CN103710642B - 一种高温强度性能优异的排气门头部材料及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高温强度性能优异的排气门头部材料及其制备方法。本发明的采用的合金成分重量百分比含量为：C:0.32～0.40%；Si:0.17～0.37%；Mo:1.0～2.0%；Mn:6.5～8.0%；Cr:20～22%；W:0.50～1.0%；Ni:1.5～2.5%；Nb:0.50～1.0%；P:≤0.015；S:≤0.015；Cu:≤0.010%；余料为Fe。该气门材料经低压铸造、轧制、热处理而成。本发明的气门头部材料的耐热性能、热稳定性好、高温强度高、寿命高。
Description
技术领域
本发明属于金属材料领域，尤其涉及一种高温强度性能优异的排气门头部材料及其制备方法。
背景技术
气门是发动机的关键零件之一，它是用来打开或关闭进、排气道的直接零件。气门是发动机工作过程中密封燃烧室和控制发动机气体交换的密封件，是保障发动机动力性、经济性、可靠性的重要部件。气门分为进气门与排气门，空气通过进气门进入发动机气缸内与燃料混合燃烧，燃烧后产生的废气通过排气门排出气缸，从而实现新鲜空气进入气缸燃烧产生车辆行驶的动力并排除废气。气门的工作条件恶劣，进气门的工作温度可达600度左右；排气门的工作温度可达800度左右。进气门主要承受启闭过程中的反复冲击负荷，排气门除了承受反复冲击的机械符合之外，还承受高温氧化气体的腐蚀及热应力、锥面热箍应力和燃烧时气体压力等共同作用时，气门在落座时承受由惯性引起的冲击交变载荷及弹簧压力，高温腐蚀气体的高速冲刷等，对排气门的材料要求更为严格，要求排气门具有足够的热强度、良好的耐磨性和使用寿命、良好的抗氧化性能。
发动机机过载超速是很普遍的现象，由于过载运行，一般会加剧发动机内温度大幅提升，使气门的实际工作温度过高，导致气门材料的组织发生变化、强度下降。气门的高温强度不高，是气门提前损坏、寿命缩短的主要因素。
目前，排气门的头部材料主要是21-4N，材料的种类非常单一，不能满足不同工况发动机的使用要求。另外，该材料存在高温强度低、寿命因层状碳化物而出现的疲劳失效降低、使用寿命不长、坯料已出现表面裂纹导致成材率低等问题。
发明内容
发明目的：针对现有技术存在的问题与不足，本发明的目的是提供一种高温强度性能优异的排气门头部材料及其制备方法。
技术方案：为实现上述技术方案，本发明提供了的一种高温强度性能优异的排气门头部材料，该排气门头部材料采用的合金成分重量百分比范围为C:0.32～0.40%；Si:0.17～0.37%；Mo:1.0～2.0%；Mn:6.5～8.0%；Cr:20～22%；W:0.50～1.0%；Ni:1.5～2.5%；Nb:0.50～1.0%；余量为纯度为99.8%的Fe，其中，所述纯度为99.8%的Fe中的杂质重量百分比含量为：Ni:≤0.030%；P:≤0.015；S:≤0.015；Cu:≤0.010%。
上述高温强度性能优异的排气门头部材料的制造方法，包括如下工艺步骤：
（1）按照合金成分范围准备配料，混合均匀；
（2）采用真空感应炉熔炼，温度控制在1620～1680℃，熔炼1～1.5小时；
（3）采用低压铸造，铸件再经轧制成型，控制最后一次轧制的变形量在40%以上；
（4）加热到1050～1150℃保温0.5～1小时，淬火，该热处理步骤可以提高材料的强韧性，并且可以细化晶粒；
（5）加热到800～820℃保温3～4小时，淬火，得到排气门头部材料。通过该热处理步骤，可以改善材料的组织性能。
其中，步骤（3）中所述的低压铸造的工艺条件为：充型压力0.06MPa，充型速度为50mm/s，充型增压0.01MPa，保压时间10s，轧制3次。
有益效果：本发明的合金综合性能优异。本合金含有Nb元素，形成了稀土相，相对于21-4N材料而言，大大提高了800℃的高温循环寿命，耐磨擦性能，组织稳定，高温强度高、寿命高。采用低压铸造，提高了合金材料的致密性与纯净度；采用两次热处理的方式，保障了合金材料的强度、高温强度及热稳定性与寿命。
具体实施方式
以下各个实施例中所使用的纯度为99.8的Fe中杂质的重量百分比含量为：Ni:≤0.030%；P:≤0.015；S:≤0.015；Cu:≤0.010%。
实施例1
经低压铸造、轧制、热处理制备高温强度性能优异的排气门头部材料，具体步骤如下：
（1）配料，合金重量百分比成分为：C:0.32%；Si:0.17%；Mo:2.0%；Mn:6.50%；Cr:22%；W:0.50%；Ni:2.0%；Nb:1.0%；余料为纯度为99.8%的Fe，将合金料混合均匀；
（2）采用真空感应炉熔炼，温度1620℃，熔炼1.5小时；
（3）采用低压铸造，低压铸造的工艺条件为：充型压力0.06MPa，充型速度为50mm/s，充型增压0.01MPa，保压时间10s，轧制3次，铸件再经轧制成型，轧制三次，最后一次轧制的变形量为45%；
（4）加热到1050℃保温1小时，淬火；
（5）加热到800℃保温4小时，淬火，得到排气门头部材料。所制备的排气门头部材料的屈服强度性能测试结果如表1所示。
