專(zhuān)利名稱(chēng)：含有稀土元素的21-4n氣閥鋼及稀土加入方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于奧氏體型耐熱鋼的制備領(lǐng)域，特別適用于生產(chǎn)內(nèi)燃機(jī)的進(jìn)、排氣閥用 奧氏體耐熱鋼。
背景技術(shù)：
目前，我國(guó)在中等負(fù)荷的內(nèi)燃機(jī)中，普遍采用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650-750°C之間，氣閥鋼長(zhǎng)期使用在高溫下則 會(huì)有層狀析出物增多，由于這種層狀析出物是鉻的碳化物和氮化物，因此大量的析出物會(huì) 使氣閥鋼基體貧鉻，導(dǎo)致該鋼在高溫燃?xì)鈼l件下的抗腐蝕性能顯著下降，也會(huì)使氣閥的頸 部、盤(pán)部、盤(pán)錐面形成腐蝕坑，容易使氣閥產(chǎn)生漏氣和盤(pán)部開(kāi)裂，氣閥頸部的腐蝕坑在彎曲 疲勞應(yīng)力的作用下，很容易產(chǎn)生疲勞裂紋甚至開(kāi)裂。在國(guó)外現(xiàn)有技術(shù)中也有資料介紹，例 如美國(guó)專(zhuān)利4擬9419文獻(xiàn)介紹的氣閥鋼，該鋼是針對(duì)23-8N進(jìn)行成分調(diào)整，如采用添加C、 B、W、Mo元素和提高C、N含量來(lái)改變鋼種的使用性能，該鋼雖然性能比23-8N有所提高， 但其制造成本比21-4N高出很多，該鋼是使用在制備高負(fù)荷的內(nèi)燃機(jī)排氣閥用鋼。另外 德國(guó)在專(zhuān)利文獻(xiàn)DE3704473A1中介紹的是一種改進(jìn)型氣閥鋼，該鋼是在21-4N基礎(chǔ)上添 加了 5-6% AlU. 8-2. 5% Nb,0. 8-1. 5% W, N提高到0. 4-0. 6 %的成分范圍，該鋼使用在 高負(fù)荷的內(nèi)燃機(jī)排氣閥中，但是該鋼的制備成本仍然高于21-4N—倍以上。再有改進(jìn)型 氣閥鋼的技術(shù)還有俄羅斯SU1650762A1專(zhuān)利，該專(zhuān)利文獻(xiàn)介紹了 一種在21-4N基礎(chǔ)上添 加 0. 5-1. 5% Μο、0· 5-1. 5% Nb、0. 5-1. 5% V 和 0. 5-1. 5% Zr 元素，該鋼的用途性能要高 于21 -4NWNb (X50CrMnNiNbN219)鋼，該鋼是使用在高負(fù)荷發(fā)動(dòng)機(jī)的排氣閥，其高溫強(qiáng)度、 高溫耐久強(qiáng)度、高溫硬度都高于)C50CrMnNiNbN219鋼，其制備成本也在21-4N鋼的一倍 以上。中國(guó)專(zhuān)利文獻(xiàn)CN1570184A介紹的一種經(jīng)濟(jì)型氣閥鋼，該鋼是在21-4N基礎(chǔ)上添加 NbO. 20-1. 10%, ReO. 01-0. 2%，其余為Fe ；該鋼綜合性能好和制備成本低。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供一種成分設(shè)計(jì)合理，產(chǎn)品綜合性能好、成品率高的含有稀土元素的 21-4N氣閥鋼及稀土加入方法。本發(fā)明是通過(guò)如下技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)的含有稀土元素的21-4N氣閥鋼及稀土加 入方法，包括碳、鎳、鉻、氮、錳、硅、磷、硫、輕稀土元素、鐵，其重量百分比為碳(C) 0. 51-0. 56% ；硅(Si)小于 0. 3% ；錳(Mn) 9. 2-9. 7% ；磷(P)小于 0. 035% ；硫(S)小 于 0. 025% ；鎳(Ni) 3. 5-4% ；鉻(Cr) 20. 5-21. 5% ；氮(N) :0. 36-0. 43% ；輕稀土元素小于 0. 15% ；余量以鐵(Fe)平衡。所述輕稀土元素為Ce、La或其混合物。所述輕稀土元素重量百分比為0. 1-0. 15%。所述稀土加入方法為鋼包澆入法出鋼時(shí)，將稀土隨出鋼鋼水放入鋼包，高溫鋼液 將稀土沖熔并充分反應(yīng)，經(jīng)鎮(zhèn)靜后澆鑄鋼錠。
