CN102312162B - 内燃机气阀用精炼马氏体合金及其生产工艺 - Google Patents

Abstract

本发明提供内燃机气阀用精炼马氏体合金及其生产工艺，其特征在于：该合金的具体化学成分按重量%为C 0.80-0.90；Mn 1.20-1.43；P 0.029；Si 0.83-0.93；S 0.016-0.018；Cr 16.80-18.80；Mo 2.20-2.53；V 0.32-0.58；Re 0.13-0.19；余量为Fe和不可避免的杂质。其生产工艺：真空感应炉、底吹氩精炼-连铸连轧-退火、校直、磨光，该内燃机气阀用精炼合金成分设计合理，具有良好的耐磨、抗氧化和抗高温腐蚀性能；退后后基本为均匀回火索氏体组织，呈弥散分布的块状颗粒度＜10μm，其综合性能优于同类其他牌号的马氏体气阀用合金。

Description

内燃机气阀用精炼马氏体合金及其生产工艺

技术领域

本发明涉及马氏体型耐热钢领域，尤其涉及内燃机气阀用精炼马氏体合金及其生产工艺。

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，是发动机上的关键元件，因为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。所以研究既耐高温和耐腐蚀性能的材料是气阀钢行业极待解决的问题之一。

目前，国内由于没有新型高温耐磨耐腐蚀材料问世，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，但耐磨耐腐蚀性不够；后者虽然具有很高的室温耐磨耐腐蚀性能，但随着温度的升高，其耐磨耐腐蚀性能又迅速下降，从而导致元件的过早失效。当今对该类材料的研究，往往采用高洁净度碳化物、超细化的优质合金钢，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腐蚀材料的综合性能。

气阀钢生产的主要工艺流程：锻造-扎制-固熔（或退火）-校直-磨光。目前国际上使用JIS SUH₄B（即美国XB）耐热钢制作内燃机、排气阀，该钢由于存在高温塑性差，回火脆性明显的缺陷，导致钢锭开坯，冷拔加工和校直过程中废品率高，导致生产成本变高。

美国专利提供了一种高碳马氏体耐热钢，该钢以JISG4311标准中JIS SUH₄B（即美国XB）位基础，对部分成分进行了调整，但是这种调整后的耐热钢合金元素多，含量高，因而必然出现成本高和生产工艺复杂的后果，该专利介绍的耐热钢是由于适用于内燃机气阀阀座，对于该钢制作内内燃机排气阀没有介绍。

发明内容

本发明的目的是提供一种具有良好耐磨、抗氧化和看腐蚀性能的内燃机气阀用精炼马氏体合金及其生产工艺。

本发明通过如下技术方案来实现的：该合金的具体化学成分按重量%为: C 0.80-0.90;Mn 1.20-1.43;P 0.029;Si 0.83-0.93;

S 0.016-0.018;Cr 16.80-18.80;Mo 2.20-2.53;V 0.32-0.58;Re 0.13-0.19；余量为Fe和不可避免的杂质。

  所述内燃机气阀用精炼马氏体合金的生产方法，具体步骤为：

（1）真空感应炉、底吹氩精炼:原材料在真空感应炉内，温度为1500-1520℃，原材料在炉内熔化，采用底吹氩精炼工艺，去除原材料的氧化物杂质，通过抽真空降低炉内的气体压强，使得钢中氧，氮、氢的含量显著下降；

（2）连铸连轧：熔炼的钢液，进入连铸中间包，打开氮气流加热存储换热器，形成氮气流加热，防止中间包钢水的再次氧化，提高钢水的纯洁度，氮气流的温度控制在1530℃，在浇注过程中，中间包前、中、后期钢水温度差小于4℃，接近液相线浇注，扩大铸坯等轴区，减少中心偏折，打开结晶器，当钢液在结晶器内上升到要求的高度时，开动拉坯机和脉冲电流器，其结晶器振动频率和脉冲电流大小与钢坯的拉速有关，凝固后的钢坯按要求切割成适宜的尺寸，经运送道进入后面的连轧机，加温扎制成盘元；

