CN108193142A

CN108193142A - 一种高硬度合金气阀及其制备方法

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Publication number: CN108193142A
Application number: CN201711437693.0A
Authority: CN
Inventors: 王立民; 程杰锋; 李�权; 何西扣; 赵吉庆; 包汉生; 杨钢; 刘正东
Original assignee: Central Iron and Steel Research Institute
Current assignee: Central Iron and Steel Research Institute
Priority date: 2017-12-26
Filing date: 2017-12-26
Publication date: 2018-06-22
Anticipated expiration: 2037-12-26
Also published as: CN108193142B

Abstract

一种高硬度合金气阀及其制备方法，属于机械制造技术领域。合金的化学成分重量百分比为：C：0.03～0.10％，Si：≤0.40％，Mn：≤0.60％，P：≤0.020％，S：≤0.020％，Cr：21.00～25.00％，Ni：25.00～30.00％，Al：0.70～3.00％，Ti：2.00～4.00％，6.50％≥(Al+Ti)≥3.50％，Nb：0.80～3.00％，V：0.20～0.60％，其余为Fe和不可避免的杂质。采用电弧炉+AOD或电弧炉+VOD冶炼。气阀合金锻造成方坯后在高速线材生产线上进行轧制。轧制过程中当工件表面温度超过1100℃时，进行喷水冷却。轧后水冷。银亮棒下料时保证长径比为15～20，感应加热：1100℃～1130℃，电镦时镦粗力为15KN～25KN，电镦时气阀盘部最大变形量为1400％～1500％，电镦后时效处理。优点在于，成本更低，硬度更高。

Description

一种高硬度合金气阀及其制备方法

技术领域

本发明属于机械制造技术领域，特别涉及一种低成本高硬度合金气阀及其制备方法，适用于制造舰船、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

气阀又称气门，是内燃机中非常重要的零部件，它的作用是专门负责向发动机内输入空气并排出燃烧后的废气。从发动机结构上，分为进气门(intake valve)和排气门(exhaust valve)。进气门的作用是将空气吸入发动机内，与燃料混合燃烧；排气门的作用是将燃烧后的废气排出并散热。气门是由气门头部和杆部组成。气门头部温度很高(进气门570～670K，排气门1050～1200K)，而且还承受气体的压力、气门弹簧的作用力和传动组件惯性力，其润滑、冷却条件差，要求气门必须有一定强度、刚度、耐热和耐磨性能。进气门一般采用合金钢(铬钢、镍铬钢)，排气门采用耐热合金。有时为了省耐热合金，排气门头部用耐热合金，而杆部用铬钢，然后将两者焊接起来。气门头部的形状有平顶、球面顶和喇叭顶等。一般是使用平顶的。平顶气门头部结构简单、制造方便、吸热面积小、质量较小、进排气门都可以使用。球面顶气门适用于排气门，其强度高、排气阻力小、废气消除效果好，但其受热面积大，质量和惯性大、加工复杂。喇叭型有一定的流线型，可减少进气阻力，但其头部受热面积大，只适合进气门。

制造气阀的材质称为气阀钢或者气阀合金，内燃机的气阀通常由气阀钢制成，但对于一些高负荷的柴油机，排气门通常采用气阀合金。为了满足不同类型内燃机的需求，世界发达国家逐步开发出各类新型气阀钢。纵观气阀材料的发展历程，气阀钢经历了碳钢和低合金钢-硅铬型不锈钢-α相合金-奥氏体型耐热钢等多个发展阶段。我国在上世纪六十年代先后为上海柴油机厂的135Z型柴油机研制了无铬的Fe-Al-Mn系列马氏体气阀钢；六十年代末到七十年代初期，为解放牌、东风牌载重汽车和东方红牌内燃机车研制了Fe-Al-Mn奥氏体气阀钢TF1、TF2、TF3；为390E型柴油机研制了LF钢。70年代中期，二汽的6102型汽油机采用21-4N(5Cr21Mn9Ni4N)作排气阀，拉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，大量引进国外先进机型、车型，进一步推动了国外气阀钢国产化的进程，所涉及的钢种有:21-4N、21-2N、21-4NWNb、21-12N、23-8N、4Cr9Si3、5Cr8Si2^[23]、XB、9Cr18Mo2V、ResisTEL、VMS-513、Inconel 751等。在此期间，钢铁研究总院、重庆特殊钢厂、上海内燃机研究所共同研制了一种新型高碳马氏体气阀钢MF811(9Cr18W2VRE)，其性能优于美国牌号XB(8Cr20Si2Ni)，与德国牌号X85CrMoV182(即9Cr18Mo2V)相比，其工艺性能好、成材率高、成本低。二十世纪八、九十年代国内先后开发了5Cr8Si2、5Cr9Si3、9Cr18Mo2V等性能更佳、成本更低的马氏体气阀钢，5Cr8Si2钢是中碳马氏体气阀钢，已被纳入国际标准ISO683-15(1992E)，用于取代原来的4Cr9Si2钢和4Cr10Si2Mo钢，该钢种的淬硬性较高，适用于对耐磨性要求高的进气阀及摩擦焊结构排气阀的阀杆。马氏体气阀钢虽然热处理后可以得到较高的硬度，但其高温性能不足，抗氧化烧蚀能力较弱，所以虽然目前在国内以及国际上仍然大量应用，但都是用来制造低负荷内燃机的进气门或者排气门的气门杆。

