含氮奥氏体气阀钢的真空冶炼工艺

李道乾，刘玉庭，王 雷，马中钢，郭建亭

（1山东瑞泰新材料科技有限公司，山东 淄博 256100；2中国科学院金属研究所，辽宁 沈阳 110016）

生产技术

含氮奥氏体气阀钢的真空冶炼工艺

李道乾1，刘玉庭1，王 雷1，马中钢1，郭建亭2

（1山东瑞泰新材料科技有限公司，山东 淄博 256100；2中国科学院金属研究所，辽宁 沈阳 110016）

利用真空感应炉熔炼含氮奥氏体气阀钢，多次熔炼试验结果表明，采用两次加碳脱氧可使钢液深度脱氧，氧含量可达（10～15）×10-6；炉料化清后往真空室通入60%N2+40%Ar可有效抑制N和Mn从钢液中逸出，准确控制N和Mn的含量；用含氮金属锰作N的加入剂，在还原期末钢液合金化完毕后加入，可以获得满意的Mn含量。

气阀钢；奥氏体气阀钢；氮；真空感应熔炼

气阀钢是用于制作动力机械汽油机或柴油机气缸进气阀和排气阀用的耐热钢，可分为马氏体气阀钢和奥氏体气阀钢两类，其工作温度前者为300～500℃，后者为500～900℃。奥氏体气阀钢用于制造排气阀，需要具有良好的高温疲劳性能和抗高温耐腐蚀性能，还需要具有优异的耐磨性能和工艺性能。奥氏体气阀钢中含有较高的氮，最高可达0.60%，同时还含有很高的锰，最高可达11.50%。传统的通用冶炼工艺采用的是中频感应炉加电渣重熔组成的双联法[1]。氮是气体元素，传统冶炼工艺很难准确控制其含量，而Mn是易挥发元素，在冶炼过程中损失大，也不易控制其含量。同时，在大气中进行的中频感应炉和电渣双联冶炼，空气中的氧使合金中活泼元素发生氧化，使钢液中氧含量增加。经多次试验研制出一种新的冶炼工艺，可改善上述缺点。

1 奥氏体气阀钢的成分特点

表1给出了4种奥氏体气阀钢的化学成分（GB/ T 12773—1991），各种合金元素多达10余种，其化学成分比较复杂。为了使α-Fe基体形成γ奥氏体，需要加入一定数量的Ni，但是Ni价格高，用Mn和N代替部分或大部分Ni，同样可以扩大γ奥氏体相区范围并稳定奥氏体基体，且价格低廉，经济合理[2]。

表1 4种奥氏体气阀钢的化学成分%

N在奥氏体气阀钢中的含量可达到常压下的最高溶解量0.60%，对稳定奥氏体起重要作用。N以碳氮化物、氮化物和固溶态形式存在于奥氏体中，使钢的强度和耐蚀性提高，使氧化膜中Cr2O3含量增加，提高膜的致密性，而对钢的塑性和韧性下降影响较少。Cr2N沿晶界析出，可防止晶粒长大。

表1中，Mn在奥氏体气阀钢中的含量为8.0%～11.5%，为奥氏体形成元素，但形成能力很弱，仅为Ni的1/2[1]。Mn能改善气化阀钢的塑性和韧性，增加氮在奥氏体中的溶解度。钢中加入Cr是为了生成Cr2O3为主的氧化膜，以提高抗腐蚀性能，此外，还可以形成碳化物或氮化物，提高合金的强度。W、V和Nb等加入钢中形成碳化物，提高合金的高温强度并细化晶粒组织[2]。

2 奥氏体气阀钢冶炼工艺的特点

采用真空冶炼工艺熔炼奥氏体气阀钢，真空下隔绝了空气的有害作用，减弱了炉气中的氧和钢液中溶解氧的氧化作用。同时，充分发挥真空碳氧反应优势，对奥氏体气阀钢进行脱氧，脱氧反应产物为CO，从钢水中不断上浮排除，显著降低钢中的氧化物夹杂，改善钢的质量和性能。几次冶炼的试验结果表明，气阀钢的O含量可降低到（30～35）×10-6。为进一步降低O含量，采用二次碳脱氧工艺[3]，即第1次将加入总量一半的碳，在装炉时放入炉底，当钢液温度达1 540～1 560℃开始精炼，时间15～20 min；第2次在还原后期从料斗中加入另一半碳，进行二次碳脱氧，与第1次温度和时间相同。这样可使奥氏体气阀钢的O含量降低至（10～20）×10-6，脱氧效果非常明显。

