CN112430783A - 一种节镍型气阀合金及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

一种节镍型气阀合金及其制备方法，属于气阀合金和气阀钢制造技术领域。气阀合金的化学成分重量百分比为：C：0.03～0.10％，Si：0.10～0.40％，Mn：0.20～1.00％，P：≤0.015％，S：≤0.015％，Cr：21.00～26.50％，Ni：24.50～32.00％，Al：0.50～1.80％，Ti：2.20～3.00％，Nb：0.85～2.50％，V：0.20～0.50％，其余为Fe和不可避免的杂质。采用中频感应炉+电渣重熔冶炼。优点在于，通过减少Ni元素含量，降低了气阀合金的原材料成本。通过适当添加强化元素，获得了由金属间化合物和碳化物复合强化的气阀合金。采用合理的冶炼方法，生产出的气阀具有更高的强度和硬度。

Description

一种节镍型气阀合金及其制备方法
技术领域
本发明属于气阀合金和气阀钢制造技术领域，特别涉及一种节镍型气阀合金及其制备方法，用于制造舰船、火车、汽车、摩托车用柴油机、汽油机以及天然气发动机的进气门和排气门。
背景技术
气阀材料是制作气阀，又称作气门的原材料，气阀材料可以分为气阀钢和气阀合金。气阀钢按组织又分为马氏体气阀钢和奥氏体气阀钢。马氏体气阀钢是世界上最早发展起来的气阀钢，国内最先引进的是前苏联的气阀钢，如上世纪五十年代，引进的4Cr9Si2和4Cr10Si2Mo(эц107)等。奥氏体气阀钢和气阀合金是随着内燃机的不断进步以及对气阀材料的要求不断提高而发展起来的。上世纪七、八十年代是我国开始开发和引进奥氏体气阀钢和气阀合金的黄金时期，相继研制了LF钢，21-4N(5Cr21Mn9Ni4N)，21-2N、21-4NWNb、21-12N、23-8N，ResisTEL、Incone751以及Nimonic 80A等。目前国内马氏体气阀钢多用于制作低负荷、工况条件一般的发动机进气门和排气门，如农用车、摩托车等。奥氏体气阀钢的热强性和抗腐蚀性优于马氏体气阀钢，因此常常被用来制作较高负荷和工况较恶劣的发动机的进气门和排气门，如家用轿车、高级轿车或者部分商用车。气阀合金是气阀材料中耐高温腐蚀性能以及高温长时性能最好的材料，因此被用来制作高档乘用车的排气阀和部分商用车的排气阀。
气阀合金是随着气阀钢的发展而发展起来的，气阀合金主要指镍基高温合金和铁镍基高温合金，镍基高温合金是20世纪40年代开始研制的。1941年，英国率先生产出Nimonic 75镍基合金。通过增加Ni含量，出现Nimonic 80镍基合金，蠕变强度提高。美国在Inconel X-750合金的基础上増加了铝含量研制出Inconel 751气阀合金。英国首先在高级轿车上采用Nimonic80A，日本也在一部分赛车上使用Nimonic 90。一些新型合金被开发出，如钛合金被用在进气阀中，TiAl基合金用在排气阀中，与传统的钛合金以及镍基合金相比，TiAl基合金在800-900℃时的高温抗氧化性能明显高于钛合金和不锈钢，但由于其热加工性较差且成本高，成分和工艺还需进一步调整。由于高参数内燃机的发展以及其他方面的需要，世界各国都在发展气阀合金，牌号有Inconel 751、Nimonic 80A、N-155、VMS-513、NiFe25Cr20NbTi、RS417、R914等等，大多是Al、Ti沉淀硬化型合金，合金量高、生产难度大，由于Ni含量较高，故价格昂贵，但是具有高温性能优越、使用寿命长的优点。目前为止，国内气阀钢棒材标准中只有两个牌号，一个是Inconel 751，另一个是Nimonic 80A。这两种气阀合金具有优良的高温强度和抗高温腐蚀能力，所以被用来制造高档轿车的排气阀或者高功率商用车排气阀。但这两种气阀合金中合金元素镍的含量都超过了65％，使得其原材料成本大大增加，限制了其应用。
