CN109112407A

CN109112407A - 一种高性能气阀钢及制备方法

Info

Publication number: CN109112407A
Application number: CN201811117605.3A
Authority: CN
Inventors: 陈帆; 陈煜豪; 陈龙闽
Original assignee: Jiangxi Zhangshu Xinglong Special Steel Co Ltd
Current assignee: Zhangshu Xinglonggao New Materials Co., Ltd.
Priority date: 2018-09-21
Filing date: 2018-09-21
Publication date: 2019-01-01
Anticipated expiration: 2038-09-21
Also published as: CN109112407B

Abstract

一种高性能气阀钢，其特征在于：以重量百分比含有：碳(C)：0.01‑0.45％；硅(Si)：1.2‑2.7％；锰(Mn)：6.5‑9.5％；磷(P)：小于0.03％；硫(S)：小于0.025％；铬(Cr)：1.5‑3.5％；氮(N)：0.32‑0.55％；钒(V)0.1‑0.5％％；钛(Ti)≦0.5％；铌(Nb)≦0.5％；钼(Mo)≦2％；铜(Cu)≦2％；稀土元素≦0.1％；余量为铁(Fe)和不可避免的杂质。

Description

一种高性能气阀钢及制备方法

技术领域

本发明涉及一种特种钢，尤其涉及气阀钢。

背景技术

气阀钢是制造汽油发动机和柴油发动机的必用材料，发动机是汽车、拖拉机、内燃机车、船舰、工程机械、坦克、活动电站的动力，气阀则是发动机的关键零件，气阀钢也是整个发动机中的关键材料，在交通动力机械领域的重要性很大。气阀钢的生产在特殊钢中是一个专业性很强的领域，虽然数量不是很大，但其工作条件恶劣，通常都在高温、高压、高冲刷和高磨蚀的条件下工作，因而对气阀钢的性能要求较高，基本上要达到热强度高，热硬性好，疲劳强度高，耐磨性和抗腐蚀好。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——耐热马氏体钢等多个发展阶段。目前，国内外使用最多的是奥氏体型耐热钢，其中以53Cr21Mn9Ni4N(21-4N)、5Cr20Mn8Ni2N(21-2N)、33Cr23Ni8Mn3N(23-8N)、85Cr18Mo2V为主。

85Cr18Mo2V是国标GB/T12773-2008内燃机气阀用钢及合金棒材中马氏体气阀钢中的一种，以重量百分计含有以下成分：C：0.80～0.90％；Si：≤1.00％；Mn：≤1.50％；P：≤0.040％；S≤0.030％；Cr：16.50～18.50％；Mo：2.00～2.50％；V：0.30～0.60％；Cu：≤0.30％；余量为Fe和不可避免的杂质元素。其主要应用于制造重型或高负荷内燃机车的进气阀，高碳马氏体气阀钢85Cr18Mo2V是在80Cr20Si2Ni(美国钢号XB，日本钢号SUH4)基础上发展而来。80Cr20Si2Ni在欧美国家在五十年代中期开发应用的，目的是为了提高气阀材料的耐蚀性、耐磨性，但是在特钢厂实际生产中发现，80Cr20Si2Ni钢种塑性差，成材率低，在制阀厂中气阀杆端淬火硬度不能保证≥50HRC。

在现有的专利技术及文献资料中对于高碳马氏体钢种碳化物的改善方法有较多的说明，如专利ZL201410348136.1中指出调控成分和控制热处理工艺改善碳化物形态及分布特点，在专利201010153186.6中指出了一种马氏体气阀钢棒材的生产方法，其中碱洗、酸洗、皮膜剂、润滑剂等化工原料会产生较多的含铬的污染排放物，在环保要求日益严格的今天，该工艺非常不可取，且过程中的轻拉与二辊矫直对85Cr18Mo2V盘条会加重加工硬化现象，使得材料更“脆”且易“断”，影响成材率。

