節鎳型氣閥合金材料的製作方法

2023-06-09 15:48:21

專利名稱：節鎳型氣閥合金材料的製作方法
技術領域：
本發明屬於節鎳合金材料的製造領域。特別是製備使用在高溫下的高性能高負荷
的內燃機用氣閥合金材料。
背景技術：
目前在內燃機的應用領域中，汽油機和柴油機的使用最為廣泛。例如在汽車、拖拉 機、內燃機車、船艦、坦克、發電機等眾多領域中。而氣閥又屬於內燃機中的關鍵部件和易耗 損件。高速柴油機通常轉速在1000-2000轉/分，汽油機的工作轉速為2000-6000轉/分， 在內燃機的工作狀態時，進、排氣閥是以高頻率作往復運動，氣閥對閥座會產生撞擊(落座 力)，導致摩擦磨損和氣閥盤部和頸部受力。作為氣閥材料是在內燃機中的高溫燃氣環境中 被長期使用，不僅需要該材料要具備優異的抗氧化性和抗燃氣腐蝕性能，而且還要求有很 高的高溫抗拉強度、高溫持久強度、高溫彎曲疲勞強度和高溫硬度等特性。
在現有技術中的高負荷內燃機氣閥用材料有兩種，一種是鎳基合金，如Inconel 751(HEV3)和Nimonic 80A(即NiCr20TiAl，HEV5)等，該類合金的使用性能雖然較好，但制 備該材料中的合金含量高，故成本也高。另外一類材料是以耐熱鋼為基體，在閥體的錐面上 堆焊一層耐磨耐蝕合金，例如4Crl4Nil4W2Mo(3N69)作為基體，錐面堆焊料為Stellite6鈷 基合金，製備該類的氣閥材料目前只能用於中等負荷的柴油機排氣閥，其優點是成本不高， 但缺點是不能滿足高負荷柴油機零部件的使用強度，產品易損壞和使用壽命低，生產工藝 複雜，堆焊層存在鑄造缺陷，成品合格率低。 另外，中國專利CN1306053C介紹了一種高性能節鎳氣閥合金材料，具體化學成 分重量X為Cr 18-25 %、Ni 40-50 %、Nb 0.5_1.5%、Ti 1.8_2.8%、A1 0.6-1.6%、 Zr 0.02-0. 3 %、 RE 0. 002-0. 10 %、 C 0. 043-0. 10 %、 Si 0. 29-1.0%、 Mn 0.54-1.5%、 CuO. 17-0. 50%、 S《0. 02%、 P《0. 02%、餘量為Fe。由該專利所介紹的材料內容與本 發明材料在成分上有很大差別，該專利為附40-50%， Zr 0.02-0. 3%，而本發明是含有Ni 30.00-34.00X，不含Zr。在材料的使用範圍上也有很大區別，本發明是針對使用溫度在 780-950°C高負荷排氣閥，而該專利是針對使用溫度750-850°C的高負荷氣閥，本發明在高 溫強度和高溫硬度方面遠高於該專利高性能節鎳氣閥合金材料。因此，對比專利與我們要 求的材料還是有較大區別的。

發明內容
本發明的目的是提出一種在高溫燃氣環境工作時具有抗燃氣腐蝕和抗氧化性能 好，高溫強度、高溫硬度高，並且使用壽命長、生產工藝簡單、經濟的節鎳型氣閥合金材料。
根據本發明目的所提出節鎳型氣閥合金材料的使用要求，因此我們設計的解決方 案是考慮到產品件的工作溫度在780-95(TC範圍內，同時要降低材料成本和簡化工藝的前 題下，通過調整鉻、鎳及強化元素的含量來改善本發明節鎳型氣閥合金材料良好的力學性
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針對本發明目的內容，我們所提出的節鎳型氣閥合金材料，包含碳、矽、磷、硫、鎳、 鉻、鉬、鈦、鋁、錳、鈮、銅、硼、鐵，其重量百分比為碳(C):《0.07%;矽(Si):《0.25%;磷
(P):《0.020% ;硫(S):《0.020% ;鎳(Ni) :30. 00-34. 00 % ;鉻(Cr) :13.0-16.0% ;鉬 (Mo) :0. 60-0. 80% ;鈦(Ti) :2. 20-3. 00% ;鋁(Al) :1. 20-2. 00% ;錳(Mn):《0. 70% ;鈮 (Nb)O. 40-0. 70% ;銅(Cu):《0. 30% ;硼(B) :0. 0015-0. 004% ;餘量為Fe。
本發明節鎳型氣閥合金材料的成分設計，是在考慮到現有技術材料中的不足之
後，通過調整鎳的含量及採用微量的鉬、硼等元素，並對成分中其他元素的適量調整，從而 達到改善本發明材料的高溫力學性能。因此，我們在成分設計中調整鉻元素，是保證本發 明合金材料在高溫燃氣環境中工作時，具備良好的抗氧化和抗燃氣腐蝕性能，鉻在合金中