气阀钢和气阀合金的冶炼方法通常采用电弧炉或者电弧炉+电渣重熔冶炼，对于马氏体气阀钢目前国内也采用连铸连轧的方法，大大降低了气阀钢的成本，但奥氏体气阀钢和气阀合金通常还是采用模铸的方法，以保证气阀钢和合金内部组织的均匀性。炼钢是气阀钢及合金制造的必不可少的工序。最早的液态钢生产方法是1740年出现的坩埚发，是将生铁和废铁装入由石墨和黏土制成的坩埚内，用火焰加热熔炉炉料，之后将熔化的炉料浇注成钢锭。直到1899年，才出现了以废钢为原料的电弧炉炼钢法，此炼钢法自问世以来一直在不断发展，是当前主要的炼钢法之一，由电弧炉冶炼的钢目前占世界总产钢量的30～40％。在电弧炉炼钢方面，国内外相继开发出了电弧炉兑铁水高效冶炼工艺、强化用氧、废钢预热及超高功率化、氧燃助熔等先进技术，使我国电弧炉的冶炼时间、电极消耗、电耗等指标达到了国际先进水平。电弧炉冶炼功能也由传统的熔化、脱碳、脱磷、脱硫、脱氧等简化为熔化和脱碳升温，冶炼时间缩短至40-60分钟。
电弧炉通常吨位较大，适宜大批量冶炼钢材。对于小批量产品，可以采用感应炉冶炼，如真空感应炉、工频感应炉、中频感应炉或者高频感应炉。感应炉的主要特点是向炉料中输入电能的方法不同。当交流电通过原边线圈时，产生交流磁场，在金属炉料中产生感应电动势，利用电磁感应在被加热的金属内部形成感应电流来加热和熔化金属，同时也产生电磁力，起到搅拌作用。感应炉与其他熔炼工具相比，具有以下优点：不使用电极，可以冶炼含碳量很低的钢种；炉中的钢液在电磁搅拌作用下可以使钢液化学成分更均匀一致，并加速钢液与炉渣间的反应，并可促进非金属夹杂物的脱除；在感应冶炼过程中，合金的损失少，收得率高；在冶炼过程中没有弧光分解，可以得到气体含量很低的钢。使用感应炉冶炼，功率密度大，熔化速度快，实用性强，使用灵活。在冶金厂大批量生产前，通常采用感应炉进行小批量试制，确定基本生产工序后再改用大吨位炉进行冶炼，以节约成本。
发明内容
本发明的目的在于提供一种节镍型气阀合金及其制备方法，该气阀合金与现有气阀合金相比，镍含量大大减少，成本更低，热处理后的强度和硬度更高，屈服极限≥1000MPa，硬度≥HRC38。
为了达到上述目的，本发明是这样实现的：
本发明气阀合金的成分为：C：0.03～0.10％，Si：0.10～0.40％，Mn：0.20～1.00％，P：≤0.015％，S：≤0.015％，Cr：21.00～26.50％，Ni：24.50～32.00％，Al：0.50～1.80％，Ti：2.20～3.00％，Nb：0.85～2.50％，V：0.20～0.50％，其余为Fe和不可避免的杂质。
本发明的节镍型气阀合金的制备工艺及其控制的技术措施如下：
(1)采用中频感应炉+电渣重熔冶炼，中频感应炉的坩埚由电熔镁砂、冶金镁砂和粘接剂混合烧制而成；其中电熔镁砂占坩埚原材料的45％，冶金镁砂占50％，粘接剂占5％；粘接剂由水玻璃和黏土组成，两种材料各占50％；两种镁砂由不同粒度的颗粒组成，其中，粒度在10～20mm的占所有镁砂重量的10％，粒度为5～小于10mm的占所有镁砂总量的30％，粒度为2～小于5mm的占所有镁砂重量的40％，粒度小于2mm的镁砂占所有镁砂重量的20％；坩埚制作时采用钢板型芯打结，低温烧结法烧制；
合金原材料在冶炼前经过烘烤，去除油污和铁锈。
(2)中频感应炉冶炼时，合金的回收料先装炉，其他原料同回收料一同装炉的有金属镍、纯铁、低碳铬铁、硅铁、钒铁、光电碳和铝粉；通电后功率逐渐增加，在80KW和120KW时，分别停留15～20分钟，观察合金熔化情况；然后在功率为180KW和220K时各停留20～25分钟，进一步熔化原材料；最后在功率为280KW时进行全熔熔炼；当熔速过快导致钢液强烈沸腾或喷溅时，立即降低功率到230～260KW，降温40～50℃，减缓反应进行；在冶炼后期合金化精炼过程中再加入金属铝、海绵钛和金属铌，20～25分钟后加入金属锰，加入金属锰后在5分钟内浇注。
脱模后的钢锭进行热装退火，钢锭转车间退火时必须在钢锭表面覆盖保温石棉，装炉前的钢锭表面温度为500～650℃。退火温度为890～900℃，随炉升温，升温速度为60～80℃/小时。到温后保温16～18小时，炉冷至550～600℃，出炉空冷。钢锭经过精整后作为电渣重熔的电极。
本发明的关键在于：一是通过合理的成分优化设计，在合金中减少了合金元素Ni的含量，并加入了强化元素Al、Ti、Nb和V，在降低气阀合金原材料成本的同时提高了气阀合金的力学性能。通过采用中频感应+电渣重熔冶炼的方法，制得了具有更高强度和硬度的气阀合金。
