WO2023082335A1 - 气门及其耐高温合金 - Google Patents

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Abstract

气门及其耐高温合金。该合金的组成为：C：0.45～0.55(wt)％；Si：0～0.45(wt)％；Mn：8.00～10.00(wt)％；P：0～0.040(wt)％；S：0～0.030(wt)％；Cr：24.00～26.00(wt)％；Ni：8.00～13.00(wt)％；N：0.40～0.60(wt)％；W：0.80～1.50(wt)％；Nb+Ta：1.80～2.50(wt)％；V：0～0.15(wt)％；Co：0～0.1(wt)％；Mo：0～0.25(wt)％；以及余量为Fe。本发明的合金材料在高温抗氧化性、高温硬度、高温强度和高温蠕变性能上均能满足排气门日益苛刻、不断升级的实际工况要求以及混合动力内燃机排气门长时间高温的工作环境。

Description

气门及其耐高温合金 技术领域
本发明涉及合金材料，具体涉及用于制造内燃发动机气门尤其是排气门的合金材料。
背景技术
用于制造内燃发动机气门或提升阀(puppet valve)的合金材料各种各样，包括铁基合金、镍基合金、钛基合金等等。从兼顾相关力学性能尤其是高温力学性能和制造成本角度考虑，改进用于锻造气门的铁基合金一直是本领域的研究热点。
CN105579607A、CN101484597B、CN110578088B、CN110592456B等涉及高镍含量(25％以上)的铁基合金的改性。CN102159744B、CN102395696B、CN103710642B、US6635128B1、US10677109B2、EP0296439B1等涉及较低镍含量(20％以下)的铁基合金的改性。这些气门合金各具特色，主要是因为合金成分的细微改变往往就会导致包括金相、强化相等物理结构在内的突变，从而显著影响其相应力学性能。通过缜密的设计验证，这些合金多可形成适于锻造气门的奥氏体基质。
但是，在用于锻造经常处于高温恶劣条件下的排气门时，除了成本因素以外，现有气门合金在高温硬度、高温强度、高温蠕变性能、高温抗氧化性能等方面很难达到综合理想效果。
发明内容
本发明的目的是提供一种铁基合金材料，其非常适于制造内燃发动机气门尤其是排气门或排气阀。
根据本发明的第一方面，提供了一种合金，其组成为：
C：0.45～0.55(wt)％；      Si：0～0.45(wt)％；
Mn：8.00～10.00(wt)％；    P：0～0.040(wt)％；
S：0～0.030(wt)％；        Cr：24.00～26.00(wt)％；
Ni：8.00～13.00(wt)％；    N：0.40～0.60(wt)％；
W：0.80～1.50(wt)％；      Nb+Ta：1.80～2.50(wt)％；
V：0～0.15(wt)％；         Co：0～0.1(wt)％；
Mo：0～0.25(wt)％；        以及
余量为Fe(及不可避免的杂质)。
根据本发明的合金，其中以元素重量百分比为基准，优选满足下列条件：7W≤Ni≤1.5Mn。通过对铁基合金的长期深入研究和系列性能测试，发明人最终发现，对于这类高铬含量(25％左右)的铁基合金，满足该条件后获得的综合优良高温性能奥氏体合金非常适用于锻造气门尤其是排气门。
根据本发明的合金，钒、钴和钼的含量优选为：V：0.08～0.15(wt)％；Co：0.05～0.1(wt)％；Mo：0.10～0.25(wt)％。这些元素的添加与碳、氮以及铌/钽等元素相互协调作用，进一步稳定奥氏体基质，改善了合金的高温性能。
根据本发明的合金，其中以元素重量百分比为基准，进一步优选满足下列条件：1≤2Mo+W≤1.8。这对于该合金的高温硬度、高温蠕变性能、高温疲劳尤其重要。
根据本发明的合金材料，具有如下优异高温性能：优良的常温及高温硬度，其硬度明显高于普通的铁基奥氏体耐热钢；较高的高温抗拉强度及屈服强度；优良的抗蠕变性能，即使在850℃、120MPa的条件下能持续50h不断裂，且相对变形率只有5％左右；以及优良的高温抗氧化性能。另外，根据本发明的合金材料的成本相对目前常用的奥氏体耐热钢没有明显增加，但比高镍合金的成本具有显著优势。
根据本发明的第二方面，还提供了一种内燃发动机气门，其至少部分由上述合金锻造形成。
