CN104694783A

CN104694783A - 一种镍基气阀合金及其制备方法

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Publication number: CN104694783A
Application number: CN201510113247.9A
Authority: CN
Inventors: 朱治愿; 宫友军; 戴安伦; 张国付; 沈国平; 张竞; 涂玉国; 翟德建; 魏伟
Original assignee: Jiangsu University of Science and Technology; Jiangsu Shenyuan Special Steel Co Ltd
Current assignee: Jiangsu Shen Yuan Group Co., Ltd.; Jiangsu University of Science and Technology
Priority date: 2015-03-13
Filing date: 2015-03-13
Publication date: 2015-06-10
Anticipated expiration: 2035-03-13
Also published as: CN104694783B

Abstract

本发明公开一种镍基气阀合金，含有Ni：55.0～60.0％，Cr：20.0～25.0％，C：0.01～0.05％，Al：1.0～3.0％，Ti：1.0～3.0％，W：0.5～1.5％，Nb：0.5～1.5％，Mo：0.5～1.5％，Y：0.05～0.20％，Hf：0.05～0.20％，B：0.001～0.005％，S≤0.02％，P≤0.02％，O≤0.02％，N≤0.02％，余量为Fe和不可避免的杂质，所述杂质含量≤0.5％；其制备方法：真空感应熔炼并浇铸电极、电渣重熔、热锻、方坯锭局部修磨、热轧、在线温度补偿、热轧盘条。该镍基气阀合金具有高温持久强度、抗高温氧化、高耐磨、抗高温腐蚀性能。

Description

一种镍基气阀合金及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种金属材料及其制备方法，特别是一种镍基气阀合金及其制备方法。

背景技术

气阀钢经历了碳钢和低合金钢──硅铬型不锈钢──а相合金──奥氏体型耐热钢等多个发展阶段。近几十年来，发动机(内燃机)技术的高速发展，如：汽油机直喷技术、可变气门定时技术、可变进气管、燃烧速率控制滑片、可变排量技术、高压共轨直喷柴油机等，其负荷较以前要求更高，使得气阀钢的工作温度提高、承受压力增大、燃气腐蚀严重、气阀锥面往复运动加速了磨损，气阀工况越来越苛刻，这些因素一定程度上推动了气阀钢及气阀合金的迅速发展。

Nimonic80A和Inconel751合金材料是在Cr20Ni80合金基础上发展起来的镍基合金，在气阀上获得了较为广泛的应用。专利CN103451559A《一种气阀合金材料及其制造方法》中涉及的合金，含镍量较低，受制于其高温性能的局限，只能部分取代Nimonic80A和Inconel751气阀合金，上述三种合金在室温下有着良好的力学性能，但高温性能受其元素成份的限制，不能满足850℃工作条件下气阀合金长期工作的性能要求。

专利CN102808111A《一种排气阀用镍基高温合金的制备方法》中涉及的镍基合金，含碳量大于0.1％且Cr元素含量较低，合金中的碳化物容易在晶界处偏聚而影响合金的晶界耐高温腐蚀性能和抗裂纹扩展能力，而低含量的Cr元素将直接影响到气阀在高温下的耐腐蚀能力。

专利CN102605214A《一种新型内燃机排气阀用镍基合金》涉及的镍基合金，充分考虑了碳含量和Cr元素的含量，但缺少高温合金元素的加入，这影响了气阀高温工作环境下的耐磨性能和强度。

研制开发具有高温持久强度、抗高温氧化、高耐磨、抗高温腐蚀综合性能优越的高性能镍基气阀合金，已成为我国发动机(内燃机)发展急需。

根据气阀的工作状态，气阀在燃烧室内部高温环境下进行往复运动，其失效的方式主要有：气阀变形，气阀表面磨损，气阀表面出现裂纹，气阀在汽缸内受高温气体腐蚀等，尤其是高镍基合金在工作时容易被氧化和腐蚀，导致气阀失效。此外，在使用中，气阀表面裂纹产生和扩展也是其失效的一个重要原因。

