CN103397276A - 一种高强度节镍型气阀钢及其制备方法 - Google Patents

Abstract

一种高强度节镍型气阀钢及其制备方法，化学成分重量百分比为：C：0.01~0.25％，Si：0.5~1.8％，Mn：0.20～1.80％，P：≤0.030％，S：≤0.030％，Cr：16.0～24.0％，Ni：18.0~28.0%，Al：0.5~2.5%，Ti：1.5~3.5%，Nb：0.5~2.5%，V：0.1~0.5%，Zr：0.001~0.050%，Ce：0.001~0.030%，Cu：≤0.30%，余量为Fe和不可避免的杂质。采用真空感应+真空自耗冶炼，或者电弧炉冶炼+电渣重熔，或者中频感应冶炼+电渣重熔冶炼后，钢锭锻造开坯温度为1100～1120℃，终锻温度为920～940℃，锻成140mm×140mm的方坯；热轧温度为1100~1120℃，终轧温度910~930℃，轧后水冷。轧制后经过固溶、开卷、矫直、磨光之后，形成银亮气阀钢。优点在于，与现有高性能气阀合金相比强度更高并成本低。

Description

一种高强度节镍型气阀钢及其制备方法

技术领域

本发明属于合金钢技术领域，特别涉及一种高强度节镍型气阀钢及其制备方法，用于制造舰船、火车、汽车用柴油机、汽油机以及天然气发动机的进气门和排气门。

背景技术

内燃机可以分为汽油机、柴油机、压缩天然气发动机、液化石油气发动机和双燃料发动机等。汽油机是使用汽油为燃料的内燃机，它利用化油器或以电喷的方式使汽油和空气混合后再吸入发动机汽缸内，用电火花强制点燃使其燃烧，产生热能而膨胀做功。柴油机是使用柴油为燃料的内燃机，它利用喷油泵使柴油在高压下由喷油器直接喷入发动机汽缸内，并与汽缸内已经被压缩的高温空气混合形成可燃混合气，自燃后产生热能而膨胀做功。压缩天然气发动机是利用压缩天然气为燃料的内燃机，液化石油气发动机是使用液化石油气为燃料的内燃机。在我国铁路上采用的内燃机绝大多数是柴油机。燃油（柴油）在气缸内燃烧，将热能转换为由柴油曲轴输出的机械能，但并不用来直接驱动动轮，而是通过传动装置转换为适合机车牵引特性要求的机械能，再通过走行部驱动机车动轮在轨道上转动。汽油机多用于轿车的发动机、摩托车、油锯和其他小功率动力机械中。汽油机多采用往复式结构，由本体、曲柄连杆结构、配气系统，供油系统、润滑系统及点火系统等部分组成。按配气系统的不同，汽油机分为二冲程的和四冲程的两类。二冲程汽油机仅用于提供较小的动力，以求其轻小而成本低。四冲程汽油机又可分为侧置气门式、顶置气门侧置凸轮轴式和顶置凸轮轴式3种，以顶置凸轮轴汽油机性能最好；按气缸进气方式的不同，汽油机分为增压的和非增压的两类。较柴油机而言，汽油机结构轻巧、成本低、噪音小、低温启动性好，但热效率低、燃料消耗大。汽油机的热效率与压缩比有直接关系，提高汽油机的压缩比，热效率也会随之提高。汽油机的配气系统主要由进气门、排气门、摇臂、推杆、挺杆及凸轮轴等组成，其中又以进、排气门尤其重要。空气通过进气门进入发动机内与燃料混合燃烧，燃烧后产生的废气通过排气门排除气缸，从而实现新鲜空气进入气缸燃烧产生车辆行驶的动力。由于气缸内气体燃烧产生高温，而且汽油中含有的S、P等杂质在高温下对材料腐蚀性很大，所以对于气门所用的气阀钢材料要求很高，即在高温下要有良好强度和硬度，还要具有良好的耐腐蚀性能。

