最新消息: USBMI致力于为网友们分享Windows、安卓、IOS等主流手机系统相关的资讯以及评测、同时提供相关教程、应用、软件下载等服务。

奥氏体热强钢3Cr23Ni8Mn3N的组织性能研究

IT圈 admin 31浏览 0评论

2024年5月27日发(作者:郎萧曼)

维普资讯

维普资讯

.28. 工 造专题 2007年第四期 

或氮化等表面强化技术;F区和G区也为磨损区, 

要求较高的耐磨性和接触疲劳强度。 

产品新材料、发展制定相应加工工艺的基础。 

工况仅仅是问题的一个方面,而产品的失效 

形式是这问题的另一个方面,它是实际产品零件 

在实际工况条件下共同作用的结果。产品的失效 

形式既可间接反应该产品的工况,同时又客观地 

反映了产品的质量状况。失效形式无疑地给材料 

气阀失效形式主要由气阀掉头、烧蚀、麻点、 

磨损等几种形式;气阀座失效主要有点蚀、开裂 

及磨损。由于气阀、阀座的工作条件恶劣,其失效 

机理也很复杂。一般认为除材料本身因素外,机械 

与工艺的改进提供了最丰富的信息。 

现以排气阀的工况和失效形式作为提出问题、分 

析问题的出发点。 

处 

芦 ^ 

, 

捧.【冲舅蓐位 

图1 排气阀A和C为高温区; 

B区承受热一机械应力疲劳和高温冲蚀; 

E和H为高磨损区 

排气阀的工况是复杂而多变的。根据排气阀 

的功能和发动机中所处位置以及长期的科学测试 

表明:排气阀基本上受到热应力、化学腐蚀力和机 

械应力三种作用力,对于排气阀的具体部位可能 

处在一种或上述多种作用力的综合作用下,而且 

随服役时间的长短还有程度上的变化[1]。 

位于发动机气缸盖中的排气阀示意图如图1 

所示。A区和C区是高温区,在排气阀头部与颈 

部,这些区域主要承受热应力和燃气的化学腐蚀 

应力,应具有较高的热强度和良好的耐蚀性能;B 

区锥面是与气阀座圈接触的区域,它对气阀的高 

温密封起关键作用,此处要承受热疲劳、磨损和高 

温冲蚀,是排气阀工况最恶劣最危险的部位,通常 

是通过堆焊一层高温硬度比基体合金高得多的耐 

磨耐腐蚀的硬质合金来解决;D区和E区是磨损 

区,为减少排气阀阀杆和气阀导管之间的咬合和 

磨损,可以将排气阀阀杆所有接触区域采用镀铬 

疲劳、热疲劳、铅腐蚀、热腐蚀、腐蚀疲劳及高温塑 

性变形是气阀及气阀座失效的重要原因。 

1.2气阀的性能要求 

对气阀的性能要求是由其使用条件所决定 

的。大家都知道气阀的工作温度一般在650~ 

750 ̄C,阀盘锥面四周是被包围在高速、高温、有化 

学侵蚀性的气体中,当气阀落在阀座上时又受到 

冲击载荷的作用。阀杆实际上是在没有润滑的条 

件下和导管摩擦进行工作的,因而受到磨损;它还 

受到弹簧和气阀惯性力的拉伸和压缩,杆端又受 

到从驱动机构方面传来的冲击载荷和磨损E2]。 

所以要求气阀用钢须具备足够的室温强度、 

高温强度、疲劳极限、冲击吸收功、耐磨性和一定 

的硬度、良好的抗氧化性和抗燃气腐蚀性能,并具 

有较高的热传导率和较低的膨胀系数及良好的工 

艺性能,内部组织不得有缺陷、表面不得有裂纹, 

同时还得考虑气阀材料的制造成本[3]。 

目前气阀常用的钢种为4Cr14Nil4W2Mo,但 

是其抗腐蚀性较低,且价格较高,使其应用受到一 

定的限制[3]。同时,4Crl4Nil4W2Mo钢线胀系 

数大于3O ,使得气阀钢在工作状态时的附加应 

力增大,易造成气阀早期失效。因此,目前英美等 

国多采用硅铬马氏体耐热钢或者新型奥氏体耐热 

钢来制造气阀[2]。国内则有的企业曾尝试过用 

3Cr23Ni8N钢代替4Crl4Nil4W2Mo钢。 

3Cr23Ni8N提高了碳和氮的含量,在相应增加 

2 铬的同时,降低了3.5 的镍。目的是在保持稳 

定的奥氏体组织之外,进一步提高高温强度和抗 

燃气腐蚀性能,而且还节约了Ni元素,从而降低 

了原材料成本。近年来,在3Cr23Ni8N钢的基础 

维普资讯

2007年第四期 

上研究出了3Cr23Ni8Mn3N,使锰的含量提高至 种。 

约3%,进一步提高奥氏体的稳定性。本文以试验 二、试验内容及方法 

数据说明3Cr23Ni8Mn3N可作为气阀的代用钢 2.1试验用料 

表1 4Crl4Nil4W2Mo和3Cr23Ni8Mn3N的化学成分( ) 