奥氏体气阀钢是上世纪50年代为节镍开发的阀门用奥氏体时效钢，目前国内外用于制造汽车、摩托车发动机排气阀应用最广的钢号。它是以奥氏体为基体，以碳、氮化合物作为沉淀硬化相弥散分布以获得足够的高温强度、韧性、较高的硬度、耐磨性以及在冷热交变条件下组织的稳定性和较好的抗氧化、耐腐蚀性能，在工作温度600～700℃下具有良好的力学性能和高温性能。奥氏体气阀钢中氮含量为0.20～0.50％，按照冶金学上规定基体为奥氏体的钢材氮含量≥0.4％为高氮钢，奥氏体气阀钢可视为中高氮钢，其冶炼方法国内外主要采用感应炉熔炼含氮合金再进行电渣重熔，由于生产成本较高，大部分只是小规模生产，高品质产品主要依赖进口。

发明内容

针对现有技术缺陷，本发明的目的在于提供一种高性能气阀钢。具体技术方案如下：一种高性能气阀钢，其以重量百分比含有：碳(C)：0.01-0.45％；硅(Si)：1.2-2.7％；锰(Mn)：6.5-9.5％；磷(P)：小于0.03％；硫(S)：小于0.025％；铬(Cr)：1.5-3.5％；氮(N)：0.32-0.55％；钒(V)0.1-0.5％％；钛(Ti)≦0.5％；铌(Nb)≦0.5％；钼(Mo)≦2％；铜(Cu)≦2％；稀土元素≦0.1％；余量为铁(Fe)和不可避免的杂质。

上述合金中的组分满足以下公式条件：

C+N≧Cr/8+(Nb+Ti+V)/6，且N/C≧1.2 公式1

Mn+N≧1.5(Cr+Mo) 公式2

具体的：

C:碳是奥氏体形成元素，在高温下使奥氏体相稳定，且增加淬火热处理后的马氏体量。在马氏体量增加时，会高强度化。在C量较大的情况下，因粗大的Cr碳化物析出，耐腐蚀性容易降低。控制其含量为0.01-0.45％，优选为0.12-0.23％。

N：碳氮原子具有相似电子层结构和较小的原子尺寸，钢中氮同样以间隙原子或间隙相的形式存在，氮元素能强烈地扩大奥氏体区并稳定奥氏体，氮的这种作用相当于镍的25倍，且氮溶解引起的固溶强化作用提高不锈钢的强度。氮原子能强烈地引起铬、钼等原子周围的短程无序，而在铁、镍原子周围引起的变化很小，这表明氮原子容易在铬、钼等原子周围聚集而形成氮化物，所以不锈钢中加入铬、钼等元素可以提高氮的溶解度。与此相对，在N量增加的情况下，虽然Cr氮化物析出，但与碳化物相比，该氮化物不容易粗大化。N对抗蠕变性能的作用远高于C，C降低断裂韧性,而N对其无显著影响。原因是在蠕变过程中，C的加入使粗大的碳化物Cr₂₃C₆分布于晶粒边界,而N的存在使细小的碳氮化物颗粒弥散于晶粒边界。

本发明通过加入0.32-0.55％N，并控制钢中的C含量，能够使淬火及回火后的钢材在保持高强度的同时，耐腐蚀性的降低保持在最小限度，并具有良好的高温耐蚀性和抗蠕变特效。

优选的，钢中N、C含量满足关系式：

C+N≧Cr/8+(Nb+Ti+V)/6，且N/C≧1.2。

Si：是对提高钢的强度有效的元素，且Si能够有效提高钢在高温下的抗氧化能力，提高在氧化介质之中的耐蚀性。本发明中针对气阀钢工作环境的特点，在成分设计时有目的的提高了钢中Si的含量，提高了钢的高温耐蚀性。硅元素的加入有脱氧效果，当硅以固溶态的形式存在时，它也可以提高基体的屈服强度，但会使材料的韧脆转变温度提高，同时可以在钢的表面上形成致密的SiO₂膜，阻碍酸向钢内部进一步侵蚀。含量为1.2-2.7％，优选为1.8-2.5％。

