耐磨高温合金制造技术

本发明专利技术提供了一种在高温下比基于镍的超级合金具有改进的耐磨性的基于Ｆｅ－Ｎｉ的合金。该合金对于制造发动机排气阀和其它经受腐蚀、磨损和氧化的高温发动机组件是特别有用的。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及一种基于铁-镍的合金，该合金在高温下比基于镍的超级合 金(superalloy)具有改进的耐磨性。所述合金对于制造发动机排气阀以及 其它高温发动机组件是特别有用的。
技术介绍
通常经受超过800。C温度的排气阀材料需要高温强度、耐磨性和耐腐蚀 性/抗氧化性。在大多数往复式发动机中使用的排气阀通常可以分为三部分 头部、杆部和杆端部。头部和引导杆部的头部的部分由高温、高强度和耐腐 蚀合金如奥氏体不锈钢或超级合金构成。阀的密封表面常常包括焊接覆盖材 料，例如基于钴的高温合金。杆部的其余部分常常由焊接到阀头端高温耐热 合金的可硬化马氏体钢制成。随着改进的内燃机的开发，解决源自通过新设计发动机的较高燃料经 济性、降低的释放和仍较高的输出的温度升高问题，这促进了新的经济有 效材料的需要。此外，由于镍的需求和成本在上涨，所以期望高镍含量合 金的替代品。奥氏体不锈钢，例如21-2N、 21-4N-Nb-W和23-8N,已经被用于制造 发动机阀数十年了。然而，由于机械性能的限制，这些合金不适合在高于 1472。F(800。C)的操作温度下的当前耐久性期望。通常当廉价的基于铁的不锈钢阀对于给定的应用不会提供足够的高 温强度或耐腐蚀性、或两者时，超级合金包括基于铁-镍的合金和基于镍的 合金已经被用于排气阀的应用。 一些用于阀应用的较高镍合金包括例如合 金751、合金80A、 Py薩et 31和Ni30。合金751、 80A和Pyromet 31含有大量的镍，因此昂贵。由这些较高镍含量合金制造的阀由于缺乏耐磨性 而易受到基座面上的磨料磨损和粘着磨损的影响。因此，由一些较高镍合 金制造的阀必须用基座面上的基于钴的合金进行表面硬化，以改进耐磨 性。这加入了进一步增加阀成本的制造步骤。因此，需要一种中间强度的 阀合金，其性能和成本介于奥氏体阀钢和基于镍的超级合金之间，使得该 合金具有足够的耐磨性且不需要表面硬化步骤。专利技术概述本专利技术 一 方面提供了耐磨合金，其基本上由按重量计的以下成分组成0.15-0.35%的C;最多至P/。的Si;最多至lo/。的Mn;大于25%到小 于40。/。的Ni; 15%-25%的0;最多至0.5。/。的Mo;最多至0.5。/。的W;大 于1.6%到3%的Al; 1%-3.5%的Ti;大于1.1%到3%的Nb和Ta的总和； 最多至0.015。/。的B;以及余量的铁和不可避免的杂质；其中，也按重量百 分比基准计，Mo +0.5W ^ 0.75%; Ti+Nb 24.5。/。且13 S(Ti + Nb)/C S 50。本专利技术的另 一 方面提供了用于机动车辆的发动机阀，其包括基本上由 ^按重量计的以下成分组成的合金0.15-0.35%的C;最多至1%的Si;最多 至10/0的Mn;大于25%到小于40%的Ni; 15%隱25%的Cr;最多至0.5%的 Mo;最多至0.5%的W;大于1.6%到3%的Al; 1%-3.5%的Ti;大于1.1% 到3%的Nb和Ta的总和；最多至0.015%的B;以及余量的l^和不可避免 的杂质；其中，按重量百分比基准计，Mo+0.5WSO.75%; Ti+Nb^4.5%且 13邻+ Nb)/C^50。附图简述附图说明图1A和图1B分别为本专利技术实施例4的合金和对比合金的光学显微照片。图2为本专利技术排气阀的实施方案与对比合金排气阀的相对耐磨深度的 柱状图。图3为本专利技术合金的实施方案与若干对比合金的热硬度对温度的图。 图4为在816。C下，以108次循环，利用标准RR穆尔(Moore)型旋转射束试验测定的本专利技术实施方案和若干对比合金的疲劳耐久极限的柱状图。 图5为在871。C下，以108次循环，利用标准RR穆尔型4^转射束试验测定的本专利技术实施方案和若干对比合金的疲劳耐久极限的柱状图。专利技术详述本专利技术涉及一种基于铁-镍的合金。该合金的热硬度、高温强度、疲劳强度和耐磨性使其在各种高温应用中是有用的。