奧氏體氣門用鋼及其生產工藝的制作方法

專利名稱：奧氏體氣門用鋼及其生產工藝的制作方法
技術領域：
本發明屬于奧氏體型耐熱鋼的制備領域，特別適用于生產內燃機的進、排 氣閥用奧氏體耐熱鋼。
背景技術：
氣閥鋼是制備發動機進、排氣閥的主要材料，廣泛用于大、中、小型發動 機，是發動機上的重要易損件，其工作條件異常惡劣，必須具備較高的高溫性 能、耐磨性能和耐腐蝕性能，因此研究既耐高溫又耐磨、耐蝕的材料，是氣閥 鋼行業亟待解決的問題之一。目前，在國內由于沒有新型高溫耐磨耐蝕材料的 問世，而常使用純粹的耐高溫合金鋼和單純的耐磨材料，前者雖然具有良好的
耐高溫性能，但耐磨耐蝕性不夠；后者則雖然具有很高的室溫耐磨耐蝕性能， 但隨著工作溫度的提高，其耐磨耐蝕性能又迅速下降，從而導致材料的過早失 效。目前對該類材料的研究，往往釆用高潔凈度，超微細化的優質合金鋼，通 過對耐磨材料的微合金化、熱處理和特殊的表面處理技術來提高耐熱耐磨耐蝕 材料的綜合性能。氣閥鋼制備的主要工藝流程電爐冶煉—電渣重熔—鍛造— 修磨—軋制—固溶—校直—磨光。目前，我國在中等負荷的內燃機中，普遍釆 用21-4N鋼(即5Cr21Mn9翻)作為中、小缸徑的排氣閥用鋼，在國外現有技 術中也有資料介紹，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，該鋼雖然性能略比23-8N有所提高，但其制造成本要比21"N 高出很多，該鋼是使用在制備高負荷的內燃機排氣閥用鋼。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—N鋼基礎上添加了 5-6%Al、 1,8-2. 5%Nb、 0. 8-1. 5°/。W, N提高到0. 4-0. 6%的成分范圍，該鋼是 使用在高負荷的內燃機排氣閩中，但是該鋼的制備成本仍然高于21 -4N鋼的一 倍以上。再有改進形氣閩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0. 5-1.5%Mo; 0. 5-1. 5%Nb; 0. 5-1. 5V和 0. 05-0. 20%Zr元素，該鋼的用途性能要高于21-4麗Nb (X50CrMnNiNbN219)鋼,
該鋼是使用在高負荷發動機的排氣閥，其高溫強度、高溫持久強度、高溫硬度 都高于X50CrMnNiNbN219鋼，其制備成本也在21-4N鋼的一倍以上。中國專利 文獻CN1570184A介紹的一種經濟型氣閥鋼，該鋼是在21-4N鋼基礎上添加了 NbO. 20-1. 10%, ReO. 01-0. 2%,其余為Fe;該鋼綜合性能好和制備成本較低。 以上氣閥鋼終因鎳含量較高，制備成本居高不下。

發明內容
本發明提供一種成分設計合理，產品綜合性能好、鎳含量低、大幅度降低 生產中的耗電量、制備成本低的奧氏體氣門用鋼及其生產工藝。
本發明是通過如下技術方案來實現的奧氏體氣門用鋼及其生產工藝，其 成分質量百分比為C: 0.57-0.65 , Si: <0. 25， Mn: 9.50-11.50， Ni: < 1. 50, Cr: 20. 00-22. 00, P:《0. 050， S:《0. 030, N: 0. 40—0. 60, Nb: 1. 00-1. 20, V: 0.75-1.00，余鐵和不可避免雜質；其生產工藝取上述組分材料，釆用電 爐冶煉、調質+氣體精煉+連鑄連軋工藝。
所述的電爐冶煉、調質+氣體精煉+連鑄連軋工藝包括下列步驟
(1) 電爐冶煉、調質，在1600-162(TC的溫度下，加原料于中頻感應爐中熔煉， 熔煉時間l-2小時，取樣分析后調質；
(2) 氣體精煉，氣體精煉是將中頻感應爐熔化的鋼水進行輸入氣體精煉，精 煉溫度1650-1670°C,精煉時間0.5-1小時，達到吹氣、除磷、除硫，摻合各種微量合金并微調質，使鋼水的化學成份達到產品規定的標準；
(3) 連鑄連軋，按產品要求澆鑄成連鑄坯，軋制成盤元；
(4) 退火、校直、截取、磨光。
