本發(fā)明屬于高溫合金制造相關(guān)領(lǐng)域，具體涉及汽車或船艦發(fā)動(dòng)機(jī)氣閥用鎳基合金制造相關(guān)技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

高溫合金又叫熱強(qiáng)合金、耐熱合金或超合金，能在600℃以上的高溫及一定應(yīng)力作用下長(zhǎng)期工作。其具有較高的高溫強(qiáng)度，良好的抗氧化和抗熱腐蝕性能，良好的疲勞性能、塑性等綜合性能?；谏鲜鲂阅芴攸c(diǎn)，高溫合金被廣泛應(yīng)用于航空航天、電力、油氣、車輛等領(lǐng)域。從成分上劃分又可分為鎳基、鐵基、鈷基合金材料。

n80a(或稱nicr20tial)合金是一種鎳基時(shí)效強(qiáng)化高溫合金，以其優(yōu)異的高溫強(qiáng)度和良好的抗高溫腐蝕性能，廣泛應(yīng)用于航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片、緊固件、氣閥等關(guān)鍵部件。近年來(lái)，隨著汽車工業(yè)的不斷發(fā)展，以n80a為代表的一些鎳基高溫合金在汽車發(fā)動(dòng)機(jī)氣門中獲得應(yīng)用和推廣。雖然是應(yīng)用在民用領(lǐng)域，但氣門工作環(huán)境苛刻，不僅受到高溫、高壓燃?xì)獾臎_刷，而且承受很大的熱應(yīng)力和機(jī)械應(yīng)力。因此氣門為抵抗燃?xì)飧g，在具有較高的抗腐蝕性能的同時(shí)，還必須具有很高的高溫強(qiáng)度，同時(shí)也應(yīng)具有良好的疲勞性能。

正是由于上述較為苛刻的使用環(huán)境，對(duì)于氣門材料的使用性能也提出了很高的要求。目前，氣閥對(duì)鎳基合金棒材晶粒度要求達(dá)到5級(jí)或更細(xì)，特別是棒材經(jīng)過(guò)1050-1080℃固溶處理后，晶粒度仍能保持5級(jí)而不粗化。根據(jù)第二相控制晶粒原理，要確保1050-1080℃保溫晶粒組織不粗化，必需有第二相粒子控制晶粒。n80a合金中，m23c6相在1020℃下會(huì)全部溶解，不能有效控制1050-1080℃固溶溫度下的晶粒長(zhǎng)大。m7c3相雖然在高溫下屬于穩(wěn)定相，但會(huì)以不規(guī)則形狀的塊狀析出，分布不均勻，容易呈條帶狀聚集長(zhǎng)大，高溫固溶時(shí)難以阻擋晶界遷移，不能有效控制晶粒長(zhǎng)大。

經(jīng)搜索鎳基合金、氣門、氣閥等關(guān)鍵詞，發(fā)現(xiàn)共有5項(xiàng)發(fā)明專利、2項(xiàng)實(shí)用新型專利與之相關(guān)。2項(xiàng)實(shí)用新型專利均為相關(guān)的氣門結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與本專利材料無(wú)關(guān)。5項(xiàng)發(fā)明專利中，zl201610749580.3介紹的是一種氣門堆焊的焊接方法，與本專利無(wú)關(guān)；zl201210247887.5涉及到的氣門用鎳基合金材料成分為77-82％的鎳、2.2-3.4％的鐵、9.5-12.5％的鉻、0.1-0.5％的碳、3.5-4.2％的硅、2.0-2.5％的硼，與本專利合金成分差異較大；zl201210085856.4專利中介紹的是一種新型內(nèi)燃機(jī)排氣閥用鎳基合金，成分為c：0.02-0.05％，cr：21.0-25.0％，ti：2.4-3.0％，al：1.6-2.2％，fe：3.0-5.0％，co：0-3％，nb：0.02-0.5％，余量為ni和不可避免的雜質(zhì)，與本專利合金的成分亦有差別；專利zl201510163235.7涉及一種內(nèi)燃機(jī)用排氣閥中環(huán)形閥座區(qū)的方法，專利zl201610557469.4為一種船用低速機(jī)氣閥密封面堆焊鎳基合金焊接工藝。故所涉及專利均與本專利無(wú)關(guān)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明旨在提供一種發(fā)動(dòng)機(jī)氣門用高性能鎳基合金材料及其制備方法。通過(guò)調(diào)整c、mo、cr等元素的含量并結(jié)合一定的制造方法，采用m23c6相和m7c3相進(jìn)行雙重控制，起到釘扎晶界的作用進(jìn)而實(shí)現(xiàn)高溫固溶晶粒不粗化的要求。同時(shí)得到的材料性能優(yōu)異，滿足發(fā)動(dòng)機(jī)氣門的使用要求。

