CN101429608B - 排气阀用耐热合金的生产工艺 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种排气阀用耐热合金的生产工艺：所述耐热合金的成分质量百分比为：C：0.04-0.10，Mn：≤1.00，P：≤0.020，S：≤0.015，Si：≤1.00，Cr：18.0-21.0，Co：≤2.00，Fe：≤3.00，Ti：1.80-2.70，Al：1.00-1.80，Cu：≤0.20，稀土元素Re：0.10-0.20％，余量Ni和不可避免杂质；取上述组分材料，采用电炉冶炼、调质+气体精炼+连铸连轧生产工艺；该排气阀用耐热合金成分设计合理，产品综合性能好，尤其高温强度、高温耐蚀性能好、极耐燃气腐蚀，其生产工艺大幅度降低生产中的耗电量、制备成本低。

Description

排气阀用耐热合金的生产工艺

技术领域

本发明属于奥氏体型耐热钢的制备领域，特别适用于生产大中型船舶、飞机、坦克用内燃机的进、排气阀用耐热合金的生产工艺。

背景技术

目前，我国在中等负荷的内燃机中，普遍采用21-4N钢(即5Cr21Mn9Ni4N)作为中、小缸径的排气阀用钢，该钢的工作温度在650-750℃之间，气阀钢长期使用在高温下，则会有层状析出物增多，由于这种层状的析出是铬的碳化物和氮化物，因此大量的析出物会使气阀钢基体贫铬，导致该钢在高温燃气条件下的抗腐蚀性能显著下降，也会使气阀的颈部、盘部、盘锥面形成腐蚀坑，容易使气阀钢产生漏气和盘部开裂，气阀颈部的腐蚀坑在弯曲疲劳应力的作用下，很容易产生疲劳裂纹甚至断裂。现有技术中针对高负荷的内燃机排气阀用钢也有资料介绍，例如美国专利4929419文献介绍的气阀钢，该钢是针对23-8N钢进行面分调整，如采用添加C、B、W、Mo元素和提高C、N含量来改变钢种的使用性能，另外德国在专利文献DE3704473A1中介绍的是一种改进型气阀钢，该钢是在21-4N钢基础上添加了5-6％Al、1.8-2.5％Nb、0.8-1.5％W，N提高到0.4-0.6％的成分范围，再有改进形气阀钢的技术还有俄罗斯SU1650762A1专利，该专利文献介绍了一种在21-4N基础上添加0.5-1.5％Mo；0.5-1.5％Nb；0.5-1.5V和0.05-0.20％Zr元素，该类钢性能只略有所提高，不能满足高负荷内燃机排气阀用钢的需要。

发明内容

本发明提供一种成分设计合理，产品综合性能好、尤其高温强度、高温耐蚀性能好，极耐燃气腐蚀、且能大幅度降低生产中的耗电量、制备成本低的高负荷内燃机排气阀用耐热合金的生产工艺。

本发明是通过如下技术方案来实现的：

排气阀用耐热合金的生产工艺：所述耐热合金的成分质量百分比为：C：0.04-0.10，Mn：≤1.00，P：≤0.020，S：≤0.015，Si：≤1.00，Cr：18.0-21.0，Co：≤2.00，Fe：≤3.00，Ti：1.80-2.70，Al：1.00-1.80，Cu：≤0.20，稀土元素Re：0.10-0.20％，余量Ni和不可避免杂质；

取上述组分材料，采用电炉冶炼、调质+气体精炼+连铸连轧生产工艺；

(1)电炉冶炼、调质，在1600-1620℃的温度下，加原料于中频感应炉中熔炼，熔炼时间1-2小时，取样分析后调质；

(2)气体精炼，气体精炼是将中频感应炉熔化的镍基合金进行输入气体精炼，精炼温度1650-1670℃，精炼时间0.5-1小时，达到吹气、除磷、除硫，掺合各种微量合金并微调质，使镍基合金的化学成份达到产品规定的标准；

(3)连铸连轧，按产品要求浇铸成连铸坯，轧制成盘元；

(4)退火、校直、截取、磨光。

根据本发明的目的，本发明所提出的排气阀用耐热合金，通过对该钢的成分进行合理的调整，使本发明排气阀用耐热合金在具备良好综合性能的同时，尤其高温强度、高温耐蚀性能好，极耐燃气腐蚀，满足高负荷内燃机排气阀用钢的需要。

