專利名稱：高性能節(jié)鎳氣閥合金材料的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于節(jié)鎳合金材料的制造領(lǐng)域。特別是制備使用在高溫下的高性能高負(fù)荷的內(nèi)燃機(jī)用氣閥合金材料。

背景技術(shù)：
目前在內(nèi)燃機(jī)的應(yīng)用領(lǐng)域中，汽油機(jī)和柴油機(jī)的使用最為廣泛。例如在汽車、拖拉機(jī)、內(nèi)燃機(jī)車、船艦、坦克、發(fā)電機(jī)等眾多領(lǐng)域中。而氣閥又屬于內(nèi)燃機(jī)中的關(guān)鍵部件和易耗損件。高速柴油機(jī)通常轉(zhuǎn)速在1000-2000轉(zhuǎn)/分，汽油機(jī)的工作轉(zhuǎn)速為2000-6000轉(zhuǎn)/分，在內(nèi)燃機(jī)的工作狀態(tài)時(shí)，進(jìn)、排氣閥是以高頻率作往復(fù)運(yùn)動(dòng)，氣閥對閥座會(huì)產(chǎn)生撞擊(落座力)，導(dǎo)致摩擦磨損和氣閥盤部和頸部受力。作為氣閥材料是在內(nèi)燃機(jī)中的高溫燃?xì)猸h(huán)境中被長期使用，不僅需要該材料要具備優(yōu)異的抗氧化性和抗燃?xì)飧g性能，而且還要求有很高的高溫抗拉強(qiáng)度、高溫持久強(qiáng)度、高溫彎曲疲勞強(qiáng)度和高溫硬度等特性。
在現(xiàn)有技術(shù)中的高負(fù)荷內(nèi)燃機(jī)氣閥用材料有兩種，一種是鎳基合金，如Inconel 751(HEV3)和Nimonic 80A(即NiCr20TiAl，HEV5)等，該類合金的使用性能雖然較好，但制備該材料中的合金含量高，故成本也高。另外一類材料是以耐熱鋼為基體，在閥體的錐面上堆焊一層耐磨耐蝕合金，例如4Cr14Ni14W2Mo(эИ69)作為基體，錐面堆焊料為Stellite6鈷基合金，制備該類的氣閥材料目前只能用于中等負(fù)荷的柴油機(jī)排氣閥，其優(yōu)點(diǎn)是成本不高，但缺點(diǎn)是不能滿足高負(fù)荷柴油機(jī)零部件的使用強(qiáng)度，產(chǎn)品易損壞和使用壽命低，生產(chǎn)工藝復(fù)雜，堆焊層存在鑄造缺陷，成品合格率低。
另外，中國專利CN1118381A(1996)介紹了一種高強(qiáng)度耐熱鋼，該鋼的用途是做內(nèi)燃機(jī)進(jìn)氣閥、排氣閥和預(yù)燃室噴嘴及嵌塊。通過對比可看到，由該專利所介紹的材料內(nèi)容與本發(fā)明材料在成分上有很大差別，該專利為Ni 20-28％，Co 0.1-3.0％，而本發(fā)明是含有Ni 40-50％，不含Co。在材料的使用范圍上也有很大區(qū)別，本發(fā)明是針對使用溫度在750-850℃高負(fù)荷排氣閥，而該專利是針對使用溫度700℃的中高負(fù)荷氣閥，本發(fā)明在高溫強(qiáng)度和高溫硬度方面遠(yuǎn)高于該專利耐熱鋼。日本專利昭61-9548(1986)介紹了一種氣閥合金，該合金在成分上是與本發(fā)明所提出的材料有較大的差別，例如該專利介紹是含有B 0.001-0.01％的氣閥合金，而本發(fā)明所提出的材料是不含B元素，但含有Zr 0.02-0.3D％和Re 0.002-0.10％，因此，對比專利與我們要求的材料還是有較大區(qū)別的。


發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提出一種在高溫燃?xì)猸h(huán)境工作時(shí)具有抗燃?xì)飧g和抗氧化性能好，高溫強(qiáng)度、高溫硬度高，并且使用壽命長、生產(chǎn)工藝簡單、經(jīng)濟(jì)的高性能節(jié)鎳氣閥合金材料。
