汽车排气阀软氮化工艺研究.docx

1、汽车排气阀软氮化工艺研究毕业设计（论文）原创性声明和使用授权说明原创性声明本人郑重承诺：所呈交的毕业设计（论文），是我个人在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的成果。尽我所知，除文中特别加以标注和致谢的地方外，不包含其他人或组织已经发表或公布过的研究成果，也不包含我为获得 及其它教育机构的学位或学历而使用过的材料。对本研究提供过帮助和做出过贡献的个人或集体，均已在文中作了明确的说明并表示了谢意。作 者 签 名： 日 期： 指导教师签名： 日期： 使用授权说明本人完全了解 大学关于收集、保存、使用毕业设计（论文）的规定，即：按照学校要求提交毕业设计（论文）的印刷本和电子版本；学校有权保存毕业设

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3、向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权 大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。涉密论文按学校规定处理。作者签名： 日期： 年 月 日导师签名： 日期： 年 月 日注 意 事 项1.设计（论文）的内容包括：1）封面（按教务处制定的标准封面格式制作）2）原创性声明3）中文摘要（300字左右）、关键词4）外文摘要、关键词 5）目次页（附件不统一编入）6）论文主体部分：引言（或绪论）、正文、结论7）参考文献8）致谢9）附录（对论文支持必要时）2.论文字数要求：理工类设计（论文）正文字数不

4、少于1万字（不包括图纸、程序清单等），文科类论文正文字数不少于1.2万字。3.附件包括：任务书、开题报告、外文译文、译文原文（复印件）。4.文字、图表要求：1）文字通顺，语言流畅，书写字迹工整，打印字体及大小符合要求，无错别字，不准请他人代写2）工程设计类题目的图纸，要求部分用尺规绘制，部分用计算机绘制，所有图纸应符合国家技术标准规范。图表整洁，布局合理，文字注释必须使用工程字书写，不准用徒手画3）毕业论文须用A4单面打印，论文50页以上的双面打印4）图表应绘制于无格子的页面上5）软件工程类课题应有程序清单，并提供电子文档5.装订顺序1）设计（论文）2）附件：按照任务书、开题报告、外文译文、译

5、文原文（复印件）次序装订3）其它1 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

6、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）等钢种。 其中214N钢是上世纪50年代为节镍开发的阀门用奥氏体时效钢，目前国内外用于制造汽车、摩托车发动机排气阀应用最广的钢号，它是以奥氏体为基体，以碳、氮化合物作为沉淀硬化相对散分布以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性能。由于214N钢碳氮锰含量较高，其变形抗力

7、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，导致产品成品率较低，国内一些专业化生产企业该钢种的成品率仅7080，这也是当前该材料亟待解决的重要问题。1.2 论文的总体思路及主要研究内容 214N奥氏体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，而且需要良好的耐磨性能。但214N奥氏体耐热钢的硬度较低、耐磨性能较差。要用来制造排气阀就必须进行化学处理来提高表面硬度及耐磨性，但用常规的热处理方法又难以对214N耐热钢进行强化。氮化

8、是化学处理的一种方法，采用氮化能大大提高材料的表面硬度和耐磨性。 因为奥氏体耐热钢含Cr较高，表面会形成含Cr2O3较高的钝化膜，这种钝化膜很致密，而且很稳定，它阻碍氮原子的渗入，使氮化无法实现。人们想了很多办法来清除钝化膜。例如：将工件进行酸洗或炉内腐蚀处理，可去除钝化膜。本文主要研究214N奥氏体耐热钢的表面预先处理工艺，并将预先处理后的214N进行软氮化。该预先处理工艺为奥氏体耐热钢进行软氮化提供了一条合理的途径。并对于214N钢进行软氮化的三种软氮化方法作一下对比研究，得出最优化的软氮化工艺方法。2 不锈钢概述2.1 不锈钢的定义和分类不锈钢是指在大气、水、酸、碱和盐等溶液，或其他腐蚀

9、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。不锈钢具有不锈性，但不一定耐蚀，而耐蚀钢则一般都具有良好的耐蚀性。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

10、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105，碳含量不大于12。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.