本发明的解决方案，首先是针对内燃机的进、排气阀用奥氏体耐热钢的不足，对气阀钢的成分进行重新设计。在本发明钢与现有内燃机的进、排气阀用奥氏体耐热钢的成分进行比较后可看到，在成分中增加和调整了稀土元素和镍、碳等元素的含量，本发明通过增加新元素及调整其他元素的含量形成了新的相结构，从而抑制和改变了原来铬与碳形成的层状析出。本发明经过750℃和100小时的时效后，层状析出量＜10％，并且新相的结构更稳定，经高温长时间时效后的屈服强度、持久强度和高温弯曲疲劳强度明显高于现有技术中高负荷的内燃机排气阀用钢。另外，由于轻稀土元素的增加和其他元素含量的调整，使本发明气阀钢在650-750℃范围内的抗氧化和抗燃气腐蚀性能均有所提高，材料的晶粒被合理细化。在本发明所提出的钢成分中，首先考虑该钢在保证其具有良好综合性能的前提下，通过成分及元素含量的合理调整，提高其高温强度、高温耐蚀性能。

本发明钢的成分中加入碳元素，主要考虑到碳既是奥氏体化元素，又是间隙强化的元素，碳与铬可以形成碳化物，能有效的提高强化效果。当随着碳含量的合理提高，其材料的时效强度效果会更显著，这样可以保证本发明钢在高温下具有足够的高温短时强度和长时高温强度。

在本发明钢的成分中加入铬元素，是可以保证该钢中具有良好的抗氧化化和抗燃气高温腐蚀性能，铬与碳化合形成化合物，既提高了强度又提高硬度从而提高耐磨性，但添加过多的铬元素则会有利于铁素体的产生，或是a相的产生，这对本发明钢在降低制备成本和提高综合性能不利，因此必须控制铬的添加量。

在本发明钢的成分中加入镍元素，镍是奥氏体形成的元素，它的主要作用是形成并稳定奥氏体组织，它促进铬的钝化，其本身不是耐腐蚀元素，但镍可改善冷热加工性能，使强度、塑性和韧性很好的配合，对钢的高温强度和抗氧化性也有明显地作用；在本发明钢的成分中加入钴元素，钴的作用类似镍，是一种奥氏体形成元素。

在本发明钢的成分中加入硅元素，硅的加入有脱氧效果，当硅以固溶态的形式存在时，他可以提高基体的屈服强度，对提高钢的抗氧化性和抗燃气腐蚀性较为有利，但会使材料的韧脆转变温度提高，对钢的塑性性能有不利的影响，同时可在钢的表面上形成致密的SiO₂膜，阻碍酸向钢内部进一步侵蚀，对提高钢在高浓度硝酸中的耐蚀性尤为有效，含硅量过高使钢度变形困难。

在本发明钢的成分中加入铜元素，铜在奥氏体不锈钢中的作用，能显著降低钢的冷作硬化倾向，提高冷加工成形性能，而且，铜也是弱奥氏体形成元素。因此设计时，铜控制在不大于0.2％的范围，铜过高会影响钢的强度和奥氏体钢的耐点蚀、耐应力腐蚀性能。

在本发明钢的成分中加入铝元素，铝在奥氏体不锈钢中的作用，能提高不锈钢的耐腐蚀性能，提高钢在低温下的韧性、抗氧化性，但铝含量小于4％时，钢的耐腐蚀性能不明显，铝含量提高，钢的耐腐蚀性能也随之提高，但热加工性能变差，在扎制、锻造时易开裂，其含量按1.0-1.8％范围控制；加铝时，硅取中上限。

在本发明钢的成分中加入锰元素，锰是弱形成奥氏体元素，但具有强烈稳定奥氏体的作用，但随着锰元素的提高强度也提高，设计锰含量不大于1％。为保证奥氏体组织，降低马氏体变形温度，成分控制按：碳取上限时，锰取中下限；碳在下限时，锰取中上限。

在本发明钢的成分中加入钛元素，钛作为稳定钢中碳的元素，优先与碳结合形成TiC，减少M₂₃C₆的形成，达到防止敏化态晶间腐蚀的目的；钛在钢中能形成金属间相，可提高不锈钢的强度。

