CN108220690A - 一种船用排气阀杆的锻造用材料及锻造方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种船用排气阀杆的锻造用材料及锻造方法。其锻造方法如下：步骤1，真空感应熔炼，浇注毫米电极；步骤2，电渣重熔精炼；步骤3，变截面圆棒锻造工艺；步骤4，模锻工艺；其中：坯料保温时，可粘贴保温材料包括可粘贴绝热棉及高温粘结剂；所述高温粘接剂由强化剂、结合剂、软化剂及促硬剂组成，其中：强化剂为粉状硅酸盐耐火材料，结合剂为无机胶粘剂，苛性钠或碳酸钠为软化剂，硅酸盐水泥为促硬剂；步骤5，模锻件毛坯的固溶热处理以及沉淀硬化热处理。本发明的锻造用材料化学成分匹配好，使得材料的表面硬度和常温和高温的机械性能大大提高，偏析小，并且硬度分布均匀。

Description

一种船用排气阀杆的锻造用材料及锻造方法

技术领域

本发明涉及船用柴油机，特别是涉及到船用镍基高温合金排气阀阀杆锻件的冶炼、锻造方法和制作过程。

背景技术

在船用二冲程柴油机(也称为主机)上，排气阀阀杆毛坯的结构如图2所示，以800毫米缸径柴油机为例，其形状如喇叭状，最大直径450毫米，最小直径才110毫米，长度1600毫米，重量达到220kg，因为其形状复杂，截面不规则变化大，又是镍基高温合金材料，此材料极易产生偏析，锻造温度非常狭窄且容易锻裂，又要求晶粒细、机械性能各方向都要求一致，造成锻造中难以把握，容易出现锻造缺陷和机械性能不合格。上述高温合金排气阀阀杆长期工作在高温及燃气腐蚀的恶劣环境下，排气阀杆是船用低速柴油机的关键部件，因为换气质量的好坏直接影响柴油机的动力性、经济性、可靠性及排放。由于它长期在高温及易腐蚀的恶劣环境下工作，排气阀阀杆的耐高温性、耐腐蚀性和抗疲劳性的要求非常高。它的健康状况直接影响着柴油机的寿命和大修间隔，也会对柴油机的活塞头、气缸套等其它部件产生影响。

现有技术镍基排气阀阀杆制作材料中，机械性能、硬度、碳化物偏析严重、晶粒度很难达不到技术要求。排气阀阀杆长期工作在高温及燃气腐蚀的恶劣环境下，所以技术指标要求苛刻，若未能达到要求，长期使用时会出现严重磨损、表面产生腐蚀坑、甚至高温疲劳而断裂。在船舶主机工作过程中如果出现排气阀阀杆断裂，就会影响到主机的安全运行。另外，若硬度和组织不符合要求，高温下排气阀杆密封面容易快速磨损而很快就漏气，影响到排气阀阀杆的使用寿命。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种新型的船用排气阀杆的锻造用材料及锻造方法。本发明制作的排气阀杆各方向的机械性能一致、常温和高温硬度高、晶粒细小且碳化物分布均匀偏析小。

本发明提供的技术方案具体如下。

一种船用柴油机排气阀杆的锻造用材料，按照重量百分数计，其包括如下组分：

其余为Ni，其总重量满足100％。

本发明还提供一种上述的锻造用材料的锻造方法，包括以下步骤：

步骤1，真空感应熔炼，浇注毫米电极；

步骤2，电渣重熔精炼；

步骤3，变截面圆棒锻造工艺；

步骤4，模锻工艺；

其中：坯料保温时，可粘贴保温材料包括可粘贴绝热棉及高温粘结剂；所述高温粘接剂由强化剂、结合剂、软化剂及促硬剂组成，其中：强化剂为粉状硅酸盐耐火材料，结合剂为无机胶粘剂，苛性钠或碳酸钠为软化剂，硅酸盐水泥为促硬剂；

