内燃机气阀用钢的现状

内燃机气阀用钢的现状秦添艳宝山钢铁股份有限公司特殊钢事业部，上海，200940摘要：阐述了我国内燃机用气阀钢的应用现状和性能要求，介绍了国内外常用气阀钢的钢号和标准。根据气阀钢组织特点，将气阀钢分成了马氏体气阀钢、奥氏体气阀钢和高温合金三大类，并对马氏体气阀钢、奥氏体气阀钢进行了性能对比。关键字：气阀钢，性能，热处理，稀土StudyonPropertiesandApplicationForEngineValveSteelinChinaQinTianyanBaoshanIron&SteelCo.,LtdSpecialSteelBusinessUnit,Shanghai200940,ChinaAbstract:TheapplicationandpropertiesforthevalvesteelinChinawasdescribed.Thegradesandstandardsofcommonvalvesteelintheworldisintroduced.Accordingtothemicrostructureofsteelgrades,thevalvesteelcouldbedividedintothreeclasses,i.e.martensitevalvesteelandaustenitevalvesteelandsuperalloysteel.Thepropertiescomparisonofvalvesteelsbetweenmartensiteandaustenitestructureswasreported.Keywords：Valvesteel,properties,heattreatment,rare-earth气阀钢是用于制造汽油发动机和柴油发动机进、排气阀的必用材料，也是整个发动机中的关键材料，在交通动力机械领域的重要性很大。气阀钢的生产在特殊钢生产中是一个专业性很强的领域，虽然数量不是很大，但工作条件恶劣，通常都要求在高温、高压、高冲刷和高磨蚀的条件下工作，因而对气阀钢的性能要求较高，基本上要达到热强度高，热硬性好，疲劳强度高，耐磨性和抗腐蚀好。纵观气阀钢的发展历程，气阀钢材料经历了碳钢和低合金钢-硅铬型不锈钢-α相合金-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。1国内外气阀钢的种类及应用目前，我国专业气阀钢执行两个标准，即GB/T12773-08(内燃机气阀钢钢棒技术条件)和GB1221-92(耐热钢棒),其中包括7个马氏体钢号：51Cr8Si2、42Cr9Si2、45Cr9Si3、40Cr10Si2Mo、80Cr20Si2Ni、85Cr18Mo2V、86Cr18W2VRe和7个奥氏体钢号：45Cr14Ni14W2Mo、55Cr21Mn8Ni2N、53Cr21Mn9Ni4N、53Cr21Mn9Ni4N（M）、50Cr21Mn9Ni4Nb2WN、33Cr23Ni8Mn3N、20Cr21Ni12N、61Cr21Mn10MoVNbN。另外，我国标准中还列入了两个镍基合金，德国和国际标准中也把镍基合金列入了气阀钢标准。根据我国最新气阀钢标准与国内外常用气阀钢牌号的归纳和对比，我国气阀钢的发展在世界上处于中等水平。1.1马氏体气阀钢1.1.1中碳马氏体气阀钢中碳马氏体气阀钢主要有42Cr9Si2、45Cr9Si3、40Crl0Si2Mo和51Cr8Si2。45Cr9Si3钢在欧美、日本多年来作为标准钢号已大量使用，与42Cr9Si2钢相比，淬硬性和抗腐蚀性都好。但是由于我国特殊钢厂热轧机精度低，轧材偏差大，不能象国外采用精轧-矫直-磨光的先进生产工艺，只能采用热轧-冷拉定径-矫直-磨光的生产工艺，这种工艺生产45Cr9Si3成本比较高。所以，目前我国农用车等负荷不高的内燃机排气阀和一些中高负荷内燃机进气阀还是大量采用42Cr9Si2和40Crl0Si2Mo两个钢号。