汽车排气阀软氮化工艺研究

1、毕业论文 汽车排气阀软氮化工艺研究 院（系）名称工学院机械系 专业名称材料成型及控制工程汽车排气阀软氮化工艺研究摘 要我国汽车工业近几年飞速发展，产量持续增长，品种不断增加。汽车排气阀是发动机上重要的工作部件及易损件，其工作条件异常恶劣，要在高温、高压、腐蚀性燃气中经受频繁往复的高速运动和摩擦，冲击负荷大，因此要求有较高的高温性能、耐磨性能、耐腐蚀性能，抗疲劳等，故制备排气阀的材料要求也极为苛刻。自从发动机问世以来，气阀钢的材料已经历了碳钢和低合金钢，硅铬型不锈钢，奥氏体型耐热钢等多个发展阶段。目前，国内外使用最多的是奥氏体型耐热钢，而这种耐热钢系列中，常见的有：4Cr10Si2Mo，4Cr9

2、Si2，5Cr21Mn9Ni2N(212N)，5Cr21Mn9Ni4N(214N)等。本文主要研究了214N奥氏体耐热钢的表面预处理，并将预处理后的214N钢制汽车排气阀进行软氮化及表面强化。该预处理工艺为奥氏体耐热钢进行软氮化提供了必要的准备。进而对214N钢制汽车排气阀软氮化的工艺进行了对比实验研究，得出最优化的软氮化工艺规范。关键词：排气阀，软氮化，耐热钢，抗疲劳Automobile Exhaust Valve Soft Nitride Process Research AbstractThe automobile industry in our country developed fa

3、st during these years with continual increasing of volume and variety. the working conditions of the exhaust valve extremely rigorous, high temperature, high pressure, corrosive gas withstand frequent in the high-speed reciprocating movement and friction, impact load, therefore require higher temper

4、ature properties, wear resistance, corrosion resistance, and so on, the exhaust valve of the material requirements are also extremely harsh. Since the advent of the engine, the valve steel materials has experienced low carbon steel and alloy steel, silicon-chromium stainless steel, austenitic steel,

5、 and other heat-development stage. At present, the largest number of domestic and international use of austenitic heat-resistant steel, which is heat-resistant steel series of common: 4 Cr10Si2Mo, 4Cr9Si2, 5Cr21Mn9Ni2N (21-2N), 5Cr21Mn9Ni4N (21-4N). This article studies on a 21-4 N austenitic heat-r

6、esistant steel surface preparation and pretreatment of 21-4 N steel automobile exhaust valve nitride and the soft surface strengthening. The pre-treatment for heat-resistant steel austenitic soft nitride provided the necessary preparations. Then to 21-4 N steel automobile exhaust valve soft nitride

7、process were compared experimental research, produce the most optimal soft nitride process norms. Key words: Exhaust valve, Soft nitride, High-temperature steel, Antifatigue目 录1 绪 论11.1 课题背景及目的11.2 总体思路及主要研究内容12 汽车排气阀用钢32.1 概述32.2 奥氏体不锈钢32.3 不锈钢的性能特点42.4 汽车排气阀用钢及其选择4 2.4.1 基本特性4 2.4.2 规格及应用5 2.4.3 国

8、内常用阀门钢及其选择5 2.4.4 国内阀门钢生产研究现状6 2.4.5 阀门钢标准和生产状况8 2.4.6 国内外阀门钢的发展103 5Cr21Mn9Ni4N(214N) 钢的预先热处理133.1 化学成分133.2 主要性能指标13 3.2.1 高温强度13 3.2.2 抗氧化铅腐蚀性能试验143.3 固溶处理后的组织与性能143.4 时效处理154 5Cr21Mn9Ni4N(214N) 的预处理174.1去钝预处理试验174.1.1 试验设备174.1.2 试样制备174.1.3 试验方法174.2 试验结果分析184.3 小结195 软氮化工艺试验205.1 软氮化概述20 5.1.1

9、 软氮化的类别21 5.1.2 软氮化的发展及现状23 5.1.3 软氮化的缺陷24 5.1.4 软氮化渗层组织和软氮化特点255.2 5Cr21Mn9Ni4N(214N)钢的软氮化试验25 5.2.1 试样的制备26 5.2.2试验方法26 5.2.3试验结果分析275.3 小结28结 论29致 谢30参考文献311 绪 论1.1 课题背景及目的近年来，随着我国汽车工业的蓬勃发展，内燃机机型和产量不断增加，随着汽车发动机高功率化所产生的排气温度上升，排气净化率标准提高以及汽车轻量化的需求，对材料耐蚀性、耐磨性、抗氧化性、高温性能和热强性等提出了苛刻的要求。汽车排气阀是发动机上重要的工作部件及