本發(fā)明是通過(guò)以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的：

本發(fā)明提供了一種用于氣閥的鎳基合金材料，其包括按重量百分?jǐn)?shù)計(jì)的如下元素：

c：0.05-0.10％；cr：20.0-23.0％；mo：0.15-1.0％；al：1.00-1.90％；ti：1.80-2.80％；fe≤1.0％；co≤2.0％；s≤0.004％；p≤0.007％；si≤0.40％；mn≤0.35％；zr≤0.05％；b≤0.008％，余量為鎳和不可避免的雜質(zhì)。

下面對(duì)于本發(fā)明合金中關(guān)鍵元素成分范圍及其控制理由做如下說(shuō)明：

1)c：0.05-0.10％；

c是鎳基高溫合金中碳化物形成的必需元素。合理控制化學(xué)成分和熱加工過(guò)程，在本合金中可以獲得mc、m23c6和m7c3三種碳化物。c含量過(guò)低小于0.05％時(shí)難以產(chǎn)生足夠的m23c6及m7c3相來(lái)起到釘扎晶界作用，晶粒尺寸較為粗大。而碳含量過(guò)高又會(huì)形成過(guò)多的碳化物造成夾雜物超標(biāo)和引起偏析問(wèn)題，致使晶粒不均勻和合金塑性惡化。因此c含量需要控制在0.05-0.10％范圍內(nèi)。

2)cr：20.0-23.0％；

cr是該合金中的基體元素，固溶在基體中主要起增加合金抗氧化和耐腐蝕能力。同時(shí)能夠促進(jìn)碳化物m23c6及m7c3相的析出，且提高cr含量可以提高m23c6相的穩(wěn)定性，并增加m23c6和m7c3相的數(shù)量。當(dāng)cr含量較低時(shí)析出的碳化物較少；cr含量過(guò)高時(shí)會(huì)抑制m7c3的形成，m7c3析出范圍縮小，這對(duì)于晶粒組織控制不利。因此綜合考慮將cr含量控制在20.0-23.0％。

3)mo：0.15-1.0％；

mo在該合金中主要起固溶強(qiáng)化和參與碳化物反應(yīng)的作用。mo會(huì)置換m23c6中的cr影響m23c6相的析出，隨著mo含量的升高、可以提高m23c6相的穩(wěn)定性，同時(shí)減少m7c3相聚集長(zhǎng)大傾向。當(dāng)mo含量較低時(shí)，m23c6穩(wěn)定性較低，高溫固溶時(shí)難以起到釘扎晶界的作用；而mo含量過(guò)高時(shí)會(huì)導(dǎo)致m7c3相數(shù)量減少，同時(shí)有在基體中析出μ相損害合金持久性能的傾向并且mo含量過(guò)高也會(huì)增加成本。因此綜合考慮將mo含量控制在0.15-1.0％。

4)al：1.00-1.90％；

al是鎳基合金中γ′相的主要元素，通過(guò)控制合適的鋁元素，可以析出一定數(shù)量γ′組織，通過(guò)與基體γ固溶體形成共格或半共格的關(guān)系，進(jìn)而形成強(qiáng)化。同時(shí)，al的加入對(duì)于合金的抗氧化性能有明顯的提高，在高溫下形成一層致密的氧化膜，對(duì)合金形成保護(hù)。al含量越高，γ′相的析出量越大，但al過(guò)高會(huì)增加合金熱加工的難度，使材料容易產(chǎn)生裂紋。因此al控制在1.00-1.90％。