在本發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，通過成分及元素含量的合理調整，使本發明氣閥鋼的成分中加入c 和N元素，主要考慮到C和N既是奧氏體化元素，又是間隙強化的元素，C和N 與Cr可以形成碳化物和碳氮化物，能有效的提高強化效果。當隨著C、 N含量 的合理提高，其材料的時效強度效果會更顯著，這樣可以保證本發明鋼在高溫 下具有足夠的高溫短時強度和長時高溫強度。在本發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化和抗燃氣高溫腐蝕性能，Cr與C、 N化合形成化合物，既提高了強度又提髙硬度從而提高耐磨性，但添加過多的 Cr元素則會有利于鐵素體的產生，或是a相的產生，這對本發明鋼在降低制備 成本和提高綜合性能不利，因此必須控制Cr的添加量。Mn是奧氏體化元素，Mn 可以替代Ni，從而降低鋼的成本，Mn的作用還在于有助于增中基體中N元素的 固溶效果，同時Mn也有助于抑制層狀析出的作用。但是，Mn的增加會降低鋼的 抗氧化和抗燃氣腐蝕性能，Mn還能與鋼中的S結合后形成MnS,從而使S的有 害作用降到最低，因此Mn元素的加入量選擇在9. 50-11.50%范圍內較合適。Ni 元素也是奧氏體形成的元素，對鋼的高溫強度和抗氧化性也有明顯地作用。Si 元素對提高鋼的抗氧化性和抗燃氣腐蝕性較為有利，但對鋼的塑性性能有不利 的影響，所以在本發明鋼中應控制在小于0.25%。鈮作為穩定鋼中碳的元素，優 先與碳結合形成NbC，減少M23C6的形成，達到防止敏化態晶間腐蝕的目的；鈮在鋼 中能形成金屬間相，可提高不銹鋼的強度。釩使鋼能耐鹽酸、稀硫酸、堿溶液和 海水的腐蝕，鉬能進一步提高不銹鋼對硫酸或還原性介質的耐腐蝕性能。本發明采用爐外氣體精煉+連鑄連軋技術，代替原有生產中的電渣重熔及 自結晶的工藝，去掉電渣爐這個高耗電設備，大幅度降低生產中的耗電量。用 于發動機的氣門鋼是一種合金鋼，它不但要有穩定的化學成份，還要有特別的 物理性能。本發明釆用爐外氣體精煉+連鑄連軋技術，生產的連鑄鋼坯可以滿足 氣門鋼的要求，不但能滿足氣門鋼的化學成份的要求，同時能滿足氣門鋼的物 理性能。
與現有技術相比，本發明有如下優點
(1) 采用配套連軋生產，可以節省二次加熱，節約大量能源。
(2) 氣體精煉可省去老工藝生產中的電渣重熔這道工序，節約大量電能。
(3) 提高了金屬的收得率和成材率，連鑄從根本上消除了模鑄的中注管的殘
鋼，又因連鑄鋼坯不需切點切尾，因而成材率也有提高。
(4) 提高了鑄坯質量，釆用連鑄方法可以合理地調節鑄坯的冷卻條件，實現 比較合理的冷卻速度，使鑄坯結晶比較穩定。內部組織致密，非金屬夾雜總量 比同種鋼錠低2oy。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。經對改進后的水平連鑄機生產出的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。
(5) 大地改善了勞動條件，減輕了工人的勞動強度。
(6) 是一種節鎳的鋼種，它可以節鎳7-9%，大大降低了不銹鋼產品的成本， 更節約了緊缺的金屬資源。
具體實施例方式
實施例1: 一種奧氏體氣門用鋼，其成分質量百分比為C: 0. 57, Si: 0. l5， Mn: 9.50, Ni:1.20, Cr: 20.00, P:0.008, S:0.003, N: 0.40， Nb: 1.00， V: 0.75,余鐵和不可避免雜質；其生產工藝取上述組分材料，釆用電爐冶煉、調質+氣體精煉+連鑄連軋工藝，具體包括下列步驟
(1) 電爐冶煉、調質。在1600-162(TC的溫度下，加原料于中頻感應爐中熔煉， 熔煉時間1-2小時，取樣分析后調質；
(2) 氣體精煉。氣體精煉是將中頻感應爐熔化的鋼水進行輸入氣體精煉，精 煉溫度1650-167(TC,精煉時間0. 5-l小時，達到吹氣、除磷、除硫，摻合各種 微量合金并微調質，使鋼水的化學成份達到產品規定的標準；
(3) 連鑄連軋。由煉鋼爐出的鋼水，經中間包運送到中間罐，經中間罐的水 口裝置鑄入結晶器，結晶器是紫銅或黃銅加工而成，其內壁和外壁之間通冷卻 水以冷卻鋼液，使鋼水迅速凝固成形，根據生產的品種和規格不同，結晶器的 尺寸和形式也可不同，當鋼水在結晶器內上升到要求的高度時，開動拉坯機， 以 一定的速度將鑄坯從結晶器牽引出，為防止鑄坯在拉出過程中漏鋼和減少結 晶器中的拉坯的阻力，提高鋼坯的物理性能，在澆鑄過程中還要使結晶器振動， 振動的大小、方向都是變化的，振動的頻率與鋼坯的速度有關，凝固的鋼坯還 要根據后道工序的要求切割成需要的尺寸，經輸送道進入后面的連鑄機，澆鑄 成滿足連軋機生產的連鑄坯，加溫軋制成盤元。
