一种气阀用奥氏体耐热钢及其制备方法与流程

本发明属于金属材料领域，尤其是一种气阀用奥氏体耐热钢及其制备方法。

背景技术：

1、气阀钢是一种用于制作内燃机的进气和排气阀门的专用钢材（合金），按组织结构将其分为马氏体气阀钢、奥氏体气阀钢和高温合金三个类别。

2、气阀钢的工作温度为300～900℃，一般在汽油、柴油燃烧废气的高温腐蚀、气流冲刷和气阀与缸体摩擦下工作，长期承受高温往复冲击应力作用。因此，要求该钢种必须具备良好的高温强度、耐磨性、热疲劳强度、耐蚀性、高韧性和高温抗氧化性等性能。

3、奥氏体气阀钢的使用温度达到500℃以上，常在高档汽车进气排气阀、重型卡车排气阀、机车、船舰高速柴油机进气排气阀等部件使用，应用范围涵盖汽车、摩托车、船舰、内燃机车、坦克、石油钻机、工程机械、矿山机械、通讯等国民经济的多个领域，常见牌号有21-4n（5cr21mn9ni4n）、21-4nwnb（5cr21mn9ni4nb2wn）、21-12n（20cr21ni12n）等。钢中一般含有15～21%的cr、8～10%的mn、3～5%的ni、0.2～0.5%的n以及一些碳氮化物形成元素nb、mo、w等，属于高合金钢种。

4、由于奥氏体气阀钢中锰、n含量较高，添加w、nb使得晶界碳化物的析出行为更加复杂，所以热成型性比较差，容易出现锻造边裂、掉块等问题，为避免出现这些问题，必须在成分设计和工艺上进行优化。

5、公开号cn105839028a，公开了奥氏体耐热气阀钢制造方法，该发明耐热钢化学成分为：c 0.45～0.55%、si 0.08～0.45%、mn 8.00～10.00%、cr 20.00～22.00%、ni 3.50～5.00%、cu≤0.30%、w 0.80～1.50%、n 0.45～0.55%、nb 1.80～2.50%、al≤0.02%、mg≤0.010%、ca 0.001～0.01%、b 0.001～0.006%、re 0.005～0.020%，其余为fe和不可避免的杂质，其中，c+n≥0.90，nb/c 2～5，(mn+si)/al≥200。该发明通过合理的成分设计和工艺优化，解决了奥氏体耐热气阀钢锻造开裂问题，是一个非常优秀的技术方案。但是，该发明耐热钢成分相对复杂，n、ca等成分精确控制难度较大，需要很高的冶金技术水平，很难规模化推广。

6、公开号cn103397276a，公开了一种高强度节镍型气阀钢及其制备方法，该气阀钢化学成分为：c 0.01~0.25%、si 0.5~1.8%、mn 0.20～1.80%、p≤0.030%、s≤0.030%、cr16.0～24.0%、ni 18.0~28.0%、al 0.5~2.5%、ti 1.5~3.5%、nb 0.5~2.5%、v 0.1~0.5%、zr0.001~0.050%、ce 0.001~0.030%、cu≤0.30%、余量为 fe 和不可避免的杂质。采用感应炉熔炼、真空自耗（电渣重熔）、锻造、轧制、固溶等工序制备该气阀钢，产品性能优异。但该发明ni含量较高，生产成本较高，限制了其应用范围。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供一种低成本、性能好的气阀用奥氏体耐热钢及其制备方法。

2、为实现上述技术目的，本发明所采取的技术方案是：

3、一种气阀用奥氏体耐热钢，其化学成分按质量百分比计为：c 0.36～0.44%、si0.85～0.95%、mn 4.7～5.3%、p≤0.015%、s≤0.010%、cr 14.6～15.4%、ni 6.4～7.2%、al0.25～0.45%、mo 0.3～0.5%、zr 0.005～0.015%，余量为fe和不可避免杂质。

4、本发明的成分选择及含量范围确定原理为：

5、设计加入c，能增加强度，稳定奥氏体组织；与mo、cr也能形成细小弥散的碳化物，起沉淀强化作用。c的范围为0.36～0.44%，过低作用不明显，过高则钢的塑性和韧性下降明显。

6、设计加入0.85～0.95%的si除了起强化作用外，还可改变钢中夹杂物形态，改善基体的高温抗氧化性能。

7、设计加入4.7～5.3%的mn，与6.4～7.2%的ni共同稳定奥氏体组织，也会形成一定的固溶强化效果。中等含量的锰对材料的塑性不利有限，在合理的工艺设计下完全可以避免材料的难变形性。

8、cr 是气阀钢中抗高温氧化和抗高温腐蚀的最主要元素。研究表明，钢中加入12.5%的cr就能起到抗氧化耐蚀作用，cr能在钢的表面形成一层致密的cr2o3膜，能阻止o、s、n等腐蚀性气体向钢中扩散。本发明添加了al，会形成外膜cr2o3+内膜αal2o3的双膜结构，显著提高钢的抗氧化及耐蚀性能。由于添加了al，cr的设计含量较常见的奥氏体气阀钢少一些，为14.6～15.4%。

