基于铁的合金、其制备方法及其用图
【技术领域】
[0001] 本发明涉及基于铁的合金。尤其是本发明涉及具有高硬度和压缩屈服强度的基于 铁的合金，其可用在例如阀座嵌件之类的发动机零件中。
【背景技术】
[0002] 用于现代发动机(例如柴油发动机）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。新设计的组件，包括阀座嵌件 (VSI)，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）。
[0003] 柴油发动机发展的另一个新兴趋势是使用废气再循环(EGR)。在EGR技术中，部分 废气再回到进入气流中，以减少废气排放中的氧化氮(N0 X)含量。柴油发动机中使用EGR可 造成阀座嵌件的工作条件更严苛。因此，在柴油发动机中（例如使用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，废气含有可潜在地形成酸的氮、硫、氯和其他元素的化合物。酸会损害阀座 嵌件和阀门，导致发动机过早失效。因此需要在排气阀座嵌件应用中使用的耐腐蚀性提高 的合金。早期通过使用马氏体不锈钢来尝试获得提高的耐腐蚀性，然而虽然这些不锈钢提 供良好的耐腐蚀性，但是传统的马氏体不锈钢不具有足够的耐磨性和热硬性，以符合现代 柴油发动机的阀座嵌件的要求。
[0005] 需要一种表现出在高温下足够的整体硬度和压缩屈服强度、以及耐腐蚀性和耐磨 性的用于阀座嵌件的改进的基于铁的合金，其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1至约2%的 碳；高达约1 %的锰；高达约1 %的硅；高达约4%的镍；约10至约25 %的铬；约5至约20 %的 钥；尚达约4 %的妈；约17至约2 3 %的钻；尚达约1.5 %的|凡；尚达约0.2 %的棚；尚达约 0.03%的硫;高达约0.4%的氮;高达约0.06%的磷;高达约4 %的铌;约35至约55%的铁;和 附带的杂质。在实施方式中，所述基于铁的合金的铬/钼比率为约1至约2.5。
[0007] 在进一步的实施方式中，所述基于铁的合金可基本上由以下组成：以重量％计，约 1.4至约1.9 %的碳;高达约1 %的锰;高达约1 %的硅;高达约1 %的镍;约13至约19 %的铬； 约8至约14 %的钼;高达约1 %的钨;约19至约22 %的钴;高达约0.5 %的钒;高达约1 %的铌； 尚达约0.4%的氣；尚达约0.06%的憐；尚达约0.03%的硫；尚达约0.2%的棚；约38至约 51 %的铁;和附带的杂质。
[0008] 在进一步的实施方式中，所述合金的铬/钼可含有：以重量％计，约1.6至约1.9% 的碳；约0.15至约0.35 %的锰；约0.2至约0.6 %的硅;约0.8至约4%的镍;约14至约16 %的 铬;约12至约14%的钼;高达约3%的钨;约19至约21 %的钴;高达约0.5%的钒;约0.03至约 0.15%的硼;约38.5至约51 %的铁;和附带的杂质。
[0009] 在实施方式中，本发明提供了用在内燃发动机中的阀座嵌件，其中所述阀座嵌件 可由基于铁的合金制成，所述基于铁的合金含有：以重量％计，约1至约2 %的碳;高达约1 % 的锰;高达约1 %的硅;高达约4 %的镍;约10至约25 %的铬;约5至约20 %的钼;高达约4 %的 钨；约17至约23%的钴；高达约1.5 %的钒；高达约0.2%的硼；高达约0.03 %的硫；高达约 〇. 4%的氮;高达约0.06 %的磷;高达约4%的铌;约35至约55 %的铁;和附带的杂质。在实施 方式中，所述基于铁的合金的铬/钼比率为约1至约2.5。
[0010] 在实施方式中，本发明进一步提供制备阀座嵌件的方法。在实施方式中，所述方法 包括制备基于铁的合金，所述基于铁的合金包含：以重量％计，约1至约2%的碳;高达约1 % 的锰;高达约1 %的硅;高达约4 %的镍;约10至约25 %的铬;约5至约20 %的钼;高达约4 %的 钨；约17至约23%的钴；高达约1.5 %的钒；高达约0.2%的硼；高达约0.03 %的硫；高达约 〇. 4%的氮;高达约0.06 %的磷;高达约4%的铌;约35至约55 %的铁;和附带的杂质。在实施 方式中，所述基于铁的合金的铬/钼比率为约1至约2.5。在实施方式中，所述方法进一步包 括在约1500° F至约1700° F的温度对所述基于铁的合金进行硬化(hardening)，以及在约 600° F至约1500° F的温度对所述基于铁的合金进行回火。
【附图说明】
[0011] 图1是包含根据本申请的实施方式的基于的铁的合金(在本文中被称为J513合金） 的阀座嵌件的阀组件的横截面图。
[0012] 图2是对于一些实验合金加热（实验加热l_ll(experimental heats 1-11))，硬度 作为回火温度的函数的图示。
[0013] 图3是所述J513合金在1300°F回火温度条件下测定的硬度和计算的硬度之间相关 性的图示。
[0014] 图4是J513合金在硬化（1700°F)条件下测定的硬度和计算的硬度之间相关性的图 不。
[0015] 图5是对于实验加热12-15,硬度作为回火温度的函数的图示。
