【文章內(nèi)容簡介】 i–Cr鋼中空鈉鹽冷卻代替高合金耐熱鋼。對負荷較重的排氣閥，在閥面堆焊耐熱合金（鎳基、鈷基合金），也有采取滲Al等方法的。柴油發(fā)動機排氣閥要求耐V2O5和Na2SO4腐蝕，而21–4N排氣閥耐PbO性能較好，耐V2O5和Na2SO4腐蝕差，因此在柴油機排氣閥上應(yīng)用較廣的為21–12N，20–11P。為了節(jié)約材料，排氣閥也可采用兩種材料對焊。閥桿部分采用鍍鉻或軟氮化工藝。特別對奧氏體閥門鋼如21–4N，因抗擦傷性能差，所以閥桿大多經(jīng)鍍鉻處理。排氣閥端頭對耐磨性要求較高，一般Si–Cr鋼可采用中頻或電解液淬火，對奧氏體鋼則需堆焊耐磨合金層（鎳基和鈷基）。國內(nèi)主要使用的3種閥門鋼，在今天巳不能滿足發(fā)展的要求。21–2N鋼的性能與21–4N相近，國外主要用于中型和輕型汽油機。由于降低了50％的Ni含量而比21–4N更具經(jīng)濟性，美國已有約80％的汽車發(fā)動機使用21–2N鋼[13，3237]。4Cr9Si2及4Cr10Si2Mo在國外巳被高性能的45Cr9Si3，5Cr8Si2所取代，原因是其成本高、性能差、硬度低。為滿足不斷被改進強化的內(nèi)燃機性能要求，各國都在研制性能高、成本低的新型氣閥鋼。美國在21–12N的基礎(chǔ)上研制出了23–8N，用于柴油機排氣閥，同時研制了低Ni的21–2N。英、德還研制出了5Cr21Mn9Ni4Nb2WN（21–4N＋WNb）和6Cr2Mn10MoVNbN，用于高負荷柴油機和汽油機排氣閥。德國還研制出了NiCr20TiAl代替了傳統(tǒng)的尼莫尼克鎳基合金。發(fā)達國家為滿足內(nèi)燃機不斷發(fā)展的需要，在高負荷排氣閥用的高合金鋼和更高負荷排氣閥用鎳基合金之間，早已研制了中間材料，利于大量使用。如美國的Inconel 75日本的RS914“鐵基超合金”等等，后者性能更高，成本更低[9，2830]。 4排氣閥用21–4N鋼 化學成分根據(jù)試制技術(shù)條件規(guī)定，21–4N鋼的化學成分含量是：C0．48–0．58％，Si≤0．35％，Mn8．00–10．00％，S≤0．03％，P≤0．04％，Cr 20．00–22．00％，Ni 3．50–4．50％，N 0．35–0．50％，C＋N≥0．90％[14，16]。 主要性能特點分析 高溫強度試驗采用固溶處理試樣。試樣成份為C0．5％，Si0．28％，Mn8．84％，P0．023％，S0．008％，Cr21．10％, Ni3．98％，N0．363％,經(jīng)1180℃30分鐘水冷、760℃14小時空冷處理（）。 21–4N鋼高溫瞬時強度表試驗溫度（℃）HV室溫307．0–328．0650195．0–206．0700172．0–184．0750148．0–149．0800— 抗氧化鉛腐蝕性能試驗對于汽油機來說，抗氧化鉛腐蝕性能的好壞，是評定排氣閥材料優(yōu)劣的一個重要指標。該項試驗除可在臺架試驗上進行外，也可通過浸漬試驗很快得到近似結(jié)果。浸漬試驗是將盛有固體PbO的Al2O3（或MgO）坩堝放入密封容器內(nèi)，在箱式爐內(nèi)加熱至試驗溫度（通常采用915℃），然后放入已稱重的1015毫米標準試樣。在到達規(guī)定的溫度后保溫1小時，然后取出試樣放入10％的醋酸中清洗，去掉腐蝕產(chǎn)物和氧化皮。最后稱重，計算單位面積上的失重得到腐蝕速率。按以上方法在910℃條件下，我們測得的21–／平方分米小時，／平方分米小時?？梢?1–4N鋼具有比較優(yōu)越的抗PbO腐蝕性能。 21–4N鋼的物理性能 金相組織℃15分鐘水冷，較多的碳化物。如果升高固溶溫度，760℃3小時空冷后的金相組織，在奧氏體基體上分布有較多的碳化物。