CN101429627A - 奥氏体气门用钢及其生产工艺 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种奥氏体气门用钢及其生产工艺，其成分质量百分比为：C：0.57－0.65，Si：≤0.25，Mn：9.50－11.50，Ni：≤1.50，Cr：20.00－22.00，P：≤0.050，S：≤0.030，N：0.40－0.60，Nb：1.00－1.20，V：0.75－1.00，余铁和不可避免杂质；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。该奥氏体气门用钢成分设计合理，产品综合性能好、镍含量低、其生产工艺大幅度降低生产中的耗电量、制备成本低。

Description

奥氏体气门用钢及其生产工艺

技术领域

本发明属于奥氏体型耐热钢的制备领域，特别适用于生产内燃机的进、排气阀用奥氏体耐热钢。

背景技术

气阀钢是制备发动机进、排气阀的主要材料，广泛用于大、中、小型发动机，是发动机上的重要易损件，其工作条件异常恶劣，必须具备较高的高温性能、耐磨性能和耐腐蚀性能，因此研究既耐高温又耐磨、耐蚀的材料，是气阀钢行业亟待解决的问题之一。目前，在国内由于没有新型高温耐磨耐蚀材料的问世，而常使用纯粹的耐高温合金钢和单纯的耐磨材料，前者虽然具有良好的耐高温性能，但耐磨耐蚀性不够；后者则虽然具有很高的室温耐磨耐蚀性能，但随着工作温度的提高，其耐磨耐蚀性能又迅速下降，从而导致材料的过早失效。目前对该类材料的研究，往往采用高洁净度，超微细化的优质合金钢，通过对耐磨材料的微合金化、热处理和特殊的表面处理技术来提高耐热耐磨耐蚀材料的综合性能。气阀钢制备的主要工艺流程：电炉冶炼→电渣重熔→锻造→修磨→轧制→固溶→校直→磨光。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，在国外现有技术中也有资料介绍，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，该钢虽然性能略比23-8N有所提高，但其制造成本要比21-4N高出很多，该钢是使用在制备高负荷的内燃机排气阀用钢。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，该钢是使用在高负荷的内燃机排气阀中，但是该钢的制备成本仍然高于21-4N钢的一倍以上。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，该钢的用途性能要高于21-4NWNb(X50CrMnNiNbN219)钢，该钢是使用在高负荷发动机的排气阀，其高温强度、高温持久强度、高温硬度都高于X50CrMnNiNbN219钢，其制备成本也在21-4N钢的一倍以上。中国专利文献CN1570184A介绍的一种经济型气阀钢，该钢是在21-4N钢基础上添加了Nb0.20-1.10％，Re0.01-0.2％，其余为Fe；该钢综合性能好和制备成本较低。以上气阀钢终因镍含量较高，制备成本居高不下。

发明内容

本发明提供一种成分设计合理，产品综合性能好、镍含量低、大幅度降低生产中的耗电量、制备成本低的奥氏体气门用钢及其生产工艺。

本发明是通过如下技术方案来实现的：奥氏体气门用钢及其生产工艺，其成分质量百分比为：C：0.57-0.65，Si：≤0.25，Mn：9.50-11.50，Ni：≤1.50，Cr：20.00-22.00，P：≤0.050，S：≤0.030，N：0.40-0.60，Nb：1.00-1.20，V：0.75-1.00，余铁和不可避免杂质；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。

所述的电炉冶炼、调质+气体精炼+连铸连轧工艺包括下列步骤：

(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钢水进行输入气体精炼，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，使钢水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。

在本发明所提出的气阀钢成分中，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，使本发明气阀钢的成分中加入C和N元素，主要考虑到C和N既是奥氏体化元素，又是间隙强化的元素，C和N与Cr可以形成碳化物和碳氮化物，能有效的提高强化效果。当随着C、N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。在本发明气阀钢的成分中加入Cr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，Cr与C、N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Cr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Cr的添加量。Mn是奥氏体化元素，Mn可以替代Ni，从而降低钢的成本，Mn的作用还在于有助于增中基体中N元素的固溶效果，同时Mn也有助于抑制层状析出的作用。但是，Mn的增加会降低钢的抗氧化和抗燃气腐蚀性能，Mn还能与钢中的S结合后形成MnS，从而使S的有害作用降到最低，因此Mn元素的加入量选择在9.50-11.50％范围内较合适。Ni元素也是奥氏体形成的元素，对钢的高温强度和抗氧化性也有明显地作用。Si元素对提高钢的抗氧化性和抗燃气腐蚀性较为有利，但对钢的塑性性能有不利的影响，所以在本发明钢中应控制在小于0.25％。铌作为稳定钢中碳的元素，优先与碳结合形成NbC，减少M₂₃C₆的形成，达到防止敏化态晶间腐蚀的目的；铌在钢中能形成金属间相，可提高不锈钢的强度。钒使钢能耐盐酸、稀硫酸、碱溶液和海水的腐蚀，钼能进一步提高不锈钢对硫酸或还原性介质的耐腐蚀性能。

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)大地改善了劳动条件，减轻了工人的劳动强度。

(6)是一种节镍的钢种，它可以节镍7-9％，大大降低了不锈钢产品的成本，更节约了紧缺的金属资源。

具体实施方式

实施例1：一种奥氏体气门用钢，其成分质量百分比为：C：0.57，Si：0.15，Mn：9.50，Ni：1.20，Cr：20.00，P：0.008，S：0.003，N：0.40，Nb：1.00，V：0.75，余铁和不可避免杂质；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钢水进行输入气体精炼，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，使钢水的化学成份达到产品规定的标准；

(3)连铸连轧。由炼钢炉出的钢水，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钢液，使钢水迅速凝固成形，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，当钢水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2：一种奥氏体气门用钢，其成分质量百分比为：C：0.65，Si：0.25，Mn：11.50，Ni：1.50，Cr：22.00，P：0.050，S：0.030，N：0.60，Nb：1.20，V：1.00，余铁和不可避免杂质；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钢水进行输入气体精炼，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，使钢水的化学成份达到产品规定的标准；

(3)连铸连轧。由炼钢炉出的钢水，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钢液，使钢水迅速凝固成形，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，当钢水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 (2)

1、奥氏体气门用钢及其生产工艺，其成分质量百分比为：C：0.57-0.65，Si：≤0.25，Mn：9.50-11.50，Ni：≤1.50，Cr：20.00-22.00，P：≤0.050，S：≤0.030，N：0.40-0.60，Nb：1.00-1.20，V：0.75-1.00，余铁和不可避免杂质；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。

2、根据权利要求1所述的奥氏体气门用钢及其生产工艺，所述的电炉冶炼、调质+气体精炼+连铸连轧工艺包括下列步骤：

(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钢水进行输入气体精炼，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，使钢水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。