CN1648275A

CN1648275A - 高性能节镍气阀合金材料

Info

Publication number: CN1648275A
Application number: CN 200510051398
Authority: CN
Inventors: 程世长; 林肇杰; 刘正东; 杨钢; 李密
Original assignee: Central Iron and Steel Research Institute
Current assignee: Central Iron and Steel Research Institute
Priority date: 2005-03-10
Filing date: 2005-03-10
Publication date: 2005-08-03
Anticipated expiration: 2025-03-10
Also published as: CN1306053C

Abstract

本发明属于节镍合金材料的制造领域。特别是制备使用在高温下的高性能高负荷的内燃机用气阀合金材料。特征在于该气阀合金材料的具体化学成分重量％为：Cr 18－25％、Ni 40－50％、Nb 0.5－1.5％、Ti 1.8－2.8％、Al 0.6－1.6％、Zr 0.02－0.3％、Re 0.002－0.3％、C≤0.10％、Si≤1.0％、Mn≤1.5％、Cu≤0.50％、S≤0.02％、P≤0.02％、余量为Fe。采用本发明高性能节镍气阀合金材料与现有技术材料相比较，具有抗燃气腐蚀和抗氧化性能好，高温强度、高温硬度高，和产品使用寿命长、生产工艺简单、经济等特点。

Description

高性能节镍气阀合金材料

技术领域

本发明属于节镍合金材料的制造领域。特别是制备使用在高温下的高性能高负荷的内燃机用气阀合金材料。

背景技术

目前在内燃机的应用领域中，汽油机和柴油机的使用最为广泛。例如在汽车、拖拉机、内燃机车、船舰、坦克、发电机等众多领域中。而气阀又属于内燃机中的关键部件和易耗损件。高速柴油机通常转速在1000-2000转/分，汽油机的工作转速为2000-6000转/分，在内燃机的工作状态时，进、排气阀是以高频率作往复运动，气阀对阀座会产生撞击(落座力)，导致摩擦磨损和气阀盘部和颈部受力。作为气阀材料是在内燃机中的高温燃气环境中被长期使用，不仅需要该材料要具备优异的抗氧化性和抗燃气腐蚀性能，而且还要求有很高的高温抗拉强度、高温持久强度、高温弯曲疲劳强度和高温硬度等特性。

在现有技术中的高负荷内燃机气阀用材料有两种，一种是镍基合金，如Inconel 751(HEV3)和Nimonic 80A(即NiCr20TiAl，HEV5)等，该类合金的使用性能虽然较好，但制备该材料中的合金含量高，故成本也高。另外一类材料是以耐热钢为基体，在阀体的锥面上堆焊一层耐磨耐蚀合金，例如4Cr14Ni14W2Mo(эИ69)作为基体，锥面堆焊料为Stellite6钴基合金，制备该类的气阀材料目前只能用于中等负荷的柴油机排气阀，其优点是成本不高，但缺点是不能满足高负荷柴油机零部件的使用强度，产品易损坏和使用寿命低，生产工艺复杂，堆焊层存在铸造缺陷，成品合格率低。

另外，中国专利CN1118381A(1996)介绍了一种高强度耐热钢，该钢的用途是做内燃机进气阀、排气阀和预燃室喷嘴及嵌块。通过对比可看到，由该专利所介绍的材料内容与本发明材料在成分上有很大差别，该专利为Ni 20-28％，Co 0.1-3.0％，而本发明是含有Ni 40-50％，不含Co。在材料的使用范围上也有很大区别，本发明是针对使用温度在750-850℃高负荷排气阀，而该专利是针对使用温度700℃的中高负荷气阀，本发明在高温强度和高温硬度方面远高于该专利耐热钢。日本专利昭61-9548(1986)介绍了一种气阀合金，该合金在成分上是与本发明所提出的材料有较大的差别，例如该专利介绍是含有B 0.001-0.01％的气阀合金，而本发明所提出的材料是不含B元素，但含有Zr 0.02-0.3D％和Re 0.002-0.10％，因此，对比专利与我们要求的材料还是有较大区别的。