C Cr Ni Mn Si W Mo S P 

4Cr14Ni14W2MO 0.45 14.01 14.02 0.35 0.40 2.53 0。35 0.015 0.018 

3Cr23Ni8Mn3N 0.31 23.17 8.2 2.56 0.63 0。46 0.014 0.031 

2.2试验方法 

3Cr23Ni8Mn3N钢的固溶温度若在1150℃以下, 

通过对4Crl 4Ni l 4W2Mo、3Cr23Ni8Mn3N 

则大部分碳化物尚未溶入基体,在1200 ̄大部分 

两种钢经过热处理工艺的筛选、优化,研究、对比 碳化物已固溶,但晶粒长得太大,从晶粒度和碳化 

两种钢按照所选热处理工艺进行处理后的室温组 

物两者兼顾出发,本人认为3Cr23Ni8Mn3N钢的 

织、室温下的力学性能、高温下的力学性能及钢的 

固溶温度以1170℃为宜。为显示两种钢材经不同 

抗燃气腐蚀性能,发现3Cr23Ni8Mn3N钢的组织 热处理工艺后的组织、性能差别,经筛选确定固溶 

特点、性能特点及工艺特点。 

处理的温度为1150℃、1170℃、1180℃、1200℃, 

2.2.1热处理工艺的制定 

时效温度为750~760C。固溶处理所用设备型号 

3Cr23Ni8Mn3N和4Cr14Ni14w2Mo均属于 

为RYD一45—13的高温盐浴炉,时效加热采用 

奥氏体耐热钢,热处理工艺一般为固溶处理后进 

型号为RJ2—60—9的井式电阻炉。测定力学性 

行时效处理。热强钢的高温性能与固溶时效后的 能数据的试样为每方案不少于6个。具体热处理 

晶粒大小及碳化物析出状况有很大关系。 

工艺方案见表2。 

4Crl4Nil4W2Mo的正常固溶温度为1180℃。 

表2三种材料的热处理工艺方案 

材料\\

方案 

 方案一 方案二 方案三 方案四 

1170 ̄C,45 ,水冷 1200℃,10 ,水冷 118o ̄c,24 ,水冷 

4Cr1 4Ni1 4W2MO 1100℃,10 , 

水冷760℃, 750 ̄C,5h,空冷 760℃,6h,空冷 750 ̄C,6h,空冷 

1170℃,25 ,水冷 1200℃,10 ,水冷 1150℃,25 ,水冷 

3Cr23Ni8Mn3N 6h,空冷 

750 oc,8h,空冷 760℃,8h,空冷 760℃,8h,空冷 

2.2.2力学性能试验 

3Cr23Ni8Mn3N加工成6910mm圆柱状试样,并 

室温硬度和拉伸试验按照GB231--84 ̄金属 开设一个沟槽以便固定悬挂。高温熔盐腐蚀试验 

布氏硬度试验方法》、GB228--87{金属拉伸试验 

的温度和熔盐配比均根据有关规定[4],温度为 

方法》中的有关规定执行。 

816 C至927℃,本次抗氧化性试验取其中限 

2.2.3耐蚀性能试验 

870JC,熔盐配比为10份caSO ,6份BaSO ,2份 

在同等条件下测试各材料的重量损失进行材 

Na。SO ,1份C。试样经去油、水洗、酒精擦拭并干 

料抗氧化性试验及抗硫化性试验。 

燥后称重,用Fe--Cr~Al丝固定试样,再用丙酮 

抗氧化性试验:把4Crl4Nil4W2Mo、 

清洗后置于A120。坩埚内,每只坩埚内装入同一 

维普资讯

材料试样3只,将装有这两种材料的坩埚加入混 

合盐后,置于加热炉恒温区保温,至预定时间后取 

出试样。腐蚀后的试样用机械法和水冲洗法去除 

表面残盐,再用35 9/6HNO。+0.5 的HF水溶液 

除去表面腐蚀产物,用水、酒精冲洗干燥后称重。 

抗硫化性试验:由于高Cr低Ni可提高钢的 

抗硫化物腐蚀的能力,所以3Cr23Ni8Mn3N钢的 

高温抗硫酸盐和硫化物腐蚀能力比 

4Crl4Ni14W2Mo强。 

三、实验结果及分析 

3.1金相组织 

4Crl4Nil4W2Mo在1100℃固溶处理后的金 

相组织见图2a,可见组织中有未溶的碳化物。 

说明在11O0℃该材料处于奥氏体和碳化物 

的两相区,出现欠热现象。 

11O0℃ 

在1170℃固溶处理后的金相组织见图2b,此 

时晶粒度等级为5级。 

1170℃ 

2007年第四期 

在1200 C固溶处理后的金相组织见图2c,可 

见在1200‘C便处于液固两相区,出现过烧现象。 

1200℃ 

图2 4Crl4Nil4W2Mo于不同温度 

固溶处理后的组织 

3Cr23Ni8Mn3N在1100℃固溶处理后的金 

相组织见图3a,晶粒度等级为10级。 

1100℃ 

在1170C固溶处理后的金相组织见图3b,此 

时晶粒度等级为7级。 

1170℃ 

在1200℃固溶处理后的金相组织见图3c,晶 

粒度等级为4~5级。 

维普资讯

2007年第四期 

1200 U 图3 3Cr23Ni8Mn3N于不同 

