专利名称：一种排气阀用镍基高温合金的制作方法
技术领域：
本发明涉及合金技术领域，特别涉及一种排气阀用镍基高温合金。
背景技术：
高温合金是以第VIIIA族金属(铁、钴、镍)为基的具有高的室温和高温强度的合金。从高温合金的产生和发展至今已经历了 60多年。推动其发展的动力是航空和航天工业燃汽轮机对耐热合金的需求。高温合金的发展也带动了合金化学及合金加工技术的进步。镍基高温合金具有更高的高温强度，它们是在Cr20Ni80合金的基础上发展起来的，通常以Cr、Mo、Co、Ti、Al等合金元素来进行强化；Cr、Mo、Co等元素的主要作用是强化镍基固溶体，提高基体的再结晶温度，以降低基体中原子的扩散速度。Ti、Al的作用在于形成Ni3(AlTi)-Y，强化相，它具有面心立方结构，析出时与基体共格，聚集长大的速度很小， 具有良好的强化效果。近年来随着现代粉末冶金加工技术的应用和喷射成形多元多相弥散强化合金的出现，高温合金在接近材料熔点温度的同时，仍能保持高的持久强度，而普通靠Y '相或U + Y ')相强化的高温合金只能在低温(600°C 800°C )、中温(800°C IOOO0C )使用。采用多元多相弥散强化的高温合金是目前使用温度最高的合金，如美国的IN738合金等。目前，美国、日本、德国、英国、法国等国家均投入大量的人力、物力进行研究和开发。国内主要有北京航空材料研究院、北京钢铁研究总院、中国科学院金属研究所、昆明贵金属研究所等单位从事镍基高温合金的研究开发，但是大多数成果均为航空、航天和军工服务，而为民用工业的较少。目前，我国在中等负荷的内燃机中，普遍采用21-4^0 (即5Cr21Mn9Ni4N)作为中、小缸径的排气阀用钢，该钢的工作温度在650-750°C之间，气阀钢长期使用在高温下，则会有层状析出物增多，由于这种层状的析出是铬的碳化物和氮化物，因此大量的析出物会使气阀钢基体贫铬，导致该钢在高温燃气条件下的抗腐蚀性能显著下降，也会使气阀的颈部、盘部、盘锥面形成腐蚀坑，容易使气阀钢产生漏气和盘部开裂，气阀颈部的腐蚀坑在弯曲疲劳应力的作用下，很容易产生疲劳裂纹甚至断裂。现有技术中针对高负荷的内燃机排气阀用钢也有资料介绍，例如美国专利4929419文献介绍的气阀钢，该钢是针对23-8N钢进行面分调整，如采用添加C、B、W、Mo元素和提高C、N含量来改变钢种的使用性能，另外德国在专利文献DE3704473A1中介绍的是一种改进型气阀钢，该钢是在21-4N钢基础上添加了5-6% AlU. 8-2. 5 % Nb、0. 8-1. 5 % W，N提高至Ij O. 4-0. 6 %的成分范围，再有改进形气阀钢的技术还有俄罗斯SU1650762A1专利，该专利文献介绍了一种在21-4N基础上添加O. 5-1. 5%Mo ；0. 5-1. 5% Nb ；0. 5-1. 5V和O. 05-0. 20% Zr元素，该类钢性能只略有所提高，不能满足高负荷内燃机排气阀用钢的需要。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明的目的之一在于提供一种排气阀用镍基高温合金，以解决现有技术的材料不能满足需要的问题。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下一种排气阀用镍基高温合金，所述合金以重量百分数计由下列组份组成CO. 10-0. 14%, Al 3. 5-4. 5%, W I. 5-2. 5%, Mo 2. 0-4. 0%,Cr 13. 5-15. 5%, V O. 4-0. 6%,Zr O. 10-0. 20%, Nb O. 5-1. 5%, Fe 8. 0-12. 0%, Ta 2. 5-3. 5%, Cu ( O. 20，Mn ( O. 8，P彡O. 020，S彡O. 015，Si ( O. 3，余量Ni和不可避免杂质。优选，所述合金以重量百分数计由下列组份组成C O. 11-0. 13%, Al 3. 8-4. 2%,W I. 8-2. 2 %, Mo 2. 5-3. 5 %, Cr 14. 0-15. O %, V O. 45-0. 55 %, Zr O. 13-0. 17 %, NbO. 8-1. 2%, Fe 9. 0-11. 0%, Ta 2. 8-3. 2%, Cu ^ O. 20，Mn 彡 O. 8，P 彡 O. 020，S 彡 O. 015，
