铬-钼-钒-钛-稀土系耐热钢镶块材料

摘要

本发明涉及内燃机涡流燃烧室镶块材料，特别是铬-钼-钒-钛-稀土系铁素体型耐热钢镶块材料，其重量组成为：C：＜0.15％、Si：2.01-3％、Mn：0.10-0.60％、S.P＜0.03％、Cr：16-20％、Mo：0.5-2.5％、V：0.08-0.20％、Ti：≤0.8％、Al：0.10-0.15％、RE：0.01-0.15％、余为铁。

说明书

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本发明涉及内燃机涡流燃烧室镶块材料，特别是铬-钼-钒-钛-稀土系耐热钢镶块材料，尤其适用于制作农用、车用柴油机涡流燃烧室镶块。

涡流燃烧室镶块受高温燃烧气流的冲刷，并承受交变应力的作用。因此，镶块材料必须具有良好的抗氧化、耐热腐蚀、抗冷热疲劳性能。镶块材料性能的优劣直接影响内燃机整机的工作效率和能源消耗，选择性能优良的镶块材料是内燃机行业极为关注的课题。目前，国外大多采用镍基高温合金Nimocast 80或镍、钴、铬含量高的N-155铁基合金制作镶块，其使用寿命可与内燃机同寿命，但因镍、钴含量高使镶块成本较高，而且冶炼工艺复杂;国内由于镍资源缺乏，大多采用4Cr9Si2、4Cr10Si2M₀等马氏体型耐热钢作为镶块材料，但在使用过程中经常出现热裂、热蚀、松动、脱落等缺陷，其使用寿命为500-1000小时。上海内燃机研究所和上海钢研所研制了几种马氏体、奥氏体、铁素体型镶块材料（见表1），其生产流程采用非真空冶炼-铸锭-锻造-热轧>

本发明的目的是提供一种不含镍、钴、钨、铌等元素的铬-钼-钒-钛-稀土系耐热钢镶块材料。

本发明是一种铬-钼-钒-钛-稀土系铁素体型耐热钢镶块材料，其重量组成为：C：＜0.15%、Si：2.01-3%、Mn：0.10-0.60%、S.P：＜0.03%、Cr：16-20%、Mo：0.5-2.5%、V：0.08-0.20%、Ti：≤0.8%、Al：0.10-0.15%、RE：0.01-0.15%，余为铁;其工艺流程为：非真空熔炼-直接浇铸成园钢或精密铸造成镶块毛坯-热处理（720-850℃保温2小时，空冷），无须铸锭、锻造、热轧等工序。

本发明镶块材料的金相组织为：铁素体+碳化物，硬度HRC＜15。

本发明镶块材料的热处理制度和材料中所包含的每一元素系根据下述理由予以限定（下述百分比为重量组成）。

本发明热处理制度采用720-850℃范围内退火，保温2小时空冷，可有效地消除铸造应力，使晶界合金碳化物由连续网状变为断续链状，减小材料的脆性，使韧性提高，在退火过程中按铬钢的热处理升温速度进行。为保证得到链状碳化物，应尽量缩短保温时间，减少脱碳。

为获得令人满意的抗高温氧化、抗热裂、和耐热蚀性能，本发明铬的加入量为16-20%，并将碳控制在0.15%以下，可使材料获得稳定的铁素体组织，碳与铬、钛、钒形成碳化物，可提高材料的强度和抗蠕变应力。但由于碳含量＜0.15%，因而镶块材料的硬度较低（HRC＜15），本发明者认为，碳化物的膨胀系数与基体的膨胀系数差异大，碳化物质点增加会导致镶块在冷热交变情况下疲劳开裂。因镶块材料只受高温燃气流的冲刷，对材料的耐磨性能无特殊要求，实践证明，本发明镶块材料硬度虽低，（HRC＜15），但材料的抗疲劳、开裂性能和抗氧化性能有所提高，装机使用情况良好。硅在镶块材料中以固溶体的形态存在于铁素体中，提高铁素体的硬度和强度，硅能封闭γ相区，可保证镶块能得到完全的铁素体组织，同时，硅可增强镶块在高温下的抗氧化、耐热蚀性能，为不使镶块导热系数过小，将硅限定在2.01～3%。钛和混合稀土氧化物的加入可达到净化钢液的目的，加入稀土元素可增大铬的扩散率，有助于Cr₂O₃钝化膜的形成，稀土还可使氧化膜的粘附性提高，在金属基体和外层氧化物之间形成富稀土的合金层，从而提高了基体金属和外层氧化物之间的结合力，提高了氧化膜的热稳定性。加入0.50-2.5%的钼，除保证材料的热强度外，还可提高铁素体对高温蠕变的抗力。铝对铁素体有一定的固溶强化，可提高钢的抗硫化氢腐蚀性能，铝与铬共存于材料中，可显著提高钢的氧化性，但过多的加入铝元素，可导致钢中夹杂物增多，铸造表面质量差，因此将铝限定在0.10-0.15%。

本发明的优点是：

1.因材料中不含镍、钴、钨、铌等元素，镶块成本大幅度下降，是Nimocast    80镍基高温合金的20%左右，是马氏体型耐热钢的60%左右。

2.生产工艺简单，采用直接浇铸工艺，可提高材料利用率30%。

3.材料性能好，使用寿命高，分别是4Cr10Si2Mo和4Cr9Si2的4-7倍。

实施例：

化学成份为17%Cr、1.5%Mo、0.10%V、0.5%Ti、0.10%RE、0.4%Mn、2.01%Si、0.10%C、0.10%Al、S、P≤0.03%、余为Fe的柴油机涡流燃烧室镶块材料。

工艺流程为：

150公斤非真空中频感应电炉熔炼、直接浇铸成直径为42毫米的园棒或精铸成镶块毛坯，经800℃保温2小时，空冷后加工成镶块。金相组成为：铁素体+碳化物，硬度HRC＝12。其机械性能和物理性能如下：

物理性能为：熔点T＝1490-1510℃、比重d＝7.4克/厘米³。

高温机械性能（见表2），抗高温氧化性能（空气介质）（见表3），导热系数（见表4），线膨胀系数（见表5）。

镶块装机试验结果如下：

1.在195T型柴油机上按GB1150-74规范进行120%负荷（转速2000转/分、功率N＝14.4马力）强化试验后检查，镶块无烧蚀，无裂纹，无松动及其他缺陷，见附图1）。

2.在295G型柴油机上按NJ289-83规范进行了1000小时耐久试验（转速2000转/分，功率N＝24马力），试验表明，在1000小时耐久试验过程中性能稳定、可靠、停机后拆机检查镶块无松动、无烧蚀、无裂纹（见附图2）。

3.在SD1100型柴油机上按GB1105-74规范进行2000小时耐久试验后检查，镶块无烧蚀、不松动、脱落。（见附图3）。

4.将本发明镶块装在2台195T型柴油机中在泰山-12型拖拉机上装机在山区、丘陵地使用近700小时和1200小时，工作油压稳定在1.5公斤/厘米²、冷却水温度70-75℃，在超标定工况下进行工作后检查、镶块无裂纹、无烧蚀、无松动脱落（见附图4）。