温度固溶处理后的组织 

4Crl4Nil4W2Mo与3Cr23Ni8Mn3N热处理 

后的金相组织及晶粒大小见表3。由表3可见, 

3Cr23Ni8Mn3N在1 100~1200¨C固溶处理没有 

出现欠热和过热现象。 

表3两种热处理后的金相组织 

材 料 热处理工艺 

方案一 

组 织 晶粒度等级 

5 

4Cr1 4N订4W2Mo 方案二 

方案三 

方案一 

A+C 

5~6 

10 

7 

4~5 

3Cr23Ni8Mn3N 方案二 

方案三 

3。2力学性能测试结果 

室温力学性能及高温拉伸试验统计结果见表4和表5。 

表4室温力学性能试验统计结果 

热处理工艺 o }MPa 0.2/MPa 6 / 

4Cr1 4N.1 4W2Mo 

3C

r23Ni8Mn3N 

/% 

35 

HBS 

255~266 

28O~290 

300 

方案二 858 431 27 

方案二 960~980 620~660 35~36 

方案四 900~990 670~710 29~30 

表5高温拉伸试验统计结果 

材 料 热试验温度 

处理工艺 Gb}MPa 

『 c 

4Cr14Ni14W2Mo 350~370 235~245 24~28 

18~34 

27~38 

27~39 

o 2/MPa S/% /% 

方案四 

3Cr23Ni8Mn3N 

760 

420~455 285~330 

3.3高温抗燃气腐蚀试验结果 

高温抗燃气腐蚀试验结果见表6 

表6高温抗燃气腐蚀试验结果 

材 料 抗氧化性试验 

重量损失(g/dm。.h) 

4Cr14Ni14W2Mo 1。388 

从表中可见,3Cr23Ni8Mn3N钢的重量损失 

比4Crl4Nil4W2Mo 钢 的少, 说明 

3Cr23Ni8Mn3N钢的抗燃气腐蚀的性能(抗氧化 

性)比4Crl4Nil4W2Mo钢要好。 

四、分析讨论 

4.1 3Cr23Ni8Mn3N钢的组织与 

3Cr23Ni8Mn3N 0。112 

4Cr14Nil4W2Mo钢比较分析 

从组织结果上来看,4Crl4Nil4W2Mo在 

维普资讯

1200 C加热时便处于液固两相区(图2),说明这 

种钢的固溶处理温度范围较窄;固溶处理温度过 

高易产生过热、过烧;过低则导致矫直比较困难。 

由于3Cr23Ni8Mn3N中合金元素的综合作用,扩 

大了奥氏体相区,使这种钢的固溶处理温度范围 

较宽,固溶处理时不易产生过热、过烧,在相同的 

固溶处理温度下比前两种钢晶粒细小,时效析出 

的碳化物也相对细小(见表3),引起细品强化和 

弥散强化,导致其室温下的力学性能和高温拉伸 

性能较高。可见,从组织和热处理工艺角度分析, 

用3Cr23Ni8Mn3N代替4Crl 4Nil 4W2Mo作为 

气阀用钢是可行的。 

3Cr23Ni8Mn3N由于c、N含量低,1170 C固 

溶并在750 C~800C时效后,层状析出明显减 

少,可见采用750℃~800 C时效均可,具体可根 

据使用情况而定。 

cr、Ni在耐热钢中提高了钢的抗氧化性并保 

证获得奥氏体组织: 

铬是一种碳化物形成元素,在金属材料中,它 

能与碳形成cr。c等金属化合物,这种金属化合物 

具有较高的强度、硬度。当它以颗粒状弥散性分布 

在金属基体上时,能大大提高材料的强度、耐磨 

性。当加热温度不太高时,这种未溶的金属化合物 

能阻碍奥氏体晶粒的长大,从而获得了细小的冷 

却后组织,从而使钢具有更好的塑性和韧性Es-1。 

高合金含量的固溶强化对提高耐热钢的强度 

具有一定的效果,但高铬耐热钢一般采用细小弥 

散的第二相粒子强化来提高其强度。因为细小弥 

散的第二相粒子在提高材料强度的同时,可起到 

钉扎位错、阻碍位错运动,从而进一步提高耐热钢 

强度的作用。虽然各种高铬耐热钢由于碳含量的 

不同,使材料相变点、热处理后材料的力学性能存 

在一定的差异,但这些耐热钢一般具有相似的组 

织结构[6]。 

铬是不锈钢中最基本的合金元素,其含量一 

般均在13 9/5以上,它的主要作用是提高钢的耐蚀 

2007年第四期 

性。在氧化性介质中,使钢表面形成一层牢固而致 

密的铬的氧化物,使得到了良好的保护。铬溶于钢 

中,能显著提高钢的电极电位,降低了因电极电位 

不同而形成的电化学腐蚀。铬还能与镍配合,可形 

成单相奥氏体组织,并赋予钢良好的耐蚀性、良好 

的韧性和强度。3Cr23Ni8Mn3N钢的含铬量比 

4Crl4Nil4W2Mo提高了约9 ,节约了近6 的 

镍,达到了在保持单相奥氏体组织的前提下,提高 

钢的抗氧化性能的目的。 

氮加入耐热钢中能稳定奥氏体组织,并且提 

高钢的强度和耐蚀性: 

