碳化物起裂、内表面金属和非金属夹杂物起裂。其中，内表面夹杂物起裂有明显的“鱼眼”特征。