專利名稱：排氣閥用耐熱合金及其生產(chǎn)工藝的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于奧氏體型耐熱鋼的制備領(lǐng)域，特別適用于生產(chǎn)大中型船舶、飛機(jī)、 坦克用內(nèi)燃機(jī)的進(jìn)、排氣閥用奧氏體耐熱鋼。
背景技術(shù)：
目前，我國在中等負(fù)荷的內(nèi)燃機(jī)中，普遍釆用21-4N鋼(即5Cr21Mn9Ni4N) 作為中、小缸徑的排氣閥用鋼，該鋼的工作溫度在650-75(TC之間，氣閥鋼長期 使用在高溫下,則會有層狀析出物增多，由于這種層狀的析出是鉻的碳化物和氮 化物，因此大量的析出物會使氣閩鋼基體貧鉻，導(dǎo)致該鋼在高溫燃?xì)鈼l件下的 抗腐蝕性能顯著下降，也會使氣閥的頸部、盤部、盤錐面形成腐蝕坑，容易使 氣閥鋼產(chǎn)生漏氣和盤部開裂，氣閥頸部的腐蝕坑在彎曲疲勞應(yīng)力的作用下，很 容易產(chǎn)生疲勞裂紋甚至斷裂。現(xiàn)有技術(shù)中針對高負(fù)荷的內(nèi)燃機(jī)排氣閥用鋼也有 資料介紹，例如美國專利4929419文獻(xiàn)介紹的氣閥鋼，該鋼是針對23-8N鋼進(jìn) 行面分調(diào)整，如采用添加C、 B、 W、 Mo元素和提高C、 N含量來改變鋼種的使用 性能，另外德國在專利文獻(xiàn)DE3704473A1中介紹的是一種改進(jìn)型氣閥鋼，該鋼 是在21-4N鋼基礎(chǔ)上添加了 5-6%A1、 1. 8-2. 5飾、0. 8-1. 5%W, N提高到0. 4-0. 6% 的成分范圍，再有改進(jìn)形氣閥鋼的技術(shù)還有俄羅斯SU1650762A1專利，該專利 文獻(xiàn)介紹了 一種在21-4N基礎(chǔ)上添加0. 5-1. 5飾;0. 5-1. 5飾;0. 5-1. 5V和 0.05-0.20%Zr元素，該類鋼性能只略有所提高，不能滿足高負(fù)荷內(nèi)燃機(jī)排氣閥 用鋼的需要。 發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明提供一種成分設(shè)計合理，產(chǎn)品綜合性能好、尤其高溫強(qiáng)度、高溫耐 蝕性能好，極耐燃?xì)飧g、且能大幅度降低生產(chǎn)中的耗電量、制備成本低的高 負(fù)荷內(nèi)燃機(jī)排氣閥用耐熱合金及其生產(chǎn)工藝。
本發(fā)明是通過如下技術(shù)方案來實現(xiàn)的排氣閥用耐熱合金及其生產(chǎn)工藝，
其成分質(zhì)量百分比為C: 0.04-0.10, Mn: < 1. 00, P:《0.020, S:《0.015, Si:《1.00, Cr: 18.0-21.0, Co:《2.00， Fe:《3.00, Ti: 1.80-2.70, Al: 1.00-1.80, Cu:《0.20,余量Ni和不可避免雜質(zhì)；其生產(chǎn)工藝取上述組分 材料，采用電爐冶煉、調(diào)質(zhì)+氣體精煉+連鑄連軋工藝。
所述的排氣閥用耐熱合金及其生產(chǎn)工藝，它還含稀土元素，其質(zhì)量百分比 為稀土元素(Re) 0. 10-0.20%。
所述的電爐冶煉、調(diào)質(zhì)+氣體精煉+連鑄連軋工藝包括下列步驟
(1) 電爐冶煉、調(diào)質(zhì)，在1600-162(TC的溫度下，加原料于中頻感應(yīng)爐中熔煉， 熔煉時間l-2小時，取樣分析后調(diào)質(zhì)；