如果升高固溶溫度，可以使碳化物完全溶解，但晶粒卻很快長大（）。 a–1150℃ 15分鐘水冷， 400 .b–完全固溶處理后的組織，400760℃ 3小時空冷. 21–4N鋼金相組織21–4N鋼的性能好壞、關(guān)鍵在于固溶處理，固溶溫度選擇得當，可以得到滿意的金相組織、機械性能和冷熱加工性能。過高的固溶溫度，雖使碳化物充分溶解，但晶粒嚴重長大，至使塑性嚴重下降，溫度過低則強度較高，冷拉矯直時很困難。由于該種材料對熱處理溫度的波動很敏感，不易得到穩(wěn)定的結(jié)果，因而國外有的干脆直接采取“鍛態(tài)–消除應(yīng)力”的方法，這對于某些氣閥的生產(chǎn)來說效果是很好的。 固溶處理將兩爐21–4N鋼料，分別以1100，1150，1200和1250℃保溫1小時水冷處理，所得性能和金相組織見（）。，隨著固溶溫度的升高，碳化物逐漸溶解晶粒隨之長大，強度和硬度下降，塑性提高。當溫度超過1200℃時，塑性開始降低。所以，為要得到優(yōu)越的綜合性能，就不宜對之完全固溶處理，我們通常采取1150–1180℃的0．5–1小時水冷。材料：1–C0．52％，Si0．10％，Mn8．67％，Cr21．10％，Ni3．84％，N0．38％，S0．02％，P≤0．03％；2–C0．49％，Si0．14％，Mn8．18％，Cr21．70％，Ni3．98％，N0．384％，S0．03％，P≤0．03％； 21–4N鋼不同溫度固溶處理后的機械性能 A 1100℃，400 B 1150℃，400 C 1200℃，400 D 1250℃，400 21–4N鋼不同溫度固溶處理后的金相組織但由于該工序是由鋼廠進行的，我們不再另作處理，因而對原材料生產(chǎn)單位的熱處理質(zhì)量，就有著較高的要求。 時效處理21–4N鋼在示完全固溶處理后，通常采取750–780℃的6–10小時空冷的時效處理。圖（）是經(jīng)1150℃固溶處理后，分別在4，8，12小時760℃條件下進行時效處理的金相組織和硬度變化關(guān)系。1–成份同上圖2材料1； 2–成份同圖2材料2 21–4N鋼經(jīng)760℃不同時間下時效處理后的硬度變化，隨著時效處理時間的延長，材料的硬度升高，沿奧氏體晶界的析出物增多。有關(guān)資料指出，微粒狀的析出物是材料熱處理后的最佳狀態(tài)。，對于性能和使用都很不利。 a.. 4小時，400 b. 8小時，400 c. 12小時，400 21–4N鋼經(jīng)760℃不同時間下時效處理后的金相組織5 21–4N鋼的預(yù)先處理2l一4N(全稱 5Cr2lMn9Ni4N)鋼是以碳化物、氮化物彌散強化的奧氏體耐熱鋼，在700℃以下具有良好的強度、硬度和極好的抗腐蝕性能．是一種節(jié)Ni的內(nèi)燃機排氣閥用鋼。21–4N奧氏體熱鋼具有很好的耐蝕性能，它主要用來制造發(fā)動機的氣閥。發(fā)動機的氣閥不但要求具有良好的耐蝕性能，而且需要良好的耐磨性能。但21–4N奧氏體耐熱鋼的硬度較低、耐磨性能較差。采用軟氮化的方法能大大提高它的表面硬度和耐磨性。但通常的方法難以對21–4N耐熱鋼進行氣體軟氮化，因為奧氏體耐熱鋼含Cr較高，表面會形成含Cr2O3較高的鈍化膜，這種鈍化膜往往很致密，而且很穩(wěn)定，它阻礙氮原子的滲入，使氮化無法實現(xiàn)。人們想了很多辦法來清除鈍化膜[22，225]。例如：將工件進行酸洗或爐內(nèi)腐蝕處理后，可去除鈍化膜。但這種方法工藝復雜，生產(chǎn)條件要求高；氰化鹽浴能對不銹鋼、耐熱鋼進行軟氮化但這種工藝污染較大；離子氮化能對不銹鋼、耐熱鋼進行氮化或軟氮化，但離子氮化裝載量少，大批生產(chǎn)不易。本試驗主要研究21–4N奧氏體耐熱鋼的表面預(yù)先處理工藝，并將預(yù)先處理后21–4N進行軟氮化。