10、易损件，其工作条件异常恶劣，要在高温、高压、腐蚀性燃气中经受频繁往复的高速运动和摩擦，冲击负荷大，因此要求有较高的高温性能、耐磨性能、耐腐蚀性能等，其工作的好坏直接影响到发动机的工作性能，故制备排气阀的材料要求也极为苛刻。自从发动机问世以来，气阀钢的材料已经历了碳钢和低合金钢，硅铬型不锈钢，奥氏体型耐热钢等多个发展阶段。目前，国内外使用最多的是奥氏体型耐热钢，而这种耐热钢系列中，常见的有：4Cr10Si2Mo，4Cr9Si2，5Cr21Mn9Ni2N(212N)，5Cr21Mn9Ni4N(214N)等。其中5Cr21Mn9Ni4N(214N)钢是上世纪50年代为节镍开发的阀门用奥氏体时效钢，是

11、目前国内外用于制造汽车、摩托车发动机排气阀应用最广的钢号，它是以奥氏体为基体，以碳化物及氮化合物等作为沉淀硬化相弥散分布，获得足够的高温强度、韧性、较高的硬度、耐磨性以及在冷热交变条件下组织具有良好的稳定性和较好的抗氧化、耐腐蚀性能，在工作温度700下具有良好的力学性能和高温强度。由于5Cr21Mn9Ni4N(214N)钢碳氮锰含量较高，其变形抗力较1Cr18Ni9Ti高30，室温下强度高、塑性低、脆性大，且加工硬化效应明显，热变形温度范围窄，变形抗力大，生产过程中如锻造、热轧、冷拔时易出现裂纹，产品成品率较低，国内一些专业化生产企业该钢种的成品率仅有70%80%。 1.2 总体思路及主要研究

12、内容5Cr21Mn9Ni4N(214N)奥氏体时效耐热钢具有很好的耐蚀性能，它主要用来制造发动机的排气阀。发动机的排气阀不但要求具有良好的耐蚀性能和耐热性能，而且需要足够强度和良好的耐磨性能。但5Cr21Mn9Ni4N(214N)钢的硬度较低、耐磨性能较差。用该钢制造排气阀采用常规的热处理方法是难以达到强化要求的，因此，必须通过化学热处理方法来提高排气阀的表面硬度和耐磨性。本试验采用软氮化工艺来提高其硬度及耐磨性。 5Cr21Mn9Ni4N(214N)奥氏体时效耐热钢含Cr较高，表面会形成以Cr2O3为主要成分的钝化膜，这种钝化膜很致密，而且很稳定，它阻碍氮、碳原子的渗入，使软氮化很难实现，因

13、而软氮化前必须先破除钝化膜。破除钝化膜的方法可采用将工件进行酸洗或炉内短期腐蚀处理等来进行，之后再立即软氮化。本文主要研究5Cr21Mn9Ni4N(214N)奥氏体时效耐热钢制排气阀的表面预处理方法，并在预处理后进行软氮化工艺，该预处理为5Cr21Mn9Ni4N(214N)奥氏体时效耐热钢制排气阀进行软氮化提供了必要的准备。进而对该钢软氮化工艺进行一系列对比试验，以得出最优化的软氮化工艺。2 汽车排气阀用钢 2.1 概述不锈钢是指在大气、水、酸、碱和盐等溶液，或其他腐蚀介质中具有一定的化学稳定性的钢的总称。一般来讲，耐大气、蒸汽和水等弱介质腐蚀的钢称为不锈钢，而将其中耐酸、碱和盐等侵蚀性强的介

14、质腐蚀的钢称为耐蚀钢，或耐酸钢。不锈钢具有不锈性，但不一定耐蚀，而耐蚀钢则一般都具有良好的不锈性。不锈钢具有良好的耐腐蚀性能是由于在铁碳合金中加入了铬所致。尽管元素，如铜、铝、以及硅、镍、钼等也能提高钢的耐腐蚀性能，但没有铬的存在，这些元素的作用就受到了限制。因此，铬是不锈钢中的最重要的元素。具有良好的耐腐蚀性能的不锈钢所需的最低铬含量取决于腐蚀介质。美国钢铁协会（AISI）以4%铬作为划分不锈钢和其他钢的界限。日本工业标准JISG0203中规定，所谓不锈钢即是以提高耐腐蚀性能为目的的而含有铬或镍的合金钢，一般铬含量约大于11%。德国DIN标准和欧洲标准EN10020中规定不锈钢的含铬量不小于

15、10.5%，碳含量不大于1.2%。我国一般将不锈钢中的铬含量定为不小于12%。不锈钢的耐腐蚀性能，一般认为是由于在腐蚀介质的作用下其表面形成钝化膜的结果，而耐腐蚀的能力则取决于钝化膜的稳定性。这除了与不锈钢的化学成分有关外，还与腐蚀介质的种类、浓度、温度、压力、流动速度，以及其他因素有关。不锈钢按照其金相组织结构划分，分为5类，即奥氏体型不锈钢、铁素体型不锈钢、奥氏体-铁素体型不锈钢、马氏体型不锈钢和沉淀硬化型不锈钢。其中，我们用来软氮化的汽车排气阀门所用的材料，是奥氏体不锈钢。2.2 奥氏体不锈钢 奥氏体不锈钢是不锈钢中最重要的一类，其产量和用量占不锈钢总量的70%。奥氏体不锈钢是指铬的质量

