專利名稱：一種經(jīng)濟(jì)型氣閥鋼的制作方法
所屬領(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)內(nèi)燃機(jī)的經(jīng)濟(jì)型進(jìn)、排氣閥用奧氏體耐熱鋼。
目前我國(guó)在中等負(fù)荷的內(nèi)燃機(jī)中，是普遍采用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650-750℃之間，氣閥鋼長(zhǎng)期使用在高溫下則會(huì)有層狀析出量增大，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(huì)使氣閥鋼基體貧鉻，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(huì)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。在國(guó)外現(xiàn)有技術(shù)中也有資料介紹，例如美國(guó)專利4929419文獻(xiàn)介紹的氣閥鋼，該鋼是針對(duì)23-8N鋼進(jìn)行的成分調(diào)整，如采用添加V、B、W、Mo元素和提高C、N含量來(lái)改變鋼種的使用性能，該鋼雖然性能略比23-8N有所提高，但其制造成本要比21-4N高出很多，該鋼是使用在制備高負(fù)荷的內(nèi)燃機(jī)排氣閥用鋼。另外德國(guó)在專利文獻(xiàn)DE 3704473 A1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％Al、1.8-2.5％Nb、0.8-1.5％W，N提高到0.4-0.6％的成分范圍，該鋼是使用在高負(fù)荷的內(nèi)燃機(jī)排氣閥中，但是該鋼的制備成本仍然高于21-4N鋼的一倍以上。再有改進(jìn)形氣閥鋼的技術(shù)還有俄羅斯SU 1650762 A1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％Mo；0.5-1.5％Nb；0.5-1.5％V和0.05-0.20％Zr元素，該鋼的用途性能要高于21-4NWNb(X50CrMnNiNbN 219)鋼，該鋼是使用在高負(fù)荷發(fā)動(dòng)機(jī)的排氣閥，其高溫強(qiáng)度、高溫持久強(qiáng)度、高溫硬度都高于X50CrMnNiNbN 219鋼，其制備成本也在21-4N鋼的一倍以上。
在國(guó)外技術(shù)中的日本專利昭61-227154文獻(xiàn)還介紹了一種Cr-Mn系的耐熱鑄鋼，該專利鑄鋼的實(shí)施例為0.33-0.37 C；1.08-1.14 Si；11.64-13.03Mn；0-2.34 Ni；25.06-26.04 Cr；1.36-2.08 Nb；0.21-0.43 N；其余為Fe。該專利介紹的耐熱鑄鋼是使用在800-1000℃的加熱爐內(nèi)襯板等構(gòu)鑄件，從該鑄鋼的成分分析是屬于不適合制備變形結(jié)構(gòu)件的材料，也不屬于氣閥用耐熱鋼的材料選擇范圍，而且該鑄鋼的制備成本也很高。
發(fā)明目的與內(nèi)容本發(fā)明的目的是提出一種成分設(shè)計(jì)合理，綜合性能好和制備成本低的經(jīng)濟(jì)型奧氏體氣閥鋼材料。
根據(jù)本發(fā)明的目的，我們所提出的經(jīng)濟(jì)型奧氏體氣閥鋼，也是21-4N鋼為基礎(chǔ)，通過對(duì)該鋼的成分進(jìn)行合理的調(diào)整，使本發(fā)明氣閥鋼在具備良好綜合性能的同時(shí)，還降低了該鋼的制備成本。本發(fā)明經(jīng)濟(jì)型奧氏體氣閥鋼的解決方案，首先是針對(duì)21-4N鋼的不足，我們對(duì)經(jīng)濟(jì)型氣閥鋼的成分進(jìn)行重新設(shè)計(jì)。在本發(fā)明鋼與21-4N鋼的成分進(jìn)行比較后可看到，我們?cè)诔煞种性黾雍驼{(diào)整了Nb、Re和Ni、C、N等元素的含量，目的在于使原來(lái)21-4N鋼僅僅依靠C、N、Cr結(jié)合形成的相發(fā)生變化。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(lái)Cr與C、N形成的層狀析出。本發(fā)明氣閥鋼經(jīng)過750℃和100小時(shí)的時(shí)效后，層狀析出量＜10％，而21-4N鋼的層狀析出量則＞40％；并且新相的結(jié)構(gòu)更穩(wěn)定，經(jīng)高溫長(zhǎng)時(shí)間時(shí)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21-4N。另外，由于Nb和Re等元素含量的增加，使本發(fā)明氣閥鋼在650-750℃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。