CN1034819C - 一种高强度耐热钢 - Google Patents
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Abstract
本发明属于合金钢领域。提供了一种高强度耐热钢，其具体的化学成分(重量%)为：C 0.02～0.2%，Si 0.1～1.5%，Mn 0.4～1.5%，Cr 17～23%，Ni 20～28%，Al 0.7～2.0%，Ti 1.80～3.2%，Nb 0.7～2.0%，Zr 0.01～0.2%，Ce 0.003～0.1%，Co 0.1～3.0%，Cu 0.05～0.5%，余量为Fe。本发明不仅具有足够的高温强度和高温硬度，而且还具有优良的抗氧化和抗燃气腐蚀性能。主要适用于内燃机的气阀等。
Description
本发明属于合金钢领域。主要适用于内燃机的进气阀和排气阀、柴油机预燃室喷咀和嵌块等。
内燃机包括汽油机和柴油机，是重要的动力机械，用途广泛，可用于汽车、拖拉机、客货轮、舰船、装甲坦克、机车、发电机组等等。气阀、喷咀、嵌块等是内燃机的关键零件，同时又是易耗件。为了提高内燃机的功率，往往是提高转速，如高速柴油机转速通常达1000～2000转/分，汽油机通常为2000～4000转/分。在高转速的工作条件下，气阀以高的频率作反复运动，致使气阀与阀座高频率地接触和开启。在此过程中，气阀对阀座产生撞击力(落座力)，导致摩擦磨损和高温燃气腐蚀，同时，喷咀和嵌块的喷孔还受到高速燃气的冲刷。为此，作为内燃机的气阀、喷咀及嵌块用材料，不仅要具有较高的高温强度和高温硬度，而且还要求具有优异的抗氧化和抗燃气腐蚀性能。
在现有技术中，高负荷内燃机气阀等的选材有两种方案：一种是选用镍基合金，如Inconel751(HEV3)和Ninmonic80A(HEV5)(美国标准SAE J775)、NiCr20TiAl(德国标准DIN17480-1984)，这类合金的性能优异，生产工艺简单，其缺点是成本高；另一种方案是以耐热钢为基体做成气阀，然后在其锥面上堆焊一层耐磨耐蚀合金，如在4Cr14Ni14W2Mo钢或21-12N钢所制成的气阀基体锥面上堆焊一层Stellite6钴基合金产，此方案虽然能达到一定的效果，也降低了成本，但存在一些缺点，主要是生产工艺复杂，产品容易产生缺陷，不仅成品率低，而且使用时易损坏，寿命低，还可能引发突发事故(《机车车辆通讯》1994.No.4)。
美国专利US3420660也提供了一种高强度耐热钢。在化学成分上该钢不仅含有Ni 20％、Cr 16％、Co 5.20～20.58％，而且还含 有W、Mo、Nb、V达3％以上，同时还含有Ti、Al和B。是一个高合金钢，具有很高的强度，但热加工性能差，钢的塑性和韧性较差，且成本高。主要适用于高应力构件，如喷气发动机和汽轮机构件。
本发明的目的在于提供一种既有较高的高温强度和硬度，又有优异的抗氧化和抗燃气腐蚀性能的且成本低的高强度耐热钢，以便满足内燃机气阀等用材的需要。
针对上述目的，本发明在化学成分上采用铁基，以便大幅度降低成本，另一方面钢中加入适量的Cr、Ni、Mn、Al、Ti、Nb、Zr、Ce、Co、Cu元素，实现综合强化，保证具有较高的高温强度和硬度，良好的塑性和韧性等优异的综合性能。其具体的化学成分(重量％)如下：
C 0.02～0.2％，Si 0.1～1.5％，Mn 0.4～1.5％，Cr 17～23％，Ni 20～28％，Al 0.7～2.0％，Ti 1.80～3.2％，Nb 0.7～2.0％，Zr 0.01～0.2％，Ce 0.003～0.1％，Co 0.1～3.0％，Cu 0.05～0.5％，余量为Fe。
本发明中加入适量的Ti和Al的目的，是为了Ti、Al和Ni生成弥散分布的Ni3(Al，Ti)相，即γ′相，γ′相是典型的时效强化相，由于γ′的作用，从而保证该钢在高温下有高的强度和硬度。
