奥氏体耐热气阀钢及其制造方法

奥氏体耐热气阀钢及其制造方法
【专利摘要】本发明公开了奥氏体耐热气阀钢及其制造方法。奥氏体耐热气阀钢的组分及其质量百分比为：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％、N0.45-0.55％、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。本发明的制造方法主要包括冶炼、浇铸、初轧开坯、轧制、全固溶和时效处理。
【专利说明】
奥氏体耐热气阀钢及其制造方法
技术领域
[0001] 本发明涉及具有良好热加工性能的钢材及其制造方法，更具体地说，涉及奥氏体 耐热气阀钢及其制造方法。
【背景技术】
[0002] 21-4NWNb(5Cr21Mn9Ni4Nb2WN)钢是欧美各国在 21-4N(5Cr21Mn9Ni4N)钢基础上 发展的一种高强度奥氏体气阀钢，主要用于制造高负荷发动机的排气阀，在700~850°C之 间服役具有有良好的高温强度、较高的耐热应力疲劳性能、良好的高温耐磨性和耐高温燃 气腐蚀性能。该钢种已被纳入了各国的气阀钢标准中，如我国的国标GB/T12773-2008"内燃 机用气阀钢及高温合金棒材"中对该钢种也有具体的描述。而且随着我国对尾气排放要求 执行更严格的标准，即实施"国五"排放标准，限制汽车废气排放污染物（氮氧化物NOx、碳 氢化合物HC、一氧化碳C0和悬浮粒子等）对环境造成的危害而采用的汽车废气排放标准， 这就要求内燃机或汽车发动机的燃气温度提高以提高发动机的效率和功率，因此排气阀的 工作温度要求越来越高，工况也越来越苛刻，从而对满足这些工作温度和工况的21-4NWNb 气阀钢的需求量也越来越大。
[0003] 从该钢种的成分看，它是在21-4N钢的基础上加 W、Nb合金进一步合金化，弥散分 布在组织中，使钢种热强性极大地提高，而不影响其延展性。它通过Nb和W元素增加钢的 热强性，以Nb与碳、氮形成碳氮化物的形式，避免21-4N钢长期使用在高温下有层状析出物 增多（21-4N钢经750°C 100小时时效后层状析出物大于40% )而导致基体贫铬造成高温 抗腐蚀性能显著下降甚至断裂的现象。不过，21-4NWNb钢热强性增加造成了该合金另一个 方面的难题，即如何具有良好的热加工性能？因为增加的W和Nb使得晶界碳化物的沉淀行 为更加复杂，热加工的温度范围更加狭窄，在热加工过程中非常容易出现劈裂、角部裂纹等 缺陷。而且目前气阀钢产品交货形式是棒材（直径大于14_)或线材（直径介于5.5~ 14_)，对于大规格模铸锭型（多1.2吨）来说，在高温下变形量非常大，特别容易出现裂 纹、雀皮和折叠等缺陷，造成后续冷加工如矫直困难、磨削加工量大大增大、成材率非常低 和报废率非常高等困难。针对21-4NWNb钢大锭生产这些方面的情况，如何提高21-4NWNb 钢的热塑性已经成为该类钢种能够稳定生产的首要前提。
[0004] 现有技术中存在相似的排气门耐热钢，其成分是：
[0005] 0· 50-0. 80% C、0. 30-0. 60% Ν、17· 0-25. 0% Cr、4. 0-12. 0% Ni、7. 0-14. 0% Μη、 2· 0-6. 0 % Μο、0· 5-1. 5 % Si、0. 025-1. 5 % Nb、P 彡 0· 03 %，并通过添加 0· 001 彡（Mg、 Ca)彡0· 01、0· 001彡B彡0· 03、0· 001彡Zr彡0· 1等提高钢的热加工性能。
[0006] 其生产的工艺过程包括：熔炼-浇铸-均匀化热处理-锻造-固溶处理-时效处 理。由于该专利采用的熔炼方法是真空感应炉熔炼，而且所浇铸的锭子只有50kg，并采用自 由锻造进行热加工，这样的工艺过程是否适合大规格钢锭进行棒材和线材盘条生产不得而 知。
[0007] 同样，专利ZL200410037808. 3发明的经济型气阀钢也是在21-4N的基础上加 NbO. 35-0. 60%、Re0.0 1-0. 2%，性能虽然比较优异，但其是在50kg的真空感应炉中进行的 冶炼，并经锻造加工而成，对于能否进行大规格钢锭生产棒材和线材盘条不得而知。
[0008] 专利 CN201210419612. 5 则针对 5Cr21Mn9Ni4Nb2WN 钢（21-4NWNb 钢）的重量大于 1吨的铸锭提出了乳制开坯生产方法。但由于5Cr21Mn9Ni4Nb2WN钢本身热塑性温度范围比 较窄，使得该类钢开坯的坯料上特别容易出现角裂、面裂等缺陷，从而使得坯料质量不大稳 定，加大后续精整量和影响精整的质量，造成后续棒材和线材盘条生产容易出现缺陷而报 废。
[0009] 针对21-4NWNb钢大锭生产这些方面的情况，为提高21-4NWNb钢的热塑性，本发明 提出其成分需要进行调整，并选择合理的生产工艺路线和工艺参数，以减少裂纹、雀皮和折 叠等缺陷的发生率，改善矫直难度，降低报废率和提高成材率。

【发明内容】

