1、1汽车排气阀软氮化工艺研究摘 要我国汽车工业近几年飞速发展，产量持续增长，品种不断增加。汽车排气阀是发动机上重要的工作部件及易损件，其工作条件异常恶劣，要在高温、高压、腐蚀性燃气中经受频繁往复的高速运动和摩擦，冲击负荷大，因此要求有较高的高温性能、耐磨性能、耐腐蚀性能，抗疲劳等，故制备排气阀的材料要求也极为苛刻。自从发动机问世以来，气阀钢的材料已经历了碳钢和低合金钢，硅铬型不锈钢，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，而这种耐热钢系列中，常见的有：4Cr10Si2Mo，4Cr9Si2，5Cr21Mn9Ni2N(212N)，5Cr21Mn9Ni4N(214N)等。
2、本文主要研究了 214N 奥氏体耐热钢的表面预处理，并将预处理后的 214N 钢制汽车排气阀进行软氮化及表面强化。该预处理工艺为奥氏体耐热钢进行软氮化提供了必要的准备。进而对 214N 钢制汽车排气阀软氮化的工艺进行了对比实验研究，得出最优化的软氮化工艺规范。关键词：排气阀，软氮化，耐热钢，抗疲劳2Automobile Exhaust Valve Soft Nitride Process ResearchAbstractThe automobile industry in our country developed fast during these years with continual
3、increasing of volume and variety.the working conditions of the exhaust valve extremely rigorous,high temperature,high pressure,corrosive gas withstand frequent in the high-speed reciprocating movement and friction,impact load,therefore require higher temperature properties,wear resistance,corrosion
4、resistance,and so on,the exhaust valve of the material requirements are also extremely harsh.Since the advent of the engine,the valve steel materials has experienced low carbon steel and alloy steel,silicon-chromium stainless steel,austenitic steel,and other heat-development stage.At present,the lar
5、gest number of domestic and international use of austenitic heat-resistant steel,which is heat-resistant steel series of common:4 Cr10Si2Mo,4Cr9Si2,5Cr21Mn9Ni2N(21-2N),5Cr21Mn9Ni4N(21-4N).This article studies on a 21-4 N austenitic heat-resistant steel surface preparation and pretreatment of 21-4 N
6、steel automobile exhaust valve nitride and the soft surface strengthening.The pre-treatment for heat-resistant steel austenitic soft nitride provided the necessary preparations.Then to 21-4 N steel automobile exhaust valve soft nitride process were compared experimental research,produce the most opt
7、imal soft nitride process norms.Key words:Exhaust valve,Soft nitride,High-temperature steel,Antifatigue3目 录1 绪 论.11.1 课题背景及目的.11.2 总体思路及主要研究内容.12 汽车排气阀用钢.32.1 概述.32.2 奥氏体不锈钢.32.3 不锈钢的性能特点.42.4 汽车排气阀用钢及其选择.4 2.4.1 基本特性.4 2.4.2 规格及应用.5 2.4.3 国内常用阀门钢及其选择.5 2.4.4 国内阀门钢生产研究现状.6 2.4.5 阀门钢标准和生产状况.8 2.4.6 国
8、内外阀门钢的发展.103 5Cr21Mn9Ni4N(214N)钢的预先热处理.133.1 化学成分.133.2 主要性能指标.13 3.2.1 高温强度.13 3.2.2 抗氧化铅腐蚀性能试验.143.3 固溶处理后的组织与性能.143.4 时效处理.1544 5Cr21Mn9Ni4N(214N)的预处理.174.1 去钝预处理试验.174.1.1 试验设备.174.1.2 试样制备.174.1.3 试验方法.174.2 试验结果分析.184.3 小结.195 软氮化工艺试验.205.1 软氮化概述.20 5.1.1 软氮化的类别.21 5.1.2 软氮化的发展及现状.23 5.1.3 软氮化
