專利名稱：：富鎳耐磨合金及其制備方法和用途的制作方法富鎳耐磨合金及其制備方法和用途
背景技術(shù)：
：本發(fā)明涉及適用于發(fā)動(dòng)機(jī)部件如氣門座鑲圏(valveseatinsert)的具有硬度和耐磨性的富鎳合金。內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)如柴油發(fā)動(dòng)機(jī)中的發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)條件對(duì)用于氣門座鑲圏的材料提出日益增加的要求。所以，需要改善的氣門座鑲圏材料。概述依據(jù)優(yōu)選實(shí)施方案，富鎳耐磨合金以重量o/。計(jì)包含0.5-2.5%C、0.5-2%Si、至多l(xiāng)飾、20-30%Cr、5-15飾、5-15%W、15—30%Fe、余量的Ni。該合金還可以包括其它合金化組分，如每種至多1.5。/。的Ti、Al、Zr、Hf、Ta、V、Nb、Co和Cu，至多0.5。/。B和/或至多0.5%的Mg加Y。優(yōu)選地，該合金具有主要含共晶反應(yīng)相、細(xì)金屬間相和析出碳化物的顯微組織。例如，該顯微組織可以包含富Cr、Ni、W的金屬間相和/或該顯微組織可以含均勻薄層型共晶凝固組織。該合金可用作內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)例如柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的氣門座鑲圏。對(duì)于含至多1.8。/。C的氣門座鑲?cè)?，顯微組織優(yōu)選不含初生枝狀碳化物。對(duì)于含多于1.8%C的氣門座鑲圏合金，顯微組織優(yōu)選含非枝狀型初生碳化物。對(duì)于含至多1.5y。C的氣門座鑲圏，顯微組織優(yōu)選包括被共晶反應(yīng)產(chǎn)物包圍的固溶相。依據(jù)另一實(shí)施方案，氣門座鑲圏以重量％計(jì)包含0.5-2.5%C、0,5-2。/。Si、至多l(xiāng)飾、20-30%Cr、5-15%Mo、5—15%Cr、15—30%Fe、余量Ni。氣門座可以通過鑄造制造，并具有至少約40洛氏硬度C標(biāo)度的鑄態(tài)硬度、室溫下95ksi的抗壓屈服強(qiáng)度、和/或800°F下至少85ksi的抗壓屈服強(qiáng)度。優(yōu)選地，在1200°F下20小時(shí)后，氣門座鑲圏顯示出小于約0.5x10—3英寸的尺寸穩(wěn)定性。在另一實(shí)施方案中，制造內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)如柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的方法包括在發(fā)動(dòng)機(jī)的氣缸蓋中嵌入氣門座鑲圏。在內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)如柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的操作中，將氣門相對(duì)于氣門座鑲圏關(guān)閉以密封發(fā)動(dòng)機(jī)的氣缸，并將燃料在氣缸中引燃以操作發(fā)動(dòng)機(jī)。附圖簡(jiǎn)述圖1圖解了在座內(nèi)徑(I.D)處的J96排氣鑲圏。圖2圖解了J73合金體系中的測(cè)量體硬度和預(yù)測(cè)體硬度(bulkhardness)之間的相關(guān)性。圖3圖解了J73(4G28I)鑄件(2000X)的二次電子SEM形貌。圖4圖解了顯示圖3中A相的典型組成的EDS圖語。發(fā)明詳述本文公開了主要設(shè)計(jì)用于高溫應(yīng)用如氣門座鑲圏等的富鎳耐磨合金。該合金是冶金學(xué)上設(shè)計(jì)用以在共晶反應(yīng)凝固亞組織中實(shí)現(xiàn)金屬間強(qiáng)化的富鎳多相合金。因?yàn)槠洫?dú)特的強(qiáng)化機(jī)制，相比市售的鎳基氣門座合金，該合金具有相對(duì)高的抗壓屈服強(qiáng)度和韌性，特別是在提高的溫度下。該合金還顯示出相對(duì)低的熱膨脹系數(shù)，這對(duì)于排氣氣門座鑲圏應(yīng)用是優(yōu)點(diǎn)。提高的溫度下的高抗壓強(qiáng)度和低熱膨脹系數(shù)的組合表明該合金對(duì)于排氣鑲圏應(yīng)用應(yīng)該具有優(yōu)異的鑲圏保持能力。該合金優(yōu)選不含大的初生碳化物和粗的凝固亞組織。