发明内容

本发明的目的是提出一种在高温燃气环境工作时具有抗燃气腐蚀和抗氧化性能好，高温强度、高温硬度高，并且使用寿命长、生产工艺简单、经济的高性能节镍气阀合金材料。

根据本发明目的所提出高性能节镍气阀合金材料的使用要求，因此我们设计的解决方案是考虑到产品件的工作温度在750℃-850℃范围内，同时要降低材料成本和简化工艺的前题下，通过调整铬、镍及强化元素的含量来改善本发明高性能节镍气阀合金材料良好的力学性能。

针对本发明目的内容，我们所提出的高性能节镍气阀合金材料，其特征在于该气阀合金材料的具体化学成分重量％为：Cr 18-25％、Ni 40-50％、Nb 0.5-1.5％、Ti 1.8-2.8％、Al 0.6-1.6％、Zr 0.02-0.3％、Re0.002-0.10％、C≤0.10％、Si≤1.0％、Mn≤1.5％、Cu≤0.50％、S≤0.02％、P≤0.02％、余量为Fe。

本发明高性能节镍气阀合金材料的成分设计，是在考虑到现有技术材料中的不足之后，通过调整镍的含量及采用微量的锆、稀土等元素，替换贵重的钴或硼等元素，并对成分中其他元素的适量调整，从而达到改善本发明材料的高温力学性能。因此，我们在成分设计中加入较高的铬元素，是保证本发明合金材料在高温燃气环境中工作时，具备良好的抗氧化和抗燃气腐蚀性能，铬在合金中所形成的碳化物，对该合金的强度有一定贡献，本发明合金成分中Cr 18-25％。

镍和锰是奥氏体的形成元素，部分的镍与钛和铝可形成Ni₃(Al，Ti)金属间化合物，即γ’相，因此在本发明合金的成分设计时，主要是考虑采用γ’相来强化合金基体，实现提高合金的高温强度和高温硬度，因此在本合金成分中Ni 40-50％；由于锰是奥氏体形成元素，但是它的抗腐蚀性能差，所以不宜多加，在本发明合金成分中Mn≤1.5％。

铝和钛的加入是为了与镍形成γ’相，Al和Ti加入量对γ’析出量有影响，Al/Ti比对γ’相的强化作用有影响，热加工工艺和热处理制度对γ’析出量、析出尺寸都有明显的影响。本合金成分中加入Ti 1.8-2.8％和Al0.6-1.6％，并通过处理是可以保证有足够的高温强度以及比Stellite6合金略高的高温硬度。

在本发明合金成分中铌和锆是强碳化物形成的元素，由它们所形成的碳化物在高温时是比较稳定的，对该合金材料的高温强度、高温硬度和耐磨性有明显的贡献，同时Nb和Zr在进入γ’相中可使γ’相得到强化。Nb和Zr也有细化晶粒、改善塑性和热加工性的特点，因此铌和锆元素的加入量分别为Nb 0.5-1.5％、Zr 0.02-0.3％。

在本发明合金成分中加入稀土元素，其目的是为提高合金材料在冶炼过程中的脱氧性能，改善钢锭的表面质量和材料的高温性能，另外稀土的加入能消除S、P等有害元素在晶界聚集，并改善合金表面氧化物的结构，由层状变为球状，达到提高材料的抗氧化和抗燃气腐蚀的能力，因此在本发明合金成分中所加入的稀土元素是指Ce或Y中的任意一种，其加入量为Re 0.002-0.010％。

