HK1168391B - 用於阀座垫板的镍基合金 - Google Patents

Description

用于阀座垫板的镍基合金

技术领域

本发明涉及具有高硬度和压缩屈服强度的镍基合金。这样的合金特别用于发动机部件例如阀座垫板。

背景技术

镍基阀座垫板合金通常具有优于高合金钢的耐磨性、耐热性和耐腐蚀性，并且因此通常用作在严峻条件下服役的结构构件例如阀座垫板的材料。已知的用于废气阀座垫板的镍基合金，例如以J96确定并且由L.E.Jones公司市场化的合金，具有相对良好的性质，包括良好的硬度和压缩屈服强度。另一种由L.E.Jones公司市场化的合金是J89，其详细内容提供于美国专利No.6,482,275中，通过引用将其公开内容并入本文。通常，J89合金包含以重量百分比计的(在本文中使用的“百分之”和“％”意指以重量计的百分比，除非有其它说明)：2.25-2.6％的C、至多0.5％的Mn、至多0.6％的Si、34.5-36.5％的Cr、4.00-4.95％的Mo、14.5-15.5％的W、5.25-6.25％的Fe，余量为Ni和偶存杂质。

发明内容

本文公开的是镍基合金，其包含(以重量百分比计)：约0.5-约1.5的碳、约25-约35的铬、约12-约18的钨、约3.5-约8.5的铁、约1-约8的钼、至多约0.50的锰、至多约1.0的硅；以及余量为镍和偶存杂质。该合金适用于内燃机中的阀座垫板用途。

附图说明

图1是处于铸态条件下的J91在500倍下的OLM显微照片。

图2是处于铸态条件下的J91在500倍下的SEM显微照片。

图3是对于J3、J130、J160和J91合金在提高的温度下的磨损图。

具体实施方式

将本文描述的镍基合金(称为“J91合金”)指定为提高可机加工性并且在提高的温度下维持所需的硬度和耐磨性。通过对碳、铬、镍和钨含量的调整，可提供不含粗的一次碳化物还展现所需耐磨性质的基体材料。J91合金的显微组织可表征为散布有富Ni的FCC相的球形或蛋形共晶域(domain)，并且因此提供所需的耐磨性质而不依靠粗的一次碳化物。

除了改进的可机加工性和所需的硬度，J91合金还可展现高的压缩屈服强度、良好的耐腐蚀性和良好的抗氧化性。

在详细解释实施方案之前，要理解在其应用中J91合金不限于在下面描述中给出的组合物和组分浓度的详细内容。J91合金能够在其它的实施方案中实施，并且能够以各种方式实践或进行。此外，理解本文使用的词组和术语是出于描述的目的，而不应该将其视为限制。当在本文使用时，术语“约”意指包括比所列举的数值或范围高出至多10％和低出至多10％的值。

虽然设计J91合金特别指定用于内燃机阀座垫板中，但是其它应用也是可行的。与J89合金相比，J91合金基于如下的实验发现：通过移除粗的一次碳化物并在共晶反应相基体(在其中可引入其它的增强溶质)中产生均匀分布的面心立方(FCC)镍-固溶体相，可获得镍基合金的硬度和压缩屈服强度。

碳(C)以总合金的约0.5-约1.5重量％的量存在于J 91合金中；优选地，约0.95-约1.3重量％。令人惊讶地，J91合金展现了与J89合金相同的耐磨性质，而却具有较低的碳含量。然而J89合金依赖于粗的一次碳化物的存在来获得耐磨性，而在铸态条件下通过改进的耐磨基体显微组织，优选不含粗的一次碳化物的J91合金可获得所需的耐磨性。通过选择Ni、Cr和W含量，通过产生散布有富Ni的FCC相的球形或蛋形共晶域的三元共晶反应，可增加共晶组织的量。