根據(jù)本發(fā)明目的所提出高性能節(jié)鎳氣閥合金材料的使用要求，因此我們設(shè)計(jì)的解決方案是考慮到產(chǎn)品件的工作溫度在750℃-850℃范圍內(nèi)，同時(shí)要降低材料成本和簡化工藝的前題下，通過調(diào)整鉻、鎳及強(qiáng)化元素的含量來改善本發(fā)明高性能節(jié)鎳氣閥合金材料良好的力學(xué)性能。
針對本發(fā)明目的內(nèi)容，我們所提出的高性能節(jié)鎳氣閥合金材料，其特征在于該氣閥合金材料的具體化學(xué)成分重量％為Cr 18-25％、Ni 40-50％、Nb 0.5-1.5％、Ti 1.8-2.8％、Al 0.6-1.6％、Zr 0.02-0.3％、Re0.002-0.10％、C≤0.10％、Si≤1.0％、Mn≤1.5％、Cu≤0.50％、S≤0.02％、P≤0.02％、余量為Fe。
本發(fā)明高性能節(jié)鎳氣閥合金材料的成分設(shè)計(jì)，是在考慮到現(xiàn)有技術(shù)材料中的不足之后，通過調(diào)整鎳的含量及采用微量的鋯、稀土等元素，替換貴重的鈷或硼等元素，并對成分中其他元素的適量調(diào)整，從而達(dá)到改善本發(fā)明材料的高溫力學(xué)性能。因此，我們在成分設(shè)計(jì)中加入較高的鉻元素，是保證本發(fā)明合金材料在高溫燃?xì)猸h(huán)境中工作時(shí)，具備良好的抗氧化和抗燃?xì)飧g性能，鉻在合金中所形成的碳化物，對該合金的強(qiáng)度有一定貢獻(xiàn)，本發(fā)明合金成分中Cr 18-25％。
鎳和錳是奧氏體的形成元素，部分的鎳與鈦和鋁可形成Ni3(Al，Ti)金屬間化合物，即γ’相，因此在本發(fā)明合金的成分設(shè)計(jì)時(shí)，主要是考慮采用γ’相來強(qiáng)化合金基體，實(shí)現(xiàn)提高合金的高溫強(qiáng)度和高溫硬度，因此在本合金成分中Ni 40-50％；由于錳是奧氏體形成元素，但是它的抗腐蝕性能差，所以不宜多加，在本發(fā)明合金成分中Mn≤1.5％。
鋁和鈦的加入是為了與鎳形成γ’相，Al和Ti加入量對γ’析出量有影響，Al/Ti比對γ’相的強(qiáng)化作用有影響，熱加工工藝和熱處理制度對γ’析出量、析出尺寸都有明顯的影響。本合金成分中加入Ti 1.8-2.8％和Al0.6-1.6％，并通過處理是可以保證有足夠的高溫強(qiáng)度以及比Stellite6合金略高的高溫硬度。
在本發(fā)明合金成分中鈮和鋯是強(qiáng)碳化物形成的元素，由它們所形成的碳化物在高溫時(shí)是比較穩(wěn)定的，對該合金材料的高溫強(qiáng)度、高溫硬度和耐磨性有明顯的貢獻(xiàn)，同時(shí)Nb和Zr在進(jìn)入γ’相中可使γ’相得到強(qiáng)化。Nb和Zr也有細(xì)化晶粒、改善塑性和熱加工性的特點(diǎn)，因此鈮和鋯元素的加入量分別為Nb 0.5-1.5％、Zr 0.02-0.3％。
在本發(fā)明合金成分中加入稀土元素，其目的是為提高合金材料在冶煉過程中的脫氧性能，改善鋼錠的表面質(zhì)量和材料的高溫性能，另外稀土的加入能消除S、P等有害元素在晶界聚集，并改善合金表面氧化物的結(jié)構(gòu)，由層狀變?yōu)榍驙睿_(dá)到提高材料的抗氧化和抗燃?xì)飧g的能力，因此在本發(fā)明合金成分中所加入的稀土元素是指Ce或Y中的任意一種，其加入量為Re 0.002-0.010％。
