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CN114752845B - 一种节镍型高碳铁基高温合金及其制备方法 - Google Patents

一种节镍型高碳铁基高温合金及其制备方法 Download PDF

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CN114752845B CN202110021122.9A CN202110021122A CN114752845B CN 114752845 B CN114752845 B CN 114752845B CN 202110021122 A CN202110021122 A CN 202110021122A CN 114752845 B CN114752845 B CN 114752845B
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Abstract

本发明公开了节镍型高碳铁基高温合金及其制备方法，通过设计合金成分，降低Ni的含量，调整C、Cr、Al、Ti和Nb的含量，采用真空感应熔炼、电渣重熔、锻造开坯、热轧、固溶和银亮加工，并控制各过程参数，制得节镍型高碳铁基高温合金，该节镍型高碳铁基高温合金不仅固相线温度高出常规的Fe‑Ni‑Cr基高温合金的锻造或热轧温度(1100～1120℃)大约50～80℃，同时Laves相的开始析出温度低于固相线温度,且具有较高的γ”相和γ'相等强化相开始析出温度,使得其性能也与镍基高温合金Inconel 751和Nimonic 80A性能相当。

Description

一种节镍型高碳铁基高温合金及其制备方法
技术领域
本发明涉及铁基类高温合金领域，尤其涉及一种节镍型高碳铁基高温合金及其制备方法，其具有耐热、高强度和抗氧化性等优良性能，主要作为发动机气门材料使用。
背景技术
随着国家对汽车发动机尾气排放要求的提高，发动机的气门材质逐渐由镍基高温合金Inconel 751和Nimonic 80A取代21～4NWNb、61Cr21Mn10Mo1V1Nb1N等奥氏体耐热钢，但这两类镍基高温合金的镍元素比较贵且含量比较多，因此人们把生产气门的气阀合金由镍基高温合金转向了低镍含量(20～40％)的铁基高温合金，相继研发了较多的气门用Fe-Ni-Cr基高温合金材料，而鉴于气门的使用环境中涉及耐磨性能，相继出现了高碳类型的Fe-Ni-Cr基高温合金；比如美国Eaton公司申请的US20080008617或CN 101484597 B公开了一种耐磨高温合金，在考虑高温耐热性和腐蚀性的同时进行了耐磨性设计，其主要合金成分(质量百分数)为:C0.15～0.35％、Ni25～40％、Cr15～25％、Al1.6～3.0％、Ti1～3.5％、Nb+Ta 1.1～3％、Mo≤0.5％、W≤0.5％、Si≤1％、Mn≤1％、B≤0.015％，利用碳和铌作用形成一定体积分数的MC型碳化物，这样提高合金的耐磨性能，但是该合金在实际制作气门的生产过程中，气门盘和杆中心经常会出现裂纹而致报废。
除此之外，还有如下专利中碳含量都存在≥0.1％的范围:
申请号201310349567.5公开了一种高强度节镍型气阀钢及其制备方法，化学成分重量百分比为:C:0.01～0.25％，Si:0.5～1.8％，Mn:0.20～1.80％，P≤0.030％，S≤0.030％，Cr:16.0～24.0％，Ni:18.0～28.0％，Al:0.5～2.5％，Ti:1.5～3.5％，Nb:0.5～2.5％，V:0.1～0.5％，Zr:0.001～0.050％，Ce:0.001～0.030％，Cu≤0.30％，余量为Fe和不可避免的杂质；
申请号201410370362.X公开了一种节镍型气阀合金及其制备方法，化学成分重量百分数为:C:0.01～0.30％，Si:0.10～0.50％，Mn:0.40～2.0％，P≤0.030％，S≤0.030％，Cr:24.0～28.0％，Ni:40.0～50.0％，Al:0.7～2.5％，Ti:1.0～3.7％，Nb:0.2～2.5％，Mo:0.2～1.2％，V:0.05～0.5％，其余为Fe和不可避免的杂质。