(2) 氣體精煉，氣體精煉是將中頻感應(yīng)爐熔化的鋼水進(jìn)行輸入氣體精煉，精 煉溫度1650-167(TC，精煉時間0.5-l小時，達(dá)到吹氣、除磷、除硫，摻合各種 微量合金并微調(diào)質(zhì)，使鋼水的化學(xué)成份達(dá)到產(chǎn)品規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)；
(3) 連鑄連軋，按產(chǎn)品要求澆鑄成連鑄坯，軋制成盤元；
(4) 退火、校直、截取、磨光。
根據(jù)本發(fā)明的目的，本發(fā)明所提出的排氣閥用耐熱合金，通過對該鋼的成分 進(jìn)行合理的調(diào)整，使本發(fā)明排氣閥用耐熱合金在具備良好綜合性能的同時，尤 其高溫強(qiáng)度、高溫耐蝕性能好，極耐燃?xì)飧g，滿足高負(fù)荷內(nèi)燃機(jī)排氣閥用鋼 的需要。
本發(fā)明的解決方案，首先是針對內(nèi)燃機(jī)的進(jìn)、排氣閥用奧氏體耐熱鋼的不足，對氣閥鋼的成分進(jìn)行重新設(shè)計。在本發(fā)明鋼與現(xiàn)有內(nèi)燃機(jī)的進(jìn)、排氣閥用 奧氏體耐熱鋼的成分進(jìn)行比較后可看到，在成分中增加和調(diào)整了稀土元素和鎳、 碳等元素的含量，本發(fā)明通過增加新元素及調(diào)整其他元素的含量形成了新的相 結(jié)構(gòu)，從而抑制和改變了原來鉻與碳形成的層狀析出。本發(fā)明經(jīng)過750'C和100
小時的時效后，層狀析出量〈ioy。，并且新相的結(jié)構(gòu)更穩(wěn)定，經(jīng)髙溫長時間時效
后的屈服強(qiáng)度、持久強(qiáng)度和高溫彎曲疲勞強(qiáng)度明顯高于現(xiàn)有技術(shù)中高負(fù)荷的內(nèi) 燃機(jī)排氣閥用鋼。另外，由于輕稀土元素的增加和其他元素含量的調(diào)整，使本
發(fā)明氣閥鋼在650-75(TC范圍內(nèi)的抗氧化和抗燃?xì)飧g性能均有所提高，材料的 晶粒被合理細(xì)化。在本發(fā)明所提出的鋼成分中，首先考慮該鋼在保證其具有良 好綜合性能的前提下，通過成分及元素含量的合理調(diào)整，提高其高溫強(qiáng)度、高 溫耐蝕性能。
本發(fā)明鋼的成分中加入碳元素，主要考慮到碳既是奧氏體化元素，又是間 隙強(qiáng)化的元素，碳與鉻可以形成碳化物，能有效的提高強(qiáng)化效果。當(dāng)隨著碳含 量的合理提高，其材料的時效強(qiáng)度效果會更顯著，這樣可以保證本發(fā)明鋼在高 溫下具有足夠的高溫短時強(qiáng)度和長時高溫強(qiáng)度。
在本發(fā)明鋼的成分中加入鉻元素，是可以保證該鋼中具有良好的抗氧化化 和抗燃?xì)飧邷馗g性能，鉻與碳化合形成化合物，既提高了強(qiáng)度又提高硬度從 而提高耐磨性，但添加過多的鉻元素則會有利于鐵素體的產(chǎn)生，或是a相的產(chǎn) 生，這對本發(fā)明鋼在降低制備成本和提高綜合性能不利，因此必須控制鉻的添 加量。
在本發(fā)明鋼的成分中加入鎳元素，鎳是奧氏體形成的元素，它的主要作用 是形成并穩(wěn)定奧氏體組織，它促進(jìn)鉻的鈍化，其本身不是耐腐蝕元素，但鎳可 改善冷熱加工性能，使強(qiáng)度、塑性和韌性很好的配合，對鋼的高溫強(qiáng)度和抗氧化性也有明顯地作用；在本發(fā)明鋼的成分中加入鈷元素，鈷的作用類似鎳，是 一種奧氏體形成元素。