发明内容

本发明的目的是提供一种新型镍基气阀合金，以获得综合性能优异的气阀，满足先进发动机(内燃机)的使用工况要求，解决现有技术的材料不能满足需要的问题。

为实现发明的目的，本发明采用的技术方案如下：

一种镍基气阀合金，其特征在于，化学成分按照重量百分比，含有Ni：55.0～60.0％，Cr：20.0～25.0％，C：0.01～0.05％，Al：1.0～3.0％，Ti：1.0～3.0％，W：0.5～1.5％，Nb：0.5～1.5％，Mo：0.5～1.5％，Y：0.05～0.20％，Hf：0.05～0.20％，B：0.001～0.005％，S≤0.02％，P≤0.02％，O≤0.02％，N≤0.02％，余量为Fe和不可避免的杂质，所述杂质含量≤0.5％。

优选，所述镍基气阀合金化学成分按照重量百分比，含有Ni：55％，Cr：20％，C：0.03％，Al：1.9％，Ti：2.4％，W：1.2％，Nb：1.3％，Mo：1.2％，Y：0.09％，Hf：0.12％，B：0.004％，S≤0.02％，P≤0.02％，O≤0.02％，N≤0.02％，余量为Fe和不可避免的杂质，所述杂质含量≤0.5％。

优选，所述镍基气阀合金化学成分按照重量百分比，含有Ni：60％，Cr：25％，C：0.02％，Al：1.7％，Ti：2.3％，W：1.4％，Nb：1.5％，Mo：1.0％，Y：0.08％，Hf：0.08％，B：0.004％，S≤0.02％，P≤0.02％，O≤0.02％，N≤0.02％，余量为Fe和不可避免的杂质，所述杂质含量≤0.5％。

优选，所述镍基气阀合金化学成分按照重量百分比，含有Ni：58％，Cr：23％.，C：0.04％，Al：1.8％，Ti：2.6％，W：1.0％，Nb：1.4％，Mo：1.1％，Y：0.1％，Hf：0.06％，B：0.003％，S≤0.02％，P≤0.02％，O≤0.02％，N≤0.02％，余量为Fe和不可避免的杂质，所述杂质含量≤0.5％。

优选，所述镍基气阀合金化学成分按照重量百分比，含有Ni：57％，Cr：24％，C：0.03％，Al：2.1％，Ti：2.5％，W：1.5％，Nb：1.2％，Mo：0.8％，Y：0.11％，Hf：0.08％，B：0.002％，S≤0.02％，P≤0.02％，O≤0.02％，N≤0.02％，余量为Fe和不可避免的杂质，所述杂质含量≤0.5％。

本发明涉及的镍基气阀合金，含C元素组份须严格控制，微量的C元素可形成强化的复合碳化物，以提高合金的硬度和耐磨性，但C元素过高则可导致碳化物在晶界处富集，尤其在气阀表层，不利于抑制气阀表面裂纹的萌生和扩展，故C元素含量选取0.01质量％为下限，0.05质量％为上限。

本发明涉及的镍基气阀合金，Al、Ti两种元素，部分Ni参与形成Ni3(Al，Ti)金属间化合物γ′相，所述Ti元素含量大于Al元素含量，以保证获得充分的强化相；Al元素的含量不大于3质量％，且Al+Ti不大于5质量％，以限制其对合金热成型时产生裂纹的影响。

本发明涉及的镍基气阀合金，W元素含量为0.5质量％以上且1.5质量％以下，Mo元素含量为0.5质量％以上且1.5质量％以下；过高的Mo+W含量将增加合金热成型难度，故Mo元素和W元素的加入量，即Mo+W总量小于2.5质量％，其含量达到相互协同，提高合金的高温强度和持久强度。

本发明涉及的镍基气阀合金，所加Nb元素能促进γ′相的析出，延缓γ′相的聚集长大过程，提高合金的高温强度。过高的Nb元素不仅严重损失合金的抗氧化性能，而且与Ni易生成Ni3Nb型δ相并主要在晶界析出，较多的δ相析出会导致合金基体弱化，强度下降，并为裂纹的萌生和扩展提供通道，少量的δ相可以钉扎在晶界，阻止裂纹的萌生和扩展。因此Nb元素含量为0.5质量％以上且1.5质量％以下。

本发明涉及的镍基气阀合金，添加20质量％以上且25质量％以下的Cr元素，足够的Cr元素含量与Ni形成固溶体，确保了合金的基体强度，且高的Cr含量更易于气阀合金在高温下使用产生致密的氧化层，提高气阀的抗高温氧化性和抗高温耐腐蚀性。