所形成的碳化物，對該合金的強度有一定貢獻，本發明合金成分中Crl3. 0-16. 0%。鎳和錳 是奧氏體的形成元素，部分的鎳與鈦和鋁可形成Ni"Al，Ti)金屬間化合物，S卩y'相，因此 在本發明合金的成分設計時，主要是考慮採用y'相來強化合金基體，實現提高合金的高 溫強度和高溫硬度，因此在本合金成分中Ni30. 00-34. 00% ;由於錳是奧氏體形成元素，但 是它的抗腐蝕性能差，所以不宜多加，在本發明合金成分中Mn《0. 70%。鋁和鈦的加入是 為了與鎳形成y '相，Al和Ti加入量對y '析出量有影響，Al/Ti比對y '相的強化作用 有影響，熱加工工藝和熱處理制度對y'析出量、析出尺寸都有明顯的影響。本合金成分 中加入Ti 2. 20-3. 00%和All. 20-2. 00%，並通過處理是可以保證有足夠的高溫度以及比 Stellite6合金略高的高溫硬度。本發明合金成分中鈮是強碳化物形成的元素，由它們所 形成的碳化物在高溫時是比較穩定的，對該合金材料的高溫強度、高溫硬度和耐磨性有明 顯的貢獻，同時Nb在進入y '相中可使y '相得到強化。Nb也有細化晶粒、改善塑性和熱 加工性的特點，因此鈮元素的加入量為Nb 0.40-0.70%。在本發明節鎳型氣閥合金材料成 分中的C、 si 、 Mn、 Cu、 S、 P、等元素均為限量存在。Fe在本發明合金材料中雖然定為餘量，但 鐵元素的含量均在20%以上，提高鐵含量的目的在於採用廉價鐵替代昂貴的鎳，因此本發 明採用高鐵節鎳的設計方案是可以大幅度降低該合金材料的成本，同時為保證該合金材料 的抗腐蝕性能。本發明合金材料成分中，C能與Cr、Nb、等元素形成碳化物，雖然對強度有 些提高但貢獻不大，因本合金材料材料的強度主要是依靠y '相的強化，C的提高會損害材 料的塑性，在一定的範圍內增加C含量又可提高熱加工性，然而A1、 Ti、B含量增加又會降 低材料的熱加工性，生產時應考慮C、 Al、 Ti、 B的綜合效應，所以在本發明合金材料中C含 量為《0. 07% 。 Cu在本發明合金材料中屬於限量元素，因Cu含量過高會影響合金的熱塑 性及合金錠的開坯，降低材料的熱加工性，因此限量為《0. 30% 。 Mn也屬於限量元素，其原 因Mn是奧氏體化元素之一，雖然有助奧氏體化的作用，但是過量的Mn會降低合金鋼的抗高 溫氧化和抗燃氣腐蝕效果；P、 S為有害元素，由於少量的Mn元素能與鋼中的S結合後形成 MnS，從而使S的有害作用降到最低，因此Mn、 S、 P元素的含量分別限制在Mn《0. 70%、 S、 P均《0. 02%範圍內。Si元素雖然能提高合金材料的抗氧化性和抗燃氣腐蝕性，但對材料 的塑性性能有不利的影響，所以在本發明合金材料中應控制在《0. 25%。另外，在本發明合 金材料中，微量硼可改善耐晶間腐蝕性能，微量硼的加入還可提高奧氏體不鏽鋼的熱塑性， 改善熱加工性，少量的硼很明顯對應力破裂性能提高很有益處，但超過0. 004%就沒什麼好 處了 ；硼是提高奧氏體不鏽鋼熱中子吸收截面的重要元素，但是硼含量超過在奧氏體中的 溶解度時，會形成低熔點硼化物共晶，從而顯著降低鋼的熱加工性，並且鋼的強度提高，塑
4性降低，B的加入會使部分的B元素進入Y '相中而使Y '被軟化，影響了 Y '相的強化效 果，因此我們的成分設計B的加入量O. 0015-0. 004%範圍內。在本發明鋼的成分中加入鉬 元素，鉬的作用主要是提高鋼在還原介質的耐蝕性，並提高鋼的耐點腐蝕及縫隙腐蝕等性 能；鉬主要是強化鋼中鉻的耐蝕作用，與此同時，鉬形成鉬酸鹽後的緩蝕作用也已為實驗所 證實。 本發明節鎳型氣閥合金材料的製備與現有技術生產方法相似，本發明合金材料是 採用在真空感應爐中進行冶煉，經煉鋼、澆鑄、鍛造後再於650和250軋機軋製成設定尺寸 的半成品圓棒。軋後的坯料要進行軟化的熱處理。對退火後的坯料再經過粗矯和精矯後，採 用無芯磨床等設備進行機械加工，並製備成要求尺寸的工件產品。產品是按JB/T6720《內 燃機進、排氣門金相檢驗》標準進行的檢驗，其檢測結果全部合格。 採用本發明節鎳型氣閥合金材料與現有技術材料相比較，具有抗燃氣腐蝕和抗氧 化性能好，高溫強度、高溫硬度高，和產品使用壽命長、生產工藝簡單、經濟等特點。另外本 發明鋼與國外材料相比較還有以下優點 1、與國外常用的Inconel751合金(0. 08C_15Cr_2. 5Ti-1. 2Al-lNb-7Fe-Ni)和 Nimonic 80A(0. 08C-20Cr_2. 5Ti_l. 2Al-lCo-Ni)相比較具有更高的高溫強度和高溫硬度， 因而，可以減小氣閥尺寸，減輕重量，降低氣閥的落座力和磨損，延長使用壽命。