優(yōu)選通過該合金硬的金屬間相和細(xì)分布的凝固亞組織實(shí)現(xiàn)其高溫耐磨性和強(qiáng)度。優(yōu)選地，該合金包括高的鉻含量，并優(yōu)選不含常規(guī)MC型碳化物合金化元素，如鈮和鉭。此外，根據(jù)優(yōu)選的合金實(shí)施方案通過將碳、硅和鉻結(jié)合，可以顯著改善硬度、強(qiáng)度和耐磨性，同時(shí)提供對(duì)于氣門座鑲圏應(yīng)用非常需要的顯微組織。該合金的另一優(yōu)點(diǎn)是，在25-100(TC的溫度范圍內(nèi)優(yōu)選不發(fā)生固態(tài)相轉(zhuǎn)變反應(yīng)，因此，不需要為提高的溫度的應(yīng)用而對(duì)該合金進(jìn)行熱處理以獲得高的硬度、強(qiáng)度和熱尺寸穩(wěn)定性。6當(dāng)該合金相對(duì)于常規(guī)鎳基氣門材料如Inconel751和Niraonic80A以及稱為Stellitel的鈷基氣門面材料移動(dòng)(run)時(shí)，其可以顯示出改善的磨損性能。在PlintTE77高溫往復(fù)磨損測(cè)試(ASTM標(biāo)準(zhǔn)G133)中已經(jīng)證明了該合金的優(yōu)異磨損性能。當(dāng)相對(duì)于Inconel751在吸氣和排氣溫度范圍內(nèi)測(cè)試時(shí)，該合金優(yōu)于其它鑲圏合金如鈷基J3和鎳基BX2(美國專利6,200,688中的代表合金)。該合金在與Nimonic80A的磨損測(cè)試中還優(yōu)于BX2。此外，在排氣溫度范圍內(nèi)相對(duì)于Stellitel測(cè)試時(shí)，該合金優(yōu)于鈷基J3和鐵基J130。由于該合金獨(dú)特的合金設(shè)計(jì)概念，其顯著不同于任何當(dāng)前市售的鎳基合金，特別是對(duì)于氣門座鑲圏用途。歷史上，對(duì)鎳基質(zhì)應(yīng)用了許多高溫強(qiáng)化機(jī)制以使得鎳基超合金成為提高溫度應(yīng)用中的最廣泛使用的金屬材料。鎳基合金所需的材料性質(zhì)包括提高溫度下的疲勞強(qiáng)度、蠕變強(qiáng)度、熱硬度、耐腐蝕性和抗氧化性。對(duì)氣門座鑲圏材料如J96和J100(參照SAEStd.J1692)的主要關(guān)注是高的鑲?cè)ν獠恐睆?O.D.)變形和座面磨損。鑲圏O.D.變形引起過盈配合喪失并因鑲圏掉出而可能導(dǎo)致災(zāi)難性的發(fā)動(dòng)機(jī)故障。鑲圏掉出主要是排氣氣門座鑲圏的問題，且起因于高的鑲圏操作溫度、相比鑄鐵的高熱膨脹系數(shù)和在提高溫度下的低抗壓屈服強(qiáng)度的組合。J96和noo的座面磨損主要起因于低的基質(zhì)強(qiáng)度和大的棒狀初生碳化物開裂的組合，該開裂當(dāng)基質(zhì)變形時(shí)發(fā)生(參見圖1)。近年來，為同時(shí)滿足發(fā)動(dòng)機(jī)性能和排放減少的目的，柴油發(fā)動(dòng)機(jī)中的燃燒壓力趨于更高。這種趨勢(shì)伴隨著鎳基氣門材料的增加使用，如Inconel"1和Nimonic80A,以利用其相比鐵基氣門材料改善的高溫疲勞強(qiáng)度。在關(guān)于鎳基氣門的一些最近應(yīng)用中，觀察到了鎳基鑲圖材料的較高磨損速率。因此，存在對(duì)這樣的新型氣門座鑲圏材料的工業(yè)需求相比市售的鎳基氣門座鑲圏，其具有較高的強(qiáng)度和較低的熱膨脹系數(shù)以及改善磨損性能的顯微組織。為滿足目標(biāo)的這種結(jié)合，在開發(fā)富鎳合金(本文稱為J73合金)中，研究了基質(zhì)強(qiáng)度的改善和碳化物尺寸的減小。設(shè)計(jì)J73合金以便滿足該需求以及滿足相比鐵或鈷基氣門或氣門面材7料改善的磨損性能的持續(xù)需求。在優(yōu)選實(shí)施方案中，希望富鎳J73合金在耐磨性和抗壓強(qiáng)度方面顯示出改善，以便用于采用鎳基氣門材料的高性能發(fā)動(dòng)機(jī)應(yīng)用中。依據(jù)優(yōu)選實(shí)施方案，該富鎳耐磨合金以重量％計(jì)包含0.5-2.5%C、0.5-2%Si、至多l(xiāng)飾、20-30%Cr、5-15%Mo、5-15%W、15-30%Fe、余量Ni。在一個(gè)實(shí)施方案中，C為1.5-1.6%,Si為1.0-1.1%,Cr為20-25°/。，且Ni為25-50%。優(yōu)選地，F(xiàn)e超過Cr0.5%-5%，Ni超過Fe5-15°/。，且W超過Mo至多2%。