[0010] 针对现有技术中存在的21-4NWNb钢容易角裂、面裂，并且性能不佳的问题，本发 明的目的是提供奥氏体耐热气阀钢及其制造方法
[0011] 为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
[0012] -种奥氏体耐热气阀钢，其各组分及其质量百分含量为：C0. 45-0. 55 %、Si 0. 08-0. 45 %、Μη 8. 00-10. 00 %、Cr 20. 00-22. 00 %、Ni3. 50-5. 00 %、Cu 彡 0. 30 %、 W 0· 80-1. 50 %、N 0· 45-0. 55 %、Nb 1· 80-2. 50 %、A1 彡 0· 02 %、Mg 彡 0· 010 %、Ca 0.001-0. 01%、B 0.001-0. 006%、RE0. 005-0. 020%，其余为 Fe 和不可避免的杂质。其中， C+N 彡 0. 90, Nb/C 2-5,（Mn+Si)/Al 彡 200。
[0013] 根据本发明的一实施例，各组分的具体质量百分含量为：C 0. 55%、Si 0. 35%、Mn 8.63%、Cr 20.94%、Ni 3.77%、Cu 0.08%、W 1.80%、A1 0.01%、Nb 1·99%、Ν 0·5%、Β 0. 002%、Mg 0.003%、Ca 0.004%、RE 0.01%，其余为 Fe 和不可避免的杂质。
[0014] 根据本发明的一实施例，各组分的具体质量百分含量为：C 0. 53%、Si 0. 22%、Mn 9.20%、Cr 21.30%、Ni 3.74%、Cu 0.06%、W 0·98%、Α1 0.005%、Nb 1·99%、Ν 0.51%、 B 0.003%、Mg 0.004%、Ca 0.003%、RE 0.015%，其余为 Fe 和不可避免的杂质。
[0015] 根据本发明的一实施例，各组分的具体质量百分含量为：C 0. 52%、Si 0. 20%、Mn 8. 50%、Cr 21. 25%、Ni 3. 72%、Cu 0· 09%、W 1· 02%、A1 0· 009%、Nb 2· 12%、N 0· 52%、 B 0.003%、Mg 0.002%、Ca 0.006%、RE 0.013%，其余为 Fe 和不可避免的杂质。
[0016] 根据本发明的一实施例，各组分的具体质量百分含量为：C 0. 53%、Si 0. 29%、Mn 8.69%、Cr 20.58%、Ni 3.80%、Cu 0.09%、W 0·94%、Α1 0.006%、Nb 1·93%、Ν 0.47%、 B 0.004%、Mg 0.004%、Ca 0.004%、RE 0.016%，其余为 Fe 和不可避免的杂质。
[0017] 为实现上述目的，本发明还采用如下技术方案：
[0018] -种奥氏体耐热气阀钢的制造方法，包括以下步骤：冶炼、浇铸、初乳开坯、乳制、 全固溶和时效处理。冶炼步骤先后经过电弧炉冶炼（EF)、氩氧脱碳精炼（A0F)和钢包精炼 (LF)。浇铸步骤模铸1. 2-2. 5吨的钢锭，浇铸前进行钢锭模内壁清理和烘烤，钢锭模温度控 制在50-80°C，浇铸过程Ar气保护，浇铸速度为2. 0-4. 0吨/分钟，浇毕加发热剂和炭化稻 壳保温，模冷多6小时脱模。初乳开坯步骤将钢锭乳制成规定的尺寸。乳制步骤包括棒材 乳制和线材盘条乳制。全固溶和时效处理的固溶温度为1100-1200°C，保温时间0. 5-1. 5小 时，然后在炉内1. 0-2. 0小时内冷却到900-930°C后取出水冷，最后在750-850°C范围内保 温4-10小时空冷进行时效热处理。
[0019] 根据本发明的一实施例，冶炼步骤包括电弧炉冶炼、氩氧脱碳精炼和钢包精炼； 电弧炉冶炼在6吨以上的电炉中进行冶炼，采用新料法及适当的返回料法，原材料采用低 磷、低铜和低钛的清洁废钢及原材料，底搅拌模式采用氮气，电炉还原剂使用碳化硅、硅球、 硅铁，出钢温度多1630°C ;氩氧脱碳精炼在6吨以上的氩氧脱碳精炼炉中进行冶炼，终点 碳控制< 0. 30,还原期脱氧，确保钢中氧含量< 20ppm，配入合金使除N、Mg、Ca、B、Nb、RE 和Cr以外的所有合金成分接近内控目标值；钢包精炼进入6吨以上的LF精炼炉后，微调 合金成分，加入Nb-Fe合金，并搅拌30~60分钟，加入氮化铬铁和氮化锰铁，配氮后搅拌 20~40min，控制其它成份在上述成分范围内，且满足C+N彡0. 90、Nb/C 2-5 ;吊包前20~ 25min按照0. 005-0. 020 %加入RE，后进行弱搅拌，以B 0. 001-0. 006 %加入B-Fe合金，按 Mg彡0· 010%以Ni-Mg合金加入，按Ca彡0· 010%喂入Si-Ca丝，控制（Mn+Si) /A1彡200， 吊包温度1450-1500°C。