在本发明高性能节镍气阀合金材料成分中的C、Si、Mn、Cu、S、P等元素均为限量存在。Fe在本发明合金材料中虽然定为余量，但铁元素的含量均在20％以上，提高铁含量的目的在于采用廉价铁替代昂贵的镍，目前镍价为15-16万元/吨，而纯铁价仅在0.7万元/吨。因此本发明采用高铁节镍的设计方案是可以大幅度降低该合金材料的成本，同时为保证该合金材料的抗腐蚀性能，我们还将成分中当铬含量设定为20-25％时，稀土Re含量为0.002-0.006％。在本发明合金材料成分中，C能与Cr、Nb等元素形成碳化物，虽然对强度有些提高但贡献不大，因本合金材料的强度主要是依靠γ’相的强化，C的提高会损害材料的塑性，所以在本发明合金材料中C含量为≤0.10％。Cu在本发明合金材料中属于限量元素，因Cu含量过高会影响合金的热塑性及合金锭的开坯，降低材料的热加工性，因此限量为≤0.5％。Mn也属于限量元素，其原因Mn是奥氏体化元素之一，虽然有助奥氏体化的作用。但是过量的Mn会降低合金钢的抗高温氧化和抗燃气腐蚀效果，P为有害元素，由于少量的Mn元素能与钢中的S结合后形成MnS，从而使S的有害作用降到最低，因此Mn、S、P元素的含量分别限制在Mn≤1.5％、S、P均≤0.02％范围内。Si元素虽然能提高合金材料的抗氧化性和抗燃气腐蚀性，但对材料的塑性性能有不利的影响，所以在本发明合金材料中应控制在≤1.0％。另外，在本发明合金材料中不含硼，因为B在合金中通过强化晶界使强度提高，但是硼在合金中容易形成大块的硼化物夹杂而使材料变脆，不仅降低塑性，而且还降低材料的热加工性能，B的加入会使部分的B元素进入γ’相中而使γ’相被软化，影响了γ’相的强化效果，因此我们的成分设计是不含B的，而是通过调整Al/Ti比和加入Zr 0.02-0.3％使本发明合金材料得到进一步的强化。

本发明高性能节镍气阀合金材料的制备与现有技术生产方法相似，本发明合金材料是采用在真空感应炉中进行冶炼，经炼钢、浇铸、锻造后再于650和250轧机轧制成设定尺寸的半成品圆棒。轧后的坯料要进行软化的热处理。对退火后的坯料再经过粗矫和精矫后，采用无芯磨床等设备进行机械加工，并制备成要求尺寸的工件产品。产品是按JB/T 6720《内燃机进、排气门金相检验》标准进行的检验，其检测结果全部合格。

采用本发明高性能节镍气阀合金材料与现有技术材料相比较，具有抗燃气腐蚀和抗氧化性能好，高温强度、高温硬度高，和产品使用寿命长、生产工艺简单、经济等特点。另外本发明钢与国外材料相比较还有以下优点：

1、与国外常用的Inconel 751合金(0.08C-15Cr-2.5Ti-1.2Al-1Nb-7Fe-Ni)和Nimonic 80A(0.08C-20Cr-2.5Ti-1.2Al-1Co-Ni)相比较具有更高的高温强度和高温硬度，因而，可以减小气阀尺寸，减轻重量，降低气阀的落座力和磨损，延长使用寿命。

2、本发明合金材料的制备成本比Inconel 751和Nimonic 80A合金低很多。

3、本发明合金材料的产品与现行机车、船舰用耐热钢加锥面堆焊的气阀产品相比较，不仅在材料的力学性能上具有更高的高温强度，而且还采用了不堆焊的产品制备结构，克服了堆焊层存在的一系列不安全的缺陷，提高了产品气阀件的安全性和使用寿命，简化了生产工艺，使该材料在性能价格比上有明显的优势。

具体实施方式

采用本发明所提出的高性能节镍气阀合金材料成分设计，我们针对现有技术中的两种成熟产品材料进行实施对比试验。实施例对比试验的炼钢是在25Kg真空感应炉内冶炼了8炉本发明合金材料，为了对比方便我们同时还冶炼了一炉Inconel751合金和一炉Nimonic 80A合金，对比实施例合金材料的化学成分均列于表1。实施例的合金锭均采用相同工艺进行锻造开坯，待锻成试棒和热处理后，再对试样分别进行室温和高温力学性能的测试以及高温硬度测试，其检测结果分别列于表2、表3和表4中，由实施例性能对比表中的数据表明，本发明合金合金材料的综合性能优于Inconel 751合金和Nimonic 80A合金。