在本發(fā)明高性能節(jié)鎳氣閥合金材料成分中的C、Si、Mn、Cu、S、P等元素均為限量存在。Fe在本發(fā)明合金材料中雖然定為余量，但鐵元素的含量均在20％以上，提高鐵含量的目的在于采用廉價(jià)鐵替代昂貴的鎳，目前鎳價(jià)為15-16萬元/噸，而純鐵價(jià)僅在0.7萬元/噸。因此本發(fā)明采用高鐵節(jié)鎳的設(shè)計(jì)方案是可以大幅度降低該合金材料的成本，同時(shí)為保證該合金材料的抗腐蝕性能，我們還將成分中當(dāng)鉻含量設(shè)定為20-25％時(shí)，稀土Re含量為0.002-0.006％。在本發(fā)明合金材料成分中，C能與Cr、Nb等元素形成碳化物，雖然對強(qiáng)度有些提高但貢獻(xiàn)不大，因本合金材料的強(qiáng)度主要是依靠γ’相的強(qiáng)化，C的提高會(huì)損害材料的塑性，所以在本發(fā)明合金材料中C含量為≤0.10％。Cu在本發(fā)明合金材料中屬于限量元素，因Cu含量過高會(huì)影響合金的熱塑性及合金錠的開坯，降低材料的熱加工性，因此限量為≤0.5％。Mn也屬于限量元素，其原因Mn是奧氏體化元素之一，雖然有助奧氏體化的作用。但是過量的Mn會(huì)降低合金鋼的抗高溫氧化和抗燃?xì)飧g效果，P為有害元素，由于少量的Mn元素能與鋼中的S結(jié)合后形成MnS，從而使S的有害作用降到最低，因此Mn、S、P元素的含量分別限制在Mn≤1.5％、S、P均≤0.02％范圍內(nèi)。Si元素雖然能提高合金材料的抗氧化性和抗燃?xì)飧g性，但對材料的塑性性能有不利的影響，所以在本發(fā)明合金材料中應(yīng)控制在≤1.0％。另外，在本發(fā)明合金材料中不含硼，因?yàn)锽在合金中通過強(qiáng)化晶界使強(qiáng)度提高，但是硼在合金中容易形成大塊的硼化物夾雜而使材料變脆，不僅降低塑性，而且還降低材料的熱加工性能，B的加入會(huì)使部分的B元素進(jìn)入γ’相中而使γ’相被軟化，影響了γ’相的強(qiáng)化效果，因此我們的成分設(shè)計(jì)是不含B的，而是通過調(diào)整Al/Ti比和加入Zr 0.02-0.3％使本發(fā)明合金材料得到進(jìn)一步的強(qiáng)化。
本發(fā)明高性能節(jié)鎳氣閥合金材料的制備與現(xiàn)有技術(shù)生產(chǎn)方法相似，本發(fā)明合金材料是采用在真空感應(yīng)爐中進(jìn)行冶煉，經(jīng)煉鋼、澆鑄、鍛造后再于650和250軋機(jī)軋制成設(shè)定尺寸的半成品圓棒。軋后的坯料要進(jìn)行軟化的熱處理。對退火后的坯料再經(jīng)過粗矯和精矯后，采用無芯磨床等設(shè)備進(jìn)行機(jī)械加工，并制備成要求尺寸的工件產(chǎn)品。產(chǎn)品是按JB/T 6720《內(nèi)燃機(jī)進(jìn)、排氣門金相檢驗(yàn)》標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行的檢驗(yàn)，其檢測結(jié)果全部合格。
采用本發(fā)明高性能節(jié)鎳氣閥合金材料與現(xiàn)有技術(shù)材料相比較，具有抗燃?xì)飧g和抗氧化性能好，高溫強(qiáng)度、高溫硬度高，和產(chǎn)品使用壽命長、生產(chǎn)工藝簡單、經(jīng)濟(jì)等特點(diǎn)。另外本發(fā)明鋼與國外材料相比較還有以下優(yōu)點(diǎn) 1、與國外常用的Inconel 751合金(0.08C-15Cr-2.5Ti-1.2Al-1Nb-7Fe-Ni)和Nimonic 80A(0.08C-20Cr-2.5Ti-1.2Al-1Co-Ni)相比較具有更高的高溫強(qiáng)度和高溫硬度，因而，可以減小氣閥尺寸，減輕重量，降低氣閥的落座力和磨損，延長使用壽命。
2、本發(fā)明合金材料的制備成本比Inconel 751和Nimonic 80A合金低很多。
3、本發(fā)明合金材料的產(chǎn)品與現(xiàn)行機(jī)車、船艦用耐熱鋼加錐面堆焊的氣閥產(chǎn)品相比較，不僅在材料的力學(xué)性能上具有更高的高溫強(qiáng)度，而且還采用了不堆焊的產(chǎn)品制備結(jié)構(gòu)，克服了堆焊層存在的一系列不安全的缺陷，提高了產(chǎn)品氣閥件的安全性和使用壽命，簡化了生產(chǎn)工藝，使該材料在性能價(jià)格比上有明顯的優(yōu)勢。

