[发明专利]奥氏体耐热气阀钢制造方法

说明书

技术领域

本发明涉及具有良好热加工性能的钢材及其制造方法，更具体地说，涉及奥氏体耐热气阀钢制造方法。

背景技术

21-4NWNb(5Cr21Mn9Ni4Nb2WN)钢是欧美各国在21-4N(5Cr21Mn9Ni4N)钢基础上发展的一种高强度奥氏体气阀钢，主要用于制造高负荷发动机的排气阀，在700～850℃之间服役具有有良好的高温强度、较高的耐热应力疲劳性能、良好的高温耐磨性和耐高温燃气腐蚀性能。该钢种已被纳入了各国的气阀钢标准中，如我国的国标GB/T12773-2008“内燃机用气阀钢及高温合金棒材”中对该钢种也有具体的描述。而且随着我国对尾气排放要求执行更严格的标准，即实施“国五”排放标准，限制汽车废气排放污染物(氮氧化物NOx、碳氢化合物HC、一氧化碳CO和悬浮粒子等)对环境造成的危害而采用的汽车废气排放标准，这就要求内燃机或汽车发动机的燃气温度提高以提高发动机的效率和功率，因此排气阀的工作温度要求越来越高，工况也越来越苛刻，从而对满足这些工作温度和工况的21-4NWNb气阀钢的需求量也越来越大。

从该钢种的成分看，它是在21-4N钢的基础上加W、Nb合金进一步合金化，弥散分布在组织中，使钢种热强性极大地提高，而不影响其延展性。它通过Nb和W元素增加钢的热强性，以Nb与碳、氮形成碳氮化物的形式，避免21-4N钢长期使用在高温下有层状析出物增多(21-4N钢经750℃100小时时效后层状析出物大于40％)而导致基体贫铬造成高温抗腐蚀性能显著下降甚至断裂的现象。不过，21-4NWNb钢热强性增加造成了该合金另一个方面的难题，即如何具有良好的热加工性能？因为增加的W和Nb使得晶界碳化物的沉淀行为更加复杂，热加工的温度范围更加狭窄，在热加工过程中非常容易出现劈裂、角部裂纹等缺陷。而且目前气阀钢产品交货形式是棒材(直径大于14mm)或线材(直径介于5.5～14mm)，对于大规格模铸锭型(≥1.2吨)来说，在高温下变形量非常大，特别容易出现裂纹、雀皮和折叠等缺陷，造成后续冷加工如矫直困难、磨削加工量大大增大、成材率非常低和报废率非常高等困难。针对21-4NWNb钢大锭生产这些方面的情况，如何提高21-4NWNb钢的热塑性已经成为该类钢种能够稳定生产的首要前提。

现有技术中存在相似的排气门耐热钢，其成分是：

0.50-0.80％C、0.30-0.60％N、17.0-25.0％Cr、4.0-12.0％Ni、7.0-14.0％Mn、2.0-6.0％Mo、0.5-1.5％Si、0.025-1.5％Nb、P≤0.03％，并通过添加0.001≤(Mg、Ca)≤0.01、0.001≤B≤0.03、0.001≤Zr≤0.1等提高钢的热加工性能。

其生产的工艺过程包括：熔炼-浇铸-均匀化热处理-锻造-固溶处理-时效处理。由于该专利采用的熔炼方法是真空感应炉熔炼，而且所浇铸的锭子只有50kg，并采用自由锻造进行热加工，这样的工艺过程是否适合大规格钢锭进行棒材和线材盘条生产不得而知。

同样，专利ZL200410037808.3发明的经济型气阀钢也是在21-4N的基础上加Nb0.35-0.60％、Re0.01-0.2％，性能虽然比较优异，但其是在50kg的真空感应炉中进行的冶炼，并经锻造加工而成，对于能否进行大规格钢锭生产棒材和线材盘条不得而知。

专利CN201210419612.5则针对5Cr21Mn9Ni4Nb2WN钢(21-4NWNb钢)的重量大于1吨的铸锭提出了轧制开坯生产方法。但由于5Cr21Mn9Ni4Nb2WN钢本身热塑性温度范围比较窄，使得该类钢开坯的坯料上特别容易出现角裂、面裂等缺陷，从而使得坯料质量不大稳定，加大后续精整量和影响精整的质量，造成后续棒材和线材盘条生产容易出现缺陷而报废。

针对21-4NWNb钢大锭生产这些方面的情况，为提高21-4NWNb钢的热塑性，本发明提出其成分需要进行调整，并选择合理的生产工艺路线和工艺参数，以减少裂纹、雀皮和折叠等缺陷的发生率，改善矫直难度，降低报废率和提高成材率。

发明内容

针对现有技术中存在的21-4NWNb钢容易角裂、面裂，并且性能不佳的问题，本发明的目的是提供奥氏体耐热气阀钢制造方法

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：