在本發(fā)明鋼的成分中加入硅元素，硅的加入有脫氧效果，當(dāng)硅以固溶態(tài)的 形式存在時，他可以提高基體的屈服強(qiáng)度，對提高鋼的抗氧化性和抗燃?xì)飧g 性較為有利，但會使材料的韌脆轉(zhuǎn)變溫度提高，對鋼的塑性性能有不利的影響， 同時可在鋼的表面上形成致密的Si02膜，阻礙酸向鋼內(nèi)部進(jìn)一步侵蝕，對提高 鋼在高濃度硝酸中的耐蝕性尤為有效，含硅量過高使鋼度變形困難。
在本發(fā)明鋼的成分中加入銅元素，銅在奧氏體不銹鋼中的作用，能顯著降 低鋼的冷作硬化傾向，提高冷加工成形性能，而且，銅也是弱奧氏體形成元素。 因此設(shè)計時，銅控制在不大于0.2%的范圍，銅過高會影響鋼的強(qiáng)度和奧氏體鋼 的耐點蝕、耐應(yīng)力腐蝕性能。
在本發(fā)明鋼的成分中加入鋁元素，鋁在奧氏體不銹鋼中的作用，能提高不 銹鋼的耐腐蝕性能，提高鋼在低溫下的韌性、抗氧化性，但鋁含量小于4%時， 鋼的耐腐蝕性能不明顯，鋁含量提高，鋼的耐腐蝕性能也隨之提高，但熱加工
性能變差，在扎制、鍛造時易開裂，其含量按1.0-1.8%范圍控制；加鋁時，硅 取中上限。
在本發(fā)明鋼的成分中加入錳元素，錳是弱形成奧氏體元素，但具有強(qiáng)烈穩(wěn) 定奧氏體的作用，但隨著錳元素的提高強(qiáng)度也提高，設(shè)計錳含量不大于1%。為 保證奧氏體組織，降低馬氏體變形溫度，成分控制按:碳取上限時，錳取中下P艮; 碳在下限時，錳取中上限。
在本發(fā)明鋼的成分中加入鈦元素，鈦作為穩(wěn)定鋼中碳的元素，優(yōu)先與碳結(jié) 合形成TiC，減少M23C6的形成，達(dá)到防止敏化態(tài)晶間腐蝕的目的；鈦在鋼中能形成 金屬間相，可提高不銹鋼的強(qiáng)度。在本發(fā)明鋼的成分中加入稀土元素，稀土在鋼中的作用機(jī)理稀土在鋼中 的固溶量在10 —6~10 — 5數(shù)量級之間，隨著稀土加入量的增大，稀土固溶量隨之有 較大增加，但當(dāng)稀土加入量大于O. 30。/。wt后趨于穩(wěn)定。0. 10%wt-0. 20。/。wt稀土能 使鋼鑄態(tài)樹枝晶組織明顯得到細(xì)化，偏析現(xiàn)象減輕；但當(dāng)稀土過量時鑄態(tài)組織 又開始粗化。鑄態(tài)片層M7C3相與奧氏體存在一定的位向關(guān)系[120]MTC3〃[on]Y， (211)圖〃(lil)y，其析出機(jī)制可能為胞狀脫溶Y。Yl+M7C3，適量稀土減少了胞 狀組織的出現(xiàn)。成品態(tài)時，微合金化鋼的析出相均為M23C6;適量稀土(O. 20%wt)
能使鋼析出相分布更均勻，晶內(nèi)析出相增多，部分析出相與奧氏體之間存在一
定的位向關(guān)系[Oli]M23C6〃[123] Y, ( lil ) M23C6〃 ( 111 ) Y。適量的稀土 (0. 10%wt-0. 20。/。wt)能有效變質(zhì)夾雜物，改善夾雜物的形貌，而稀土加入量超過
0. 30%wt后，群聚稀土夾雜物增多。稀土微合金鋼在低于IIO(TC固溶處理時，
晶粒長大緩慢、洛氏硬度降幅較??；具有在115(TC以上時奧氏體晶粒急劇粗化
的特征。稀土的加入有助于抑制晶粒長大，提高晶粒長大激活能。固溶溫度在
