一种低成本高性能气阀合金及其制备方法技术

一种低成本高性能气阀合金及其制备方法，属于气阀合金技术领域。气阀合金的成分重量百分数为：C：0.05～0.15％，Si：0.5～1.0％，Mn：0.20～1.20％，P：≤0.020％，S：≤0.020％，Cr：20.0～25.0％，Ni：25.0～30.0％，Al：0.6～1.6％，Ti：2.0～3.0％，Nb：0.8～1.8％，V：0.1～0.4％，Zr：0.01～0.050％，Ce：0.01～0.03％，其余为Fe和不可避免的杂质。采用中频感应炉冶炼。冶炼完成后的钢锭经过退火处理和锻造后进行轧制。优点在于，与现有气阀合金及气阀制备方法相比具有成本更低，锥面硬度更高。

A low cost and high performance gas valve alloy and its preparation method

【技术实现步骤摘要】
一种低成本高性能气阀合金及其制备方法
本专利技术属于气阀合金
，特别涉及一种低成本高性能气阀合金及其制备方法，适用于制造舰船、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。
技术介绍
气门又称作气阀，是燃油、燃气发动机中重要的零部件。其作用是专门负责向发动机内输入空气并排出燃烧后的废气。从发动机结构上，分为进气门(intakevalve)和排气门(exhaustvalve)。进气门的作用是将空气吸入发动机内，与燃料混合燃烧；排气门的作用是将燃烧后的废气排出并散热。其工作原理是这样的，空气通过进气门进入发动机内与燃料混合燃烧，燃烧后产生的废气通过排气门排除气缸，从而实现新鲜空气进入气缸燃烧产生车辆行驶的动力。由于气缸内气体燃烧产生高温，而且汽油中含有的S、P等杂质在高温下对材料腐蚀性很大，所以对于气门所用的气阀钢材料要求很高，即在高温下要有良好强度和硬度，还要具有良好的耐腐蚀性能。气阀钢材料按照成分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、4Cr10Si2Mo(эц107)和4Cr14Ni14W2Mo(эц69)。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Nimonic80A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。由于进气门的工作温度比排气门工作温度低，腐蚀条件没有排气门那么苛刻，所以普通的乘用车，通常采用马氏体气阀钢做进气门，奥氏体钢做排气门。经过多年的发展，我国已经形成了自己的气阀钢材料体系，形成了一系列的马氏体气阀钢牌号和奥氏体气阀钢牌号，而气阀合金由于成本较高，使用较少，发展比较缓慢，目前为止，国内气阀钢棒材标准中只有两个牌号，一个是Inconel751，另一个是Nimonic80A。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70％，使得其原材料成本大大增加，限制了其应用。不同的气门厂家有不同的气门加工工艺，这跟气门厂家的生产设备、生产线布局、同类型气门的加工工艺及加工经验等因素有关。典型的气门结构分为整体马氏体气门、整体奥氏体气门和摩擦焊气门。这三种气门工艺主要区别在于气门毛坯阶段的不同。整体马氏体、整体奥氏体气门毛坯工艺较为简单，具体为：下料-平两端面-电镦锻造-热处理校直。马氏体气门毛坯额热处理采用调质，奥氏体气门毛坯的热处理采用固溶时效或时效。摩擦焊气门毛坯工艺方案有先镦后焊和先焊后镦，先镦后焊工艺为：下料-平两端面-杆料调质-盘部电镦锻压-盘部热处理-摩擦焊-热处理校直；先焊后镦工艺为：下料-平两端面-杆料调质-盘料热处理-摩擦焊-电镦锻压-热处理校直。在杆料调质过程中，由于杆料通常采用马氏体气阀钢，所以采用调质处理，且淬火过程采用感应淬火，感应淬火生产效率高，但需要特殊的设备和工装。气阀合金制作气阀的工艺通常采用摩擦焊工艺，可以大大节省材料费用。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种低成本高性能气阀合金制备方法，该气阀合金与现有气阀合金相比，成本更低，时效后的气阀硬度更高。为了达到上述目的，本专利技术是这样实现的：本专利技术气阀合金的成分重量百分数为：C：0.05～0.15％，Si：0.5～1.0％，Mn：0.20～1.20％，P：≤0.020％，S：≤0.020％，Cr：20.0～25.0％，Ni：25.0～30.0％，Al：0.6～1.6％，Ti：2.0～3.0％，Nb：0.8～1.8％，V：0.1～0.4％，Zr：0.01～0.050％，Ce：0.01～0.03％，，其余为Fe和不可避免的杂质。本专利技术中气阀合金的制备方法是采用中频感应炉冶炼，冶炼过程中严格控制原材料组成，保证合金纯净度。原材料为气阀合金回收料占50％，硅铁占1％，锰铁占2％，铬铁占13％，钒铁占1％，铌铁占2％，海绵钛占2％，金属铝占3％，纯镍占15％，纯铁占11％。原材料在使用前必须经过烘烤，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。浇注温度为1450℃～1500℃，脱模时间4～5小时。冶炼完成后的钢锭经过退火处理，退火后的钢锭首先切头和切尾，去除尾部和头部杂质较多的部分，再进行表面打磨，清理表面。在锻造及后续工艺中控制的技术参数如下：锻造开坯在2000吨快锻机上进行，锻造开坯温度为1100～1120℃，终锻温度为920～940℃，锻成方坯，以供后续热轧用。热轧温度为1100～1120℃，终轧温度910～930℃，轧制过程穿水冷却，避免合金内部温升过快，轧后水冷。轧制后的气阀合金经过固溶、开卷、矫直、剥皮、磨光之后，形成气阀合金银亮材。气阀合金银亮材作为气阀头部材料，马氏体气阀钢作为气阀杆部材料，先将气阀合金银亮材进行电镦锻造和时效处理，马氏体气阀钢经过调质处理，阀合金银亮材和马氏体气阀钢的热处理均在马弗炉中进行，节省了马氏体气阀钢所用的感应淬火设备。本专利技术气阀合金银亮材的时效温度为740～750℃，时间为2～3个小时。将阀合金银亮材和马氏体气阀钢经过摩擦焊焊接在一起形成整体气阀，再经过杆部精加工-头部粗加工-氮化(或镀铬)处理-杆部抛光-精磨杆端面-精磨锥面-检验，形成气阀成品。本专利技术的关键在于：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、V、Zr以及抗氧化元素Ce，在降低气阀合金原材料成本的同时也保持了气阀合金高的强度、硬度以及抗氧化性。同时通过采用中频感应冶炼气阀合金，代替冶炼传统气阀合金通常采用的电炉+电渣重熔的工艺，进一步节约了工序成本。二是针对本专利技术中的气阀合金，采用科学的生产工艺，节省了感应淬火设备，获得了具有较高锥面硬度的气阀成品。本专利技术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本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种低成本高性能的气阀合金，其特征在于，化学成分按重量百分比为：C：0.05～0.15％，Si：0.5～1.0％，Mn：0.20～1.20％，P：≤0.020％，S：≤0.020％，Cr：20.0～25.0％，Ni：25.0～30.0％，Al：0.6～1.6％，Ti：2.0～3.0％，Nb：0.8～1.8％，V：0.1～0.4％，Zr：0.01～0.050％，Ce：0.01～0.03％，，其余为Fe和不可避免的杂质。/n