国际上以及国内气阀钢的发展都是随着内燃机的不断进步而发展起来的，随着内燃气功率的不断提升，对于气阀钢的要求也越来越高。50年代，引进苏联气阀钢，主要有4Cr9Si2、4Cr10Si2Mo（эц107）和4Cr14Ni14W2Mo（эц69）。60年代，一汽的红旗轿车选用苏联эц72（3Cr13Ni7Si2）。70年代初，为解放牌、东风牌载重汽车，为“东方红”内燃机车研制Fe－Al－Mn奥氏体气阀钢TF1、TF2、TF3，为390E柴油机研制了LF钢，其中TF2钢纳标YB/Z8-75。70年代中期，二汽的6102汽油机采用21－4N（5Cr21Mn9Ni4N）作排气阀，揭开了我国新一轮国外气阀钢国产化的序幕。70～80年代，由于改革开放，国外先进机型、车型大量引进，同时开展了气阀钢的引进国产化，由21－4N、21－2N、21－4NWNb、21－12N、23－8N，4Cr9Si3、5Cr8Si2、XB、9Cr18Mo2V、ResisTEL、VMS－513、Incone751、Nimonic 80A等。低档、中档轿车用汽油机，如桑塔纳用481Q、富康用475、夏利用476、小红旗用488等。进气阀用4Cr10Si2Mo，排气阀用21－4N，捷达用21－4NWNb。中档、高档轿车用汽油机，如帕萨特、本田、别克，进气阀用4Cr10Si2Mo、21－4N，排气阀用21－4NWNb、Inconel751、Nimonic80A。即随着汽车发动机的发展，气阀钢也由最初的马氏体型向高温性能更好的奥氏体型转变，随着发动机功率的进一步提升，燃气温度更高，奥氏体型气阀钢已不能满足要求，逐渐转向了镍基气阀合金，如Incone751、Nimonic 80A等。但这些合金中镍含量均达到70%以上，加大了其生产成本，限制了其应用。

发明内容

本发明的目的在于提供一种高强度节镍型气阀钢机器制备方法，该气阀钢与现有气阀合金相比，强度更高，成本更低。

为了达到上述目的，本发明是这样实现的：

本发明气阀钢的成分为：C：0.01~0.25％，Si：0.5~1.8％，Mn：0.20～1.80％，P：≤0.030％，S：≤0.030％，Cr：16.0～24.0％，Ni：18.0~28.0%，Al：0.5~2.5%，Ti：1.5~3.5%，Nb：0.5~2.5%，V：0.1~0.5%，Zr：0.001~0.050%，Ce：0.001~0.030%，Cu：≤0.30%，其余为Fe和不可避免的杂质。

本发明的制备方法是采用真空感应+真空自耗，或电弧炉+电渣重熔以及中频感应炉+电渣重熔冶炼钢锭，浇注后的钢锭首先切头和切尾，去除尾部和头部杂质较多的部分，再进行表面打磨，清理表面。在锻造及后续工艺中控制的技术参数如下：

锻造开坯在2000吨快锻机上进行，锻造开坯温度为1100～1120℃，终锻温度为920～940℃，锻成140mm×140mm的方坯，以供后续热轧用。热轧温度为1100~1120℃，终轧温度910~930℃，轧后水冷。

轧制后经过固溶、开卷、矫直、磨光之后，形成银亮气阀钢。

本发明的关键在于：在钢中加入了抗氧化、抗腐蚀的元素Cr，提高气阀钢在高温腐蚀环境中的耐蚀性；钢中加入强化合金元素Ni、Al、Ti、Nb、V、Zr等，时效后在气阀钢中析出起强化作用的金属间化合物相的同时，也析出了起到强化作用的细小的碳化物，金属间化合物与碳化物的复合强化效果，提高气阀钢的室温强度和高温性能。Ni的适量加入，一方面形成了起到强化作用的金属间化合物，另一方面也降低了由于把Ni作为基体而产生的高昂的成本。降低钢中杂质元素Cu的含量，有利于改善气阀钢的热加工性能。

Cr是气阀钢中抗高温氧化和抗高温腐蚀的主要元素，并能提高钢的热强性。钢中含Cr量高时，能在钢的表面形成一层致密的Cr₂O₃膜，这种膜在一定程度上能阻止O、S、N等腐蚀性气体向钢中扩散，也能阻止金属离子向外扩散，从而提高钢的抗氧化及腐蚀性能；本发明气阀钢含有一定量的Ni、Al、Ti元素，经过高温固溶后，在后面的时效过程中，这三种元素可以形成金属间化合物强化相γ’相，即Ni₃（Al,Ti），这种相是钢中主要强化相。由于气阀钢均在高温下使用，该强化相在高温下具有较高的强度，稳定性极好，而且在一定温度范围内其强度随温度的升高而上升，因此，可以在高温下长期使用；Nb和V是强碳化物形成元素，极易与钢中的C形成碳化物，在时效过程中析出的细小的NbC或VC是钢中的第二强化相，这种二次碳化物在高温下组织稳定，由于尺寸细小，阻碍位错运动，起到强化作用；Zr也易与C形成碳化物，除了能起到强化作用外，这种细小的碳化物在高温下还能起到阻碍晶界迁移的作用，从而能够细化晶粒；由γ’相和碳化物两种强化相强化的新型气阀钢在高温下使用时强度优良，与镍基的气阀合金相当；Ce是稀土元素中的一种，与O形成的氧化物可以增加基体金属与氧化膜之间的结合力，同时降低Cr₂O₃膜的挥发性，改善氧化物的组成。同时，在冶炼过程中，Ce可以清除其他（As、Sn、Bi）有害元素，改善钢的冶金质量和耐热性能；Cu是钢中杂质元素，通常由冶炼原材料中带入，钢中Cu含量过高，在锻造或轧制过程中容易引起开裂，影响钢的热加工性能，因此，在钢中需控制Cu元素含量。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