[0020] 根据本发明的一实施例，初乳开坯步骤包括用均热炉加热冷钢锭，冷钢锭单支重 量1. 2-2. 5吨，入炉温度400-600°C，保温时间1. 0-1. 5小时，以彡60°C /小时的速度升温， 在7-7. 5小时内升到990-1020°C范围内，保温1-1. 5小时后再以彡140°C /小时的速度升 温，在1. 5-2. 0小时内升到T = 1180-1220°C范围内，保温5. 0-7. 0小时。保温时每支钢锭 都要进行翻身，翻身后使钢锭阴阳面温度差达到< 25-35Γ后，进行初乳第一火乳制。乳制 时预热乳辊，预热温度150-250°C，并关闭乳机乳辊冷却水，终乳温度保持多1000°C且乳制 道次以钢锭角部不出现角裂为准，每道次压下量1〇-15_。返炉进行加热，入炉时炉温要求 彡950°C，以彡100°C /小时的速度升温到加热温度T = 1170-1200°C范围内，保温1. 0~ 1. 5小时后，每支钢锭进行翻身，翻身后再保温1. 0~1. 5小时，使钢锭阴阳面温度差达到 < 25-35°C后进行初乳第二火乳制。乳制时预热乳辊，预热温度150-250°C，并关闭乳机乳 辊冷却水，终乳温度保持多900°C且乳制道次以钢锭角部不出现角裂为准，每道次压下量 15-20mm。进行第三次加热，入炉温度要求彡950°C，以< 100°C /小时的速度升温到加热温 度T = 160-1190°C范围内，保温0. 75小时后，每支钢锭进行翻身，翻身后再保温0. 75小时， 使钢锭阴阳面温度差达到< 25-35°C后进行初乳第三火乳制。开乳温度多1150°C，终乳温 度 >950°C，每道次压下量 20_45mm，乳至 160mmX 160mmX Lmm 或 120mmX 120mmX Lmm。
[0021 ] 根据本发明的一实施例，棒材乳制的步骤为：将初乳坯料在连续加热炉中加热，加 热时间彡2. 25小时，预热温度彡900°C，加热段和均热段温度范围为1170-1230°C，并控制 坯料阴阳面温差彡50°C，终乳温度控制在950-1150°C，乳后空冷；在连续固溶炉中进行半 固溶处理，固溶温度为1040-1100°C，保温时间0. 5-0. 75小时，出炉后即水冷。
[0022] 根据本发明的一实施例，线材盘条乳制的步骤为：将初乳坯料在连续加热炉中加 热，加热时间彡2. 5小时，预热温度彡800°C，加热段和均热段温度范围为1170-1230°C，开 乳温度彡1160°C，终乳温度900°C -1150°C，吐丝温度950°C -1050°C ;在固溶炉中进行半固 溶处理，固溶温度为1040-1100°C，保温时间0. 6-1. 2小时，出炉后即水冷。
[0023] 在上述技术方案中，本发明的奥氏体耐热气阀钢及其制造方法正是解决了因 21-4NWNb气阀钢高温热塑性差不能大规格钢锭生产的难题，使得该产品棒材和线材能够稳 定生产，满足了内燃机或汽车发动机提高效率和功率要求。
【附图说明】
[0024] 图1是本发明奥氏体耐热气阀钢的热模拟高温拉伸对比图；
[0025] 图2是本发明奥氏体耐热气阀钢的金相组织示意图。
【具体实施方式】
[0026] 下面结合附图和实施例进一步说明本发明的技术方案。
[0027] 为解决由2l-4NWNb钢大钢锭生产棒材（直径大于14mm)或线材（直径介于5. 5~ 14mm)的过程中容易出现的裂纹、雀皮和折叠等缺陷问题，改善矫直难度，提高成材率，本发 明提出在21-4NWNb钢的成分基础上添加改善高温热塑性的合金元素，并依据热模拟拉伸 试验结果，选择合理的生产工艺参数。本发明的主要内容和技术特征如下所述：
[0028] 化学成份（质量百分数）为：
[0029] C 0. 45-0. 55 %, Si 0. 08-0. 45 %, Μη 8. 00-10. 00 %, Cr 20. 00-22. 00 %, Ni 3. 50-5. 00%,Cu ^ 0. 30%,ff 0. 80-1. 50%,N 0. 45-0. 55%,Nbl. 80-2. 50%,A1 ^ 0. 02%, Mg 彡 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，并要求 C+N 彡 0.90%，Nb/C 2-5,（Mn+Si)/Al 彡 200。
[0030] 本发明从优化2l-4NWNb钢的成分入手，设计出类2l-4NWNb钢能够进行大钢锭生 产棒材（直径大于14mm)或线材（直径介于5. 5~14mm)的合金成分体系，控制钢中Μη、 Si和Α1合金元素的含量，降低钢中Α1203夹杂物含量；控制钢中碳和氮的含量，尽量形成强 化相，以保持钢的高温性能；控制钢中氧含量，并添加 Mg、Ca和RE元素，增加高温晶界强度， 使高温热塑性温度范围扩大50-100°C。
[0031] 本发明奥氏体耐热气阀钢各组分的作用如下：
[0032] C:部分碳溶入基体形成固溶体，稳定奥氏体。通过时效析出Nb、W等碳化物，提高 室温和高温强度、耐磨损性能。部分碳与Nb作用生成MC型碳化物，阻止固溶时晶粒长大。 部分碳与Cr作用形成M23C6碳化物，主要用来提高高温强度和耐磨性。要起到这些作用，要 求C含量最小不得低于0. 45 %，但不能超过0. 55 %，否则会使得材料的高温抗氧化性能和 氮含量降低，因此本发明中C控制在0. 45-0. 55%范围内。
