第11章氣閥用奧氏體耐熱鋼冶煉

1、第11章 氣閥用奧氏體耐熱鋼的冶煉主講人：姚春發(fā) 高工11.1氣閥用奧氏體耐熱鋼概況11.1.1氣閥鋼的含義用于制作動力機械汽油機、柴油機氣缸的進氣閥和排氣閥使用的耐熱鋼，稱為氣閥鋼。氣閥鋼是在300 900高溫燃氣腐蝕介質(zhì)中使用的耐熱和耐蝕鋼種。按照使 用條件，可分為馬氏體氣閥鋼、奧氏體氣閥鋼及高溫合金三個類別。11.1氣閥用奧氏體耐熱鋼概況11.1.2氣閥的工作條件單缸四沖程汽油機工作程序分為以下四個行程1.進氣行程2.壓縮行程3.膨脹行程2.排氣行程汽油機啟動之后，按照上述四個行程重復運轉，直到汽油機停車。在汽油機運 行期間，進、排氣閥一直處于高溫、高應力、高腐蝕性燃氣介質(zhì)中工作。因此，

2、要 求制作閥門的材料具備高的高溫強度、耐蝕性和耐磨性等性能。11.1氣閥用奧氏體耐熱鋼概況11.1.3氣閥鋼的用途1.汽油機閥門鋼的應用低、中檔轎車的進氣閥采用4Cr10Si2Mo,排氣閥用214N;高檔轎車進氣閥用 21-4N,排氣閥用 214NWNb、NCF751 等。2.柴油機閥門鋼的應用重型卡車柴油機進氣閥用4Cr9Si2、4Cr10Si2Mo等，排氣閥用21-12N、23-8N、 214NWNb 等3.高速柴油機閥門鋼的應用機車、船艦高速柴油機進氣閥用4Cr10Si2Mo、4Cr14Ni14W2Mo等。排氣閥用 21-12N、214NWNb、4Cr14Ni14W2Mo、NCF751

3、等11.1氣閥用奧氏體耐熱鋼概況11.1.4氣閥鋼的使用特性作為氣閥鋼應具備下列使用特性，才能適應其工作條件。1.良好的高溫強度2.良好的高溫疲勞性能3.優(yōu)良的耐高溫腐蝕性能4.耐磨損性能5.加工工藝性能11.1氣閥用奧氏體耐熱鋼概況11.1.5奧氏體氣閥鋼的化學成分四個奧氏體氣閥鋼鋼號，通用型鋼號的簡化符號列入括號內(nèi)。(1)55Cr21Mn9Ni4N (21-4N)鋼這是國際上廣泛應用的奧氏體氣閥鋼，主 要用于汽油機和柴油機排氣閥。它具有較高的高溫強度和耐熱腐蝕性能。(2)55Cr21MnlONi2N (21-2N)鋼這是在21-4N的基礎上，降低鎳2% (質(zhì) 量分數(shù)），增加錳2% (質(zhì)量分

4、數(shù)），以降低成本。高溫強度略低于21-4N，主要用 于中等功率轎車用汽油機排氣閥。(3)33Cr23Mn3Ni8N (23-8N)鋼具有高的耐高溫燃氣腐蝕性能和較高的高 溫強度。主要用于替代含鎳量較高的21-12N，用于制作中等負荷柴油機的排氣閥。(4)50Cr21Mn9Ni4WNb2N (2l-4NWNb)鋼它具有高的高溫強度，用于制作 中等負荷柴油機的排氣閥。11.2合金元素在奧氏體氣閥鋼中的作用11.2.1 碳元素的作用碳是奧氏體氣閥鋼重要的合金化元素，其主要作用有以下幾方面。1.形成和穩(wěn)定奧氏體高溫下工作的氣閥鋼，要求組織結構和性能長期穩(wěn)定，奧氏體是理想的組織結 構。碳是強烈形成和穩(wěn)定

5、奧氏體的元素。2.強化奧氏體組織在氣閥鋼中，碳以碳化物和固溶兩種形式，使鋼得到強化。奧氏體氣閥鋼的強 度、硬度和耐磨性能等，均隨著含碳量的增加而升高，而鋼的塑性、韌性、加工性 能和耐蝕性相應下降。3.降低耐蝕性隨著含碳量的增加，氣閥鋼的耐氧化性能和耐高溫熱腐蝕性能下降。11.2合金元素在奧氏體氣閥鋼中的作用11.2.2氮元素的作用大部分奧氏體氣閥鋼均含有氮，其含量遠高于其他高合金鋼。氮在奧氏體氣閥 鋼中起著重要的、其他元素難以替代的作用。1.形成和穩(wěn)定奧氏體氮與碳同樣是強烈形成和穩(wěn)定奧氏體的元素，其能力與碳相同。2.強化奧氏體組織在奧氏體氣閥鋼中，氮以碳氮復合化合物、氮化物和固溶形成強化氣閥鋼