該合金是主要含共晶反應(yīng)相、細(xì)金屬間相和析出碳化物的多組分(Ni-Cr-Fe-W-Mo)基合金體系。因?yàn)槟踢^程中共晶反應(yīng)的特性，該合金可顯示出相對(duì)良好的可鑄造性，九種實(shí)驗(yàn)熔煉料(heat)的下述討論證明了該可鑄造性。在表l中列出了這九種合金的熔煉料的組成以及鑄態(tài)體硬度。表l九種實(shí)驗(yàn)熔煉料概述<table>tableseeoriginaldocumentpage8</column></row><table>在含有高鉻的鎳基氣門座鑲圏合金中，因?yàn)楹辖鹬写嬖谠黾恿康某跎蓟?，材料的體硬度可以隨增加的碳含量而提高。然而，對(duì)于多組分富鎳合金，認(rèn)為碳對(duì)于體硬度的影響不但與鉻相關(guān)，還與硅相關(guān)。下面是對(duì)這些實(shí)驗(yàn)熔煉料的評(píng)述試驗(yàn)l(熔煉料3E28XA)顯示出最高的體硬度，盡管其碳含量顯著低于具有相對(duì)低體硬度的熔煉料3E3QXA(試驗(yàn)2)。硬度和碳含量之間的這種關(guān)系是出乎預(yù)料的。值得注意的是，試驗(yàn)2具有較低的硅。試驗(yàn)3結(jié)合了較高的碳和較高的硅，但值得注意的是，鉻量低，再次導(dǎo)致了較低的硬度。在較低碳和較低鉻下，試驗(yàn)4測(cè)試了釩的作用。通過對(duì)比試驗(yàn)l、2和4，似乎釩不是影響體硬度的主要合金化元素。試驗(yàn)5是對(duì)試驗(yàn)1的重復(fù)，并且再次得到了較高的硬度。試驗(yàn)6是對(duì)試驗(yàn)5的重復(fù)，但不含鈷。再次獲得了高硬度，這表明鈷不是對(duì)硬度的重要貢獻(xiàn)者。試驗(yàn)7是對(duì)試驗(yàn)6的重復(fù)，但不同的是碳較高(1.90%C)。仍然獲得高硬度；因此，試驗(yàn)2的較低硬度并不是只與碳有關(guān)。試驗(yàn)8是對(duì)試驗(yàn)6的重復(fù)，但不同的是碳較低(1.16%C)?，F(xiàn)在失去了較高的硬度。因?yàn)殂t和硅高于試驗(yàn)2,所以該硬度損失主要是碳效應(yīng)。試驗(yàn)9是對(duì)具有較高碳的試驗(yàn)7的重復(fù)，但具有較低的硅(0.79%Si)和較低的鉻(21.70%Cr)。再次，未獲得高硬度。表2的總體結(jié)果顯示出在實(shí)現(xiàn)高硬度中碳、硅和鉻之間的先前未知的關(guān)系。看起來需要約1.0%的最少硅和22%的最少鉻以便實(shí)現(xiàn)45-50Rc的硬度。這些實(shí)驗(yàn)表明，優(yōu)選這兩種元素為這些含量以使得合金實(shí)現(xiàn)45-50Rc的硬度。硅、鉻和碳的獨(dú)特關(guān)系提供了出乎預(yù)料的結(jié)果，特別是鉻在產(chǎn)生高硬度方面的作用。如果合金中缺乏初生鉻碳化物，鉻似乎參與共晶反應(yīng)，導(dǎo)致形成富鉻、鎳和鎢的金屬間相。對(duì)于顯微組織，該合金優(yōu)選由非常均勻的薄層型共晶凝固組織構(gòu)成。在該合金體系中，在1.8。/。C或更低的碳水平下沒有觀察到初生枝狀碳化物。當(dāng)碳含量大于1.8重量％時(shí)，可以觀察到非枝狀型初生碳化物。當(dāng)碳含量低于1.5重量％時(shí)，合金包含被共晶反應(yīng)產(chǎn)物包圍的固溶相"島"。釩是合金體系中的MC型碳化物形成體，然而，發(fā)現(xiàn)釩在0-1.5重量％的范圍內(nèi)時(shí)，其對(duì)合金體硬度的影響相對(duì)小，因此，合金體系中的釩加入是任選的。鈷與釩行為相似，并可以按0-1.5重量％的量任選地加入合金中?？箟呵?qiáng)度材料的抗壓屈服強(qiáng)度反映出對(duì)永久變形的整體耐受性(bulkresistance)。在發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行期間，這是氣門座鑲圏非常需要的性質(zhì)，因?yàn)榭箟呵?qiáng)度同時(shí)影響保持過盈配合的能力和抵抗座面變形從而導(dǎo)致磨損的能力。表3顯示了該合金和其它常規(guī)鎳基合金的抗壓屈服強(qiáng)度與溫度的函數(shù)關(guān)系。表3—些鎳基/富鎳合金的抗壓屈服強(qiáng)度(CYS)<table>tableseeoriginaldocumentpage10</column></row><table>表3中提及的J89、J96和J100合金包括以下合金組成J89具有2.4確、0.298%Mn、0.525%Si、34.73%Cr、15.21%W、4.580%Mo、0.090°/。