第11章气阀用奥氏体耐热钢冶炼

1、第11章 气阀用奥氏体耐热钢的冶炼主讲人：姚春发 高工11.1气阀用奥氏体耐热钢概况11.1.1气阀钢的含义用于制作动力机械汽油机、柴油机气缸的进气阀和排气阀使用的耐热钢，称为气阀钢。气阀钢是在300 900高温燃气腐蚀介质中使用的耐热和耐蚀钢种。按照使 用条件，可分为马氏体气阀钢、奥氏体气阀钢及高温合金三个类别。11.1气阀用奥氏体耐热钢概况11.1.2气阀的工作条件单缸四冲程汽油机工作程序分为以下四个行程1.进气行程2.压缩行程3.膨胀行程2.排气行程汽油机启动之后，按照上述四个行程重复运转，直到汽油机停车。在汽油机运 行期间，进、排气阀一直处于高温、高应力、高腐蚀性燃气介质中工作。因此，

2、要 求制作阀门的材料具备高的高温强度、耐蚀性和耐磨性等性能。11.1气阀用奥氏体耐热钢概况11.1.3气阀钢的用途1.汽油机阀门钢的应用低、中档轿车的进气阀采用4Cr10Si2Mo,排气阀用214N;高档轿车进气阀用 21-4N,排气阀用 214NWNb、NCF751 等。2.柴油机阀门钢的应用重型卡车柴油机进气阀用4Cr9Si2、4Cr10Si2Mo等，排气阀用21-12N、23-8N、 214NWNb 等3.高速柴油机阀门钢的应用机车、船舰高速柴油机进气阀用4Cr10Si2Mo、4Cr14Ni14W2Mo等。排气阀用 21-12N、214NWNb、4Cr14Ni14W2Mo、NCF751

3、等11.1气阀用奥氏体耐热钢概况11.1.4气阀钢的使用特性作为气阀钢应具备下列使用特性，才能适应其工作条件。1.良好的高温强度2.良好的高温疲劳性能3.优良的耐高温腐蚀性能4.耐磨损性能5.加工工艺性能11.1气阀用奥氏体耐热钢概况11.1.5奥氏体气阀钢的化学成分四个奥氏体气阀钢钢号，通用型钢号的简化符号列入括号内。(1)55Cr21Mn9Ni4N (21-4N)钢这是国际上广泛应用的奥氏体气阀钢，主 要用于汽油机和柴油机排气阀。它具有较高的高温强度和耐热腐蚀性能。(2)55Cr21MnlONi2N (21-2N)钢这是在21-4N的基础上，降低镍2% (质 量分数），增加锰2% (质量分

4、数），以降低成本。高温强度略低于21-4N，主要用 于中等功率轿车用汽油机排气阀。(3)33Cr23Mn3Ni8N (23-8N)钢具有高的耐高温燃气腐蚀性能和较高的高 温强度。主要用于替代含镍量较高的21-12N，用于制作中等负荷柴油机的排气阀。(4)50Cr21Mn9Ni4WNb2N (2l-4NWNb)钢它具有高的高温强度，用于制作 中等负荷柴油机的排气阀。11.2合金元素在奥氏体气阀钢中的作用11.2.1 碳元素的作用碳是奥氏体气阀钢重要的合金化元素，其主要作用有以下几方面。1.形成和稳定奥氏体高温下工作的气阀钢，要求组织结构和性能长期稳定，奥氏体是理想的组织结 构。碳是强烈形成和稳定

5、奥氏体的元素。2.强化奥氏体组织在气阀钢中，碳以碳化物和固溶两种形式，使钢得到强化。奥氏体气阀钢的强 度、硬度和耐磨性能等，均随着含碳量的增加而升高，而钢的塑性、韧性、加工性 能和耐蚀性相应下降。3.降低耐蚀性随着含碳量的增加，气阀钢的耐氧化性能和耐高温热腐蚀性能下降。11.2合金元素在奥氏体气阀钢中的作用11.2.2氮元素的作用大部分奥氏体气阀钢均含有氮，其含量远高于其他高合金钢。氮在奥氏体气阀 钢中起着重要的、其他元素难以替代的作用。1.形成和稳定奥氏体氮与碳同样是强烈形成和稳定奥氏体的元素，其能力与碳相同。2.强化奥氏体组织在奥氏体气阀钢中，氮以碳氮复合化合物、氮化物和固溶形成强化气阀钢

