一種節(jié)鎳型氣閥合金及其制備方法
【專利摘要】一種節(jié)鎳型氣閥合金及其制備方法，屬于氣閥合金【技術(shù)領(lǐng)域】。其化學(xué)成分重量百分?jǐn)?shù)為：C：0.01～0.30％，Si：0.10～0.50％，Mn：0.40～2.0％，P：≤0.030％，S：≤0.030％，Cr：24.0～28.0％，Ni：40.0～50.0％，Al：0.7～2.5％，Ti：1.0～3.7％，Nb：0.2～2.5％，Mo：0.2～1.2％，V：0.05～0.5％，其余為Fe和不可避免的雜質(zhì)。采用真空感應(yīng)爐冶煉，澆注電極，采用氣體保護(hù)電渣爐進(jìn)行電渣重熔，鋼錠經(jīng)過開坯、鍛造后制成軋坯。鋼錠開坯溫度為1120～1140℃，鋼坯開鍛溫度為1120～1130℃，終鍛溫度為940～980℃，鍛成140mm×140mm方形軋坯。軋坯經(jīng)過粗軋機(jī)、中軋機(jī)、精軋機(jī)、減定徑機(jī)，進(jìn)入高速線材軋機(jī)。優(yōu)點(diǎn)在于，成本低、拉伸強(qiáng)度高、疲勞極限高、抗高溫氧化性能好。
【專利說明】一種節(jié)鎳型氣閥合金及其制備方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于氣閥合金【技術(shù)領(lǐng)域】，特別涉及一種節(jié)鎳型氣閥合金及其制備方法，用 于制造各種內(nèi)燃機(jī)車進(jìn)氣門和排氣門，強(qiáng)度高、經(jīng)濟(jì)性好。

【背景技術(shù)】
[0002] 氣閥鋼及氣閥合金是制造氣閥的重要材料，而氣閥是汽油機(jī)、柴油機(jī)、壓縮天然氣 發(fā)動機(jī)、液化石油氣發(fā)動機(jī)和雙燃料發(fā)動機(jī)等內(nèi)燃機(jī)內(nèi)必不可少的零件，它工作在發(fā)動機(jī) 燃燒室中油氣混合氣體燃燒產(chǎn)生的高溫下，同時又經(jīng)受著油料燃燒不充分產(chǎn)生的腐蝕介質(zhì) 的沖刷下，而且還要在長時間的循環(huán)載荷下工作，所以，氣閥鋼及氣閥合金不僅要具有較高 的高溫強(qiáng)度和硬度、良好的耐高溫氧化能力，還要具有優(yōu)良的高溫疲勞性能。內(nèi)燃機(jī)中的氣 閥分為進(jìn)氣閥和排氣閥，進(jìn)氣閥打開，外界空氣才能進(jìn)入燃燒室，排氣閥承擔(dān)排出廢氣的作 用，排氣閥的工作溫度和工況要比進(jìn)氣閥更嚴(yán)苛。
[0003] 隨著世界汽車工業(yè)的發(fā)展，內(nèi)燃機(jī)機(jī)型的不斷更新以及用戶對氣閥鋼參數(shù)和壽命 指標(biāo)等要求的提高，世界發(fā)達(dá)國家不斷開發(fā)出各類新型氣閥鋼以滿足不同類型內(nèi)燃機(jī)的需 求，在耐高溫材料的領(lǐng)域里，氣閥鋼已經(jīng)形成了低合金氣閥鋼、馬氏體氣閥鋼、奧氏體氣閥 鋼、氣閥合金和氣閥堆焊合金等不同系列。當(dāng)合金總量低于3. 5%時通常稱為低合金鋼。低 合金氣閥鋼高溫強(qiáng)度低，加工性能良好，成本低，適用于低負(fù)荷的進(jìn)排氣閥和閥桿。馬氏體 氣閥鋼是基體為馬氏體組織的耐熱鋼。其鉻含量一般為7%?13%，還在鋼中加入硅、鑰、 鎢、釩等合金元素，使鋼的熱強(qiáng)性能明顯提高。在650°C以下有較高的高溫強(qiáng)度、抗氧化性 及耐腐蝕性能。該系列可分成中碳和高碳兩類：中碳馬氏體氣閥鋼，如4Cr9Si2、5Cr8Si2、 4Cr9Si3、4CrlOSi2Mo 等；高碳馬氏體氣閥鋼，如 XB(8Cr20Si2Ni)、MF811、（9Crl8W2VRE)、 9Crl8Mo2V等。