11、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。奥氏体不锈钢是铬质量分数一般0.18以上，镍质量分数在0.08以上，同时含有钼、铜、硅、铌、钛等合金元素，室温下具有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，奥氏体不锈钢可分为铬镍钢和铬锰钢两大类。前者以镍为奥氏体化元素，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1，14-59。最典型的代表是1Cr

12、18Ni9Ti，常见的还有00Cr18Ni10、00Cr18Ni14Mo2Cu2、0Cr18Ni12Mo2Ti、0Cr18Ni18Mo2Cu2Ti、1Cr14Mn14Ni、2Cr13Mn9Ni4、1Cr18Mn8Ni5N、5Cr21Ni4Mn9N等2，144-145。2.3 耐腐蚀性 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，而还原性的环境则必然破坏这种膜，造成钢的腐蚀。2.4 蠕变强度由于外力的作用随时间的增加而发生变形的现象称之为蠕变。在一定温度下特别是高温

13、下，载荷越大则发生蠕变的速度越快；在一定的载荷下，温度越高和时间越长则发生蠕变的可能性越大。与此相反，温度越低蠕变速度越慢，在低至一定温度时蠕变就不成问题了。这个最低温度依钢种而异，一般来说，纯铁应该是在330左右，而不锈钢因为已采取各种措施进行了强化，所以温度应该是550以上。和其他钢一样，熔炼方式、脱氧方式、凝固方法、热处理和加工等对不锈钢的蠕变特性有很大影响。据介绍，在美国进行的对188不锈钢进行的蠕变强度实验表明，取自同一钢锭同一部位的试料的蠕变断裂时间的标准偏差是平均值的约11，而取自不同钢锭的上、中、下不同部位的试料的标准偏差与平均值相差则达到两倍之多 1，14-59。3排气阀用钢

14、概述3.1 基本特性排气阀用钢是特殊钢中一个专业性很强的钢种。它因用于制造各类内燃机进气阀与排气阀而得名，属不锈耐热钢，是交通动力机械需要的重要钢材。 气阀钢工作条件极其恶劣，要在高温、高压、腐蚀性燃气中经受频繁反复的高速运动和摩擦，冲击负荷大，因此要求有良好的热强度、热硬性、疲劳强度、耐磨性和抗腐蚀性，内部组织不得有缺陷，表面不得有裂纹等。此外，还要求线胀系数小。阀门制造工艺也对钢材质量提出了严格要求，如电墩工艺对尺寸公差要求极其严格，要求表面光洁度高，需经冷加工，磨光工序要求弯曲度应达lmmm以下。因此，气阀钢生产难度较大，冷热加工困难，废品率较高，但具有高附加值。 气阀钢在特钢产量中所占

15、比例很小，例如，我国近年特钢年产量约为500万t，而阀门钢仅为1万t。但由于阀门重量小，最小一支仅重几十克，1t钢可制作12万支阀门，数量十分巨大，其作用不可低估。3.2 用途汽车、摩托车工业是阀门钢的主要用户，约占总用量的75。其中民用摩托车用阀门钢直径最小，为558mm，是由直径5565mm钢棒制成。军用摩托车阀门杆径为80mm，用直径85mm钢棒制成。近年我国引进许多型号的轿车和微型车，如一汽奥迪、高尔夫，二汽雪铁龙、上海桑塔纳、广州标致、天津夏利等，阀门杆径78mm，需用直径7585mm钢棒。轻型、中型、重型卡车用阀门杆径813mm,需用直径85135mm阀门钢棒。拖拉机等农用机械是阀

16、门钢材另一用户，其规格与卡车相同。船舶、机车、发电机组所用阀门杆径为1340120mm。这部分用量较小，其中较大规格用锻轧材。坦克、装甲车所用阀门杆都未见报道3。3.3 国内常用气阀钢 我国目前常用气阀钢有种，即4Cr9Si2，4Cr10Si2Mo和214N，4Cr9Si2与4Cr10Si2Mo均属于马氏体型耐热钢，是50年代从前苏联引进， 目前国内使用得最多的气阀钢 4Cr9Si2在800以下有良好的抗氧化性，低于650有较高的热强性。主要用于制作内燃机的进气阀和工作温度低于650的内燃机排气阀；也做低于800下使用的抗氧化构件，例如料盘，炉管吊挂等。4Cr10Si2Mo与4Cr9Si2钢相

17、比，由于含Cr量稍高并加入了07090钼，从而使其抗氧化性和热强性有所提高，并使回火脆性的敏感性减弱。可制造内燃机进气阀和在700以下工作的排气阀；也可制造850以下工作的炉子构件4，380-381。214N即5Cr21Mn9Ni4N，是以碳化物为沉淀硬化相的奥氏体耐热钢，是国外50年代为节约Ni而开发的钢种，我国从70年代初开始仿制。该钢种导热性差，热胀系数大，变形抗力大，塑性比一般奥氏体耐热钢要差，属于奥氏体时效钢，也常划归于难变形钢种。因其含有较高的锰、镍、碳、氮和铬而具有奥氏体显微组织和高的再结晶温度，从而具有高的高温强度。钢中所含的高铬量，改善了耐热耐蚀性能。高的含锰量和含镍量使钢在