步骤5，模锻件毛坯的固溶热处理以及沉淀硬化热处理。

上述步骤5中，固溶热处理时，在1020～1040℃温度范围内选定温度进行固溶热处理，温度的波动不超过±14℃，高温固溶后在油中或水中冷却；

上述步骤5中，沉淀硬化热处理时，处理温度为690～710℃，保温15～17小时后空冷。

基于上述技术方案，本发明的船用排气阀杆的锻造用材料及锻造方法相对于现有技术，具有如下技术优点：

第一、本发明的镍基高温合金的排气阀阀杆毛坯，由于技术难度高，之前国内没人开发成功，毛坯都依赖进口。

第二、本发明的镍基高温合金材料化学成分匹配好，尤其控制了其中的碳、铬、铝和钛元素含量范围，使得材料的表面硬度和常温和高温的机械性能大大提高，偏析小，并且硬度分布均匀，符合大小排气阀杆毛坯的制造。

第三、本发明的高温合金锻钢材料在排气阀阀杆的锻造过程中，采用“软包套”保温技术进行保温锻造，就好像人穿了件棉袄保温，“软包套”显著减缓锻造时钢坯的降温速度，大幅度提高钢坯一火锻造的变形量，减少钢坯的变形火次，因此用此方法锻造出的排气阀杆不易锻裂，且晶粒细小，强度高。

附图说明

图1是船用柴油机上排气阀阀杆毛坯变截面圆棒形状图。

图2是船用柴油机上排气阀阀杆毛坯示意图。

具体实施方式

下面我们结合具体的实施例来对本发明的船用柴油机上的链轮排气阀阀杆的制作材料和排气阀阀杆锻造方法做进一步详细阐述，以求更为清楚明了的理解本发明，但不能以此来限制本发明的保护范围。