铬(Cr)以总合金的约25-约35重量％、优选27-33重量％并且更优选约28.5-约31.5重量％的量存在于合金中。可选择铬含量使得Cr、Ni和W的相对量将J91合金移动更接近Ni-W-Cr三相图的共晶中心点，从而促进对于在W和Ni之间(一种或多种)金属间化合物相形成的趋势。通过增加均匀分布的共晶组织的量，可使基体材料非常耐磨。

钨(W)以总合金的约12-约18重量％的量存在于合金中。优选地，钨含量为至少约14重量％并且至多约16重量％。更优选的W含量为约14.5％-约15.5％。

铁(Fe)以总合金的约3.5-约8.5重量％的量存在于合金中；优选地，至少约5重量％并且至多约7重量％。优选的Fe含量为约5.25％-约8.25％。

钼(Mo)以总合金的约1-约8重量％的量存在于合金中。通常，较多的钼提高合金硬度并且减少碳化物尺寸；然而，太多的钼可导致脆性产物。钼的重量百分数优选为至少约2重量％并且至多约6.25重量％。更优选地，该合金包含约4-5重量％的Mo，最优选Mo含量为约4.35％-约4.95％。

锰(Mn)可以以总合金的至多约0.5重量％的量添加或存在。优选的Mn含量为约0.25％-约0.5％。

硅(Si)以总合金的至多约1.0重量％的水平添加或存在于合金中。优选的S i含量为约0.15％-约0.60％。

该合金可包含总量至多1.5重量％的其它特意添加的元素。这样的元素包括钴(Co)、钒(V)、钛(Ti)、铌(Nb)、铪(Hf)、锆(Zr)、钽(Ta)、稀土元素、钇(Y)、铜(Cu)、硫(S)、磷(P)、氮(N)或其它元素。例如，该合金可包含至多0.5％的V、至多0.5％的Co、至多0.03％的P、至多0.03％的S。

合金余量为镍(Ni)和偶存杂质。通常，该合金包含至少约30重量％的镍。优选的Ni含量为约35-约45％。因此，该合金优选基本上由C、Cr、W、Mo、Fe、Ni、Mn和S i组成。在本文使用的“基本上由...组成”将不利地影响合金的可机加工性和磨损性质的添加物排除在外。

在800℃下，碳化物之间的基体材料优选包含元素Cr-Ni-W的三相共晶组合物，其提供提高的强度。形成三相共晶组合物所需的Cr-Ni-W相对浓度可参考Cr-Ni-W三元组分相图来确定。这样的相图示于例如ASM Handbook，Copyright 1992，Volume 3的第3-48页，通过引用将其并入本文。

在一个高度优选的实施方案中，该合金包含：

元素	重量百分比范围
		C	0.95-1.3
Cr	28.5-31.5
		Mo	4.35-4.95
W	14.5-15.5
		Fe	5.25-8.25
Si	0.15-0.6
		Mn	0.25-0.50
V	至多0.5
		Co	至多0.5
S	至多0.03
		P	至多0.03
Ni	余量
		其它元素	至多1.5

可通过铸造或由粉末成型并烧结，由该合金制成金属部件，或者可使用该合金作为硬面(hardface)部件的涂层。优选地，通过铸造制备合金。铸造是将原料一起添加并且将其熔融至液态，随后将其倾倒入铸模中的常规方法。

优选地，金属部件为通过铸造或粉末冶金制成的用于内燃机中的阀座垫板。

尽管J91合金为镍基的，但是与镍相比，该合金的热膨胀系数倾向于更靠近铁。(在25-600℃的温度下，铸铁的热膨胀系数为约11.5×10^-6mm/mm℃)。这是有利的，因为当发动机运转时，阀座垫板倾向于比周围的材料热得多。如果阀垫板合金的热膨胀系数与汽缸盖合金紧密匹配，这能够使垫板和汽缸盖在相同速率下膨胀，从而改进垫板的保留(retention)性质。

J91合金具有良好的高温压缩屈服强度，其在运行期间提高了耐磨性并且了减少了材料屈服。减少的屈服起到改进垫板保留的作用。优选地，该合金在室温下具有的压缩屈服强度为至少约110千磅/平方英寸(KSI)；更优选地，在室温下为至少约130KSI。

