CN102605214A - 一种新型内燃机排气阀用镍基合金 - Google Patents

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陈国胜
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Abstract

本发明提供了一种新型内燃机排气阀用镍基合金，以重量百分比计包含C：0.02-0.05％，Cr：21.0-25.0％，Ti：2.4-3.0％，Al：1.6-2.2％，Fe：3.0-5.0％，Co：0-3％，Nb：0.02-0.5％，余量为Ni和不可避免的杂质。该合金经过适当的锻造和热处理后，室温拉伸强度达到1300MPa或以上，硬度HRC达到38或以上。该镍基合金具有强度硬度高、耐蚀性能好、高温使用寿命长的综合特点，是制作在高负荷高腐蚀性环境中工作的内燃机排气阀的优良材料。

Description

一种新型内燃机排气阀用镍基合金
技术领域
本发明涉及镍基合金制造技术，尤其涉及一种高强度的具有优良高温耐蚀性能的排气阀用镍基合金。
背景技术
内燃机包括汽油机和柴油机，主要应用于汽车、摩托车、拖拉机、舰船、内燃机车、坦克、石油钻机、工程机械、移动电站等，在国民经济中起着重要作用。内燃机气阀包括进气阀和排气阀，是内燃机的重要零件。内燃机的排气阀工作条件比进气阀恶劣，尤其是机车和船舶用大功率柴油机的排气阀，处于高温、高压、腐蚀性燃气环境中，经受频繁反复的高速运动和摩擦冲击负荷，必须有良好的热强度、热硬性、疲劳强度、耐磨性、抗腐蚀性。
镍基高温合金有较好的高温强度和耐腐蚀性，被大量用于制造中高档轿车汽油机和机车、舰船用大功率柴油机等对合金性能要求较高的排气阀。目前国内外主要使用的排气阀用镍基合金是Inconel 751和Nimonic 80A(也叫NiCr20TiAl)，这两种材料的成分和主要性能指标如表1和表2所示：
表1排气阀用镍基合金材料的主要化学成分(Wt％)
  C   Al   Ti   Ni   Cr   Fe   Nb
  Nimonic 80A   ≤0.10   1.00-1.80   1.80-2.70   余   18.0-21.0   ≤3.0
  Inconel 751   ≤0.10   0.9-1.5   2.0-2.6   余   14.0-17.0   5.0-9.0   0.7-1.2
表2排气阀用镍基合金材料的力学性能
排气阀用Nimonic 80A和inconel751合金材料的要求与其它用途的要求不同，主要体现在排气阀用材要求更高的拉伸强度和硬度。Nimonic 80A和Inconel 751均属时效强化型镍基合金，通过在奥氏体基体中形成金属间化合物Ni3Al进行强化，其中Inconel 751中还可以形成Ni3Nb相进行强化，所以Inconel 751的强度性能高于Nimonic 80A。由于Inconel 751中Cr含量比Nimonic 80A低，所以前者的高温耐腐蚀性要比后者差。在比较劣质的大型舰船用低速柴油机上一般用Nimonic 80A合金，而在超高负荷的船舶、重型卡车柴油机上一般用Inconel 751合金。
综上所述，内燃机的排气阀工作条件恶劣，处于高温、高压、腐蚀性燃气中，经受频繁反复的高速运动和摩擦冲击负荷，因此要求生产内燃机排气阀的材料必须具备良好的热强度、热硬性、疲劳强度、耐磨性、抗腐蚀性等性能。本发明人研制的镍基合金具有强度硬度高、耐蚀性能好、高温使用寿命长的综合特点，是制作在高负荷高腐蚀性环境中工作的内燃机排气阀的优良材料。
发明内容
本发明的目的是提供一种新型内燃机排气阀用镍基合金。
本发明提供的新型内燃机排气阀用镍基合金，包含以重量百分比计的C：0.02-0.05％，Cr：21.0-25.0％，Ti：2.4-3.0％，Al：1.6-2.2％，Fe：3.0-5.0％，Co：0-3％，Nb：0.02-0.5％，余量为Ni和不可避免的杂质。
在优选的实施方式中，C的含量较佳为0.025-0.05％。
在优选的实施方式中，Cr的含量较佳为21.5-24.5％，更佳为21.5-23％。
