CN101781741A

CN101781741A - 节镍型气阀合金材料

Info

Publication number: CN101781741A
Application number: CN200910028928A
Authority: CN
Inventors: 宫友军; 练明生; 叶刚; 韩小军; 赵永宏
Original assignee: Jiangsu Shenyuan Special Steel Co Ltd
Current assignee: Jiangsu Shenyuan Special Steel Co Ltd
Priority date: 2009-01-21
Filing date: 2009-01-21
Publication date: 2010-07-21

Abstract

本发明公开了一种节镍型气阀合金材料，包含碳、硅、磷、硫、镍、铬、钼、钛、铝、锰、铌、铜、硼、铁，其重量百分比为：碳(C)：≤0.07％；硅(Si)：≤0.25％；磷(P)：≤0.020％；硫(S)：≤0.020％；镍(Ni)：30.00-34.00％；铬(Cr)：13.0-16.0％；钼(Mo)：0.60-0.80％；钛(Ti)：2.20-3.00％；铝(Al)：1.20-2.00％；锰(Mn)：≤0.70％；铌(Nb)0.40-0.70％；铜(Cu)：≤0.30％；硼(B)：0.0015-0.004％；余量为Fe。该节镍型气阀合金材料在高温燃气环境工作时具有抗燃气腐蚀和抗氧化性能好，高温强度、高温硬度高，并且使用寿命长。

Description

节镍型气阀合金材料

技术领域

本发明属于节镍合金材料的制造领域。特别是制备使用在高温下的高性能高负荷的内燃机用气阀合金材料。

背景技术

目前在内燃机的应用领域中，汽油机和柴油机的使用最为广泛。例如在汽车、拖拉机、内燃机车、船舰、坦克、发电机等众多领域中。而气阀又属于内燃机中的关键部件和易耗损件。高速柴油机通常转速在1000-2000转/分，汽油机的工作转速为2000-6000转/分，在内燃机的工作状态时，进、排气阀是以高频率作往复运动，气阀对阀座会产生撞击(落座力)，导致摩擦磨损和气阀盘部和颈部受力。作为气阀材料是在内燃机中的高温燃气环境中被长期使用，不仅需要该材料要具备优异的抗氧化性和抗燃气腐蚀性能，而且还要求有很高的高温抗拉强度、高温持久强度、高温弯曲疲劳强度和高温硬度等特性。

在现有技术中的高负荷内燃机气阀用材料有两种，一种是镍基合金，如Inconel 751(HEV3)和Nimonic 80A(即NiCr20TiAl，HEV5)等，该类合金的使用性能虽然较好，但制备该材料中的合金含量高，故成本也高。另外一类材料是以耐热钢为基体，在阀体的锥面上堆焊一层耐磨耐蚀合金，例如4Crl4Ni14W2Mo(3N69)作为基体，锥面堆焊料为Stellite6钴基合金，制备该类的气阀材料目前只能用于中等负荷的柴油机排气阀，其优点是成本不高，但缺点是不能满足高负荷柴油机零部件的使用强度，产品易损坏和使用寿命低，生产工艺复杂，堆焊层存在铸造缺陷，成品合格率低。

另外，中国专利CN1306053C介绍了一种高性能节镍气阀合金材料，具体化学成分重量％为：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 0.043-0.10％、Si 0.29-1.0％、Mn 0.54-1.5％、Cu0.17-0.50％、S≤0.02％、P≤0.02％、余量为Fe。由该专利所介绍的材料内容与本发明材料在成分上有很大差别，该专利为Ni40-50％，Zr 0.02-0.3％，而本发明是含有Ni 30.00-34.00％，不含Zr。在材料的使用范围上也有很大区别，本发明是针对使用温度在780-950℃高负荷排气阀，而该专利是针对使用温度750-850℃的高负荷气阀，本发明在高温强度和高温硬度方面远高于该专利高性能节镍气阀合金材料。因此，对比专利与我们要求的材料还是有较大区别的。

发明内容

本发明的目的是提出一种在高温燃气环境工作时具有抗燃气腐蚀和抗氧化性能好，高温强度、高温硬度高，并且使用寿命长、生产工艺简单、经济的节镍型气阀合金材料。

根据本发明目的所提出节镍型气阀合金材料的使用要求，因此我们设计的解决方案是考虑到产品件的工作温度在780-950℃范围内，同时要降低材料成本和简化工艺的前题下，通过调整铬、镍及强化元素的含量来改善本发明节镍型气阀合金材料良好的力学性能。