本发明涉及的镍基气阀合金，Y元素含量选取0.05质量％为下限且0.2质量％为上限，特定比例的Y元素与Al、Ti、Cr等元素在700℃以上使用时，合金表面形成致密的氧化膜，合金具有优越的抗高温氧化性，且在气阀使用过程中防止诸如油或燃料等附着物与气阀合金表面彼此反应变成裂纹点的细小腐蚀新生异物的生成，从而进一步抑制裂纹的产生。

本发明涉及的镍基气阀合金，微量的B元素可起到细化晶粒效果，改善耐晶间腐蚀性能，微量硼的加入还可提高气阀合金的热塑性，改善热加工性，B元素的含量为0.001质量％以上且0.005质量％以下。

本发明涉及的镍基气阀合金，微量的Hf元素含量为0.05质量％以上且0.2质量％以下，一方面可以起到细化气阀合金晶粒的作用，另一下方面，Hf还可以提高气阀合金的耐高温抗腐蚀性能，减缓晶界附近的扩散过程及稳定晶界微量相形态，能抑制晶界片层状、胞状析出相以及改善碳化物密集不均匀分布的状态。

本发明涉及的镍基气阀合金，Fe元素对气阀基体可起到是固溶强化作用，与其它元素形成化合物，强化基体金属，本发明中，Fe元素的加入可降低气阀合金的制备成本。

本发明涉及的镍基气阀合金，S小于0.02质量％，P小于0.02质量％，O小于0.02质量％，N小于0.02质量％，且杂质总量小于0.5质量％。

本发明还公开了上述镍基气阀合金的制备方法，依顺序包括如下步骤：真空感应熔炼并浇铸电极、电渣重熔、热锻、方坯锭局部修磨、热轧、在线温度补偿、热轧盘条。在线温度补偿步骤中，采用中频感应加热，确保气阀合金的温度在热轧工艺规范范围(1130℃-1200℃)，轧制过程中实时在线监测合金的温度，通过控制轧制速率保持轧制线上镍基气阀合金的温度。

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；通过添加W、Mo、Nb提高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及合金的基体强度，通过添加Y改善合金氧化层的结构，使合金在使用过程中产生的氧化膜的更加致密，进一步提升了合金的耐高温氧化性能和耐腐蚀性能；通过添加Hf细化合金晶粒，还可提高气阀合金的耐高温抗腐蚀性能；通过添加微量的B可起到细化合金组织，改善耐晶间腐蚀性能，微量B的加入还可提高气阀合金的热塑性，改善合金的热加工性；通过添加适量的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发动机(内燃机)气阀的优良材料。

具体实施方式

下面结合具体实施例，进一步阐明本发明，应理解这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。

实施例1，一种镍基气阀合金，化学成分按照重量百分比，含有Ni：55％，Cr：20％，C：0.03％，Al：1.9％，Ti：2.4％，W：1.2％，Nb：1.3％，Mo：1.2％，Y：0.09％，Hf：0.12％，B：0.004％，S≤0.02％，P≤0.02％，O≤0.02％，N≤0.02％，余量为Fe和不可避免的杂质，所述杂质含量≤0.5％。

实施例2，一种镍基气阀合金，化学成分按照重量百分比，含有Ni：60％，Cr：25％，C：0.02％，Al：1.7％，Ti：2.3％，W：1.4％，Nb：1.5％，Mo：1.0％，Y：0.08％，Hf：0.08％，B：0.004％，S≤0.02％，P≤0.02％，O≤0.02％，N≤0.02％，余量为Fe和不可避免的杂质，所述杂质含量≤0.5％。

实施例3，一种镍基气阀合金，化学成分按照重量百分比，含有Ni：58％，Cr：23％.，C：0.04％，Al：1.8％，Ti：2.6％，W：1.0％，Nb：1.4％，Mo：1.1％，Y：0.1％，Hf：0.06％，B：0.003％，S≤0.02％，P≤0.02％，O≤0.02％，N≤0.02％，余量为Fe和不可避免的杂质，所述杂质含量≤0.5％。

实施例4，一种镍基气阀合金，化学成分按照重量百分比，含有Ni：57％，Cr：24％，C：0.03％，Al：2.1％，Ti：2.5％，W：1.5％，Nb：1.2％，Mo：0.8％，Y：0.11％，Hf：0.08％，B：0.002％，S≤0.02％，P≤0.02％，O≤0.02％，N≤0.02％，余量为Fe和不可避免的杂质，所述杂质含量≤0.5％。