6、。氮对钢的强化作用有别于碳，不同之处主要表现在以 下几点：1）氮化物的强化机制。2）细化晶粒提高钢的屈服强度。3.增强Cr203保护膜的致密性和稳定性随着钢中含氮量的增加，促进了保护膜中Cr203含量的增长，并提高了保护膜 的致密度，强化了保护作用。11.2合金元素在奥氏体气阀钢中的作用11.2.3铬元素的作用铬在奥氏体气阀钢中的作用，主要表现在以下两方面。1.保持钢的抗氧化性能和耐热腐蚀性能奥氏体气阀钢的含铬量（质量分数）在20%左右。如此高的含铬量，可以保 持钢在800 900下具有良好的抗氧化性能和耐高温燃气腐蚀性能。2.以铬的氮化物和碳化物使钢强化铬在奥氏体气阀钢中会形成碳化物Cr23

7、C6、Cr7C3及氮化物Cr2N。这些铬的化 合物在固溶处理后的时效过程中，以细小弥散状质点在基体中析出，从而显著提髙 钢的硬度和强度，使钢具有良好的耐磨性能和使用寿命。11.2合金元素在奥氏体气阀钢中的作用11.2.4镍和锰元素的作用1.形成和稳定奥氏体镍、锰均为奥氏体形成元素。锰的奥氏体形成能力很弱，仅为镍的一半。2.改善气阀钢的塑性和韧性高碳高氮奥氏体气阀钢的强度和硬度很高。为了改善钢的塑性和靭性，通常加 人镍和锰进行调节。氮是提高奥氏体气阀钢强度的重要合金化元素，保持氮在钢中高的溶解度是获 得高性能气阀钢的关键。11.2合金元素在奥氏体气阀钢中的作用11.2.5钨、钼、钒、铌的作用1.

8、钨在气阀钢中的作用钨在气阀钢中以简单碳化物W2C、WC,以及复合碳化物（W, Fe)23C6等形 式存在。细小的碳化钨能阻止高温时晶粒粗化，提髙钢的高温强度。2.钼在气阀钢中的作用钼在奥氏体气阀钢中的含量（质量分数）为0.25% 1.25%,少量钼在钢中 主要作用是提高高温强度和改善热处理性能。3.钒在气阀钢中的作用钒在奥氏体气阀钢的含量（质量分数）为0.75% -1.00%。钒是强碳化物形 成元素，主要以VC的形式存在。固溶处理时，VC溶于奥氏体，时效过程以细小 弥散状VC析出使基体强化，提高钢的耐磨性能。4.铌在气阀钢中的作用奥氏体气阀钢中，铌含量（质量分数）为1.00% 2.50%。铌在

9、钢中主要以 氮化铌NbN和碳化铌NbC的形式存在。固溶处理时，两者均溶解于奥氏体中；时效过程中，以细小弥散状氮化物或碳化物析出在基体上，使钢强化。11.3影响奥氏体气阀钢质量的冶金因素11.3.1严格控制钢的化学成分1.碳和氮元素含量的控制碳、氮是奥氏体气阀钢中最重要强化元素。碳、氮含量决定了钢中强化相碳化 物和氮化物的数量。这将对气阀钢的高温强度、初性和耐热腐蚀等性能产生显著的 影响。2.钢中含硅量的控制部分奥氏体气阀钢中，要求把含硅量（质量分数）控制在不大于0.35%或0.25%,其目的是防止硅对钢高温加热时促进奥氏体晶粒粗化。11.3影响奥氏体气阀钢质量的冶金因素11. 3. 2控制钢中

10、非金属夹杂物的数量奥氏体气阀钢主要用于制作在髙温、高应力、高热腐蚀性介质中使用的排气 阀。对钢中非金属夹杂物有比较严格的要求。表11-4列出奥氏体气阀钢对非金属 夹杂物的技术要求。11.3影响奥氏体气阀钢质量的冶金因素11.3.3控制钢中碳化物和氮化物的不均匀性奥氏体气阀钢中含有大量的碳化物和氮化物，当其分布不均勻产生偏析时，会 影响钢材的使用性能。11.3.4细化钢的晶粒度奥氏体气阀钢为了得到高的屈服强度，以减少气阀工作过程的变形量，减少泄 漏，对气阀钢的晶粒度提出具体要求。通常要求经固溶处理后的晶粒度应控制在7 至9级。并且还希望晶粒均匀、无混晶现象。11.4奥氏体气阀钢的冶炼工艺及操作要

