基于铁的合金及其制备和使用方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及基于铁的合金，尤其是耐腐蚀和耐磨损的基于铁的合金，具有高可淬 性，可用在例如阀座嵌件中。
【背景技术】
[0002] 用于柴油发动机的更限制性的废气排放法规已促使发动机设计的变化，包括对高 压电子燃油喷射系统的需求。相比于以前的设计，根据新设计构造的发动机使用较高的燃 烧压力、较高的工作温度并且较少的润滑。新的设计的组件，包括阀座嵌件（VSI)，具有经受 显著更高的磨损率。排气阀座嵌件和阀门例如必须能够承受高数量的阀冲击事件和燃烧事 件，而磨损最小（例如，研磨剂、粘合剂和腐蚀性磨损）。这促使材料的选择转向相对于柴油 产业中传统上使用的阀座嵌件材料而言提供改进的耐磨性的材料。
[0003] 柴油发动机发展的另一个新兴趋势是使用EGR(废气再循环）。随着EGR，废气再 回到进入气流中，以减少废气排放中的氧化氮（NOx)含量。柴油发动机中使用EGR可提高 阀座嵌件的工作温度。因此，在使用EGR的柴油发动机中需要具有良好的热硬度、成本更低 的阀座嵌件。
[0004] 此外，由于废气含有可潜在地形成酸的氮、硫、氯和其他元素的化合物，因此使用 EGR的柴油发动机对排气阀座嵌件应用中使用的耐腐蚀性提高的合金的需求增加。酸会损 害阀座嵌件和阀门，导致发动机过早失效。
[0005] 阀座嵌件需要表现出足够可淬性以及耐腐蚀性和耐磨性的改进的基于铁的合金， 适用于例如排气阀座嵌件应用。
【发明内容】
[0006] 在实施方式中，本发明提供了基于铁的合金，以重量％计，其含有约2至约3%的 碳；约0. 1至约0. 4%的锰；约0. 3至约0. 8%的硅；约11. 5至约14. 5%的铬；约0. 05至约 0. 6%的镍；约0. 8至约2. 2%的钒；约4至约7%的钼；约3至约5%的钨；约1至约3%的 铌；约3至约5%的钴；零至约0. 2%的硼；以及余量为铁和附随的杂质。
[0007] 在实施方式中，本发明提供了含有基于铁的合金，以重量％计，其含有约2至约 3%的碳；约0. 1至约0. 4%的锰；约0. 3至约0. 8%的硅；约11. 5至约14. 5%的铬；约0. 05 至约0. 6%的镍；约0. 8至约2. 2%的钒；约4至约7%的钼；约3至约5%的钨；约1至约 3%的铌；约3至约5%的钴；零至约0. 2%的硼；以及余量为铁和附随的杂质，其中所述合 金具有含有共晶反应相的枝晶间区域，并且当在硬化和回火条件下时，该合金的硬度为至 少约50HRc。
[0008] 在进一步的实施方式中，本发明还提供了用在内燃发动机中的阀座嵌件。在实施 方式中，所述阀座嵌件由基于铁的合金制成，以重量％计，该基于铁的合金含有约2至约 3%的碳；约0. 1至约0. 4%的锰；约0. 3至约0. 8%的硅；约11. 5至约14. 5%的铬；约0. 05 至约0. 6%的镍；约0. 8至约2. 2%的钒；约4至约7%的钼；约3至约5%的钨；约1至约 3%的铌；约3至约5%的钴；以及零至约0. 2%的硼；以及余量为铁和附随的杂质。
【附图说明】
[0009] 图1是并入根据本申请的实施方式的基于的铁的合金的阀座嵌件的阀组件的横 截面图。
[0010] 图2是作为用于根据本公开的在1750° F硬化的基于铁的合金（"J161合金"或 "J161"）和在1550° F硬化的J161合金的回火温度的函数的整体硬度（bulk hardness)与 在1750° F硬化的相当的基于铁的马氏体基质合金（"J160合金"或"J160"）和在1550° F 硬化的J160合金进行比较的回火温度的函数的整体硬度的图示。
[0011] 图3是耐磨性分析结果的图示，示出了作为J161合金对比23-8N的测试温度的函 数的针样本磨损相比于J160合金对比23-8N的测试温度的函数的针样本磨损。如本文所 用的"23-8N"是指市售的奥氏体铬镍合金，以重量％计，其含有0. 3至0. 35%的碳、3%至 4%的锰、0. 6至0. 9%的硅、22至24%的铬、7至9%的镍、0. 3至0. 34%的氮，以及余量为 铁。