在本发明实施例的对比表中，表1为本发明合金材料与现有技术材料的成分对比。表2为本发明合金材料与现有技术材料的室温性能对比。表3为本发明合金材料与现有技术材料的高温力学性能对比(750℃)。表4为本发明合金材料与现有技术材料的高温力学性能的比较(800℃)。在对比实施例中，序号1-8为本发明合金材料。序号为Inconel 751和Nimonic80A合金均是国外气阀合金的成熟材料。

表1为本发明合金材料与现有技术材料的成分对比(重量％)

炉号		C	Si	Mn	Cr	Ni	Fe	Al	Ti	Nb	Zr	Ce	Cu	S	P	Co
炉号		C	Si	Mn	Cr	Ni	Fe	Al	Ti	Nb	Zr	Ce	Cu	S	P	Co	本发明	1	0.057	0.75	0.59	23.7	43.5	余	0.83	2.03	0.81	0.03	0.005	0.18	0.005	0.016	-
2	0.051	0.35	1.26	21.02	41.0	余	0.97	1.91	0.95	0.02	0.005	0.17	0.005	0.016	-			1	0.057	0.75	0.59	23.7	43.5	余	0.83	2.03	0.81	0.03	0.005	0.18	0.005	0.016	-
2	0.051	0.35	1.26	21.02	41.0	余	0.97	1.91	0.95	0.02	0.005	0.17	0.005	0.016	-	3		0.056	0.33	0.55	19.07	44.5	余	1.20	2.45	1.26	0.02	0.005	0.19	0.005	0.018	-
4	0.043	0.29	0.61	19.15	45.2	余	1.21	2.54	1.25	0.02	0.005	0.18	0.005	0.017	-	3		0.056	0.33	0.55	19.07	44.5	余	1.20	2.45	1.26	0.02	0.005	0.19	0.005	0.018	-
4	0.043	0.29	0.61	19.15	45.2	余	1.21	2.54	1.25	0.02	0.005	0.18	0.005	0.017	-	5		0.063	0.29	0.55	22.96	47.5	余	1.45	2.63	1.38	0.02	0.004	0.19	0.005	0.018	-
6	0.051	0.31	0.54	22.10	48.6	余	1.15	2.57	1.32	0.02	0.004	0.19	0.005	0.016	-	5		0.063	0.29	0.55	22.96	47.5	余	1.45	2.63	1.38	0.02	0.004	0.19	0.005	0.018	-
6	0.051	0.31	0.54	22.10	48.6	余	1.15	2.57	1.32	0.02	0.004	0.19	0.005	0.016	-	7		0.045	0.35	0.87	20.50	41.5	余	1.32	2.56	1.15	0.03	0.004	0.21	0.005	0.017	-
8	0.060	0.30	0.60	19.96	44.2	余	1.20	2.32	1.01	0.02	0.005	0.25	0.005	0.016	-	7		0.045	0.35	0.87	20.50	41.5	余	1.32	2.56	1.15	0.03	0.004	0.21	0.005	0.017	-
8	0.060	0.30	0.60	19.96	44.2	余	1.20	2.32	1.01	0.02	0.005	0.25	0.005	0.016	-	Inconel751		0.055	0.14	0.77	15.32	余	6.99	1.10	2.26	0.93	-	-	＜0.05	0.005	0.019	-
NiCr20TiAl		0.092	0.54	0.80	19.68	余	0.20	1.52	2.46	-	-	-	-	0.005	0.018	Inconel751		0.055	0.14	0.77	15.32	余	6.99	1.10	2.26	0.93	-	-	＜0.05	0.005	0.019	-	1.07