51Cr8Si2(即SUHll、X50CrSi82)，是日本标准中较早的一个钢号，它的特点是成分中降低了Cr、Si的含量，使钢材成本比42Cr9Si2，45Cr9Si3(即SUH1、X45CrSi93)都低。Si含量的降低使钢的热塑性和室温塑性都提高了，回火脆性也减小了，因而，提高了钢材的成材率，进一步降低了成本。由于碳量较高，提高了淬硬性。使淬火后的硬度能够大于58HRC，这一特点使它更适宜于用作排气阀摩擦焊结构的阀杆。1.1.2高碳马氏体气阀钢。高碳马氏体气阀钢主要有80Cr20Si2Ni(SUH4，美国钢号XB)和85Cr18Mo2V（德国钢号X85CrMoV182）两个钢号。80Cr20Si2Ni是欧美各国为了提高耐蚀性、耐磨性。大约在五十年代中期开发应用的。由于在特钢厂生产中塑性差，成材率低，在制阀厂中气阀杆端淬火硬度不能保证50HRC，也造成成品率低，成本高，不受欢迎，在ISO683-13标准和其他有些国家标准中已经被取消，由德国钢号X85CrMoV182替代。2008年新列入国标的85Cr18Mo2V(德国钢号X85CrMoV182)克服了80Cr20Si2Ni的缺点。早在80年代就得到广泛应用。1.2奥氏体气阀钢1.2.1汽油机用奥氏体气阀钢21-4N(50Cr21Mn9Ni4N),是美国在1950年左右研制成功的典型的节镍奥氏体钢，虽然在长期使用过程中由于晶界反应有大量的层状析出影响抗腐蚀性和高温强度，但是，多年来大量使用表明，能满足中等负荷汽油机排气阀的工况，有较长的寿命。这是目前世界各国汽油机排气阀使用量最大的钢号。21-2N（55Cr21Mn8Ni2N），德国牌号为X55CrMnNiN20-8，是在21-4N基础上发展起来的，大约节省2%的Ni，Cr和Mn略有下降，C含量略有上升，该钢强度比21-4N略差，但耐蚀性不变，能满足使用要求。目前，我国桑塔纳、奥迪轿车等，切诺基吉普车和GM发动机已经大量使用国产21-2N钢。在成本方面，2l-2N钢比21-4N钢明显低。SUH38是日本钢号，在原GB1221-75、GB1221-84标准中为3Cr20NillMo2PB即2O-llP，由于含0.18%的P，在新标准GB1221-92中被取消了。该钢是日本在六十年代研制成功的高温强度高、塑性好、工艺性好的气阀钢，没有层状析出，成本比21-4N高。由于含磷钢在生产中的返回料难于安排，生产受到限制。此外，随着国内钢厂设备改造，生产条件改善，小规格2l-4N钢价格下降，所以2O-llP钢目前很少使用。1.2.2柴油机用奥氏体气阀钢45Crl4Nil4W2Mo即14-14型，是我国使用较广泛的中等负荷柴油机排气阀钢，但是与19-9型（国标没有列入）相比，成本高、耐蚀性低、高温强度低。20Cr21Ni12N即21-12N，广泛用于柴油机作排气阀，该钢的特点是Cr,Ni含量高，高温抗燃气腐蚀性能比14-14型（即45Crl4Nil4W2Mo）高，塑性也较好。33Cr23Ni8Mn3N(X33CrNiMnN23-8)即23-8N，用于制造中等负荷柴油机的排气阀,替代21-12N(20Cr21Ni12N)。其特点是耐燃气腐蚀、塑性好、强度较高。国外高负荷柴油机排气阀用材一般采用Inconel751和Nimonic80A等镍基合金,LF2和LF4合金与Inconel751和Nimonic80A合金性能相当但成本较低。2典型气阀钢性能研究2.1马氏体气阀钢性能比较由于工作环境恶劣，气阀钢都要求有较好的耐腐蚀性、耐磨性、抗氧化性和高温性能以及热强性。马氏体气阀钢中应用较多的为中碳马氏体气阀钢，主要有42Cr9Si2、45Cr9Si、40Cr10Si2Mo和51Cr8Si2。2.1.1马氏体气阀钢淬火硬度研究资料表明【2】，42Cr9Si2、40Cr10Si2Mo和51Cr8Si2，三个钢的淬火硬度开始均随淬火温度的提高而加大，但到达最高点后又均随淬火温度的提高而下降。