Fe、0.050%Co、35.93%Ni和0.146%偶存雜質(zhì)，J96具有2.510%C、0.253%Mn、0.700%Si、28.26%Cr、15.34%W、0.063%Mo、6.050%Fe、0.920%Co、45.64%Ni和0.264%偶存雜質(zhì)，以及J100具有2.238MC、0.338%Mn、0.716%Si、27.61%Cr、15.41%W、0.027%Mo、5.540%Fe、9.735%Co、38.35%Ni和0.034%偶存雜質(zhì)?？梢钥闯?，兩種所測(cè)試的材料J96和J100具有比J73合金顯著更低的抗壓強(qiáng)度，特別在提高的溫度下。這是J73合金試圖加以改善的基本鎳基材料的主要缺陷之一。該數(shù)據(jù)顯示J73合金在提高的溫度下提供了30-40%的抗壓強(qiáng)度提高。J89是旨在相對(duì)J96和J100改善強(qiáng)度和耐磨性的鎳基合金；然而，J89利用了與J73合金非常不同的元素方法。盡管J73合金相對(duì)J96和J100的強(qiáng)度提高小于利用J89實(shí)現(xiàn)的提高，然而J73合金相對(duì)J89的主要優(yōu)點(diǎn)是改善的可機(jī)加工性。對(duì)于J73合金所感興趣的另一點(diǎn)是在1000。F下發(fā)生輕微強(qiáng)化。在J89和J96合金中也可觀察到該強(qiáng)化，但在JIOO中未觀察到該強(qiáng)化。似乎在1000。F下在這些合金中發(fā)生了次生析出強(qiáng)化，這是富鎳氣門座鑲圏合金的期望性質(zhì)以便幫助防止在極端溫度下的強(qiáng)度損失。在J96中次生析出效應(yīng)略微更顯著，因?yàn)槠浜写罅康淖杂涉嚬倘芟?FCC)。使用六十磅爐制備另外六種合金熔煉料(試驗(yàn)10-15)以進(jìn)一步探索碳和硅對(duì)于合金的可鑄造性和體硬度的影響。一個(gè)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)是產(chǎn)生具有改善的顯微組織特性的較低硬度形式的合金。在一些氣門機(jī)構(gòu)的應(yīng)用中較低的鑲圏硬度的優(yōu)點(diǎn)是其將趨于最小化氣門的磨損，可能以增加的鑲圏磨損為代價(jià)；然而，總的磨損會(huì)較小。因此，對(duì)于氣門磨損占總磨損高百分比的磨損問題，較軟形式的鑲圏合金是所期望的。對(duì)于試驗(yàn)10-15，鐵含量為約20重量％且鎳含量為約34重量％。采用六種實(shí)驗(yàn)熔煉料中的每一種來制作鑲圍鑄件的一個(gè)堆疊體。試驗(yàn)10-12測(cè)試不同的碳含量，而試驗(yàn)13-15測(cè)試1.1%碳指標(biāo)下的不同硅含量。表4匯總了這些實(shí)驗(yàn)熔煉料的組成和鑄態(tài)硬度的結(jié)果。表46種另外實(shí)驗(yàn)熔煉料的總結(jié)試樣熔煉柳CMnSiCrMoWCoFeNiVHRc104I17XA0.490.091.1223.089.0511.07<0.121.1333.75<0.134.3114K17XA0.780.071,0624.129.0210.72<0.120.1633.84'<0.136.4124K17XB1.480.071.0624.168.9910.62<0.119.9133.48<0.149.8134KI8XA1.090.060.8024.309.1310.68<0.119.8533.85<0.142.6144KI8XB1.080.071.5223.959.1610.60<0.119.4433.75<0.144.0154K19XA1.010.060.5324.199.2010.74O.l19.9234.UO.l40.511所有熔煉料的澆注溫度均為2870-2920。F。除了在頂模中經(jīng)歷不完全填充的試驗(yàn)1S(熔煉料^19XA)之外，所有鑲圏鑄件均完全填充。所述不完全填充主要起因于0.53%的顯著低的硅含量，因此，對(duì)于鑄造部件，認(rèn)為至少0.5%的硅對(duì)于改善可鑄造性是需要的。此外，熔煉料化19XA的冶金學(xué)檢測(cè)顯示在鑲圏橫截面中心處存在體積收縮(bulkshrinkage)，盡管其在尺寸上相對(duì)小。關(guān)于這些試驗(yàn)的評(píng)述如下試驗(yàn)10和11顯示在0.5%和0.8%的碳水平下，體硬度降至中等3(KsRc,即使具有目標(biāo)水平的硅和鉻。該硬度似乎太低以至于不能用于鑄造氣門座鑲圏用途。