申请号201711343698.7公开了一种改进型气门不锈钢，按重量百分比及包括如下组分:碳:0～0.20％；硅:0～1.00％；锰:0～1.00％；磷:0～0.035％；硫:0～0.035％；铬:12.5～16.5％；镍:28.0～35％；所述改进型气门不锈钢按重量百分比还包括如下组分:钼:0.20～1.50％；铝:1.40～2.40％；钛:2.0～3.50％；铌:0.20～0.15％；其余为铁和不可避免的杂质。
申请号201911103173.5公开了一种低成本高性能气阀合金及其制备方法，化学成分重量百分数为:C:0.05～0.15％，Si:0.5～1.0％，Mn:0.20～1.20％，P≤0.020％，S≤0.020％，Cr:20.0～25.0％，Ni:25.0～30.0％，Al:0.6～1.6％，Ti:2.0～3.0％，Nb:0.8～1.8％，V:0.1～0.4％，Zr:0.01～0.050％，Ce:0.01～0.03％，其余为Fe和不可避免的杂质。
申请号95108211.6公开了一种高强度耐热钢，其具体的化学成分(重量％)为：C：0.02～0.2％，Si：0.1～1.5％，Mn：0.4～1.5％，Cr：17～23％，Ni：20～28％，Al：0.7～2.0％，Ti：1.80～3.2％，Nb：0.7～2.0％，Zr：0.01～0.2％，Ce：0.003～0.1％，Co：0.1～3.0％，Cu：0.05～0.5％，余量为Fe。
欧盟专利EP0657558A1公开了一种铁基高温合金，其合金元素的成分重量百分比为C≤0.20％、Ni：25.0～30.0％、Cr：10～15％、Al：0.7～2.0％、Ti：2.5～4.0％、Nb：0.05～1.0％。
美国专利US5660938公开一种FE-镍-铬基高温合金，合金元素的成分重量百分比为C≤0.15％、Si≤1.0％，Mn≤3.0％，Ni：30～49％、Cr：13～18％、Al：1.6～3.0％、Ti：1.5～3.0％、Mo≤2.5％、W≤3％，其中Mo+W≤3％，一种或多种选自IVA和VIVA族的元素，其含量或总量为1.5～8.0％，Co≤5％，其中Co+Ni≤49％，B≤0.015％，Mg≤0.02％，Ca≤0.02％，Re≤2.0％，Y≤0.1％，REM≤0.1％，余量为Fe和不可避免的杂质。
表1
如表1所示，上述的公开文献中，C在≥0.1％的范围内，它们对应的合金的固相线温度和Laves相的开始析出温度的变化较大(参见表1)，而其固相线温度普遍较低，甚至低于平时锻造或热轧等快速变形过程中发生过烧现象，以致使其心部裂纹而报废(参见图1)；而有些合金的Laves相开始析出温度高于固相线温度，得到的组织中会形成大块Laves相，这样会降低材料的塑性性能。
由此可见，为了避免合金材料在快速热变形生产过程中因温度超过其固相线而发生过热过烧现象，必须使得其固相线温度高于常规Fe-Ni-Cr基高温合金的锻造或热轧温度大约50～100℃；同时也要使得Laves相不在凝固过程中形成，避免产生块状Laves相；除此之外，钢种还需要通过γ”相和γ'相的强化作用提高高温使用性能高温持久、蠕变和高温疲劳性能)；
鉴于上述情况，业界亟待设计一种高碳的节镍型Fe-Ni-Cr基高温合金，不仅要避免上述固相线偏低且出现块状Laves相等情况的发生，而且其在用于生产发动机排气门时，性能还要与Inconel 751和Nimonic 80A性能相当。
发明内容
针对现有技术中存在的缺陷，本发明目的是提供一种节镍型高碳铁基高温合金及其制备方法，通过设计合金成分，降低Ni的含量，调整C、Cr、Al、Ti和Nb的含量，并控制各过程参数，制得节镍型高碳铁基高温合金，该节镍型高碳铁基高温合金不仅固相线温度高出常规的Fe-Ni-Cr基高温合金的锻造或热轧温度(1100～1120℃)大约50～80℃，同时Laves相的开始析出温度低于固相线温度,且具有较高的γ”相和γ'相等强化相开始析出温度,使得其性能也与镍基高温合金Inconel 751和Nimonic 80A性能相当。