（3）退火、校直、磨光。

根据本发明的目的，本发明所提出的内燃机气阀用精炼马氏体合金，通过对该钢的成分进行合理的调整，使得本发明的马氏体合金具备良好综合性能的同时组织中碳化物分布弥散，均匀，使其具有良好的耐磨、抗氧化和抗腐蚀性能。

本发明合金的成分中加入碳元素，主要是考虑到碳既是奥氏体化元素，又是间隙强化的元素，碳和铬可以形成碳化物，能有效的提高强化效果，碳形成奥氏体的能力约为镍的30倍；对耐蚀性而言，碳是一种有害元素，这主要是由于碳与钢中的铬形成高铬的碳化物Cr₂₃C₆，使钢的耐腐蚀性能特别是耐晶间腐蚀性能下降，因此在设计成分时要充分考虑铬、碳两者的互相关系以及碳的溶解度。

铬促进钢的钝化并赋予钢不锈性和耐蚀性元素，铬对钢性能影响最大是耐蚀性，在氧化性介质铬含量高，耐蚀性强，在还原性介质中铬的含量高，耐蚀性下降，铬还能提高钢的看氧化性能；足够的铬含量，保证该钢具有良好的看氧化和抗腐蚀性能。铬的加入，形成碳化物，能有效地提高钢的强度和耐磨性。

锰同样是奥氏体化元素，锰能提高钢的组织均匀性，Mn可以代替Ni,从而降低钢的成本，同时Mn也有助于抑制层状析出的作用，Mn还能与钢中的S结合后形成MnS，从而使S得有害作用降到最低，锰提高材料的耐磨性。但是锰的加入会损害钢的康氧化性和抗腐蚀性，使残余奥氏体量增加，因此Mn元素的加入量不大于1.43%比较合适。

硅是一种提高材料高温抗氧化和看腐蚀性能的重要元素，硅元素的加入有脱氧效果，当硅以固溶态的形式存在时，它也可以提高基体的屈服强度，但会使材料的韧脆转变温度提高，同时可以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，所以将其含量控制在0.83%-0.93%以内。

钒是强烈形成碳化物的元素，加入少量的钒，可以形成弥散分布的碳化物，是钢得到明显的强化，提高了钢的高温硬度，并使钢的耐磨性能得到明显的提高，钒还能增强钢耐盐酸，稀硫酸、碱溶液和海水的腐蚀性。

钼是铁素体形成的元素，在马氏体钢种，除了改善钢的耐蚀性外，主要是提高钢的强度和硬度以及二次硬化效应，还能进一步提高不锈钢对硫酸或还原性介质的耐腐蚀性能。

添加稀土元素Re,加入到钢中，由于其熔点高于碳化物的熔点，在钢液凝固钱优先析出，降低钢液凝固时对碳化物形成速率和抑制后续热加工处理时碳化物析出，改善了钢的组织。

本发明生产工艺采用真空感应炉、底吹氩精炼、连铸连轧技术，生产的连铸钢坯可以满足内燃机气阀钢的要求。

生产工艺与现有技术相比，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）真空感应炉、底吹氩精炼可以省去老工艺生产中的电渣重熔这道工序，不仅节约大量的电能同时还可避免电渣所处渣料，减少了对环境的污染。

（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，因而成材率高。

（4）提高了铸坯质量，钢液冷凝过程中采用脉冲电流凝固新技术，有效改善了铸坯的组织密度，避免了碳化物带状，围观碳偏析等组织缺陷，提高了金属的机械性能。经对改进后的水平连铸机生产的刚普进行金相组织测试，达到了内燃机气阀钢的各种性能指标，满足生产要求。