研究发现,氮原子引起Cr、Mo原子周围强烈 

的短程无序,在Fe、Ni原子周围引起较小的变 

化,这表明氮易于在cr和Mo原子周围聚集,所 

以在合金中加入Cr、Mo能够提高氮的溶解度而 

Ni会降低氮的溶解度。 

在1000℃以下,氮稳定奥氏体的能力是镍的 

20倍,甚至更高。氮稳定奥氏体的能力亦大于碳。 

因为加入氮会降低M23C6的品格参数,增加了 

界面位错,延缓其生长动力,降低铬在钢中的扩散 

系数,阻碍碳化物形核及长大。奥氏体不锈钢中加 

入氮可以稳定奥氏体组织、提高强度,并且提高耐 

腐蚀性能,特别是耐局部腐蚀,如耐晶间腐蚀、点 

腐蚀和缝隙腐蚀等E7-I。 

氮的作用除了代替部分贵重的镍外,主要是 

作为固溶强化元素提高奥氏体不锈钢的强度,而 

且并不显著损害钢的塑性和韧性。氮元素提高强 

度的作用比碳及其它合金元素强。但减少奥氏体 

中密排不全位错,限制了含问隙杂质原子团的 

Splintered位错运动,因此,起强化效应比碳强。 

氮引起基体畸变的应力比碳大3.3倍。加入0. 

10%氮可使cr—Ni奥氏体不锈钢的室温强度提 

高约60~100Mpa。近十年的研究表目耳,氮的大量 

加入可使奥氏体不锈钢达到非常高的强度,使其 

应用范围更加广泛。含氮钢的屈服强度由三部分 

组成,即基体强度、氮原子间隙固溶在奥氏体fcc 

维普资讯

2007年第四期 

中而导致的晶界强化和固溶强化。 

工艺制造专题 ・33・ 

化了晶界,对高温塑性产生不利影响[8]。高的含 

锰量和含镍量使钢在室温下具有奥氏体组织;碳、 

氮在钢中产生较强的沉淀硬化效应,提高了强度、 

硬度和耐磨性。 

五、结论 

氮可以提高奥氏体不锈钢的耐腐蚀性能,有 

资料证明超级高氮奥氏体不锈钢在耐点蚀、缝隙 

腐蚀等局部腐蚀性能方面可以和镍基合金相媲 

美。 

可见,由于氮的间隙固溶强化和稳定奥氏体 5.1 3cr23NI8Mn3N的室温力学性能和高温拉 

组织的作用比碳要大得多,既大大提高了钢的强 

度,又保持了很好的塑性和韧性,同时氮还有效地 

改善了奥氏体不锈钢的局部抗蚀能力。含氮奥氏 

体不锈钢的研究和应用正日益受到大家的重视 

E7]。 

4.2 3Cr23Ni8Mn3N的力学性能与 

4Cr1 4Ni1 4W2Moi4钢比较分析 

由表4表5个表中的室温力学性能和高温拉 

伸性能的试验数据可以看出,3Cr23Ni8Mn3N在 

室温下的强度和塑性均高于4Crl4Ni14W2Mo, 

硬度略高于4Crl4Nil 4W2Mo。对高温拉伸性能 

而言,3Cr23Ni8Mn3N与4Crl4Ni14W2Mo的性 

能相近。3Cr23Ni8Mn3N钢的抗燃气腐蚀性能 

(抗氧化性)比4Crl4Nil4W2Mo钢要好。 

从性能角度来看用3Cr23Ni8Mn3N作为 

4Crl4Nil 4W2Mo的代用材料是可行的。 

由于3Cr23Ni8Mn3N中合金元素的综合作 

用扩大了奥氏体相区,使固溶处理的温度范围变 

宽。同时,在相同的固溶处理温度下, 

3Cr23Ni8Mn3N的奥氏体晶粒细小、时效析出的 

碳化物也相对细小,引起细晶强化和弥散强化.导 

致室温下的力学性能和高温下的拉伸性能较高。 

粒状和细小粒状的晶界沉淀相对提高钢的高温延 

伸率较为有利,细片状晶界沉淀相对提高钢的断 

面收缩率较为有利,而大尺寸薄片状沉淀相却弱 

伸性能不低于4Crl4Nil4W2Mo。由试验结果表 

明,用3Cr23Ni8Mn3N作为气阀用钢具有可行 

性。 

5.2 3cr23Ni8Mn3N钢的抗燃气腐蚀的性能 

(抗氧化性)比4Crl4Nil4W2Mo钢强。 

5.3 3Cr23Ni8Mn3N比4Crl4Ni14W2Mo的固 

溶处理温度范围宽、晶粒细小,具有组织、性能、热 

处理工艺及价格优势。 

参考文献: 

[1]沈启贤柴油发动机排气门材料与激光表面强化 

技术(上)重型汽车1994(2)总22期 

E2]李文刚张延基机车柴油机典型零件选材及性能 

金属热处理1999.8[-3]张保议3Cr23Ni8Mn3N作为大功 

率柴油排气阀用钢的可行性研究热加工工艺2001年第 

5期 

[4]W.Menmann,J、Kocis.Selectiln of Materis 

for Internal Combustion Engine Valves.1986一一02 

E53张炎铬在金属材料中的作用机械工程师1999 

年第3期 

E63胡正飞等高铬耐热钢的发展及其应用钢铁研究 

学报第15卷第3期2003.6 

g7]袁志钟等氮在奥氏体不锈钢中的作用江苏大学 

学报(自然科学版)第23卷第3期2002.5 

[8]柳学胜5Cr21MngNi4Nb2WN奥氏体耐热钢晶 

界碳化物对高温塑性的影响材料科学与工艺1997.3第 

5卷第1期 

2024年5月27日发(作者:郎萧曼)

