CN102808111A

CN102808111A - 一种排气阀用镍基高温合金的制备方法

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Publication number: CN102808111A
Application number: CN2012103058664A
Authority: CN
Inventors: 杨学焦
Original assignee: 杨学焦
Current assignee: Nantong Wealth Machinery Technical Co., Ltd.
Priority date: 2012-08-24
Filing date: 2012-08-24
Publication date: 2012-12-05
Anticipated expiration: 2032-08-24
Also published as: CN102808111B

Abstract

本发明公开了一种排气阀用镍基高温合金的制备方法，所述合金以重量百分数计由下列组份组成：C：0.10-0.14％，Al：3.5-4.5％，W：1.5-2.5％，Mo：2.0-4.0％，Cr：13.5-15.5％，V：0.4-0.6％，Zr：0.10-0.20％，Nb：0.5-1.5％，Fe：8.0-12.0％，Ta：2.5-3.5％，Cu≤0.20，Mn≤0.8，P≤0.020，S≤0.015，Si≤0.3，余量Ni和不可避免杂质。所示制备方法分述如下：(1)按上述原料配比进行中频感应炉冶炼，冶炼温度为1570-1600℃，然后精炼，精炼温度1620-1640℃，精炼时间0.5-1小时。(2)调整浇注温度至约1510-1530℃浇注。(3)进行热处理，加热至1240-1260℃，保温3-5h，空冷到室温；再加热至1150-1170℃，保温1-3h，然后再加热至900-920℃，保温18-24h。

Description

一种排气阀用镍基高温合金的制备方法

技术领域

本发明涉及合金技术领域，特别涉及一种排气阀用镍基高温合金的制备方法。

背景技术

高温合金是以第VIIIA族金属(铁、钴、镍)为基的具有高的室温和高温强度的合金。从高温合金的产生和发展至今已经历了60多年。推动其发展的动力是航空和航天工业燃汽轮机对耐热合金的需求。高温合金的发展也带动了合金化学及合金加工技术的进步。镍基高温合金具有更高的高温强度，它们是在Cr20Ni80合金的基础上发展起来的，通常以Cr、Mo、Co、Ti、Al等合金元素来进行强化；Cr、Mo、Co等元素的主要作用是强化镍基固溶体，提高基体的再结晶温度，以降低基体中原子的扩散速度。Ti、Al的作用在于形成Ni₃(AlTi)-γ′强化相，它具有面心立方结构，析出时与基体共格，聚集长大的速度很小，具有良好的强化效果。近年来随着现代粉末冶金加工技术的应用和喷射成形多元多相弥散强化合金的出现，高温合金在接近材料熔点温度的同时，仍能保持高的持久强度，而普通靠γ′相或(α+γ′)相强化的高温合金只能在低温(600℃～800℃)、中温(800℃～1000℃)使用。采用多元多相弥散强化的高温合金是目前使用温度最高的合金，如美国的I N738合金等。目前，美国、日本、德国、英国、法国等国家均投入大量的人力、物力进行研究和开发。国内主要有北京航空材料研究院、北京钢铁研究总院、中国科学院金属研究所、昆明贵金属研究所等单位从事镍基高温合金的研究开发，但是大多数成果均为航空、航天和军工服务，而为民用工业的较少。

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

针对现有技术的不足，本发明的目的之一在于提供一种排气阀用镍基高温合金的制备方法，以解决现有技术的材料不能满足需要的问题。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种排气阀用镍基高温合金的制备方法，所述合金以重量百分数计由下列组份组成：C 0.10-0.14％，Al 3.5-4.5％，W 1.5-2.5％，Mo 2.0-4.0％，Cr13.5-15.5％，V 0.4-0.6％，Zr 0.10-0.20％，Nb 0.5-1.5％，Fe 8.0-12.0％，Ta2.5-3.5％，Cu≤0.20，Mn≤0.8，P≤0.020，S≤0.015，Si≤0.3，余量Ni和不可避免杂质。所示制备方法包括采用电炉冶炼、浇注以及热处理生产工艺，分述如下：

(1)按上述原料配比进行中频感应炉冶炼，冶炼温度为1570-1600℃，熔清后取样分析成分，然后进行成分调整；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1620-1640℃，精炼时间0.5-1小时，达到除气、除磷、除硫，掺合各种微量合金的目的，使镍基合金的化学成份达到产品规定的标准。

(2)调整浇注温度至约1510-1530℃，浇注成坯。

(3)对铸坯进行清理后进行热处理，固溶处理条件为：加热至1240-1260℃，保温3-5h，空冷到室温；时效处理方式为：先加热至1150-1170℃，保温1-3h，然后再加热至900-920℃，保温18-24h。

本发明具有如下有益效果：

(1)控制每种合金元素的含量，特别是不加或少加昂贵合金元素，如Co，以节省成本，满足民用高温合金对成本的要求，但通过添加多种合金元素，使得各种合金元素之间的技术效果相互协同，从而使得高温合金的综合性能优异。