(4) 退火、校直、截取、磨光。退火溫度78(TC,保溫1.5小時。
實施例2: —種奧氏體氣門用鋼，其成分質量百分比為C:0.65 , Sh 0, 25，Mn: 11. 50, Ni: 1, 50, Cr: 22.00, P: 0. 050, S: 0. 030, N: 0.60, Nb: 1.20， V: 1.00,余鐵和不可避免雜質；其生產工藝取上述組分材料， 釆用電爐冶煉、調質+氣體精煉+連鑄連軋工藝，具體包括下列步驟
(1) 電爐冶煉、調質。在1600-162(TC的溫度下，加原料于中頻感應爐中熔煉， 熔煉時間l-2小時，取樣分析后調質；
(2) 氣體精煉。氣體精煉是將中頻感應爐熔化的鋼水進行輸入氣體精煉，精煉溫度1650-1670°C,精煉時間0.5-l小時，達到吹氣、除磷、除硫，摻合各種 微量合金并微調質，使鋼水的化學成份達到產品規定的標準；
(3)連鑄連軋。由煉鋼爐出的鋼水，經中間包運送到中間罐，經中間罐的 水口裝置鑄入結晶器，結晶器是紫銅或黃銅加工而成，其內壁和外壁之間通冷 卻水以冷卻鋼液，使鋼水迅速凝固成形，根據生產的品種和規格不同，結晶器 的尺寸和形式也可不同，當鋼水在結晶器內上升到要求的高度時，開動拉坯機， 以一定的速度將鑄坯從結晶器牽引出，為防止鑄坯在拉出過程中漏鋼和減少結 晶器中的拉坯的阻力，提高鋼坯的物理性能，在澆鑄過程中還要使結晶器振動， 振動的大小、方向都是變化的，振動的頻率與鋼坯的速度有關，凝固的鋼坯還 要根據后道工序的要求切割成需要的尺寸，經輸送道進入后面的連鑄機，澆鑄 成滿足連軋機生產的連鑄坯，加溫軋制成盤元。
(4)退火、校直、截取、磨光。退火溫度78(TC，保溫1.5小時。 以上詳細說明了本發明的實施方式，但這只是為了便于理解而舉的實例， 不應被視為是對本發明范圍的限制。同樣，任何所屬技術領域的技術人員均可 根據本發明的技術方案及其較佳實施例的描述，做出各種可能的等同改變或替 換，但所有這些改變或替換都應屬于本發明的權利要求的保護范圍。
權利要求
1、奧氏體氣門用鋼及其生產工藝，其成分質量百分比為C0.57-0.65，Si≤0.25，Mn9.50-11.50，Ni≤1.50，Cr20.00-22.00，P≤0.050，S≤0.030，N0.40-0.60，Nb1.00-1.20，V0.75-1.00，余鐵和不可避免雜質；其生產工藝取上述組分材料，采用電爐冶煉、調質+氣體精煉+連鑄連軋工藝。
2、 根據權利要求l所述的奧氏體氣門用鋼及其生產工藝，所述的電爐冶煉、 調質+氣體精煉+連鑄連軋工藝包括下列步驟(1) 電爐冶煉、調質，在1600-162(TC的溫度下，加原料于中頻感應爐中熔煉， 熔煉時間l-2小時，取樣分析后調質；(2) 氣體精煉，氣體精煉是將中頻感應爐熔化的鋼水進行輸入氣體精煉，精 煉溫度1650-1670°C,精煉時間0. 5-1小時，達到吹氣、除磷、除硫，摻合各種微量合金并微調質，使鋼水的化學成份達到產品規定的標準；(3) 連鑄連軋，按產品要求澆鑄成連鑄坯，軋制成盤元；(4) 退火、校直、截取、磨光。
全文摘要
本發明公開了一種奧氏體氣門用鋼及其生產工藝，其成分質量百分比為C0.57-0.65，Si≤0.25，Mn9.50-11.50，Ni≤1.50，Cr20.00-22.00，P≤0.050，S≤0.030，N0.40-0.60，Nb1.00-1.20，V0.75-1.00，余鐵和不可避免雜質；其生產工藝取上述組分材料，采用電爐冶煉、調質+氣體精煉+連鑄連軋工藝。該奧氏體氣門用鋼成分設計合理，產品綜合性能好、鎳含量低、其生產工藝大幅度降低生產中的耗電量、制備成本低。
文檔編號C22C38/58GK101429627SQ20071013527
公開日2009年5月13日 申請日期2007年11月6日 優先權日2007年11月6日
發明者劉莊庚, 劉莊明, 孫建平, 計建康, 陳春所, 黃明義 申請人:江蘇興海特鋼有限公司