基体为奥氏体组织的耐热钢通常称为奥氏体气阀钢。这类钢含有的镍、锰、氮等元素较多，这些都是奥氏体的形成元素，在600℃以上具有较好的组织稳定性以及高温强度，其焊接性能较好。按其合金元素组成可分为铬-镍、铬-镍-氮、铬-锰-镍-氮、铬-锰-氮、铁-锰-铝等不同系列。早在1934年德国首次发表了铁-锰-铝-铁相图，发现了碳-铁-锰-铝系存在一个稳定的奥氏体相之后，铁-锰-铝系奥氏体耐热钢的研究逐渐得到重视。二十世纪六十年代，为了节约镍铬，国内进行了铁-锰-铝系耐热钢的研究，中国牌号6Mn18A15SiMoTi、6Mn18A15SiMoV气阀钢在国内曾得到了应用和推广。奥氏体气阀钢高温性能较好，加工性能稍差，成本适中，适用于中高负荷的排气阀。

气阀合金主要指镍基高温合金和铁镍基高温合金，镍基高温合金是20世纪40年代开始研制的。英国于1941年首先生产出镍基合金Nimonic 75。为了提高蠕变强度，添加了铝和钛，从而研制出了Nimonic 80。美国在Inconel X-750合金的基础上增加了铝含量研制出了Inconel 751气阀合金。镍基高温合金得到广泛应用主要由于：(1)镍基合金组织稳定性较好；(2)能够形成有序共格的A₃B型金属间化合物γ’[Ni₃(Al，Ti)]相作为强化相，从而使合金得到有效的强化；(3)含铬的镍基合金不会消耗金属基体铬，使基体中具有较高的铬含量，抗腐蚀性能好，具有比耐热钢更好的抗燃气腐蚀和抗氧化能力。根据强化作用方式可以分为：(1)添加了钨、钼、铌等元素的固溶强化合金；(2)添加了铝、钛、铌和钒等元素的时效强化合金。Nimonic 80A和Inconel 751是目前国际上也是国内应用最多的两种气阀合金，但这两种气阀合金对于非金属夹杂物控制以及合金的冶金质量要求很高，通常要经过电渣重熔冶炼，一方面增加了气阀合金的生产成本，另一反面，由于这两种合金含镍量较高(均超过65％)，原材料成分较高，所以导致这两种气阀合金的使用成本大大增加。

为了节省成本，内燃机气阀的制造通常采用头部为奥氏体气阀钢或气阀合金，杆部焊接成本较低的马氏体气阀钢。然后对合金头部进行电镦，也就是局部加热，锻造成型，再进行切削加工，将头部车削成型，杆根部切出卡槽。再对整体进行热处理，调整热处理工艺是气阀整体达到理想的性能。有的气阀需要在盘面堆焊一层耐磨合金，以进一步增加气阀的使用寿命。对于耐磨性较好的气阀钢或合金，则不需要堆焊，而是直接在盘面镀铬或氮化，以增加其耐蚀性和硬度。对于高档汽车的排气阀，由于发动机功率较高，排气温度也高，目前的气阀钢及气阀合金使用受到限制，需要对气阀进行进一步冷却，这是采用了中空充钠的气阀，以达到更好的散热效果，保证气阀的正常工作。对于气阀的强度和硬度，除了其化学成分对其有较大影响外，电镦工艺以及热处理制度也强烈影响气阀的力学性能。

发明内容

本发明的目的在于提供一种低成本高硬度合金气阀及其制备方法，该合金及方法与传统的气阀合金及方法相比，具有成本更低、硬度更高的特点。

为了达到上述目的，本发明是这样实现的：

本发明气阀的材料为铁基高温合金，成分为：C：0.03～0.10％，Si：≤0.40％，Mn：≤0.60％，P：≤0.020％，S：≤0.020％，Cr：21.00～25.00％，Ni：25.00～30.00％，Al：0.70～3.00％，Ti：2.00～4.00％，(6.50％≥Al+Ti≥3.50％)，Nb：0.80～3.00％，V：0.20～0.60％，其余为Fe和不可避免的杂质。其中对铝和钛的总量进行控制是为了保证具有较高的铝和钛的总含量，以保证合金热处理后能生成更多的γ’相而具有更高的强度和硬度。