[0033] Si :主要是在熔炼期间作为脱氧剂使用，提高钢的高温耐氧化性能。硅太高会降低 钢的可热加工性能和韧性，并使σ相容易析出。本发明中Si控制在0.08-0. 45%范围内。
[0034] Μη:稳定奥氏体元素，提高钢中氮的溶解度，促进冷加工和热加工的加工硬化，但 加入过多，会降低钢熔点、可热加工性能和高温强度。本发明中Μη控制在8. 00-10. 00%范 围内。
[0035] Cr :主要用来提高气阀钢的耐腐蚀性和耐氧化性能。通过时效形成碳化物提高钢 的室温和高温强度。但过高会促使有害相σ相的形成。本发明中Cr控制在20. 00-22. 00% 范围内。
[0036] Ni :保证基体为奥氏体相，起提高强度、耐腐蚀性和耐氧化性能，促进冷加工 和热加工的加工硬化，但过多会降低钢的氮溶解度，并提高成本。本发明中Ni控制在 3. 50-5. 00%范围内。
[0037] Cu :稳定奥氏体基体，提高冷加工态韧性，通过析出微量Cu相提高高温强度，但过 多会降低钢的热加工性能和耐氧化性能。本发明中Cu控制在< 0. 30%范围内。
[0038] W :部分W溶入基体形成置换固溶体，使基体强化。部分W形成碳化物，提高钢的高 温强度、耐氧化性和高温蠕变性能。但加入过多，会形成有害相Laves相。本发明中W控制 在0.80-1. 50%范围内。
[0039] N :奥氏体稳定化元素，形成间隙固溶体提高强度。与碳一起与Nb等合金元素形成 MX型碳氮化物，提高耐磨性。但加入过多，会使得材料在冷加工过程中加工硬化严重，降低 材料韧性。本发明中N控制在0. 45-0. 55%范围内。
[0040] Nb :与C、N -起形成MX型碳氮化物，阻止高温固溶期间晶粒长大，提高高温强度， 在时效过程中会抑制层状析出，使得层状析出的形态发生改变。太高会促进铁素体相形成， 并产生粗大的MX型碳氮化物，起不到阻碍晶粒长大作用，降低材料的可热加工性和疲劳性 能。本发明中Nb控制在1.80-2. 50%范围内。
[0041] A1 :主要是在熔炼期间作为脱氧剂使用，与N形成的A1N氮化物高温下容易长大 而降低性能，且过量则会形成含A1203的非金属夹杂物而影响性能。本发明中A1控制在 彡0. 02%范围内。
[0042] Mg:在冶炼时常作为脱氧剂和脱硫剂使用，有助于提高钢的可热加工性能。但过多 会形成MgO型非金属夹杂物，增加气阀钢产品的生产难度。本发明中Mg控制在彡0. 010% 范围内。
[0043] Ca:在冶炼时常作为脱氧剂和脱硫剂使用，形成有助于提高钢的可热加工性能。但 过多会形成粗大的CaS型非金属夹杂物，增加气阀钢产品的生产难度。本发明中Ca控制在 0· 001-0. 01%范围内。
[0044] B :添加 B主要目的是使晶界强化，提高高温塑性、高温强度和蠕变性能。而过多加 入会形成低熔点硼化物，反而使得高温塑性降低。本发明中B控制在0. 001-0. 006%范围 内。
[0045] RE :混合稀土的作用在于细化铸态树枝晶组织，减轻偏析。同时会使夹杂物变质， 形成弥散分布的与基体相结合较紧密的夹杂物。但过多加入会使得稀土夹杂物聚集长大， 引起材料的性能下降。考虑到稀土容易发生氧化，本发明中RE以0. 005-0. 020%配入。
[0046] 还有对C+N要求：C、N都是奥氏体稳定元素，可以作为昂贵元素 Ni的代用品以 降低成本，形成MX型碳氮化物，提高钢的强度和高温性能，为此，本发明中C+N控制在 彡0. 90%范围内。
[0047] Nb、C之间的关系：为保证气阀钢中MX型碳化物得到合适的含量，且其尺寸不大， 能够在固溶加热期间阻止晶粒长大，起钉扎作用，而过大，则会降低钢的疲劳性能，因此要 求Nb/C控制在2-5范围内。
[0048] Mn、Si和A1之间关系：为使得气阀钢中A1203非金属夹杂物含量不影响钢的性能， 要求满足（Mn+Si)/Al彡200。
[0049] 本发明的奥氏体耐热气阀钢具有良好热加工性能，本发明还公开了这种奥氏体耐 热气阀钢的制造方法，其生产工艺步骤是：
[0050] 原材料准备一EF电弧炉冶炼+A0D精炼+LF精炼一浇铸1. 2~2. 5吨方钢锭一初 乳开还成160mmX 160mmXLmm或120mmX 1 20mmXT,mm的还料一线材乳制或棒材乳制一半固 溶处理一矫直一磨光一固溶处理一时效处理。
[0051] 具体过程如下：
[0052] 1)EF+A0D+LF 冶炼
[0053] EF冶炼：在6吨以上的电炉中进行冶炼。采用新料法及适当的返回料法。原材料 采用低磷、低铜和低钛的清洁废钢及原材料。底搅拌模式采用氮气；电炉还原剂使用碳化 硅、硅球、硅铁等；出钢温度多1630°C ;
[0054] A0D精炼：在6吨以上的A0D精炼炉中进行冶炼。终点碳控制彡0. 30%，还原期脱 氧，确保钢中氧含量彡20ppm ;配入合金使除N、Mg、Ca、B、Nb、RE和Cr以外的所有合金成分 接近内控目标值。