在优选的实施方式中，Ti的含量较佳为2.45-2.95％。
在优选的实施方式中，Al的含量较佳为1.6-2.15％。
在优选的实施方式中，Fe的含量较佳为3.0-4.8％。
在优选的实施方式中，Co的含量较佳为0-2.5％，更佳为0-1.6％，。
在优选的实施方式中，Nb的含量较佳为0.02-0.5％，更佳为0.02-0.1％。
本发明涉及到的内燃机排气阀用镍基合金可依据上述成分组成，通过现有的真空感应和电渣重熔的冶炼方式获得。经过适当的锻造和热处理后，该镍基合金的室温拉伸强度达到1300MPa或以上，硬度HRC达到38或以上。
以下对本发明内燃机排气阀用镍基合金的化学成分及其控制范围(重量百分比)的理由作如下说明：
C：0.02-0.05％
C是镍基高温合金中碳化物形成的必需元素。C一般控制在0.02-0.05％范围内，以保证一定数量的碳化物在晶界析出，起着细化晶粒，提高持久强度和塑性的作用；同时应防止过多的碳化物造成夹杂物过多和偏析倾向，致使晶粒不均匀和合金塑性恶化。
Cr：21.0-25.0％
Ni-Cr合金组成了内燃机排气阀用镍基合金的基体。Cr是提高合金耐蚀性最有效的元素，因此Cr元素的加入量既要充分满足合金耐蚀性的要求，又要保证形成单相奥氏体固溶体。综合考虑，一般将Cr含量控制在21.0～25.0％范围内。
Al：1.6-2.2％
Al是镍基合金中γ′相的必需形成元素，γ′相是镍基合金中最重要的强化相。γ′相在800℃时无明显的软化，具有良好的物理化学性能和高温强度。Al含量越高，γ相的析出量越大，但Al过高会增加合金热加工的难度，使材料容易产生裂纹。所以，Al含量一般控制在1.6-2.2％范围内。
Ti：2.4-3.0％
合金中Ti很容易溶入γ′相，可以代替三分之二的Al原子。Ti进入γ′后，使γ′析出减慢，有效阻止过时效的作用。这种作用使合金适合在内燃机排气阀高温工作环境中长期使用，但Ti加入过多就会产生了Ni3Ti(η相)，而Ni3Ti相无时效硬化能力，本合金Ti含量一般控制在2.4-3.0％范围内。
Nb：0.02-0.5％
合金中含有少量的Nb，Nb溶入γ相后，γ相本身的高温强度有所提高，而且析出颗粒变小，弥散强化效果提高。合金Nb含量一般控制在0.02-0.5％范围内。
Co：0-3％
Co也可以进入γ相，提高γ相的稳定性，晶粒长大速度减小，合金固溶温度提高，有防止过时效的效果。本合金Co含量一般控制在0-3％范围内。
Fe：3-5％
经过试验分析，加入3-5％的Fe不影响合金的性能，且由于Fe的价格比较低，降低了合金的生产成本。本合金Fe含量一般控制在3-5％范围内。
上述构成合金的原材料按照本发明涉及的化学组分配比，经镍基合金常规的生产方法生产为棒材后，通过适当的固溶和时效热处理，检测得出合金的性能为：室温拉伸强度≥1300MPa，硬度HRC≥38。
本发明采用上述技术方案，与现有技术相比，具有以下优点和积极效果：本发明内燃机排气阀用镍基合金通过控制C、Al、Ti的含量提高了合金的强度性能，通过添加Nb、Co改善了合金高温长期使用性能，通过添加Cr保证了合金的耐蚀性能，通过添加Fe降低了合金的生产成本；采用本技术制造的镍基合金具有强度硬度高、耐蚀性能好、高温使用寿命长的综合特点，是制作在高负荷高腐蚀性环境中工作的内燃机排气阀的优良材料。
具体实施方式
以下用实施例对本发明作更详细的描述。这些实施例仅仅是对本发明最佳实施方式的描述，并不对本发明的范围有任何限制。
具体实施例的相关参数见如下表3和表4：
表3、合金的化学成分％(重量百分比)
Figure BDA0000147457760000041
表4、合金的力学性能
Figure BDA0000147457760000051
实施例1