【技术特征摘要】
1.一种低成本高性能的气阀合金，其特征在于，化学成分按重量百分比为：C：0.05～0.15％，Si：0.5～1.0％，Mn：0.20～1.20％，P：≤0.020％，S：≤0.020％，Cr：20.0～25.0％，Ni：25.0～30.0％，Al：0.6～1.6％，Ti：2.0～3.0％，Nb：0.8～1.8％，V：0.1～0.4％，Zr：0.01～0.050％，Ce：0.01～0.03％，，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，采用中频感应炉冶炼，冶炼过程中控制原材料组成，保证合金纯净度；浇注温度为1450℃～1500℃，脱模时间4～5小时；
冶炼完成后的钢锭经过退火处理，退火后的钢锭首先切头和切尾，再进行表面打磨，清理表面；在锻造及后续工艺中控制的技术参数如下：
锻造开坯在2000吨快锻机上进行，锻造开坯温度为1100～1120℃，终锻温度为920～940℃，锻成方坯；热轧温度为1100～1120℃，终轧温度910～930℃，轧制过程穿水冷却，轧后水冷。

【专利技术属性】
技术研发人员：王立民，赵吉庆，程杰锋，李权，陈正宗，包汉生，何西扣，刘正东，唐广波，杨钢，
申请(专利权)人：钢铁研究总院，
类型：发明
国别省市：北京;11