6、。氮對鋼的強化作用有別于碳，不同之處主要表現(xiàn)在以 下幾點：1）氮化物的強化機制。2）細化晶粒提高鋼的屈服強度。3.增強Cr203保護膜的致密性和穩(wěn)定性隨著鋼中含氮量的增加，促進了保護膜中Cr203含量的增長，并提高了保護膜 的致密度，強化了保護作用。11.2合金元素在奧氏體氣閥鋼中的作用11.2.3鉻元素的作用鉻在奧氏體氣閥鋼中的作用，主要表現(xiàn)在以下兩方面。1.保持鋼的抗氧化性能和耐熱腐蝕性能奧氏體氣閥鋼的含鉻量（質(zhì)量分數(shù)）在20%左右。如此高的含鉻量，可以保 持鋼在800 900下具有良好的抗氧化性能和耐高溫燃氣腐蝕性能。2.以鉻的氮化物和碳化物使鋼強化鉻在奧氏體氣閥鋼中會形成碳化物Cr23

7、C6、Cr7C3及氮化物Cr2N。這些鉻的化 合物在固溶處理后的時效過程中，以細小彌散狀質(zhì)點在基體中析出，從而顯著提髙 鋼的硬度和強度，使鋼具有良好的耐磨性能和使用壽命。11.2合金元素在奧氏體氣閥鋼中的作用11.2.4鎳和錳元素的作用1.形成和穩(wěn)定奧氏體鎳、錳均為奧氏體形成元素。錳的奧氏體形成能力很弱，僅為鎳的一半。2.改善氣閥鋼的塑性和韌性高碳高氮奧氏體氣閥鋼的強度和硬度很高。為了改善鋼的塑性和靭性，通常加 人鎳和錳進行調(diào)節(jié)。氮是提高奧氏體氣閥鋼強度的重要合金化元素，保持氮在鋼中高的溶解度是獲 得高性能氣閥鋼的關鍵。11.2合金元素在奧氏體氣閥鋼中的作用11.2.5鎢、鉬、釩、鈮的作用1.

8、鎢在氣閥鋼中的作用鎢在氣閥鋼中以簡單碳化物W2C、WC,以及復合碳化物（W, Fe)23C6等形 式存在。細小的碳化鎢能阻止高溫時晶粒粗化，提髙鋼的高溫強度。2.鉬在氣閥鋼中的作用鉬在奧氏體氣閥鋼中的含量（質(zhì)量分數(shù)）為0.25% 1.25%,少量鉬在鋼中 主要作用是提高高溫強度和改善熱處理性能。3.釩在氣閥鋼中的作用釩在奧氏體氣閥鋼的含量（質(zhì)量分數(shù)）為0.75% -1.00%。釩是強碳化物形 成元素，主要以VC的形式存在。固溶處理時，VC溶于奧氏體，時效過程以細小 彌散狀VC析出使基體強化，提高鋼的耐磨性能。4.鈮在氣閥鋼中的作用奧氏體氣閥鋼中，鈮含量（質(zhì)量分數(shù)）為1.00% 2.50%。鈮在

9、鋼中主要以 氮化鈮NbN和碳化鈮NbC的形式存在。固溶處理時，兩者均溶解于奧氏體中；時效過程中，以細小彌散狀氮化物或碳化物析出在基體上，使鋼強化。11.3影響奧氏體氣閥鋼質(zhì)量的冶金因素11.3.1嚴格控制鋼的化學成分1.碳和氮元素含量的控制碳、氮是奧氏體氣閥鋼中最重要強化元素。碳、氮含量決定了鋼中強化相碳化 物和氮化物的數(shù)量。這將對氣閥鋼的高溫強度、初性和耐熱腐蝕等性能產(chǎn)生顯著的 影響。2.鋼中含硅量的控制部分奧氏體氣閥鋼中，要求把含硅量（質(zhì)量分數(shù)）控制在不大于0.35%或0.25%,其目的是防止硅對鋼高溫加熱時促進奧氏體晶粒粗化。11.3影響奧氏體氣閥鋼質(zhì)量的冶金因素11. 3. 2控制鋼中

10、非金屬夾雜物的數(shù)量奧氏體氣閥鋼主要用于制作在髙溫、高應力、高熱腐蝕性介質(zhì)中使用的排氣 閥。對鋼中非金屬夾雜物有比較嚴格的要求。表11-4列出奧氏體氣閥鋼對非金屬 夾雜物的技術要求。11.3影響奧氏體氣閥鋼質(zhì)量的冶金因素11.3.3控制鋼中碳化物和氮化物的不均勻性奧氏體氣閥鋼中含有大量的碳化物和氮化物，當其分布不均勻產(chǎn)生偏析時，會 影響鋼材的使用性能。11.3.4細化鋼的晶粒度奧氏體氣閥鋼為了得到高的屈服強度，以減少氣閥工作過程的變形量，減少泄 漏，對氣閥鋼的晶粒度提出具體要求。通常要求經(jīng)固溶處理后的晶粒度應控制在7 至9級。并且還希望晶粒均勻、無混晶現(xiàn)象。11.4奧氏體氣閥鋼的冶煉工藝及操作要