实施例2
经低压铸造、轧制、热处理制备高温强度性能优异的排气门头部材料，具体步骤如下：
（1）配料，合金重量百分比成分为：C:0.40%；Si:0.25%；Mo:2.0%；Mn:6.80%；Cr:21.1%；W:1.0%；Ni:2.2%；Nb:0.50%；余料为纯度为99.8%的Fe，将合金料混合均匀；
（2）采用真空感应炉熔炼，温度1680℃，熔炼1.5小时；
（3）采用低压铸造，低压铸造的工艺条件为：充型压力0.06MPa，充型速度为50mm/s，充型增压0.01MPa，保压时间10s，轧制3次，铸件再经轧制成型，轧制三次，最后一次轧制的变形量为45%；
（4）加热到1150℃保温0.5小时，淬火；
（5）加热到820℃保温3小时，淬火，得到排气门头部材料。所制备的排气门头部材料的屈服强度性能测试结果如表1所示。
实施例3
经低压铸造、轧制、热处理制备高温强度性能优异的排气门头部材料，具体步骤如下：
（1）配料，合金重量百分比成分为：C:0.34%；Si:0.37%；Mo:1.75%；Mn:6.60%；Cr:20.00%；W:0.80%；Ni:1.7%；Nb:0.75%；余料为纯度为99.8%的Fe，将合金料混合均匀；
（2）采用真空感应炉熔炼，温度1650℃，熔炼1.5小时；
（3）采用低压铸造，低压铸造的工艺条件为：充型压力0.06MPa，充型速度为50mm/s，充型增压0.01MPa，保压时间10s，轧制3次，铸件再经轧制成型，轧制三次，最后一次轧制的变形量为55%；
（4）加热到1100℃保温0.5小时，淬火；
（5）加热到800℃保温3小时，淬火，得到排气门头部材料。所制备的排气门头部材料的屈服强度性能测试结果如表1所示。
实施例4
经低压铸造、轧制、热处理制备高温强度性能优异的排气门头部材料，具体步骤如下：
（1）配料，合金重量百分比成分为：C:0.36%；Si:0.25%；Mo:1.65%；Mn:7.6%；Cr:20.8%；W:0.78%；Ni:2.5%；Nb:0.50%；余料为纯度为99.8%的Fe，将合金料混合均匀；
（2）采用真空感应炉熔炼，温度1640℃，熔炼1小时；
（3）采用低压铸造，低压铸造的工艺条件为：充型压力0.06MPa，充型速度为50mm/s，充型增压0.01MPa，保压时间10s，轧制3次，铸件再经轧制成型，轧制三次，最后一次轧制的变形量为48%；
（4）加热到1080℃保温1小时，淬火；
（5）加热到810℃保温3小时，淬火，得到排气门头部材料。所制备的排气门头部材料的屈服强度性能测试结果如表1所示。
实施例5
经低压铸造、轧制、热处理制备高温强度性能优异的排气门头部材料，具体步骤如下：
（1）配料，合金重量百分比成分为：C:0.36%；Si:0.27%；Mo:1.0%；Mn:8%；Cr:20%；W:0.77%；Ni:1.5%；Nb:0.80%；余料为纯度为99.8%的Fe，将合金料混合均匀；
（2）采用真空感应炉熔炼，温度1650℃，熔炼1.5小时；
（3）采用低压铸造，低压铸造的工艺条件为：充型压力0.06MPa，充型速度为50mm/s，充型增压0.01MPa，保压时间10s，轧制3次，铸件再经轧制成型，轧制三次，最后一次轧制的变形量为50%；
（4）加热到1150℃保温1小时，淬火；
（5）加热到800℃保温3小时，淬火，得到排气门头部材料。所制备的排气门头部材料的屈服强度性能测试结果如表1所示。
实施例1-5与21-4N合金的高温强度性能对比如下表所示，可以看到本发明材料的高温强度性能皆高于对比例。
表1
Claims (3)
1.一种高温强度性能优异的排气门头部材料的制备方法，其特征在于，包括如下工艺步骤：
(1)按照合金成分范围准备配料，混合均匀；该排气门头部材料采用的合金重量百分比成分为：C：0.32～0.40％；Si：0.17～0.37％；Mo：1.0～2.0％；Mn：6.5～8.0％；Cr：20～22％；W：0.50～1.0％；Ni：1.5～2.5％；Nb：0.50～1.0％；余量为纯度为99.8％的Fe；
(2)采用真空感应炉熔炼，温度控制在1620～1680℃，熔炼1～1.5小时；
(3)采用低压铸造，铸件再经轧制成型，控制最后一次轧制的变形量在40％以上；
(4)加热到1050～1150℃保温0.5～1小时，淬火；
(5)加热到800～820℃保温3～4小时，淬火，得到排气门头部材料。
2.根据权利要求1所述的高温强度性能优异的排气门头部材料的制备方法，其特征在于，所述纯度为99.8％的Fe中的杂质重量百分比含量为：Ni：≤0.030％；P：≤0.015；S：≤0.015；Cu：≤0.010％。
3.根据权利要求1所述的高温强度性能优异的排气门头部材料的制备方法，其特征在于，步骤(3)中所述的低压铸造的工艺条件为：充型压力0.06MPa，充型速度为50mm/s，充型增压0.01MPa，保压时间10s，轧制3次。
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