维普资讯

维普资讯

.28. 工 造专题 2007年第四期 

或氮化等表面强化技术;F区和G区也为磨损区, 

要求较高的耐磨性和接触疲劳强度。 

产品新材料、发展制定相应加工工艺的基础。 

工况仅仅是问题的一个方面,而产品的失效 

形式是这问题的另一个方面,它是实际产品零件 

在实际工况条件下共同作用的结果。产品的失效 

形式既可间接反应该产品的工况,同时又客观地 

反映了产品的质量状况。失效形式无疑地给材料 

气阀失效形式主要由气阀掉头、烧蚀、麻点、 

磨损等几种形式;气阀座失效主要有点蚀、开裂 

及磨损。由于气阀、阀座的工作条件恶劣,其失效 

机理也很复杂。一般认为除材料本身因素外,机械 

与工艺的改进提供了最丰富的信息。 

现以排气阀的工况和失效形式作为提出问题、分 

析问题的出发点。 

处 

芦 ^ 

, 

捧.【冲舅蓐位 

图1 排气阀A和C为高温区; 

B区承受热一机械应力疲劳和高温冲蚀; 

E和H为高磨损区 

排气阀的工况是复杂而多变的。根据排气阀 

的功能和发动机中所处位置以及长期的科学测试 

表明:排气阀基本上受到热应力、化学腐蚀力和机 

械应力三种作用力,对于排气阀的具体部位可能 

处在一种或上述多种作用力的综合作用下,而且 

随服役时间的长短还有程度上的变化[1]。 

位于发动机气缸盖中的排气阀示意图如图1 

所示。A区和C区是高温区,在排气阀头部与颈 

部,这些区域主要承受热应力和燃气的化学腐蚀 

应力,应具有较高的热强度和良好的耐蚀性能;B 

区锥面是与气阀座圈接触的区域,它对气阀的高 

温密封起关键作用,此处要承受热疲劳、磨损和高 

温冲蚀,是排气阀工况最恶劣最危险的部位,通常 

是通过堆焊一层高温硬度比基体合金高得多的耐 

磨耐腐蚀的硬质合金来解决;D区和E区是磨损 

区,为减少排气阀阀杆和气阀导管之间的咬合和 

磨损,可以将排气阀阀杆所有接触区域采用镀铬 

疲劳、热疲劳、铅腐蚀、热腐蚀、腐蚀疲劳及高温塑 

性变形是气阀及气阀座失效的重要原因。 

1.2气阀的性能要求 

对气阀的性能要求是由其使用条件所决定 

的。大家都知道气阀的工作温度一般在650~ 

750 ̄C,阀盘锥面四周是被包围在高速、高温、有化 

学侵蚀性的气体中,当气阀落在阀座上时又受到 

冲击载荷的作用。阀杆实际上是在没有润滑的条 

件下和导管摩擦进行工作的,因而受到磨损;它还 

受到弹簧和气阀惯性力的拉伸和压缩,杆端又受 

到从驱动机构方面传来的冲击载荷和磨损E2]。 

所以要求气阀用钢须具备足够的室温强度、 

高温强度、疲劳极限、冲击吸收功、耐磨性和一定 

的硬度、良好的抗氧化性和抗燃气腐蚀性能,并具 

有较高的热传导率和较低的膨胀系数及良好的工 

艺性能,内部组织不得有缺陷、表面不得有裂纹, 

同时还得考虑气阀材料的制造成本[3]。 

目前气阀常用的钢种为4Cr14Nil4W2Mo,但 

是其抗腐蚀性较低,且价格较高,使其应用受到一 

定的限制[3]。同时,4Crl4Nil4W2Mo钢线胀系 

数大于3O ,使得气阀钢在工作状态时的附加应 

力增大,易造成气阀早期失效。因此,目前英美等 

国多采用硅铬马氏体耐热钢或者新型奥氏体耐热 

钢来制造气阀[2]。国内则有的企业曾尝试过用 

3Cr23Ni8N钢代替4Crl4Nil4W2Mo钢。 

3Cr23Ni8N提高了碳和氮的含量,在相应增加 

2 铬的同时,降低了3.5 的镍。目的是在保持稳 

定的奥氏体组织之外,进一步提高高温强度和抗 

燃气腐蚀性能,而且还节约了Ni元素,从而降低 

了原材料成本。近年来,在3Cr23Ni8N钢的基础 

维普资讯

2007年第四期 

上研究出了3Cr23Ni8Mn3N,使锰的含量提高至 种。 

约3%,进一步提高奥氏体的稳定性。本文以试验 二、试验内容及方法 

数据说明3Cr23Ni8Mn3N可作为气阀的代用钢 2.1试验用料 

表1 4Crl4Nil4W2Mo和3Cr23Ni8Mn3N的化学成分( ) 