铌和锆是强碳化物形成元素，它能有效地提高钢的高温强度，铌和锆的一次和二次碳化物在高温下很稳定，因此，保证一定的高温强度、高温硬度和耐磨性，铌和锆的碳化物的形成同时还细化晶粒，改善塑性，也改善热加工性能。
铬是钢的重要元素，一定量的铬以保证钢在高温下具有良好的抗氧化和抗燃气腐蚀性能，铬也形成碳化物提高钢的强度，过量的铬使钢的热塑性恶化，组织不稳定因此含17～23％Cr为宜。
镍、钴、锰的加入首先是使钢奥氏体化，同时，镍的加入与钛、铝形成γ′强化相。一定的镍钴含量保证钢的高温热塑性，改善钢的锻造性能。同时由于固溶强化而提高钢的高温强度。
铈是稀土元素，它改善钢锭表面质量，细化钢锭结晶组织，减少枝晶，从而改善钢锭的热加工性能；铈在细化晶粒的同时，消除了硫磷等有害元素在晶界的富集，消除硫或铅、砷等低熔点化合物；铈也进入碳化物，使碳化物球化且尺寸变小，分布均匀；铈还使钢中含氧量降低，从而提高钢的热塑性。另外，加入铈后，在高温下使用中，铈使表面氧化物的结构改善，使氧化的形态呈球形，有利于抗氧化、抗燃气腐蚀。
本发明采用真空感应炉冶炼，浇铸成锭后，进行锻造或轧制热加工，最后冷加工成成品。
与现有技术相比，本发明具有如下优点：
1、铁基合金，成本低。
2、具有足够的高温强度和高温硬度，使其制成的气阀有高的高温强度，因此，可减少气阀尺寸，减轻重量，不仅降低了成本，还可减轻气阀对阀座的冲击力，减轻磨损，延长使用寿命。
3、生产工艺简单，且成品率高。
4、目前机车舰船用高速大功率柴油机气阀绝大部分采用堆焊Stellite6的结构，用本发明后可消除堆焊过程中的废品，克服堆焊层存在缺陷在使用中发生失效的事故，提高气阀寿命和机车、船舰的运输安全保证。
实施例
根据本发明所设计的化学成分范围进行配料，在真空感应炉上冶炼了8炉钢。为了对比，在同设备同样条件下还冶炼两炉对比的镍基合Inconel751和NiCr20TiAl，其具体的化学成分如表1所示。实施例和对比例冶炼浇铸成锭后，进行锻造开坯和随后时效热处理；时效处理后取样，分别进行室温和高温力学性能试验，其结果分别列入表2和表3。
由表2和表3看出，本发明铁基合金的室温和高温力学性能实际达到了对比例镍基合金的性能水平，并大大地降低了成本。
表1 实施例化学成分(重量％)
| 炉 号 | C | Si | Mn | Cr | Ni | Fe | Co | Al | Ti | Nb | Zr | Ce | Cu | |
| 本发明 | 1 | 0.024 | 0.21 | 0.58 | 21.48 | 21.63 | 余 | 0.58 | 1.47 | 2.71 | 1.01 | 0.028 | 0.005 | 0.10 |
| 2 | 0.061 | 0.20 | 0.56 | 21.63 | 24.90 | 余 | 0.99 | 1.73 | 2.94 | 0.74 | 0.027 | 0.005 | 0.09 | |
| 3 | 0.075 | 0.23 | 0.58 | 21.37 | 24.52 | 余 | 1.02 | 1.57 | 2.62 | 1.47 | 0.023 | 0.007 | 0.08 | |
| 4 | 0.051 | 0.20 | 0.58 | 21.02 | 22.26 | 余 | 2.05 | 0.71 | 2.10 | 0.83 | 0.014 | 0.005 | 0.08 | |
| 5 | 0.084 | 0.14 | 0.56 | 21.26 | 21.52 | 余 | 1.53 | 1.13 | 2.45 | 0.86 | 0.025 | 0.008 | 0.09 | |
| 6 | 0.087 | 0.21 | 0.57 | 19.86 | 27.54 | 余 | 1.09 | 0.73 | 1.97 | 0.89 | 0.027 | 0.005 | 0.08 | |
