一種鎳基氣閥合金及其制備方法
【技術(shù)領域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種金屬材料及其制備方法，特別是一種鎳基氣閥合金及其制備方 法。
【背景技術(shù)】
[0002] 氣閥鋼經(jīng)歷了碳鋼和低合金鋼一一娃鉻型不銹鋼一一a相合金一一奧氏體型耐 熱鋼等多個發(fā)展階段。近幾十年來，發(fā)動機（內(nèi)燃機）技術(shù)的高速發(fā)展，如：汽油機直噴技 術(shù)、可變氣門定時技術(shù)、可變進氣管、燃燒速率控制滑片、可變排量技術(shù)、高壓共軌直噴柴油 機等，其負荷較以前要求更高，使得氣閥鋼的工作溫度提高、承受壓力增大、燃氣腐蝕嚴重、 氣閥錐面往復運動加速了磨損，氣閥工況越來越苛刻，這些因素一定程度上推動了氣閥鋼 及氣閥合金的迅速發(fā)展。
[0003] Nimonic80A和Inconel751合金材料是在Cr20Ni80合金基礎上發(fā)展起來的鎳基 合金，在氣閥上獲得了較為廣泛的應用。專利CN103451559A《一種氣閥合金材料及其制造 方法》中涉及的合金，含鎳量較低，受制于其高溫性能的局限，只能部分取代NimonicSOA和 Inconel751氣閥合金，上述三種合金在室溫下有著良好的力學性能，但高溫性能受其元素 成份的限制，不能滿足850°C工作條件下氣閥合金長期工作的性能要求。
[0004] 專利CN102808111A《一種排氣閥用鎳基高溫合金的制備方法》中涉及的鎳基合金， 含碳量大于〇. 1%且Cr元素含量較低，合金中的碳化物容易在晶界處偏聚而影響合金的晶 界耐高溫腐蝕性能和抗裂紋擴展能力，而低含量的Cr元素將直接影響到氣閥在高溫下的 耐腐蝕能力。
[0005] 專利CN102605214A《一種新型內(nèi)燃機排氣閥用鎳基合金》涉及的鎳基合金，充分 考慮了碳含量和Cr元素的含量，但缺少高溫合金元素的加入，這影響了氣閥高溫工作環(huán)境 下的耐磨性能和強度。
[0006] 研制開發(fā)具有高溫持久強度、抗高溫氧化、高耐磨、抗高溫腐蝕綜合性能優(yōu)越的高 性能鎳基氣閥合金，已成為我國發(fā)動機（內(nèi)燃機）發(fā)展急需。
[0007] 根據(jù)氣閥的工作狀態(tài)，氣閥在燃燒室內(nèi)部高溫環(huán)境下進行往復運動，其失效的方 式主要有：氣閥變形，氣閥表面磨損，氣閥表面出現(xiàn)裂紋，氣閥在汽缸內(nèi)受高溫氣體腐蝕等， 尤其是高鎳基合金在工作時容易被氧化和腐蝕，導致氣閥失效。此外，在使用中，氣閥表面 裂紋產(chǎn)生和擴展也是其失效的一個重要原因。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008] 本發(fā)明的目的是提供一種新型鎳基氣閥合金，以獲得綜合性能優(yōu)異的氣閥，滿足 先進發(fā)動機（內(nèi)燃機）的使用工況要求，解決現(xiàn)有技術(shù)的材料不能滿足需要的問題。
[0009] 為實現(xiàn)發(fā)明的目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案如下：
[0010] 一種鎳基氣閥合金，其特征在于，化學成分按照重量百分比，含有Ni :55.0~ 60. 0 %，Cr :20. 0 ~25. 0 %，C :0? 01 ~0? 05 %，Al :1. 0 ~3. 0 %，Ti :1. 0 ~3. 0 %，W : 0? 5 ~1. 5%，Nb :0? 5 ~1. 5%，Mo :0? 5 ~1. 5%，Y :0? 05 ~0? 20%，Hf :0? 05 ~0? 20%， B :0? 001 ~0? 005%，S 彡 0? 02%，P 彡 0? 02%，0 彡 0? 02%，N 彡 0? 02%，余量為 Fe 和不可 避免的雜質(zhì)，所述雜質(zhì)含量< 〇. 5%。
[0011] 優(yōu)選，所述鎳基氣閥合金化學成分按照重量百分比，含有Ni :55%，Cr :20%，C : 0. 03%, Al ：1, 9%, Ti ：2, 4%, ff ：1, 2%, Nb ：1, 3%, Mo ：1, 2%, Y ：0. 09%, Hf ：0. 12%, B ： 0? 004%，S彡0? 02%，P彡0? 02%，0彡0? 02%，N彡0? 02%，余量為Fe和不可避免的雜質(zhì)， 所述雜質(zhì)含量< 〇. 5%。
[0012] 優(yōu)選，所述鎳基氣閥合金化學成分按照重量百分比，含有Ni :60%，Cr :25%，C : 0. 02%, Al ：1, 7%, Ti ：2, 3%, ff ：1, 4%, Nb ：1, 5%, Mo ：1, 0%, Y ：0. 08%, Hf ：0. 08%, B ： 0? 004%，S彡0? 02%，P彡0? 02%，0彡0? 02%，N彡0? 02%，余量為Fe和不可避免的雜質(zhì)， 所述雜質(zhì)含量< 〇. 5%。