11、點11.4.1中頻感應爐冶煉奧氏體氣閥鋼的操作要點利用中頻感應爐冶煉奧氏體氣閥鋼時，要重點控制以下問題。1.冶煉用原材料的選擇冶煉奧氏體氣閥鋼使用的原材料，包括中碳鉻鐵、低碳錳鐵、氮化鉻鐵、氮化 金屬錳、鎢鐵、鉬鐵、釩鐵、鈮鐵、返回料（本鋼種返回料和不銹鋼返回料）、碳 素鋼廢料等。針對冶煉鋼中硅含量的不同，分別選用相應牌號的原材料。2.中頻感應爐冶煉低硅氣閥鋼時含硅量的控制方法（1）雙聯(lián)法冶煉氣閥鋼中含硅量的控制低硅氣閥鋼中含硅量的控制措施， 包括感應爐爐料的選用、感應爐降硅和感應爐脫氧等方法。（2）利用低硅爐料配料平衡含硅量 利用低硅鐵合金和廢鋼、返回料進行配 料，以便確定由爐料帶入的硅量。

12、11.4奧氏體氣閥鋼的冶煉工藝及操作要點(3)降低鋼液含硅量的方法中頻感應爐冶煉氣閥鋼，降低鋼液含硅量有以 下三種方法1）直接吹氧氧化法降低含硅量。2）間接氧化法降低含硅量。3）利用爐料加熱自行氧化降低含硅量。（4）防止擴散脫氧過程鋼液增硅冶煉低硅氣閥鋼時，不能造中性渣，即用 粘土磚碎塊和高鋁磚碎塊造渣，以及使用鋁粉進行擴散脫氧.以免引起鋼液增硅。11.4奧氏體氣閥鋼的冶煉工藝及操作要點3.中頻感應爐冶煉奧氏體氣閥鋼時鋼中碳、氮的控制碳、氮是奧氏體氣閥鋼中的重要組成元素。在鋼中具有很好的互補性，相互配 合保持了氣閥鋼必需的高溫強度、耐蝕性、耐磨性、沖擊軔度等，使氣閥鋼具有良 好的綜合性能。4.

13、中頻感應爐冶煉氣閥鋼鋼中含氮量的控制氮對氣閥鋼性能產(chǎn)生重要影響。為準確控制氮含量，感應爐冶煉時的控制氮操 作要點如下：1）爐前應當配置快速定氮儀 冶煉含氮奧氏體氣閥鋼時，爐前應當配置快 速定氮的儀器，以便及時掌握鋼液含氮量。2）準確掌握加氮用鐵合金中的氮含量 通常用來向鋼中加氮用的含氮鐵合 金有：氮化鉻鐵、氮化金屬錳。3）控制鋼液加氮溫度和保持時間 通常向鋼中加人含氮鐵合金，是在還原 期末，加氮后立即進行終脫氧和出鋼。4）控制含氮鋼液的出鋼溫度11.4奧氏體氣閥鋼的冶煉工藝及操作要點5.中頻感應爐冶煉奧氏體氣閥鋼的脫氧制度冶煉奧氏體氣閥鋼選用的脫氧制度，關系到電渣重熔過程非金屬夾雜物的去除 效

14、果。鋼中非金屬夾雜物的數(shù)量和形態(tài)，對氣閥鋼的使用性能產(chǎn)生重要影響。（1）鋼液的預脫氧（2）鋼液的擴散脫氧（3）鋼液的終脫氧根據(jù)氣閥鋼中含硅量不同，可分為以下兩種方式。1）控制含硅量氣閥鋼的終脫氧2）含硅量正常鋼號的終脫氧。11.4奧氏體氣閥鋼的冶煉工藝及操作要點6.合理使用返回料中頻感應爐冶煉奧氏體氣閥鋼普遍使用返回料。生產(chǎn)實踐表明：冶煉配料中隨著返回比例的升高，奧氏體氣閥鋼的合格率下 降。以214N為例的統(tǒng)計結果表明：當采用全新料冶煉時，合格率為70%75%; 返回料用量每增加10%,合格率下降3% 5%;當返回料用量為70%時，合格率 下降到50%。主要原因是夾雜物超標和成材率下降。11.