Si ( O. 3，余量Ni和不可避免杂质。最优选，所述合金以重量百分数计由下列组份组成C O. 12%, Al 4.0%, W2. 0%, Mo 3. 0%, Cr 14. 5%, V O. 50%, Zr O. 15%, Nb I. 0%, Fe 10. 0%, Ta 3. 0%,Cu ( O. 20，Mn 彡 O. 8，P 彡 O. 020，S 彡 O. 015，Si ( O. 3，余量 Ni 和不可避免杂质。本发明在成分中调整了合金元素的含量，本发明通过增加新元素及调整其他元素的含量形成了新的相结构，从而抑制和改变了原来铬与碳形成的层状析出。并且新相的结构更稳定，经高温长时间时效后的屈服强度、持久强度和高温弯曲疲劳强度明显高于现有技术中高负荷的内燃机排气阀用钢。本发明提高碳元素含量，主要考虑到碳既是奥氏体化元素，又是间隙强化的元素，碳与铬可以形成碳化物，能有效的提高强化效果，而且碳比较廉价，因此增加碳含量是本发明以低成本获得高性能的手段之一本发明调整铬元素，充分保证该钢中具有良好的抗氧化化和抗燃气高温腐蚀性能，铬与碳化合形成化合物，既提高了强度又提高硬度从而提高耐磨性，但又避免添加过多导致成本增加。本发明加入Ta提高合金的高温强度和持久强度，因为大部分Ta溶入Y '相而强化Y /相，增加Y /相的沉淀强化效果；同时，小部分的Ta进入Y基体，起固溶强化作用，Ta还可以改善抗热腐蚀性能,补偿由于Cr含量的适当降低而对抗热腐蚀性能带来的不利影响。本发明调整铝元素，铝在奥氏体不锈钢中的作用，能提高不锈钢的耐腐蚀性能，提高钢在低温下的韧性、抗氧化性。本发明调整锆和铌元素，达到防止敏化态晶间腐蚀的目的。在上述合金元素的基础上，添加适量的提高高温性能作用的钨和钥元素。添加适量的钒以改善碳化物分布和形态，从而改善性能。本发明具有如下有益效果(I)控制每种合金元素的含量，特别是不加或少加昂贵合金元素，如Co，以节省成本，满足民用高温合金对成本的要求，但通过添加多种合金元素，使得各种合金元素之间的技术效果相互协同，从而使得高温合金的综合性能优异。(2)本发明的高温合金内部组织致密，非金属夹杂总量比同种钢锭低20%左右， 化学成份偏差及内部金相组织缺陷等减少，提高了金属的机械性能。经对钢坯进行金相组织测试，达到了气门钢的各种性能指标，满足生产要求。(3)产品成分设计合理，综合性能好、尤其高温强度、高温耐蚀性能好,极耐燃气腐蚀，满足高负荷内燃机排气阀用钢的需要。
具体实施例方式实施例一一种排气阀用镍基高温合金，所述合金以重量百分数计由下列组份组成CO. 10%, Al 4. 5%, W I. 5%, Mo 4. 0%, Cr 13. 5%, V O. 6%, Zr O. 10%, Nb I. 5%, Fe
8.0%, Ta 3. 5%, Cu ^ O. 20，Mn 彡 O. 8，P 彡 O. 020，S 彡 O. 015，Si ( O. 3，余量 Ni 和不可避免杂质。实施例二一种排气阀用镍基高温合金，所述合金以重量百分数计由下列组份组成C O. 14%, Al 3. 5%, W 2. 5%, Mo 2. 0%, Cr 15. 5%, V O. 4%, Zr O. 20%, Nb O. 5%, Fe12. 0%,Ta 2. 5%, Cu ( O. 20,Mn ( O. 8, P ( O. 020, S ^ O. 015, Si ( O. 3，余量 Ni 和不可避免杂质。实施例三一种排气阀用镍基高温合金，所述合金以重量百分数计由下列组份组成CO. 11%, Al 4. 2%, W I. 8%, Mo 3. 5%, Cr 14. 0%, V O. 55%, Zr O. 13%, Nb I. 2%, Fe