本发明气阀合金含有一定量的Ni、Al、Ti元素，经过高温固溶后，在后面的时效过程中，这三种元素可以形成金属间化合物强化相γ’相，即Ni3(Al,Ti)，这种相是钢中主要强化相。由于气阀钢均在高温下使用，该强化相在高温下具有较高的强度，稳定性极好，而且在一定温度范围内其强度随温度的升高而上升，因此，可以在高温下长期使用；Nb和V是强碳化物形成元素，极易与钢中的C形成碳化物，在时效过程中析出的细小的NbC或VC是钢中的第二强化相，这种二次碳化物在高温下组织稳定，由于尺寸细小，阻碍位错运动，起到强化作用；目前国内常用的气阀合金Nimonic80A中含有Al和Ti，含量分别为1.0～1.8％和1.8～2.7％，与本发明的成分相差不大，但不含有Nb和V，其强化效果要弱于本发明的气阀合金。而Inconel751合金中含有Al、Ti和Nb，含量分别为0.9～1.5％，2.0～2.6％和0.7～1.2％，与本发明中的含量相差不大，但本发明的气阀合金中还含有0.20～0.50％的V，碳化物形成的数量更要比Inconel751多，因此强度和硬度要高于Inconel751，制成的气阀会具有更好的耐磨性，使用寿命会更长。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
通过减少Ni元素含量，降低了气阀合金的原材料成本。通过适当添加强化元素，获得了由金属间化合物和碳化物复合强化的气阀合金。采用合理的冶炼方法，生产出的气阀具有更高的强度和硬度。
具体实施方式
下面结合一个典型实施例对本发明作进一步说明。
本实施例中，共冶炼6炉气阀合金，6炉气阀合金的成分见表1。本发明中气阀合金的原材料成本与目前国内通用的两种气阀合金的原材料成本见表2，表中原材料价格是根据专利申请之日的各种金属原材料的价格乘以其在气阀合金中的含量计算得出，从中可见，由于镍含量差别较大，本发明的气阀合金的原材料价格明显低于另两种气阀合金。由于本发明的气阀合金属于新型合金，在采用中频感应冶炼时采用了新型坩埚。制作坩埚的原材料主要有冶金镁砂、电熔镁砂和少量粘接剂。由于坩埚在感应冶炼中起着关键作用，要求其必须具有高的致密性、热稳定性、高温强度以及导热性等，因此对制作坩埚的原材料的粒度也有较高要求，粒度越细，制造的坩埚越致密，表面质量越好。因此本发明中采用的镁砂的粒度情况见表3，从中可见，粒度为5mm以下的镁砂占了总重量的55％，保证了坩埚具有良好的使用性能。
合金原材料在冶炼前经过烘烤，去除油污和铁锈。装料时做到下致密，上疏松，即把小料装在下面，大料装在上面。本发明合金的回收料先装炉，其他原料同回收料一同装炉的有金属镍、纯铁、低碳铬铁、硅铁、钒铁、光电碳和铝粉。通电后功率逐渐增加，在80KW和120KW时，分别停留15分钟，观察合金熔化情况。然后在功率为180KW和220K时各停留20分钟，进一步熔化原材料。最后在功率为280KW时进行全熔熔炼。若熔速过快导致钢液强烈沸腾或喷溅时，立即降低功率，适当降温，减缓反应进行。在冶炼后期合金化精炼过程中再加入金属铝、海绵钛和金属铌，20分钟后加入金属锰，加入金属锰后在5分钟内浇注，浇注温度为1450℃～1470℃，脱模时间4～5小时。本发明实施例气阀合金的浇注温度和脱模时间及钢锭表面状态见表4。当浇注温度过高时，钢锭的缩孔和缩松缺陷严重，影响钢锭成材率；当浇注温度低时，钢液来不及补缩就发生凝固，易产生树枝状晶体组织，进一步阻碍钢液的补缩，产生的缩松较大。因此浇注温度非常关键，从表4中可以看出，本发明实施例采用浇注温度1450℃～1470℃，可以获得较好的钢锭质量，温度过高，缩孔较大，温度较低，缩松较大，影响钢锭成材率。脱模时间决定了钢锭脱模后的温度，脱模时间短，钢锭过早暴露在空气中，冷却速度过快，在后续冷却过程中容易造成钢锭开裂；脱模时间长，一方面占用设备，另一方面钢锭温度低，也有可能造成钢锭开裂，应尽早转入退火工序。从表4中可以看出，本发明实施例的脱模时间采用4～5小时，获得的钢锭表面质量良好。
脱模后的钢锭进行热装退火，钢锭转车间退火时必须在钢锭表面覆盖保温石棉，装炉前的钢锭表面温度为500～650℃。退火温度为890～900℃，随炉升温，升温速度为60～80℃/小时。到温后保温16～18小时，炉冷至550～600℃，出炉空冷。钢锭的退火工艺对钢锭表面质量的影响见表5。热装退火是为了防止钢锭温度过低，芯部和外部温差过大，热应力导致开裂。升温速过快也会导致钢锭内外温度不均匀而开裂，这从表5中都可以看出。退火温度和保温时间是为了能够有足够的能量来缓解钢锭的热应力和组织应力。出炉温度也直接影响钢锭的内部应力，出炉温度高，出炉后热应力仍然很大，会使钢锭开裂，在生产其他钢种时经常发生这种现象，出炉温度低又浪费能源。