5)ti：1.80-2.80％；

本合金中含有較高ti，是因?yàn)楹辖鹬衪i很容易溶入γ′相，也可作為其主要形成元素。ti進(jìn)入γ′后，使γ′析出減慢，有阻止過(guò)時(shí)效的作用，這種作用使合金適合在高溫工作環(huán)境中長(zhǎng)期使用。但ti加入過(guò)多就會(huì)產(chǎn)生了ni3ti(η相)，而ni3ti相無(wú)時(shí)效硬化能力，因此本合金ti含量的控制范圍在1.80-2.80％。

作為優(yōu)選方案，各元素的重量百分?jǐn)?shù)分別為：

c：0.06-0.08％；cr：21.0-22.5％；mo：0.30-0.80％；al：1.00-1.90％；ti：1.80-2.80％；fe≤1.0％；co≤2.0％；s≤0.004％；p≤0.007％；si≤0.40％；mn≤0.35％；zr≤0.05％；b≤0.008％，余量為鎳和不可避免的雜質(zhì)。

一種如前述的用于氣閥的鎳基合金材料的制備方法，其包括如下步驟：

按照元素成分配比配料后，進(jìn)行真空感應(yīng)熔煉、澆注成型，得到電極；

將所述電極進(jìn)行電渣重熔，得到電渣錠；

將所述電渣錠經(jīng)熱鍛開坯，得到鎳基合金材料棒材；

將所述鎳基合金材料棒材依次進(jìn)行固溶處理和時(shí)效處理。

經(jīng)過(guò)固溶處理后(1080℃×1h)晶粒組織不長(zhǎng)大仍維持在5級(jí)或更細(xì)。該成分范圍的鎳基合金材料經(jīng)合適的固溶處理及時(shí)效處理后，室溫抗拉強(qiáng)度大于1200mpa，屈服強(qiáng)度在860-920mpa之間，斷裂延伸率大于20％，斷面收縮率大于25％，室溫旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞極限(107周)在480-520mpa之間。

作為優(yōu)選方案，所述熱鍛的方法為：

將電渣錠在1150-1170℃下保溫至少3h后，鐓粗至原長(zhǎng)度的1/3-1/2，再拔長(zhǎng)到原長(zhǎng)度，在1150-1170℃下回爐保溫2h，然后拔長(zhǎng)至φ300的棒材，在絕熱棉的保護(hù)下，在1070-1130℃下回爐，得到棒坯；

將所述棒坯在1080-1120℃下保溫5-8h后，拔長(zhǎng)至φ200的棒材，進(jìn)行鍛造后，空冷，控制終鍛溫度不低于1000℃。

作為優(yōu)選方案，所述固溶處理的溫度為1070-1090℃，時(shí)間為1h，空冷處理。

作為優(yōu)選方案，所述時(shí)效處理的溫度為700-720℃，時(shí)間為16h，空冷處理。

本發(fā)明的方法主要有優(yōu)點(diǎn)：

本發(fā)明相比原有技術(shù)的優(yōu)勢(shì)在于通過(guò)調(diào)整c、mo、cr等元素的含量并結(jié)合一定的制造方法，使得m23c6相的穩(wěn)定性提升并通過(guò)m23c6相和m7c3相進(jìn)行雙重控制、起到釘扎晶界的作用進(jìn)而實(shí)現(xiàn)高溫固溶晶粒組織不長(zhǎng)大仍維持在5級(jí)或更細(xì)的要求。同時(shí)得到的材料性能優(yōu)異，滿足發(fā)動(dòng)機(jī)氣門的使用要求。

附圖說(shuō)明

通過(guò)閱讀參照以下附圖對(duì)非限制性實(shí)施例所作的詳細(xì)描述，本發(fā)明的其它特征、目的和優(yōu)點(diǎn)將會(huì)變得更明顯：

