專利名稱：一種排氣閥用鎳基高溫合金的制備方法
技術領域：
本發明涉及合金技術領域，特別涉及一種排氣閥用鎳基高溫合金的制備方法。
背景技術：
高溫合金是以第VIIIA族金屬(鐵、鈷、鎳)為基的具有高的室溫和高溫強度的合金。從高溫合金的產生和發展至今已經歷了 60多年。推動其發展的動力是航空和航天工業燃汽輪機對耐熱合金的需求。高溫合金的發展也帶動了合金化學及合金加工技術的進步。鎳基高溫合金具有更高的高溫強度，它們是在Cr20Ni80合金的基礎上發展起來的，通常以Cr、Mo、Co、Ti、Al等合金元素來進行強化；Cr、Mo、Co等元素的主要作用是強化鎳基固溶體，提高基體的再結晶溫度，以降低基體中原子的擴散速度。Ti、Al的作用在于形成Ni3(AlTi)-Y，強化相，它具有面心立方結構，析出時與基體共格，聚集長大的速度很小， 具有良好的強化效果。近年來隨著現代粉末冶金加工技術的應用和噴射成形多元多相彌散強化合金的出現，高溫合金在接近材料熔點溫度的同時，仍能保持高的持久強度，而普通靠Y'相或U + )相強化的高溫合金只能在低溫(600°C 800°C)、中溫(800°C IOOO0C )使用。采用多元多相彌散強化的高溫合金是目前使用溫度最高的合金，如美國的
IN738合金等。目前，美國、日本、德國、英國、法國等國家均投入大量的人力、物力進行研究和開發。國內主要有北京航空材料研究院、北京鋼鐵研究總院、中國科學院金屬研究所、昆明貴金屬研究所等單位從事鎳基高溫合金的研究開發，但是大多數成果均為航空、航天和軍工服務，而為民用工業的較少。目前，我國在中等負荷的內燃機中，普遍采用21-4^0 (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、I. 8-2. 5% Nb,O. 8-1. 5% W，N提高到O. 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O. 5-1. 5%Mo ；0. 5-1. 5% Nb ；0. 5-1. 5V和O. 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
針對現有技術的不足，本發明的目的之一在于提供一種排氣閥用鎳基高溫合金的制備方法，以解決現有技術的材料不能滿足需要的問題。
為實現上述目的，本發明采用的技術方案如下一種排氣閥用鎳基高溫合金的制備方法，所述合金以重量百分數計由下列組份組成C O. 10-0. 14%, Al 3. 5-4. 5%, W I. 5-2. 5%, Mo 2. 0-4. 0%, Cr 13. 5-15. 5%, VO. 4-0. 6%, Zr O. 10-0. 20%, Nb O. 5-1. 5%, Fe 8. 0-12. 0%, Ta 2. 5-3. 5%, Cu ^ O. 20，Mn彡O. 8，P彡O. 020, S彡O. 015, Si ( O. 3，余量Ni和不可避免雜質。所示制備方法包括采用電爐冶煉、澆注以及熱處理生產工藝，分述如下(I)按上述原料配比進行中頻感應爐冶煉，冶煉溫度為1570-1600°C，熔清后取樣分析成分，然后進行成分調整；將中頻感應爐熔化的鎳基合金進行輸入氣體精煉，精煉溫度1620-16400C，精煉時間O. 5-1小時，達到除氣、除磷、除硫，摻合各種微 量合金的目的，使鎳基合金的化學成份達到產品規定的標準。(2)調整澆注溫度至約1510_1530°C，澆注成坯。(3)對鑄坯進行清理后進行熱處理，固溶處理條件為加熱至1240-1260°C，保溫3-5h，空冷到室溫；時效處理方式為先加熱至1150-1170°C，保溫l_3h，然后再加熱至900-920°C，保溫 18-24h。