4Cr9Si2主要用作內(nèi)燃機(jī)進(jìn)氣閥和650°C以下的排氣閥。4CrlOSi2Mo加入 了鑰，熱強(qiáng)性能有所提高。馬氏體氣閥鋼高溫強(qiáng)度較高，加工性能好，適用于中低負(fù)荷進(jìn)排 氣閥和閥桿。奧氏體I氣閥鋼是基體為奧氏體組織的耐熱鋼。這類鋼含有較多的鎳、錳、氮 等奧氏體形成元素，在600°C以上有較好的高溫強(qiáng)度和組織穩(wěn)定性，焊接性能良好。按其合 金元素組成可分為鉻-鎳、鉻-鎳-氮、鉻-錳-鎳-氮、鉻-錳-氮、鐵-錳-鋁等不同系 列，代表牌號有Crl4Nil4W2M 〇,用于負(fù)荷較高的排氣閥材料，2Cr22Nil2N，用于柴油機(jī)排氣 閥。5Cr21Mn9Ni4N(21-4N)為典型奧氏體氣閥鋼，在此基礎(chǔ)上加入鎢、鑰、釩、鈮可進(jìn)一步提 高高溫強(qiáng)度，用于承受更大負(fù)荷的排氣閥，如國內(nèi)生產(chǎn)的2l-4NWNb、ResisTEL等。20世紀(jì)60 年代，為了節(jié)約鎳鉻，國內(nèi)進(jìn)行了鐵-錳-鋁系耐熱鋼的研究，中國牌號6Mnl8A15SiMoTi、 6Mnl8A15SiMoV氣閥鋼。這些牌號60?70年代在中國曾得到了應(yīng)用和推廣?？傊瑠W氏體 氣閥鋼高溫性能較好，加工性能較差，成本適中，適用于中高負(fù)荷的排氣閥。
[0004] 氣閥合金主要指的是鎳基高溫合金，它是20世紀(jì)40年代后期開始研制的。英國 于1941年首先生產(chǎn)出鎳基合金附111〇1^〇75(附-20〇-3?6-〇.411) ;為了提高蠕變強(qiáng)度添加 鋁鈦，研制出Nimonic80(Ni-20Cr-2. 5Ti-l. 4A1)。美國在Inconel X-750合金的基礎(chǔ)上增 加鋁含量研制出Inconel751氣閥合金。由于高參數(shù)內(nèi)燃機(jī)的發(fā)展以及其他方面的需要，世 界各國都在發(fā)展氣閥合金，有 Inconel751，Nimonic80A，NiFe25Cr20NbTi、VMS-513、N-155、 RS417、RS914等，其中Inconel751和Nimonic80A是目前世界上使用最多的氣閥合金。鎳基 氣閥合金主要有以下優(yōu)點(diǎn)：（1)鎳基合金為面心立方奧氏體結(jié)構(gòu)，沒有同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變，可以 溶解較多的合金元素，高溫時，奧氏體的原子擴(kuò)散能力較小，自擴(kuò)散激活能較高，因此，高溫 強(qiáng)度較高且能保持較好的組織穩(wěn)定性；（2)可以與基體形成共格有序的A3B型金屬間化合 物Y ' [Ni3(Al，Ti)]相作為強(qiáng)化相，使合金得到有效的強(qiáng)化，獲得比耐熱鋼更高的強(qiáng)度； (3)高鉻的鎳基高溫合金具有更好的抗氧化性和抗腐蝕能力。根據(jù)強(qiáng)化作用方式可分為： 固溶強(qiáng)化合金和時效強(qiáng)化合金。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明的目的在于提供一種節(jié)鎳型氣閥合金及其制備方法，該氣閥合金與現(xiàn)有氣 閥合金相比，強(qiáng)度更高，疲勞性能更高，抗氧化性能更好，成本更低。