16、分数一般在18%以上，镍的质量分数在8%以上，同时含有钼、铜、硅、铌、钛、氮等合金元素，室温下具有稳定的单相奥氏体组织的铁基合金。奥氏体不锈钢不仅具有优良耐蚀性能，而且也具有良好的综合力学性能、工艺性能和焊接性能，是不锈钢最重要、用途最广泛的一类不锈钢。按照合金化方式，奥氏体不锈钢可分为铬镍钢和铬锰镍钢两大类。前者以镍为主要奥氏体化元素，是奥氏体钢的主体；后者是以锰、氮代替昂贵的镍的节镍钢种。总体讲，奥氏体钢的耐腐蚀性好，有良好的综合力学性能和工艺性能，但强度、硬度偏低1。最典型的代表有1Cr18Ni9Ti，常见的还有00Cr18Ni10、00Cr18Ni14Mo2Cu2、0Cr18Ni12M

17、o2Ti、0Cr18Ni18Mo2Cu2Ti及1Cr14Mn14Ni、2Cr13Mn9Ni4、1Cr18Mn8Ni5N、5Cr21Mn9Ni2N(212N)、5Cr21Ni4Mn9N(214N)等2。2.3 不锈钢的性能特点不锈钢的耐腐蚀性能一般随着铬的含量的增加而提高。其基本原理是，当钢中有足够的铬时，在钢的表面形成非常薄的致密的氧化膜。它可以防止进一步的氧化或腐蚀。氧化性的环境可以强化这种膜，而还原性的环境则必然破坏这种膜，造成钢的腐蚀。由于外力的作用随时间的增加而发生变形的现象称之为蠕变。在一定温度下特别是高温下，载荷越大则发生蠕变的速度越快；在一定的载荷下，温度越高和时间越长则发生蠕变

18、的可能性越大。与此相反，温度越低蠕变速度越慢，在低至一定温度时蠕变就不成问题了。这个最低温度依钢种而异，一般来说，纯铁应该是在330左右，而不锈钢因为已采取各种措施进行了强化，所以温度应该是550以上。和其他钢一样，熔炼方式、脱氧方式、凝固方法、热处理和加工等对不锈钢的蠕变特性有很大影响。据介绍，在美国进行的对188不锈钢进行的蠕变强度实验表明，取自同一钢锭同一部位的试料的蠕变断裂时间的标准偏差是平均值的约11%，而取自不同钢锭的上、中、下不同部位的试料的标准偏差与平均值相差则达到两倍之多。2.4 汽车排气阀用钢及其选择2.4.1 基本特性阀门钢，又称气阀钢，是特殊钢生产中一个专业性很强的领域

19、。它因用于制造各类内燃机进气阀与排气阀而得名，属不锈耐热钢，是交通动力机械需要的重要钢材。阀门钢工作条件极其恶劣，要在高温、高压、腐蚀性燃气中经受频繁反复的高速运动和摩擦，冲击负荷大，因此要求有良好的热强度、热硬性、疲劳强度、耐磨性和抗腐蚀性，内部组织不得有缺陷，表面不得有裂纹等。此外，还要求线胀系数小。阀门制造工艺也对钢材质量提出了严格要求，如电墩工艺对尺寸公差要求极其严格，要求表面光洁度高，需经冷加工，磨光工序要求弯曲度应达lmm/m以下。因此，阀门钢生产难度较大，冷热加工困难，废品率较高，但具有高附加值。汽车排气阀用钢一般采用奥氏体时效耐热钢，该类钢具有良好的耐蚀性、耐热性，良好的力学性

20、能和工艺性能，但硬度较低、耐磨性差，具有晶间腐蚀倾向，用做排气阀是较为理想的材料。 阀门钢在特钢产量中所占比例很小，例如，我国近年特钢年产量约为500万吨，而阀门钢仅为1万吨。但由于阀门重量小，最小一支仅重几十克，1吨钢可制作12万支阀门，数量十分巨大，其作用不可低估。2.4.2 规格及应用汽车、摩托车工业是阀门钢的主要用户，约占总用量的75%。其中民用摩托车用阀门钢直径最小，为55.8mm，是由直径5.56.5mm钢棒制成。军用摩托车阀门杆径为8.0mm，用直径8.5mm钢棒制成。近年我国引进许多型号的轿车和微型车，如一汽奥迪、高尔夫，二汽雪铁龙、上海桑塔纳、广州标致、天津夏利等，阀门杆径7

21、8mm，需用直径7.58.5mm钢棒。轻型、中型、重型卡车用阀门杆径813mm,需用直径8.513.5mm阀门钢棒。拖拉机等农用机械是阀门钢材另一用户，其规格与卡车相同。船舶、机车、发电机组所用阀门杆径为1340120mm。这部分用量较小，其中较大规格用锻轧材。坦克、装甲车所用阀门杆都未见报道3。2.4.3 国内常用阀门钢及其选择 我国目前常用阀门钢有3种，即4Cr9Si2，4Cr10Si2Mo和214N，4Cr9Si2与4Cr10Si2Mo均属于马氏体型耐热钢，是50年代从前苏联引进，目前国内使用得最多的气阀钢。 4Cr9Si2在800以下有良好的抗氧化性，低于650有较高的热强性。主要用于