在本发明钢的成分中加入稀土元素，稀土在钢中的作用机理：稀土在钢中的固溶量在10^-6～10^-5数量级之间，随着稀土加入量的增大，稀土固溶量随之有较大增加，但当稀土加入量大于0.30％wt后趋于稳定。0.10％wt-0.20％wt稀土能使钢铸态树枝晶组织明显得到细化，偏析现象减轻；但当稀土过量时铸态组织又开始粗化。铸态片层M₇C₃相与奥氏体存在一定的位向关系： 其析出机制可能为胞状脱溶：γ₀γ₁+M₇C₃，适量稀土减少了胞状组织的出现。成品态时，微合金化钢的析出相均为M₂₃C₆；适量稀土(0.20％wt)能使钢析出相分布更均匀，晶内析出相增多，部分析出相与奥氏体之间存在一定的位向关系：

适量的稀土(0.10％wt-0.20％wt)能有效变质夹杂物，改善夹杂物的形貌，而稀土加入量超过0.30％wt后，群聚稀土夹杂物增多。稀土微合金钢在低于1100℃固溶处理时，晶粒长大缓慢、洛氏硬度降幅较小；具有在1150℃以上时奥氏体晶粒急剧粗化的特征。稀土的加入有助于抑制晶粒长大，提高晶粒长大激活能。固溶温度在1050℃到1150℃范围时，晶粒生长指数随固溶温度的升高而增加。

本发明采用炉外气体精炼+连铸连轧技术，代替原有生产中的电渣重熔及自结晶的工艺，去掉电渣炉这个高耗电设备，大幅度降低生产中的耗电量。用于发动机的气门钢是一种合金钢，它不但要有稳定的化学成份，还要有特别的物理性能。本发明采用炉外气体精炼+连铸连轧技术，生产的连铸钢坯可以满足气门钢的要求，不但能满足气门钢的化学成份的要求，同时能满足气门钢的物理性能。

与现有技术相比，本发明有如下优点：

(1)采用配套连轧生产，可以节省二次加热，节约大量能源。

(2)气体精炼可省去老工艺生产中的电渣重熔这道工序，节约大量电能。

(3)提高了金属的收得率和成材率，连铸从根本上消除了模铸的中注管的残钢，又因连铸钢坯不需切点切尾，因而成材率也有提高。

(4)提高了铸坯质量，采用连铸方法可以合理地调节铸坯的冷却条件，实现比较合理的冷却速度，使铸坯结晶比较稳定。内部组织致密，非金属夹杂总量比同种钢锭低20％左右，化学成份偏差及内部金相组织缺陷等减少，提高了金属的机械性能。经对改进后的水平连铸机生产出的钢坯进行金相组织测试，达到了气门钢的各种性能指标，满足生产要求。

(5)产品成分设计合理，综合性能好、尤其高温强度、高温耐蚀性能好，极耐燃气腐蚀，满足高负荷内燃机排气阀用钢的需要。

具体实施方式

实施例1：一种排气阀用耐热合金，包含碳、硅、磷、硫、镍、铬、锰、钛、铝、钴、铜、稀土元素、铁，其重量百分比为：碳(C)：0.04％；硅(Si)：0.39％；磷(P)：0.003％；硫(S)：0.003％；铬(Cr)：18％；锰(Mn)：0.25％；钛(Ti)：1.8％；铝(Al)：1.0％；钴(Co)：0.095％；铜(Cu)：0.08％；稀土元素(Re)：0.10％；铁(Fe)：2.0％；余量镍(Ni)和不可避免杂质；其生产工艺：取上述组分材料，采用电炉冶炼、调质+气体精炼+连铸连轧工艺，具体包括下列步骤：

(1)电炉冶炼、调质，在1600-1620℃的温度下，加原料于中频感应炉中熔炼，熔炼时间1-2小时，取样分析后调质；

(2)气体精炼，气体精炼是将中频感应炉熔化的镍基合金进行输入气体精炼，精炼温度1650-1670℃，精炼时间0.5-1小时，达到吹气、除磷、除硫，掺合各种微量合金并微调质，使镍基合金的化学成份达到产品规定的标准；