[0055] LF精炼：进入6吨以上的LF精炼炉后，微调合金成分，加入Nb-Fe合金，并搅拌 30~60分钟，加入氮化铬铁和氮化锰铁，配氮后搅拌20~40min，控制其它成份在上述成 分范围内，且满足C+N彡0. 90 %、Nb/C 2-5 ;吊包前20~25min按照0. 005-0. 020 %加入 RE，后进行弱搅拌；以B0.001-0.006%加入B-Fe合金；按Mg彡0.010%以Ni-Mg合金加入； 按 Ca 彡 0.010%喂入 Si-Ca 丝，控制（Mn+Si)/Al 彡 200。吊包温度 1450-1500°C。
[0056] 2)浇铸
[0057] 模铸1. 2-2. 5吨的钢锭，浇铸前进行钢锭模内壁清理和烘烤，钢锭模温度控制在 50-80°C，浇铸过程Ar气保护。浇铸速度为2. 0-4.0吨/分钟。浇毕加发热剂和炭化稻壳 保温；模冷多6小时脱模。检查钢锭表面，并修磨干净存在的表面缺陷。
[0058] 3)初乳开坯
[0059] 采用均热炉加热冷钢锭，冷钢锭单支重量1. 2-2. 5吨，入炉温度400-600°C，保温 时间1. 0-1. 5小时。然后以彡60°C /小时的速度升温，在7-7. 5小时内升到990-1020°C 范围内，保温1-1. 5小时后再以< 140°C /小时的速度升温，在1. 5-2. 0小时内升到T = 1180-1220°C范围内，保温5. 0-7. 0小时，保温时每支钢锭都要进行翻身，减少均热炉中加 热源加热方式引起的阴阳面温度差，翻身后使钢锭阴阳面温度差达到< 25-35Γ后，进行 初乳第一火乳制。乳制时预热乳辊，预热温度150-250 °C，并关闭乳机乳辊冷却水，终乳 温度保持多1000 °C且乳制道次以钢锭角部不出现角裂为准，每道次压下量10-15mm;然后 返炉进行加热，入炉时炉温要求彡950°C，以< 100°C /小时的速度升温到加热温度T = 1170-1200°C范围内，保温1. 0~1. 5小时后，每支钢锭进行翻身，翻身后再保温1. 0~ 1. 5小时，使钢锭阴阳面温度差达到< 25-35Γ后进行初乳第二火乳制。乳制时预热乳辊， 预热温度150-250°C，并关闭乳机乳辊冷却水，终乳温度保持多900°C且乳制道次以钢锭 角部不出现角裂为准，每道次压下量15-20mm ;进行第三次加热。入炉温度要求多950°C， 以彡100°C /小时的速度升温到加热温度T = 1160-1190°C范围内，保温0.75小时后， 每支钢锭进行翻身，翻身后再保温0.75小时，使钢锭阴阳面温度差达到< 25-35°C后进 行初乳第三火乳制。开乳温度彡1150°C，终乳温度>950°C，每道次压下量20-45mm，乳至 160mm X 160mm XLmm 或 120mm X 120mm XLmm。
[0060] 将初乳坯料进行精整：抛丸去除氧化皮，全剥皮精整。
[0061] 4)棒材（直径大于14mm)乳制
[0062] 将初乳坯料在连续加热炉中加热，加热时间多2. 25小时，预热温度< 900°C。加 热段和均热段温度范围为1170-1230 °C，并控制坯料阴阳面温差< 50 °C，终乳温度控制在 950-1150°C，乳后空冷。在连续固溶炉中进行半固溶处理，固溶温度为1040-1100°C，保温时 间0. 5-0. 75小时，出炉后即水冷。
[0063] 5)线材（直径介于5. 5~14mm)盘条乳制
[0064] 将初乳坯料在连续加热炉中加热，加热时间多2. 5小时，预热温度彡800°C。加 热段和均热段温度范围为1170-1230°C，开乳温度彡1160°C，终乳温度900°C -1150°C，吐 丝温度950°C -1050°C。在固溶炉中进行半固溶处理，固溶温度为1040-1100°C，保温时间 0. 6-1. 2小时，出炉后即水冷。
[0065] 6)全固溶和时效处理。
[0066] 将棒材或线材盘条经矫直、磨光后，取样进行全固溶处理。固溶温度1100-1200°C， 保温时间0. 5-1. 5小时，然后在炉内1. 0-2. 0小时内冷却到900-930°C后取出水冷，然后在 750-850°C范围内保温4-10小时空冷进行时效热处理。
[0067] 下面通过多个实施例，分别选择不同的组分来形成本发明的奥氏体耐热气阀钢来 说明本发明的优点。
[0068] 如表1所示，本发明选择不同的组分，形成实施例1~实施例4所示的多种不同的 奥氏体耐热气阀钢，并且还提供了对照组1、对照组2两组来进行性能的测试对比。
[0069] 表1本发明实施例奥氏体耐热气阀钢的合金成分（质量百分数）
[0070]
[0071]
[0072] 如图1所示，本发明中奥氏体耐热气阀钢的热模拟高温拉伸结果与对照组的气阀 钢结果相比，本发明的奥氏体耐热气阀钢的断面收缩率在多40%范围的热塑性温度范围明 显比对照组的热塑性温度范围宽，至少50°C以上。
[0073] 上述的实施例中，实施例1~实施例4的奥氏体耐热气阀钢采用以下的制造工 乙：