[0006] 本發(fā)明氣閥合金的成分重量百分?jǐn)?shù)為：C :0.01?0.30%，Si :0.10?0.50%，Mn: 0. 40 ?2. 0%，P :彡 0. 030%，S :彡 0. 030%，Cr :24. 0 ?28. 0%，Ni :40. 0 ?50. 0%，A1 : 0· 7 ?2. 5%，Ti :1· 0 ?3. 7%，Nb :0· 2 ?2· 5%，Mo :0· 2 ?1. 2%，V :0· 05 ?0· 5%，其余 為Fe和不可避免的雜質(zhì)。
[0007] 本發(fā)明的制備方法是采用真空感應(yīng)爐冶煉，澆注電極，然后采用氣體保護(hù)電渣爐 進(jìn)行電渣重熔，獲得的鋼錠經(jīng)過開坯、鍛造后制成軋坯。鋼錠開坯溫度為1120?1140°C，鋼 坯開鍛溫度為1120?1130°C，終鍛溫度為940?980°C，鍛成140_Χ140謹(jǐn)方形軋坯。
[0008] 軋坯經(jīng)過粗軋機(jī)、中軋機(jī)、精軋機(jī)、減定徑機(jī)，進(jìn)入高速線材軋機(jī)。軋制速度為 75m?80m/S，以水冷方式控制線材溫度，保持線材溫度在980?1050°C，最后在盤圓打捆機(jī) 形成盤圓。
[0009] 本發(fā)明的關(guān)鍵在于：在原有氣閥合金以Ni為基體的基礎(chǔ)上，減少了 Ni的含量， Inconel751和Nimonic80A兩種氣閥合金的Ni含量都不小于70%，而本發(fā)明氣閥合金的Ni 含量為40?50%，含Ni量大大降低，節(jié)約了成本。本發(fā)明和Inconel751以及Nimonic80A 氣閥合金的強(qiáng)化相均為Y' [Ni3(Al，Ti)]相，Ni、Al和Ti元素為合金中主要強(qiáng)化元素，但 合金中的Ni并不能全部參與形成γ'相，需要與Al、Ti元素有合適的比例才能具有高強(qiáng) 度。Inconel751以及Nimonic80A氣閥合金中的Ni含量過高，已經(jīng)超出了 γ'相形成的上 限。此時在合金中加入Nb、Mo、V元素，時效后在氣閥合金中析出起強(qiáng)化作用的金屬間化合 物相的同時，也析出了起到強(qiáng)化作用的細(xì)小的碳化物，金屬間化合物與碳化物的復(fù)合強(qiáng)化 效果，提高了氣閥合金的室溫強(qiáng)度和高溫性能。同時在合金中加入了抗氧化、抗腐蝕的元素 Cr，進(jìn)一步提高氣閥合金在高溫環(huán)境中的抗氧化性。
[0010] 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果在于：
[0011] 通過減少合金中的Ni元素，而適當(dāng)提高抗氧化以及強(qiáng)化元素，獲得了由金屬間化 合物和碳化物復(fù)合強(qiáng)化的氣閥合金。同現(xiàn)有的氣閥合金相比，含Ni量大大減少，降低了成 本，同時高溫強(qiáng)度和疲勞性能以及抗氧化性能優(yōu)于其他氣閥合金。

【具體實(shí)施方式】
[0012] 下面結(jié)合一個典型實(shí)施例對本發(fā)明作進(jìn)一步說明。