该合金特別在内燃机中用作气缸盖、进气阀、排气阀和废气循环阀。该合金的其它应用包括涡轮应用、扣件、加力燃烧室部件、燃烧室部件、排气系统氧传感器的防护罩以及其它暴露于高温、废气和冷凝物环境的部件。基于铁的合金通过沉淀硬化和固溶体加固实现高温机械性能。基于铁的合金的期望性质通过热处理工序来形成，所述热处理工序通常包括溶液处理以溶解加固成分，随后是老化热处理以在形态和分布方面沉淀将产生期望机械性能的相。在本专利技术的合金中，细分散的、稳定和有序的金属间相，(Fe，Ni)3(Al，Ti,Nb),通常称为y，，的沉淀有助于合金的高温强度。此外，该合金含有用于增强耐磨性的一次石友化物(primary carbides )和氮化石炭。在一个实施方案中，所述合金包含按重量百分比计0.15-0.35%的C;最多至1%的Si;最多至1%的Mn;大于25%到小于40%的Ni; 15%-25%的Cr;最多至0.5%的Mo;最多至0.5%的W;大于1.6%到3%的Al; 1%-3.5%的Ti;大于1.1%到3%的Nb和Ta的总和；最多至0.015Q/o的B;以及余量的铁和不可避免的杂质。碳可以在合金中以按重量计0.15%-约0.35%的量存在。在一个实施方案中，碳以按重量计大于0.15%-约0.3%的量存在，或以按重量计约0.16%-约0.3%的量存在。改进的耐磨性至少部分地归因于合金的微结构和硬度。将碳加入到合金中以在坯料固化期间促进富铌-钛的 一次碳化物的形成。在本专利技术的一个实施方案中，合金的总一次^^化物的体积分数为大于1%到最多至4%。这些一次碳化物特别是在高温下积极地影响合金的抗粘着磨损性和抗磨料磨损性。铬可以在合金中以按重量计15°/。-约25%的量存在。在一个实施方案中，铬以按重量计约15%-约20%的量存在于合金中。铬提供了期望的耐腐蚀性如抗酸侵蚀性、耐磨性和抗氧化性的组合。合金中的铬被认为在合金的表面上形成粘滞的铬氧化物层，其抑制了渐进的高温氧化形成并将氧化、腐蚀和磨损速率最小化。加入镍以稳定奥氏体基体并促进Y ，相的形成，所述Y ，相改进了合金6的高温强度。镍还可以有利地提高耐由废冷凝物形成的酸的侵蚀性，抗氧 化性和抗铅(Pb)腐蚀性，并且还可以提高硬度。然而，镍会增加低温磨损速率并增加了合金的成本。因此，镍含量为以重量计大于25%到小于 40%。在一个实施方案中，Ni含量为以重量计大于25%到大约35%,或以 重量计大约29%-大约35%,或大约30%到大约35%。也已经显示较高含 量的镍由于镍对发动机油或某些燃料中存在的基于硫的成分的高亲和性 而造成显著的硫化作用侵蚀。铝可以在合金中以按重量计大于1.6%到最多至30/。的量存在。铝通过 与Ni结合以沉淀出Y ，相来增强合金的高温强度。当铝含量低于1.6%时， y ，相变得不稳定并可以转化为n相,其降低了合金的机械 性能。在一个实施方案中，Al含量为以重量计1.63°/。-大约2.3%。合金的钛含量为以重量计大约1%-大约3.5%。在一个实施方案中，钛 含量为以重量计大约2.0°/。-3.5%。本专利技术合金的高温强度由Y ，相的沉淀来 增强，所述的Y，相包括钛、铝、铁和镍。如果钛含量太高，那么由于易于 沉淀有害的ri相，合金的可加工本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基本上由按重量计的以下成分组成的耐磨合金：０．１５－０．３５％的Ｃ；最多至１％的Ｓｉ；最多至１％的Ｍｎ；大于２５％到小于４０％的Ｎｉ；１５％－２５％的Ｃｒ；最多至０．５％的Ｍｏ；最多至０．５％的Ｗ；大于１．６％到３％的Ａｌ；１％－３．５％的Ｔｉ；大于１．１％到３％的Ｎｂ和Ｔａ的总和；最多至０．０１５％的Ｂ；以及余量的铁和不可避免的杂质；其中，按重量百分比基准计，Ｍｏ＋０．５Ｗ≤０．７５％；Ｔｉ＋Ｎｂ≥４．５％且１３≤（Ｔｉ＋Ｎｂ）／Ｃ≤５０。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】...

【专利技术属性】
技术研发人员：MK索福特，S辛哈罗伊，S纳拉西姆汉，A卡吉尼克，AL沃伊切兹英斯基，JK赖特，
申请(专利权)人：伊顿公司，坩埚材料公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]