9、的缺陷.24 5.1.4 软氮化渗层组织和软氮化特点.255.2 5Cr21Mn9Ni4N(214N)钢的软氮化试验.25 5.2.1 试样的制备.26 5.2.2 试验方法.26 5.2.3 试验结果分析.275.3 小结.28结 论.29致 谢.30参考文献.3111 绪 论1.1 课题背景及目的近年来，随着我国汽车工业的蓬勃发展，内燃机机型和产量不断增加，随着汽车发动机高功率化所产生的排气温度上升，排气净化率标准提高以及汽车轻量化的需求，对材料耐蚀性、耐磨性、抗氧化性、高温性能和热强性等提出了苛刻的要求。汽车排气阀是发动机上重要的工作部件及易损件，其工作条件异常恶劣，要在高温、高压、腐蚀
10、性燃气中经受频繁往复的高速运动和摩擦，冲击负荷大，因此要求有较高的高温性能、耐磨性能、耐腐蚀性能等，其工作的好坏直接影响到发动机的工作性能，故制备排气阀的材料要求也极为苛刻。自从发动机问世以来，气阀钢的材料已经历了碳钢和低合金钢，硅铬型不锈钢，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，而这种耐热钢系列中，常见的有：4Cr10Si2Mo，4Cr9Si2，5Cr21Mn9Ni2N(212N)，5Cr21Mn9Ni4N(214N)等。其中5Cr21Mn9Ni4N(214N)钢是上世纪50年代为节镍开发的阀门用奥氏体时效钢，是目前国内外用于制造汽车、摩托车发动机排气阀应用最
11、广的钢号，它是以奥氏体为基体，以碳化物及氮化合物等作为沉淀硬化相弥散分布，获得足够的高温强度、韧性、较高的硬度、耐磨性以及在冷热交变条件下组织具有良好的稳定性和较好的抗氧化、耐腐蚀性能，在工作温度700下具有良好的力学性能和高温强度。由于5Cr21Mn9Ni4N(214N)钢碳氮锰含量较高，其变形抗力较1Cr18Ni9Ti高30，室温下强度高、塑性低、脆性大，且加工硬化效应明显，热变形温度范围窄，变形抗力大，生产过程中如锻造、热轧、冷拔时易出现裂纹，产品成品率较低，国内一些专业化生产企业该钢种的成品率仅有70%80%。1.2 总体思路及主要研究内容5Cr21Mn9Ni4N(214N)奥氏体时效
12、耐热钢具有很好的耐蚀性能，它主要用来制造发动机的排气阀。发动机的排气阀不但要求具有良好的耐蚀性能和耐热性能，而且需要足够强度和良好的耐磨性能。但5Cr21Mn9Ni4N(214N)钢的硬度较低、耐磨性能较差。用该钢制造排气阀采用常规的热处理方法是难以达到强化要求的，因此，必须通过化学热处理方法来提高排气阀的表面硬度和耐磨性。本试验采用软氮化工艺来提高其硬度及耐磨性。25Cr21Mn9Ni4N(214N)奥氏体时效耐热钢含Cr较高，表面会形成以Cr2O3为主要成分的钝化膜，这种钝化膜很致密，而且很稳定，它阻碍氮、碳原子的渗入，使软氮化很难实现，因而软氮化前必须先破除钝化膜。破除钝化膜的方法可采用
13、将工件进行酸洗或炉内短期腐蚀处理等来进行，之后再立即软氮化。本文主要研究 5Cr21Mn9Ni4N(214N)奥氏体时效耐热钢制排气阀的表面预处理方法，并在预处理后进行软氮化工艺，该预处理为 5Cr21Mn9Ni4N(214N)奥氏体时效耐热钢制排气阀进行软氮化提供了必要的准备。进而对该钢软氮化工艺进行一系列对比试验，以得出最优化的软氮化工艺。32 汽车排气阀用钢 2.1 概述不锈钢是指在大气、水、酸、碱和盐等溶液，或其他腐蚀介质中具有一定的化学稳定性的钢的总称。一般来讲，耐大气、蒸汽和水等弱介质腐蚀的钢称为不锈钢，而将其中耐酸、碱和盐等侵蚀性强的介质腐蚀的钢称为耐蚀钢，或耐酸钢。不锈钢具有不
14、锈性，但不一定耐蚀，而耐蚀钢则一般都具有良好的不锈性。不锈钢具有良好的耐腐蚀性能是由于在铁碳合金中加入了铬所致。尽管元素，如铜、铝、以及硅、镍、钼等也能提高钢的耐腐蚀性能，但没有铬的存在，这些元素的作用就受到了限制。因此，铬是不锈钢中的最重要的元素。具有良好的耐腐蚀性能的不锈钢所需的最低铬含量取决于腐蚀介质。美国钢铁协会（AISI）以 4%铬作为划分不锈钢和其他钢的界限。日本工业标准 JISG0203 中规定，所谓不锈钢即是以提高耐腐蚀性能为目的的而含有铬或镍的合金钢，一般铬含量约大于 11%。德国 DIN 标准和欧洲标准EN10020 中规定不锈钢的含铬量不小于 10.5%，碳含量不大于 1
15、.2%。我国一般将不锈钢中的铬含量定为不小于 12%。不锈钢的耐腐蚀性能，一般认为是由于在腐蚀介质的作用下其表面形成钝化膜的结果，而耐腐蚀的能力则取决于钝化膜的稳定性。这除了与不锈钢的化学成分有关外，还与腐蚀介质的种类、浓度、温度、压力、流动速度，以及其他因素有关。不锈钢按照其金相组织结构划分，分为 5 类，即奥氏体型不锈钢、铁素体型不锈钢、奥氏体-铁素体型不锈钢、马氏体型不锈钢和沉淀硬化型不锈钢。其中，我们用来软氮化的汽车排气阀门所用的材料，是奥氏体不锈钢。2.2 奥氏体不锈钢 奥氏体不锈钢是不锈钢中最重要的一类，其产量和用量占不锈钢总量的 70%。奥氏体不锈钢是指铬的质量分数一般在 18%
16、以上，镍的质量分数在 8%以上，同时含有钼、铜、硅、铌、钛、氮等合金元素，室温下具有稳定的单相奥氏体组织的铁基合金。奥氏体不锈钢不仅具有优良耐蚀性能，而且也具有良好的综合力学性能、工艺性能和焊接性能，是不锈钢最重要、用途最广泛的一类不锈钢。按照合金化方式，奥氏体不锈钢可分4为铬镍钢和铬锰镍钢两大类。前者以镍为主要奥氏体化元素，是奥氏体钢的主体；后者是以锰、氮代替昂贵的镍的节镍钢种。总体讲，奥氏体钢的耐腐蚀性好，有良好的综合力学性能和工艺性能，但强度、硬度偏低1。最典型的代表有 1Cr18Ni9Ti，常见的还有 00Cr18Ni10、00Cr18Ni14Mo2Cu2、0Cr18Ni12Mo2Ti、0Cr18Ni18Mo2Cu2Ti 及 1Cr14Mn14Ni、2Cr13Mn9Ni4、1Cr18Mn8Ni5N、5Cr21Mn9Ni2N(212N)、5Cr21Ni4Mn9N(214N)等2。2.3 不锈钢的性能特点不锈钢的耐腐蚀性能一般随着铬的含量的增加而提高。其基本原理是，当钢中有足够的铬时，在钢的表面形成非常薄的致密的氧化膜。它可以防止进一步的氧化或腐蚀。氧化性的环境可以强化这种膜，而还