圖1為本發(fā)明中實(shí)施例5得到的棒材(固溶態(tài))的中心(6.0～5.0級(jí))的金相照片(放大100倍)；

圖2為本發(fā)明中實(shí)施例5得到的棒材(固溶態(tài))的r/2處(6.0～5.5級(jí))的金相照片(放大100倍)；

圖3為本發(fā)明中實(shí)施例5得到的棒材(固溶態(tài))的邊緣處(7.0～6.0級(jí))的金相照片(放大100倍)；

圖4為對(duì)比合金棒材(固溶態(tài))的中心(2～5級(jí))的金相照片(放大100倍)；

圖5為對(duì)比合金棒材(固溶態(tài))的r/2處(1～5級(jí))的金相照片(放大100倍)；

圖6為對(duì)比合金棒材(固溶態(tài))的邊緣處(0～5級(jí))的金相照片(放大100倍)；

圖7為鋼錠鍛造的加熱曲線圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。以下實(shí)施例將有助于本領(lǐng)域的技術(shù)人員進(jìn)一步理解本發(fā)明，但不以任何形式限制本發(fā)明。應(yīng)當(dāng)指出的是，對(duì)本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，在不脫離本發(fā)明構(gòu)思的前提下，還可以做出若干變形和改進(jìn)。這些都屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。

本發(fā)明的實(shí)施例1～5和對(duì)比合金的元素配比如表1所示，制備方法詳述如下：

按照元素成分配比配料后，進(jìn)行真空感應(yīng)熔煉、澆注成型，得到φ340的電極；

將所述電極進(jìn)行電渣重熔，得到φ430的電渣錠；

將所述電渣錠在1150-1170℃下保溫至少3h后，鐓粗至原長(zhǎng)度的1/3-1/2，再拔長(zhǎng)到原長(zhǎng)度，在1150-1170℃下回爐保溫2h，然后拔長(zhǎng)至300圓，在絕熱棉的保護(hù)下，在1070-1130℃下回爐，得到棒坯；

將所述棒坯在1080-1120℃下保溫5-8h后，拔長(zhǎng)至200圓，進(jìn)行鍛造后，空冷，控制終鍛溫度不低于1000℃，得到棒材，鍛造時(shí)的溫度曲線如圖7所示；

將所述鎳基合金材料棒材依次進(jìn)行固溶處理和時(shí)效處理，其中，固溶處理的溫度為1070-1090℃，時(shí)間為1h，空冷處理；時(shí)效處理的溫度為700-720℃，時(shí)間為16h，空冷處理。

實(shí)施例1～5和對(duì)比合金經(jīng)過(guò)固溶處理及時(shí)效處理后，相應(yīng)的晶粒度對(duì)比情況如表2，性能對(duì)比情況如表3，以實(shí)施例5為例、固溶態(tài)金相組織與對(duì)比合金的金相組織分別見圖1～6。

表1合金的化學(xué)成分(重量百分比)

表2合金棒材晶粒度評(píng)級(jí)(固溶態(tài))

表3合金性能數(shù)據(jù)對(duì)比

從以上實(shí)施例與對(duì)比合金的相關(guān)數(shù)據(jù)照片對(duì)比可知，按照本發(fā)明專利介紹的合金成分控制思路及特定制造方法所制備的合金，其固溶態(tài)棒材平均組織達(dá)到5級(jí)或更細(xì)，且相比現(xiàn)有合金有更加優(yōu)異的室溫力學(xué)性能和疲勞性能，完全滿足發(fā)動(dòng)機(jī)氣門選材的標(biāo)準(zhǔn)要求。

綜上所述，僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例而已，并非用來(lái)限定本發(fā)明實(shí)施的范圍，凡依本發(fā)明權(quán)利要求范圍所述的形狀、構(gòu)造、特征及精神所為的均等變化與修飾，均應(yīng)包括于本發(fā)明的權(quán)利要求范圍內(nèi)。

技術(shù)特征：

1.一種用于氣閥的鎳基合金材料，其特征在于，包括按重量百分?jǐn)?shù)計(jì)的如下元素：

c：0.05-0.10％；cr：20.0-23.0％；mo：0.15-1.0％；al：1.00-1.90％；ti：1.80-2.80％；fe≤1.0％；co≤2.0％；s≤0.004％；p≤0.007％；si≤0.40％；mn≤0.35％；zr≤0.05％；b≤0.008％，余量為鎳和不可避免的雜質(zhì)。