18、室温下具有奥氏体组织；较高的碳、氮含量，产生较强的沉淀硬化效应，增高了强度、硬度和耐磨性。 这种钢制气阀可用于850工作的中速、大功率、中负荷发动机中，在国外汽车排气阀上已得到了广泛的应用，在国内用量有增大的趋势5，5-7。3种阀门钢(GB122184)的化学成分见表3.1，不同标准中气阀钢(合金)牌号见表3.2 6 。表3.1 GB122184中3种阀门钢化学成分钢种CSiMnNiCrCuM0NPS4Cr9Si20350502003000700608001000030003500304Cr10Si2Mo03504519026007006090010500300700900035003021-

19、4N048058035800325450200022000.350.50004000303.4 国内气阀钢生产研究现状 我国是气阀钢产量较高的国家，生产规模并不亚于发达国家。但起步较晚，生产装备和工艺比较落后，产品质量与发达国家相比有较大差距，高性能难生产的牌号以及品种规格，仍满足不了国内需要。“九五”期间，我国阀门钢生产技术的开发，生产线的技术改造，产量质量的提高，任务仍十分繁重7。我国的阀门钢70年代形成体系，80年代有了一定的发展，现在仍处于发展时期。表3.2 不同标准中气阀钢牌号 国家标准牌号总数马氏体钢奥氏体钢镍基合金结构钢中国标准GB122184GBT1277391863353国际

20、标准IS06831XV1976新标准草案（1989）1211436523欧洲标准EURONORM90718341德国标准DIN17480198410352英国标准BS970，Part77927法国标准NF A35579839441意大利标准UN13992759342美国标准SAE17758031313510日本标准JISG431187JASO E101851010435512前苏联标准DOCT5632799543.5 气阀钢标准和生产状况目前我国生产气阀钢执行两个标准，即GB122184（耐热钢棒）和GBT1277391（内燃机气阀钢钢棒技术条件）。GB122184标准中有8个钢号，GBT12

21、77391标准中有6个钢号，与世界各主要工业国的标准相比（表33），马氏体钢牌号不算少，但品种陈旧；在奥氏体钢中缺少比214N钢性能水平更高的牌号，如：214NNb，214NNbW，Resis TEL等。马氏体钢号中，4Cr9Si2淬火硬度比德国X45CrSi93（45Cr9Si3）和X50CrSi82（50Cr8Si2）低；8Cr20Si2Ni（即XB）钢的淬火硬度不能保证HRC50，需要增加过冷处理工艺，且工艺性差，生产中成材率低，成本较高，用户希望增加新牌号 8，16-21。由于轧机精度差，热轧圆钢偏差020mm，矫直精度不高，一般不能生产直径9mm的冷拉磨光材。随着高性能机（车）型的引

22、进，需要高牌号的气阀钢棒，生产的难度更大。表3.3几种标准中气阀钢的牌号GB122184GBT1277291DIN174801984ISO683XV1988草案马氏体钢4Cr9Si24Cr10Si2Mo8Cr20Si2Ni（XB）4Cr9Si24Cr10Si2Mo8Cr20Si2NiX45CrSi93X40CrSiMo102X85CrMoV182X50CrSi82X45CrSi93X85CrMoV182奥氏体钢4Cr14Ni14W2Mo5Cr21Mn9Ni4N（214N）Y5Cr21Mn9Ni4N（214NS）2Cr21Ni2N（2112N）3Cr20Ni11Mo2PB（2011P）4Cr14

23、Ni14W2Mo5Cr21Mn9Ni4N2Cr21Ni2N（2112N）X45CrNiW189（199W）X55CrMnNiN208（212N）X53CrMnNiN219（214N）（订货协商）X50CrMnNiNbN219 （21NNbW）X60CrMnMoVNbN2110 （Resis TEL）X55CrMnNiN208（212N）X53CrMnNiN219（214N）X50CrMnNiNbN219（21NNbW）X33CrNiMnN238（21-8N）X53CrMnNiNbN219（214NNb）镍基合金GH810ANiFe25Cr20NbTiNiCr20TiAl（Nimonic 80A

24、）NiFe25Cr20NbTiNiCr15Fe7TiAl（Inconel 751）NiCr20TiAl（Nimonic 80A）由于磨光材产量低，近几年每年的需求缺口在20003000t。我国特钢厂的轧材精度大多在土0305mm，椭圆度为0305mm，因此，基本上都采用热轧冷拉磨光工艺生产气阀钢。冷拉变形量过大时易造成轧材开裂。同时，由于缺少连续退火设备，影响了马氏体钢退火质量8，16-21。我国实际使用的阀门钢主要有上述三个钢种，能用于引进机型的只有214N钢。而发达国家气阀钢种至少在9种以上。目前我国高负荷的柴油机进气门、高性能的排气门钢和镍基合金还处于空白状态 9，28-30。3.6 国