表2为本发明合金材料与现有技术材料的室温性能对比

炉号		σ_bMPa	σ_0.2MPa	δ％	Ψ％	HRC
炉号		σ_bMPa	σ_0.2MPa	δ％	Ψ％	HRC	本发明	1	1260	980	18	49	39
2	1270	995	17	45	38			1	1260	980	18	49	39
2	1270	995	17	45	38	3		1320	1140	13	42	42
4	1335	1130	13	43	42	3		1320	1140	13	42	42
4	1335	1130	13	43	42	5		1390	1160	13	37	42
6	1380	1160	14	36	41	5		1390	1160	13	37	42
6	1380	1160	14	36	41	7		1380	1140	13	38	41
8	1360	1120	14	38	40	7		1380	1140	13	38	41
8	1360	1120	14	38	40	Inconel751		1265	955	18.7	31.3	37
NiCr20TiAl		1130	825	20.5	37.2	Inconel751		1265	955	18.7	31.3	37	32

表3为本发明合金材料与现有技术材料的高温力学性能对比

炉号		试验温度℃	σ_bMPa	σ_0.2MPa	δ％	Ψ％	HV₁
炉号		试验温度℃	σ_bMPa	σ_0.2MPa	δ％	Ψ％	HV₁	本发明	1	750	860	790	10.9	18.8	295
2	750	850	785	11.5	19.1	290			1	750	860	790	10.9	18.8	295
2	750	850	785	11.5	19.1	290	3		750	905	825	10.5	16.0	320
4	750	900	810	11.0	16.0	315	3		750	905	825	10.5	16.0	320
4	750	900	810	11.0	16.0	315	5		750	925	840	9.5	14.0	320
6	750	910	825	10.0	14.5	315	5		750	925	840	9.5	14.0	320
6	750	910	825	10.0	14.5	315	7		750	900	820	10.5	15.8	315
8	750	880	815	13.5	16.7	310	7		750	900	820	10.5	15.8	315
8	750	880	815	13.5	16.7	310	Inconel751		750	720	615	9.5	11.0	210
NiCr20TiAl		750	810	630	12.0	16.0	Inconel751		750	720	615	9.5	11.0	210	240

表4为本发明合金材料与现有技术材料的高温力学性能对比

炉号		试验温度℃	σ_bMPa	σ_0.2MPa	δ％	Ψ％	HV₁
炉号		试验温度℃	σ_bMPa	σ_0.2MPa	δ％	Ψ％	HV₁	本发明	1	800	585	550	14.0	23.0	263
2	800	580	545	17.0	29.0	260			1	800	585	550	14.0	23.0	263
2	800	580	545	17.0	29.0	260	3		800	595	555	14.0	21.0	266
4	800	595	550	15.5	22.0	260	3		800	595	555	14.0	21.0	266
4	800	595	550	15.5	22.0	260	5		800	635	580	13.5	16.5	275
6	800	625	570	13.5	18.0	272	5		800	635	580	13.5	16.5	275
6	800	625	570	13.5	18.0	272	7		800	590	555	12.0	16.0	270
8	800	620	570	15.0	18.3	268	7		800	590	555	12.0	16.0	270
8	800	620	570	15.0	18.3	268	Inconel751		800	570	505	14.0	18.0	190
NiCr20TiAl		800	625	570	16.0	19.5	Inconel751		800	570	505	14.0	18.0	190	210

Claims

1、一种高性能节镍气阀合金材料，其特征在于该气阀合金钢材料的具体化学成分重量％为：Cr 18-25％、Ni 40-50％、Nb 0.5-1.5％、Ti 1.8-2.8％、Al 0.6-1.6％、Zr 0.02-0.3％、Re 0.002-0.10％、C≤0.10％、Si≤1.0％、Mn≤1.5％、Cu≤0.50％、S≤0.02％、P≤0.02％、余量为Fe。

2、根据权利要求1所述高性能节镍气阀合金材料，其特征在于该气阀合金材料的成分中当铬含量为20-25％时，稀土Re含量为0.002-0.006％。

3、根据权利要求1所述高性能节镍气阀合金材料，其特征在于该气阀合金材料成分中所加入的稀土元素是指Ce或Y中的任意一种。