2.如權(quán)利要求1所述的用于氣閥的鎳基合金材料，其特征在于，各元素的重量百分?jǐn)?shù)分別為：

c：0.06-0.08％；cr：21.0-22.5％；mo：0.30-0.80％；al：1.00-1.90％；ti：1.80-2.80％；fe≤1.0％；co≤2.0％；s≤0.004％；p≤0.007％；si≤0.40％；mn≤0.35％；zr≤0.05％；b≤0.008％，余量為鎳和不可避免的雜質(zhì)。

3.一種如權(quán)利要求1或2所述的用于氣閥的鎳基合金材料的制備方法，其特征在于，包括如下步驟：

按照元素成分配比配料后，進(jìn)行真空感應(yīng)熔煉、澆注成型，得到電極；

將所述電極進(jìn)行電渣重熔，得到電渣錠；

將所述電渣錠經(jīng)熱鍛開坯，得到鎳基合金材料棒材；

將所述鎳基合金材料棒材依次進(jìn)行固溶處理和時(shí)效處理。

4.如權(quán)利要求3所述的用于氣閥的鎳基合金材料的制備方法，其特征在于，所述固溶處理的溫度為1070-1090℃，時(shí)間為1h。

5.如權(quán)利要求3所述的用于氣閥的鎳基合金材料的制備方法，其特征在于，所述時(shí)效處理的溫度為700-720℃，時(shí)間為16h。

6.如權(quán)利要求3所述的用于氣閥的鎳基合金材料的制備方法，其特征在于，所述熱鍛開坯的方法為：

將電渣錠在1150-1170℃下保溫至少3h后，鐓粗至原長(zhǎng)度的1/3-1/2，再拔長(zhǎng)到原長(zhǎng)度，在1150-1170℃下回爐保溫2h，然后拔長(zhǎng)至φ300的棒材，在絕熱棉的保護(hù)下，在1070-1130℃下回爐，得到棒坯；

將所述棒坯在1080-1120℃下保溫5-8h后，拔長(zhǎng)至φ200的棒材，進(jìn)行鍛造后，空冷，控制終鍛溫度不低于1000℃。

7.如權(quán)利要求3所述的用于氣閥的鎳基合金材料的制備方法，其特征在于，所述固溶處理的溫度為1070-1090℃，時(shí)間為1h，空冷處理。

8.如權(quán)利要求3所述的用于氣閥的鎳基合金材料的制備方法，其特征在于，所述時(shí)效處理的溫度為700-720℃，時(shí)間為16h，空冷處理。

技術(shù)總結(jié)

本發(fā)明涉及一種用于氣閥的鎳基合金材料，其包括按重量百分?jǐn)?shù)計(jì)的如下元素：C：0.05?0.10％；Cr：20.0?23.0％；Mo：0.15?1.0％；Al：1.00?1.90％；Ti：1.80?2.80％；Fe≤1.0％；Co≤2.0％；S≤0.004％；P≤0.007％；Si≤0.40％；Mn≤0.35％；Zr≤0.05％；B≤0.008％，余量為鎳和不可避免雜質(zhì)。本發(fā)明相比原有技術(shù)的優(yōu)勢(shì)在于通過(guò)調(diào)整C、Mo、Cr等元素的含量并結(jié)合一定的制造方法，使得M23C6相的穩(wěn)定性提升并通過(guò)M23C6相和M7C3相進(jìn)行雙重控制、起到釘扎晶界的作用進(jìn)而實(shí)現(xiàn)高溫固溶晶粒組織不長(zhǎng)大仍維持在5級(jí)或更細(xì)的要求。

技術(shù)研發(fā)人員：陳濛瀟;王資興;曹秀麗

受保護(hù)的技術(shù)使用者：寶武特種冶金有限公司

技術(shù)研發(fā)日：2020.01.14

技術(shù)公布日：2021.07.30