[发明专利]具有改善的压缩屈服强度的铁-铬合金及其制造与使用方法

说明书

发明背景

更为严格的柴油机和天然气发动机的废气排放法律和内燃机的高功率输出已经导致发动机设计上的变化，包括在柴油机中需要高压电子燃料喷射系统和在天然气发动机中需要化学计量燃烧。按照新设计建构的发动机采用比先前的设计更高的燃烧压力、更高的工作温度和更少的润滑。新设计的部件包括气门座圈（VSI）经受明显更高的磨损率。进气和排气门座圈与气门例如必须能够以最低磨损（例如磨蚀、粘附和腐蚀磨损）承受大量气门冲击活动和燃烧活动。这已经推动了材料选择方面向着与柴油和天然气工业通常采用的气门座圈材料相比具有改善的耐腐蚀性的材料的转变。

柴油机开发中的另一新兴趋势是使用EGR（废气再循环）。采用EGR，废气送回至吸入的空气流中以减少废气排放中的氮氧化物（NOx）含量。在柴油机或天然气发动机中使用EGR可提高气门座圈的工作温度。因此，需要用于使用EGR的柴油机和天然气发动机的具有良好机械性质（包括热硬度和压缩屈服强度）的更低成本的气门座圈。

此外，由于废气含有可能生成酸的氮、硫、氯和其它元素的化合物，因此对于使用EGR的柴油机和天然气发动机而言，提高了对气门座圈用合金的改善的耐腐蚀性的需要。酸可侵袭气门座圈和气门，导致过早的发动机故障。

发明概述

铬-铁合金按重量%计包含：1至3%的C（优选1.5至2.3%、进一步优选1.6至2.2%）、1至3%的Si（优选1.6至2.3%、进一步优选1.7至2.3%）、至多3%的Ni（优选0.2至2.2%）、25至35%的Cr（优选27至34%、进一步优选28至32.5%）、1.5至3%的Mo（优选1.7至2.5%）、至多2%的W（优选0.04至2%、进一步优选0.4至1.5%）、2.0至4.0%的Nb（优选2.2至3.6%）、至多3.0%的V（优选至多1%）、至多3.0%的Ta（优选至多1%）、至多1.2%的B（优选至多0.7%）、至多1%的Mn（优选0.1至0.6%）和43至64%的Fe以及偶存杂质。在优选实施方案中，所述铬-铁合金按重量%计包含：1.9至2.0%的C、2至2.1%的Si、1.6至2.0%的Ni、31.3至31.9%的Cr、1.9至2.0%的Mo、1至1.5%的W、3.1至3.4%的Nb、0.003至0.05%的V、至多0.5%的Ta、0.4至0.6%的B、0.2至0.5%的Mn和54至56%的Fe以及偶存杂质。

所述铬-铁合金具有由一次碳化物（约40至60体积%、优选约50体积%）和具有富Nb（碳化物、氮化物、碳氮化物）强化相的高Cr/Mo铁素体（约40至60体积%、优选约50体积%）基质组成的铸态显微组织。本文中用于描述数字值的术语“约”意欲覆盖该数字值加或减10%的范围。所述一次碳化物优选为2.5微米或更小的针状碳化物，所述强化相优选为10微米或更小的多面体形状的碳化物、氮化物和/或碳氮化物。

所述铬-铁合金可以是铸件，该铸件具有40至56Rockwell C的铸态材料硬度（材料硬度）；约75℉下450至500的、约1000℉下280至300的、约1600℉下55至70的热硬度（HV10）；约75℉下80至220KSi的、约1000℉下60至130的压缩屈服强度；8×10^-6至13×10^-6/℃的线性热膨胀系数。

上述铬-铁合金用作发动机（如柴油机或天然气发动机）用的气门座圈。所述座圈优选地表现出在约1200℉下时效(aging)约20小时后每英寸座圈外径（O.D.）变化小于0.3×10^-3英寸的尺寸稳定性。

提供了一种运行内燃机的方法。在运行内燃机如柴油机或天然气发动机时，气门对气门座圈关闭以关闭内燃机的气缸，燃料在气缸内被点燃以运行该内燃机。该气门优选由高铬铁基合金或高温镍基超级合金组成；或该气门是用由碳化物强化的高温耐磨损合金表面硬化过的。

提供了一种制造上述铬-铁合金的方法。该铬-铁合金可以在约2700℉至约3000℉的温度下由熔体浇铸为成形部件；或该铬-铁合金的粉末可以压制为成形部件并在约1950℉至约2300℉的温度下在还原性气氛中烧结。所述还原性气氛可以是氢气或离解氨与氮气的混合物。所述成形部件可以是气门座圈并在约900℉至约1700℉的温度下析出硬化热处理约2小时至约15小时。所述热处理可以在惰性、氧化性或还原性气氛中或在真空中进行。

附图概述

图1是并入铬-铁合金（本文中称为J153合金）的气门座圈的气门组装件的横截面图。