(3)连铸连轧，由炼钢炉出的镍基合金，经中间包运送到中间罐，经中间罐的水口装置铸入结晶器，结晶器是紫铜或黄铜加工而成，其内壁和外壁之间通冷却水以冷却镍基合金，使镍基合金迅速凝固成形，根据生产的品种和规格不同，结晶器的尺寸和形式也可不同，当镍基合金在结晶器内上升到要求的高度时，开动拉坯机，以一定的速度将铸坯从结晶器牵引出，为防止铸坯在拉出过程中漏钢和减少结晶器中的拉坯的阻力，提高钢坯的物理性能，在浇铸过程中还要使结晶器振动，振动的大小、方向都是变化的，振动的频率与钢坯的速度有关，凝固的钢坯还要根据后道工序的要求切割成需要的尺寸，经输送道进入后面的连铸机，浇铸成满足连轧机生产的连铸坯，加温轧制成盘元。

(4)退火、校直、截取、磨光，退火温度780℃，保温1.5小时。

实施例2：一种排气阀用耐热合金，包含碳、硅、磷、硫、镍、铬、锰、钛、铝、钴、铜、稀土元素、铁，其重量百分比为：碳(C)：0.06％；硅(Si)：0.68％；磷(P)：0.010％；硫(S)：0.010％；铬(Cr)：19.5％；锰(Mn)：0.72％；钛(Ti)：2.20％；铝(Al)：1.50％；钴(Co)：1.22％；铜(Cu)：0.12％；稀土元素(Re)：0.16％；铁(Fe)：1.2％；余量镍(Ni)和不可避免杂质；其生产工艺：取上述组分材料，采用电炉冶炼、调质+气体精炼+连铸连轧工艺，具体包括下列步骤：

(1)电炉冶炼、调质，在1600-1620℃的温度下，加原料于中频感应炉中熔炼，熔炼时间1-2小时，取样分析后调质；

(2)气体精炼，气体精炼是将中频感应炉熔化的镍基合金进行输入气体精炼，精炼温度1650-1670℃，精炼时间0.5-1小时，达到吹气、除磷、除硫，掺合各种微量合金并微调质，使镍基合金的化学成份达到产品规定的标准；

(3)连铸连轧，由炼钢炉出的镍基合金，经中间包运送到中间罐，经中间罐的水口装置铸入结晶器，结晶器是紫铜或黄铜加工而成，其内壁和外壁之间通冷却水以冷却镍基合金，使镍基合金迅速凝固成形，根据生产的品种和规格不同，结晶器的尺寸和形式也可不同，当镍基合金在结晶器内上升到要求的高度时，开动拉坯机，以一定的速度将铸坯从结晶器牵引出，为防止铸坯在拉出过程中漏钢和减少结晶器中的拉坯的阻力，提高钢坯的物理性能，在浇铸过程中还要使结晶器振动，振动的大小、方向都是变化的，振动的频率与钢坯的速度有关，凝固的钢坯还要根据后道工序的要求切割成需要的尺寸，经输送道进入后面的连铸机，浇铸成满足连轧机生产的连铸坯，加温轧制成盘元。

(4)退火、校直、截取、磨光，退火温度780℃，保温1.5小时。

以上详细说明了本发明的实施方式，但这只是为了便于理解而举的实例，不应被视为是对本发明范围的限制。同样，任何所属技术领域的技术人员均可根据本发明的技术方案及其较佳实施例的描述，做出各种可能的等同改变或替换，但所有这些改变或替换都应属于本发明的权利要求的保护范围。

Claims (1)

1.排气阀用耐热合金的生产工艺：所述耐热合金的成分质量百分比为：C：0.04-0.10，Mn：≤1.00，P：≤0.020，S：≤0.015，Si：≤1.00，Cr：18.0-21.0，Co：≤2.00，Fe：≤3.00，Ti：1.80-2.70，Al：1.00-1.80，Cu：≤0.20，稀土元素Re：0.10-0.20％，余量Ni和不可避免杂质；

取上述组分材料，采用电炉冶炼、调质+气体精炼+连铸连轧生产工艺；

(1)电炉冶炼、调质，在1600-1620℃的温度下，加原料于中频感应炉中熔炼，熔炼时间1-2小时，取样分析后调质；

(2)气体精炼，气体精炼是将中频感应炉熔化的镍基合金进行输入气体精炼，精炼温度1650-1670℃，精炼时间0.5-1小时，达到吹气、除磷、除硫，掺合各种微量合金并微调质，使镍基合金的化学成份达到产品规定的标准；

(3)连铸连轧，按产品要求浇铸成连铸坯，轧制成盘元；

(4)退火、校直、截取、磨光。