实施例5，一种镍基气阀合金，化学成分按照重量百分比，含有Ni：56％，Cr：24％.，C：0.03％，Al：1.5％，Ti：2.8％，W：0.8％，Nb：0.9％，Mo：1.5％，Y：0.08％，Hf：0.14％，B：0.003％，S≤0.02％，P≤0.02％，O≤0.02％，N≤0.02％，余量为Fe和不可避免的杂质，所述杂质含量≤0.5％。

本发明还公开了上述实施例1-5中的镍基气阀合金的制备方法，依顺序包括如下步骤：真空感应熔炼并浇铸电极、电渣重熔、热锻、方坯锭局部修磨、热轧、在线温度补偿、热轧盘条。在线温度补偿步骤中，采用中频感应加热，确保气阀合金的温度在热轧工艺规范范围(1130℃-1200℃)，轧制过程中实时在线监测合金的温度，通过控制轧制速率保持轧制线上镍基气阀合金的温度。

本发明实施例1-5中的合金经适当热处理后其性能指标见表1所示。

表1 合金成份及对应的性能指标

注：合金试样在880℃的空气下进行100h氧化后测定其增重。

从以上实施例的实验结果可看出，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高温氧化性能和长期组织稳定性，所以该类合金十分适用于制作发动机(内燃机)的气阀。

申请人声明，本发明通过上述制备工艺来说明本发明的工艺流程，但本发明并不局限于上述详细工艺流程。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

1.一种镍基气阀合金，其特征在于，化学成分按照重量百分比，含有Ni：55.0～60.0％，Cr：20.0～25.0％，C：0.01～0.05％，Al：1.0～3.0％，Ti：1.0～3.0％，W：0.5～1.5％，Nb：0.5～1.5％，Mo：0.5～1.5％，Y：0.05～0.20％，Hf：0.05～0.20％，B：0.001～0.005％，S≤0.02％，P≤0.02％，O≤0.02％，N≤0.02％，余量为Fe和不可避免的杂质，所述杂质含量≤0.5％。

2.根据权利要求1所述的镍基气阀合金，其特征在于，化学成分按照重量百分比，含有Ni：55％，Cr：20％，C：0.03％，Al：1.9％，Ti：2.4％，W：1.2％，Nb：1.3％，Mo：1.2％，Y：0.09％，Hf：0.12％，B：0.004％，S≤0.02％，P≤0.02％，O≤0.02％，N≤0.02％，余量为Fe和不可避免的杂质，所述杂质含量≤0.5％。

3.根据权利要求1所述的镍基气阀合金，其特征在于，化学成分按照重量百分比，含有Ni：60％，Cr：25％，C：0.02％，Al：1.7％，Ti：2.3％，W：1.4％，Nb：1.5％，Mo：1.0％，Y：0.08％，Hf：0.08％，B：0.004％，S≤0.02％，P≤0.02％，O≤0.02％，N≤0.02％，余量为Fe和不可避免的杂质，所述杂质含量≤0.5％。

4.根据权利要求1所述的镍基气阀合金，其特征在于，化学成分按照重量百分比，含有Ni：58％，Cr：23％.，C：0.04％，Al：1.8％，Ti：2.6％，W：1.0％，Nb：1.4％，Mo：1.1％，Y：0.1％，Hf：0.06％，B：0.003％，S≤0.02％，P≤0.02％，O≤0.02％，N≤0.02％，余量为Fe和不可避免的杂质，所述杂质含量≤0.5％。

5.根据权利要求1所述的镍基气阀合金，其特征在于，化学成分按照重量百分比，含有Ni：57％，Cr：24％，C：0.03％，Al：2.1％，Ti：2.5％，W：1.5％，Nb：1.2％，Mo：0.8％，Y：0.11％，Hf：0.08％，B：0.002％，S≤0.02％，P≤0.02％，O≤0.02％，N≤0.02％，余量为Fe和不可避免的杂质，所述杂质含量≤0.5％。

6.一种根据权利要求1-5任一所述的镍基气阀合金的制备方法，其特征在于，依顺序包括如下步骤：真空感应熔炼并浇铸电极、电渣重熔、热锻、方坯锭局部修磨、热轧、在线温度补偿、热轧盘条。

7.根据权利要求6所述的镍基气阀合金的制备方法，其特征在于，在线温度补偿步骤中，采用中频感应加热，确保气阀合金的温度在热轧工艺规范范围(1130℃-1200℃)，轧制过程中实时在线监测合金的温度，通过控制轧制速率保持轧制线上镍基气阀合金的温度。