11、点11.4.1中频感应炉冶炼奥氏体气阀钢的操作要点利用中频感应炉冶炼奥氏体气阀钢时，要重点控制以下问题。1.冶炼用原材料的选择冶炼奥氏体气阀钢使用的原材料，包括中碳铬铁、低碳锰铁、氮化铬铁、氮化 金属锰、钨铁、钼铁、钒铁、铌铁、返回料（本钢种返回料和不锈钢返回料）、碳 素钢废料等。针对冶炼钢中硅含量的不同，分别选用相应牌号的原材料。2.中频感应炉冶炼低硅气阀钢时含硅量的控制方法（1）双联法冶炼气阀钢中含硅量的控制低硅气阀钢中含硅量的控制措施， 包括感应炉炉料的选用、感应炉降硅和感应炉脱氧等方法。（2）利用低硅炉料配料平衡含硅量 利用低硅铁合金和废钢、返回料进行配 料，以便确定由炉料带入的硅量。

12、11.4奥氏体气阀钢的冶炼工艺及操作要点(3)降低钢液含硅量的方法中频感应炉冶炼气阀钢，降低钢液含硅量有以 下三种方法1）直接吹氧氧化法降低含硅量。2）间接氧化法降低含硅量。3）利用炉料加热自行氧化降低含硅量。（4）防止扩散脱氧过程钢液增硅冶炼低硅气阀钢时，不能造中性渣，即用 粘土砖碎块和高铝砖碎块造渣，以及使用铝粉进行扩散脱氧.以免引起钢液增硅。11.4奥氏体气阀钢的冶炼工艺及操作要点3.中频感应炉冶炼奥氏体气阀钢时钢中碳、氮的控制碳、氮是奥氏体气阀钢中的重要组成元素。在钢中具有很好的互补性，相互配 合保持了气阀钢必需的高温强度、耐蚀性、耐磨性、冲击軔度等，使气阀钢具有良 好的综合性能。4.

13、中频感应炉冶炼气阀钢钢中含氮量的控制氮对气阀钢性能产生重要影响。为准确控制氮含量，感应炉冶炼时的控制氮操 作要点如下：1）炉前应当配置快速定氮仪 冶炼含氮奥氏体气阀钢时，炉前应当配置快 速定氮的仪器，以便及时掌握钢液含氮量。2）准确掌握加氮用铁合金中的氮含量 通常用来向钢中加氮用的含氮铁合 金有：氮化铬铁、氮化金属锰。3）控制钢液加氮温度和保持时间 通常向钢中加人含氮铁合金，是在还原 期末，加氮后立即进行终脱氧和出钢。4）控制含氮钢液的出钢温度11.4奥氏体气阀钢的冶炼工艺及操作要点5.中频感应炉冶炼奥氏体气阀钢的脱氧制度冶炼奥氏体气阀钢选用的脱氧制度，关系到电渣重熔过程非金属夹杂物的去除 效

14、果。钢中非金属夹杂物的数量和形态，对气阀钢的使用性能产生重要影响。（1）钢液的预脱氧（2）钢液的扩散脱氧（3）钢液的终脱氧根据气阀钢中含硅量不同，可分为以下两种方式。1）控制含硅量气阀钢的终脱氧2）含硅量正常钢号的终脱氧。11.4奥氏体气阀钢的冶炼工艺及操作要点6.合理使用返回料中频感应炉冶炼奥氏体气阀钢普遍使用返回料。生产实践表明：冶炼配料中随着返回比例的升高，奥氏体气阀钢的合格率下 降。以214N为例的统计结果表明：当采用全新料冶炼时，合格率为70%75%; 返回料用量每增加10%,合格率下降3% 5%;当返回料用量为70%时，合格率 下降到50%。主要原因是夹杂物超标和成材率下降。11.