本發明具有如下有益效果(I)控制每種合金元素的含量，特別是不加或少加昂貴合金元素，如Co，以節省成本，滿足民用高溫合金對成本的要求，但通過添加多種合金元素，使得各種合金元素之間的技術效果相互協同，從而使得高溫合金的綜合性能優異。(2)針對所設計的合金成分，調整了熔煉工藝，特別是熔煉和精煉的溫度，以及澆注溫度；并配合專門為該合金設計的熱處理制度，使得合金的優異性能得以發揮。(3)本發明的高溫合金內部組織致密，非金屬夾雜總量比同種鋼錠低20%左右，化學成份偏差及內部金相組織缺陷等減少，提高了金屬的機械性能。經對鋼坯進行金相組織測試，達到了氣門鋼的各種性能指標，滿足生產要求。(4)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，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一一種排氣閥用鎳基高溫合金的制備方法，所述合金以重量百分數計由下列組份組成C O. 10%, Al 4. 5%, W I. 5%, Mo 4. 0%, Cr 13. 5%, V O. 6%, Zr O. 10%, Nb I. 5%,Fe 8. 0%,Ta 3. 5%, Cu ^ O. 20，Mn 彡 O. 8，P 彡 O. 020，S 彡 O. 015，Si ( O. 3，余量 Ni 和不可避免雜質；所示制備方法包括采用電爐冶煉、澆注以及熱處理生產工藝，分述如下(I)按上述原料配比進行中頻感應爐冶煉，冶煉溫度為1600°C，熔清后取樣分析成分，然后進行成分調整；將中頻感應爐熔化的鎳基合金進行輸入氣體精煉，精煉溫度1640°C，精煉時間O. 5小時，達到除氣、除磷、除硫，摻合各種微量合金的目的，使鎳基合金的化學成份達到產品規定的標準；(2)調整澆注溫度至1510°C，澆注成坯；(3)對鑄坯進行清理后進行熱處理，固溶處理條件為加熱至1240°C，保溫5h，空冷到室溫；時效處理方式為先加熱至1150°C，保溫3h然后再加熱至900°C，保溫24h。
實施例二一種排氣閥用鎳基高溫合金的制備方法，所述合金以重量百分數計由下列組份組成C O. 14%, Al 3. 5%, W 2. 5%, Mo 2. 0%, Cr 15. 5%, V O. 4%, Zr O. 20%, Nb O. 5%,Fe 12. 0%, Ta 2. 5%, Cu ^ O. 20，Mn 彡 O. 8，P 彡 O. 020，S 彡 O. 015，Si ( O. 3，余量 Ni 和不可避免雜質；所示制備方法包括采用電爐冶煉、澆注以及熱處理生產工藝，分述如下(I)按上述原料配比進行中頻感應爐冶煉，冶煉溫度為1600°C，熔清后取樣分析成分，然后進行成分調整；將中頻感應爐熔化的鎳基合金進行輸入氣體精煉，精煉溫度1620°C，精煉時間I小時，達到除氣、除磷、除硫，摻合各種微量合金的目的，使鎳基合金的化學成份達到產品規定的標準；(2)調整澆注溫度至1530°C，澆注成坯；(3)對鑄坯進行清理后進行熱處理，固溶處理條件為加熱至1260°C，保溫3h，空冷到室溫；時效處理方式為先加熱至1170°C，保溫Ih然后再加熱至920°C，保溫18h。 實施例三一種排氣閥用鎳基高溫合金的制備方法，所述合金以重量百分數計由下列組份組成C O. 12%, Al 4. 0%, W 2. 0%, Mo 3. 0%, Cr 14. 5%, V O. 5%, Zr O. 15%, Nb I. 0%,Fe 10. 0%, Ta 3. 