專利名稱：奧氏體合金鋼的制作方法
技術領域：
本發明屬于奧氏體型耐熱鋼的制備領域，特別適用于生產內燃機的進、排氣 閥用奧氏體耐熱鋼。
背景技術：
目前，我國在中等負荷的內燃機中，普遍釆用21-4N鋼(即5Cr21Mn9Ni4N) 作為中、小缸徑的排氣閥用鋼，該鋼的工作溫度在650-75(TC之間，氣閥鋼長期 使用在高溫下，則會有層狀析出物增多，由于這種層狀的析出是鉻的碳化物和氮 化物，因此大量的析出物會使氣閥鋼基體貧鉻，導致該鋼在高溫燃氣條件下的 抗腐蝕性能顯著下降，也會使氣閥的頸部、盤部、盤錐面形成腐蝕坑，容易使 氣閥鋼產生漏氣和盤部開裂，氣閥頸部的腐蝕坑在彎曲疲勞應力的作用下，很 容易產生疲勞裂紋甚至斷裂。現有技術中針對高負荷的內燃機排氣閥用鋼也有 資料介紹，例如美國專利4929419文獻介紹的氣閥鋼，該鋼是針對23-8N鋼進 行面分調整，如采用添加C、 B、 W、 Mo元素和提高C、 N含量來改變鋼種的使用 性能，另外德國在專利文獻DE3704473A1中介紹的是一種改進型氣閥鋼，該鋼 是在21-4N鋼基礎上添加了 5-6%Al、 1. 8-2. 5飾、0. 8-1. 5%W， N提高到0. 4-0. 6% 的成分范圍，再有改進形氣閥鋼的技術還有俄羅斯SU1650762A1專利，該專利 文獻介紹了 一種在21-4N基礎上添加0. 5-1. 50飾;0. 5-1. 5飾;0. 5-1. 5V和 0.05-0.20%Zr元素，該類鋼性能只略有所提高，不能滿足高負荷內燃機排氣閥 用鋼的需要。

發明內容
本發明提供一種高負荷內燃機排氣閥用奧氏體合金鋼，產品成分設計合理，綜合性能好、尤其高溫強度、高溫耐蝕性能好，極耐燃氣腐蝕。
本發明是通過如下技術方案來實現的奧氏體合金鋼，包含碳、硅、磷、硫、
鎳、鉻、鉬、鈦、鋁、鈷、銅、硼、鐵，其重量百分比為碳(C): 0. 04-0. 1%; 硅(Si ):《1%;磷(P):《0. 020%;硫(S): < 0. 015%;鎳(Ni): > 65%;鉻(Cr): 18-21%; 鉬(Mo): <1%;鈥(Ti ) : 1. 8-2. 7%;鋁(Al ) : 1. 0-1. 8%;鈷(Co): < 2. 0%;銅(Cu): <0, 2%;硼(B): < 0. 008。/。；鐵(Fe): < 2, 5%。
所述的奧氏體合金鋼還含稀土元素，其質量百分比為稀土元素Ue): 0. 10-0. 20%。
根據本發明的目的，本發明所提出的奧氏體合金鋼，通過對該鋼的成分進行 合理的調整，使本發明奧氏體合金鋼在具備良好綜合性能的同時，尤其高溫強 度、高溫耐蝕性能好，極耐燃氣腐蝕，滿足高負荷內燃機排氣閥用鋼的需要。
本發明的解決方案，首先是針對內燃機的進、排氣閥用奧氏體耐熱鋼的不 足，對氣閥鋼的成分進行重新設計。在本發明鋼與現有內燃機的進、排氣閥用 奧氏體耐熱鋼的成分進行比較后可看到，在成分中增加和調整了稀土元素和鎳、 碳等元素的含量，本發明通過增加新元素及調整其他元素的含量形成了新的相 結構，從而抑制和改變了原來鉻與碳形成的層狀析出。本發明經過75(TC和100
小時的時效后，層狀析出量〈ioy。，并且新相的結構更穩定，經高溫長時間時效
后的屈服強度、持久強度和高溫彎曲疲勞強度明顯髙于現有技術中高負荷的內 燃機排氣閥用鋼。另外，由于輕稀土元素的增加和其他元素含量的調整，使本
發明氣閥鋼在650-75(TC范圍內的抗氧化和抗燃氣腐蝕性能均有所提高，材料的 晶粒被合理細化。在本發明所提出的鋼成分中，首先考慮該鋼在保證其具有良 好綜合性能的前提下，通過成分及元素含量的合理調整，提高其高溫強度、高 溫耐蝕性能。本發明鋼的成分中加入碳元素，主要考慮到碳既是奧氏體化元素，又是間 隙強化的元素，碳與鉻可以形成碳化物，能有效的提高強化效果。當隨著碳含 量的合理提髙，其材料的時效強度效果會更顯著，這樣可以保證本發明鋼在高 溫下具有足夠的高溫短時強度和長時高溫強度。