钢锭退火后进行切头和切尾，去除杂质较多的部位，再进行表面打磨，清理表面，然后锻造开坯。从方坯上取试样，进行热处理后的性能检测，6炉实施例的力学性能及与Nimonic80A和Inconel751性能的对比见表6。从中可见，由于本发明的气阀合金中的Al、Ti含量稍高于Nimonic 80A和Inconel751，而且还另外添加了强碳化物形成元素V，所以合金中的强化相不仅有γ’，还有NbC和VC，两种的综合强化效果要强于只靠γ’强化的Nimonic80A和靠γ’和NbC强化的Inconel751合金。本发明实施例中的气阀合金具有良好的强度和硬度表明在使用过程中具有更好的耐磨性，作为气阀也就具有更长的使用寿命。
表1本发明实施例的化学成分(wt％)，
Figure BDA0002750776630000071
Figure BDA0002750776630000081
表2本发明实施例与气阀合金主要成分(wt％)及原材料成本比较
Figure BDA0002750776630000082
注：原材料成本以各合金元素含量中限计算得出
表3坩埚中镁砂粒度所占比重
Figure BDA0002750776630000083
表4浇注温度及脱模时间对钢锭质量的影响
炉号 浇注温度(℃) 缩孔、缩松情况 脱模时间(小时) 钢锭表面质量
1 1475 缩孔较深 4.4 良好
2 1461 正常 4.5 良好
3 1445 缩松超标 4.4 良好
4 1466 正常 5.0 良好
5 1458 正常 5.0 良好
6 1455 正常 4.3 良好
表5退火工艺对钢锭表面质量的影响
Figure BDA0002750776630000084
表6本发明合金的力学性能与传统气阀合金的对比
Figure BDA0002750776630000091

Claims (3)

1.一种节镍型气阀合金，其特征在于，化学成分按重量百分比为：C：0.03～0.10％，Si：0.10～0.40％，Mn：0.20～1.00％，P：≤0.015％，S：≤0.015％，Cr：21.00～26.50％，Ni：24.50～32.00％，Al：0.50～1.80％，Ti：2.20～3.00％，Nb：0.85～2.50％，V：0.20～0.50％，其余为Fe和不可避免的杂质。
2.一种权利要求1所述的气阀合金的制备方法，其特征在于，工艺步骤及控制的技术参数如下：
(1)采用中频感应炉+电渣重熔冶炼，中频感应炉的坩埚由电熔镁砂、冶金镁砂和粘接剂混合烧制而成；其中电熔镁砂占坩埚原材料的45％，冶金镁砂占50％，粘接剂占5％；粘接剂由水玻璃和黏土组成，两种材料各占50％；两种镁砂由不同粒度的颗粒组成，其中，粒度在10～20mm的占所有镁砂重量的10％，粒度为5～小于10mm的占所有镁砂总量的30％，粒度为2～小于5mm的占所有镁砂重量的40％，粒度小于2mm的镁砂占所有镁砂重量的20％；坩埚制作时采用钢板型芯打结，低温烧结法烧制；
(2)中频感应炉冶炼时，合金的回收料先装炉，其他原料同回收料一同装炉的有金属镍、纯铁、低碳铬铁、硅铁、钒铁、光电碳和铝粉；通电后功率逐渐增加，在80KW和120KW时，分别停留15～20分钟，观察合金熔化情况；然后在功率为180KW和220K时各停留20～25分钟，进一步熔化原材料；最后在功率为280KW时进行全熔熔炼；当熔速过快导致钢液强烈沸腾或喷溅时，立即降低功率到230～260KW，降温40～60℃(，减缓反应进行；在冶炼后期合金化精炼过程中再加入金属铝、海绵钛和金属铌，20～25分钟后加入金属锰，加入金属锰后在5分钟内浇注。
3.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，脱模后的钢锭进行热装退火，钢锭转车间退火时必须在钢锭表面覆盖保温石棉，装炉前的钢锭表面温度为500～650℃；退火温度为890～900℃，随炉升温，升温速度为60～80℃/小时；到温后保温16～18小时，炉冷至550～600℃，出炉空冷。
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