实施例1中，一种船用柴油机排气阀杆的锻造用材料，按照重量百分数计，其包括如下组分：

其余为Ni，其总重量满足100％。

材料中，Pb≤10ppm，Bi≤0.5ppm，Ag≤5ppm，Mg作为脱氧元素，加入量控制为0.07％。

采用上述的高温合金材料制作船用柴油机排气阀阀杆毛坯的方法，该方法包括如下步骤：

1.真空感应熔炼(VIM)，浇注Ф430毫米电极，供重熔用Ф510毫米锭。工艺要求如下：

(1)炉体冷态漏气率应≤10μ/分，精炼时炉体真空度应≤10μ；

(2)熔炼开始时，应逐步提高送电的功率，以利原材料表面气体的挥发去除；

(3)原材料熔清后，加入Ni-C，通过激化C-O反应强化熔体脱气；

(4)熔化期结束后转入精炼期，待合金精炼后，方可加入Al、Ti易氧化金属或合金，待易氧化金属或合金熔清后，应再次进行合金的精炼，以提高合金的纯洁度；

(5)B、Mg等易烧损元素在VIM熔炼的末期加入，为通过微Mg合金化提高合金的热加工塑性，加Ni-Mg时应向炉膛通入一定压力的氬气；

(6)电极模上部置放保温帽口，尽量减少浇注电极头部的缩孔深度；

2.电渣重熔(ESR)精炼；工艺要求如下：

(1)采用氩气保护电渣重熔；

(2)填充比(电极直径/结晶器直径)＞0.7；

(3)采用4元重熔渣系，渣系配比如下：

CaF₂：Al₂O₃：CaO：MgO＝72：18：5：5。

当重熔电极的Ti含量≤2.4％时，渣系中另加2％的TiO₂；

(4)渣量：70Kg；

(5)熔速：4.3Kg/min。

3.变截面圆棒锻造工艺控制要求

应用Ф510毫米电渣锭锻制800毫米缸径的排气阀阀杆用变截面圆棒步骤如下

3.1变截面圆棒的形状与尺寸要求，变截面圆棒的形状见图1。

3.2钢锭的锻造开坯

采用快锻机进行锻造，将Ф510毫米电渣锭锻至Ф340毫米圆棒。

3.2.1钢锭和锭坯的加热工艺

钢锭的最高加热温度控制在1160℃±14℃，在1160℃温度下，钢锭加热的保温时间应不少于4小时；

每火锻后钢坯回炉加热温度控制在1160℃±14℃，在1160℃温度下，钢坯回炉加热的保温时间应不少于1.5小时。

3.2.2锻造开坯变形要求

第一火，钢锭拔长：击锭头部→420毫米方→420毫米八角→取420毫米八角×120毫米，压钳把到Ф200毫米×约500毫米；

第二火，钢锭拔长：击锭尾部→420毫米方→420毫米八角→取420毫米八角×120毫米，压钳把到Ф200毫米×约500毫米→420毫米八角棒段平均一切二；

第三火，420毫米八角坯镦粗：镦粗至坯料长度的1/2，镦粗后的坯料平均直径约Ф590毫米；

第四火，Ф590毫米中间坯拔长：Ф590毫米中间坯→420毫米方。

第五火，420毫米方中间坯拔长：420毫米方→340毫米方→340毫米圆棒或340毫米八角坯。

340毫米圆棒或340毫米八角坯表面全研磨后，进行表面质量检查，合格后转入Ф230毫米圆棒制造工序。

3.2.3Ф230毫米圆棒的锻造

采用径锻机进行锻造，将340毫米圆棒或340毫米八角坯一火径锻至Ф230毫米圆棒。3.2.3.1Ф340毫米圆棒的加热工艺

在1140℃温度下，340毫米圆棒或340毫米八角坯的保温时间应≥2小时；

3.2.3.2锻造变形要求

将340毫米圆棒一火、多道次径锻至Ф230毫米圆棒，单道次的最大延伸系数控制在约1.4。锻后将Ф230毫米圆棒自由端端面切平后，方可转入锻造变截面圆棒工序。

3.3变截面圆棒的制造要求

采用径锻机进行锻造，将Ф230毫米圆棒径锻至变截面圆棒。

3.3.1Ф230毫米圆棒加热工艺

最高加热温度控制在1020℃±14℃，保温时间≥1小时，保温后，Ф230毫米圆棒出炉包复可粘贴绝热棉，从Ф230圆棒自由端端面开始，包复长度600mm，圆棒包复可粘贴绝热棉后再回炉加热，回炉加热时间≥0.5小时。

3.3.2变截面圆棒的锻造

夹钳把将包复了可粘贴绝热棉的已加热Ф230毫米×460毫米棒段进行径锻，变形要求为：Ф230毫米×460毫米→Ф110毫米×约1570毫米+Ф110毫米/Ф230毫米×170毫米，径锻后，将Ф110毫米自由端端面切平，切取检验试料后，按图1变截面圆棒形状与尺寸要求，定尺切割下料模锻800毫米缸径排气阀阀杆用变截面圆棒坯料。

第一支变截面圆棒定尺下料后，在剩余的Ф230圆棒上接下去生产变截面圆棒，Ф230毫米×440毫米→Ф110毫米×约1480毫米+Ф110毫米/Ф230毫米×170毫米，将Ф110毫米自由端端面切平，按图1变截面圆棒形状与尺寸要求，定尺切割下料模锻80MC排气阀阀杆用变截面圆棒坯料；锻后，在剩余的Ф230毫米圆棒上按上述要求继续生产变截面圆棒，直至结束。

4.模锻工艺

4.1排气阀杆模锻

采用开式胎模锻。胎模锻用组合模具的上模为平模，下模模腔与排气阀阀杆盘尺寸和形状相匹配，下模模腔中心中间部位加工一个带锥度的轴向圆孔，圆孔最小直径应大于图1的D2直径。下模置于多个支撑模模块上面，支撑模模块中心带有等直径轴向圆形模孔，圆形模孔的直径与下模模腔中间部位轴向圆形模孔最小直径相匹配，下模加多个支撑模轴向圆形模孔的长度大于图1的D2直径圆棒长度。

模具材料采用H13和5CrNiMo热作模具钢。

4.2模锻工艺

模锻在液压机上进行。

4.2.1坯料尺寸及形状：见图1；

4.2.2模具预热温度：400～450℃，模具安装后，通过火焰圈点燃燃气继续对上、下模模具加热；

4.2.3坯料加热工艺：1020±14℃，保温时间≥2小时；

4.2.4坯料保温措施

①应用的可粘贴保温材料

应用的可粘贴保温材料包括可粘贴绝热棉及特殊的高温粘结剂。可粘贴绝热棉可牢实地粘贴在加热的模锻坯表面，模锻过程中可粘贴绝热棉不会脱落，可伴随模锻坯变形而变，实现模锻的热加工窗口不大于60℃；可粘贴绝热棉中呈弥散分布的特殊玻璃粉，在高温下既是粘结剂，又是润滑剂，有利于模锻件的脱模。高温粘结剂由强化剂、结合剂、软化剂及促硬剂组成，其中强化剂为粉状硅酸盐耐火材料，采用无机胶粘剂作为结合剂，苛性钠或碳酸钠作为软化剂，硅酸盐水泥作为促硬剂。一种特殊的高温粘结剂在常温至高温下具有良好的粘结强度，在可粘贴绝热棉附有双粘结剂的正面浇上高温粘结剂将可粘贴绝热棉粘贴在热钢坯或冷钢坯的表面，可强化可粘贴绝热棉与钢坯表面的粘结强度，采用可粘贴绝热棉辅以特殊的高温粘结剂进行保温锻造，相对仅仅采用可粘贴绝热棉进行保温锻造，显著地提高保温锻造的操作质量。