25、内外气阀钢的发展气阀钢汽车发动机用阀门钢的发展大致分为铬钢、硅铬钢、铬镍奥氏体钢和铬锰氮奥氏体钢四个时期。1913年美国发现了耐热的CrSi钢，1919年后形成了以SiCr钢为中心的阀门钢，1928年产生了4Cr9Si2钢（美国HNV3日本SUHl等）。为了提高耐热强度和晶粒度，法国采用了4Cr10Si2Mo（美国HNVl，日本SUH3等）类型的SiCrMo气阀钢。 为了提高耐蚀性，在五十年代中期，英美等国都发展了高铬马氏体钢8Cr20Ni2Si2（美国HNV6，日本SUH4）等应用广泛，成为今天马氏体系阀门用钢的代表。从30年代开始，以德国为中心，研究代替NiCr系的CrMn是奥氏体钢与含氮

26、奥氏体钢。美国在40年代末研究成功B312与2112N钢。其间，以飞机为中心普及了加铅汽油，出现了抗氧化铅腐蚀问题。1940年初，美国制阀者为了保证耐蚀性，希望含20Cr与低Si。1948年，美国的Jennings发现了耐氧化铅腐蚀的CrMnNi系钢。如将Si限制得特别低则耐铅腐蚀性显著提高；而其含氮量增加时，高温硬度也显著提高。接着1950年前后研究出214NS。1952年美国Armco和Thompson公司研究成功214N钢（美国EV8，214N，日本214N，英国349552，西德X53CrMnNi219，苏联5Cr20Mn9Ni4，9II303等10）。近几年来在214N钢基础上又有不

27、少发展。英国在1974年标准11中增加含Nb 2030的214N钢，进一步提高了热强度。美国在1975年标准12,110增加了212N，2155N等钢。西德、日本、英国也发展了含硫214N钢。由于214N钢具有良好的耐热性和耐蚀性，60年代以来，国外汽车厂广泛用来制造排气阀。另外，美国TRW公司和WALLACE公司共同研制了VMS513合金13，它是一种具有良好的耐蚀、耐磨及疲劳强度的耐热合金。其名义成份为008C，27Cr，39Ni，110Mn，10Al，25Ti，006Si，其余为Fe。气阀使用温度在800850时，可采用镍基合金。美国把这种钢用于重负荷阀上。英国在高级轿车上采用Nimon

28、ic80A。日本也在一部分赛车上使用Nimonic90。为了降低排气阀温度，有些国家如美国、西德、苏联等采用中空阀。在阀中加钠盐，能降低排气阀工作温度100。采用中空阀后可降低材料级别。美国Dodge，CrMC公司采用SiCr钢中空钠盐冷却代替高合金耐热钢。对负荷较重的排气阀，在阀面堆焊耐热合金（镍基、钴基合金），也有采取渗Al等方法的。柴油发动机排气阀要求耐V2O5和Na2SO4腐蚀，而214N排气阀耐PbO性能较好，耐V2O5和Na2SO4腐蚀差，因此在柴油机排气阀上应用较广的为2112N，2011P。为了节约材料，排气阀也可采用两种材料对焊。阀杆部分采用镀铬或软氮化工艺。特别对奥氏体阀门

29、钢如214N，因抗擦伤性能差，所以阀杆大多经镀铬处理。排气阀端头对耐磨性要求较高，一般SiCr钢可采用中频或电解液淬火，对奥氏体钢则需堆焊耐磨合金层（镍基和钴基）。国内主要使用的3种阀门钢，在今天巳不能满足发展的要求。212N钢的性能与214N相近，国外主要用于中型和轻型汽油机。由于降低了50的Ni含量而比214N更具经济性，美国已有约80的汽车发动机使用212N钢13，32-37。4Cr9Si2及4Cr10Si2Mo在国外巳被高性能的45Cr9Si3，5Cr8Si2所取代，原因是其成本高、性能差、硬度低。为满足不断被改进强化的内燃机性能要求，各国都在研制性能高、成本低的新型气阀钢。美国在2112N的基础上研制出了238N，用于柴油机排气阀，同时研制了低Ni的212N。英、德还研制出了5Cr21Mn9Ni4Nb2WN（214NWNb）和6Cr2Mn10MoVNbN，用于高负荷柴油机和汽油机排气阀。德国还研制出了NiCr20TiAl代替了传统的尼莫尼克镍基合金。发达国家为满足内