具體實(shí)施例方式 采用本發(fā)明所提出的高性能節(jié)鎳氣閥合金材料成分設(shè)計(jì)，我們針對現(xiàn)有技術(shù)中的兩種成熟產(chǎn)品材料進(jìn)行實(shí)施對比試驗(yàn)。實(shí)施例對比試驗(yàn)的煉鋼是在25Kg真空感應(yīng)爐內(nèi)冶煉了8爐本發(fā)明合金材料，為了對比方便我們同時(shí)還冶煉了一爐Inconel751合金和一爐Nimonic 80A合金，對比實(shí)施例合金材料的化學(xué)成分均列于表1。實(shí)施例的合金錠均采用相同工藝進(jìn)行鍛造開坯，待鍛成試棒和熱處理后，再對試樣分別進(jìn)行室溫和高溫力學(xué)性能的測試以及高溫硬度測試，其檢測結(jié)果分別列于表2、表3和表4中，由實(shí)施例性能對比表中的數(shù)據(jù)表明，本發(fā)明合金合金材料的綜合性能優(yōu)于Inconel 751合金和Nimonic 80A合金。
在本發(fā)明實(shí)施例的對比表中，表1為本發(fā)明合金材料與現(xiàn)有技術(shù)材料的成分對比。表2為本發(fā)明合金材料與現(xiàn)有技術(shù)材料的室溫性能對比。表3為本發(fā)明合金材料與現(xiàn)有技術(shù)材料的高溫力學(xué)性能對比(750℃)。表4為本發(fā)明合金材料與現(xiàn)有技術(shù)材料的高溫力學(xué)性能的比較(800℃)。在對比實(shí)施例中，序號1-8為本發(fā)明合金材料。序號為Inconel 751和Nimonic80A合金均是國外氣閥合金的成熟材料。
表1為本發(fā)明合金材料與現(xiàn)有技術(shù)材料的成分對比(重量％) 爐號 C Si Mn Cr NiFeAl Ti Nb Zr Ce Cu S PCo 本 發(fā) 明1 0.057 0.75 0.59 23.7 43.5余0.83 2.03 0.81 0.03 0.005 0.18 0.005 0.016-2 0.051 0.35 1.26 21.02 41.0余0.97 1.91 0.95 0.02 0.005 0.17 0.005 0.016-3 0.056 0.33 0.55 19.07 44.5余1.20 2.45 1.26 0.02 0.005 0.19 0.005 0.018-4 0.043 0.29 0.61 19.15 45.2余1.21 2.54 1.25 0.02 0.005 0.18 0.005 0.017-5 0.063 0.29 0.55 22.96 47.5余1.45 2.63 1.38 0.02 0.004 0.19 0.005 0.018-6 0.051 0.31 0.54 22.10 48.6余1.15 2.57 1.32 0.02 0.004 0.19 0.005 0.016-7 0.045 0.35 0.87 20.50 41.5余1.32 2.56 1.15 0.03 0.004 0.21 0.005 0.017-8 0.060 0.30 0.60 19.96 44.2余1.20 2.32 1.01 0.02 0.005 0.25 0.005 0.016- Inconel751 0.055 0.14 0.77 15.32 余6.991.10 2.26 0.93 - - ＜0.05 0.005 0.019- NiCr20TiAl 0.092 0.54 0.80 19.68 余0.201.52 2.46 - - - - 0.005 0.0181.07 