根据本发明的气门，具有如下优点：较好的高温硬度带来气门密 封面优良的高温耐磨性能；优良的高温强度、高温蠕变性能及高温疲劳性能，能保证气门在较高的温度(780℃)、较高的载荷(180MPa≈3倍的乘用车排气门的工作载荷)下运行1亿次不断裂，且气门没有明显的塑性变形；以及优良的高温抗氧化化性能。
附图说明
图1是各个合金材料在不同温度下的硬度对比曲线；
图2是各个合金材料在不同温度下的抗拉强度对比曲线；
图3是各个合金材料在不同温度下的屈服强度对比曲线；
图4是各个合金材料在不同温度下的蠕变对比曲线；
图5各个合金材料的高温氧化性能对比柱形图；以及
图6是根据本发明的合金材料所制造的气门结构示意图。
具体实施方式
下面借助附图并通过具体实施例对本发明做进一步解释说明。
将按照随后给定成分和比例的实施例及对比例的合金材料采用常规工艺熔炼、浇铸、锻轧、磨光为适于进行后续气门锻造加工的棒材。对所得棒材进行固溶时效处理后即可获得相应的合金材料试样。
实施例1合金材料(以下称为“Sanai25-9NWNb”)
C：0.52(wt)％；       Si：0.15(wt)％；
Mn：8.91(wt)％；      P：0.027；
S：0.007(wt)％；      Cr：24.57(wt)％；
Ni：8.92(wt)％；      N：0.53(wt)％；
W：1.01(wt)％；       Nb：1.91(wt)％；
V：0.11(wt)％；       Co：0.08(wt)％；
Mo：0.21(wt)％；      Fe：余量。
实施例2合金材料(以下称为“Sanai25-12NWNb”)
C：0.52(wt)％；     Si：0.21(wt)％；
Mn：8.87(wt)％；    P：0.025；
S：0.008(wt)％；    Cr：24.51(wt)％；
Ni：10.98(wt)％；   N：0.54(wt)％；
W：0.95(wt)％；     Nb：1.98(wt)％；
V：0.12(wt)％；     Co：0.07(wt)％；
Mo：0.19(wt)％；    Fe：余量。
对比例1合金材料(以下称为“21-4NWNb”)
C：0.47(wt)％；    Si：0.11(wt)％；
Mn：9.24(wt)％；   P：0.017；
S：0.002(wt)％；   Cr：21.4(wt)％；
Ni：3.73(wt)％；   N：0.47(wt)％；
W：0.87(wt)％；    Nb：1.90(wt)％；
Fe：余量。
对比例2合金材料(以下称为“26-4NWNb”)
C：0.51(wt)％；    Si：0.11(wt)％；
Mn：9.08(wt)％；   P：0.012；
S：0.004(wt)％；   Cr：25.98(wt)％；
Ni：3.92(wt)％；   N：0.58(wt)％；
W：0.78(wt)％；    Nb：2.13(wt)％；
Fe：余量。
对比例3合金材料(以下称为“25-12NbN”)
C：0.29(wt)％；    Si：0.22(wt)％；
Mn：5.23(wt)％；   P：0.030；
S：0.010(wt)％；   Cr：25.01(wt)％；
Ni：11.26(wt)％；    N：0.56(wt)％；
Nb：2.24(wt)％；     Fe：余量。
对比例4合金材料(以下称为“Sanai3015”)
C：0.052(wt)％；   Si：0.076(wt)％；
Mn：0.091(wt)％；  P：0.009；
S：0.001(wt)％；   Cr：14.63(wt)％；
Ni：31.79(wt)％；  Nb：0.75(wt)％；
Mo：0.63(wt)％；   Al：1.86(wt)％；
Ti：2.62(wt)％；   Cu：0.07(wt)％；
B：0.004(wt)％；   Fe：余量。
相关性能测试比对
1.硬度性能
表1和图1分别给出了各个合金材料在不同温度下的硬度和对比曲线。
表1：不同温度下各个合金的相关硬度
Figure PCTCN2021132830-appb-000001
由表1和图1可知，相比对比例1、对比例2和对比例3的合金材料，根据本发明实施例1和2的合金材料具有更优秀的常温及高温硬度，这对气门密封面的高温耐磨性有重要作用。
2.抗拉强度及屈服强度性能
表2和图2分别给出了各个合金材料在不同温度下的抗拉强度和 对比曲线。
表2：不同温度下各个合金的抗拉强度