105(TC到115(TC范圍時，晶粒生長指數(shù)隨固溶溫度的升高而增加。
本發(fā)明采用爐外氣體精煉+連鑄連軋技術(shù)，代替原有生產(chǎn)中的電渣重熔及
自結(jié)晶的工藝，去掉電渣爐這個高耗電設(shè)備，大幅度降低生產(chǎn)中的耗電量。用
于發(fā)動機(jī)的氣門鋼是一種合金鋼，它不但要有穩(wěn)定的化學(xué)成份，還要有特別的
物理性能。本發(fā)明采用爐外氣體精煉+連鑄連軋技術(shù)，生產(chǎn)的連鑄鋼坯可以滿足
氣門鋼的要求，不但能滿足氣門鋼的化學(xué)成份的要求，同時能滿足氣門鋼的物
理性能。
與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明有如下優(yōu)點
(1) 釆用配套連軋生產(chǎn)，可以節(jié)省二次加熱，節(jié)約大量能源。
(2) 氣體精煉可省去老工藝生產(chǎn)中的電渣重熔這道工序，節(jié)約大量電能。(3) 提高了金屬的收得率和成材率，連鑄從根本上消除了模鑄的中注管的殘 鋼，又因連鑄鋼坯不需切點切尾，因而成材率也有提高。
(4) 提高了鑄坯質(zhì)量，釆用連鑄方法可以合理地調(diào)節(jié)鑄坯的冷卻條件，實現(xiàn) 比較合理的冷卻速度，使鑄坯結(jié)晶比較穩(wěn)定。內(nèi)部組織致密，非金屬夾雜總量 比同種鋼錠低20%左右，化學(xué)成份偏差及內(nèi)部金相組織缺陷等減少，提高了金屬 的機(jī)械性能。經(jīng)對改進(jìn)后的水平連鑄機(jī)生產(chǎn)出的鋼坯進(jìn)行金相組織測試，達(dá)到 了氣門鋼的各種性能指標(biāo)，滿足生產(chǎn)要求。
(5) 產(chǎn)品成分設(shè)計合理，綜合性能好、尤其高溫強(qiáng)度、高溫耐蝕性能好，極 耐燃?xì)飧g，滿足高負(fù)荷內(nèi)燃機(jī)排氣閥用鋼的需要。
具體實施例方式
實施例1: 一種排氣閩用耐熱合金，包含碳、硅、磷、硫、鎳、鉻、錳、鈦、 鋁、鈷、銅、稀土元素、鐵，其重量百分比為碳(C):O. 04%;硅(Si) :0. 39%; 磷(P): 0. 003。/。；硫(S): 0. 003%;鉻(Cr): 18%;錳(Mn ) : 0. 25%;鈥(Ti ) :1.8%; 鋁(Al ): 1. 0%;鈷(Co): 0. 095%;銅(Cu): 0. 08% ;稀土元素(Re ): 0. 10%;鐵(Fe): 2.0%;余量鎳(Ni)和不可避免雜質(zhì)；其生產(chǎn)工藝取上述組分材料，釆用電爐 冶煉、調(diào)質(zhì)+氣體精煉+連鑄連軋工藝，具體包括下列步驟
(1) 電爐冶煉、調(diào)質(zhì)，在1600-162(TC的溫度下，加原料于中頻感應(yīng)爐中熔煉， 熔煉時間l-2小時，取樣分析后調(diào)質(zhì)；
(2) 氣體精煉，氣體精煉是將中頻感應(yīng)爐熔化的鋼水進(jìn)行輸入氣體精煉，精 煉溫度1650-167(TC,精煉時間0.5-1小時，達(dá)到吹氣、除磷、除硫，摻合各種
微量合金并微調(diào)質(zhì)，使鋼水的化學(xué)成份達(dá)到產(chǎn)品規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)；