22、制作内燃机的进气阀和工作温度低于650的内燃机排气阀；也做低于800下使用的抗氧化构件，例如料盘，炉管吊挂等。4Cr10Si2Mo与4Cr9Si2钢相比，由于含Cr量稍高并加入了0.7%0.90%钼，从而使其抗氧化性和热强性有所提高，并使回火脆性的敏感性减弱。可制造内燃机进气阀和在700以下工作的排气阀；也可制造850以下工作的炉子构件4。214N即5Cr21Mn9Ni4N，是以碳化物为沉淀硬化相的奥氏体耐热钢，是国外50年代为节约Ni而开发的钢种，我国从70年代初开始仿制。该钢种导热性差，热胀系数大，变形抗力大，塑性比一般奥氏体耐热钢要差，属于奥氏体时效钢，也常划归于难变形钢种。因其含有较高

23、的锰、镍、碳、氮和铬而具有奥氏体显微组织和高的再结晶温度，从而具有高的高温强度。钢中所含的高铬量，改善了耐热耐蚀性能。高的含锰量和含镍量使钢在室温下具有奥氏体组织；较高的碳、氮含量，产生较强的沉淀硬化效应，增高了强度、硬度和耐磨性。 这种钢制气阀可用于850工作的中速、大功率、中负荷发动机中，在国外汽车排气阀上已得到了广泛的应用，在国内用量有增大的趋势5。3种主要阀门钢（GB122184）化学成分见表2.1所示，表2.2为不同标准中气阀钢(合金)牌号的数量6 2.4.4 国内阀门钢生产研究现状我国是阀门钢产量较高的国家，生产规模并不亚于发达国家。但起步较晚，生产装备和工艺比较落后，产品质量与发

24、达国家相比有较大差距，高性能难生产的牌号以及品 表2.1 GB122184中3种主要阀门钢化学成分钢种CSiMnNiCrCuM0NPS4Cr9Si20.350.502.003.000.700.608.0010.000.300.0350.0304Cr10Si2Mo0.350.451.902.600.700.609.0010.500.300.700.900.0350.0305Cr21Mn9Ni4N 0.48 0.580.358.003.254.5020.0022.000.350.500.0400.030种规格，仍满足不了国内需要。“九五”期间，我国阀门钢生产技术的开发，生产线的技术改造，产量质量的

25、提高，任务仍十分繁重7。我国的阀门钢70年代形成体系，80年代有了一定的发展，现在仍处于发展时期。表2.2 不同标准中气阀钢（合金）牌号的数量国家标准牌号总数马氏体钢奥氏体钢镍基合金结构钢中国标准GB122184GBT1277391863353国际标准IS06831XV1976新标准草案（1989）1211436523欧洲标准EURONORM90718341德国标准DIN17480198410352英国标准BS970，Part77927法国标准NF A35579839441意大利标准U国标准SAE17758031313510日本标准JISG431187JASO E10

26、1851010435512前苏联标准DOCT5632799542.4.5 阀门钢标准和生产状况 目前我国生产气阀钢执行两个标准，即GB122184（耐热钢棒）和GB/T1277391（内燃机气阀钢钢棒技术条件）。GB122184标准中有8个钢号，GB/T1277391标准中有6个钢号，与世界各主要工业国的标准相比（见表2.3所示）。表2.3 几种标准中阀门钢的牌号GB122184GBT1277291DIN174801984ISO683XV1988草案马氏体钢4Cr9Si24Cr10Si2Mo8Cr20Si2Ni（XB）4Cr9Si24Cr10Si2Mo8Cr20Si2NiX45CrSi93X4

27、0CrSiMo102X85CrMoV182X50CrSi82X45CrSi93X85CrMoV182奥氏体钢4Cr14Ni14W2Mo5Cr21Mn9Ni4N（214N）Y5Cr21Mn9Ni4N（214NS）2Cr21Ni2N（2112N）3Cr20Ni11Mo2PB（2011P）4Cr14Ni14W2Mo5Cr21Mn9Ni4N2Cr21Ni2N（2112N）X45CrNiW189（199W）X55CrMnNiN208（212N）X53CrMnNiN219（214N）（订货协商）X50CrMnNiNbN219 （21NNbW）X60CrMnMoVNbN2110 （Resis TEL）X55

28、CrMnNiN208（212N）X53CrMnNiN219（214N）X50CrMnNiNbN219（21NNbW）X33CrNiMnN238（21-8N）X53CrMnNiNbN219（214NNb）镍基合金GH810ANiFe25Cr20NbTiNiCr20TiAl（Nimonic 80A）NiFe25Cr20NbTiNiCr15Fe7TiAl（Inconel 751）NiCr20TiAl（Nimonic 80A）马氏体钢牌号不算少，但品种陈旧；在奥氏体钢中缺少比5Cr21Ni4Mn9N(214N)钢性能水平更高的牌号，如：214NNb，214NNbW，RESIS TEL等。马氏体钢号中，