(2)针对所设计的合金成分，调整了熔炼工艺，特别是熔炼和精炼的温度，以及浇注温度；并配合专门为该合金设计的热处理制度，使得合金的优异性能得以发挥。

(3)本发明的高温合金内部组织致密，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。

(4)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

实施例一

一种排气阀用镍基高温合金的制备方法，所述合金以重量百分数计由下列组份组成：C 0.10％，Al 4.5％，W 1.5％，Mo 4.0％，Cr 13.5％，V 0.6％，Zr0.10％，Nb 1.5％，Fe 8.0％，Ta 3.5％，Cu≤0.20，Mn≤0.8，P≤0.020，S≤0.015，Si≤0.3，余量Ni和不可避免杂质；所示制备方法包括采用电炉冶炼、浇注以及热处理生产工艺，分述如下：

(1)按上述原料配比进行中频感应炉冶炼，冶炼温度为1600℃，熔清后取样分析成分，然后进行成分调整；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1640℃，精炼时间0.5小时，达到除气、除磷、除硫，掺合各种微量合金的目的，使镍基合金的化学成份达到产品规定的标准；

(2)调整浇注温度至1510℃，浇注成坯；

(3)对铸坯进行清理后进行热处理，固溶处理条件为：加热至1240℃，保温5h，空冷到室温；时效处理方式为：先加热至1150℃，保温3h然后再加热至900℃，保温24h。

实施例二

一种排气阀用镍基高温合金的制备方法，所述合金以重量百分数计由下列组份组成：C 0.14％，Al 3.5％，W 2.5％，Mo 2.0％，Cr 15.5％，V 0.4％，Zr0.20％，Nb 0.5％，Fe 12.0％，Ta 2.5％，Cu≤0.20，Mn≤0.8，P≤0.020，S≤0.015，Si≤0.3，余量Ni和不可避免杂质；所示制备方法包括采用电炉冶炼、浇注以及热处理生产工艺，分述如下：

(1)按上述原料配比进行中频感应炉冶炼，冶炼温度为1600℃，熔清后取样分析成分，然后进行成分调整；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1620℃，精炼时间1小时，达到除气、除磷、除硫，掺合各种微量合金的目的，使镍基合金的化学成份达到产品规定的标准；

(2)调整浇注温度至1530℃，浇注成坯；

(3)对铸坯进行清理后进行热处理，固溶处理条件为：加热至1260℃，保温3h，空冷到室温；时效处理方式为：先加热至1170℃，保温1h然后再加热至920℃，保温18h。

实施例三

一种排气阀用镍基高温合金的制备方法，所述合金以重量百分数计由下列组份组成：C 0.12％，Al 4.0％，W 2.0％，Mo 3.0％，Cr 14.5％，V 0.5％，Zr0.15％，Nb 1.0％，Fe 10.0％，Ta 3.0％，Cu≤0.20，Mn≤0.8，P≤0.020，S≤0.015，Si≤0.3，余量Ni和不可避免杂质；所示制备方法包括采用电炉冶炼、浇注以及热处理生产工艺，分述如下：

(1)按上述原料配比进行中频感应炉冶炼，冶炼温度为1585℃，熔清后取样分析成分，然后进行成分调整；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1630℃，精炼时间1小时，达到除气、除磷、除硫，掺合各种微量合金的目的，使镍基合金的化学成份达到产品规定的标准；

(2)调整浇注温度至1520℃，浇注成坯；

(3)对铸坯进行清理后进行热处理，固溶处理条件为：加热至1250℃，保温4h，空冷到室温；时效处理方式为：先加热至1160℃，保温2h然后再加热至910℃，保温21h。

申请人声明，本发明通过上述实施例来说明本发明的详细工艺设备和工艺流程，但本发明并不局限于上述详细工艺设备和工艺流程，即不意味着本发明必须依赖上述详细工艺设备和工艺流程才能实施。所属技术领域的技术人员应该明了，对本发明的任何改进，对本发明产品各原料的等效替换及辅助成分的添加、具体方式的选择等，均落在本发明的保护范围和公开范围之内。

Claims

1.一种排气阀用镍基高温合金的制备方法，其特征在于，所述合金以重量百分数计由下列组份组成：C 0.10-0.14％，Al 3.5-4.5％，W 1.5-2.5％，Mo2.0-4.0％，Cr 13.5-15.5％，V 0.4-0.6％，Zr 0.10-0.20％，Nb 0.5-1.5％，Fe8.0-12.0％，Ta 2.5-3.5％，Cu≤0.20，Mn≤0.8，P≤0.020，S≤0.015，Si≤0.3，余量Ni和不可避免杂质。所示制备方法包括采用电炉冶炼、浇注以及热处理生产工艺，分述如下：

(2)调整浇注温度至约1510-1530℃，浇注成坯。

(3)对铸坯进行清理后进行热处理，固溶处理条件为：加热至1240-1260℃，保温3-5h，空冷到室温；时效处理方式为：先加热至1150-1170℃，保温1-3h，然后再加热至900-920℃，保温18-24h 。