因此，本發(fā)明經(jīng)濟(jì)型奧氏體氣閥鋼的具體化學(xué)成分含量重量％為C 0.40-0.65％；Si≤0.50％；Mn 8.0-11.0％；S≤0.030％；P≤0.040％；Cr 19.0-23.0％；Ni 1.0-3.0％；Nb 0.20-1.10％；Re 0.01-0.2％；N0.35-0.60％；其余為Fe。在本發(fā)明所提出的氣閥鋼成分中，首先考慮該鋼在保證其具有良好綜合性能的前題下，通過成分及元素含量的合理調(diào)整，使本發(fā)明氣閥鋼的制備成本有所降低，因此我們?cè)诔煞衷O(shè)計(jì)時(shí)的考慮如下所述。在本發(fā)明氣閥鋼的成分中加入C和N元素，主要考慮到C和N既是奧氏體化元素，又是間隙強(qiáng)化的元素，C和N與Cr、Nb可以形成碳化物和碳氮化物，能有效的提高強(qiáng)化效果。當(dāng)隨著C、N含量的合理提高，其材料的時(shí)效強(qiáng)度效果會(huì)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(shí)強(qiáng)度和長(zhǎng)時(shí)高溫強(qiáng)度。在本發(fā)明氣閥鋼的成分中加入Cr元素，是可以保證該鋼中具有良好的抗氧化和抗燃?xì)飧邷馗g性能，Cr與C、N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Cr元素則會(huì)有利于鐵素體的產(chǎn)生，或是σ相的產(chǎn)生，這對(duì)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Cr的添加量。Mn是奧氏體化元素，Mn可以替代Ni，從而降低鋼的成本，Mn的作用還在于有助于增加基體中N元素的固溶效果，同時(shí)Mn也有助于抑制層狀析出的作用。但是，Mn的增加會(huì)降低鋼的抗氧化和抗燃?xì)飧g性能，Mn還能與鋼中的S結(jié)合后形成MnS，從而使S的有害作用降到最低，因此Mn元素的加入量選擇在8-11％范圍內(nèi)較合適。Nb是強(qiáng)碳化物形成的重要元素，尤其是在時(shí)效過程中與C、N、Cr形成穩(wěn)定的二次析出物，該二次析出物具有尺寸小、分布彌散等特點(diǎn)，能顯著地提高材料的長(zhǎng)時(shí)高溫強(qiáng)度和高溫硬度，同時(shí)對(duì)細(xì)化晶粒也有積極作用。Ni元素也是奧氏體形成的元素，對(duì)鋼的高溫強(qiáng)度和抗氧化性也有明顯地作用。Si元素對(duì)提高鋼的抗氧化性和抗燃?xì)飧g性較為有利，但對(duì)鋼的塑性性能有不利的影響，所以在本發(fā)明鋼中應(yīng)控制在≤0.5％。在本發(fā)明氣閥鋼的成分中加入稀土元素后，能夠有效的改善夾雜物的形態(tài)，使鋼中殘余夾雜物的形態(tài)呈現(xiàn)為球狀，另外稀土元素還能明顯地改善晶界處有害元素的存在，和顯著提高鋼的抗氧化性，對(duì)阻止晶粒長(zhǎng)大也起一定作用。本發(fā)明鋼是以Fe為基，在制備過程中可能會(huì)有一些不可避免的夾雜元素帶入鋼中，為了保證該鋼具有良好的綜合使用性能，所以在煉鋼時(shí)應(yīng)盡量消除和控制有害元素的混入。
本發(fā)明經(jīng)濟(jì)型奧氏體氣閥鋼的制備與現(xiàn)有技術(shù)的方法相似，該鋼可在AOD爐中或其他冶煉爐中進(jìn)行煉鋼、澆鑄和鍛造，然后對(duì)該錠先采用800軋機(jī)熱軋成形后，再于650軋機(jī)軋制成設(shè)定尺寸的半成品圓棒。軋后的坯料要進(jìn)行退火軟化的熱處理。對(duì)退火后的坯料再經(jīng)過粗矯和精矯后，采用無(wú)芯磨床等設(shè)備進(jìn)行機(jī)械加工，并制備成要求尺寸的工件產(chǎn)品。產(chǎn)品是按JB/T 6720《內(nèi)燃機(jī)進(jìn)、排氣門金相檢驗(yàn)》標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行的檢驗(yàn)，其檢測(cè)結(jié)果全部合格。
本發(fā)明經(jīng)濟(jì)型奧氏體氣閥鋼與現(xiàn)有技術(shù)鋼相比較，具有成分設(shè)計(jì)合理，綜合性能好和制備成本低等特點(diǎn)。由于本發(fā)明氣閥鋼對(duì)成分設(shè)計(jì)做了必要的調(diào)整，使該鋼在650-750℃的工作范圍內(nèi)具備良好的抗氧化和抗燃?xì)飧g性能。本發(fā)明是屬于一種析出強(qiáng)化型的奧氏體耐熱鋼，該鋼具有層狀析出量少(＜5％)，高溫長(zhǎng)時(shí)力學(xué)性能高于21-4N鋼，而且成本又低于21-4N的一種新型經(jīng)濟(jì)型氣閥鋼。
