細晶粒抗疲勞氣閥鋼棒線材及其制造方法
【技術領域】
[0001] 本發明屬于材料領域，特別設及一種細晶粒抗疲勞氣閥鋼棒線材及其制造方法。
【背景技術】
[0002] 氣閥鋼專指用于制造發動機進氣、排氣閥的合金材料，需在高溫、高壓、高沖刷、高 腐蝕、高頻率條件下工作，由于工作條件惡劣，對材料的塑性、疲勞性能、高溫強度、熱硬性、 耐磨性、耐蝕性等要求非常高，使得氣閥鋼的制造和生產具有很強的專業性。在氣閥鋼的生 產過程中，由于氣閥鋼本身硬度高，塑性低，加工硬化明顯等特點，使氣閥鋼的生產加工較 為困難。
[0003] 目前氣閥鋼生產主要經社制、固溶、開卷、矯直、磨光為氣閥型材。由于在生產過程 中社制巧料尺寸公差較大，尤其是其圓度遠不能滿足氣口生產要求。通常解決方法是為增 加巧料尺寸，加大成品道次表面磨削量，運就造成了原材料利用率偏低，生產成本高的缺 點。尤其對小規格（O ^ 8mm)材料，一方面，由于終社溫度限制，熱社成型非常困難，表面質 量差，另一方面，需進一步加大磨削余量，W保證尺寸公差及表面質量。解決巧料圓度的有 效方法之一是進行溫拉拔，然而運種工藝要求拉拔設備具有加熱功能，同時必須嚴格進行 溫度控制，否則將造成氣閥鋼的時效處理，加重產品硬化，增加氣口成型難度。在此背景下， 冷拉拔工藝由于設備要求低、投資少、圓度好，在氣閥鋼型材制備方面顯示出巨大的潛力。 但是也應注意到，由于氣閥鋼材料本身的特點，其冷拉拔工藝尚需克服兩大困難:塑性低， 道次變形量不能太大，否則拉拔過程中易發生斷裂;加工硬化明顯，需多次回火W消除加工 內應力，能源消耗大，工時長。
【發明內容】
[0004] 本發明的目的是提供一種微合金化的高強度抗氧化鐵儀合金氣閥鋼材料及制備 方法。本發明通過細化晶粒，改善氣閥鋼塑性，采用簡便高效的冷拉拔工藝，進一步細化晶 粒，提高約6-10%塑性指標，有利于氣口電墳成型，使本氣閥鋼能夠滿足氣口在780-95(TC 高溫苛刻工作環境下的高強度及反復沖刷條件下的抗疲勞要求。經實驗驗證，本發明材料 高溫旋轉彎曲疲勞性能優良；高溫蠕變性能表明本發明材料具有足夠的蠕變強度W防止氣 口失效。
[0005] 本發明的技術方案是：
[0006] -種細晶粒抗疲勞氣閥鋼材料，該材料各組分的重量百分含量為：化25.0-36.0%;Cr 14.0-20.0%;Ti 1.9-3.0%;A1 0.5-2.6%;Mo 0.7-1.2%;抓 0.4-0.7%;Mn 0.2-1.0%；C 0.02-0.1%；B 0.003-0.015% ；Mg 0.01-0.3%；Zr 0.001-0.04% ；N 0.01-0.1% ;Y 0.001-0.05%;余量為化和雜質，其中雜質的總量為<0.1%。
[0007] 較好的技術方案是，本發明所述材料各組分的重量百分含量為：Ni 32.5% ;Cr 14.55%；Ti 2.86%；A1 1.75%；Mo 0.77%；Nb 0.56%；Mn 0.36%；C 0.027%；B 0.0073% ;Mg 0.042% ;Zr 0.03% ;N 0.08% ;Y 0.03%;余量為化和雜質。
[000引所述雜質為加、5王、5、口，其各自的重量百分含量為加<0.01%;51<0.1%;5< 0.005%;P< 0.002%。
[0009 ]細晶粒抗疲勞氣閥鋼材料的制備方法，有W下步驟：
[0010] 1)制備電極棒
[0011]按照權利要求1或2所述配比取上述各組分，烘干;將化、燈、曰6、師、(：作為大料，真 空條件下升溫至大料融化，隨后進行第一次精煉，精煉功率500kw，精煉時間60min，精煉末 期真空度^3Pa;在氣氣氣氛中添加 Ti、Al、Mo、B、Zr、N、Y作為小料，升溫至小料融化;真空度 ^ 3Pa，進行第二次精煉，精煉功率500kw，精煉時間50min;精煉結束后，加入Mg、Mn，攬拌 5min，調溫為1500~1600°C，誘鑄為電極棒；
[0012] 2)電渣重烙
[OOU] 將渣系配比為CaF2:Al2〇3:CaO:MgO = 65:15:12:8的電渣渣料烙化，步驟1)所述的電 極棒放進渣料中重烙，得到電渣錠；
[0014] 3)鍛造開巧
[0015] 步驟3)得到的電渣錠1100-1180°C保溫2-化，開鍛溫度1000-1050°C，多道次回火， 終鍛溫度830-960°C，鍛成方巧；
[0016] 4)熱社
[0017] 方巧熱社，開社溫度溫度1080-1150°C，保溫溫度830-960°C，終社溫度880-980°C， 社制為圓巧；
[001引 5)軟化熱處理