该气阀合金采用电弧炉+AOD(氩氧精炼法脱碳)或电弧炉+VOD(真空吹氧脱碳)冶炼。电弧炉冶炼的原料由55％～60％的奥氏体不锈钢，25％～30％的镍基高温合金，10％～15％的铁基高温合金返回料以及1％～5％纯金属组成。浇注后的钢锭在压力为6000吨的油压机上进行开坯、锻造。锻造成方坯后在高速线材生产线上进行轧制。轧制过程中当工件表面温度超过1100℃时，进行喷水冷却。轧后水冷。

轧制后经过固溶、开卷、剥皮、矫直、磨光之后，形成银亮气阀钢棒。银亮棒经过下料、感应加热，然后进行电镦。下料时保证长径比为15～20，感应加热温度为1100℃～1130℃，电镦的模具材质为H13，电镦时镦粗力为15KN～25KN，电镦时气阀盘部最大变形量为1400％～1500％((电镦后盘部横截最大面积-电镦前棒材横截面积)/电镦前棒材横截面积)。电镦后进行时效处理，(720℃～730℃)×(6h～8h)，水冷。时效处理后的气阀毛坯经过车削、磨光、镀铬形成气阀成品。

本发明的关键在于：一方面通过选择合适的冶炼方法和原材料种类，降低了气阀合金的加工成本和原材料成本；另一方面，采用适当的电镦工艺和热处理工艺，使气阀获得了更高的硬度。

气阀钢的冶炼方法通常为电弧炉+炉外精炼，而气阀合金由于合金元素含量高，对合金的冶金质量和组织要求也较高，通常要经过电渣重熔方法进行冶炼，对于冶金质量要求高的合金，在电渣重熔之前还要进行真空感应冶炼，如Nimonic 80A和Inconel751镍基合金都需进行电渣重熔。为保证气阀合金的纯净度和冶金质量，对于炼钢的原材料要求也较高，有时需要采用纯金属作为原材料，如金属铬、金属镍等。而纯金属价格昂贵，导致气阀合金原材料成本大幅度增加。冶炼过程中采用废钢作为原料可以大大降低气阀的原材料成本。气阀合金由于有电渣重熔工序，加工费用也比一般气阀钢要高很多。电渣重熔的加工费用在3000～5000元/吨，而AOD和VOD的加工费用则很低，大约在800～1000元/吨，因此，冶炼方法由电渣重熔改为炉外精炼，会降低气阀的加工成本，使其价格更具竞争力。本发明中的气阀合金属于Al、Ti强化型铁基高温合金，在使用过程中需要进行时效处理才能保证具有最佳的强度和硬度。该气阀合金在电镦前进行过固溶处理，一方面释放了热轧过程中产生的变形应力。另一方面使合金的组织更加均匀，并促进高温轧制阶段析出的第二相回溶，以便在后续的过程中更加细小、弥散第析出。在气阀的制作过程中，需要采用电镦工艺对气阀合金进行初步成型，然后直接进行时效处理，以增加气阀的强度和硬度。电镦工艺尤其是变形量和变形温度，对后续时效后气阀的强度和硬度有直接影响。变形量越大，时效后气阀的强度和硬度也越高，这是因为电镦时合金内部应力的存在会促进时效过程中强化相γ’相，即Ni₃(Al,Ti)相析出。而电镦温度则影响气阀的表面质量，温度过低，合金抗力增大，形成锻造裂纹。电镦温度过高，合金内部引起过烧，造成晶界烧蚀，气阀开裂、报废。本发明中的气阀合金在热加工过程中需要严格控制热变形温度，在轧制阶段也是如此，当轧制过程中温升过快或者工件表面温度过高时，要及时进行冷却处理，保证合金处于比较理想的热加工温度范围内。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

通过采用电弧炉+AOD(氩氧精炼法脱碳)或电弧炉+VOD(真空吹氧脱碳)冶炼，降低了气阀的冶炼加工成本；大部分采用废钢作为原材料进一步降低了气阀的原材料成分；通过控制气阀电镦过程中的温度、变形量以及时效过程中的时效温度和时间，加工后的气阀具有更高的硬度。

具体实施方式

下面结合一组典型实施例对本发明作进一步说明。

本实施例中采用电弧炉+AOD和电弧炉+VOD各冶炼3炉气阀合金，采用的原材料配比见表1。气阀合金属于铁基高温合金，并含有较高含量的镍和铬，所以原材料以奥氏体钢为主，奥氏体钢中含有较高含量的镍和铬。其次不足的镍由加入的部分镍基合金来提供，另外合金中其他的主要元素，如铝、钛、铌和钒等可以通过添加部分的纯金属来满足要求。最大限度的采用废钢作为原材料降低了合金的原材料成本，而且炉外精炼工艺也比电渣重熔的加工费用低，制得的气阀价格更有优势。冶炼的6炉气阀合金的化学成分见表2。