针对本发明目的内容，我们所提出的节镍型气阀合金材料，包含碳、硅、磷、硫、镍、铬、钼、钛、铝、锰、铌、铜、硼、铁，其重量百分比为：碳(C)：≤0.07％；硅(Si)：≤0.25％；磷(P)：≤0.020％；硫(S)：≤0.020％；镍(Ni)：30.00-34.00％；铬(Cr)：13.0-16.0％；钼(Mo)：0.60-0.80％；钛(Ti)：2.20-3.00％；铝(Al)：1.20-2.00％；锰(Mn)：≤0.70％；铌(Nb)0.40-0.70％；铜(Cu)：≤0.30％；硼(B)：0.0015-0.004％；余量为Fe。

本发明节镍型气阀合金材料的成分设计，是在考虑到现有技术材料中的不足之后，通过调整镍的含量及采用微量的钼、硼等元素，并对成分中其他元素的适量调整，从而达到改善本发明材料的高温力学性能。因此，我们在成分设计中调整铬元素，是保证本发明合金材料在高温燃气环境中工作时，具备良好的抗氧化和抗燃气腐蚀性能，铬在合金中所形成的碳化物，对该合金的强度有一定贡献，本发明合金成分中Cr13.0-16.0％。镍和锰是奥氏体的形成元素，部分的镍与钛和铝可形成Ni₃(Al，Ti)金属间化合物，即γ’相，因此在本发明合金的成分设计时，主要是考虑采用γ’相来强化合金基体，实现提高合金的高温强度和高温硬度，因此在本合金成分中Ni30.00-34.00％；由于锰是奥氏体形成元素，但是它的抗腐蚀性能差，所以不宜多加，在本发明合金成分中Mn≤0.70％。铝和钛的加入是为了与镍形成γ’相，Al和Ti加入量对γ’析出量有影响，Al/Ti比对γ’相的强化作用有影响，热加工工艺和热处理制度对γ’析出量、析出尺寸都有明显的影响。本合金成分中加入Ti 2.20-3.00％和Al1.20-2.00％，并通过处理是可以保证有足够的高温度以及比Stellite6合金略高的高温硬度。本发明合金成分中铌是强碳化物形成的元素，由它们所形成的碳化物在高温时是比较稳定的，对该合金材料的高温强度、高温硬度和耐磨性有明显的贡献，同时Nb在进入γ’相中可使γ’相得到强化。Nb也有细化晶粒、改善塑性和热加工性的特点，因此铌元素的加入量为Nb 0.40-0.70％。在本发明节镍型气阀合金材料成分中的C、si、Mn、Cu、S、P、等元素均为限量存在。Fe在本发明合金材料中虽然定为余量，但铁元素的含量均在20％以上，提高铁含量的目的在于采用廉价铁替代昂贵的镍，因此本发明采用高铁节镍的设计方案是可以大幅度降低该合金材料的成本，同时为保证该合金材料的抗腐蚀性能。本发明合金材料成分中，C能与Cr、Nb、等元素形成碳化物，虽然对强度有些提高但贡献不大，因本合金材料材料的强度主要是依靠γ’相的强化，C的提高会损害材料的塑性，在一定的范围内增加C含量又可提高热加工性，然而Al、Ti、B含量增加又会降低材料的热加工性，生产时应考虑C、Al、Ti、B的综合效应，所以在本发明合金材料中C含量为≤0.07％。Cu在本发明合金材料中属于限量元素，因Cu含量过高会影响合金的热塑性及合金锭的开坯，降低材料的热加工性，因此限量为≤0.30％。Mn也属于限量元素，其原因Mn是奥氏体化元素之一，虽然有助奥氏体化的作用，但是过量的Mn会降低合金钢的抗高温氧化和抗燃气腐蚀效果；P、S为有害元素，由于少量的Mn元素能与钢中的S结合后形成MnS，从而使S的有害作用降到最低，因此Mn、S、P元素的含量分别限制在Mn≤0.70％、S、P均≤0.02％范围内。Si元素虽然能提高合金材料的抗氧化性和抗燃气腐蚀性，但对材料的塑性性能有不利的影响，所以在本发明合金材料中应控制在≤0.25％。另外，在本发明合金材料中，微量硼可改善耐晶间腐蚀性能，微量硼的加入还可提高奥氏体不锈钢的热塑性，改善热加工性，少量的硼很明显对应力破裂性能提高很有益处，但超过0.004％就没什么好处了；硼是提高奥氏体不锈钢热中子吸收截面的重要元素，但是硼含量超过在奥氏体中的溶解度时，会形成低熔点硼化物共晶，从而显著降低钢的热加工性，并且钢的强度提高，塑性降低，B的加入会使部分的B元素进入γ’相中而使γ’被软化，影响了γ’相的强化效果，因此我们的成分设计B的加入量0.0015-0.004％范围内。在本发明钢的成分中加入钼元素，钼的作用主要是提高钢在还原介质的耐蚀性，并提高钢的耐点腐蚀及缝隙腐蚀等性能；钼主要是强化钢中铬的耐蚀作用，与此同时，钼形成钼酸盐后的缓蚀作用也已为实验所证实。