(3) 連鑄連軋，由煉鋼爐出的鋼水，經(jīng)中間包運(yùn)送到中間罐，經(jīng)中間罐的水 口裝置鑄入結(jié)晶器，結(jié)晶器是紫銅或黃銅加工而成，其內(nèi)壁和外壁之間通冷卻水以冷卻鋼液，使鋼水迅速凝固成形，根據(jù)生產(chǎn)的品種和規(guī)格不同，結(jié)晶器的 尺寸和形式也可不同，當(dāng)鋼水在結(jié)晶器內(nèi)上升到要求的高度時，開動拉坯機(jī)， 以一定的速度將鑄坯從結(jié)晶器牽引出，為防止鑄坯在拉出過程中漏鋼和減少結(jié) 晶器中的拉坯的阻力，提高鋼坯的物理性能，在澆鑄過程中還要使結(jié)晶器振動， 振動的大小、方向都是變化的，振動的頻率與鋼坯的速度有關(guān)，凝固的鋼坯還 要根據(jù)后道工序的要求切割成需要的尺寸，經(jīng)輸送道進(jìn)入后面的連鑄機(jī)，澆鑄 成滿足連軋機(jī)生產(chǎn)的連鑄坯，加溫軋制成盤元。
(4)退火、校直、截取、磨光，退火溫度78(TC，保溫1.5小時。
實施例2: —種排氣閩用耐熱合金，包含碳、硅、磷、硫、鎳、鉻、錳、鈦、 鋁、鈷、銅、稀土元素、鐵，其重量百分比為碳(C):O. 06%;硅(Si):O. 68%; 磷(P): 0. 010%;硫(S): 0. 010%;鉻(Cr): 19. 5%;錳(Mn ) : 0. 72%;鈥(Ti ) : 2. 20%; 鑰(Al):1.50o/。；鈷(Co):1.22。/。；銅(Cu):0.12。/。;稀土元素(Re): 0.16%;鐵(Fe): 1.2%;余量鎳(Ni)和不可避免雜質(zhì)；其生產(chǎn)工藝取上述組分材料，釆用電爐 冶煉、調(diào)質(zhì)+氣體精煉+連鑄連軋工藝，具體包括下列步驟
(1) 電爐冶煉、調(diào)質(zhì)，在1600-1620'C的溫度下，加原料于中頻感應(yīng)爐中熔煉， 熔煉時間l-2小時，取樣分析后調(diào)質(zhì)；
(2) 氣體精煉，氣體精煉是將中頻感應(yīng)爐熔化的鋼水進(jìn)行輸入氣體精煉，精 煉溫度1650-1670°C,精煉時間0. 5-l小時，達(dá)到吹氣、除磷、除硫，摻合各種
微量合金并微調(diào)質(zhì)，使鋼水的化學(xué)成份達(dá)到產(chǎn)品規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)；
(3) 連鑄連軋，由煉鋼爐出的鋼水，經(jīng)中間包運(yùn)送到中間罐，經(jīng)中間罐的水 口裝置鑄入結(jié)晶器，結(jié)晶器是紫銅或黃銅加工而成，其內(nèi)壁和外壁之間通冷卻 水以冷卻鋼液，使鋼水迅速凝固成形，根據(jù)生產(chǎn)的品種和規(guī)格不同，結(jié)晶器的 尺寸和形式也可不同，當(dāng)鋼水在結(jié)晶器內(nèi)上升到要求的高度時，開動拉坯機(jī)，以一定的速度將鑄坯從結(jié)晶器牽引出，為防止鑄坯在拉出過程中漏鋼和減少結(jié) 晶器中的拉坯的阻力，提高鋼坯的物理性能，在澆鑄過程中還要使結(jié)晶器振動， 振動的大小、方向都是變化的，振動的頻率與鋼坯的速度有關(guān)，凝固的鋼坯還 要根據(jù)后道工序的要求切割成需要的尺寸，經(jīng)輸送道進(jìn)入后面的連鑄機(jī)，澆鑄 成滿足連軋機(jī)生產(chǎn)的連鑄坯，加溫軋制成盤元。
(4)退火、校直、截取、磨光，退火溫度78(TC，保溫1.5小時。