| 7 | 0.066 | 0.21 | 0.58 | 17.47 | 24.01 | 余 | 1.07 | 1.12 | 2.23 | 0.96 | 0.028 | 0.006 | 0.10 | |
| 8 | 0.061 | 0.21 | 0.56 | 19.71 | 28.00 | 余 | 2.35 | 1.17 | 2.29 | 0.89 | 0.027 | 0.008 | 0.09 | |
| Incone1751 | 0.055 | 0.14 | 0.77 | 15.32 | 余 | 6.99 | / | 1.10 | 2.26 | 0.93 | ＜0.05 | |||
| NiCr20TiA | 0.092 | 0.54 | 0.80 | 19.68 | 余 | 0.2 | 1.07 | 1.52 | 2.46 | / | / | |||
表2 实施例室温(22℃)力学性能
| 炉 号 | σ6MPa | σ0.2MPa | δ5％ | ψ％ | HV1 | |
| 本发明 | 1 | 1358 | 1200 | 8.0 | 19.5 | 355 |
| 2 | 1280 | 1060 | 13.0 | 36.0 | 342 | |
| 3 | 1555 | 1310 | 8.0 | 23.0 | 382 | |
| 4 | 1080 | 817.5 | 21.5 | 51.3 | 283 | |
| 5 | 1325 | 980 | 18.0 | 30.0 | Rc37 | |
| 6 | 1190 | 818 | 23.0 | 41.0 | 283 | |
| 7 | 1230 | 930 | 18.5 | 35.0 | Rc36 | |
| 8 | 1220 | 925 | 19.0 | 33.0 | Rc37 | |
| Incone1751 | 1265 | 955 | 18.7 | 31.3 | Rc37 | |
| NiCr20TiAl | 1120 | 825 | 20.5 | 37.2 | Rc32 | |
表3 实施例高温力学性能
| 炉 号 | 试验温度℃ | σ5MPa | δ0.2％ | δ5％ | ψ | HV1 | |
| 本发明 | 1 | 700 | 878 | 735 | 30 | 57 | 260 |
| 2 | 700 | 903 | 772 | 19 | 30 | 274 | |
| 3 | 700 | 903 | 735 | 20 | 36 | 269 | |
| 4 | 700 | 790 | 745 | 23.5 | 40 | 214 | |
| 5 | 700 | 690 | 548 | 9.5 | 17.5 | 224 | |
| 6 | 700 | 773 | 630 | 23.5 | 37.3 | 234 | |
| 7 | 700 | 710 | 610 | 18.0 | 25.0 | 229 | |
| 8 | 700 | 715 | 620 | 19.0 | 29.0 | 229 | |
| Incone1751 | 700 | 785 | 645 | 7.6 | 13.9 | 234 | |
| NiCr20TiAl | 700 | 881 | 715 | 7.6 | 13.5 | 260 | |
Claims (1)
1、一种高强度耐热钢，其特征在于化学成分(重量％)/为：C 0.02～0.2％，Si 0.1～1.5％，Mn 0.4～1.5％，Cr 17～23％，Ni 20～28％，Al 0.7～2.0％，Ti 1.80～3.2％，Nb 0.7～2.0％，Zr 0.01～0.2％，Ce 0.003～0.1％，Co 0.1～3.0％，Cu 0.05～0.5％，余量为Fe。
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