所述稀土加入方法為鋼包澆入法出鋼時(shí)，將稀土鐵合金隨出鋼鋼水放入鋼包，高 溫鋼液將稀土鐵合金沖熔并充分反應(yīng)，經(jīng)鎮(zhèn)靜后澆鑄鋼錠。所述稀土加入方法為鋼包澆入法出鋼時(shí)，鋼水至鋼包的五分之一處時(shí)將稀土放 入出鋼鋼包，鋼液澆入鋼包過(guò)程中，將稀土沖熔并充分反應(yīng)，經(jīng)鎮(zhèn)靜后澆注鋼錠。所述稀土加入方法為鋼包澆入法出鋼時(shí)，鋼水至鋼包的五分之一處時(shí)將稀土鐵 合金放入出鋼鋼包，鋼液澆入鋼包過(guò)程中，將稀土鐵合金沖熔并充分反應(yīng)，經(jīng)鎮(zhèn)靜后澆注鋼所述稀土加入方法為鋼包澆入法將稀土總量分成4份，出鋼時(shí)，鋼水至鋼包的五 分之一處時(shí)將稀土四分之一放入出鋼鋼包；鋼水至鋼包五分之二時(shí)將稀土四分之一放入出 鋼鋼包；依次類(lèi)推加入稀土 ；鋼液澆入鋼包過(guò)程中，將稀土沖熔并充分反應(yīng)，經(jīng)鎮(zhèn)靜后澆注 鋼錠。所述稀土加入方法為鋼包澆入法將稀土鐵合金總量分成4份，出鋼時(shí)，鋼水至鋼 包的五分之一處時(shí)將稀土鐵合金四分之一放入出鋼鋼包；鋼水至鋼包五分之二時(shí)將稀土鐵 合金四分之一放入出鋼鋼包；依次類(lèi)推加入稀土鐵合金；鋼液澆入鋼包過(guò)程中，將稀土鐵 合金沖熔并充分反應(yīng)，經(jīng)鎮(zhèn)靜后澆注鋼錠。本發(fā)明所提出的含有稀土元素的21-4N氣閥鋼，也是以21-4N鋼為基礎(chǔ)，通過(guò)對(duì)該 鋼的成分進(jìn)行合理的調(diào)整，使本發(fā)明氣閥鋼在具備良好綜合性能的同時(shí)，還降低了該鋼的 制備成本。本發(fā)明的解決方案，首先針對(duì)21-4N鋼的不足，對(duì)氣閥鋼的成分進(jìn)行重新設(shè)計(jì)。在 本發(fā)明鋼與21-4N鋼的成分進(jìn)行比較后可看到，我們?cè)诔煞种性黾雍驼{(diào)整了輕稀土元素和 Ni、C、N等元素的含量，目的在于使原來(lái)21-4N鋼僅僅依靠C、N、Cr結(jié)合形成的相發(fā)生變化， 通過(guò)增加新元素及調(diào)整其他元素的含量形成了新的相結(jié)構(gòu)，從而抑制和改變了原來(lái)Cr與 C、N形成的層狀析出，本發(fā)明氣閥鋼經(jīng)過(guò)750°C和100小時(shí)的時(shí)效后，層狀析出量<8%，而 21-4N鋼的層狀析出量則> 40% ；并且新相的結(jié)構(gòu)更穩(wěn)定，經(jīng)高溫長(zhǎng)時(shí)間時(shí)效后的屈服強(qiáng) 度、持久強(qiáng)度和高溫彎曲疲勞強(qiáng)度明顯高于原21-4N鋼。另外，由于稀土元素的增加和其它 元素含量的調(diào)整，使本發(fā)明氣閥鋼在650-750°C范圍內(nèi)的抗氧化性和抗燃?xì)飧g性能均有 所提高，材料的晶粒被合理細(xì)化。在本發(fā)明所提出的氣閥鋼成分中，首先考慮該鋼在保證其 具有良好綜合性能的前提下，通過(guò)成分及元素含量的合理調(diào)整，使本發(fā)明氣閥鋼的成分中 加入C和N元素，主要考慮到C和N既是奧式體化元素，又是間隙強(qiáng)化的元素，C和N與Cr可 以形成碳化物和碳氮化物，能有效的提高強(qiáng)化效果。當(dāng)隨著C、N含量的合理搭配，其材料的 時(shí)效強(qiáng)度效果會(huì)得到優(yōu)化，這樣可以保證本發(fā)明氣閥鋼在高溫下具有足夠的高溫短時(shí)強(qiáng)度 和長(zhǎng)時(shí)高溫強(qiáng)度。