實(shí)施方案根據(jù)本發(fā)明所提出經(jīng)濟(jì)型氣閥鋼的成分范圍，我們一共做了本發(fā)明的五組實(shí)施例，我們同時(shí)也做了一組現(xiàn)有技術(shù)的21-4N鋼，為了對(duì)比試驗(yàn)方便，本發(fā)明經(jīng)濟(jì)型氣閥鋼的制備是采用與現(xiàn)有技術(shù)相似的制備方法。本發(fā)明實(shí)施例氣閥鋼的成分對(duì)比列在表1中。本發(fā)明實(shí)施例氣閥鋼的制備是采用在50Kg的感應(yīng)爐中進(jìn)行冶煉并澆鑄成錠，然后在進(jìn)行鍛造成試樣棒，開鍛溫度為1160℃，終鍛溫度應(yīng)不低于1000℃，然后再采用現(xiàn)有技術(shù)的制備方法將試棒加工成檢測(cè)用的標(biāo)準(zhǔn)試樣進(jìn)行測(cè)試。對(duì)本發(fā)明實(shí)施例產(chǎn)品試樣室溫和高溫的力學(xué)性能對(duì)比結(jié)果列入表2中，在表3中所列內(nèi)容是本發(fā)明實(shí)施例產(chǎn)品試樣在725℃的持久性能(試樣斷裂時(shí)間)的對(duì)比結(jié)果，在表4中所列內(nèi)容是本發(fā)明實(shí)施例產(chǎn)品標(biāo)樣在750℃的高溫彎曲疲勞性能的對(duì)比結(jié)果，在表5中所列內(nèi)容是本發(fā)明實(shí)施例產(chǎn)品在750℃長(zhǎng)時(shí)時(shí)效后層狀析出量(％)的對(duì)比結(jié)果。在下列各表中，序號(hào)1-5為本發(fā)明氣閥鋼；序號(hào)21-4N鋼為現(xiàn)有技術(shù)對(duì)比鋼。
根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例中表2、表3、表4數(shù)據(jù)綜合分析認(rèn)為，本發(fā)明氣閥鋼的室溫和高溫短時(shí)強(qiáng)度和塑性雖然與21-4N相當(dāng)，而高溫長(zhǎng)時(shí)強(qiáng)度如高溫持久強(qiáng)度和高溫彎曲疲勞強(qiáng)度均明顯高于21-4N，因此證明本發(fā)明鋼在性能方面明顯優(yōu)于21-4N。而且本發(fā)明鋼在750℃長(zhǎng)時(shí)時(shí)效后的層狀析出量又顯著低于21-4N(見表5)，抗腐蝕性能又遠(yuǎn)優(yōu)于對(duì)比的21-4N。
表1本發(fā)明氣閥鋼實(shí)施例與現(xiàn)有技術(shù)鋼的成分對(duì)比
表2本發(fā)明實(shí)施例室溫和高溫力學(xué)性能的比較(1150℃30min W.C./750℃2h A.C.)
表3本發(fā)明實(shí)施例在725℃持久性能的比較(1150℃30min W.C./760℃2h A.C.)
ISO 683-15和DIN/EN10090標(biāo)準(zhǔn)中21-4N鋼1000h持久強(qiáng)度為110Mpa。(試樣斷裂時(shí)間)表4本發(fā)明實(shí)施例在750℃高溫彎曲疲勞性能對(duì)比(1150℃60min W.C./760℃4h A.C.)
表5本發(fā)明實(shí)施例在750℃長(zhǎng)時(shí)時(shí)效后層狀析出量的比較(％)
權(quán)利要求
1.一種經(jīng)濟(jì)型的奧氏體氣閥鋼，其特征在于該氣閥鋼的具體化學(xué)成分含量重量％為C 0.40-0.65％；Si≤0.50％；Mn 8.0-11.0％；S≤0.030％；P≤0.040％；Cr 19.0-23.0％；Ni 1.0-3.0％；Nd 0.20-1.10％；Re 0.01-0.2％；N0.35-0.60％；其余為Fe。
全文摘要
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)內(nèi)燃機(jī)的經(jīng)濟(jì)型進(jìn)、排氣閥用奧氏體耐熱鋼。該氣閥鋼的具體化學(xué)成分含量重量％為C 0.40－0.65％；Si≤0.50％；Mn 8.0－11.0％；S≤0.030％；P≤0.040％；Cr 19.0－23.0％；Ni 1.0－3.0％；Nd 0.20－1.10％；Re 0.01－0.2％；N 0.35－0.60％；其余為Fe。本發(fā)明經(jīng)濟(jì)型奧氏體氣閥鋼與現(xiàn)有技術(shù)鋼相比較，具有成分設(shè)計(jì)合理，綜合性能好和制備成本低等特點(diǎn)。由于本發(fā)明氣閥鋼對(duì)成分設(shè)計(jì)做了必要的調(diào)整，使該鋼在650－750℃的工作范圍內(nèi)具備良好的抗氧化和抗燃?xì)飧g性能。
文檔編號(hào)C22C38/48GK1570184SQ200410037808
公開日2005年1月26日 申請(qǐng)日期2004年5月10日 優(yōu)先權(quán)日2004年5月10日
發(fā)明者程世長(zhǎng), 謝蔚, 劉正東, 王治政, 楊鋼, 陳新建, 林肇杰, 徐松乾, 李密 申請(qǐng)人:鋼鐵研究總院, 寶鋼集團(tuán)上海五鋼有限公司