[0019] 圓巧保溫溫度為1050°C，保溫時間1-化，水冷至室溫；
[0020] 6)堿煮、酸洗
[0021] 軟化熱處理后的圓巧用堿煮液在480-550°C，煮0.5-lh;酸洗液常溫酸洗20-40min；
[0022] 7)冷拉拔
[0023] 經步驟6)堿煮、酸洗的圓巧拉拔，拉拔速度12m/min，道次變形量為10-15%，總變 形量為30-60 %;
[0024] 8)固溶、時效處理
[0025] 將經過冷拉拔的線棒材進行固溶、時效處理后得到細晶粒抗疲勞氣閥鋼材料，其 中固溶處理為：1050-1100°(：保溫1-化，水冷或油冷;時效處理為720-760°(：保溫4-1611。 [00%]步驟1)所述大料全部融化時，真空度^ 20化，精煉期真空度^ 3Pa。
[0027]步驟2)所述重烙時，電極棒與結晶器填充比控制在0.5-0.8,重烙電流為6-lOkA， 重烙電壓為40-60V。
[002引步驟6)堿煮液化OH:化Cl的質量比=60:40，酸洗中此S04: HN03 : HF:出0的質量比為 = 15:20:10:55。
[0029]晶粒細化是既能改善材料塑性，又能提高強度的有效手段，同時對材料疲勞性能 十分有利，因而對氣閥鋼的生產及綜合性能有利。本發明通過添加 Zr、N、Y等元素，利于本發 明氣閥鋼晶粒細化，在保證氣閥鋼強度的同時改善其塑性。本發明采用冷拉工藝制備圓度 好、尺寸精度高的氣閥鋼，總變形度高達50%，加工硬化改善，拉拔道次間不需經過軟化熱 處理，節約能源及工時，提高成品率8%，特別適用于本發明的氣閥鋼，尤其是小規格(直徑 巫< 12,更優為O < 8mm)氣閥鋼棒線材的生產。
[0030] 本發明通過細化晶粒，改善氣閥鋼塑性。在鋼中加入了 Zr、N及Y等微合金化元素， 利于晶粒細化。
[0031] 其中Zr易形成碳化物，起固溶強化作用，同時能阻礙晶界遷移，細化晶粒。&含量 控制在0.001-0.04% ,Zr下限為0.001 %，更優選的上限控制在0.03% ;
[0032] N主要形成氮化物，如TiN等，氮化物與合金基體錯配度高，可減小鑄錠枝晶距離， 減小宏觀晶粒尺寸，使碳化物尺寸變小，分布更均勻，同時還可使基體相穩定，起固溶強化 作用。N含量控制在0.0 l-0.1 %，更優選的上限控制在0.08%。
[0033] Y在冶煉過程中易于0發生作用，形成氧化物顆粒，一方面具有除氧的作用，另一方 面形成的氧化物彌散相穩定性好，起到晶界強化的作用，同時細化晶粒，提高氣閥鋼塑性， 但含量過高會與Al形成YAb，富集于晶界，易于發生解理斷裂，惡化合金性能，因而其含量 控制在0.0 Ol-0.05%，更優選的上限控制在0.03%。
[0034] 本發明采用簡便高效的冷拉拔工藝，進一步細化晶粒，使本氣閥鋼能夠滿足氣口 高溫苛刻工作環境下的高強度、抗疲勞要求。其制造方法是，對熱社型材進行軟化熱處理， W消除熱社加工硬化;進行堿煮酸洗處理，W除去表面附著的氧化皮;進行石灰漿涂層、烘 烤處理，W便于潤滑劑埋覆潤滑;進行冷拉拔處理，W得到較大變形量及較好圓度，同時控 制磨削余量;進行再結晶熱處理，W消除晶粒形變及加工硬化;進行開卷、矯直、磨光處理， 得到氣閥鋼成品。成品規格巫含12mm，道次變形量含15%，總變形量含50%。
【具體實施方式】
[0035] 按表1所述配比，取本發明所述各組分，按W下方法制備本發明所述材料：
[0036] 表1化學成分表(wt%)
[0038] 注:比較例為商業上可得到的氣閥鋼合金材料Ni 30。
[0039] 1)制備電極棒
[0040] 按照表1所述配比取上述各組分，烘干于200°C保溫地進行預熱、烘干水汽。將M、 吐、。6、抓、(：作為大料裝入烙爐相蝸，抽真空送電，隨真空度不斷提高，緩慢提升送電功率。 當真空度優于20化后，功率升高至650kw直至全部大料全部融化，隨后進行第一次精煉，精 煉功率500kw，精煉時間60min，精煉末期真空度優于3Pa。精煉結束后在氣氣氣氛中添加小 料Ti、Al、Mo、B、Zr、N、Y，重新升高功率至650kw使小料全部融化，當真空度優于3化后進行第 二次精煉，精煉功率500kw，精煉時間50min。精煉結束后，加入Mg、Mn，攬拌5min，然后取樣分 析，待成分合格后調溫為1500~1600°C，誘鑄為(6200電極棒。電極棒表面需進行砂磨精整， W除去氧化皮。整個過程不破真空，各類料分批、分時段加入，W保證良好的去氣、去雜質效 果。
[0041 ] 2)電渣重烙
[00創將電渣渣料(渣系配比CaF2:Al203:Ca