試驗(yàn)12再次顯示出高硬度，這次相比試驗(yàn)l-9的熔煉料中的存在量具有較低的鐵和較高的鎳。在該熔煉料中也沒有釩或鈷。試驗(yàn)13-15顯示出對(duì)于約1.1重量％的碳含量，硬度上升至低等4(KsRc。1.1%碳和1.5%的大量硅的組合(試驗(yàn)14)導(dǎo)致了硬度增加到44Rc;但是，優(yōu)選通過交換這些百分?jǐn)?shù)(即1.5%C、1.l°/。Si)實(shí)現(xiàn)更高硬度，如表現(xiàn)出約50Rc硬度的試驗(yàn)12所證實(shí)。試驗(yàn)10-15的總體結(jié)果證實(shí)了關(guān)于碳、硅和鉻之間的平衡產(chǎn)生所需硬度的較早發(fā)現(xiàn)。硅在決定最終硬度方面明顯起到作用，但單獨(dú)使用硅不可能達(dá)到高等40'sHRc。似乎還必需控制碳和硅的含量以實(shí)現(xiàn)所需的高硬度。如果需要低等40'sHRc形式的合金，則硅較不受關(guān)注。試驗(yàn)12代表碳、硅和鉻的優(yōu)選組合(約1.5-1.6%C、1.0-l.l。/。Si和23-25%Cr)，以在該合金體系中產(chǎn)生最高硬度。體硬度和合金化元素的關(guān)系使用合金的所有15種實(shí)驗(yàn)熔煉料(表2和4)的元素化學(xué)組成進(jìn)行多元線性回歸研究以確定各種合金化元素對(duì)于體硬度的相對(duì)數(shù)學(xué)強(qiáng)度。以等式l示出了線性回歸研究的結(jié)果體HRc=-1.6+7.89C-0.71Si+1.49Cr+9.97Co-3.15V(1)當(dāng)研究各種元素對(duì)體HRc的相對(duì)效應(yīng)時(shí)，每種元素的相對(duì)效應(yīng)是系數(shù)和元素％含量的乘積。因此，等式(1)中硬度效應(yīng)的主要驅(qū)動(dòng)者(driver)是碳和鉻。盡管鉻具有較低的正系數(shù)，但其含量明顯較高，使其對(duì)等式的整體貢獻(xiàn)顯著。閨2顯示了測(cè)量的體硬度和釆用等式1計(jì)算的體硬度之間的相關(guān)性。獲得了合理的趨勢(shì)，盡管僅有十五種實(shí)驗(yàn)熔煉料用于該研究。熱膨脹系數(shù)使用n3熔煉料3E28XA(試驗(yàn)1)確定熱膨脹系數(shù)。在表5中總結(jié)了包括J73合金、J89、J96、JIOO、J3和J130的材料的熱膨脹系數(shù)的對(duì)比。出于對(duì)比目的而包括鈷基J3和鐵基J130。使用1英寸長(zhǎng)且直徑為0.5英寸的圓柱形樣品進(jìn)行所有熱膨脹系數(shù)測(cè)試。表5熱膨脹系數(shù)(x10—6mm/mm。C)合金mf89f96noo131130合金體系畐樣富鎳鎳基鎳基鈷基'鐵基25-20O。C11.4010.7312.2112.8413.0910.4725-300oC12.1411.2512.9813.7513.9611.3225一00。C12.5511.5813.4214.3314.5412.0025-500oC12.9411.8913.7514.7215.0112.3425-6000C13.3412.2314.2315.1815.2612.55表5顯示出J73合金相比J96和J100具有相對(duì)低的熱膨脹系數(shù)。對(duì)于重負(fù)載氣門座鑲圍用途，最需要的熱膨脹系數(shù)是匹配氣缸蓋鑄鐵的熱膨脹系數(shù)，典型約11.5xl(T腿/mm'C。鈷基合金和鎳基合金常常具有相對(duì)高的熱膨脹系數(shù)，而J73合金的相對(duì)低的熱膨脹系數(shù)是優(yōu)點(diǎn)且可歸因于合金體系設(shè)計(jì)。熱膨脹測(cè)試的另一重要結(jié)果是發(fā)現(xiàn)膨脹曲線在整個(gè)25-1000。C溫度范圍內(nèi)平滑并逐漸增加。這表明在該溫度范圍內(nèi)不發(fā)生相轉(zhuǎn)變，并證實(shí)熱處理對(duì)于實(shí)現(xiàn)熱尺寸穩(wěn)定性不是必需的。制備熔煉料和SEM/EDS檢測(cè)13基于15種實(shí)驗(yàn)澆注料的研究，制造n3合金的兩種全尺寸生產(chǎn)熔煉料(750磅)，即熔煉料4G28I(試驗(yàn)16)和4G30K(試驗(yàn)17)，用于合金材料的較軟和較硬形式的生產(chǎn)驗(yàn)證。試驗(yàn)16的目標(biāo)是較軟(低等40"Rc)而試驗(yàn)U的目標(biāo)是較硬(中等40'sRc)。初步研究揭示在較低碳含量下通常更需要J73合金顯微組織；因此，優(yōu)選的氣門座材料將限制碳不超過為獲得所需硬度絕對(duì)必需的水平。