一种新型内燃机排气阀用镍基合金，包含C：0.03％，Al：2.13％，Ti：2.46％，Cr：23.2％，Fe：4.52％，Co：1.21％，Nb：0.30％，各种成分以重量百分比计，余量为Ni和不可避免的杂质。通过真空感应熔炼并浇铸Φ325mm电极，电极经过电渣重熔得到Φ430mm钢锭，钢锭加热到1100-1170℃进行锻造为直径为120mm的棒材。将棒材进行1020-1040℃4小时的固溶处理和在700～720℃沉淀硬化16小时后空冷。然后取样并测定其拉伸性能和硬度该合金经过适当的锻造和热处理后，检测得出室温拉伸强度σb为1380N/mm2，σ0.2为875N/mm2，δ5为20％，ψ为25％，硬度HRC为40.5。
实施例2
一种新型内燃机排气阀用镍基合金，包含C：0.04％，Al：1.90％，Ti：2.51％，Cr：22.0％，Fe：3.16％，Co：1.60％，Nb：0.47％，各种成分以重量百分比计，余量为Ni和不可避免的杂质。通过真空感应熔炼并浇铸Φ325mm电极，电极经过电渣重熔得到Φ430mm钢锭，钢锭加热到1100-1170℃进行锻造为直径为120mm的棒材。将棒材进行1020-1040℃4小时的固溶处理和在700～720℃沉淀硬化16小时后空冷。然后取样并测定其拉伸性能和硬度该合金经过适当的锻造和热处理后，检测得出室温拉伸强度σb为1330N/mm2，σ0.2为842N/mm2，δ5为24％，ψ为30％，硬度HRC为39。
实施例3
一种新型内燃机排气阀用镍基合金，包含C：0.05％，Al：1.81％，Ti：2.60％，Cr：21.6％，Fe：4.40％，Co：0.43％，Nb：0.35％，各种成分以重量百分比计，余量为Ni和不可避免的杂质。通过真空感应熔炼并浇铸Φ325mm电极，电极经过电渣重熔得到Φ430mm钢锭，钢锭加热到1100-1170℃进行锻造为直径为120mm的棒材。将棒材进行1020-1040℃4小时的固溶处理和在700～720℃沉淀硬化16小时后空冷。然后取样并测定其拉伸性能和硬度该合金经过适当的锻造和热处理后，检测得出室温拉伸强度σb为1350N/mm2，σ0.2为880N/mm2，δ5为22％，ψ为31％，硬度HRC为40。
实施例4
一种新型内燃机排气阀用镍基合金，包含C：0.03％，Al：1.65％，Ti：2.83％，Cr：24.5％，Fe：3.96％，Co：0.02％，Nb：0.02％，各种成分以重量百分比计，余量为Ni和不可避免的杂质。通过真空感应熔炼并浇铸Φ325mm电极，电极经过电渣重熔得到Φ430mm钢锭，钢锭加热到1100-1170℃进行锻造为直径为120mm的棒材。将棒材进行1020-1040℃4小时的固溶处理和在700～720℃沉淀硬化16小时后空冷。然后取样并测定其拉伸性能和硬度该合金经过适当的锻造和热处理后，检测得出室温拉伸强度σb为1300N/mm2，σ0.2为845N/mm2，δ5为28％，ψ为38％，硬度HRC为38.5。
实施例5
一种新型内燃机排气阀用镍基合金，包含C：0.035％，Al：2.06％，Ti：2.72％，Cr：23.8％，Fe：4.28％，Co：2.3％，Nb：0.08％，各种成分以重量百分比计，余量为Ni和不可避免的杂质。通过真空感应熔炼并浇铸Φ325mm电极，电极经过电渣重熔得到Φ430mm钢锭，钢锭加热到1100-1170℃进行锻造为直径为120mm的棒材。将棒材进行1020-1040℃4小时的固溶处理和在700～720℃沉淀硬化16小时后空冷。然后取样并测定其拉伸性能和硬度该合金经过适当的锻造和热处理后，检测得出室温拉伸强度σb为1410N/mm2，σ0.2为963N/mm2，δ5为18％，ψ为28％，硬度HRC为41。
实施例6
一种新型内燃机排气阀用镍基合金，包含C：0.05％，Al：1.80％，Ti：2.51％，Cr：21.5％，Fe：3.30％，Nb：0.05％，各种成分以重量百分比计，余量为Ni和不可避免的杂质。通过真空感应熔炼并浇铸Φ325mm电极，电极经过电渣重熔得到Φ430mm钢锭，钢锭加热到1100-1170℃进行锻造为直径为120mm的棒材。随后棒材进行1020-1040℃4小时的固溶处理和在700～720℃沉淀硬化16小时后空冷。然后取样并测定其拉伸性能和硬度该合金经过适当的锻造和热处理后，检测得出室温拉伸强度σb为1360N/mm2，σ0.2为1020N/mm2，δ5为23.0％，ψ为43.0％，硬度HRC为38。