Mn：奥氏体扩大元素，还能够提高钢的强度和耐蚀性，并且具有增大钢中N的固溶度的效果。本发明中通过增加Mn的含量，扩大了钢中N的固溶度，并通过与N的协同作用，有效的替代了Ni，获得了无Ni的气阀钢，有效的降低了成本。含量为6.5-9.5％，优选为7.2-8.8％。进一步优选的，满足Mn+N≧1.5(Cr+Mo)。

Cr：Cr是不锈钢中最重要的合金元素，对耐蚀性起着决定作用。本发明中通过Mn、N的配合加入有效提高了钢的奥氏体化能力和耐蚀性，从而可以降低钢中Cr的含量，从而达到了降低生产成本的目的。含量为1.5-3.5％，优选为2.2-3.0％。

Ti、Nb、V：是强碳化物和氮化物形成元素，在本发明中与C、N配合能够有效的提高钢的强度和硬度，并提高钢的抗蠕变性能。

RE：由于其熔点高于碳化物的熔点，在钢液凝固钱优先析出，降低钢液凝固时对碳化物形成速率和抑制后续热加工处理时碳化物析出，改善了钢的组织。

Mo：铁素体形成的元素，在马氏体钢种，除了改善钢的耐蚀性外，主要是提高钢的强度和硬度以及二次硬化效应，还能进一步提高不锈钢对硫酸或还原性介质的耐腐蚀性能。

Cu：在高温下可以固溶到钢中，而低温中的溶解度很低，通过时效处理可以使Cu析出，产生析出相起到第二相强化的作用。同时，Cu的加入能够进一步的提高钢材在高温下的耐蚀性。

本发明中通过加入N替代C，并控制N、C的合理配比，能够使淬火及回火后的钢材在保持高强度的同时，耐腐蚀性的降低保持在最小限度，并具有良好的高温耐蚀性和抗蠕变特效

其次，通过增加Mn的含量，并将Mn、N的合理搭配，降低了钢中的Cr含量，在无Ni低Cr的情况下获得了高性能的马氏体不锈钢，有效的降低了生产成本。同时，Mn的加入提高了合金的耐蚀性。

再次，本发明通过加入Nb、Ti、V强碳、氮化物形成元素，在形成细小弥散强化析出物的同时，提高了钢材的强度和抗蠕变性能。

最后，通过Si、Mn含量的选择提高了钢材的高温氧化性。

本发明中通过合理的调整Mn、N的合理搭配，降低了钢中的Cr含量，在无Ni低Cr的情况下获得了高性能的马氏体不锈钢，有效的降低了生产成本。

其次，通过加入V、Ti在钢中形成金属间碳氮化合物，并通过控制N与V+Ti的比例，在保证N与V、Ti形成金属间化合物的同时，能够起到有效的奥氏体化作用。

本发明中根据合金组分搭配合理的熔炼、铸造和热处理工艺，从而获得了高强硬度、耐蚀性优良的气阀钢。具体的：

步骤1)：采用电炉+LF炉+VOD炉三步法来获得高纯度的，高氮钢材，其中在VOD炉中吹炼，根据气阀钢化学成分进行充氮氩混合气体合金化操作。

步骤2)：熔炼后进行连续铸锭，钢液进入连铸中间包后打开氮气流热喷射器进行加热喷射，防止中间包钢水的再次氧化，提高钢水的纯洁度。

步骤3)：将铸锭按照要求进行锻造或轧制成形后。

步骤4)：实施热处理。首先，将其加热至900-1050℃进行奥氏体化保温，保温后实施淬火，之后将钢材进一步冷却至-60℃～-80℃实施低温处理，最后在进行高温回火，回火温度为450～500℃。

本发明的制备工艺中，通过在VOD中加入含氮气体吹炼，避免了采用含氮合金，节约了成本，减少了杂质含量。同时也不需要采用进一步的电渣重熔增氮，即可获得所需的氮含量，大大缩短大量制造流程。