本发明节镍型气阀合金材料的制备与现有技术生产方法相似，本发明合金材料是采用在真空感应炉中进行冶炼，经炼钢、浇铸、锻造后再于650和250轧机轧制成设定尺寸的半成品圆棒。轧后的坯料要进行软化的热处理。对退火后的坯料再经过粗矫和精矫后，采用无芯磨床等设备进行机械加工，并制备成要求尺寸的工件产品。产品是按JB/T6720《内燃机进、排气门金相检验》标准进行的检验，其检测结果全部合格。

采用本发明节镍型气阀合金材料与现有技术材料相比较，具有抗燃气腐蚀和抗氧化性能好，高温强度、高温硬度高，和产品使用寿命长、生产工艺简单、经济等特点。另外本发明钢与国外材料相比较还有以下优点：

1、与国外常用的Inconel751合金(0.08C-15Cr-2.5Ti-1.2Al-1Nb-7Fe-Ni)和Nimonic 80A(0.08C-20Cr-2.5Ti-1.2Al-1Co-Ni)相比较具有更高的高温强度和高温硬度，因而，可以减小气阀尺寸，减轻重量，降低气阀的落座力和磨损，延长使用寿命。

2、本发明合金材料的制备成本比Inconel751和Nimonic 80A合金低很多。

3、本发明合金材料的产品与现行机车、船舰用耐热钢加锥面堆焊的气阀产品相比较，不仅在材料的力学性能上具有更高的高温强度，而且还采用了不堆焊的产品制备结构，克服了堆焊层存在的一系列不安全的缺陷，提高了产品气阀件的安全性和使用寿命，简化了生产工艺，使该材料在性能价格比上有明显的优势。

4、本发明合金材料与中国专利高性能节镍气阀合金材料相比节镍效果更明显。

具体实施方式

实施例一：

一种节镍型气阀合金材料，包含碳、硅、磷、硫、镍、铬、钼、钛、铝、锰、铌、铜、硼、铁，其重量百分比为：碳(C)：0.04％；硅(Si)：0.25％；磷(P)：0.018％；硫(S)：0.018％；镍(Ni)：34.00％；铬(Cr)：16.0％；钼(Mo)：0.80％；钛(Ti)：2.60％；铝(Al)：1.90％；锰(Mn)：0.70％；铌(Nb)0.70％；铜(Cu)：0.30％；硼(B)：0.0025％；余量为Fe。

实施例二：

一种节镍型气阀合金材料，包含碳、硅、磷、硫、镍、铬、钼、钛、铝、锰、铌、铜、硼、铁，其重量百分比为：碳(C)：0.01％；硅(Si)：0.10％；磷(P)：0.018％；硫(S)：0.018％；镍(Ni)：30.00％；铬(Cr)：13.0％；钼(Mo)：0.60％；钛(Ti)：2.30％；铝(Al)：1.60％；锰(Mn)：0.20％；铌(Nb)0.40％；铜(Cu)：0.10％；硼(B)：0.0015％；余量为Fe。

实施例三：

一种节镍型气阀合金材料，包含碳、硅、磷、硫、镍、铬、钼、钛、铝、锰、铌、铜、硼、铁，其重量百分比为：碳(C)：0.07％；硅(Si)：0.15％；磷(P)：0.018％；硫(S)：0.018％；镍(Ni)：32.0％；铬(Cr)：14.5％；钼(Mo)：0.7％；钛(Ti)：2.90％；铝(Al)：1.50％；锰(Mn)：0.35％；铌(Nb)0.55％；铜(Cu)：0.20％；硼(B)：0.004％；余量为Fe。

Claims

1.节镍型气阀合金材料，包含碳、硅、磷、硫、镍、铬、钼、钛、铝、锰、铌、铜、硼、铁，其重量百分比为：碳(C)：≤0.07％；硅(Si)：≤0.25％；磷(P)：≤0.020％；硫(S)：≤0.020％；镍(Ni)：30.00-34.00％；铬(Cr)：13.0-16.0％；钼(Mo)：0.60-0.80％；钛(Ti)：2.20-3.00％；铝(Al)：1.20-2.00％；锰(Mn)：≤0.70％；铌(Nb)0.40-0.70％；铜(Cu)：≤0.30％；硼(B)：0.0015-0.004％；余量为Fe。