9、加入了0.25～0.45%的铝，时效过程中与镍形成了弥散分布的ni3al金属间化合物，作为主要强化相之一，有效弥补了气阀钢在使用过程中因碳化物（如cr23c6、mo2c）的分解造成的强度损失；铝也可提高钢的高温抗氧化能力。我们的试验表明，铝的加入量为0.25～0.45%时最为合适，高于0.45%后，会消耗过多的镍，影响奥氏体的稳定性，低于0.25%则强度提升不明显。

10、设计加入0.3～0.5%的mo，主要是提高高温强度和改善热处理性能，也能起到细化晶粒和碳化物析出强化的作用。

11、设计加入0.005～0.015%的元素zr，显著提高高温晶界强度；也会与c易形成细小弥散的zrc，起沉淀强化作用。

12、p、s作为气阀钢中有害元素，则越低越好，考虑到成本和各工序特征，规定p≤0.015%、s≤0.010%。

13、本发明所述气阀用奥氏体耐热钢的性能如下：晶粒度不低于6级；硬度为31.8～35.6hrc，偏差≤1.2hrc，室温非比例延伸强度560～580mpa、抗拉强度840～870mpa、断后伸长率≥10%、断面收缩率≥12%；500℃、750℃短时屈服强度分别不低于360mpa、250mpa；500℃、750℃短时抗拉强度分别不低于675mpa、410mpa。

14、本发明气阀用奥氏体耐热钢的制备方法，包括真空感应熔炼、电渣重熔、锻造和热处理工序。

15、本发明所述真空感应熔炼工序：使用真空感应炉冶炼，浇铸成自耗电极；其具体操作如下：

16、装炉：按设计成分配料，将纯铁、电解镍、钼铁、金属铬装入氧化镁预制坩埚内，碳粉、单晶硅、电解锰、金属锆、铝粒装入二次加料仓；

17、熔化、精炼：抽真空至≤10pa，送电熔化，全部熔清后，升温至1620～1660℃，调节真空≤0.5pa精炼，至钢液[o]≤15ppm、[n]≤15ppm、[h]≤1ppm；

18、合金化：停真空，充入5000～30000pa氩气，调整温度至1530～1560℃，加入单晶硅、碳粉、电解锰、铝粒、金属锆，熔清后，微调成分至合格；

19、出钢：调整温度至1500～1520℃，浇铸成电极。

20、本发明所述电渣重熔工序：将真空感应熔炼工序浇铸的自耗电极退火、打磨后电渣重熔，得到电渣锭；其具体操作如下：

21、准备：将渣料在600～800℃加热炉中烘烤8～12h，成分为38～42%caf2、25～30%cao、19～21%al2o3、5～10%sio2、3～7%zro2；将真空锭打磨、焊接至假电极上；底水箱中心铺引锭板，引锭板上放置引弧剂，安装结晶器、气氛保护罩、自耗电极；连接水路、气路、烟道；

22、起弧化渣：下降电极，送电起弧，加入渣料，化渣期电压25～50v、电流2500～6000a，持续25～60min；

23、重熔：进入重熔期后，调整电压45～65v、电流4500～9000a、熔速3.5～6kg/min，至电极剩余50～150kg时补缩；

24、补缩：进入补缩期后，30～50min内将电压、电流由45～50v、4500～6000a逐渐降为25～35v和3000～3500a，再保持15～30min后结束熔炼。

25、本发明所述锻造工序：将电渣重熔工序得到的电渣锭装炉后，采用三段式升温将其加热至1200～1250℃、保温4～6h后，在温度为950～1150℃之间，锭锻造成φ60～100mm圆钢，锻压比≥8，锻后空冷至室温。

26、进一步地，本发明所述锻造工序，第一阶段升温速率≤80℃/h，升温至500～550℃时，保温1～2h；第二阶段升温速率≤100℃/h，升温至700～750℃时，保温2～3h；第三阶段升温速率≤150℃/h，升温至1200～1250℃时，保温4～6h。

27、本发明所述热处理工序：将锻造工序得到的锻材以≤100℃/h的升温速率升温至1040～1100℃，保温固溶5～7h后，空冷至室温；再以≤100℃/h的升温速率升温至780～800℃、保温1～2h后，在700～720℃→740～760℃→700～720℃三段时效，每段保温5～6h，最后空冷。

28、本发明具有以下有益技术效果：

29、（1）本发明成分设计时做了全面优化，采用碳化物和ni3al作为主要强化相，有效弥补碳化物的高温不稳定性，避免高温强度损失。

30、（2）本发明设计的工艺为真空感应熔炼、电渣重熔、锻造和热处理，整个工艺流程相对简单。真空感应熔炼，能有效控制o、n、h等气体含量，确保c、si、mn、cr、mo、al、zr等元素的成分命中率；经电渣重熔后，mn、cr、ni等元素的成分均匀性得到保障，p、s、夹杂物等有害成分进一步降低，凝固组织也更加均匀致密；大变形率、多向锻造工艺，可有效打碎凝固粗大枝晶和大颗粒共晶碳化物，细化晶粒和奥氏体组织；合理的固溶时效处理，可保证碳化物、ni3al细小弥散析出，达到最佳的沉淀强化作用。