表2為本發(fā)明合金材料與現(xiàn)有技術(shù)材料的室溫性能對比爐號σbMPaσ0.2MPaδ％Ψ％HRC本發(fā)明1126098018493921270995174538313201140134242413351130134342513901160133742613801160143641713801140133841813601120143840Inconel751126595518.731.337NiCr20TiAl113082520.537.232 表3為本發(fā)明合金材料與現(xiàn)有技術(shù)材料的高溫力學(xué)性能對比爐號 試驗(yàn)溫度 ℃σbMPa σ0.2 MPaδ％Ψ％HV1本發(fā)明1 750860 79010.918.82952 750850 78511.519.12903 750905 82510.516.03204 750900 81011.016.03155 750925 8409.514.03206 750910 82510.014.53157 750900 82010.515.83158 750880 81513.516.7310 Inconel751 750720 6159.511.0210 NiCr20TiAl 750810 63012.016.0240 表4為本發(fā)明合金材料與現(xiàn)有技術(shù)材料的高溫力學(xué)性能對比 爐號 試驗(yàn)溫度 ℃σbMPaσ0.2MPaδ％Ψ％HV1 本 發(fā) 明1 80058555014.023.02632 80058054517.029.02603 80059555514.021.02664 80059555015.522.02605 80063558013.516.52756 80062557013.518.02727 80059055512.016.02708 80062057015.018.3268 Inconel751 80057050514.018.0190 NiCr20TiAl 80062557016.019.5210
權(quán)利要求
1、一種高性能節(jié)鎳氣閥合金材料，其特征在于該氣閥合金鋼材料的具體化學(xué)成分重量％為Cr 18-25％、Ni 40-50％、Nb 0.5-1.5％、Ti 1.8-2.8％、Al 0.6-1.6％、Zr 0.02-0.3％、Re 0.002-0.10％、C≤0.10％、Si≤1.0％、Mn≤1.5％、Cu≤0.50％、S≤0.02％、P≤0.02％、余量為Fe。
2、根據(jù)權(quán)利要求1所述高性能節(jié)鎳氣閥合金材料，其特征在于該氣閥合金材料的成分中當(dāng)鉻含量為20-25％時(shí)，稀土Re含量為0.002-0.006％。
3、根據(jù)權(quán)利要求1所述高性能節(jié)鎳氣閥合金材料，其特征在于該氣閥合金材料成分中所加入的稀土元素是指Ce或Y中的任意一種。
全文摘要
本發(fā)明屬于節(jié)鎳合金材料的制造領(lǐng)域。特別是制備使用在高溫下的高性能高負(fù)荷的內(nèi)燃機(jī)用氣閥合金材料。特征在于該氣閥合金材料的具體化學(xué)成分重量％為Cr 18－25％、Ni 40－50％、Nb 0.5－1.5％、Ti 1.8－2.8％、Al 0.6－1.6％、Zr 0.02－0.3％、Re 0.002－0.3％、C≤0.10％、Si≤1.0％、Mn≤1.5％、Cu≤0.50％、S≤0.02％、P≤0.02％、余量為Fe。采用本發(fā)明高性能節(jié)鎳氣閥合金材料與現(xiàn)有技術(shù)材料相比較，具有抗燃?xì)飧g和抗氧化性能好，高溫強(qiáng)度、高溫硬度高，和產(chǎn)品使用壽命長、生產(chǎn)工藝簡單、經(jīng)濟(jì)等特點(diǎn)。
文檔編號C22C30/00GK1648275SQ200510051398
公開日2005年8月3日 申請日期2005年3月10日 優(yōu)先權(quán)日2005年3月10日
發(fā)明者程世長, 林肇杰, 劉正東, 楊鋼, 李密 申請人:鋼鐵研究總院