0%, Cu ^ O. 20，Mn 彡 O. 8，P 彡 O. 020，S 彡 O. 015，Si ( O. 3，余量 Ni 和不可避免雜質；所示制備方法包括采用電爐冶煉、澆注以及熱處理生產工藝，分述如下(I)按上述原料配比進行中頻感應爐冶煉，冶煉溫度為1585°C，熔清后取樣分析成分，然后進行成分調整；將中頻感應爐熔化的鎳基合金進行輸入氣體精煉，精煉溫度1630°C，精煉時間I小時，達到除氣、除磷、除硫，摻合各種微量合金的目的，使鎳基合金的化學成份達到產品規定的標準；(2)調整澆注溫度至1520°C，澆注成坯；(3)對鑄坯進行清理后進行熱處理，固溶處理條件為加熱至1250°C，保溫4h，空冷到室溫；時效處理方式為先加熱至1160°C，保溫2h然后再加熱至910°C，保溫21h。申請人:聲明，本發明通過上述實施例來說明本發明的詳細工藝設備和工藝流程，但本發明并不局限于上述詳細工藝設備和工藝流程，即不意味著本發明必須依賴上述詳細工藝設備和工藝流程才能實施。所屬技術領域的技術人員應該明了，對本發明的任何改進，對本發明產品各原料的等效替換及輔助成分的添加、具體方式的選擇等，均落在本發明的保護范圍和公開范圍之內。
權利要求
1.一種排氣閥用鎳基高溫合金的制備方法，其特征在于，所述合金以重量百分數計由下列組份組成c 0. 10-0. 14 %, Al 3. 5-4. 5 %, W I. 5-2. 5 %, Mo 2. 0-4. 0 %,Cr 13. 5-15. 5 %, V 0. 4-0. 6 %, Zr 0. 10-0. 20 %, Nb 0. 5-1. 5 %, Fe 8. 0-12. 0 %, Ta.2.5-3. 5%, Cu ^ 0. 20，Mn ^ 0. 8, P ^ 0. 020，S ( 0. 015，Si ( 0. 3，余量 Ni 和不可避免雜質。所示制備方法包括采用電爐冶煉、澆注以及熱處理生產工藝，分述如下 (1)按上述原料配比進行中頻感應爐冶煉，冶煉溫度為1570-1600°C，熔清后取樣分析成分，然后進行成分調整；將中頻感應爐熔化的鎳基合金進行輸入氣體精煉，精煉溫度1620-1640°C，精煉時間0. 5-1小時，達到除氣、除磷、除硫，摻合各種微量合金的目的，使鎳基合金的化學成份達到產品規定的標準。
(2)調整澆注溫度至約1510-1530°C，澆注成坯。
(3)對鑄坯進行清理后進行熱處理，固溶處理條件為加熱至1240-1260°C，保溫.3-5h，空冷到室溫；時效處理方式為先加熱至1150-1170°C，保溫l_3h，然后再加熱至.900-920°C，保溫 18-24h。
全文摘要
本發明公開了一種排氣閥用鎳基高溫合金的制備方法，所述合金以重量百分數計由下列組份組成C0.10-0.14％，Al3.5-4.5％，W1.5-2.5％，Mo2.0-4.0％，Cr13.5-15.5％，V0.4-0.6％，Zr0.10-0.20％，Nb0.5-1.5％，Fe8.0-12.0％，Ta2.5-3.5％，Cu≤0.20，Mn≤0.8，P≤0.020，S≤0.015，Si≤0.3，余量Ni和不可避免雜質。所示制備方法分述如下(1)按上述原料配比進行中頻感應爐冶煉，冶煉溫度為1570-1600℃，然后精煉，精煉溫度1620-1640℃，精煉時間0.5-1小時。(2)調整澆注溫度至約1510-1530℃澆注。(3)進行熱處理，加熱至1240-1260℃，保溫3-5h，空冷到室溫；再加熱至1150-1170℃，保溫1-3h，然后再加熱至900-920℃，保溫18-24h。
文檔編號C22C19/05GK102808111SQ20121030586
公開日2012年12月5日 申請日期2012年8月24日 優先權日2012年8月24日
發明者楊學焦 申請人:楊學焦