專利名稱：節(jié)鎳型氣閥合金材料的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于節(jié)鎳合金材料的制造領(lǐng)域。特別是制備使用在高溫下的高性能高負荷
的內(nèi)燃機用氣閥合金材料。
背景技術(shù)：
目前在內(nèi)燃機的應(yīng)用領(lǐng)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(nèi)燃機車、船艦、坦克、發(fā)電機等眾多領(lǐng)域中。而氣閥又屬于內(nèi)燃機中的關(guān)鍵部件和易耗 損件。高速柴油機通常轉(zhuǎn)速在1000-2000轉(zhuǎn)/分，汽油機的工作轉(zhuǎn)速為2000-6000轉(zhuǎn)/分， 在內(nèi)燃機的工作狀態(tài)時，進、排氣閥是以高頻率作往復(fù)運動，氣閥對閥座會產(chǎn)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(nèi)燃機中的高溫燃氣環(huán)境中 被長期使用，不僅需要該材料要具備優(yōu)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(xiàn)有技術(shù)中的高負荷內(nèi)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，制備該類的氣閥材料目前只能用于中等負荷的柴油機排氣閥，其優(yōu)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(chǎn)品易損壞和使用壽命低，生產(chǎn)工藝 復(fù)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(jié)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%、余量為Fe。由該專利所介紹的材料內(nèi)容與本 發(fā)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(fā)明是含有Ni 30.00-34.00X，不含Zr。在材料的使用范圍上也有很大區(qū)別，本發(fā)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(fā)明在高 溫強度和高溫硬度方面遠高于該專利高性能節(jié)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(qū)別的。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提出一種在高溫燃氣環(huán)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，并且使用壽命長、生產(chǎn)工藝簡單、經(jīng)濟的節(jié)鎳型氣閥合金材料。
根據(jù)本發(fā)明目的所提出節(jié)鎳型氣閥合金材料的使用要求，因此我們設(shè)計的解決方 案是考慮到產(chǎn)品件的工作溫度在780-95(TC范圍內(nèi)，同時要降低材料成本和簡化工藝的前 題下，通過調(diào)整鉻、鎳及強化元素的含量來改善本發(fā)明節(jié)鎳型氣閥合金材料良好的力學性
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針對本發(fā)明目的內(nèi)容，我們所提出的節(jié)鎳型氣閥合金材料，包含碳、硅、磷、硫、鎳、 鉻、鉬、鈦、鋁、錳、鈮、銅、硼、鐵，其重量百分比為碳(C):《0.07%;硅(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% ;余量為Fe。
本發(fā)明節(jié)鎳型氣閥合金材料的成分設(shè)計，是在考慮到現(xiàn)有技術(shù)材料中的不足之
后，通過調(diào)整鎳的含量及采用微量的鉬、硼等元素，并對成分中其他元素的適量調(diào)整，從而 達到改善本發(fā)明材料的高溫力學性能。因此，我們在成分設(shè)計中調(diào)整鉻元素，是保證本發(fā) 明合金材料在高溫燃氣環(huán)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(fā)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(fā)明合金的成分設(shè)計時，主要是考慮采用y'相來強化合金基體，實現(xiàn)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% ;由于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(fā)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%，并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(fā)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(wěn)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(fā)明節(jié)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(fā)明合金材料中雖然定為余量，但 鐵元素的含量均在20%以上，提高鐵含量的目的在于采用廉價鐵替代昂貴的鎳，因此本發(fā) 明采用高鐵節(jié)鎳的設(shè)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(fā)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，在一定的范圍內(nèi)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(chǎn)時應(yīng)考慮C、 Al、 Ti、 B的綜合效應(yīng)，所以在本發(fā)明合金材料中C含 量為《0. 