[0013] 本實(shí)施例中，共冶煉6爐氣閥合金，選用精料，冶煉前對原材料進(jìn)行去油、除污以 及烘干處理，采用真空感應(yīng)爐冶煉，6爐氣閥合金的成分見表1。真空感應(yīng)冶煉后澆注電 極棒，電極棒經(jīng)過打磨、修整后，采用氣體保護(hù)電渣爐進(jìn)行電渣重熔，電渣錠經(jīng)過切頭、去尾 后，去除雜質(zhì)較多的部位，再進(jìn)行表面打磨，清理表面，避免鍛造時出現(xiàn)裂紋，進(jìn)行開坯、鍛 造，鋼錠開坯溫度為1120?1140°C，鋼坯開鍛溫度為1120?1130°C，終鍛溫度為940? 980°C，鍛成140mmX140mm方形軋述，以供后續(xù)熱軋用。鍛造工藝參數(shù)見表2。鍛造后制成 軋坯經(jīng)過粗軋機(jī)、中軋機(jī)、精軋機(jī)、減定徑機(jī)，進(jìn)入高速線材軋機(jī)。軋制速度為75m?80m/S， 以水冷方式控制線材溫度，保持線材終軋溫度在980?1050°C，乳制完成后在盤圓打捆機(jī) 形成盤圓。
[0014] 本實(shí)施例中6爐氣閥合金的主要合金元素含量與目前本領(lǐng)域中性能最好的兩種 氣閥合金的主要元素含量以及原材料價格的對比見表3,表中原材料價格是根據(jù)專利申請 之日的各種金屬原材料的價格乘以其在氣閥合金中的含量計算得出，從中可見，由于本發(fā) 明中的Ni含量遠(yuǎn)小于兩種氣閥合金，雖然添加了部分的Cr、Nb、V、Mo等元素，但與Ni相比， 添加量很少，而使得其成本大大降低。表4是本實(shí)施例和對比材料的室溫拉伸性能與硬度， 表5是本實(shí)施例與對比材料在750°C的拉伸性能，從表4和表5可以看出，本發(fā)明實(shí)施例室 溫和高溫強(qiáng)度都要高于對比材料。表6是本發(fā)明實(shí)施例與對比材料在750°C下的疲勞性能 對比，從表中可以看出，在相同載荷下，本發(fā)明實(shí)施例疲勞壽命都要高于兩種對比材料，在 750°C的疲勞極限也高于兩種對比材料。表7為本發(fā)明實(shí)施例750°C氧化速率與氣閥合金 對比，從表7可以看出，由于本發(fā)明中Cr元素含量的明顯提高，使得其高溫氧化速率大大變 慢，抗氧化性能明顯增加。
[0015] 表1本發(fā)明實(shí)施例的化學(xué)成分（wt % )
[0016]

【權(quán)利要求】
1. 一種經(jīng)濟(jì)型氣閥合金，其特征在于：化學(xué)成分重量百分?jǐn)?shù)為：C :0. 01?0. 30%，Si : 0· 10 ?0· 50%，Μη :0· 40 ?2. 0%，P :彡 0· 030%，S :彡 0· 030%，Cr :24· 0 ?28. 0%，Ni : 40. 0 ?50. 0%，A1 :0· 7 ?2. 5%，Ti :1· 0 ?3. 7%，Nb :0· 2 ?2· 5%，Mo :0· 2 ?1. 2%，V : 0. 05?0. 5%，其余為Fe和不可避免的雜質(zhì)。
2. -種權(quán)利要求1所述的氣閥合金的制備方法，采用真空感應(yīng)爐冶煉，澆注電極，然后 采用氣體保護(hù)電渣爐進(jìn)行電渣重熔，獲得的鋼錠經(jīng)過開坯、鍛造后制成軋坯；其特征在于： 工藝中控制的技術(shù)參數(shù)為： 鋼錠開坯溫度為1120?1140°C，鋼坯開鍛溫度為1120?1130°C，終鍛溫度為940? 980 °C，鍛成140mm X 140mm方形乳述； 軋坯經(jīng)過粗軋機(jī)、中軋機(jī)、精軋機(jī)、減定徑機(jī)，進(jìn)入高速線材軋機(jī)；高速線材軋制速度為 75m?80m/S，以水冷方式控制線材溫度，保持線材終軋溫度為980?1050°C，最后在盤圓打 捆機(jī)形成盤圓。
【文檔編號】C22C19/05GK104152750SQ201410370362
【公開日】2014年11月19日 申請日期:2014年7月30日 優(yōu)先權(quán)日:2014年7月30日
【發(fā)明者】王立民, 楊鋼, 劉正東, 包漢生, 趙吉慶, 何西扣 申請人:鋼鐵研究總院