29、4Cr9Si2淬火硬度比德国X45CrSi93（45Cr9Si3）和X50CrSi82（50Cr8Si2）低；8Cr20Si2Ni（即XB）钢的淬火硬度不能保证HRC50，需要增加过冷处理工艺，且工艺性差，生产中成材率低，成本较高，用户希望增加新牌号。由于轧机精度差，热轧圆钢偏差0.20mm，矫直精度不高，一般不能生产直径9mm的冷拉磨光材。随着高性能机（车）型的引进，需要高牌号的气阀钢棒，生产的难度更大。由于磨光材产量低，近几年每年的需求缺口在20003000t。我国特钢厂的轧材精度大多在土0.30.5mm，椭圆度为0.30.5mm，因此，基本上都采用热轧冷拉磨光工艺生产气阀钢。冷拉变形量过

30、大时易造成轧材开裂。同时，由于缺少连续退火设备，影响了马氏体钢退火质量8。我国实际使用的阀门钢仅有3个钢种，用于引进机型的只有5Cr21Ni4Mn9N(214N)一种。而发达国家气阀钢种至少在9种以上。目前我国高负荷的进气门、高性能的排气门钢和镍基合金还处于空白状态9。2.4.6 国内外阀门钢的发展气阀钢汽车发动机用阀门钢的发展大致分为铬钢、硅铬钢、铬镍奥氏体钢和铬锰氮奥氏体钢四个时期。1913年美国发现了耐热的CrSi钢，1919年后形成了以SiCr钢为中心的阀门钢，1928年产生了4Cr9Si2钢（美国HNV3日本SUHl等）。为了提高耐热强度和晶粒度，法国采用了4Cr10Si2Mo（美国

31、HNVl，日本SUH3等）类型的SiCrMo气阀钢。为了提高耐蚀性，在五十年代中期，英美等国都发展了高铬马氏体钢8Cr20Ni2Si2（美国HNV6，日本SUH4）等应用广泛，成为今天马氏体系阀门用钢的代表。从30年代开始，以德国为中心，研究代替NiCr系的CrMn是奥氏体钢与含氮奥氏体钢。美国在40年代末研究成功B312与2112N钢。其间，以飞机为中心普及了加铅汽油，出现了抗氧化铅腐蚀问题。1940年初，美国制阀者为了保证耐蚀性，希望含20%Cr与低Si。1948年，美国的Jennings发现了耐氧化铅腐蚀的CrMnNi系钢。如将Si限制得特别低则耐铅腐蚀性显著提高；而其含氮量增加时，高温

32、硬度也显著提高。接着1950年前后研究出214NS。1952年美国Armco和Thompson公司研究成功214N钢（美国EV8，214N，日本214N，英国349552，西德X53CrMnNi219，苏联5Cr20Mn9Ni4，9II303等10）。近几年来在214N钢基础上又有不少发展。英国在1974年标准11中增加了含有的Nb 2.03.0%的214N钢，进一步提高了热强度。美国在1975年标准12增加了212N，2155N等钢。西德、日本、英国也发展了含硫214N钢。由于214N钢具有良好的耐热性和耐蚀性，60年代以来，国外汽车厂广泛用来制造排气阀。另外，美国TRW公司和WALLACE

33、公司共同研制了VMS513合金13，它是一种具有良好的耐蚀、耐磨及疲劳强度的耐热合金。其名义成份为0.08%C，27%Cr，39%Ni，11.0%Mn，1.0%Al，2.5%Ti，0.06%Si，其余为Fe。气阀使用温度在800850时，可采用镍基合金。美国把这种钢用于重负荷阀上。英国在高级轿车上采用Nimonic80A。日本也在一部分赛车上使用Nimonic90。为了降低排气阀温度，有些国家如美国、西德、苏联等采用中空阀。在阀中加钠盐，能降低排气阀工作温度100。采用中空阀后可降低材料级别。美国Dodge，CrMC公司采用SiCr钢中空钠盐冷却代替高合金耐热钢。对负荷较重的排气阀，在阀面堆焊

34、耐热合金（镍基、钴基合金），也有采取渗Al等方法的。柴油发动机排气阀要求耐V2O5和Na2SO4腐蚀，而214N排气阀耐PbO性能较好，耐V2O5和Na2SO4腐蚀差，因此在柴油机排气阀上应用较广的为2112N，2011P。为了节约材料，排气阀也可采用两种材料对焊。阀杆部分采用镀铬或软氮化工艺。特别对奥氏体阀门钢如214N，因抗擦伤性能差，所以阀杆大多经镀铬处理。排气阀端头对耐磨性要求较高，一般SiCr钢可采用中频或电解液淬火，对奥氏体钢则需堆焊耐磨合金层（镍基和钴基）。国内主要使用的3种阀门钢，在今天巳不能满足发展的要求。212N钢的性能与214N相近，国外主要用于中型和轻型汽油机。由于降低

35、了50%的Ni含量而比214N更具经济性，美国已有约80%的汽车发动机使用212N钢13。4Cr9Si2及4Cr10Si2Mo在国外巳被高性能的45Cr9Si3，5Cr8Si2所取代，原因是其成本高、性能差、硬度低。为满足不断被改进强化的内燃机性能要求，各国都在研制性能高、成本低的新型气阀钢。美国在2112N的基础上研制出了238N，用于柴油机排气阀，同时研制了低Ni的212N。英、德还研制出了5Cr21Mn9Ni4Nb2WN（214NWNb）和6Cr2Mn10MoVNbN，用于高负荷柴油机和汽油机排气阀。德国还研制出了NiCr20TiAl代替了传统的尼莫尼克镍基合金。发达国家为满足内燃机不断