15、4奥氏体气阀钢的冶炼工艺及操作要点11.4.2电渣重熔奥氏体气阀钢的操作要点控制钢中碳、氮、硅、锰含量；保持碳化物均勻性；降低夹杂物含量是重熔的 主要目的。1.电渣重熔钢中含硅量的控制（1）重熔用自耗电极中含硅量的限制（2）降低重熔渣中不稳定氧化物含量2.电渣重熔奥氏体气阀钢时碳、氮含量的控制体(1)电渣重熔过程钢中碳、氮含量的变化 1)碳含量的变化规律。电渣钢锭底部烧损量比上部大。2)氮含量的变化规律。与碳的变化规律相似，钢锭底部氮的回收率比上部 低。11.4奥氏体气阀钢的冶炼工艺及操作要点(2)电渣重熔启动方法对钢中含碳量的影响通常电渣重熔启动，可以采用 固体导电渣启动和液体渣启动两种方法

16、。1）液渣启动时，通常采用单相石墨电极化渣炉来预熔渣料。2)固渣启动时，碳主要消耗在还原渣中，Si02使钢增硅，产生的C0燃烧后变成C02进人大气。3.电渣重熔高锰奥氏体气阀钢时钢中含锰量的变化下表列出电渣重熔高锰奥氏体气阀钢时含锰量的变化。锰在重熔过程的烧损率较高，钢锭底部为9. 2%，高于钢锭上部的3. 4%,平均烧 损率为6. 3%。注：表中数据中，分子为含锰范围，分母为平均含量，注：表中数据中，分子为含锰范围，分母为平均含量，8 8炉统计结果。炉统计结果。11.4奥氏体气阀钢的冶炼工艺及操作要点电渣重熔奥氏体气阀钢时，锰烧损的原因有以下两点：（1）锰的间接氧化反应锰的间接氧化反应是造成

17、钢锭底部锰烧损的主要原因。（2）锰的高温挥发损失锰的高温挥发损失是造成钢锭上部锰损失的主要原 因。采取以下措施可以改善重熔钢中锰的烧损状况：1）降低渣中FeO含量2）控制电渣重熔熔化速度。11.4奥氏体气阀钢的冶炼工艺及操作要点4.电渣重熔奥氏体气阀钢时钢中磷、硫含量的变化下表列出电渣重熔奥氏体气阀钢时磷、硫含量的变化。注：表中数据中，分子为含锰范围，分母为平均含量，注：表中数据中，分子为含锰范围，分母为平均含量，8 8炉统计结果。炉统计结果。11.4奥氏体气阀钢的冶炼工艺及操作要点11.4.3降低奥氏体气阀钢中非金属夹杂物的途径1.选择合理的冶炼自耗电极终脱氧制度电渣钢锭中非金属夹杂物含量与

18、冶 炼自耗电极的终脱氧制度密切相关。未经终脱氧的自耗电极，重熔去除夹杂物的效 果最差；采用复合脱氧剂硅、锰、铝进行终脱氧，去除夹杂物的效果最好。2.提高电渣过程去除非金属夹杂物的效果1)有效降低硫化物夹杂2）限制重熔返回渣的使用量3）保持合理的电渣过程熔化速度11.4奥氏体气阀钢的冶炼工艺及操作要点11.4.4奥氏体气阀钢晶粒度的冶金控制奥氏体气阀钢的重要力学性能，如屈服强度、韧度和热成形性等都随奥氏体晶 粒度的细化而增强。对奥氏体晶粒度的控制，成为气阀钢的重要质量指标。1.钢中相组成对奥氏体晶粒度的影响（1）铬的碳化物和氮化物对细化奥氏体晶粒度的作用铬在奥氏体气阀钢中， 同碳能形成Cr7C3、Cr23C6碳化物，同氮能形成CrN、Cr2N氮化物。（2）利用强碳化物和氮化物形成元索来细化奥氏体原始晶粒度向钢中加人 微量Nb、V、Ti、Zr等强碳、氮化物形成元素，同气阀钢中的碳、氮形成碳化物 和氮化物。11.4奥氏体气阀钢的冶炼工艺及操作要点2.利用铝来控制奥氏体原始晶粒度冶炼奥氏体气阀钢时，利用终脱氧使用含铝复合脱氧剂来细化晶粒。铝细化晶 粒的作用原理：铝同钢中的氮形成髙熔点细小的AlN，在钢液凝固过程中，起晶核 作用而细化晶粒。（1）细化奥氏体原始晶粒的含铝量铝能细化奥氏体原始晶