通过添加抗氧化腐蚀元素以及强化元素，获得了由金属间化合物和碳化物复合强化的气阀钢。同现有的高性能气阀合金相比，含Ni量大大减少，降低了成本，同时室温强度高于目前性能优异的气阀合金，高温强度与其相当。

具体实施方式

下面结合一个典型实施例对本发明作进一步说明。

本实施例中，共冶炼6炉气阀钢，分别采用了真空感应+真空自耗冶炼工艺，电弧炉+电渣重熔工艺和中频感应炉+电渣重熔工艺冶炼。6炉气阀钢的成分见表1所示。将钢锭首先进行切头和切尾，去除杂质较多的部位，再进行表面打磨，清理表面，避免锻造时出现裂纹。锻造开坯在2000吨快锻机上进行，锻造开坯温度为1100～1120℃，终锻温度为920～940℃，锻成140mm×140mm的方坯，以供后续热轧用。热轧温度为1100~1120℃，终轧温度910~930℃，轧后水冷。6炉气阀钢的冶炼方法、锻造工艺参数和热轧工艺参数见表2。轧制后经过固溶、开卷、矫直、磨光之后，形成银亮气阀钢。

本实施例中6炉气阀钢的主要合金元素含量与目前本领域中性能最好的两种气阀合金的主要元素含量以及原材料价格的对比见表3，表中原材料价格是根据专利申请之日的各种金属原材料的价格乘以其在气阀钢或合金中的含量计算得出，从中可见，由于本发明中的Ni含量远小于两种气阀合金，而使得其成本大大降低。表4和表5是本发明实施例的室温拉伸性能、硬度以及700℃高温拉伸性能与气阀合金的对比，从中可见，由于钢中添加了强碳化物形成元素V和Nb，在原γ’相强化的基础上进一步强化，室温强度和硬度均高于两种气阀合金，高温强度与两种气阀合金相当。表6是本发明实施例中第5炉钢在750℃旋转弯曲疲劳性能与两种气阀合金的对比，从表中可以看出，本发明的气阀钢在750℃，旋转1.0×10⁷次下的疲劳极限是390MPa（金属材料通常都采用旋转1.0×10⁷次下的疲劳强度作为其疲劳极限），高于两种气阀合金。

表1  本发明实施例的化学成分(wt%)

表2  本发明实施例冶炼方法及热加工参数

表3  本发明实施例与气阀合金主要成分(wt%)及原材料成本比较

注:原材料成本以各合金素含量中限计算得出

表4  本发明实施例室温拉伸性能及硬度与气阀合金对比

表5  本发明实施例高温拉伸性能与气阀合金对比

表6  本发明实施例高温旋转弯曲疲劳性能与气阀合金对比

Claims (2)

1.一种高强度节镍型气阀钢，其特征在于，化学成分按重量百分比为：C：0.01~0.25％，Si：0.5~1.8％，Mn：0.20～1.80％，P：≤0.030％，S：≤0.030％，Cr：16.0～24.0％，Ni：18.0~28.0%，Al：0.5~2.5%，Ti：1.5~3.5%，Nb：0.5~2.5%，V：0.1~0.5%，Zr：0.001~0.050%，Ce：0.001~0.030%，Cu：≤0.30%，余量为Fe和不可避免的杂质。

2.一种权利要求1所述的气阀钢的制备方法，采用真空感应+真空自耗冶炼，或者电弧炉冶炼+电渣重熔，或者中频感应冶炼+电渣重熔；其特征在于，在锻造及后续工艺中控制的技术参数如下：

钢锭锻造开坯温度为1100～1120℃，终锻温度为920～940℃，锻成140mm×140mm的方坯；热轧温度为1100~1120℃，终轧温度910~930℃，轧后水冷；

轧制后经过固溶、开卷、矫直、磨光之后，形成银亮气阀钢。