36、发展的需要，在高负荷排气阀用的高合金钢和更高负荷排气阀用镍基合金之间，早已研制了中间材料，利于大量使用。如美国的Inconel 751、日本的RS914“铁基超合金”等等，后者性能更高，成本更低。3 5Cr21Mn9Ni4N(214N) 钢的预先热处理3.1 化学成分 5Cr21Mn9Ni4N(214N) 钢的化学成分14见表 3.1所示。 表3.1 5Cr21Mn9Ni4N(214N) 耐热钢的化学成分 （wt%）CCrMnNiNZr0.470.5720.022.08.010.03.254.500.380.500.083.2 主要性能指标3.2.1 高温强度采用固溶处理试样进行试验。试样成分

37、为C 0.5%，Si 0.28%，Mn 8.84%，P 0.023%，S 0.008%，Cr 21.10%, Ni 3.98%，N 0.363%,经1180、30分钟水冷，760、14小时空冷处理，经处理后的高温瞬时硬度见表3.2所示。 表3.2 5Cr21Mn9Ni4N(214N)钢高温瞬时硬度试验温度（）HV室温307.0328.0650195.0206.0700172.0184.0750148.0149.08003.2.2 抗氧化铅腐蚀性能试验对于汽油机来说，抗氧化铅腐蚀性能的好坏，是评定排气阀材料优劣的一个重要指标。该项试验除可在台架试验上进行外，也可通过浸渍试验很快得到近似结果。浸渍

38、试验是将盛有固体PbO的Al2O3（或MgO）坩埚放入密封容器内，在箱式炉内加热至试验温度（通常采用915），然后放入已称重的1015毫米标准试样。在到达规定的温度后保温1小时，然后取出试样放入10的醋酸中清洗，去掉腐蚀产物和氧化皮。最后称重，计算单位面积上的失重得到腐蚀速率。按以上方法在910条件下，我们测得的214N钢腐蚀速率为2.44克/平方分米时，TF1钢为27.3克/平方分米小时。可见214N钢具有比较优越的抗PbO腐蚀性能。3.3 固溶处理后的组织与性能图3.1a所示为经1150、15分钟水冷后的金相组织，可见在晶粒细小奥氏体基体上分布有较多的碳化物。如果升高固溶处理温度，可使碳化

39、物完全溶解，但奥氏体晶粒却很快长大，图3.1b所示为经1250、15分钟水冷后的金相组织。 a)1150 固溶处理后的金相组织，400 b) 1250 固溶处理后的金相组织，400.图3.1 固溶处理后的金相组织 由此可见，5Cr21Mn9Ni4N(214N) 钢的性能好坏，关键在于固溶处理温度选择是否得当。过高的固溶处理温度，虽使碳化物充分溶解，但晶粒严重长大，至使塑性严重下降；温度过低则强度较高，冷拉矫直时很困难。将两组5Cr21Mn9Ni4N(214N)钢试样，分别以1100，1150，1200和1250保温1小时水冷处理，所得性能和金相组织见图3.2和图3.3所示 。由图可见，随着固溶

40、温度的升高，碳化物逐渐溶解晶粒随之长大，强度和硬度下降，塑性提高。当温度超过1200时，塑性开始降低。所以，为得到优越的综合性能，就不宜对之进行完全固溶处理，通常采取11501180的0.51小时水冷。但由于该工序是由钢厂进行的，我们不再另作处理，因而对原材料生产单位的热处理质量，就有着较高的要求。试样 1C 0.52，Si 0.10，Mn 8.67，Cr 21.10， Ni 3.84，N 0.38，S 0.02，P0.03； 试样 2C 0.49，Si 0.14，Mn 8.18，Cr 21.70， Ni 3.98，N 0.384，S 0.03，P 0.03。 图3.2 不同温度固溶处理后的机

41、械性能 a) 1100，400 b)1150，400 c)1200，400 d) 1250，400图3.3 不同温度固溶处理后的金相组织3.4 时效处理 5Cr21Mn9Ni4N(214N) 钢在经完全固溶处理后，通常采取750780的610小时空冷的时效处理。图3.4及图3.5分别是试样1和试样2经1150固溶处理后，分别在760、4，8，12小时条件下进行时效处理的硬度及金相组织。 图3.4 经760不同时间下时效处理后的硬度变化 试验结果说明，随着时效时间的延长，材料的硬度升高，沿奥氏体晶界的析出物增多。而微粒状的析出物分布是其热处理后应有的最佳状态。像图3.5这样大量碳化物的析出分布，

