CN1570184A - 一种经济型气阀钢 - Google Patents
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Abstract
本发明属于奥氏体型耐热钢的制备领域。特别适用于生产内燃机的经济型进、排气阀用奥氏体耐热钢。该气阀钢的具体化学成分含量重量％为：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％；其余为Fe。本发明经济型奥氏体气阀钢与现有技术钢相比较，具有成分设计合理，综合性能好和制备成本低等特点。由于本发明气阀钢对成分设计做了必要的调整，使该钢在650－750℃的工作范围内具备良好的抗氧化和抗燃气腐蚀性能。
Description
所属领域
本发明属于奥氏体型耐热钢的制备领域。特别适用于生产内燃机的经济型进、排气阀用奥氏体耐热钢。
目前我国在中等负荷的内燃机中，是普遍采用21-4N钢(即5Cr21Mn9Ni4N)作为中、小缸径的排气阀用钢，该钢的工作温度在650-750℃之间，气阀钢长期使用在高温下则会有层状析出量增大，由于这种层状的析出是铬的碳化物和氮化物，因此大量的析出物会使气阀钢基体贫铬，导致该钢在高温燃气条件下的抗腐蚀性能显著下降，也会使气阀的颈部、盘部、盘锥面形成腐蚀坑，容易使气阀钢产生漏气和盘部开裂，气阀颈部的腐蚀坑在弯曲疲劳应力的作用下，很容易产生疲劳裂纹甚至断裂。在国外现有技术中也有资料介绍，例如美国专利4929419文献介绍的气阀钢，该钢是针对23-8N钢进行的成分调整，如采用添加V、B、W、Mo元素和提高C、N含量来改变钢种的使用性能，该钢虽然性能略比23-8N有所提高，但其制造成本要比21-4N高出很多，该钢是使用在制备高负荷的内燃机排气阀用钢。另外德国在专利文献DE 3704473 A1中介绍的是一种改进型气阀钢，该钢是在21-4N钢基础上添加了5-6％Al、1.8-2.5％Nb、0.8-1.5％W，N提高到0.4-0.6％的成分范围，该钢是使用在高负荷的内燃机排气阀中，但是该钢的制备成本仍然高于21-4N钢的一倍以上。再有改进形气阀钢的技术还有俄罗斯SU 1650762 A1专利，该专利文献介绍了一种在21-4N基础上添加0.5-1.5％Mo；0.5-1.5％Nb；0.5-1.5％V和0.05-0.20％Zr元素，该钢的用途性能要高于21-4NWNb(X50CrMnNiNbN 219)钢，该钢是使用在高负荷发动机的排气阀，其高温强度、高温持久强度、高温硬度都高于X50CrMnNiNbN 219钢，其制备成本也在21-4N钢的一倍以上。
在国外技术中的日本专利昭61-227154文献还介绍了一种Cr-Mn系的耐热铸钢，该专利铸钢的实施例为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；其余为Fe。该专利介绍的耐热铸钢是使用在800-1000℃的加热炉内衬板等构铸件，从该铸钢的成分分析是属于不适合制备变形结构件的材料，也不属于气阀用耐热钢的材料选择范围，而且该铸钢的制备成本也很高。
发明目的与内容
本发明的目的是提出一种成分设计合理，综合性能好和制备成本低的经济型奥氏体气阀钢材料。
根据本发明的目的，我们所提出的经济型奥氏体气阀钢，也是21-4N钢为基础，通过对该钢的成分进行合理的调整，使本发明气阀钢在具备良好综合性能的同时，还降低了该钢的制备成本。本发明经济型奥氏体气阀钢的解决方案，首先是针对21-4N钢的不足，我们对经济型气阀钢的成分进行重新设计。在本发明钢与21-4N钢的成分进行比较后可看到，我们在成分中增加和调整了Nb、Re和Ni、C、N等元素的含量，目的在于使原来21-4N钢仅仅依靠C、N、Cr结合形成的相发生变化。本发明通过增加新元素及调整其他元素的含量形成了新的相结构，从而抑制和改变了原来Cr与C、N形成的层状析出。本发明气阀钢经过750℃和100小时的时效后，层状析出量＜10％，而21-4N钢的层状析出量则＞40％；并且新相的结构更稳定，经高温长时间时效后的屈服强度、持久强度和高温弯曲疲劳强度明显高于21-4N。