在本發明鋼的成分中加入鉻元素，是可以保證該鋼中具有良好的抗氧化化 和抗燃氣高溫腐蝕性能，鉻與碳化合形成化合物，既提高了強度又提高硬度從
而提高耐磨性，但添加過多的鉻元素則會有利于鐵素體的產生，或是a相的產
生，這對本發明鋼在降低制備成本和提高綜合性能不利，因此必須控制鉻的添 加量。
在本發明鋼的成分中加入鎳元素，鎳是奧氏體形成的元素，它的主要作用 是形成并穩定奧氏體組織，它促進鉻的鈍化，其本身不是耐腐蝕元素，但鎳可 改善冷熱加工性能，使強度、塑性和韌性很好的配合，對鋼的高溫強度和抗氧 化性也有明顯地作用；在本發明鋼的成分中加入鈷元素，鈷的作用類似鎳，是 一種奧氏體形成元素。
在本發明鋼的成分中加入硅元素，硅的加入有脫氧效果，當硅以固溶態的 形式存在時，他可以提高基體的屈服強度，對提高鋼的抗氧化性和抗燃氣腐蝕 性較為有利，但會使材料的韌脆轉變溫度提高，對鋼的塑性性能有不利的影響， 同時可在鋼的表面上形成致密的Si0j莫，阻礙酸向鋼內部進一步侵蝕，對提高 鋼在高濃度硝酸中的耐蝕性尤為有效，含硅量過高使鋼度變形困難。
在本發明鋼的成分中加入銅元素，銅在奧氏體不銹鋼中的作用，能顯著降 低鋼的冷作硬化傾向，提高冷加工成形性能，而且，銅也是弱奧氏體形成元素。
因此設計時，銅控制在不大于O. 2%的范圍，銅過高會影響鋼的強度和奧氏體鋼
的耐點蝕、耐應力腐蝕性能。在本發明鋼的成分中加入鋁元素，鋁在奧氏體不銹鋼中的作用，能提高不 銹鋼的耐腐蝕性能，提高鋼在低溫下的軔性、抗氧化性，但鋁含量小于4%時， 鋼的耐腐蝕性能不明顯，鋁含量提高，鋼的耐腐蝕性能也隨之提高，但熱加工
性能變差，在扎制、鍛造時易開裂，其含量按1.0-1.8%范圍控制；加鋁時，珪 取中上限。
在本發明鋼的成分中加入鈦元素，鈦作為穩定鋼中碳的元素，優先與碳結 合形成TiC,減少M23C6的形成，達到防止敏化態晶間腐蝕的目的；鈥在鋼中能形成 金屬間相，可提高不銹鋼的強度。
在本發明鋼的成分中加入硼元素，微量硼可改善耐晶間腐蝕性能，微量硼 的加入還可提高奧氏體不銹鋼的熱塑性，改善熱加工性；硼是提高奧氏體不銹 鋼熱中子吸收截面的重要元素，但是硼含量超過在奧氏體中的溶解度時，會形 成低熔點硼化物共晶，從而顯著降低鋼的熱加工性，并且鋼的強度提高，塑性 降低。
在本發明鋼的成分中加入鉬元素，鉬的作用主要是提高鋼在還原介質的耐 蝕性，并提高鋼的耐點腐蝕及縫隙腐蝕等性能；鉬主要是強化鋼中鉻的耐蝕作 用，與此同時，鉬形成鉬酸鹽后的緩蝕作用也已為實驗所證實；含鉬的鉻鎳鉬 奧氏體不銹鋼由于耐點腐蝕性能較高，所以在實際應用中常常比不含鉬鋼具有 更好的耐氯化物應力腐蝕性能。
在本發明鋼的成分中加入稀土元素，稀土在鋼中的作用機理稀土在鋼中 的固溶量在10—6~10 — 5數量級之間，隨著稀土加入量的增大，稀土固溶量隨之有 較大增加，但當稀土加入量大于0. 30%wt后趨于穩定。0. lOWt-O. 20%wt稀土能 使鋼鑄態樹枝晶組織明顯得到細化，偏析現象減輕；但當稀土過量時鑄態組織 又開始粗化。鑄態片層M7C3相與奧氏體存在一定的位向關系[120]圖〃[oHK，(211)Mra〃(ih)Y,其析出機制可能為胞狀脫溶Y。Y,+M7C3，適量稀土減少了胞 狀組織的出現。成品態時，微合金化鋼的析出相均為M23C6;適量稀土(0.20y。wt)
能使鋼析出相分布更均勻，晶內析出相增多，部分析出相與奧氏體之間存在一
定的位向關系[oH]隱6〃[123] Y， ( lh )畫〃 (lli ) Y。適量的稀土 (0. 10%wt-0.2Wwt)能有效變質夾雜物，改善夾雜物的形貌，而稀土加入量超過
0. 30%wt后，群聚稀土夾雜物增多。稀土微合金鋼在低于IIO(TC固溶處理時，
晶粒長大緩慢、洛氏硬度降幅較小；具有在115(TC以上時奧氏體晶粒急劇粗化
的特征。稀土的加入有助于抑制晶粒長大，提高晶粒長大激活能。固溶溫度在