下表6中顯示了試驗(yàn)16和17的化學(xué)組成和硬度結(jié)果。表6750磅熔煉料4G281(試驗(yàn)16)和4G30K(試驗(yàn)17)的組成<table>tableseeoriginaldocumentpage14</column></row><table>在研究熔煉料4G281的顯微組織中，發(fā)現(xiàn)與在3G10XA(試驗(yàn)8，較低碳的熔煉料)中觀察到的期望結(jié)果類似。因此，利用4G28I進(jìn)行合金材料的SEM/EDS檢測(cè)。揭示出非共晶反應(yīng)相(很可能是固溶相)的分布是均勻分布。使用HitachiS3600N型掃描電子顯微鏡進(jìn)行SEM/EDS/WDS輔助的相表征?；趶娘@微組織檢測(cè)得到的信息，可以得到一些初步結(jié)論。圖3中描繪了在2000倍放大下的合金(4G28I)的典型SEM顯微組織圖像?？梢栽赟EM二次電子圖像(圖3)中觀察三種主基質(zhì)相。調(diào)節(jié)該圖像以通過亮度水平(A-白，B-灰，和C-黑)在圖3中顯示出三種主相。明顯地，B相是富足固溶基質(zhì)相。B相分布在A區(qū)域和C區(qū)域之內(nèi)和之間，A區(qū)域和C區(qū)域是來源于共晶/包晶反應(yīng)的多相共晶反應(yīng)產(chǎn)物，而B相的"島狀"部分似乎是在合金鑄造凝固過程中的初生相。在合金中觀察到的三種相似乎在組成中非常協(xié)調(diào)(consistent)。A相具有最高的鉻含量和最少的鎢含量，而C相在三種檢測(cè)的相中具有最高的鴒含量和最低的鉻含量。在圖4中顯示了富鉻的A相的EDS結(jié)果。為進(jìn)一步證實(shí)在低于U00。F下沒有發(fā)生相轉(zhuǎn)變，測(cè)試了合金的兩種熔煉料的尺寸穩(wěn)定性。從每種熔煉料對(duì)兩個(gè)5件組的鑲圏進(jìn)行了測(cè)試。一個(gè)5件組是鑄態(tài)的(未熱處理)，而另一5件組是在1450。F下熱處理(應(yīng)力釋放)4.5小時(shí)。為進(jìn)行尺寸穩(wěn)定性測(cè)試，在兩個(gè)位置(除了90°之外)非常精確地測(cè)量了所有鑲圏的外部直徑(O.D.)。然后在1200°F將它們加熱20小時(shí)，隨后在靜止空氣中冷卻。然后清洗鑲圏，并在與初始測(cè)量相同的位置處再次測(cè)量0.D.。然后計(jì)算初始和最終0.D.尺寸之間的差值。如果O.D.尺寸改變小于0.00025"每1"鑲?cè)χ睆?，則認(rèn)為鑲圏材料是尺寸穩(wěn)定的。測(cè)得的鑲?cè)χ睆綖?.375"，這在加熱到認(rèn)為尺寸穩(wěn)定后允許0.00034"的最大改變。下表7中示出了尺寸穩(wěn)定性的測(cè)試結(jié)果表7尺寸穩(wěn)定性結(jié)果熔煉料No.熱處理硬度HRc1200。F下20小時(shí)后平均O.D.尺寸改變可允許的最大改變狀態(tài)4G28I無41.80細(xì)05"0細(xì)34"通過4G28I1450。F.,4.5小時(shí)43.10.00006"0.00034"通過4G30K無46.00.00005"0細(xì)34"通過4G30K1450。F.,4.5小時(shí)46,30細(xì)02"0扁34"通過來自兩組熔煉料的兩組鑲圏都非常穩(wěn)定，并且顯著低于允許的0.D.尺寸改變。因此可以得出結(jié)論，不論合金是否被熱處理，在1200。F以下都沒有發(fā)生顯著的尺度改變。Plint磨損測(cè)試結(jié)果在PlintModelTE77摩擦計(jì)中采用往復(fù)式針對(duì)板測(cè)試進(jìn)行高溫往復(fù)磨損測(cè)試。測(cè)試條件包括20牛頓的施加載荷、20赫茲的往復(fù)頻率和lmm沖程長(zhǎng)度，在從環(huán)境到500X:的不同測(cè)試溫度下。在磨損測(cè)試中，往復(fù)針由鑲圏材料制成，而靜止板由氣門材料制成。所測(cè)試的氣門材料包括鎳基Inconel751、鎳基Nimonic80A和鈷基Stellite1。所測(cè)試的鑲圏材料包括J73合金的三種熔煉料(熔15煉料3E"XA、3F20XA和3G01XA)，以及鎳基材料BX2的一種熔煉料(熔煉料3I10XA)，J3的一種熔煉料(熔煉料4C30A),以及出于對(duì)比目的的J130的一種熔煉料(熔煉料4D14N)。在目前的市場(chǎng)上，鈷基J3是與鎳基和Stellite1氣門材料運(yùn)行良好的當(dāng)今最成功的材料之一。目前在排氣用途中，鐵基J130也是成功的。