无论是在上升阶段还是在下降阶段，51Cr8Si2钢的硬度明显高于其它二者，但51Cr8Si2钢硬度开始下降的温度较早(约1030℃)，而其它二者较晚(约1050℃)。此外，40Cr10Si2Mo钢的淬火硬度随淬火温度变化的曲线存在较尖锐的峰，即可淬硬区间较窄，而51Cr8Si2钢的可淬硬区间较宽。5Cr8Si2钢的淬硬性较好,适于做对耐磨性要求较高的进气阀及摩擦焊结构排气阀的阀杆。2.1.2马氏体气阀钢高温力学性能三种主要的中碳马氏体气阀钢的高温强度和高温塑性随温度的变化存在以下规律【2】：40Cr10Si2Mo钢的高温抗拉强度和高温屈服强度都大于42Cr9Si2钢和51Cr8Si2钢而且，他们的高温抗拉强度σb、高温屈服强度σ0.2均随温度的提高而降低。51Cr8Si2钢的高温抗拉强度和高温屈服强度与42Cr9Si2钢相近,但51Cr8Si2钢比42Cr9Si2钢的稍高。高温拉伸时的伸长率随温度的升高而加大,其中42Cr9Si2钢的伸长率最大，40Cr10Si2Mo钢的最小,51Cr8Si2钢的居中。断面收缩率随温度升高而加大。在600℃以下，42Cr9Si2钢的断面收缩率最大，40Cr10Si2Mo钢的最小，51Cr8Si2钢的居中，此段斜率较大；在650℃以上，42Cr9Si2钢和4Cr10Si2Mo钢的断面收缩率基本相同，而51Cr8Si2钢的较低，且此段斜率较小。在高温强度及塑性方面，40Cr10Si2Mo钢具有非常明显的优势，其强度高、塑性好，而42Cr9Si2钢和51Cr8Si2钢次之。2.1.3马氏体气阀钢球化退火后的力学性能球化退火，是冷拔前的热处理工艺,目的是产生球化组织,降低强度,减小变形抗力。三种主要中碳马氏体气阀钢球化退火后的力学性能如表1所示。由表1可看到：4Cr9Si2钢和4Cr10Si2Mo钢的抗拉强度和屈服强度相差无几，4Cr10Si2Mo钢的稍高一点。5Cr8Si2钢的抗拉强度比前二者低得多，而屈服强度更低(低100MPa)。5Cr8Si2钢的σb/σ0.2值为2，4Cr9Si2钢为1.58，4Cr10Si2Mo钢为1.60。三者的伸长率几乎相同,而5Cr8Si2钢的断面收缩率和冲击功明显大于其它二者。这也就是说，5Cr8Si2钢的加工性能最好，而4Cr9Si2钢和4Cr10Si2Mo钢次之。表1三种主要中碳马氏体气阀钢球化退火后力学性能对比[2]Table1Comparisionofmechanicalpropertiesforsteelsafterspheroidizingannealing钢种Rb/MPaR0.2/MPaψ/%δ5/%冲击功/J硬度(HB)5Cr8Si26853456532291876803406230301874Cr10Si2Mo7154555731222027154555731212024Cr9Si27304555732162137254505430162072.2奥氏体气阀钢性能比较2.2.1不同化学成分的奥氏体气阀钢的综合性能为了满足高参数内燃机的需求，保证整机寿命，提高气阀的工作负荷，欧美各国在21-4N的基础上发展了21-4NNb、21-4NWNb，具体成分见表2。表2不同Nb含量的气阀钢（质量分数％）Table2WithdifferentNbcontentforValvesteel（wt％）CMnSiPSCrNiWNbN21-4N0.45-0.558.0-10.0≤0.45≤0.050≤0.03020.0-22.03.25-4.500.35-0.5021-4NNb0.50-0.608.0-10.0≤0.35≤0.050≤0.03020.0-22.01.50-2.750.25-1.100.38-0.5321-4NWNb0.45-0.558.0-10.0≤0.45≤0.050≤0.03020.0-22.03.50-5.50（4.01）0.80-1.501.8-2.5(Nb_Ta)0.40-0.6021-4NNb【3】的室温和高温力学性能与21-4N相似，层状析出很低，成本或售价却低于21