105(TC到115(TC范圍時，晶粒生長指數隨固溶溫度的升高而增加。
與現有技術相比，本發明有如下優點
產品成分設計合理，綜合性能好、尤其高溫強度、髙溫耐蝕性能好，極耐 燃氣腐蝕，滿足高負荷內燃機排氣閥用鋼的需要。
具體實施例方式
實施例1:奧氏體合金鋼，包含碳、硅、磷、硫、鎳、鉻、鉬、鈦、鋁、鈷、 銅、硼、稀土元素、鐵，其重量百分比為碳(C): 0. 1%;硅(Si) : 1%;磷(P): 0. 020。/。；硫(S): 0. 015%;鉻(Cr): 2P/。；鉬(Mo): "/o;鈥(Ti): 2. 7%;鋁(Al ): 1.8。/。；鈷(Co): 2. 0%;銅(Cu): 0.2%;硼(B): 0, 008°/。；稀土元素(Re ): 0.20%; 鐵(Fe): 2. 5%;余量鎳(M)和不可避免雜質。
實施例2:奧氏體合金鋼，包含碳、硅、磷、硫、鎳、鉻、鉬、鈦、鋁、鈷、 銅、硼、稀土元素、鐵，其重量百分比為碳(C):O. 04%;硅(Si ) : 0. 39%;磷(P): 0. 003%;硫(S): 0. 003%;鉻(Cr): 18%;鉬(Mo ): 0. 25%;鈥(Ti): 1. 8%;鋁(Al ): 1. 0%; 鈷(Co): 0. 095%;銅(Cu): 0. 08% ;硼(B): 0. 002%;稀土元素(Re ): 0. 10%;鐵(Fe): 2.0%;余量鎳(Ni)和不可避免雜質。實施例3:奧氏體合金鋼，包含碳、硅、磷、硫、鎳、鉻、鉬、鈦、鋁、鈷、
銅、硼、稀土元素、鐵，其重量百分比為碳(C):O. 06。/。;硅(Si):0.68。/。;磷(P): 0. 010%;硫(S): 0. 010%;鉻(Cr): 19. 5%;鉬(Mo ) : 0. 72%;鈥(Ti ) : 2. 20%;鋁 (Al) :1.50%;鈷(Co) :1.22%;銅(Cu): 0.12% ;硼(B): 0. 005%;稀土元素(Re): 0.16%;鐵(Fe): 1.2%;余量鎳(Ni)和不可避免雜質。
以上詳細說明了本發明的實施方式，但這只是為了便于理解而舉的實例，不 應被視為是對本發明范圍的限制。同樣，任何所屬技術領域的技術人員均可根 據本發明的技術方案及其較佳實施例的描述，做出各種可能的等同改變或替換， 但所有這些改變或替換都應屬于本發明的權利要求的保護范圍。
權利要求
1、奧氏體合金鋼，包含碳、硅、磷、硫、鎳、鉻、鉬、鈦、鋁、鈷、銅、硼、鐵，其重量百分比為碳(C)0.04-0.1％；硅(Si)≤1％；磷(P)≤0.020％；硫(S)≤0.015％；鎳(Ni)≥65％；鉻(Cr)18-21％；鉬(Mo)≤1％；鈦(Ti)1.8-2.7％；鋁(Al)1.0-1.8％；鈷(Co)≤2.0％；銅(Cu)≤0.2％；硼(B)≤0.008％；鐵(Fe)≤2.5％。
2、 根據權利要求1所述的奧氏體合金鋼，其特征在于它還含稀土元素， 其質量百分比為稀土元素Ue): 0.10-0.20%。
全文摘要
本發明公開了一種奧氏體合金鋼，包含碳、硅、磷、硫、鎳、鉻、鉬、鈦、鋁、鈷、銅、硼、鐵，其重量百分比為碳(C)0.04-0.1％；硅(Si)≤1％；磷(P)≤0.020％；硫(S)≤0.015％；鎳(Ni)≥65％；鉻(Cr)18-21％；鉬(Mo)≤1％；鈦(Ti)1.8-2.7％；鋁(Al)1.0-1.8％；鈷(Co)≤2.0％；銅(Cu)≤0.2％；硼(B)≤0.008％；鐵(Fe)≤2.5％。該奧氏體合金鋼，對鋼的成分進行了合理調整，具備良好的綜合性能，尤其高溫強度、高溫耐蝕性能好，極耐燃氣腐蝕，滿足高負荷內燃機排氣閥用鋼的需要。
文檔編號C22C38/54GK101497970SQ20081002058
公開日2009年8月5日 申請日期2008年1月29日 優先權日2008年1月29日
發明者剛 葉, 宮友軍, 練明生, 趙永宏, 韓小軍 申請人:江蘇申源特鋼有限公司