Figure PCTCN2021132830-appb-000002
表3和图3分别给出了各个合金材料在不同温度下的屈服强度和对比曲线。
表3：不同温度下各个合金的屈服强度
Figure PCTCN2021132830-appb-000003
由表2、3和图2、3可知，相比对比例1、对比例2和对比例3的合金材料，根据本发明实施例1和2的合金材料具有更高的常温及高温抗拉强度及屈服强度。
3.抗蠕变性能
表4和图4分别给出了各个合金材料在不同温度下的抗蠕变值和对比曲线。
表4：不同温度下各个合金的抗蠕变值
Figure PCTCN2021132830-appb-000004
载荷：120MPa，加载时间：50h。
由表4和图4可知，相比对比例1、对比例2和对比例3的合金材料，根据本发明实施例1和2的合金材料具有更好的抗蠕变性能，尤其是在更高的温度下(750℃-850℃)，这种优势更明显。即使在850℃、120MPa的条件下，本发明的合金仍然能持续50h不断裂，且相对变形率只有5％左右。
4.高温抗疲劳强度性能
表5给出了各个合金锻造的工件气门在780℃下的抗疲劳强度。
表5：780℃下各个合金气门的抗疲劳强度
  780℃
21-4NWNb 10 8次未断裂/150MPa
26-4NWNb 10 8次未断裂/150MPa
Sanai25-9NWNb 10 8次未断裂/180MPa
Sanai25-12NWNb 10 8次未断裂/180MPa
由表5可知，相比对比例1、对比例2的合金材料，根据本发明实施例1和2的合金材料具有更优秀的高温疲劳性能，能保证气门在较高的温度(780℃)、较高的载荷(180MPa≈3倍的乘用车排气门的工作载荷)下运行1亿次不断裂，且气门没有明显的塑性变形。
5.高温抗氧化性能
表6和图5分别给出了各个合金材料在850℃下的氧化失重率和对比柱形图。
表6：850℃下各个合金的氧化失重率
Figure PCTCN2021132830-appb-000005
由表6和图5可知，相比对比例1、对比例2的合金材料，根据本发明实施例1和2的合金材料具有更加良好的高温抗氧化性能，实施例1的合金材料的抗氧化性能略优于对比例4，实施例2的合金材料的抗氧化性能甚至不亚于对比例3。
气门锻造及固溶时效处理
在未经固溶时效处理之前，先将上述实施例合金棒材一体锻造成具有喇叭状头部10和圆柱状杆身20的气门(原型)。然后，对气门原型进行固溶时效处理：1120℃～1180℃左右固溶处理半小时左右，然后水冷至常温；再在760℃～850℃左右时效处理4小时左右，最后空冷至室温。
接下来，如图6所示，对气门原型进行后续加工处理，在头部10上堆焊耐磨合金层11或锻压形变处理，以增强其耐磨性能。此后， 还可以执行整体氮化处理/杆部镀铬处理、磨削盘锥面及抛光处理、等。
气门的杆身20可以一体锻造形成，也可以随后再焊接一段相对低成本的铬钢材料附接杆身。
如上所述，利用本发明的气门材料制成的气门，高温硬度、高温抗拉强度及屈服强度、高温抗氧化性能、蠕变性能及高温疲劳性能优异，适合在恶劣的发动机工况例如排气门工况下工作。

Claims (5)

  1. 一种合金，其组成为：
    C：0.45～0.55(wt)％；Si：0～0.45(wt)％；
    Mn：8.00～10.00(wt)％；P：0～0.040(wt)％；
    S：0～0.030(wt)％；Cr：24.00～26.00(wt)％；
    Ni：8.00～13.00(wt)％；N：0.40～0.60(wt)％；
    W：0.80～1.50(wt)％；Nb+Ta：1.80～2.50(wt)％；
    V：0～0.15(wt)％；Co：0～0.1(wt)％；
    Mo：0～0.25(wt)％；以及
    余量为Fe。
  2. 根据权利要求1的合金，其中以元素重量百分比为基准：7W≤Ni≤1.5Mn。
  3. 根据权利要求1的合金，其中钒、钴和钼的含量为：V：0.08～0.15(wt)％；Co：0.05～0.1(wt)％；Mo：0.10～0.25(wt)％。
  4. 根据权利要求1-3之一的合金，其中以元素重量百分比为基准：1≤2Mo+W≤1.8。
  5. 一种用于内燃发动机的气门，包括由根据权利要求1-4之一所述的合金一体锻造制成的喇叭状头部和圆柱状杆身。
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