C Cr Ni Mn Si W Mo S P 

4Cr14Ni14W2MO 0.45 14.01 14.02 0.35 0.40 2.53 0。35 0.015 0.018 

3Cr23Ni8Mn3N 0.31 23.17 8.2 2.56 0.63 0。46 0.014 0.031 

2.2试验方法 

3Cr23Ni8Mn3N钢的固溶温度若在1150℃以下, 

通过对4Crl 4Ni l 4W2Mo、3Cr23Ni8Mn3N 

则大部分碳化物尚未溶入基体,在1200 ̄大部分 

两种钢经过热处理工艺的筛选、优化,研究、对比 碳化物已固溶,但晶粒长得太大,从晶粒度和碳化 

两种钢按照所选热处理工艺进行处理后的室温组 

物两者兼顾出发,本人认为3Cr23Ni8Mn3N钢的 

织、室温下的力学性能、高温下的力学性能及钢的 

固溶温度以1170℃为宜。为显示两种钢材经不同 

抗燃气腐蚀性能,发现3Cr23Ni8Mn3N钢的组织 热处理工艺后的组织、性能差别,经筛选确定固溶 

特点、性能特点及工艺特点。 

处理的温度为1150℃、1170℃、1180℃、1200℃, 

2.2.1热处理工艺的制定 

时效温度为750~760C。固溶处理所用设备型号 

3Cr23Ni8Mn3N和4Cr14Ni14w2Mo均属于 

为RYD一45—13的高温盐浴炉,时效加热采用 

奥氏体耐热钢,热处理工艺一般为固溶处理后进 

型号为RJ2—60—9的井式电阻炉。测定力学性 

行时效处理。热强钢的高温性能与固溶时效后的 能数据的试样为每方案不少于6个。具体热处理 

晶粒大小及碳化物析出状况有很大关系。 

工艺方案见表2。 

4Crl4Nil4W2Mo的正常固溶温度为1180℃。 

表2三种材料的热处理工艺方案 

材料\\

方案 

 方案一 方案二 方案三 方案四 

1170 ̄C,45 ,水冷 1200℃,10 ,水冷 118o ̄c,24 ,水冷 

4Cr1 4Ni1 4W2MO 1100℃,10 , 

水冷760℃, 750 ̄C,5h,空冷 760℃,6h,空冷 750 ̄C,6h,空冷 

1170℃,25 ,水冷 1200℃,10 ,水冷 1150℃,25 ,水冷 

3Cr23Ni8Mn3N 6h,空冷 

750 oc,8h,空冷 760℃,8h,空冷 760℃,8h,空冷 

2.2.2力学性能试验 

3Cr23Ni8Mn3N加工成6910mm圆柱状试样,并 

室温硬度和拉伸试验按照GB231--84 ̄金属 开设一个沟槽以便固定悬挂。高温熔盐腐蚀试验 

布氏硬度试验方法》、GB228--87{金属拉伸试验 

的温度和熔盐配比均根据有关规定[4],温度为 

方法》中的有关规定执行。 

816 C至927℃,本次抗氧化性试验取其中限 

2.2.3耐蚀性能试验 

870JC,熔盐配比为10份caSO ,6份BaSO ,2份 

在同等条件下测试各材料的重量损失进行材 

Na。SO ,1份C。试样经去油、水洗、酒精擦拭并干 

料抗氧化性试验及抗硫化性试验。 

燥后称重,用Fe--Cr~Al丝固定试样,再用丙酮 

抗氧化性试验:把4Crl4Nil4W2Mo、 

清洗后置于A120。坩埚内,每只坩埚内装入同一 

维普资讯

材料试样3只,将装有这两种材料的坩埚加入混 

合盐后,置于加热炉恒温区保温,至预定时间后取 

出试样。腐蚀后的试样用机械法和水冲洗法去除 

表面残盐,再用35 9/6HNO。+0.5 的HF水溶液 

除去表面腐蚀产物,用水、酒精冲洗干燥后称重。 

抗硫化性试验:由于高Cr低Ni可提高钢的 

抗硫化物腐蚀的能力,所以3Cr23Ni8Mn3N钢的 

高温抗硫酸盐和硫化物腐蚀能力比 

4Crl4Ni14W2Mo强。 

三、实验结果及分析 

3.1金相组织 

4Crl4Nil4W2Mo在1100℃固溶处理后的金 

相组织见图2a,可见组织中有未溶的碳化物。 

说明在11O0℃该材料处于奥氏体和碳化物 

的两相区,出现欠热现象。 

11O0℃ 

在1170℃固溶处理后的金相组织见图2b,此 

时晶粒度等级为5级。 

1170℃ 

2007年第四期 

在1200 C固溶处理后的金相组织见图2c,可 

见在1200‘C便处于液固两相区,出现过烧现象。 

1200℃ 

图2 4Crl4Nil4W2Mo于不同温度 

固溶处理后的组织 

3Cr23Ni8Mn3N在1100℃固溶处理后的金 

相组织见图3a,晶粒度等级为10级。 

1100℃ 

在1170C固溶处理后的金相组织见图3b,此 

时晶粒度等级为7级。 

1170℃ 

在1200℃固溶处理后的金相组织见图3c,晶 

粒度等级为4~5级。 

维普资讯

2007年第四期 

1200 U 图3 3Cr23Ni8Mn3N于不同 