[0016]图6是对于J513合金(实验加热6)、实验加热7(比较的）、J3、J130和J160合金，比较 的压缩屈服强度作为温度的函数的图示。
[0017] 图7是与J3、J130和J160合金相比，J513合金的比较的压缩屈服强度作为温度的函 数的图示。
[0018] 图8是（与J3、J130和J160合金相比）J513合金的极限抗拉强度作为温度的函数的 图示。
[0019] 图9是与实验加热1-11相比，对于实验加热25-29,整体硬度作为回火温度的函数 的图示。
[0020] 图10是与J130和J153合金相比，J513合金(实验加热25和26)的热硬度对比温度行 为的图示。
[0021] 图11是第一个热膨胀分析中在所述铸造条件下J513合金的线性热膨胀/收缩行为 的图示。
[0022]图12是第二个热膨胀分析中在所述铸造条件下J513合金的线性热膨胀/收缩行为 的图示。
[0023]图13是在硬化(927°C)加回火(732°C)条件下J513合金的线性热膨胀/收缩行为的 图示。
[0024]图14是与J109、J130和J153合金相比，J513合金的腐蚀率随试验时间变化的图示。 [0025]图15是描绘在铸造条件下J513微观结构的背散射电子像的扫描电镜(SEM)照片。 [0026]图16A和16B显示在1500°F加热处理4小时的J513微观结构的背散射电子像的SEM 照片。
【具体实施方式】
[0027] 在实施方式中，本发明提供用作阀座嵌件的基于铁的合金，现在将参照如附图中 举例说明的它的一些实施方式进行详细描述。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实施。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。
[0028] 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"还可包括 复数形式，除非另外清楚地指明的情形。
[0029]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。
[0030] 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。
[0031] 图1示出了根据本发明的发动机阀组件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可以是配合在发动机的气缸头8内的管状结 构。箭头示出了阀4的运动方向。阀4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包括阀座嵌件面10'， 并且通过例如压合安装在发动机的气缸头8内。在实施方式中，气缸头8可包括例如铸铁、铝 或铝合金的铸件。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'在阀4的运动过程中接合阀座面10。
[0032] 在实施方式中，本发明公开内容涉及基于铁的合金（下文称为"J513合金"或 "J513"）<J513合金的经过在高温（即，高于1000°F)下回火处理之后的持续高水平整体硬 度、压缩屈服强度、耐磨蚀性、耐腐蚀性、尺寸稳定性、韧度、抗裂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。
[0033] 在实施方式中，以重量％计，J513合金包括约1至约2重量％的碳；高达约1重量％ 的锰;高达约1重量％的硅;高达约4重量％的镍;约10至约25重量％的铬;约5至约20重量％ 的钼；高达约4重量％的钨；约17至约23重量％的钴；高达约1.5重量％的钒；高达约0.2重 量％的硼;高达约0.03重量％的硫;高达约0.4重量％的氮;高达约0.06重量％的磷;高达约 4重量％的铌;约35至约55重量％的铁;和附带的杂质。在实施方式中，所述基于铁的合金的 铬/钼比率为约1至约2.5。
[0034] 术语"铬/钼比率"是指例如在所述合金中铬的含量(重量％ )与所述合金的钼含量 (重量％)的比率，并且可通常由以下公式表示： 故/夺傷金繼《麵齡 ~T / ·Γ i f \l 7·^、. - .?MkMkMkMkMkMkMkMkMkMkMkMkMkMkMkMkMkMkMkMN 儀賴《蠢》i>
[0035] 在实施方式中，J513合金可具有任选添加的其它合金元素，或可不含故意添加的 这些元素。在实施方式中，J513合金的余量是铁和附带的杂质。在实施方式中，所述合金中 含有约35至约55重量％的铁，或约37至约52重量％的铁，或约38至约51重量％的铁，或约41 至约51重量％的铁。
[0036] 在实施方式中，所述合金可含有0至约1.5重量％的其它元素（例如小于约1重 量％，或小于约0.5重量％ )，例如错、砷、祕、铜、妈、镁、氮、磷、铅、硫、锡、钛、纪和稀土元素 (镧系元素）、锌、钽、硒、铪和锆。在实施方式中，可存在小于约0.03重量％的硫，例如0至约 0.02重量％的硫，或约0.008至约0.015重量％的硫。在实施方式中，所述