[0074] 1)冶炼
[0075] EF炉冶炼
[0076] 在40吨电炉中进行冶炼。采用新料法及适当的返回料法。原材料采用低磷、低铜 和低钛的清洁废钢及原材料。底搅拌模式采用氮气；电炉还原剂使用碳化硅、硅球、硅铁等； 出钢温度彡1630°C ;
[0077] A0D炉精炼
[0078] 在40吨A0D精炼炉中进行冶炼。终点碳控制彡0. 30%，还原期脱氧，确保钢中氧 含量彡20ppm ;配入合金使除N、Mg、Ca、B、Nb、RE和Cr以外的所有合金成分接近内控目标 值。
[0079] LF 精炼
[0080] 进入40吨LF精炼炉后，微调合金成分，加入Nb-Fe合金，并搅拌30~60分钟，加 入氮化铬铁和氮化锰铁，配氮后搅拌20~40min，控制其它成份在上述成分范围内，且满足 C+N彡0· 90%、Nb/C 2-5 ;吊包前20~25min按照表1要求以0· 005-0. 020%加入1?，后 进行弱搅拌；以8 0.001-0.006%加入846合金；按1%彡0.010%以附-1%合金加入；按 Ca 彡 0.010%喂入 Si-Ca 丝，控制（Mn+Si)/Al 彡 200。吊包温度 1450-1500°C。
[0081] 2)浇铸
[0082] 模铸1. 2吨的钢锭，浇铸前进行钢锭模内壁清理和烘烤，钢锭模温度控制在70°C， 浇铸过程Ar气保护。浇铸速度为3. 0吨/分钟。浇毕加发热剂和炭化稻壳保温；模冷8小 时脱模。检查钢锭表面，并修磨干净存在的表面缺陷。
[0083] 3)初乳开坯
[0084] 采用均热炉加热冷钢锭，冷钢锭单支重量1. 2吨，入炉温度600°C，保温时间1. 0小 时。然后以< 60°C /小时的速度升温，在7小时内升到1000°C范围内，保温1小时后再以 < 140°C /小时的速度升温，在1. 5小时内升到T = 1190°C范围内，保温6. 0小时，保温时 每支钢锭都要进行翻身，减少均热炉中加热源加热方式引起的阴阳面温度差，翻身后使钢 锭阴阳面温度差达到< 30°C后，进行初乳第一火乳制。乳制时预热乳辊，预热温度200°C， 并关闭乳机乳辊冷却水，终乳温度保持多l〇〇〇°C且乳制道次以钢锭角部不出现角裂为准， 每道次压下量15_ ;然后返炉进行加热，入炉时炉温要求彡950°C，以< 100°C /小时的速 度升温到加热温度T = 1180°C范围内，保温1. 0小时后，每支钢锭进行翻身，翻身后再保温 1. 0小时，使钢锭阴阳面温度差达到< 30°C后进行初乳第二火乳制。乳制时预热乳辊，预热 温度200°C，并关闭乳机乳辊冷却水，终乳温度保持多900°C且乳制道次以钢锭角部不出现 角裂为准，每道次压下量20mm ;进行第三次加热。入炉温度要求彡950°C，以彡100°C /小 时的速度升温到加热温度T = 1170°C范围内，保温0. 75小时后，每支钢锭进行翻身，翻身 后再保温0. 75小时，使钢锭阴阳面温度差达到< 30°C后进行初乳第三火乳制。开乳温度 彡1150°C，终乳温度>950°C，每道次压下量30mm，乳至120mmX120mmX8-9mm。比较可知， 本发明的粗乳坯料表面比较光滑，出现的角裂和面裂非常少，而对照组的表面存在非常严 重的面裂和角裂，在后续的坯料精整过程中增加磨削量，也影响下道工序的顺利进行和成 材率。
[0085] 将初乳坯料进行精整：抛丸去除氧化皮，全剥皮精整。
[0086] 4)直径为18mm的棒材乳制
[0087] 将初乳坯料在连续加热炉中加热，加热时间3小时，预热温度< 900°C。加热段和 均热段温度范围为1180°C，并控制坯料阴阳面温差< 50°C，终乳温度控制在900°C，乳后空 冷。在连续固溶炉中进行半固溶处理，固溶温度为1030°C，保温时间0. 5小时，出炉后即水 冷。
[0088] 5)直径为7mm的线材盘条乳制
[0089] 将初乳坯料在连续加热炉中加热，加热时间3小时，预热温度600°C。加热段和均 热段温度范围为1180°C，开乳温度彡1150°C，终乳温度950°C，吐丝温度930°C。在固溶炉 中进行半固溶处理，固溶温度为1030°C，保温时间1. 0小时，出炉后即水冷。
[0090] 6)全固溶和时效处理。
[0091] 将棒材或线材盘条经矫直、磨光后，取样进行全固溶处理。固溶温度1180°C，保温 时间1. 5小时，然后在炉内1. 5小时内冷却到920°C后取出水冷，然后在760°C范围内保温 6小时空冷进行时效热处理。全固溶热处理后的组织形貌如图2所示。通过全固溶+时效 处理后材料的显微组织中，晶界呈弯曲状态和锯齿形，在后续变形过程中不容易萌生裂纹 和扩展，有利于提高室温力学性能和高温力学性能。
[0092] 如图2所示，本发明的粗乳坯料表面比较光滑，出现的角裂和面裂非常少，而对照 组的表面存在非常严重的面裂和角裂，在后续的坯料精整过程中增加磨削量，也影响下道 工序的顺利进行和成材率。通过全固溶+时效处理后材料的显微组织中，晶界呈弯曲状态 和锯齿形，在后续变形过程中不容易萌生裂纹和扩展，有利于提高室温力学性能和高温力 学性能。