为了实现上述目的，本发明采用如下的技术方案:
本发明的第一方面一种节镍型高碳铁基高温合金，包括按质量百分比计的以下成分:C:0.15～0.18％、Si：0.1～0.20％、Mn:0.10～0.65％、Cr:16.05～18.15％、Mo≤0.20％、Al：2.35～2.65％、Ti:2.20～2.45％,Mg:0.002～0.009％、W≤0.50％、Nb:1.15～1.75％、Ni:33.15～35.35％、B:0.002～0.006％、S≤0.02％、P≤0.02％，余量为Fe及不可避免的杂质。
优选地，所述节镍型高碳铁基高温合金中，所述C、Cr、Al、Ti和Nb的含量满足下述公式：
Nikeypoint＝(7.3-63.7*C*100+1.02*Cr*100+0.689*Al*100+12.5*Ti*100-0.31*Nb*100)(1.0/1.1)≤33.0
上述公式中，Nikeypoint为Ni的关键值，％；
C为节镍型高碳铁基高温合金中C的含量，wt％；
Cr为节镍型高碳铁基高温合金中Cr的含量，wt％；
Al为节镍型高碳铁基高温合金中Al的含量，wt％；
Ti为节镍型高碳铁基高温合金中Ti的含量，wt％；
Nb为节镍型高碳铁基高温合金中Nb的含量，wt％。
优选地，所述节镍型高碳铁基高温合金的固相线温度为1150～1210℃，Laves相析出温度为910～965℃，γ”相析出温度为830～850℃，γ'相析出温度≥755℃。
本发明的第二方面提供一种节镍型高碳铁基高温合金的制备方法，原料根据如权利要求1或2所述的节镍型高碳铁基高温合金的成分进行配比，然后依次经真空感应熔炼、电渣重熔、锻造开坯、热轧、固溶和银亮加工得到所述节镍型高碳铁基高温合金。
优选地，所述真空感应熔炼过程中，炉体冷态漏气率≤10μ/min，精炼真空度≤10μ，出钢温度为1530～1590℃；和/或
所述电渣重熔过程中，采用含有CaF2、Al2O3、CaO、MgO和TiO2的五元渣系；和/或
所述电渣重熔过程中，熔速为2.5～5.5kg/min；和/或
所述锻造开坯过程中，锻造温度为1090～1130℃，开锻温度≥980℃，终锻温度≥830℃；和/或
所述热轧过程中，加热均热温度为1100±10℃，加热至均热温度后保温40～60min。
优选地，所述五元渣系中，CaF2、Al2O3、CaO、MgO、TiO2的质量比为45～55:18～26:16～24:3～7:2～5。
优选地，所述热轧过程中，控制轧制速度≤23m/s，终轧温度≤950℃。
优选地，所述节镍型高碳铁基高温合金的固相线温度为1150～1210℃，Laves相析出温度为910～965℃，γ”相析出温度为830～850℃，γ'相析出温度≥755℃。
优选地，所述节镍型高碳铁基高温合金在700℃条件下，抗拉强度为950～990MPa，屈服强度为760～800MPa，延伸率为36～39％，断面收缩率为55～62％。
本发明的第二方面提供一种本发明第一方面所述的节镍型高碳铁基高温合金的制备方法，
本发明的节镍型高碳铁基高温合金的成分设计的原则如下:
C：碳在合金中主要是与Cr、Ti和Nb等元素形成碳化物，以改善力学性能，并强化晶界，在晶界析出的颗粒状不连续碳化物，阻止变形过程沿晶滑动和裂纹扩展，可以提高持久寿命，改善合金的持久塑性和韧性，同时保证耐磨性；考虑到Nikeypoint≤33.0％的要求，因此控制C含量在0.15～0.18％的范围内。
Mn：锰的作用在于其是奥氏体形成元素，在该合金中也作为一种冶炼的脱氧剂，不过它容易偏聚于晶界，削弱晶界的结合力，明显降低持久强度，因此控制Mn含量在0.10～0.65％的范围内。
铬的作用是提高合金的热强性、抗蠕变性能、抗高温氧化和抗高温燃气腐蚀性能。过量会促进合金中形成有害相，因此控制Cr含量被定义在16.05～18.15％的范围内。