实施例7
一种新型内燃机排气阀用镍基合金，包含C：0.025％，Al：2.20％，Ti：2.90％，Cr：22.0％，Fe：3.02％，Nb：0.45％，各种成分以重量百分比计，余量为Ni和不可避免的杂质。通过真空感应熔炼并浇铸Φ325mm电极，电极经过电渣重熔得到Φ430mm钢锭，钢锭加热到1100-1170℃进行锻造为直径为120mm的棒材。随后棒材进行1020-1040℃4小时的固溶处理和在700～720℃沉淀硬化16小时后空冷。然后取样并测定其拉伸性能和硬度该合金经过适当的锻造和热处理后，检测得出室温拉伸强度σb为1420N/mm2，σ0.2为1010N/mm2，δ5为19.0％，ψ为39.0％，硬度HRC为9。
实施例8
一种新型内燃机排气阀用镍基合金，包含C：0.045％，Al：1.60％，Ti：2.81％，Cr：23.0％，Fe：3.13％，Nb：0.03％，各种成分以重量百分比计，余量为Ni和不可避免的杂质。通过真空感应熔炼并浇铸Φ325mm电极，电极经过电渣重熔得到Φ430mm钢锭，钢锭加热到1100-1170℃进行锻造为直径为120mm的棒材。随后棒材进行1020-1040℃4小时的固溶处理和在700～720℃沉淀硬化16小时后空冷。然后取样并测定其拉伸性能和硬度该合金经过适当的锻造和热处理后，检测得出室温拉伸强度σb为1310N/mm2，σ0.2为930N/mm2，δ5为25.5％，ψ为40.0％，硬度HRC为38.5。
实施例9
一种新型内燃机排气阀用镍基合金，包含C：0.05％，Al：2.10％，Ti：2.95％，Cr：22.1％，Fe：3.67％，Co：，0.3％，Nb：0.40％，各种成分以重量百分比计，余量为Ni和不可避免的杂质。通过真空感应熔炼并浇铸Φ325mm电极，电极经过电渣重熔得到Φ430mm钢锭，钢锭加热到1100-1170℃进行锻造为直径为120mm的棒材。随后棒材进行1020-1040℃4小时的固溶处理和在700～720℃沉淀硬化16小时后空冷。然后取样并测定其拉伸性能和硬度该合金经过适当的锻造和热处理后，检测得出室温拉伸强度σb为1450N/mm2，σ0.2为1050N/mm2，δ5为22.5％，ψ为32％，硬度HRC为42。
本发明实施例1～9制造的合金性能指标：抗拉强度均≥1300MPa，硬度HRC≥38，相对于比较合金的相应性能均有明显的提高。
从以上实施例的结果可看出，按照本发明提供的成分组成进行生产的镍基合金，具有高强度、高硬度的特点，同时该合金的元素成分保证了合金拥有良好的耐腐蚀性能和长期组织稳定性，所以该类合金十分适用于制作内燃机的排气阀。

Claims (10)

1.一种新型内燃机排气阀用镍基合金，其特征在于以重量百分比计包含C：0.02-0.05％，Cr：21.0-25.0％，Ti：2.4-3.0％，Al：1.6-2.2％，Fe：3.0-5.0％，Co：0-3％，Nb：0.02-0.5％，余量为Ni和不可避免的杂质。
2.如权利要求1所述的内燃机排气阀用镍基合金，其特征在于其中C的含量为0.025-0.05％。
3.如权利要求1所述的内燃机排气阀用镍基合金，其特征在于其中Cr的含量为21.5-24.5％。
4.如权利要求3所述的内燃机排气阀用镍基合金，其特征在于其中Cr的含量为21.5-23％。
5.如权利要求1所述的内燃机排气阀用镍基合金，其特征在于其中Ti的含量为2.45-2.95％。
6.如权利要求1所述的内燃机排气阀用镍基合金，其特征在于其中Al的含量为1.6-2.15％。
7.如权利要求1所述的内燃机排气阀用镍基合金，其特征在于其中Fe的含量为3.0-4.8％。
8.如权利要求1所述的内燃机排气阀用镍基合金，其特征在于其中Co的含量为0-2.5％。
9.如权利要求1所述的内燃机排气阀用镍基合金，其特征在于其中Nb的含量为0.02-0.5％。
10.如权利要求1所述的内燃机排气阀用镍基合金，其室温拉伸强度≥1300MPa，硬度HRC≥38。
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