07% 。 Cu在本發(fā)明合金材料中屬于限量元素，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也屬于限量元素，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，由于少量的Mn元素能與鋼中的S結(jié)合后形成 MnS，從而使S的有害作用降到最低，因此Mn、 S、 P元素的含量分別限制在Mn《0. 70%、 S、 P均《0. 02%范圍內(nèi)。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(fā)明合金材料中應(yīng)控制在《0. 25%。另外，在本發(fā)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銹鋼的熱塑性， 改善熱加工性，少量的硼很明顯對應(yīng)力破裂性能提高很有益處，但超過0. 004%就沒什么好 處了 ；硼是提高奧氏體不銹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，并且鋼的強度提高，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(shè)計B的加入量O. 0015-0. 004%范圍內(nèi)。在本發(fā)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(zhì)的耐蝕性，并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，鉬形成鉬酸鹽后的緩蝕作用也已為實驗所 證實。 本發(fā)明節(jié)鎳型氣閥合金材料的制備與現(xiàn)有技術(shù)生產(chǎn)方法相似，本發(fā)明合金材料是 采用在真空感應(yīng)爐中進行冶煉，經(jīng)煉鋼、澆鑄、鍛造后再于650和250軋機軋制成設(shè)定尺寸 的半成品圓棒。軋后的坯料要進行軟化的熱處理。對退火后的坯料再經(jīng)過粗矯和精矯后，采 用無芯磨床等設(shè)備進行機械加工，并制備成要求尺寸的工件產(chǎn)品。產(chǎn)品是按JB/T6720《內(nèi) 燃機進、排氣門金相檢驗》標準進行的檢驗，其檢測結(jié)果全部合格。 采用本發(fā)明節(jié)鎳型氣閥合金材料與現(xiàn)有技術(shù)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(chǎn)品使用壽命長、生產(chǎn)工藝簡單、經(jīng)濟等特點。另外本 發(fā)明鋼與國外材料相比較還有以下優(yōu)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(fā)明合金材料的制備成本比Inconel751和Nimonic 80A合金低很多。
3、本發(fā)明合金材料的產(chǎn)品與現(xiàn)行機車、船艦用耐熱鋼加錐面堆焊的氣閥產(chǎn)品相比 較，不僅在材料的力學性能上具有更高的高溫強度，而且還采用了不堆焊的產(chǎn)品制備結(jié)構(gòu)， 克服了堆焊層存在的一系列不安全的缺陷，提高了產(chǎn)品氣閥件的安全性和使用壽命，簡化 了生產(chǎn)工藝，使該材料在性能價格比上有明顯的優(yōu)勢。 4、本發(fā)明合金材料與中國專利高性能節(jié)鎳氣閥合金材料相比節(jié)鎳效果更明顯。
具體實施方式

實施例一 —種節(jié)鎳型氣閥合金材料，包含碳、硅、磷、硫、鎳、鉻、鉬、鈦、鋁、錳、鈮、銅、硼、鐵， 其重量百分比為碳(C) :0.04% ;硅(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% ;余量為Fe。
實施例二 —種節(jié)鎳型氣閥合金材料，包含碳、硅、磷、硫、鎳、鉻、鉬、鈦、鋁、錳、鈮、銅、硼、鐵， 其重量百分比為碳(C) :0.01% ;硅(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% ;余量為Fe。
實施例三 —種節(jié)鎳型氣閥合金材料，包含碳、硅、磷、硫、鎳、鉻、鉬、鈦、鋁、錳、鈮、銅、硼、鐵， 其重量百分比為碳(C) :0. 07% ;硅(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% ;余量為Fe。
權(quán)利要求
節(jié)鎳型氣閥合金材料，包含碳、硅、磷、硫、鎳、鉻、鉬、鈦、鋁、錳、鈮、銅、硼、鐵，其重量百分比為碳(C)≤0.07％；硅(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％；余量為Fe。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種節(jié)鎳型氣閥合金材料，包含碳、硅、磷、硫、鎳、鉻、鉬、鈦、鋁、錳、鈮、銅、硼、鐵，其重量百分比為碳(C)≤0.07％；硅(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％；余量為Fe。該節(jié)鎳型氣閥合金材料在高溫燃氣環(huán)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，并且使用壽命長。
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(yōu)先權(quán)日2009年1月21日
發(fā)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