另外，由于Nb和Re等元素含量的增加，使本发明气阀钢在650-750℃范围内的抗氧化和抗燃气腐蚀性能均有所提高。材料的晶粒被合理细化。因此，本发明经济型奥氏体气阀钢的具体化学成分含量重量％为：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％；其余为Fe。在本发明所提出的气阀钢成分中，首先考虑该钢在保证其具有良好综合性能的前题下，通过成分及元素含量的合理调整，使本发明气阀钢的制备成本有所降低，因此我们在成分设计时的考虑如下所述。在本发明气阀钢的成分中加入C和N元素，主要考虑到C和N既是奥氏体化元素，又是间隙强化的元素，C和N与Cr、Nb可以形成碳化物和碳氮化物，能有效的提高强化效果。当随着C、N含量的合理提高，其材料的时效强度效果会更显著，这样可以保证本发明钢在高温下具有足够的高温短时强度和长时高温强度。在本发明气阀钢的成分中加入Cr元素，是可以保证该钢中具有良好的抗氧化和抗燃气高温腐蚀性能，Cr与C、N化合形成化合物，既提高了强度又提高硬度从而提高耐磨性，但添加过多的Cr元素则会有利于铁素体的产生，或是σ相的产生，这对本发明钢在降低制备成本和提高综合性能不利，因此必须控制Cr的添加量。Mn是奥氏体化元素，Mn可以替代Ni，从而降低钢的成本，Mn的作用还在于有助于增加基体中N元素的固溶效果，同时Mn也有助于抑制层状析出的作用。但是，Mn的增加会降低钢的抗氧化和抗燃气腐蚀性能，Mn还能与钢中的S结合后形成MnS，从而使S的有害作用降到最低，因此Mn元素的加入量选择在8-11％范围内较合适。Nb是强碳化物形成的重要元素，尤其是在时效过程中与C、N、Cr形成稳定的二次析出物，该二次析出物具有尺寸小、分布弥散等特点，能显著地提高材料的长时高温强度和高温硬度，同时对细化晶粒也有积极作用。Ni元素也是奥氏体形成的元素，对钢的高温强度和抗氧化性也有明显地作用。Si元素对提高钢的抗氧化性和抗燃气腐蚀性较为有利，但对钢的塑性性能有不利的影响，所以在本发明钢中应控制在≤0.5％。在本发明气阀钢的成分中加入稀土元素后，能够有效的改善夹杂物的形态，使钢中残余夹杂物的形态呈现为球状，另外稀土元素还能明显地改善晶界处有害元素的存在，和显著提高钢的抗氧化性，对阻止晶粒长大也起一定作用。本发明钢是以Fe为基，在制备过程中可能会有一些不可避免的夹杂元素带入钢中，为了保证该钢具有良好的综合使用性能，所以在炼钢时应尽量消除和控制有害元素的混入。
本发明经济型奥氏体气阀钢的制备与现有技术的方法相似，该钢可在AOD炉中或其他冶炼炉中进行炼钢、浇铸和锻造，然后对该锭先采用800轧机热轧成形后，再于650轧机轧制成设定尺寸的半成品圆棒。轧后的坯料要进行退火软化的热处理。对退火后的坯料再经过粗矫和精矫后，采用无芯磨床等设备进行机械加工，并制备成要求尺寸的工件产品。产品是按JB/T 6720《内燃机进、排气门金相检验》标准进行的检验，其检测结果全部合格。
本发明经济型奥氏体气阀钢与现有技术钢相比较，具有成分设计合理，综合性能好和制备成本低等特点。由于本发明气阀钢对成分设计做了必要的调整，使该钢在650-750℃的工作范围内具备良好的抗氧化和抗燃气腐蚀性能。本发明是属于一种析出强化型的奥氏体耐热钢，该钢具有层状析出量少(＜5％)，高温长时力学性能高于21-4N钢，而且成本又低于21-4N的一种新型经济型气阀钢。
实施方案
根据本发明所提出经济型气阀钢的成分范围，我们一共做了本发明的五组实施例，我们同时也做了一组现有技术的21-4N钢，为了对比试验方便，本发明经济型气阀钢的制备是采用与现有技术相似的制备方法。本发明实施例气阀钢的成分对比列在表1中。本发明实施例气阀钢的制备是采用在50Kg的感应炉中进行冶炼并浇铸成锭，然后在进行锻造成试样棒，开锻温度为1160℃，终锻温度应不低于1000℃，然后再采用现有技术的制备方法将试棒加工成检测用的标准试样进行测试。对本发明实施例产品试样室温和高温的力学性能对比结果列入表2中，在表3中所列内容是本发明实施例产品试样在725℃的持久性能(试样断裂时间)的对比结果，在表4中所列内容是本发明实施例产品标样在750℃的高温弯曲疲劳性能的对比结果，在表5中所列内容是本发明实施例产品在750℃长时时效后层状析出量(％)的对比结果。在下列各表中，序号1-5为本发明气阀钢；序号21-4N钢为现有技术对比钢。