[0013] 優(yōu)選，所述鎳基氣閥合金化學成分按照重量百分比，含有Ni :58%，Cr :23% .，C: 0. 04%, Al ：1, 8%, Ti ：2, 6%, ff ：1, 0%, Nb ：1, 4%, Mo ：1, 1%, Y ：0. 1%, Hf ：0. 06%, B ： 0? 003%，S彡0? 02%，P彡0? 02%，0彡0? 02%，N彡0? 02%，余量為Fe和不可避免的雜質(zhì)， 所述雜質(zhì)含量< 〇. 5%。
[0014] 優(yōu)選，所述鎳基氣閥合金化學成分按照重量百分比，含有Ni :57%，Cr :24%，C : 0. 03%, Al ：2, 1%, Ti ：2, 5%, ff ：1, 5%, Nb ：1, 2%, Mo ：0. 8%, Y ：0. 11%, Hf ：0. 08%, B ： 0? 002%，S彡0? 02%，P彡0? 02%，0彡0? 02%，N彡0? 02%，余量為Fe和不可避免的雜質(zhì)， 所述雜質(zhì)含量< 〇. 5%。
[0015] 本發(fā)明涉及的鎳基氣閥合金，含C元素組份須嚴格控制，微量的C元素可形成強化 的復合碳化物，以提高合金的硬度和耐磨性，但C元素過高則可導致碳化物在晶界處富集， 尤其在氣閥表層，不利于抑制氣閥表面裂紋的萌生和擴展，故C元素含量選取0. 01質(zhì)量％ 為下限，0.05質(zhì)量％為上限。
[0016]本發(fā)明涉及的鎳基氣閥合金，Al、Ti兩種元素，部分Ni參與形成Ni3(Al，Ti)金屬 間化合物y '相，所述Ti元素含量大于A1元素含量，以保證獲得充分的強化相；A1元素 的含量不大于3質(zhì)量％，且Al+Ti不大于5質(zhì)量％，以限制其對合金熱成型時產(chǎn)生裂紋的影 響。
[0017] 本發(fā)明涉及的鎳基氣閥合金，W元素含量為0. 5質(zhì)量％以上且1. 5質(zhì)量％以下，Mo 元素含量為〇. 5質(zhì)量％以上且1. 5質(zhì)量％以下；過高的Mo+W含量將增加合金熱成型難度， 故Mo元素和W元素的加入量，即Mo+W總量小于2. 5質(zhì)量％，其含量達到相互協(xié)同，提高合 金的高溫強度和持久強度。
[0018] 本發(fā)明涉及的鎳基氣閥合金，所加Nb元素能促進Y'相的析出，延緩Y'相的聚 集長大過程，提高合金的高溫強度。過高的Nb元素不僅嚴重損失合金的抗氧化性能，而且 與Ni易生成Ni3Nb型S相并主要在晶界析出，較多的S相析出會導致合金基體弱化，強 度下降，并為裂紋的萌生和擴展提供通道，少量的S相可以釘扎在晶界，阻止裂紋的萌生 和擴展。因此Nb元素含量為0. 5質(zhì)量％以上且1. 5質(zhì)量％以下。
[0019] 本發(fā)明涉及的鎳基氣閥合金，添加20質(zhì)量％以上且25質(zhì)量％以下的Cr元素，足 夠的Cr元素含量與Ni形成固溶體，確保了合金的基體強度，且高的Cr含量更易于氣閥合 金在高溫下使用產(chǎn)生致密的氧化層，提高氣閥的抗高溫氧化性和抗高溫耐腐蝕性。
[0020] 本發(fā)明涉及的鎳基氣閥合金，Y元素含量選取0. 05質(zhì)量％為下限且0. 2質(zhì)量％為 上限，特定比例的Y元素與Al、Ti、Cr等元素在700°C以上使用時，合金表面形成致密的氧 化膜，合金具有優(yōu)越的抗高溫氧化性，且在氣閥使用過程中防止諸如油或燃料等附著物與 氣閥合金表面彼此反應變成裂紋點的細小腐蝕新生異物的生成，從而進一步抑制裂紋的產(chǎn) 生。
[0021] 本發(fā)明涉及的鎳基氣閥合金，微量的B元素可起到細化晶粒效果，改善耐晶間腐 蝕性能，微量硼的加入還可提高氣閥合金的熱塑性，改善熱加工性，B元素的含量為0. 001 質(zhì)量％以上且0. 005質(zhì)量％以下。
[0022] 本發(fā)明涉及的鎳基氣閥合金，微量的Hf元素含量為0. 05質(zhì)量％以上且0. 2質(zhì) 量％以下，一方面可以起到細化氣閥合金晶粒的作用，另一下方面，?還可以提高氣閥合金 的耐高溫抗腐蝕性能，減緩晶界附近的擴散過程及穩(wěn)定晶界微量相形態(tài)，能抑制晶界片層 狀、胞狀析出相以及改善碳化物密集不均勻分布的狀態(tài)。
[0023] 本發(fā)明涉及的鎳基氣閥合金，F(xiàn)e元素對氣閥基體可起到是固溶強化作用，與其它 元素形成化合物，強化基體金屬，本發(fā)明中，F(xiàn)e元素的加入可降低氣閥合金的制備成本。
[0024] 本發(fā)明涉及的鎳基氣閥合金，S小于0. 02質(zhì)量％，P小于0. 02質(zhì)量％，0小于0. 02 質(zhì)量％，N小于0. 02質(zhì)量％，且雜質(zhì)總量小于0. 5質(zhì)量％。
[0025] 本發(fā)明還公開了上述鎳基氣閥合金的制備方法，依順序包括如下步驟：真空 感應熔煉并澆鑄電極、電渣重熔、熱鍛、方坯錠局部修磨、熱軋、在線溫度補償、熱軋盤 條。在線溫度補償步驟中