該預(yù)處理工藝為奧氏體耐熱鋼進行軟氮化提供了一條合理的途徑。 預(yù)先處理試驗本試驗采用直徑10mm，厚度為3–5mm試樣，它的化學成分見表： 21–4N耐熱鋼的化學成分 wt％CCrMnNiNZr0．47–0．5720．0–22．08．0–10．03．25–4．500．38–0．500．08預(yù)處理前試樣經(jīng)過1160℃固溶處理和750℃12h時效，然后用No．400的水砂紙將試樣兩面磨光。預(yù)處理劑配方的主要藥品是：濃硫酸（98％）、重鉻酸鉀、氯化鈉。軟氮化是在小型貫返式氮化爐中進行，爐膛尺寸為2000mm220mm160mm。氮化溫度為570℃，時間為3h，氮化氣氛為NH3（90％）＋CO2（10％），氨分解率為50，試樣出爐后水冷。 表面預(yù)先處理機理初探預(yù)先處理的目的是清除耐熱鋼表面致密的鈍化膜，這是奧氏體耐熱鋼進行氣體軟氮化的關(guān)鍵之一。通常的辦法是將工件進行爐內(nèi)腐蝕或酸洗，但處理后的工件必須立刻進行氮化，否則，工件表面與空氣接觸又會形成致密的鈍化膜[23，41]。本文采用的預(yù)先處理方法類似酸洗，但它解決了工件處理后，在放置的過程中會再次形成致密的鈍化膜這一問題。在室溫下，硫酸對金屬氧化物的溶解力較弱，因此當預(yù)先處理劑中不含CL—時，／1的預(yù)先處理劑也不與試樣反應(yīng)。因此，我們認為在預(yù)先處理時，首先是鈍化膜在含有CL—的預(yù)先處理劑中被溶解，其反應(yīng)方程式為：Cr2O3＋H2S04＝Cr2（SO4）＋H2當試樣表面的鈍化膜溶解后，其基體中的Fe，Cr與H2SO4，K2Cr2O7，CL—的反應(yīng)就比較復雜了。在酸性溶液中，Cr會發(fā)生析氫反應(yīng)而溶解成Cr2＋，并認為Cr可處于兩種完全不同的狀態(tài)，極易腐蝕的活化態(tài)和同貴金屬一樣的鈍化態(tài)。Cr與還原性物質(zhì)（如HCL或H2SO4）接觸時，易處于活化態(tài)[24，112113]。奧氏體耐熱鋼氣體軟氮化預(yù)先處理的結(jié)果表明，經(jīng)預(yù)先處理后的試樣表面生成了與原來不同的鈍化膜，所以經(jīng)長時間(20d)放置后，試樣還能在NH3＋CO2的氣氛中進行軟氮化。因此我們認為在酸性溶液中Cr發(fā)生析氫反應(yīng)而被溶解，雖然Fe在酸性溶液中也是發(fā)生析氫反應(yīng)而被溶解，但可能由于K2Cr2O7的作用，Cr的溶解速度大于Fe的溶解速度，而造成試樣表面出現(xiàn)很薄的貧Cr層，可能只有一兩個原子層，當試樣從預(yù)先處理劑中取出后與空氣接觸就形成了含Cr量較低的鈍化膜。這種鈍化膜在空氣中是穩(wěn)定的,但在NH3＋CO2的氣氛中就不穩(wěn)定了，因為在氮化氣氛（NH3＋CO2）中發(fā)生如下反應(yīng)為：2NH3＝N2＋3H2；H2＋CO2＝CO＋H2O；CO＋NH3＝HCL＋H2O在NH3＋CO2的氣氛中生成了HCL它的腐蝕能力很強，能破除鈍化膜，而使氮化得以順利進行。對未經(jīng)預(yù)處理的奧氏體耐熱鋼。只有高HCN量才能破除其鈍化膜。 結(jié)論（1）21–4N經(jīng)H2SO4＋K2Cr2O7，水溶液預(yù)先處理劑處理后能在NH3＋CO2的氣氛中進行軟氮化。（2）21–4N經(jīng)H2S04＋K2Cr2O7水溶液預(yù)先處理劑處理后表面含Cr較高的鈍化膜被溶解，并形成了含Cr較低的鈍化膜。含Cr較低的鈍化膜在空氣中穩(wěn)定，而在NH3＋CO2的氮化氣氛中不穩(wěn)定，易被清除。（3）21–4N經(jīng)預(yù)先處理軟氮化后，其滲層顯微硬度可達HV1332。6 軟氮化工藝 氮化的分類氮化可分為兩種：一種是硬氮化，還有一種就是軟氮化。硬氮