BX2是美國專利6,200,688所公開的合金中的鎳基材料代表。表8中匯總了用于磨損測(cè)試的材料的組成。表8用于Plint磨損測(cè)試的鑲圏材料的化學(xué)組成合金熔煉料No.CMnSiCrMoWCoFeNiVNbJ733E28XA1.570.081.0022.418.6610.560.4823.15余量<0.1-"33F20XA1.570.071.0122.468.5810.500.4423.09余量<0.1-J733GOIXA1.610.080.9122.568.6810.65<0.123.34余量<0.1J34C30A2.290.220.7529.97-11.95余量0.740.22--BX23"0XA1.600.463.7013.43-11.93-33.09余量--J1304D14N1.480.400.9810.009.24--余里0,991.32.97在表9和10中總結(jié)了磨損測(cè)試結(jié)果。在吸氣和排氣鑲圏溫度范圍內(nèi)進(jìn)行測(cè)試，并相應(yīng)組織了結(jié)果。將從測(cè)試結(jié)果得出的一些結(jié)論總結(jié)如下表9Plint磨損測(cè)試結(jié)果的總結(jié)，吸氣溫度范圍測(cè)試針/板材料平均總磨平均扭房平均針磨板磨損百損(mg)損(mg)損(mg)分?jǐn)?shù)(％)1J73(3F20XA)/I謡nel7511.931.670.27862BX2(3I10XA)/I腦nel7514.831.872.97393J3(4C30A)/Inconel7513.200.832.37264J73(3E28XA)/Stellite13.933.770.1796200-300。C的吸5J73(3F20XA)/Stellite13.803.630.1796氣溫度范圍6J73(3G01XA)/Stellite13.403.200.20947J73(3F20XA)/Nimonic80A3.602.371.23668BX2(3I20XA)/Nimonic80A5.201.903.30374J73(3E28XA)/Stellite13.933.770,17969J3(4C30XA)/Stellite14.273.231.037610J130(4D14N)/Stellite14.234.170.179616表10Plint測(cè)試結(jié)果的總結(jié)，排氣溫度范圍<table>tableseeoriginaldocumentpage17</column></row><table>基于磨損測(cè)試結(jié)果的結(jié)論如下當(dāng)相對(duì)于鎳基氣門材料Inconel751測(cè)試時(shí)，J73合金顯示出比J3和BX2更好的磨損性能。在吸氣和排氣溫度范圍內(nèi)，均發(fā)生了這種耐磨性的增強(qiáng)。J73合金相對(duì)于Stellite1的耐磨性似乎在排氣溫度范圍內(nèi)得到改善，并且體硬度增加。在Plint測(cè)試中，熔煉料3E28XA(測(cè)試4)具有最小的總磨損和針磨損。當(dāng)相對(duì)于鎳基氣門材料Nimonic80A移動(dòng)時(shí)，J73合金優(yōu)于BX2。在吸氣和排氣溫度范圍，BX2顯示出顯著更高的針磨損以及總磨損。當(dāng)相對(duì)于鈷基氣門面材料Stellite1在排氣鑲圏溫度范圍內(nèi)測(cè)試時(shí)，J73合金優(yōu)于J3和J130。值得注意的是，在目前市場(chǎng)上Stellite1最常用于排氣應(yīng)用。這些實(shí)施方案僅僅是說明性的，而不應(yīng)以任何方式理解為限制性的。通過所附權(quán)利要求而非上述說明書給出本發(fā)明的范圍，并且旨在涵蓋落入權(quán)利要求范圍內(nèi)的所有變體和等價(jià)物。權(quán)利要求1.富鎳的耐磨合金，以重量％計(jì)包含0.5-2.5％C0.5-2％Si至多1％Mn20-30％Cr5-15％Mo5-15％W15-30％Fe余量Ni。2.權(quán)利要求1的合金，還包含每種至多1.5。/。的Ti、Al、Zr、Hf、Ta、V、Nb、Co或Cu和/或每種至多0.5%的Mg、B或Y。3.權(quán)利要求1的合金，其中C為1.5-1.6%、Si為1.0-1.1%且Cr為20-25%。4.權(quán)利要求1的合金，其中C為1-2%、Si為0.75-1.5%、Cr為22-25°/"Mo為7-12°/。、W為7-12%、Fe為22-25%、且Ni為25-40%。5.權(quán)利要求1的合金，具有主要含共晶反應(yīng)相、細(xì)金屬間相和析出碳化物的顯微組織。