（5）大大的改善了劳动条件，减轻了工人的劳动强度。

具体实施方式

为了加深对本发明的理解，下面将结合实施例对本发明作进一步详述，以下实施例仅用于解释本发明，并不构成对本发明保护范围的限定。

内燃机气阀用精炼马氏体合金；该合金的具体化学成分按重量%为: C 0.80-0.90;Mn 1.20-1.43;P 0.029;Si 0.83-0.93;

S 0.016-0.018;Cr 16.80-18.80;Mo 2.20-2.53;V 0.32-0.58;Re 0.13-0.19；余量为Fe和不可避免的杂质。

实施例1

内燃机气阀用精炼马氏体合金；该合金的具体化学成分按重量%为: C 0.80;Mn 1.20;P 0.029;Si 0.83;S 0.018;Cr 16.80;Mo 2.20;V 0.32;Re 0.13；余量为Fe和不可避免的杂质。

上面所述的内燃机气阀用精炼马氏体合金生产工艺步骤主要包括：

（1）真空感应炉、底吹氩精炼:原材料在真空感应炉内，温度为1500-1520℃，原材料在炉内熔化，采用底吹氩精炼工艺，去除原材料的氧化物杂质，通过抽真空降低炉内的气体压强，使得钢中氧，氮、氢的含量显著下降；

（2）连铸连轧：熔炼的钢液，进入连铸中间包，打开氮气流加热存储换热器，形成氮气流加热，防止中间包钢水的再次氧化，提高钢水的纯洁度，氮气流的温度控制在1530℃，在浇注过程中，中间包前、中、后期钢水温度差小于4℃，接近液相线浇注，扩大铸坯等轴区，减少中心偏折，打开结晶器，当钢液在结晶器内上升到要求的高度时，开动拉坯机和脉冲电流器，其结晶器振动频率和脉冲电流大小与钢坯的拉速有关，凝固后的钢坯按要求切割成适宜的尺寸，经运送道进入后面的连轧机，加温扎制成盘元；

（3）退火、校直、磨光。

成品棒材实测数据：

（1） 调质处理后机械性能：抗拉强度（Mpa）:1100;屈服度（Mpa）：810；断面收缩率（%）：12.5；断后延伸率（%）：7.5。

（2）  基体碳化物颗粒度：碳化物呈密集、均匀、细小分布，其最大碳化物颗粒度为：9.7（μm）。

（3） 残余气体（氮、氢、氧）含量：氮：23（ppm）;氢：17（ppm）；氧：19（ppm）。

实施例2

内燃机气阀用精炼马氏体合金；该合金的具体化学成分按重量%为: C 0.86; Mn 1.31; P 0.029;Si 0.89; S 0.017; Cr 17.81; Mo 2.32;V 0.42,Re 0.15；余量为Fe和不可避免的杂质。

上面所述的内燃机气阀用精炼马氏体合金生产工艺步骤主要包括：

（1）真空感应炉、底吹氩精炼:原材料在真空感应炉内，温度为1500-1520℃，原材料在炉内熔化，采用底吹氩精炼工艺，去除原材料的氧化物杂质，通过抽真空降低炉内的气体压强，使得钢中氧，氮、氢的含量显著下降；

（2）连铸连轧：熔炼的钢液，进入连铸中间包，打开氮气流加热存储换热器，形成氮气流加热，防止中间包钢水的再次氧化，提高钢水的纯洁度，氮气流的温度控制在1530℃，在浇注过程中，中间包前、中、后期钢水温度差小于4℃，接近液相线浇注，扩大铸坯等轴区，减少中心偏折，打开结晶器，当钢液在结晶器内上升到要求的高度时，开动拉坯机和脉冲电流器，其结晶器振动频率和脉冲电流大小与钢坯的拉速有关，凝固后的钢坯按要求切割成适宜的尺寸，经运送道进入后面的连轧机，加温扎制成盘元；