Al和Ti：铝和钛的添加主要是与镍形成γ'相沉淀强化相；如果Al含量过高，会产生铝的金属间化合物过多，造成加工难度成倍增加；Ti的过高会促进块状Laves相的形成，因此控制Al含量在2.35～2.65％,的范围内，控制Ti含量在2.20～2.45％的范围内。
Ni：镍的加入使得合金获得面心立方结构的γ基体，并与Al、Ti和Nb等元素形成γ'相沉淀强化相，同时也从合金成本角度考虑，因此控制Ni含量在33.15～35.35％的范围内。
Nb：铌加入的主要目的是与碳形成碳化物，用来提高合金的热强性，也与Ni元素作用形成γ”相沉淀强化相，提高高温强度；由于铌的价格比较昂贵，过多也会造成块状Laves相的形成，因此控制Nb含量在1.15～1.75％范围内。
B：加入硼元素，主要是利用其晶界强化作用，细化晶粒，改善合金的热塑性；但过多容易生成熔点较低的硼化物，会恶化热加工性能；因此控制B含量在0.002～0.006％的范围内。
与现有技术相比，本发明的有益效果为:
1.本发明的节镍型高碳铁基高温合金及其制备方法，通过设计合金成分，降低Ni的含量，调整C、Cr、Al、Ti和Nb的含量，并控制各过程参数，制得节镍型高碳铁基高温合金，该节镍型高碳铁基高温合金不仅固相线温度高出常规的Fe-Ni-Cr基高温合金的锻造或热轧温度(1100～1120℃)大约50～80℃，同时Laves相的开始析出温度低于固相线温度,且具有较高的γ”相和γ'相等强化相开始析出温度,使得其性能也与镍基高温合金Inconel751和Nimonic 80A性能相当；
2.本发明的节镍型高碳铁基高温合金及其制备方法，通过合理的合金成分设计，制得节镍型高碳铁基高温合金，扩大了材料的可热加工温度区间，避免热加工过程中因导热性能差引起的过烧现象，同时避免了材料在凝固过程中产生大块Laves有害相，从而改善了组织，提高了性能，解决了铁基高温合金加工难和废品率高的问题。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显:
图1为US20080008617钢种生产的气门心部裂纹形貌的金相示意图；
图2为本发明的节镍型高碳铁基高温合金的制备方法的流程示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。
本发明所提供的节镍型高碳铁基高温合金，包括按质量百分比计的以下成分:C:0.15～0.18％、Si：0.1～0.20％、Mn:0.10～0.65％、Cr:16.05～18.15％、Mo≤0.20％、Al：2.35～2.65％、Ti:2.20～2.45％,Mg:0.002～0.009％、W≤0.50％、Nb:1.15～1.75％、Ni:33.15～35.35％、B:0.002～0.006％、S≤0.02％、P≤0.02％，余量为Fe及不可避免的杂质。在进一步的优选方案中，C、Cr、Al、Ti和Nb的含量满足下述公式：
Nikeypoint＝(7.3-63.7*C*100+1.02*Cr*100+0.689*Al*100+12.5*Ti*100-0.31*Nb*100)(1.0/1.1)≤33.0
其中，Nikeypoint为Ni的关键值，％；
C为节镍型高碳铁基高温合金中C的含量，wt％；
Cr为节镍型高碳铁基高温合金中Cr的含量，wt％；
Al为节镍型高碳铁基高温合金中Al的含量，wt％；
Ti为节镍型高碳铁基高温合金中Ti的含量，wt％；
Nb为节镍型高碳铁基高温合金中Nb的含量，wt％。
根据上述公式确定C、Cr、Al、Ti和Nb进一步的优选含量，控制Nikeypoint≤33.0％，作为一个关键值，控制在Ni的最低含量范围(Ni含量范围为33.15～35.35％)之下。
该节镍型高碳铁基高温合金的固相线温度为1150～1210℃，Laves相析出温度为910～965℃，γ”相析出温度为830～850℃，γ'相析出温度≥755℃。