在本發(fā)明氣閥鋼的成分中加入Cr元素，是可以保證該鋼中具有良好的抗 氧化和抗燃?xì)飧邷馗g性能，Cr與C、N化合形成化合物，既提高了強(qiáng)度又提高了硬度從而 提高耐磨性，但添加過(guò)多的Cr元素有利于鐵素體形成，或是α相的產(chǎn)生，這對(duì)本發(fā)明鋼在 降低制備成本和提高綜合性能不利，因此必須控制Cr的添加范圍。Mn是奧氏體化元素，Mn 可以代替附，從而降低鋼的成本，Mn的作用還在于增加基體中N元素的溶解度，同時(shí)Mn也 有助于抑制層狀析出的作用。但是，Mn的增加會(huì)降低鋼的抗氧化和抗燃?xì)飧g性能，Mn還 能與鋼中的S結(jié)合后形成MnS，從而使S的有害作用降到最低，Mn含量相對(duì)提高，可以彌補(bǔ) 該鋼Ni含量低奧氏體組織不充分的缺陷，因此Mn元素的加入量選擇在9. 2-9. 7%范圍內(nèi)較合適。M元素也是奧氏體形成的元素，對(duì)鋼的高溫強(qiáng)度和抗氧化性能也有明顯的作用，本發(fā) 明鋼適當(dāng)調(diào)整Ni添加控制范圍以降低生產(chǎn)成本。Si元素對(duì)提高鋼的抗氧化性和抗燃?xì)飧?蝕性較為有利，但對(duì)鋼的塑性性能有不利的影響，所以在本發(fā)明鋼中應(yīng)控制在小于0. 38%。 稀土在21-4N中的作用機(jī)理稀土在21-4N鋼中的溶解度約在10_6—10_5數(shù)量級(jí)之間。隨著 稀土的加入量增大，稀土溶解量隨之有較大的增加，但當(dāng)稀土加入量大于0. 10% wt后才趨 于更加穩(wěn)定。添加0. 10% wt-0. 15% wt稀土能使21-4N鋼鑄態(tài)樹(shù)枝晶組織明顯得到細(xì)化， 偏析現(xiàn)象減輕；但當(dāng)稀土超過(guò)0. 15% wt時(shí)鑄態(tài)組織又開(kāi)始粗化。鑄態(tài)片層M7C3相與奧氏 體存在一定的位相關(guān)系[120]M7C3//
y，011)M7C3//(111)y，其析出機(jī)理可能為胞狀 脫溶Ytl [+M7C3，適量稀土減少了胞狀組織的出現(xiàn)。成品態(tài)時(shí)，微合金化21-4N鋼的析出相 均為M23C6 ；適量的稀土(0. 10% wt)能使21-4N鋼析出相分布更均勻，晶內(nèi)析出相增多，部 分析出相與奧氏體之間存在一定的位向關(guān)系
M23C6//[123]y，(111)M23C6//(111)y。適 量的稀土(0. 10% wt-0. 15% wt)能有效變質(zhì)夾雜物，改善夾雜物形貌、分布、狀態(tài)，而稀土 加入量超過(guò)0. 15% wt后，群聚稀土夾雜物增多。稀土微合金21-4N鋼在低于1100°C固溶 處理時(shí)，晶粒長(zhǎng)大緩慢、洛氏硬度降幅較??；具有在1160°C以上時(shí)奧氏體晶粒急劇粗化的 特征。稀土的加入有助于抑制晶粒的無(wú)序長(zhǎng)大，提高晶粒長(zhǎng)大激活能。固溶溫度在1050°C 到1160°C范圍內(nèi)，晶粒生長(zhǎng)指數(shù)隨固溶溫度升高而增加。試驗(yàn)鋼均采用750kg機(jī)械式中頻 感應(yīng)爐熔煉，原料為純鐵、電解錳、鎳板、GCCr, NCr, NbFe和VFe等，根據(jù)試驗(yàn)鋼成分進(jìn)行配 料，各爐原材料保持一致；稀土微合金化21-4N鋼熔煉時(shí)為防止稀土氧化，稀土加入法經(jīng)多 次試驗(yàn)后采用鋼包澆入法為最佳出鋼時(shí)，鋼水至鋼包的五分之一處時(shí)將稀土放入出鋼鋼 包，鋼液澆入鋼包過(guò)程中，將稀土沖熔并充分反應(yīng)，經(jīng)鎮(zhèn)靜后澆注鋼錠。采用的稀土合金是富Ce混合稀土，純度彡99%，各稀土元素所占比例為 Ce53. 2 %，La34. 5 %，Pr9. 0 %，Nd2. 4 % (質(zhì)量分?jǐn)?shù))。