[0093] 表2所示是本发明的钢种在室温的低倍组织和力学性能，本发明所生产的钢种的 低倍组织、夹杂物和室温力学性能都能满足国家标准要求。
[0094] 表2是本发明的钢种在室温的低倍组织和力学性能。
[0095]
[0096] 由表2可见，本发明的奥氏体耐热气阀钢具有良好的性能。
[0097] 本发明的有益效果
[0098] 本发明的上述材料及相应大规格钢锭生产工艺方法生产的奥氏体耐热气阀钢棒 材和线材表面出现裂纹、雀皮和折叠等缺陷的几率比较小，从钢锭到棒材和线材成品的综 合成材率达到62-63 %，且组织与性能都达到了气阀生产要求。用以提高钢材的热塑性温度 范围的合金元素量也不是太高，因此生产成本的提高幅度比较小。正是解决了因21_4NWNb 气阀钢高温热塑性差不能大规格钢锭生产的难题，使得该产品棒材和线材能够稳定生产， 满足了内燃机或汽车发动机提高效率和功率要求，从而对其的需求量也越来越大，具有较 广阔的运用前景。
[0099] 本发明从优化2l-4NWNb钢的成分入手，设计出类2l-4NWNb钢能够进行大钢锭生 产棒材（直径大于14mm)或线材（直径介于5. 5~14mm)的合金成分体系，控制钢中Μη、 Si和A1合金元素的含量，降低钢中A1203夹杂物含量；控制钢中碳和氮的含量以及Nb/C 之比，尽量形成强化相，以保持钢的高温性能；控制钢中氧含量，并添加 Mg、Ca和RE元素， 增加高温晶界强度，使高温热塑性温度范围扩大50-100°C ;通过合理的热加工制度（钢锭 开坯和棒线材乳制制度）和固溶热处理制度，本发明的上述材料及相应大规格钢锭生产工 艺方法生产的奥氏体耐热气阀钢棒材和线材表面出现裂纹、雀皮和折叠等缺陷的几率比较 小，从钢锭到棒材和线材成品的综合成材率达到62-63 %，且组织与性能都达到了气阀生产 要求。正是解决了因21-4NWNb气阀钢高温热塑性差不能大规格钢锭生产的难题，使得该产 品棒材和线材能够稳定生产，满足了内燃机或汽车发动机提高效率和功率要求，从而对其 的需求量也越来越大，具有较广阔的运用前景。
[0100] 本技术领域中的普通技术人员应当认识到，以上的实施例仅是用来说明本发明， 而并非用作为对本发明的限定，只要在本发明的实质精神范围内，对以上所述实施例的变 化、变型都将落在本发明的权利要求书范围内。
【主权项】
1. 一种奥氏体耐热气阀钢，其特征在于，其各组分及其质量百分含量为： C 0.45-0. 55 %、Si 0.08-0. 45 %、Μη 8. 00-10. 00 %、Cr 20. 00-22. 00 %、Ni 3· 50-5. 00%、Cu 彡 0· 30%、W 0· 80-1. 50%、N 0· 45-0. 55%、Nbl. 80-2. 50%、A1 彡 0· 02%、 Mg 彡 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 彡 0· 90, Nb/C 2-5,（Mn+Si)/Al 彡 200。2. 如权利要求1所述的奥氏体耐热气阀钢，其特征在于，其各组分的具体质量百分含 量为： C 0.55%、Si 0.35%、Μη 8.63%、Cr 20. 94%、Ni 3.77%、Cu 0.08%、W 1.80%、A1 0.01%、Nb 1·99%、Ν 0·5%、Β 0.002%、Mg 0.003%、Ca0.004%、RE 0.01%，其余为 Fe 和 不可避免的杂质。3. 如权利要求1所述的奥氏体耐热气阀钢，其特征在于，其各组分的具体质量百分含 量为： C 0.53%、Si 0.22%、Μη 9.20%、Cr 21. 30%、Ni 3.74%、Cu 0.06%、W 0.98%、A1 0· 005%、Nb 1.99%、N 0.51%、B 0.003%、Mg 0.004%、Ca 0.003%、RE 0.015%，其余为 Fe和不可避免的杂质。4. 如权利要求1所述的奥氏体耐热气阀钢，其特征在于，其各组分的具体质量百分含 量为： C 0.52%、Si 0.20%、Μη 8.50%、Cr 21. 25%、Ni 3.72%、Cu 0.09%、W 1.02%、A1 0.009%、Nb 2· 12%、N 0·52%、Β 0.003%、Mg 0.002%、Ca 0.006%、RE 0.013%，其余为 Fe和不可避免的杂质。5. 如权利要求1所述的奥氏体耐热气阀钢，其特征在于，其各组分的具体质量百分含 量为： C 0.53%、Si 0.29%、Μη 8.69%、Cr 20.58%、Ni 3.80%、Cu 0.09%、W 0.94%、A1 0.006%、Nb 1.93%、N 0.47%、B 0.004%、Mg 0.004%、Ca 0.004%、RE 0.016%，其余为 Fe和不可避免的杂质。6. -种如权利要求1所述的奥氏体耐热气阀钢的制造方法，其特征在于，包括以下步 骤： 冶炼、浇铸、初乳开坯、乳制、全固溶和时效处理； 所述冶炼步骤先后经过电弧炉冶炼、氩氧脱碳精炼和钢包精炼； 所述浇铸步骤模铸1. 