冶炼后经过浇注形成的合金锭首先在加热炉中加热，加热温度为1140℃～1150℃。然后在6000吨油压机上进行开坯、锻造，开锻温度为1140℃～1150℃，终锻温度≥920℃。锻造成160mm×160mm的方形锻坯。锻坯经过表面打磨、精整后进入加热炉加热，加热温度为1140℃～1150℃，开始轧制温度为1140℃～1150℃。在高速轧制阶段，监测线材表面温度，当线材表面温度≥1120℃时进行喷水冷却，终轧温度≥920℃，轧后水冷。本发明中的气阀合金在1160℃附近热变形会产生红脆性，而连轧过程中由于轧制速度快，线材内部温度会升高，若线材内部温度达到1160℃，便会在线材内部开裂，形成裂纹，在实际生产中发生过这种现象，因此，必须对轧制过程进行喷水冷却，防止线材内部温度过高。若轧制温度较低，该合金热塑性降低，在较大轧制力下也会导致线材表面出现裂纹，不同轧制工艺参数与线材表面和内部质量的关系见表3。

轧制后的线材卷成盘圆，每盘重1吨～1.5吨。盘圆在环形炉中进行固溶处理，固溶温度为1000℃～1100℃，固溶后水冷。固溶后的盘圆经过开卷、剥皮后进行磨削，磨削后形成气阀合金银亮棒。银亮棒经过下料后，在一端进行感应加热，然后进行电镦。下料时保证长径比(长度与直径之比)为15～20，感应加热温度为1120℃～1130℃，电镦的模具材质为H13，电镦时镦粗力为15KN～25KN，电镦时气阀盘部最大变形量为1400％～1500％((电镦后盘部横截面最大面积-电镦前棒材横截面积)/电镦前棒材横截面积)。电镦后进行时效处理，(720℃～730℃)×(6h～8h)，水冷。时效处理后的气阀毛坯经过车削、磨光、镀铬形成气阀成品。由于气阀是电镦后直接时效，所以电镦的变形量与后面的时效温度直接影响气阀的强度和硬度，变形量越大，时效后气阀的硬度和强度越高，使用寿命越长。但变形量太大，超过气阀合金在该温度下允许的最大变形量，在电镦过程中会造成气阀毛坯开裂。电镦时的工艺参数与制得的气阀的硬度见表4。气阀的硬度与气阀的使用寿命直接相关，也是衡量气阀性能优良的重要参数。从表4中可以看出，本发明的气阀合金在最大变形量为1400％～1500％，经过(720℃～730℃)×(6h～8h)时效处理后具有超过HRC45的硬度。变形量小，时效后的硬度较低。

表1本发明实施例气阀合金冶炼原材料配比

表2本发明实施例化学成分(wt％)

表3轧制工艺参数与气阀合金线材内部质量及表面质量关系

表4本发明实施例电镦工艺参数与气阀的硬度关系

Claims

1.一种高硬度合金气阀，其特征在于，气阀合金化学成分按重量百分比为：C：0.03～0.10％，Si：≤0.40％，Mn：≤0.60％，P：≤0.020％，S：≤0.020％，Cr：21.00～25.00％，Ni：25.00～30.00％，Al：0.70～3.00％，Ti：2.00～4.00％，Nb：0.80～3.00％，V：0.20～0.60％，并且，6.50％≥(Al+Ti)≥3.50％，其余为Fe和不可避免的杂质。

2.一种权利要求1所述的高硬度合金气阀的制备方法，特征在于，采用电弧炉+AOD或电弧炉+VOD冶炼；

冶炼的原料由55％～60％的奥氏体不锈钢，25％～30％的镍基高温合金，10％～15％的铁基高温合金返回料以及1％～5％纯金属；

气阀合金锻造成方坯后在高速线材生产线上进行轧制，轧制过程中当工件表面温度超过1100℃时，进行喷水冷却，轧后水冷；

轧制后经过固溶、开卷、剥皮、矫直、磨光之后，形成银亮气阀钢棒；银亮气阀钢棒经过下料、感应加热，然后进行电镦；下料时保证长径比为15～20，感应加热温度为1100℃～1130℃，电镦的模具材质为H13，电镦时镦粗力为15KN～25KN，电镦时气阀盘部最大变形量为1400％～1500％；电镦后进行时效处理，温度：720℃～730℃，时间6h～8h，水冷；时效处理后的气阀毛坯经过车削、磨光、镀铬形成气阀成品。