该节镍型高碳铁基高温合金在制备时，首先原料根据上述的节镍型高碳铁基高温合金的成分进行配比，然后依次经真空感应熔炼、电渣重熔、锻造开坯、热轧、固溶和银亮加工制备而成；
如图2所示，该节镍型高碳铁基高温合金的制备过程如下：
(1)原料配比：采用优质精料(纯金属等)，根据该节镍型高碳铁基高温合金的成分进行配比得到原料，具体成分的质量百分比如下：按质量百分比计的以下成分:C:0.15～0.18％、Si：0.1～0.20％、Mn:0.10～0.65％、Cr:16.05～18.15％、Mo≤0.20％、Al：2.35～2.65％、Ti:2.20～2.45％,Mg:0.002～0.009％、W≤0.50％、Nb:1.15～1.75％、Ni:33.15～35.35％、B:0.002～0.006％、S≤0.02％、P≤0.02％，余量为Fe及不可避免的杂质；
(2)真空感应熔炼：将上述配比的原料送入真空感应炉中熔炼，浇铸成尺寸为Ф330～400mm电极棒，在熔炼过程中，控制炉体冷态漏气率≤10μ/min，精炼真空度≤10μ，出钢温度为1530～1590℃；另外，在生产过程中尤其要注意C、Ti、Al的加入和控制，如Ti和Al需要在冶炼后期加入，以防止氧化损耗；Ti含量以成分范围的上限添加，防止电渣过程中损耗超下限；碳含量严格按照内控成分进行添加；
(3)电渣重熔：将上述浇铸的电极棒进行电渣重熔，得到尺寸为Ф400～450mm的电渣锭；考虑到Ti元素的损耗，因此采用含有CaF2、Al2O3、CaO、MgO和TiO2的五元渣系，控制五元渣系中各成分含量为CaF2：Al2O3：CaO：MgO：TiO2＝45～55:18～26:16～24:3～7:2～5；在电渣重熔过程中，控制熔速为2.5～5.5kg/min；
(3)锻造开坯：将上述制备的电渣锭采用直接径锻开坯工艺进行锻造，得到断面尺寸为140～170(+5，-7)×140～170(+5，-7)mm2；长度：8300～10000mm的轧坯；在锻造开坯过程中，控制锻造温度为1090～1130℃，开锻温度≥980℃，终锻温度≥830℃；
(4)热轧：将上述得到的轧坯放入线材轧制产线加热炉，加热炉均热段的均热温度控制在1100±10℃，达到均热温度后保温40～60min后出钢轧制得到尺寸为Ф10.0～10.5mm的盘条，在热轧过程中，控制轧制速度≤23m/s，终轧温度≤950℃。
(5)固溶：固溶温度980～1010℃保温15～45min；
(6)银亮加工：将盘条先进行开卷、矫直后，再进行表面磨光，以保证节镍型高碳铁基高温合金的平直度以及表面的光洁度。
下面结合具体例子进一步对本发明的节镍型高碳铁基高温合金及其制备方法进行说明；
实施例1
本实施例中节镍型高碳铁基高温合金的具体制备过程如下:
(1)原料配比：采用优质精料(纯金属等)，原料根据节镍型高碳铁基高温合金的成分进行配比，具体成分的质量百分比如下：按质量百分比计的以下成分:C:0.15～0.18％、Si：0.1～0.20％、Mn:0.10～0.65％、Cr:16.05～18.15％、Mo≤0.20％、Al：2.35～2.65％、Ti:2.20～2.45％,Mg:0.002～0.009％、W≤0.50％、Nb:1.15～1.75％、Ni:33.15～35.35％、B:0.002～0.006％、S≤0.02％、P≤0.02％，余量为Fe及不可避免的杂质；
(2)真空感应熔炼：将上述配比的原料送入真空感应炉中熔炼，浇铸成尺寸为Ф360mm电极棒，在熔炼过程中，控制炉体冷态漏气率为8μ/min，精炼真空度为8μ，出钢温度为1550℃；
(3)电渣重熔：将上述浇铸的电极棒进行电渣重熔，得到尺寸为Ф420mm的电渣锭；考虑到Ti元素的损耗，因此采用含有CaF2、Al2O3、CaO、MgO和TiO2的五元渣系，控制五元渣系中各成分含量为CaF2：Al2O3：CaO：MgO：TiO2＝48:21:18:4:3；在电渣重熔过程中，控制熔速为3.3kg/min；