15、4奧氏體氣閥鋼的冶煉工藝及操作要點11.4.2電渣重熔奧氏體氣閥鋼的操作要點控制鋼中碳、氮、硅、錳含量；保持碳化物均勻性；降低夾雜物含量是重熔的 主要目的。1.電渣重熔鋼中含硅量的控制（1）重熔用自耗電極中含硅量的限制（2）降低重熔渣中不穩(wěn)定氧化物含量2.電渣重熔奧氏體氣閥鋼時碳、氮含量的控制體(1)電渣重熔過程鋼中碳、氮含量的變化 1)碳含量的變化規(guī)律。電渣鋼錠底部燒損量比上部大。2)氮含量的變化規(guī)律。與碳的變化規(guī)律相似，鋼錠底部氮的回收率比上部 低。11.4奧氏體氣閥鋼的冶煉工藝及操作要點(2)電渣重熔啟動方法對鋼中含碳量的影響通常電渣重熔啟動，可以采用 固體導電渣啟動和液體渣啟動兩種方法

16、。1）液渣啟動時，通常采用單相石墨電極化渣爐來預熔渣料。2)固渣啟動時，碳主要消耗在還原渣中，Si02使鋼增硅，產(chǎn)生的C0燃燒后變成C02進人大氣。3.電渣重熔高錳奧氏體氣閥鋼時鋼中含錳量的變化下表列出電渣重熔高錳奧氏體氣閥鋼時含錳量的變化。錳在重熔過程的燒損率較高，鋼錠底部為9. 2%，高于鋼錠上部的3. 4%,平均燒 損率為6. 3%。注：表中數(shù)據(jù)中，分子為含錳范圍，分母為平均含量，注：表中數(shù)據(jù)中，分子為含錳范圍，分母為平均含量，8 8爐統(tǒng)計結果。爐統(tǒng)計結果。11.4奧氏體氣閥鋼的冶煉工藝及操作要點電渣重熔奧氏體氣閥鋼時，錳燒損的原因有以下兩點：（1）錳的間接氧化反應錳的間接氧化反應是造成

17、鋼錠底部錳燒損的主要原因。（2）錳的高溫揮發(fā)損失錳的高溫揮發(fā)損失是造成鋼錠上部錳損失的主要原 因。采取以下措施可以改善重熔鋼中錳的燒損狀況：1）降低渣中FeO含量2）控制電渣重熔熔化速度。11.4奧氏體氣閥鋼的冶煉工藝及操作要點4.電渣重熔奧氏體氣閥鋼時鋼中磷、硫含量的變化下表列出電渣重熔奧氏體氣閥鋼時磷、硫含量的變化。注：表中數(shù)據(jù)中，分子為含錳范圍，分母為平均含量，注：表中數(shù)據(jù)中，分子為含錳范圍，分母為平均含量，8 8爐統(tǒng)計結果。爐統(tǒng)計結果。11.4奧氏體氣閥鋼的冶煉工藝及操作要點11.4.3降低奧氏體氣閥鋼中非金屬夾雜物的途徑1.選擇合理的冶煉自耗電極終脫氧制度電渣鋼錠中非金屬夾雜物含量與

18、冶 煉自耗電極的終脫氧制度密切相關。未經(jīng)終脫氧的自耗電極，重熔去除夾雜物的效 果最差；采用復合脫氧劑硅、錳、鋁進行終脫氧，去除夾雜物的效果最好。2.提高電渣過程去除非金屬夾雜物的效果1)有效降低硫化物夾雜2）限制重熔返回渣的使用量3）保持合理的電渣過程熔化速度11.4奧氏體氣閥鋼的冶煉工藝及操作要點11.4.4奧氏體氣閥鋼晶粒度的冶金控制奧氏體氣閥鋼的重要力學性能，如屈服強度、韌度和熱成形性等都隨奧氏體晶 粒度的細化而增強。對奧氏體晶粒度的控制，成為氣閥鋼的重要質(zhì)量指標。1.鋼中相組成對奧氏體晶粒度的影響（1）鉻的碳化物和氮化物對細化奧氏體晶粒度的作用鉻在奧氏體氣閥鋼中， 同碳能形成Cr7C3、Cr23C6碳化物，同氮能形成CrN、Cr2N氮化物。（2）利用強碳化物和氮化物形成元索來細化奧氏體原始晶粒度向鋼中加人 微量Nb、V、Ti、Zr等強碳、氮化物形成元素，同氣閥鋼中的碳、氮形成碳化物 和氮化物。11.4奧氏體氣閥鋼的冶煉工藝及操作要點2.利用鋁來控制奧氏體原始晶粒度冶煉奧氏體氣閥鋼時，利用終脫氧使用含鋁復合脫氧劑來細化晶粒。鋁細化晶 粒的作用原理：鋁同鋼中的氮形成髙熔點細小的AlN，在鋼液凝固過程中，起晶核 作用而細化晶粒。（1）細化奧氏體原始晶粒的含鋁量鋁能細化奧氏體原始晶