2、本發明合金材料的製備成本比Inconel751和Nimonic 80A合金低很多。
3、本發明合金材料的產品與現行機車、船艦用耐熱鋼加錐面堆焊的氣閥產品相比 較，不僅在材料的力學性能上具有更高的高溫強度，而且還採用了不堆焊的產品製備結構， 克服了堆焊層存在的一系列不安全的缺陷，提高了產品氣閥件的安全性和使用壽命，簡化 了生產工藝，使該材料在性能價格比上有明顯的優勢。 4、本發明合金材料與中國專利高性能節鎳氣閥合金材料相比節鎳效果更明顯。
具體實施方式

實施例一 —種節鎳型氣閥合金材料，包含碳、矽、磷、硫、鎳、鉻、鉬、鈦、鋁、錳、鈮、銅、硼、鐵， 其重量百分比為碳(C) :0.04% ;矽(Si) :0.25% ;磷(P) :0.018% ;硫(S) :0.018% ;鎳 (Ni) :34.00% ;鉻(Cr) :16.0% ;鉬(Mo) :0.80% ;鈦(Ti) :2.60% ;鋁(Al) :1.90% ;錳
(Mn) :0. 70% ;鈮(Nb)O. 70% ;銅(Cu) :0. 30% ;硼(B) :0. 0025% ;餘量為Fe。
實施例二 —種節鎳型氣閥合金材料，包含碳、矽、磷、硫、鎳、鉻、鉬、鈦、鋁、錳、鈮、銅、硼、鐵， 其重量百分比為碳(C) :0.01% ;矽(Si) :0. 10% ;磷(P) :0.018% ;硫(S) :0.018% ;鎳 (Ni) :30. 00% ;鉻(Cr) :13. 0% ;鉬(Mo) :0. 60% ;鈦(Ti) :2. 30% ;鋁(Al) :1. 60% ;錳
(Mn) :0. 20% ;鈮(Nb)O. 40% ;銅(Cu) :0. 10% ;硼(B) :0. 0015% ;餘量為Fe。
實施例三 —種節鎳型氣閥合金材料，包含碳、矽、磷、硫、鎳、鉻、鉬、鈦、鋁、錳、鈮、銅、硼、鐵， 其重量百分比為碳(C) :0. 07% ;矽(Si) :0. 15% ;磷(P) :0. 018% ;硫(S) :0. 018% ;鎳
(Ni) :32.0%;鉻(Cr) :14.5%;鉬(Mo) :0.7%;鈦(Ti) :2.90%;鋁(Al) :1.50%;錳(Mn): 0. 35% ;鈮(Nb)O. 55% ;銅(Cu) :0. 20% ;硼(B) :0. 004% ;餘量為Fe。
權利要求
節鎳型氣閥合金材料，包含碳、矽、磷、硫、鎳、鉻、鉬、鈦、鋁、錳、鈮、銅、硼、鐵，其重量百分比為碳(C)≤0.07％；矽(Si)≤0.25％；磷(P)≤0.020％；硫(S)≤0.020％；鎳(Ni)30.00-34.00％；鉻(Cr)13.0-16.0％；鉬(Mo)0.60-0.80％；鈦(Ti)2.20-3.00％；鋁(Al)1.20-2.00％；錳(Mn)≤0.70％；鈮(Nb)0.40-0.70％；銅(Cu)≤0.30％；硼(B)0.0015-0.004％；餘量為Fe。
全文摘要
本發明公開了一種節鎳型氣閥合金材料，包含碳、矽、磷、硫、鎳、鉻、鉬、鈦、鋁、錳、鈮、銅、硼、鐵，其重量百分比為碳(C)≤0.07％；矽(Si)≤0.25％；磷(P)≤0.020％；硫(S)≤0.020％；鎳(Ni)30.00-34.00％；鉻(Cr)13.0-16.0％；鉬(Mo)0.60-0.80％；鈦(Ti)2.20-3.00％；鋁(Al)1.20-2.00％；錳(Mn)≤0.70％；鈮(Nb)0.40-0.70％；銅(Cu)≤0.30％；硼(B)0.0015-0.004％；餘量為Fe。該節鎳型氣閥合金材料在高溫燃氣環境工作時具有抗燃氣腐蝕和抗氧化性能好，高溫強度、高溫硬度高，並且使用壽命長。
文檔編號F01L3/02GK101781741SQ200910028928
公開日2010年7月21日 申請日期2009年1月21日 優先權日2009年1月21日
發明者葉剛, 宮友軍, 練明生, 趙永宏, 韓小軍 申請人:江蘇申源特鋼有限公司