42、对于钢的耐蚀性能和使用是不利的。 a) 4小时，400 b) 8小时，400 c) 12小时，400 图3.5 经760不同时间下时效处理后的金相组织4 5Cr21Mn9Ni4N(214N) 的预处理5Cr2lMn9Ni4N钢是以奥氏体基体上分布碳化物、氮化物弥散强化的奥氏体时效耐热钢，在700以下具有良好的强度、韧性和好的耐热性及抗腐蚀性能是一种节镍的内燃机排气阀用钢。汽车排气阀不仅要求具有良好的耐热性及耐蚀性能，而且需要良好的耐磨性能。但该钢的硬度较低、耐磨性能较差，采用软氮化的方法可大大提高它的表面硬度和耐磨性。众所周知，不锈钢表面存在一层钝化膜 （Cr2O3） ，由于其结构细密，对渗氮

43、、碳有阻碍作用，因此会影响到软氮化的处理效果。本试验通过对不锈钢排气阀 在不同介质气氛下进行去钝预处理从而对其后续软氮化效果进行比较试验，由此确定其去钝预处理工艺。 通常去除钝化膜是将工件进行炉外酸洗或炉内腐蚀来解决，这两种去除钝化膜的方法各有其特点。本文拟采用炉内腐蚀法对 5Cr21Mn9Ni4N(214N) 钢试样进行表面预处理工艺来去除钝化膜 。 4.1去钝预处理试验 4.1.1 试验设备试验在50KW双重加热离子氮、碳共渗炉上进行，其中直流电功率30KW,交流电热体加热功率20KW，最高电压900V，最大电流34A；炉内极限真空度6.67Pa；炉膛有效工作尺寸7001000(mm)4.

44、1.2 试样制备 将5Cr21Mn9Ni4N(214N)钢制成3020的小圆柱，装炉前用金相砂纸磨光小圆柱的一个断面，另一端进行电火花编号。4.1.3 试验方法采用无介质、氨气、氢气三种气氛进行前期预处理，预处理时间均为30min。具体工艺为：试样装炉后首先启动辅助加热进行预热，当工件温度达到100时启动真空泵开始抽真空，当真空度达到10-13Pa时启动直流电进行辉光放电加热，当炉温达到200时开始进行去钝预处理程序操作；或调整板间电压（无介质），或通入NH3 ，或通入H2；去钝预处理30min后通入NH3 及丙酮进行正常的软氮化处理，到达570保温2h出炉冷却。4.2 试验结果分析 经不同气

45、氛去钝预处理后的离子软氮化结果列于表4.1（每种去钝预处理介质试验检测3个试样）。可以看出，用三种不同气氛进行前期去钝预处理对离子软氮化的最终效果有不同的影响。其中以NH3作为去钝预处理的效果最好，H2次之，无介质情况下的预处理效果不明显。主要原因在于：表4.1 不同介质气氛预处理后软氮化结果去钝预处理介质 渗层深度 /mm渗层表面硬度/HV无介质0.0130.0150.0189861000992NH30.0640.0650.073110812001250H20.0480.0530.062108011061120 1）不锈钢表面的钝化膜结构细密，稳定性好。在无介质处理的情况下，主要靠炉内电子向

46、工作表面轰击来达到破坏钝化膜的效果。但因气氛中没有置换原子，工件表面被轰击的原子处于不稳定状态，一部分可被抽出炉外，另一部分很可能又被工件表面所吸附，重新组成氧化物（或化合物），这样无疑延长了去钝时间，降低了去钝效果。 2）在以H2作为介质的去钝预处理情况下，氢离子的平均自由程较大，能量很高，所以氢气有很强的去钝化膜的作用。这不仅是因为氢离子能量高，有较强的溅射效果，而且因为活性氢原子有很强的还原作用，可将工件的氧化膜充分破坏，活化金属表面，以达到去钝的目的。 3）在以NH3为去钝介质时，一方面NH3分解后的H2可在等离子区置换出氧离子从而破坏工件表面的氧化膜，达到去钝目的；另一方面，从氨气分

47、解出来的氮离子在等离子区与工件表面被溅射出来的氮化物形成元素结合吸附于工件表面，而使工件表面碳氮浓度比下降，为氮的进一步吸附提供了条件，所以这就加快整个软氮化的进程，这种效果是在单纯的氢气作介质的情况下所不能及的，因此以氨气为去钝介质比单纯以氢气为去钝介质效果更好。4.3 小结1）不锈钢离子软氮化时以较高的板间电压（无介质）进行去钝预处理，对破坏不锈钢表面钝化膜有一定的效果，但效果不明显。2）在不锈钢软氮化过程中，以NH3作为去钝介质进行去钝预处理，对去除不锈钢的表面钝化膜，促进后续处理进程有较好的影响。3）以H2作为介质对不锈钢软氮化进行预处理，有较好的效果，但在促进后续处理过程方面不如NH

48、3好。5 软氮化工艺试验 氮化可分为：硬氮化和软氮化。硬氮化就是渗氮，是软氮化的前身。渗入钢表面的是单一的氮元素，在方法上有气体法和离子法等。对于结构零件通常选用的钢种为含铬、钼、钛、铝等合金元素的专用钢，也有在其它钢种上进行渗氮的，例如不锈钢、模具钢等。渗氮处理的温度通常在480540范围（既要保持工件的心部的调质硬度又要使渗氮层的硬度达到要求值），处理的时间按照要求深度不同，一般为1570小时，甚至更长。渗氮的着眼点是希望获得较深厚度（0.10.65mm，也有要求更深一些的）具有高硬度的呈弥散状的合金氮化物层（即扩散层），对于出现外表层的化合物层（白亮层）则希望尽可能的浅簿，甚至希望没有。