提高的热硬度有助于改进的耐磨性并且提供对于在超过标称运行温度下操作的垫板的安全系数。

实施例

在下面的表格和讨论中给出J91和J89合金的对比性质。

典型的显微组织

J91合金具有由共晶反应相连同少量随机分布的FCC镍固溶体相组成的基体。镍固溶体相沿着共晶相的晶界分布。在图1和2中分别描绘了展现典型J91显微组织的光学显微镜(OLM)显微照片和扫描电子显微镜(SEM)显微照片。对于光学显微镜的显微组织表征使用了J89熔炼料(heat)(熔炼料No.7K17K)和J91熔炼料(熔炼料No.8L15XA)。此外，对于扫描显微镜的显微组织表征采用了熔炼料J91(熔炼料No.7G10XA)和J89熔炼料(7K17K)。在表1中总结了以上涉及的三种熔炼料的组合物。

表1.对于显微组织的表征施加的J89和J91熔炼料的组成

合金/熔炼料No.	C	Si	Mn	Cr	Mo	W	Fe	Ni
									J89/7K17K	2.25	0.20	0.39	35.12	4.48	15.00	5.69	36.49
J91/8L15XA	1.19	0.20	0.52	30.51	4.44	14.92	7.19	40.72
									J91/7G10XA	1.21	0.16	0.02	30.54	4.88	14.20	4.47	41.32

用于热硬度测量的样品

在表2中总结了用于制备热硬度测量样品(对于合金J89和J91)的熔炼料的组成。

表2.对于热硬度测试所使用的J89和J91的合金/熔炼料号的组成

合金/熔炼料No.	C	Si	Mn	Cr	Mo	W	Fe	Ni
									J89/4E18D	2.40	0.39	0.26	34.92	4.38	14.90	5.93	36.64
J91/8D02Q	0.98	0.46	0.22	30.55	4.36	15.25	6.95	41.06

材料性质

合金J91的典型体硬度为洛氏C(HRC)48-52，优选约49-51。因此，合金J91具有在J96(HRC40)和J89(HRC55)之间的体硬度。

在表3中总结了对于J89、J91和J96(对于总结于表2中的合金)的热硬度(以维氏HV10为单位)对比。尽管J91在其显微组织中不包含粗的一次碳化物，发现J91仍然具有显著高于J96的热硬度。

表3.合金J89、J91和J96之间的热硬度对比.

用于压缩屈服强度测试的样品

在表4中给出了用于压缩测试的J89和J91样品。

表4

合金	C	Si	Mn	Cr	Mo	Fe	W	Ni
									J89	2.51	0.56	0.48	36.47	4.15	6.7	15.44	33.69
J91	1.33	0.24	0.1	30.29	4.81	8.69	14.15	40.39

在表5中显示了J89、J91和J96的压缩屈服强度的对比。可清楚地看到J91对于在合金J89和J96之间所施加的温度范围所具有的压缩屈服强度。

表5.合金J89、J91和J96之间的压缩屈服强度(KSI)对比

用于线性热膨胀系数测量的样品

将熔炼料J89(4E18D)和熔炼料J91(7G10XA)用于进行热膨胀系数测量。在表6中总结了对于两种涉及的熔炼料的组成。

表6.用于热膨胀系数测试的J89和J91熔炼料的组成

合金/熔炼料No.	C	Si	Mn	Cr	Mo	W	Fe	Ni
									J89/4E18D	2.40	0.39	0.26	34.92	4.38	14.90	5.93	36.64
J91/7G10XA	1.21	0.16	0.02	30.54	4.88	14.20	4.47	41.32

在表7中总结了合金J89和J91的热膨胀系数测量结果和上述的熔炼料。

表7.对于合金J89和J91的热膨胀系数(×10^-6mm/mm℃)