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明有以下優(yōu)點(diǎn)(1)與21-4N鋼相比，各項(xiàng)性能有不同程度的提高，而且產(chǎn)品成品率提高7%左右。(2)適量稀土(0. 10% wt-0. 15% wt)對(duì)21-4N鋼高溫抗拉強(qiáng)度影響不大，但能明 顯提高高溫延伸率，幅度10% -17% ；稀土加入量超過(guò)0. 15% Wt后對(duì)力學(xué)性能不利。(3)適量的稀土(0. 10% wt-0. 15% wt)對(duì) 21-4N 鋼 700-920°C抗氧化性能均有一 定幅度的提高；稀土添加量超過(guò)0. 15% wt后對(duì)21-4N鋼抗氧化性能不利。21-4N鋼加入 0. 10% Wt-O. 15% Wt稀土后，在700-900°C范圍內(nèi)，均使氧化系數(shù)η增大，氧化速率常數(shù)kp 減小，氧化激活能提高12%。(4)室溫和500°C干摩擦條件下，適量的稀土(0. 10% wt-0. 15% wt)有助于提高 21-4N鋼的耐磨性能，而稀土加入過(guò)量時(shí)(超過(guò)0. 15% wt)對(duì)磨損性能不利。
具體實(shí)施例方式實(shí)施例1 含有稀土元素的21-4N氣閥鋼及稀土加入方法，包括碳、鎳、鉻、氮、錳、 硅、磷、硫、輕稀土元素、鐵，其重量百分比為碳(C) :0. 5% ；硅(Si) 0. 13% ；錳(Mn) 9. 2% ；磷(P) 0. 030% ；硫(S) 0. 005% ；鎳(Ni) 3. 5% ；鉻(Cr) 20. 5% ；M (N) :0. 40% ； 混合稀土 0. 12%;余量以鐵(Fe)平衡；所述稀土加入法為鋼包澆入法出鋼時(shí)，鋼水至鋼包 的五分之一處時(shí)將稀土放入出鋼鋼包，鋼液澆入鋼包過(guò)程中，將稀土沖熔并充分反應(yīng)，經(jīng)鎮(zhèn)靜后澆注鋼錠。 實(shí)施例2 含有稀土元素的21-4N氣閥鋼及稀土加入方法，包括碳、鎳、鉻、氮、錳、 硅、磷、硫、輕稀土元素、鐵，其重量百分比為碳(C) 0. 55% ；硅(Si) 0. 23% ；錳(Mn) 9. 65% ；磷(P) 0. 015% ；硫(S) 0. 010% ；鎳(Ni) 4% ；鉻(Cr)21. 0% ；氮(N) :0.44% ； 混合稀土 0. 15% ；余量以鐵(Fe)平衡；所述稀土加入法為鋼包澆入法將稀土鐵合金總量 分成4份，出鋼時(shí)，鋼水至鋼包的五分之一處時(shí)將稀土鐵合金四分之一放入出鋼鋼包；鋼水 至鋼包五分之二時(shí)將稀土四分之一放入出鋼鋼包；依次類(lèi)推加入稀土鐵合金；鋼液澆入鋼 包過(guò)程中，將稀土鐵合金沖熔并充分反應(yīng)，經(jīng)鎮(zhèn)靜后澆注鋼錠。
權(quán)利要求
1.含有稀土元素的21-4N氣閥鋼及稀土加入方法，其特征在于包括碳、鎳、鉻、氮、錳、 硅、磷、硫、輕稀土元素、鐵，其重量百分比為碳(C) :0. 51-0. 56% ；硅(Si)小于0.3%; 錳(Mn) 9. 2-9. 7% ；磷(P)小于 0. 0；35% ；硫(S)小于 0.025% ；鎳(Ni) :3.5-4% ；鉻 (Cr) 20. 5-21. 5% ；氮(N) 0. 36-0. 43% ；輕稀土元素小于 0. 15% ；余量以鐵(Fe)平衡。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的含有稀土元素的21-4N氣閥鋼及稀土加入方法，其特征在于 所述輕稀土元素為Ce、La或其混合物。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的含有稀土元素的21-4N氣閥鋼及稀土加入方法，其特征 在于所述輕稀土元素重量百分比為0. 1-0. 15%。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的含有稀土元素的21-4N氣閥鋼及稀土加入方法，其特征 在于所述稀土加入方法為鋼包澆入法出鋼時(shí)，將稀土隨出鋼鋼水放入鋼包，高溫鋼液將 稀土沖熔并充分反應(yīng)，經(jīng)鎮(zhèn)靜后澆鑄鋼錠。