49、渗氮是强化金属表面的一种化学处理方法它是将金属零件置于活性氮的介质中在一定的温度和保温时间下使氮元素渗入金属表面从而改变金属表面的化学成分使其具有高的耐磨性疲劳强度抗蚀能力及抗烧伤性等因而在工业上获得广泛的应用。5.1 软氮化概述为了缩短氮化周期，并使氮化工艺不受钢种的限制，在近年间在原氮化工艺基础上发展了软氮化和离子氮化两种新氮化工艺。软氮化就是是氮碳共渗，早期把苏联（俄罗斯）的液体法翻译为低温氰化。现在国内流行的有气体法、无（低）毒液体法和离子法。渗入钢表面的元素以氮为主，同时添加了碳。碳的加入使表面化合物层（白亮层）的形成和性能得到某些甚至是明显的改善。这里要强调一下，和渗氮不同的地方是

50、：氮碳共渗的着眼点是希望获得一定厚度（一般为1020m，也有要求20m以上的，目前实验室里据称在碳素钢上曾经达到的厚度为110m）硬度高、脆性小、没有或很少疏松等性能优良的白亮层，至于次表面的扩散层，按照钢种和使用要求不同虽然有时需要作某些调整，但处于次要地位了。氮碳共渗的适用广泛，几乎覆盖所有常用钢种和铸铁。以碳素钢为例，按照氮碳共渗处理的温度分为铁素体氮碳共渗（520590）和奥氏体氮碳共渗（600720），处理的时间一般为26小时，前者获得的白亮层为铁氮化合物，后者快冷后在铁氮化合物层的下面还有一层含氮奥氏体马氏体层（512m）。为了增强和改善白亮层的性能，我国的热处理工作者还采用了在渗

51、氮的同时又单独或组合添加硼、氧、硫、稀土等元素，做了大量的工作，并且大都不同程度的取得看得出来的效果。这种探索，至今方兴未艾，是热处理工作者孜孜以求的热点之一。 软氮化的含义不是指获得的硬度比所谓的硬氮化的硬度低，而是含有简便、省事、费用低的意思。软氮化实质上是以渗氮为主的低温氮碳共渗，钢的氮原子渗入的同时，还有少量的碳原子渗入，其处理结果与一般气体氮化相比，渗层硬度较氮化低，脆性较小，故称为软氮化。氮碳共渗是在液体渗氮基础上发展起来的，由于处理温度低，一般为500600，过程以渗氮为主、渗碳为辅，故氮碳共渗又称为软氮化15。5.1.1 软氮化的类别根据介质(渗剂) 不同，可将软氮化分为三种：

52、气体软氮化法，液体软氮化法，固体软氮化法。目前国内生产中应用最广泛的是气体软氮化。气体软氮化是在含有活性氮、碳原子的气氛中进行低温氮、碳共渗，常用的共渗介质有尿素、甲酰胺、氨气和三乙醇胺，它们在软氮化温度下发生热分解反应，产生活性氮、碳原子。活性氮、碳原子被工件表面吸收，通过扩散渗入工件表层，从而获得以氮为主的氮碳共渗层。气体软氮化温度常用560570，因该温度下氮化层硬度值最高。氮化时间常为23小时，因为超过2.5小时，随时间延长，氮化层深度增加很慢。气体软氮化工艺的主要工艺是参照渗碳原理与气体渗氮工艺而开发的，传统的气体软氮化工艺气氛主要为吸热式气氛(即Rx气氛)加氨气。它们之间的配比，典

53、型的是50%氨气十50%的Rx气氛。所谓Rx气氛，是由丙烷等富碳气体高温裂解后生成CO、 H2和还原性气体Rx气氛目前广泛应用与软氮化工艺。但在生产实践的同时也发现存在一些问题。主要是Rx气氛来源是由丙烷等富碳气体高温裂解得到的，能量消耗和气体消耗大，生产成本高。其次，Rx气氛含有近50%的一氧化碳与氢气，在安全方面潜在危险很大;在质量方面，由于CO含量高、碳势高，会在工件表面生成脆性的碳氮化合物，在处理过程中，由于碳势高而出现渗碳趋势，随之而来的因NH3分解H2，它又会造成表面脱碳，并使工件化合物层疏松严重，导致渗层组织异常基于以上原因，促使人们来寻找更为合理、安全、成本低廉的气氛来代替Rx气氛软氮化。 鉴于Rx气氛存在的缺点，考虑到气体软氮化主要是以渗氮为主。人们开始将燃气辐射管中排出的废气来代替Rx气氛进行软氮化亦称Dx气氛软氮化。Dx气氛中主要含有CO2 ，这样用CO2与氨气加入来软氮化是可行的。并且经过多年实践生产验证，采用NH3+CO2基气氛进行气体软氮化能够满足生产技术要求。采用NH3+CO2气氛进行软氮化，存在以下基本反应：2NH3 = 2N + 3H2CO2 +H2 =CO + H2OH2 + CO = C + H2O以上分解出的活性原子N