根据本发明实施例中表2、表3、表4数据综合分析认为，本发明气阀钢的室温和高温短时强度和塑性虽然与21-4N相当，而高温长时强度如高温持久强度和高温弯曲疲劳强度均明显高于21-4N，因此证明本发明钢在性能方面明显优于21-4N。而且本发明钢在750℃长时时效后的层状析出量又显著低于21-4N(见表5)，抗腐蚀性能又远优于对比的21-4N。
表1本发明气阀钢实施例与现有技术钢的成分对比
| 元素序号 | C | Si | Mn | S | P | Cr | Ni | N | Nb | Re | Fe |
| 21-4N | 0.56 | 0.12 | 8.42 | 0.008 | 0.028 | 21.36 | 3.85 | 0.41 | - | - | 余 |
| 1 | 0.53 | 0.30 | 8.75 | 0.012 | 0.022 | 21.40 | 2.30 | 0.42 | 0.23 | 0.020 | 余 |
| 2 | 0.56 | 0.26 | 8.77 | 0.013 | 0.024 | 21.25 | 2.25 | 0.43 | 0.45 | 0.025 | 余 |
| 3 | 0.52 | 0.28 | 8.75 | 0.011 | 0.026 | 21.27 | 2.21 | 0.40 | 0.66 | 0.022 | 余 |
| 4 | 0.54 | 0.28 | 8.76 | 0.012 | 0.024 | 21.10 | 2.20 | 0.47 | 0.90 | 0.022 | 余 |
| 5 | 0.53 | 0.26 | 8.70 | 0.013 | 0.023 | 21.15 | 2.26 | 0.50 | 1.10 | 0.026 | 余 |
表2本发明实施例室温和高温力学性能的比较(1150℃30min W.C./750℃2h A.C.)
表3本发明实施例在725℃持久性能的比较(1150℃30min W.C./760℃2h A.C.)
| 应力MPa | 21-4N | 1# | 2# | 3# | 4# | 5# |
| 200 | 69h | 105h | 154h | 198h | 175h | 325h |
| 170 | 156h | 243h | 469h | 460h | 875h | 838h |
| 140 | 284h | 890h | 1200h | 1190h |
ISO 683-15和DIN/EN10090标准中21-4N钢1000h持久强度为110Mpa。(试样断裂时间)
表4本发明实施例在750℃高温弯曲疲劳性能对比(1150℃60min W.C./760℃4h A.C.)
| 应力MPa | 21-4N | 1# | 2# | 3# | 4# | 5# |
| 360 | 3.03×106 | 6.75×106 | 1.14×107 | 1.09×107 | 1.23×107 | 1.32×107 |
表5本发明实施例在750℃长时时效后层状析出量的比较(％)
| 时间序号 | 2h | 10h | 30h | 60h | 100h | 200h |
| 21-4N | ＜5 | ～5 | 10～15 | 30～40 | 40～60 | 60～80 |
| 1 | ～1 | 1～2 | ＜5 | ～8 | ＜10 | ＜10 |
| 2 | ～1 | 1～2 | ＜5 | ～5 | ＜8 | ＜10 |
| 3 | ～1 | 1～2 | ＜3 | ＜5 | ＜5 | ＜8 |
| 4 | ＜1 | 1～2 | ＜3 | ＜5 | ＜5 | ＜5 |
| 5 | ＜1 | 1～2 | ＜3 | ＜3 | ＜5 | ＜5 |
Claims (1)
1、一种经济型的奥氏体气阀钢，其特征在于该气阀钢的具体化学成分含量重量％为：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％；其余为Fe。
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