以上詳細(xì)說明了本發(fā)明的實施方式，但這只是為了便于理解而舉的實例，不 應(yīng)被視為是對本發(fā)明范圍的限制。同樣，任何所屬技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員均可根 據(jù)本發(fā)明的技術(shù)方案及其較佳實施例的描述，做出各種可能的等同改變或替換， 但所有這些改變或替換都應(yīng)屬于本發(fā)明的權(quán)利要求的保護(hù)范圍。
權(quán)利要求
1、排氣閥用耐熱合金及其生產(chǎn)工藝，其成分質(zhì)量百分比為C0.04-0.10，Mn≤1.00，P≤0.020，S≤0.015，Si≤1.00，Cr18.0-21.0，Co≤2.00，F(xiàn)e≤3.00，Ti1.80-2.70，Al1.00-1.80，Cu≤0.20，余量Ni和不可避免雜質(zhì)；其生產(chǎn)工藝取上述組分材料，采用電爐冶煉、調(diào)質(zhì)+氣體精煉+連鑄連軋工藝。
2、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的排氣閥用耐熱合金及其生產(chǎn)工藝，其特征在于 它還含稀土元素，其質(zhì)量百分比為稀土元素Ue) 0.10-0.20%。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的奧氏體氣門用鋼及其生產(chǎn)工藝，所述的電爐冶 煉、調(diào)質(zhì)+氣體精煉+連鑄連軋工藝包括下列步驟(1) 電爐冶煉、調(diào)質(zhì)，在1600-162(TC的溫度下，加原料于中頻感應(yīng)爐中熔煉， 熔煉時間1-2小時，取樣分析后調(diào)質(zhì)；(2) 氣體精煉，氣體精煉是將中頻感應(yīng)爐熔化的鋼水進(jìn)行輸入氣體精煉，精 煉溫度1650-167(TC,精煉時間0. 5-l小時，達(dá)到吹氣、除磷、除硫，摻合各種微量合金并微調(diào)質(zhì)，使鋼水的化學(xué)成份達(dá)到產(chǎn)品規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)；(3) 連鑄連軋，按產(chǎn)品要求澆鑄成連鑄坯，軋制成盤元；(4) 退火、校直、截取、磨光。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種排氣閥用耐熱合金及其生產(chǎn)工藝，其成分質(zhì)量百分比為C0.04-0.10，Mn≤1.00，P≤0.020，S≤0.015，Si≤1.00，Cr18.0-21.0，Co≤2.00，F(xiàn)e≤3.00，Ti1.80-2.70，Al1.00-1.80，Cu≤0.20，余量Ni和不可避免雜質(zhì)；其生產(chǎn)工藝取上述組分材料，采用電爐冶煉、調(diào)質(zhì)+氣體精煉+連鑄連軋工藝。該排氣閥用耐熱合金成分設(shè)計合理，產(chǎn)品綜合性能好，尤其高溫強(qiáng)度、高溫耐蝕性能好、極耐燃?xì)飧g，其生產(chǎn)工藝大幅度降低生產(chǎn)中的耗電量、制備成本低。
文檔編號C22C1/06GK101429608SQ20071013527
公開日2009年5月13日 申請日期2007年11月6日 優(yōu)先權(quán)日2007年11月6日
發(fā)明者劉莊庚, 劉莊明, 孫建平, 計建康, 陳春所, 黃明義 申請人:江蘇興海特鋼有限公司