合金/熔炼料No.	25-200℃	25-300℃	25-400℃	25-500°	25-600℃
						J89/4E18D	10.32	11.07	11.55	11.95	12.38
J91/7G10XA	10.95	11.63	12.15	12.52	13.01

实际上，J91的热膨胀系数仅略微大于J89。如此低的热膨胀系数有利于重型发动机阀座垫板用途。

耐磨性

期望在发动机磨损条件下合金J91的耐磨性与J89类似。在图3和表8中分别展示了对于J91、J3、J130和J160对比Pyromet 31V阀材料的耐磨性与测试温度的函数关系的对比。

清楚地显示：在废气温度范围内，在所评价的四对材料之中J91显示了总的最少的材料磨损。在较低的测试温度范围内(环境温度至250℃)，当与Pyromet 31V阀材料配对(paired)时，J91显示了类似于合金J 30和J160的耐磨性。

表8.Plint磨损测试结果总结.

应该理解本发明的合金能够以各种实施方案的形式结合，其中仅有一小部分在上面得到描述。本发明可以以其它的形式实施，而不偏离其精神或基本特征。所描述的实施方案在各个方面仅视为示意性的而不是限制性的，并且因此本发明的范围由所附的权利要求而不是由前面的描述来表示。在权利要求的等同含义和范围内的所有改变将包含在它们的范围内。

Claims (18)

1.镍基合金，其以重量百分比计包含：0.95-1.5的碳；25-35的铬；12-18的钨；5.0-8.5的铁；1-8的钼；至多0.50的锰；至多1.0的硅；至多0.5的钴；30-45的镍和偶存杂质；

其中该合金具有铸态的显微组织，其包含不含粗的一次碳化物的球形共晶域的耐磨基体。

2.权利要求1的合金，其中该合金包含28.5-30.5重量%的铬。

3.权利要求1的合金，其中该合金包含至少14.0重量%的钨。

4.权利要求1的合金，其中该合金包含至多7.0重量%的铁。

5.权利要求1的合金，其中该合金包含4.35-4.95重量%的钼。

6.权利要求1的合金，其中该合金包含至多1.3重量%的碳。

7.权利要求1的合金，其中该合金包含至多32.0重量%的铬。

8.权利要求1的合金，其中该合金包含至多16.0重量%的钨。

9.权利要求1的合金，其中该合金包含40-42重量%的镍。

10.权利要求1的合金，其中Cr、Ni和W的相对浓度使得在800℃的温度下形成三相共晶组合物。

11.权利要求1的合金，其中合金基本上由以下组成：0.95-1.3的碳；28.5-31.5的铬；14.5-15.5的钨；5.25-8.25的铁；4.35-4.95的钼；0.25-0.5的锰；0.15-0.6的硅；至多0.5的钒、至多0.5的钴、至多0.03的硫、至多0.03的磷，以及38-42的镍和偶存杂质，以重量百分比计。

12.权利要求1的合金，其中所述合金为铸件。

13.权利要求11的合金，其中所述合金为铸件。

14.权利要求1的合金，其中所述合金为用于内燃机的阀座垫板。

15.用于内燃机中的阀座垫板，所述阀座垫板由基本上包含以下的合金制成：0.95-1.5的碳；25-35的铬；12-18的钨；5.0-8.5的铁；1-8的钼；至多0.5的锰；至多1.0的硅；至多0.5的钴；以及余量为镍和偶存杂质，以重量百分比计；

其中该合金具有铸态的显微组织，其包含不含粗的一次碳化物的球形共晶域的耐磨基体。

16.权利要求15的阀座垫板，其中该阀座垫板为铸件。

17.权利要求15的阀座垫板，其中该合金基本上由以下组成：0.95-1.3的碳；28.5-31.5的铬；14.5-15.5的钨；5.25-8.25的铁；4.35-4.95的钼；0.25-0.5的锰；0.15-0.6的硅；总量不超过0.5的钒和钴、不超过0.03的硫、不超过0.03的磷，以及余量为镍和偶存杂质。

18.权利要求15的阀座垫板，其具有48-52的洛氏C硬度。