温度固溶处理后的组织 

4Crl4Nil4W2Mo与3Cr23Ni8Mn3N热处理 

后的金相组织及晶粒大小见表3。由表3可见, 

3Cr23Ni8Mn3N在1 100~1200¨C固溶处理没有 

出现欠热和过热现象。 

表3两种热处理后的金相组织 

材 料 热处理工艺 

方案一 

组 织 晶粒度等级 

5 

4Cr1 4N订4W2Mo 方案二 

方案三 

方案一 

A+C 

5~6 

10 

7 

4~5 

3Cr23Ni8Mn3N 方案二 

方案三 

3。2力学性能测试结果 

室温力学性能及高温拉伸试验统计结果见表4和表5。 

表4室温力学性能试验统计结果 

热处理工艺 o }MPa 0.2/MPa 6 / 

4Cr1 4N.1 4W2Mo 

3C

r23Ni8Mn3N 

/% 

35 

HBS 

255~266 

28O~290 

300 

方案二 858 431 27 

方案二 960~980 620~660 35~36 

方案四 900~990 670~710 29~30 

表5高温拉伸试验统计结果 

材 料 热试验温度 

处理工艺 Gb}MPa 

『 c 

4Cr14Ni14W2Mo 350~370 235~245 24~28 

18~34 

27~38 

27~39 

o 2/MPa S/% /% 

方案四 

3Cr23Ni8Mn3N 

760 

420~455 285~330 

3.3高温抗燃气腐蚀试验结果 

高温抗燃气腐蚀试验结果见表6 

表6高温抗燃气腐蚀试验结果 

材 料 抗氧化性试验 

重量损失(g/dm。.h) 

4Cr14Ni14W2Mo 1。388 

从表中可见,3Cr23Ni8Mn3N钢的重量损失 

比4Crl4Nil4W2Mo 钢 的少, 说明 

3Cr23Ni8Mn3N钢的抗燃气腐蚀的性能(抗氧化 

性)比4Crl4Nil4W2Mo钢要好。 

四、分析讨论 

4.1 3Cr23Ni8Mn3N钢的组织与 

3Cr23Ni8Mn3N 0。112 

4Cr14Nil4W2Mo钢比较分析 

从组织结果上来看,4Crl4Nil4W2Mo在 

维普资讯

1200 C加热时便处于液固两相区(图2),说明这 

种钢的固溶处理温度范围较窄;固溶处理温度过 

高易产生过热、过烧;过低则导致矫直比较困难。 

由于3Cr23Ni8Mn3N中合金元素的综合作用,扩 

大了奥氏体相区,使这种钢的固溶处理温度范围 

较宽,固溶处理时不易产生过热、过烧,在相同的 

固溶处理温度下比前两种钢晶粒细小,时效析出 

的碳化物也相对细小(见表3),引起细品强化和 

弥散强化,导致其室温下的力学性能和高温拉伸 

性能较高。可见,从组织和热处理工艺角度分析, 

用3Cr23Ni8Mn3N代替4Crl 4Nil 4W2Mo作为 

气阀用钢是可行的。 

3Cr23Ni8Mn3N由于c、N含量低,1170 C固 

溶并在750 C~800C时效后,层状析出明显减 

少,可见采用750℃~800 C时效均可,具体可根 

据使用情况而定。 

cr、Ni在耐热钢中提高了钢的抗氧化性并保 

证获得奥氏体组织: 

铬是一种碳化物形成元素,在金属材料中,它 

能与碳形成cr。c等金属化合物,这种金属化合物 

具有较高的强度、硬度。当它以颗粒状弥散性分布 

在金属基体上时,能大大提高材料的强度、耐磨 

性。当加热温度不太高时,这种未溶的金属化合物 

能阻碍奥氏体晶粒的长大,从而获得了细小的冷 

却后组织,从而使钢具有更好的塑性和韧性Es-1。 

高合金含量的固溶强化对提高耐热钢的强度 

具有一定的效果,但高铬耐热钢一般采用细小弥 

散的第二相粒子强化来提高其强度。因为细小弥 

散的第二相粒子在提高材料强度的同时,可起到 

钉扎位错、阻碍位错运动,从而进一步提高耐热钢 

强度的作用。虽然各种高铬耐热钢由于碳含量的 

不同,使材料相变点、热处理后材料的力学性能存 

在一定的差异,但这些耐热钢一般具有相似的组 

织结构[6]。 

铬是不锈钢中最基本的合金元素,其含量一 

般均在13 9/5以上,它的主要作用是提高钢的耐蚀 

2007年第四期 

性。在氧化性介质中,使钢表面形成一层牢固而致 

密的铬的氧化物,使得到了良好的保护。铬溶于钢 

中,能显著提高钢的电极电位,降低了因电极电位 

不同而形成的电化学腐蚀。铬还能与镍配合,可形 

成单相奥氏体组织,并赋予钢良好的耐蚀性、良好 

的韧性和强度。3Cr23Ni8Mn3N钢的含铬量比 

4Crl4Nil4W2Mo提高了约9 ,节约了近6 的 

镍,达到了在保持单相奥氏体组织的前提下,提高 

钢的抗氧化性能的目的。 

氮加入耐热钢中能稳定奥氏体组织,并且提 

高钢的强度和耐蚀性: 