（3）退火、校直、磨光。

成品棒材实测数据：

（4） 调质处理后机械性能：抗拉强度（Mpa）:1100;屈服度（Mpa）：810；断面收缩率（%）：12.5；断后延伸率（%）：7.5。

（5）基体碳化物颗粒度：碳化物呈密集、均匀、细小分布，其最大碳化物颗粒度为：9.4（μm）。

（6）  残余气体（氮、氢、氧）含量：氮：22（ppm）;氢：15（ppm）；氧：23（ppm）。

实施例3

内燃机气阀用精炼马氏体合金；该合金的具体化学成分按重量%为: C 0.90;Mn 1.43;P 0.029;Si 0.93;S 0.016;Cr 18.80;Mo 2.53;V 0.58;Re 0.19；余量为Fe和不可避免的杂质。

上面所述的内燃机气阀用精炼马氏体合金生产工艺步骤主要包括：

（1）真空感应炉、底吹氩精炼:原材料在真空感应炉内，温度为1500-1520℃，原材料在炉内熔化，采用底吹氩精炼工艺，去除原材料的氧化物杂质，通过抽真空降低炉内的气体压强，使得钢中氧，氮、氢的含量显著下降；

（2）连铸连轧：熔炼的钢液，进入连铸中间包，打开氮气流加热存储换热器，形成氮气流加热，防止中间包钢水的再次氧化，提高钢水的纯洁度，氮气流的温度控制在1530℃，在浇注过程中，中间包前、中、后期钢水温度差小于4℃，接近液相线浇注，扩大铸坯等轴区，减少中心偏折，打开结晶器，当钢液在结晶器内上升到要求的高度时，开动拉坯机和脉冲电流器，其结晶器振动频率和脉冲电流大小与钢坯的拉速有关，凝固后的钢坯按要求切割成适宜的尺寸，经运送道进入后面的连轧机，加温扎制成盘元；

（3）退火、校直、磨光。

成品棒材实测数据：

（7） 调质处理后机械性能：抗拉强度（Mpa）:1195;屈服度（Mpa）：760；断面收缩率（%）：11.5；断后延伸率（%）：7.5。

（8）基体碳化物颗粒度：碳化物呈密集、均匀、细小分布，其最大碳化物颗粒度为：8.7（μm）。

（9）  残余气体（氮、氢、氧）含量：氮：21（ppm）;氢：13（ppm）；氧：27（ppm）。

Claims (2)

1.内燃机气阀用精炼马氏体合金，其特征在于：该合金的具体化学成分按重量%为:C 0.86; Mn1.20-1.43; P 0.029; S0.016-0.018;Si0.83-0.93;Cr16.80-17.81;Mo2.20-2.32;V0.42,Re0.13-0.19；余量为Fe和不可避免的杂质。

2.一种制备权利要求1所述内燃机气阀用精炼马氏体合金的生产方法，其特征在于：具体步骤为：

（1）真空感应炉、底吹氩精炼:原材料在真空感应炉内，温度为1500-1520℃，原材料在炉内熔化，采用底吹氩精炼工艺，去除原材料的氧化物杂质，通过抽真空降低炉内的气体压强，使得钢中氧，氮、氢的含量显著下降；

（2）连铸连轧：熔炼的钢液，进入连铸中间包，打开氮气流加热存储换热器，形成氮气流加热，防止中间包钢水的再次氧化，提高钢水的纯洁度，氮气流的温度控制在1530℃，在浇注过程中，中间包前、中、后期钢水温度差小于4℃，接近液相线浇注，扩大铸坯等轴区，减少中心偏折，打开结晶器，当钢液在结晶器内上升到要求的高度时，开动拉坯机和脉冲电流器，其结晶器振动频率和脉冲电流大小与钢坯的拉速有关，凝固后的钢坯按要求切割成适宜的尺寸，经运送道进入后面的连轧机，加温扎制成盘元；

（3）退火、校直、磨光。