(3)锻造开坯：将上述制备的电渣锭采用直接径锻开坯工艺进行锻造，得到断面尺寸为140(+5，-7)×140(+5，-7)mm2；长度：8300～10000mm的轧坯；在锻造开坯过程中，控制锻造温度为1120℃，开锻温度为1010℃，终锻温度为860℃；
(4)热轧：将上述得到的轧坯放入线材轧制产线加热炉，加热炉均热段的均热温度控制在1100±10℃，达到均热温度后保温50min后出钢轧制得到尺寸为Ф10.0mm的盘条，在热轧过程中，控制轧制速度为22m/s，终轧温度为920℃。
(5)固溶：固溶温度980℃±10℃，保温20min；
(6)银亮加工：将盘条先进行开卷、矫直后，再进行表面磨光，以保证节镍型高碳铁基高温合金的平直度以及表面的光洁度。
测得本实施例中制备的节镍型高碳铁基高温合金的实际成分如表2中实施例1所示，具体包含按质量百分比计的以下成分：C：0.16％、Si：0.15％、Mn：0.40％、Cr：17.00％、Mo：0.15％、Al：2.50％、Ti：2.35％、Mg：0.005％、W：0.35％、Nb：1.55％、Ni：34.00％、B：0.004％、S：0.002％、P：0.016％,余量为Fe及不可避免的杂质，其中Nikeypoint为31.9％≤33.0％；经检测得知，该节镍型高碳铁基高温合金的固相线温度T固为1170℃，Laves相析出温度TLav为962℃，γ'相析出温度Tγ'为758℃，γ”相析出温度Tγ”为840℃，具体参见表3中实施例1所示；该节镍型高碳铁基高温合金经电热墩后，未出现明显裂纹，说明组织中为未出现大块状的Laves相；
本实施例中制备的节镍型高碳铁基高温合金选取试样进行高温性能测试，采用热处理依次经980℃保温1h后水冷+750℃保温4h后空冷或水冷+700℃保温4h后空冷或水冷，然后分别测得其在不同温度下如表4所示的高温性能和如表5所示的在725℃下不同应力下的持久性能。由表4可知随着温度的升高，其抗拉强度和屈服强度逐渐降低，而对应的延伸率和断面收缩率则逐渐增大；与700℃条件下的Incomel751以及NiCr20TiAl(Nimonic 80A)对比，可以看出本实施例中节镍型高碳铁基高温合金的高温性能明显优于Incomel751以及NiCr20TiAl；由表5可知，本实施例中的节镍型高碳铁基高温合金的持久性能随应力的降低持续时间明显提高。
表2 实施例中节镍型高碳铁基高温合金的成分及含量
表3实施例中节镍型高碳铁基高温合金的温度(℃)
实施例1 实施例2 实施例3
T固 1170 1150 1202
TLav 962 964 914
Tγ” 840 850 830
Tγ' 758 765 765
表4 实施例1中节镍型高碳铁基高温合金的高温性能
表5 实施例1中节镍型高碳铁基高温合金的持久性能
实施例2
本实施例中节镍型高碳铁基高温合金的具体制备过程如下:
(1)原料配比：采用优质精料(纯金属等)，原料根据节镍型高碳铁基高温合金的成分进行配比，具体成分的质量百分比如下：按质量百分比计的以下成分:C:0.15～0.18％、Si：0.1～0.20％、Mn:0.10～0.65％、Cr:16.05～18.15％、Mo≤0.20％、Al：2.35～2.65％、Ti:2.20～2.45％,Mg:0.002～0.009％、W≤0.50％、Nb:1.15～1.75％、Ni:33.15～35.35％、B:0.002～0.006％、S≤0.02％、P≤0.02％，余量为Fe及不可避免的杂质；
(2)真空感应熔炼：将上述配比的原料送入真空感应炉中熔炼，浇铸成尺寸为Ф360mm电极棒，在熔炼过程中，控制炉体冷态漏气率为8μ/min，精炼真空度为8μ，出钢温度为1550℃；
(3)电渣重熔：将上述浇铸的电极棒进行电渣重熔，得到尺寸为Ф420mm的电渣锭；考虑到Ti元素的损耗，因此采用含有CaF2、Al2O3、CaO、MgO和TiO2的五元渣系，控制五元渣系中各成分含量为CaF2：Al2O3：CaO：MgO：TiO2＝50:20:20:5:3；在电渣重熔过程中，控制熔速为3.5kg/min；