连续铸造阶段，通过氮气流热喷射器形成了氮气气氛，有效的保护了钢坯。

根据本发明的钢材的组分特点，合理的选择了奥氏体化温度，避免奥氏体化温度过时，析出相的溶解，第二相的强化作用明显减弱，由此降低淬火后的钢材强度和硬度。

由于添加氮元素降低钢的Ms点，淬火获得较多的残余奥氏体，这会导致强硬度降低。因此，本发明进一步选择实施深冷处理。深冷处理后残余奥氏体几乎全部发生转变。

选择合理的回火温度，450～500℃回火时出现二次硬化峰值，由此获得的具有回火索氏体组织的钢材的硬度值达到62HRC以上。

本发明的气阀钢抗拉强度为1250MPa以上，屈服强度950MPa以上，硬度达62HRC以上。

具体实施方式

实施例1-5、对比例B1-5的具体组分见下表1。并均按照以下步骤进行制备：步骤1)根据上述成分设计选择选料，采用电炉+LF炉+VOD炉进行熔炼；

步骤3)：将铸锭按照要求进行锻造或轧制成形后。

步骤4)：实施热处理。首先，进行奥氏体化保温，保温后实施淬火，之后将钢材进一步冷却实施低温处理，最后在进行回火。

表1

对实施例1-5、对比例B1-B5的具体力学性能和高温耐蚀性进行测试，详情见表2。

表2

由表2可以看出，B1由于Si含量低而造成强度和高温耐蚀性不佳，B2由缺少元素Cu而导致高温耐蚀性不佳。B3、B4、B5由于不满足公式的要求，而导致强度、硬度不足。

上面对本发明进行了示例性描述，显然本发明具体实现并不受上述方式限制，只要采用了本发明的方法构思和技术方案进行的各种改进，或未经改进直接应用于其它场合的，均在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种高性能气阀钢，其特征在于：以重量百分比含有：碳(C)：0.01-0.45％；硅(Si)：1.2-2.7％；锰(Mn)：6.5-9.5％；磷(P)：小于0.03％；硫(S)：小于0.025％；铬(Cr)：1.5-3.5％；氮(N)：0.32-0.55％；钒(V)0.1-0.5％％；钛(Ti)≦0.5％；铌(Nb)≦0.5％；钼(Mo)≦2％；铜(Cu)≦2％；稀土元素≦0.1％；余量为铁(Fe)和不可避免的杂质。

2.根据权利要求1所述的高性能气阀钢，其特征在于：C的含量为0.12-0.23％。

3.根据权利要求1所述的高性能气阀钢，其特征在于：Si的含量为1.8-2.5％。

4.根据权利要求1所述的高性能气阀钢，其特征在于：Mn的含量为7.2-8.8％。

5.根据权利要求1-4中任一所述的高性能气阀钢，其特征在于：C、N含量满足C+N≧Cr/8+(Nb+Ti+V)/6，且N/C≧1.2。

6.根据权利要求5所述的高性能气阀钢，其特征在于：Mn+N≧1.5(Cr+Mo)。

7.根据权利要求1所述的高性能气阀钢，其特征在于：所述钢的组织为回火索氏体。

8.根据权利要求1所述的高性能气阀钢，其特征在于：所述钢的抗拉强度为1250MPa以上，屈服强度950MPa以上，硬度达62HRC以上。

9.如权利要求1所述的高性能气阀钢的制备方法，其特征在于：按照以下步骤进行制备，

步骤3)：将铸锭按照要求进行锻造或轧制成形后。

步骤4)：实施热处理。首先，将其加热至900-1050℃进行保温，保温后实施淬火，之后将钢材进一步冷却至-60℃～-80℃实施低温处理，最后在进行高温回火，回火温度为450～500℃。

10.如权利要求9所述的高性能气阀钢的制备方法，其特征在于：淬火前的保温温度为960-1000℃，低温处理的温度为-75℃，回火温度为480℃。