2-2. 5吨的钢锭，浇铸前进行钢锭模内壁清理和烘烤，钢锭模温 度控制在50-80°C，浇铸过程Ar气保护，浇铸速度为2. 0-4. 0吨/分钟，浇毕加发热剂和炭 化稻壳保温，模冷多6小时脱模； 所述初乳开坯步骤将钢锭乳制成规定的尺寸； 所述乳制步骤包括棒材乳制和线材盘条乳制； 所述全固溶和时效处理的固溶温度为1100_1200°C，保温时间0. 5-1. 5小时，然后在炉 内1. 0-2. 0小时内冷却到900-930°C后取出水冷，最后在750-850°C范围内保温4-10小时 空冷进行时效热处理。7. 如权利要求6所述的奥氏体耐热气阀钢的制造方法，其特征在于，所述冶炼步骤包 括电弧炉冶炼、氩氧脱碳精炼和钢包精炼； 所述电弧炉冶炼在6吨以上的电炉中进行冶炼，采用新料法及适当的返回料法，原材 料采用低磷、低铜和低钛的清洁废钢及原材料，底搅拌模式采用氮气，电炉还原剂使用碳化 硅、硅球、硅铁，出钢温度彡1630°C ; 所述氩氧脱碳精炼在6吨以上的氩氧脱碳精炼炉中进行冶炼，终点碳控制< 0. 30,还 原期脱氧，确保钢中氧含量彡20ppm，配入合金使除N、Mg、Ca、B、Nb、RE和Cr以外的所有合 金成分接近内控目标值； 所述钢包精炼进入6吨以上的LF精炼炉后，微调合金成分，加入Nb-Fe合金，并搅拌 30~60分钟，加入氮化铬铁和氮化锰铁，配氮后搅拌20~40min，控制其它成份在上述成 分范围内，且满足C+N彡0. 90、Nb/C 2-5 ;吊包前20~25min按照0. 005-0. 020%加入RE， 后进行弱搅拌，以B0. 001-0. 006 %加入B-Fe合金，按Mg彡0. 010%以Ni-Mg合金加入，按 〇&彡0.010%喂入5^&丝，控制（]?11+51)/^1彡 200，吊包温度 1450-1500°(：。8. 如权利要求6所述的奥氏体耐热气阀钢的制造方法，其特征在于，所述初乳开坯步 骤包括： 用均热炉加热冷钢锭，冷钢锭单支重量1. 2-2. 5吨，入炉温度400-600°C，保温时间 1. 0-1. 5小时，以彡60°C /小时的速度升温，在7-7. 5小时内升到990-1020°C范围内，保温 1-1. 5小时后再以彡140°C /小时的速度升温，在1. 5-2. 0小时内升到T = 1180-1220°C范 围内，保温5. 0-7.0小时； 保温时每支钢锭都要进行翻身，翻身后使钢锭阴阳面温度差达到< 25-35°C后，进行初 乳第一火乳制； 乳制时预热乳辑，预热温度150-250 °C，并关闭乳机乳辊冷却水，终乳温度保持 多1000°C且乳制道次以钢锭角部不出现角裂为准，每道次压下量10-15mm; 返炉进行加热，入炉时炉温要求彡950°C，以< 100°C /小时的速度升温到加热温度T =1170-1200°C范围内，保温1. 0~1. 5小时后，每支钢锭进行翻身，翻身后再保温1. 0~ 1. 5小时，使钢锭阴阳面温度差达到< 25-35Γ后进行初乳第二火乳制； 乳制时预热乳辑，预热温度150-250 °C，并关闭乳机乳辊冷却水，终乳温度保持 多900°C且乳制道次以钢锭角部不出现角裂为准，每道次压下量15-20mm ; 进行第三次加热，入炉温度要求多950°C，以< 100°C /小时的速度升温到加热温度T =160-1190°C范围内，保温0. 75小时后，每支钢锭进行翻身，翻身后再保温0. 75小时，使钢 锭阴阳面温度差达到< 25-35°C后进行初乳第三火乳制； 开乳温度彡1150 °C，终乳温度>950 °C，每道次压下量20-45mm，乳至 160mm X 160mm XLmm 或 120mm X 120mm XLmm。9. 如权利要求6所述的奥氏体耐热气阀钢的制造方法，其特征在于，所述棒材乳制的 步骤为： 将初乳坯料在连续加热炉中加热，加热时间多2. 25小时，预热温度< 900 °C，加热 段和均热段温度范围为1170-1230°C，并控制坯料阴阳面温差< 50°C，终乳温度控制在 950-1150°C，乳后空冷； 在连续固溶炉中进行半固溶处理，固溶温度为1040-1100°C，保温时间0. 5-0. 75小时， 出炉后即水冷。10.如权利要求6所述的奥氏体耐热气阀钢的制造方法，其特征在于，所述线材盘条乳 制的步骤为： 将初乳坯料在连续加热炉中加热，加热时间多2. 5小时，预热温度< 800°C，加热段和 均热段温度范围为1170-1230°C，开乳温度彡1160°C，终乳温度900°C -1150°C，吐丝温度 950 °C -1050 °C ； 在固溶炉中进行半固溶处理，固溶温度为1040-1100°C，保温时间0. 6-1. 2小时，出炉 后即水冷。
【文档编号】C22C33/06GK105839028SQ201510012957
【公开日】2016年8月10日
【申请日】2015年1月12日
【发明人】周灿栋, 方静贤, 李瀑, 顾新根, 赵欣, 庄伟 , 徐松乾, 赵海平
【申请人】宝钢特钢有限公司