9.0%, Ta 3. 2%, Cu ^ O. 20，Mn 彡 O. 8，P 彡 O. 020，S 彡 O. 015，Si ( O. 3，余量 Ni 和不可避免杂质。实施例四一种排气阀用镍基高温合金，所述合金以重量百分数计由下列组份组成CO. 13%, Al 3. 8%, W 2. 2%, Mo 2. 5%, Cr 15. 0%, V O. 45%, Zr O. 17%, Nb O. 8%, Fe11. 0%,Ta 2. 8%, Cu ( O. 20,Mn ( O. 8, P ( O. 020, S ( O. 015, Si ( O. 3，余量 Ni 和不可避免杂质。实施例五一种排气阀用镍基高温合金，所述合金以重量百分数计由下列组份组成CO. 12%, Al 4. 0%, W 2. 0%, Mo 3. 0%, Cr 14. 5%, V O. 5%, Zr O. 15%, Nb I. 0%, Fe
10.0%,Ta 3. 0%,Cu ^ O. 20，Mn 彡 O. 8，P 彡 O. 020，S ( O. 015，Si ( O. 3，余量 Ni 和不可
避免杂质。申请人:声明，本发明通过上述实施例来说明本发明的详细工艺设备和工艺流程，但本发明并不局限于上述详细工艺设备和工艺流程，即不意味着本发明必须依赖上述详细工艺设备和工艺流程才能实施。所属技术领域的技术人员应该明了，对本发明的任何改进，对本发明产品各原料的等效替换及辅助成分的添加、具体方式的选择等，均落在本发明的保护范围和公开范围之内。
权利要求
1.一种排气阀用镍基高温合金，其特征在于，所述合金以重量百分数计由下列组份组成C 0. 10-0. 14%, Al 3. 5-4. 5%, W I. 5-2. 5%, Mo 2. 0-4. 0%, Cr 13. 5-15. 5%, V0.4-0. 6%, Zr 0. 10-0. 20%, Nb 0. 5-1. 5%, Fe 8. 0-12. 0%, Ta 2. 5-3. 5%, Cu ^ 0. 20，Mn彡0. 8，P彡0. 020, S彡0. 015，Si ( 0. 3，余量Ni和不可避免杂质。
2.如权利要求I所述的一种排气阀用镍基高温合金，其特征在于，所述合金以重量百分数计由下列组份组成C 0. 11-0. 13%, Al 3. 8-4. 2%, W I. 8-2. 2%, Mo 2. 5-3. 5%,Cr 14. 0-15. 0%, V 0. 45-0. 55%, Zr 0. 13-0. 17%, Nb 0. 8-1. 2%, Fe 9. 0-11. 0%, Ta2.8-3. 2%, Cu ^ 0. 20，Mn ^ 0. 8, P ^ 0. 020，S 彡 0. 015，Si ( 0. 3，余量 Ni 和不可避免杂质。
3.如权利要求1-2所述的一种排气阀用镍基高温合金，其特征在于，所述合金以重量百分数计由下列组份组成C 0. 12%,Al 4. 0%,ff 2. 0%,Mo 3. 0%,Cr 14. 5%,V 0. 50%,Zr 0. 15%, Nb I. 0%,Fe 10. 0%,Ta 3. 0%，Cu 彡 0. 20，Mn 彡 0. 8，P 彡 0. 020，S 彡 0. 015，Si ( 0. 3，余量Ni和不可避免杂质。
全文摘要
本发明公开了一种排气阀用镍基高温合金，所述合金以重量百分数计由下列组份组成C 0.10-0.14％，Al 3.5-4.5％，W 1.5-2.5％，Mo 2.0-4.0％，Cr 13.5-15.5％，V 0.4-0.6％，Zr 0.10-0.20％，Nb 0.5-1.5％，Fe 8.0-12.0％，Ta2.5-3.5％，Cu≤0.20，Mn≤0.8，P≤0.020，S≤0.015，Si≤0.3，余量Ni和不可避免杂质。
文档编号C22C19/05GK102808112SQ201210305869
公开日2012年12月5日 申请日期2012年8月24日 优先权日2012年8月24日
发明者杨学焦 申请人:杨学焦