(3)锻造开坯：将上述制备的电渣锭采用直接径锻开坯工艺进行锻造，得到断面尺寸为140(+5，-7)×140(+5，-7)mm2；长度：8300～10000mm的轧坯；在锻造开坯过程中，控制锻造温度为1110℃，开锻温度为1000℃，终锻温度为850℃；
(4)热轧：将上述得到的轧坯放入线材轧制产线加热炉，加热炉均热段的均热温度控制在1100±10℃，达到均热温度后保温50min后出钢轧制得到尺寸为Ф10.5mm的盘条，在热轧过程中，控制轧制速度为22m/s，终轧温度为920℃。
(5)固溶：固溶温度990℃±10℃，保温30min；
(6)银亮加工：将盘条先进行表面盘剥校直后，再进行表面磨光，以保证节镍型高碳铁基高温合金的平直度以及表面的光洁度。
测得本实施例中制备的节镍型高碳铁基高温合金的实际成分如表2中实施例2所示，具体包含按质量百分比计的以下成分：C：0.18％、Si：0.2％、Mn：0.65％、Cr：18.15％、Mo：0.20％、Al：2.65％、Ti：2.45％、Mg：0.009％、W：0.50％、Nb：1.75％、Ni：35.35％、B：0.006％、S：0.001％、P：0.018％,余量为Fe及不可避免的杂质，其中Nikeypoint为32.60％≤33.0％；经检测得知，该节镍型高碳铁基高温合金的固相线温度T固为1150℃，Laves相析出温度TLav为964℃，γ'相析出温度Tγ'为765℃，γ”相析出温度Tγ”为850℃，具体参见表3中实施例2所示；该节镍型高碳铁基高温合金经电热墩后，未出现明显裂纹，说明组织中为未出现大块状的Laves相。
实施例3
本实施例中节镍型高碳铁基高温合金的具体制备过程如下:
(1)原料配比：采用优质精料(纯金属等)，原料根据节镍型高碳铁基高温合金的成分进行配比，具体成分的质量百分比如下：按质量百分比计的以下成分:C:0.15～0.18％、Si：0.1～0.20％、Mn:0.10～0.65％、Cr:16.05～18.15％、Mo≤0.20％、Al：2.35～2.65％、Ti:2.20～2.45％,Mg:0.002～0.009％、W≤0.50％、Nb:1.15～1.75％、Ni:33.15～35.35％、B:0.002～0.006％、S≤0.02％、P≤0.02％，余量为Fe及不可避免的杂质；
(2)真空感应熔炼：将上述配比的原料送入真空感应炉中熔炼，浇铸成尺寸为Ф360mm电极棒，在熔炼过程中，控制炉体冷态漏气率为8μ/min，精炼真空度为9μ，出钢温度为1545℃；
(3)电渣重熔：将上述浇铸的电极棒进行电渣重熔，得到尺寸为Ф420mm的电渣锭；考虑到Ti元素的损耗，因此采用含有CaF2、Al2O3、CaO、MgO和TiO2的五元渣系，控制五元渣系中各成分含量为CaF2：Al2O3：CaO：MgO：TiO2＝52:20:21:5:3；在电渣重熔过程中，控制熔速为3.5kg/min；
(3)锻造开坯：将上述制备的电渣锭采用直接径锻开坯工艺进行锻造，得到断面尺寸为140(+5，-7)×140(+5，-7)mm2；长度：8300～10000mm的轧坯；在锻造开坯过程中，控制锻造温度为1100℃，开锻温度为1000℃，终锻温度为850℃；
(4)热轧：将上述得到的轧坯放入线材轧制产线加热炉，加热炉均热段的均热温度控制在1100±10℃，达到均热温度后保温50min后出钢轧制得到尺寸为Ф10.5mm的盘条，在热轧过程中，控制轧制速度为22m/s，终轧温度为925℃。
(5)固溶：固溶温度980℃±10℃保温20min；
(6)银亮加工：将盘条先进行表面盘剥校直后，再进行表面磨光，以保证节镍型高碳铁基高温合金的平直度以及表面的光洁度。