[0012] 图4是耐磨性分析结果的图示，示出了作为J161合金对比23-8N的测试温度的函 数的板样本磨损相比于J160合金对比23-8N的测试温度的函数的板样本磨损。
[0013] 图5是耐磨性分析结果的图示，示出了 J161合金对比23-8N的测试温度的函数的 总（针+板）磨损相比于J160合金对比23-8N的测试温度的函数的总（针+板）磨损。
[0014] 图6A和6B分别是J161合金（加热5)在硬化（1550 ° F/2.5小时）加回火 (1325° F/3. 5小时）的条件下的100 X和500 X倍光学显微照片。
[0015] 图7A和7B分别是J160合金在硬化的（1550° F/2. 5小时）加回火（1325° F/3. 5 小时）的条件下的100 X和500 X倍光学显微照片。
【具体实施方式】
[0016] 本文公开的是用作阀座嵌件的基于铁的合金，现在将参照其一些实施方式进行详 细描述，如附图中举例说明的。在下面的描述中，阐述了许多具体细节以便提供对所述基于 铁的合金的充分理解。然而，对于本领域技术人员将显而易见的是，本文的实施方式可以在 没有这些具体细节中的一些或全部的情况下事实。在其他情况下，未详细描述众所周知的 工艺步骤和/或结构以免不必要地模糊所述基于铁的合金。
[0017] 除非另有说明，否则在本公开和权利要求中表示数量、条件等的所有数字在所有 情况下应理解为被术语"约"修饰。术语"约"是指例如数值涵盖该数值加或减±10%的范 围。修饰语"约"与量组合使用时包括所述值。
[0018] 在本说明书和下述权利要求中，单数形式例如"一个"，"一种"和"所述"包括复数 形式，除非另外清楚地指明的情形。
[0019] 术语"室温"、"环境温度"和"环境"是指例如约20°C至约25°C的温度。
[0020] 图1根据本发明示出了示例性阀组件2。阀组件2可包括阀4,其可滑行地支撑在 阀杆导承6的内孔和阀座嵌件18内。阀杆导承6可以是配合在气缸盖8内的管状结构。箭 头示出了阀4的运动方向。阀4可包括阀座面10,其插在阀4的帽12和颈部14之间。阀 杆16可定位在颈部14的上方，并且可以被容纳在阀杆导承6内，阀座嵌件18可包括阀座 嵌件面10'，并且可例如通过压合安装在发动机的气缸盖8内。在实施方式中，气缸盖8可 包括例如铸铁、铝或铝合金的铸造。在实施方式中，嵌件18(在横截面中示出）可以是环形 形状的，并且阀座嵌件面10'可以在阀4的运动过程中接合阀座面10。
[0021] 在实施方式中，本发明公开涉及基于铁的合金（下文称为"合金J161"或"J161")。 J161合金的可淬性、热硬度、高温强度、耐腐蚀性和耐磨性使其可用在多种应用中，包括例 如用作内燃发动机的阀座嵌件，以及用在球轴承、涂料中等等。在实施方式中，所述合金用 作内燃发动机的阀座嵌件。
[0022] 在实施方式中，以重量％计，J161合金包括约2至约3重量％的碳；约0. 1至约 〇. 4重量％的锰；约0. 3至约0. 8重量％的硅；约11. 5至约14. 5重量％的铬；约0. 05至约 〇. 6重量％的镍；约0. 8至约2. 2重量％的钒；约4至约7重量％的钼；约3至约5重量％ 的钨；约1至约3重量％的铌；约3至约5重量％的钴；零至约0. 2重量％的硼；以及余量为 铁和附随的杂质。在实施方式中，所述余量包括铁和附随的杂质，并且其可包括高达约1.5 重量％的其他元素，例如铝、砷、铋、铜、钙、镁、氮、磷、铅、硫、锡、钛、钇和稀土元素（镧系元 素）、锌、钽、硒、铪和锆。
[0023] 在实施方式中，以重量％计，J161合金基本上由以下组分组成：约2. 4至约2. 7% 的碳；约0. 2至约0. 3 %的锰；约0. 5至约0. 7 %的硅；约12至约13 %的铬；约0. 2至约 0. 4%的镍；约1. 2至约1. 5%的钒；约5至约6%的钼；约3. 5至约4%的钨；约1. 5至约 2. 5%的铌；约3. 5至约4%的钴；约0.08至约0.2%的硼；以及余量为铁和附随的杂质。