研究发现,氮原子引起Cr、Mo原子周围强烈 

的短程无序,在Fe、Ni原子周围引起较小的变 

化,这表明氮易于在cr和Mo原子周围聚集,所 

以在合金中加入Cr、Mo能够提高氮的溶解度而 

Ni会降低氮的溶解度。 

在1000℃以下,氮稳定奥氏体的能力是镍的 

20倍,甚至更高。氮稳定奥氏体的能力亦大于碳。 

因为加入氮会降低M23C6的品格参数,增加了 

界面位错,延缓其生长动力,降低铬在钢中的扩散 

系数,阻碍碳化物形核及长大。奥氏体不锈钢中加 

入氮可以稳定奥氏体组织、提高强度,并且提高耐 

腐蚀性能,特别是耐局部腐蚀,如耐晶间腐蚀、点 

腐蚀和缝隙腐蚀等E7-I。 

氮的作用除了代替部分贵重的镍外,主要是 

作为固溶强化元素提高奥氏体不锈钢的强度,而 

且并不显著损害钢的塑性和韧性。氮元素提高强 

度的作用比碳及其它合金元素强。但减少奥氏体 

中密排不全位错,限制了含问隙杂质原子团的 

Splintered位错运动,因此,起强化效应比碳强。 

氮引起基体畸变的应力比碳大3.3倍。加入0. 

10%氮可使cr—Ni奥氏体不锈钢的室温强度提 

高约60~100Mpa。近十年的研究表目耳,氮的大量 

加入可使奥氏体不锈钢达到非常高的强度,使其 

应用范围更加广泛。含氮钢的屈服强度由三部分 

组成,即基体强度、氮原子间隙固溶在奥氏体fcc 

维普资讯

2007年第四期 

中而导致的晶界强化和固溶强化。 

工艺制造专题 ・33・ 

化了晶界,对高温塑性产生不利影响[8]。高的含 

锰量和含镍量使钢在室温下具有奥氏体组织;碳、 

氮在钢中产生较强的沉淀硬化效应,提高了强度、 

硬度和耐磨性。 

五、结论 

氮可以提高奥氏体不锈钢的耐腐蚀性能,有 

资料证明超级高氮奥氏体不锈钢在耐点蚀、缝隙 

腐蚀等局部腐蚀性能方面可以和镍基合金相媲 

美。 

可见,由于氮的间隙固溶强化和稳定奥氏体 5.1 3cr23NI8Mn3N的室温力学性能和高温拉 

组织的作用比碳要大得多,既大大提高了钢的强 

度,又保持了很好的塑性和韧性,同时氮还有效地 

改善了奥氏体不锈钢的局部抗蚀能力。含氮奥氏 

体不锈钢的研究和应用正日益受到大家的重视 

E7]。 

4.2 3Cr23Ni8Mn3N的力学性能与 

4Cr1 4Ni1 4W2Moi4钢比较分析 

由表4表5个表中的室温力学性能和高温拉 

伸性能的试验数据可以看出,3Cr23Ni8Mn3N在 

室温下的强度和塑性均高于4Crl4Ni14W2Mo, 

硬度略高于4Crl4Nil 4W2Mo。对高温拉伸性能 

而言,3Cr23Ni8Mn3N与4Crl4Ni14W2Mo的性 

能相近。3Cr23Ni8Mn3N钢的抗燃气腐蚀性能 

(抗氧化性)比4Crl4Nil4W2Mo钢要好。 

从性能角度来看用3Cr23Ni8Mn3N作为 

4Crl4Nil 4W2Mo的代用材料是可行的。 

由于3Cr23Ni8Mn3N中合金元素的综合作 

用扩大了奥氏体相区,使固溶处理的温度范围变 

宽。同时,在相同的固溶处理温度下, 

3Cr23Ni8Mn3N的奥氏体晶粒细小、时效析出的 

碳化物也相对细小,引起细晶强化和弥散强化.导 

致室温下的力学性能和高温下的拉伸性能较高。 

粒状和细小粒状的晶界沉淀相对提高钢的高温延 

伸率较为有利,细片状晶界沉淀相对提高钢的断 

面收缩率较为有利,而大尺寸薄片状沉淀相却弱 

伸性能不低于4Crl4Nil4W2Mo。由试验结果表 

明,用3Cr23Ni8Mn3N作为气阀用钢具有可行 

性。 

5.2 3cr23Ni8Mn3N钢的抗燃气腐蚀的性能 

(抗氧化性)比4Crl4Nil4W2Mo钢强。 

5.3 3Cr23Ni8Mn3N比4Crl4Ni14W2Mo的固 

溶处理温度范围宽、晶粒细小,具有组织、性能、热 

处理工艺及价格优势。 

参考文献: 

[1]沈启贤柴油发动机排气门材料与激光表面强化 

技术(上)重型汽车1994(2)总22期 

E2]李文刚张延基机车柴油机典型零件选材及性能 

金属热处理1999.8[-3]张保议3Cr23Ni8Mn3N作为大功 

率柴油排气阀用钢的可行性研究热加工工艺2001年第 

5期 

[4]W.Menmann,J、Kocis.Selectiln of Materis 

for Internal Combustion Engine Valves.1986一一02 

E53张炎铬在金属材料中的作用机械工程师1999 

年第3期 

E63胡正飞等高铬耐热钢的发展及其应用钢铁研究 

学报第15卷第3期2003.6 

g7]袁志钟等氮在奥氏体不锈钢中的作用江苏大学 

学报(自然科学版)第23卷第3期2002.5 

[8]柳学胜5Cr21MngNi4Nb2WN奥氏体耐热钢晶 

界碳化物对高温塑性的影响材料科学与工艺1997.3第 

5卷第1期 

发布评论

评论列表 (0)

  1. 暂无评论