测得本实施例中制备的节镍型高碳铁基高温合金的实际成分如表2中实施例3所示，具体包含按质量百分比计的以下成分：C：0.15％、Si：0.10％、Mn：0.10％、Cr：16.05％、Mo：0.11％、Al：2.35％、Ti：2.20％、Mg：0.002％、W：0.15％、Nb：1.15％、Ni：33.15％、B：0.002％、S：0.001％、P：0.017％,余量为Fe及不可避免的杂质，其中Nikeypoint为30.50％≤33.0％；经检测得知，该节镍型高碳铁基高温合金的固相线温度T固为1202℃，Laves相析出温度TLav为914℃，γ'相析出温度Tγ'为765℃，γ”相析出温度Tγ”为830℃，具体参见表3中实施例3所示；该节镍型高碳铁基高温合金经电热墩后，未出现明显裂纹，说明组织中为未出现大块状的Laves相。
综上所述，上述实施例仅用于说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (7)

1.一种用作发动机气门材料的节镍型高碳铁基高温合金，其特征在于，包括按质量百分比计的以下成分:C:0.16～0.18%、Si：0.1～0.20%、Mn:0.10～0.65%、Cr: 16.05～18.15%、Mo≤0.20%、Al：2.35～2.65%、Ti:2.20～2.45%, Mg:0.002～0.009%、W≤0.50%、Nb:1.15～1.75%、Ni:33.15～35.35%、B:0.002～0.006%、S≤0.02%、P≤0.02%，余量为Fe及不可避免的杂质，
所述节镍型高碳铁基高温合金中，所述C、Cr、Al、Ti和Nb的含量满足下述公式：
Nikeypoint=(7.3-63.7*C*100+1.02*Cr*100+0.689*Al*100+12.5*Ti*100-0.31*
Nb*100)(1.0/1.1)≤33.0
上述公式中，Nikeypoint为Ni的关键值，%；
C为节镍型高碳铁基高温合金中C的含量，wt%；
Cr为节镍型高碳铁基高温合金中Cr的含量，wt%；
Al为节镍型高碳铁基高温合金中Al的含量，wt%；
Ti为节镍型高碳铁基高温合金中Ti的含量，wt%；
Nb为节镍型高碳铁基高温合金中Nb的含量，wt%，
避免凝固过程中产生块状Laves相，
所述节镍型高碳铁基高温合金的固相线温度为1150～1210℃，Laves相析出温度为910～965℃，γ''相析出温度为830～850℃，γ'相析出温度≥755℃。
2.一种节镍型高碳铁基高温合金的制备方法，其特征在于，原料根据如权利要求1所述的节镍型高碳铁基高温合金的成分进行配比，然后依次经真空感应熔炼、电渣重熔、锻造开坯、热轧、固溶和银亮加工得到所述节镍型高碳铁基高温合金。
3.如权利要求2所述的节镍型高碳铁基高温合金的制备方法，其特征在于，
所述真空感应熔炼过程中，炉体冷态漏气率≤10μ/min，精炼真空度≤10μ，出钢温度为1530～1590℃；
所述电渣重熔过程中，采用含有CaF2、Al2O3、CaO、MgO和TiO2的五元渣系；
所述电渣重熔过程中，熔速为2.5～5.5kg/min；
所述锻造开坯过程中，锻造温度为1090～1130℃，开锻温度≥980℃，终锻温度≥830℃；
所述热轧过程中，加热均热温度为1100±10℃，加热至均热温度后保温40～60min。
4.如权利要求3所述的节镍型高碳铁基高温合金的制备方法，其特征在于，所述五元渣系中，CaF2、Al2O3、CaO、MgO、TiO2的质量比为45～55:18～26:16～24:3～7:2～5。
5.如权利要求4所述的节镍型高碳铁基高温合金的制备方法，其特征在于，所述热轧过程中，控制轧制速度≤23m/s，终轧温度≤950℃。
6.如权利要求1～5任一项所述的节镍型高碳铁基高温合金的制备方法，其特征在于，所述节镍型高碳铁基高温合金的固相线温度为1150～1210℃，Laves相析出温度为910～965℃，γ''相析出温度为830～850℃，γ'相析出温度≥755℃。
7.如权利要求1～5任一项所述的节镍型高碳铁基高温合金的制备方法，其特征在于，所述节镍型高碳铁基高温合金在700℃条件下，抗拉强度为950～990MPa，屈服强度为760～800MPa，延伸率为36～39%，断面收缩率为55～62%。
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