5.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的含有稀土元素的21-4N氣閥鋼及稀土加入方法，其特征 在于所述稀土加入方法為鋼包澆入法出鋼時(shí)，將稀土鐵合金隨出鋼鋼水放入鋼包，高溫 鋼液將稀土鐵合金沖熔并充分反應(yīng)，經(jīng)鎮(zhèn)靜后澆鑄鋼錠。
6.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的含有稀土元素的21-4N氣閥鋼及稀土加入方法，其特征 在于所述稀土加入方法為鋼包澆入法出鋼時(shí)，鋼水至鋼包的五分之一處時(shí)將稀土放入 出鋼鋼包，鋼液澆入鋼包過(guò)程中，將稀土沖熔并充分反應(yīng)，經(jīng)鎮(zhèn)靜后澆注鋼錠。
7.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的含有稀土元素的21-4N氣閥鋼及稀土加入方法，其特 征在于所述稀土加入方法為鋼包澆入法出鋼時(shí)，鋼水至鋼包的五分之一處時(shí)將稀土鐵 合金放入出鋼鋼包，鋼液澆入鋼包過(guò)程中，將稀土鐵合金沖熔并充分反應(yīng)，經(jīng)鎮(zhèn)靜后澆注鋼
8.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的含有稀土元素的21-4N氣閥鋼及稀土加入方法，其特征 在于所述稀土加入方法為鋼包澆入法將稀土總量分成4份，出鋼時(shí)，鋼水至鋼包的五分 之一處時(shí)將稀土四分之一放入出鋼鋼包；鋼水至鋼包五分之二時(shí)將稀土四分之一放入出鋼 鋼包；依次類(lèi)推加入稀土 ；鋼液澆入鋼包過(guò)程中，將稀土沖熔并充分反應(yīng)，經(jīng)鎮(zhèn)靜后澆注鋼
9.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的含有稀土元素的21-4N氣閥鋼及稀土加入方法，其特征 在于所述稀土加入方法為鋼包澆入法將稀土鐵合金總量分成4份，出鋼時(shí)，鋼水至鋼包 的五分之一處時(shí)將稀土鐵合金四分之一放入出鋼鋼包；鋼水至鋼包五分之二時(shí)將稀土鐵合 金四分之一放入出鋼鋼包；依次類(lèi)推加入稀土鐵合金；鋼液澆入鋼包過(guò)程中，將稀土鐵合 金沖熔并充分反應(yīng)，經(jīng)鎮(zhèn)靜后澆注鋼錠。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種含有稀土元素的21-4N氣閥鋼及稀土加入方法，包括碳、鎳、鉻、氮、錳、硅、磷、硫、輕稀土元素、鐵，其重量百分比為碳(C)0.51-0.56％；硅(Si)小于0.3％；錳(Mn)9.2-9.7％；磷(P)小于0.035％；硫(S)小于0.025％；鎳(Ni)3.5-4％；鉻(Cr)20.5-21.5％；氮(N)0.36-0.43％；輕稀土元素小于0.15％；余量以鐵(Fe)平衡；所述稀土加入方法為鋼包澆入法將稀土總量分成4份，出鋼時(shí)，鋼水至鋼包的五分之一處時(shí)將稀土四分之一放入出鋼鋼包；鋼水至鋼包五分之二時(shí)將稀土四分之一放入出鋼鋼包；依次類(lèi)推加入稀土；鋼液澆入鋼包過(guò)程中，將稀土沖熔并充分反應(yīng)，經(jīng)鎮(zhèn)靜后澆注鋼錠。
文檔編號(hào)C22C33/04GK102134690SQ201110041078
公開(kāi)日2011年7月27日 申請(qǐng)日期2011年2月16日 優(yōu)先權(quán)日2011年2月16日
發(fā)明者劉俊杰, 吳明杰 申請(qǐng)人:煙臺(tái)鑫杰特鋼有限公司