6.權(quán)利要求1的合金，具有的顯微組織含有富Cr、Ni、W的金屬間相。7.權(quán)利要求1的合金，具有含均勻薄層型共晶凝固組織的顯微組織。8.權(quán)利要求1的合金，具有含至多1.8%的C且基本不含初生枝狀碳化物的顯微組織或具有含多于1.8%C的非枝狀型初生碳化物的顯微組織。9.權(quán)利要求1的合金，具有含至多1.5。/。C和被共晶反應(yīng)產(chǎn)物包圍的固溶相的顯微組織。10.氣門座鑲圏合金，以重量％計(jì)包含，0.5-2.5%C0.5-2%Si至多1%Mn20-30%Cr5-15%Mo5-15%W15-30%Fe余量Ni。11.權(quán)利要求10的氣門座鑲圏，還包含每種至多1.5。/。的Ti、Al、Zr、Hf、Ta、V、Nb、Co或Cu，至多0.5%B，和/或至多0.5°/。的Mg加Y。12.權(quán)利要求10的氣門座鑲圏，其中C為1.5-1.6%、Si為1.0-1.1%且Cr為20-25%。13.權(quán)利要求10的氣門座鑲圏，其中Fe含量超過Cr含量至少0.5%，并且Ni含量超過Fe含量至少5%。14.權(quán)利要求10的氣門座鑲圏，其中W含量超過Mo含量。15.權(quán)利要求10的氣門座鑲圏，其中W含量超過Mo含量2%以下，F(xiàn)e含量超過Cr含量5%以下，Ni含量超過Fe含量15%以下。16.權(quán)利要求10的氣門座鑲圏，其中鑲圏是鑄造鑲圏。17.權(quán)利要求10的氣門座鑲圏，其中鑲圏具有至少約40洛氏硬度C標(biāo)度的鑄態(tài)硬度，95ksi的室溫抗壓屈服強(qiáng)度和/或至少85ksi的800。F抗壓屈服強(qiáng)度。18.權(quán)利要求10的氣門座鑲圏，其中鑲圏在1200°F下20小時(shí)后顯示出小于約0.5x10—3英寸的尺寸穩(wěn)定性。19.制造內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)的方法，包括將權(quán)利要求10的氣門座鑲圖嵌入內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)的氣缸蓋。20.權(quán)利要求9的方法，其中發(fā)動(dòng)機(jī)是柴油發(fā)動(dòng)機(jī)。21.操作內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)的方法，包含將氣門相對(duì)于權(quán)利要求10的氣門座鑲圏關(guān)閉以密封內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)的氣缸以及引燃?xì)飧字械娜剂弦圆僮鲀?nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)。22.權(quán)利要求21的方法，其中內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)是柴油發(fā)動(dòng)機(jī)。全文摘要一種富鎳的耐磨合金，以重量％計(jì)包含0.5-2.5％C、0.5-2％Si、至多1％Mn、20-30％Cr、5-15％Mo、5-15％W、15-30％Fe、余量Ni。該合金還可以包含其它的合金化組分如每種至多1.5％的Ti、Al、Zr、Hf、Ta、V、Nb、Co、Cu，至多0.5％B，和至多0.5％的Mg加Y。該合金優(yōu)選具有主要含共晶反應(yīng)相、細(xì)金屬間相和析出碳化物的顯微組織。例如，該顯微組織可以含有富Cr、Ni、W的金屬間相和/或該顯微組織可以含有均勻薄層型共晶凝固組織。該合金可用作內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)如柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的氣門座鑲?cè)?。?duì)于含至多1.8％C的氣門座鑲?cè)辖穑擄@微組織優(yōu)選不含初生枝狀碳化物。對(duì)于含超過1.8％C的氣門座鑲?cè)辖穑擄@微組織優(yōu)選含有非枝狀型初生碳化物。對(duì)于含至多1.5％C的氣門座鑲?cè)?，該顯微組織優(yōu)選包括被共晶反應(yīng)產(chǎn)物包圍的固溶相。文檔編號(hào)C22C19/03GK101490289SQ200780027267公開日2009年7月22日申請(qǐng)日期2007年6月27日優(yōu)先權(quán)日2006年6月29日發(fā)明者T·特魯多,喬從躍申請(qǐng)人:L·E·瓊斯公司