②坯料到温后，D1直径和过渡区变形部位包覆可粘贴绝热棉，回炉保温≥0.5小时；

③坯料加热时，对于模锻变截面锻棒不变形的D2直径圆棒部位，采用绝热棉进行隔热屏蔽，弱化D2直径圆棒部位的升温；

④模锻时，通过火焰圈点燃燃气对坯料进行加热，强化控制热加工窗口不大于60℃，使终锻温度控制在不低于950℃。

4.3模压要求

起始压下速度为50mm/分钟，接下去进行保压操作。

5.排气阀阀杆的固溶热处理

5.1模锻件毛坯的固溶热处理

5.1.1在1020～1040℃温度范围内选定温度下固溶热处理，温度的波动不超过±14℃，高温固溶后在油中或水中冷却；

5.1.2为防止固溶热处理时排气阀阀杆毛坯发生弯曲，固溶热处理在井式炉中进行，并派出专业人员对设备状况和工艺状态进行监控。

5.2排气阀杆的沉淀硬化热处理

沉淀硬化热处理在室式加热炉中进行，处理温度为700℃，温度的波动不超过±10℃，保温16小时后空冷。

实施例中，控制碳、铬、铝和钛元素含量范围(碳元素控制在0.04～0.10％，铬元素控制在18.0～22.0％，铝元素控制在1.40～1.80％，钛元素控制在2.30～2.80％)，使得材料在常温和高温的机械性能均大大提高，碳化物分布均匀偏析小，且硬度分布均匀，符合大小排气阀杆毛坯的技术要求，具体见表1。

表1

本发明的高温合金锻钢排气阀阀杆在锻造过程中，采用一种“软包套”保温技术进行保温锻造，就好似给锻件穿了件棉袄保温，“软包套”显着减缓锻造时钢坯的降温速度，大幅度提高钢坯一火锻造的变形量，减少钢坯的变形火次，用此方法锻造出的排气阀阀杆不易锻裂，且晶粒细小，强度高。

不同的碳、铬、铝和钛元素的含量对强度产生不同的影响，通过大量的比对试验最终确定这四个元素的含量范围。经验证鉴定，满足当今世界上最先进的MDT品牌船用低速柴油机排气阀阀杆的技术要求。

本发明的船用柴油机排气阀阀杆制造方法通过合理选择排气阀阀杆的原材料化学成分和非常规的保温“软包套”技术进行等温锻造方法，达到提高排气阀阀杆硬度、机械性能并保证晶粒细小，克服高温合金以往用传统锻造方法由于锻造温度狭窄容易锻裂和出现晶粒粗大的老大难问题。

Claims (4)

1.一种船用排气阀杆的锻造用材料，其特征在于，按照重量百分数计，其包括如下组分：

其余为Ni，其总重量满足100％。

2.一种利用权利要求1所述的锻造用材料的锻造方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1，真空感应熔炼，浇注毫米电极；

步骤2，电渣重熔精炼；

步骤3，变截面圆棒锻造工艺；

步骤4，模锻工艺；

其中：坯料保温时，可粘贴保温材料包括可粘贴绝热棉及高温粘结剂；所述高温粘接剂由强化剂、结合剂、软化剂及促硬剂组成，其中：强化剂为粉状硅酸盐耐火材料，结合剂为无机胶粘剂，苛性钠或碳酸钠为软化剂，硅酸盐水泥为促硬剂；

步骤5，模锻件毛坯的固溶热处理以及沉淀硬化热处理。

3.根据权利要求2所述的锻造方法，其特征在于，步骤5中，固溶热处理时，在1020～1040℃温度范围内选定温度进行固溶热处理，温度的波动不超过±14℃，高温固溶后在油中或水中冷却。

4.根据权利要求2所述的锻造方法，其特征在于，步骤5中，沉淀硬化热处理时，处理温度为690～710℃，保温15～17小时后空冷。