采用的另一重要工艺是炉料化清后，往真空室通入惰性气体保护，有利于合金化[3]。保护气体不是单一氩气，也不是单一氮气，经多次试验结果表明，单纯通氩气虽然可以防止Mn的挥发损失，但氮的回收率下降，而单纯通氮气可以防止氮的挥发损失，但锰的回收效果不理想。只有通入60%氮气加40%氩气，可有效抑制氮和锰逸出，准确控制氮和锰含量。

利用含氮金属锰作为氮的加入剂，它的熔点低，仅1 200℃左右，而含氮铬铁熔点高，达1 600℃，不易熔化，因此不采用这种铁合金。控制氮和锰的一个关键因素是掌握钢液加氮的时机和条件。含氮金属锰应在还原期末钢液合金化完毕后加入，钢液温度应保持（1 450±10）℃[3]。由于Cr、Mn、Mo、V和Nb加入钢液增加氮在钢中的溶解度，而C、Ni、Si等元素能降低氮的溶解度，因此，配料时前者应按上限，而后者应取下限。

3 奥氏体气阀钢的新工艺冶炼

以X-60奥氏体含氮气阀钢的冶炼新工艺为例，采用200 kg真空感应炉熔炼。原材料的纯度为：石墨碳≥99%，1号金属铬≥99.99%，烧结钼≥99.99%，电解镍≥99.99%，工业纯铁≥99.8%，金属铌≥99.9%，含氮金属锰（N≥10%），钒铁（FeV80A），锰铁（FeMn88C0.2）。按比例称量好各合金重量，将一半的碳加入到坩埚底部，再加入工业纯铁、金属铬、金属钼和金属镍。在合金加料斗内分别放入剩余的一半碳、铌、钒铁、锰、含氮金属锰。开始抽真空，待真空度达到10 Pa时，送电进行合金熔炼。待合金开化后，关闭真空炉抽气阀门，开始对真空室充惰性气体，即60%N2+40%Ar，进行冶炼气体保护。待合金全熔，且温度达到1 540～1 560℃时，降低功率（80 kW）精炼15～20 min，还原期后期，从料斗中加入另一半碳进行二次高温精炼，深度脱氧，精炼温度和时间与第一次精炼相同。然后降温到（1 450 ±10）℃，开始加入合金，加入顺序是金属铌、钒铁、金属锰、含氮金属锰。重要的是每次加入一种合金后都要以最大功率（120 kW）进行快速熔化后停电降温，再加入下一种合金，反复进行，直到全部加完为止。含氮金属锰一定要在最后加入，待合金全部熔化后，用最大功率搅拌30～60 s，之后将功率降到80 kW进行浇注。合金浇注完毕应在真空炉内保温10 min后破真空出炉。合金浇注成直径50或80 mm、长0.8 m棒料。取样进行化学分析，X-60合金配料成分及化学分析结果完全合格，见表2。

表2 X-60合金配料成分及化学分析结果%

4 结论

4.1 采用真空冶炼新工艺熔炼奥氏体气阀钢，通过两次加碳使钢液深度脱氧，氧含量可降低至（10～15）×10-6，从而可显著降低钢中的氧化夹杂，改善钢的质量。

4.2 炉料化清后往真空室通入60%N2+40%Ar，有效抑制N和Mn从钢液中逸出，准确控制氮和锰含量。

4.3 利用含氮金属锰作氮的加入剂，在还原期末钢液合金化完毕后加入，钢液温度应保持在（1 450 ±10）℃，可以获得满意的Mn含量。

[1]王振东.感应炉冶炼工艺技术[M].北京：机械工业出版社，2012：249-274.

[2]郭建亭.高温合金材料学（上）（应用基础理论）[M].北京：科学出版社，2008：81-134.

[3]李道乾，刘玉庭，王雷，等.含氮奥氏体气阀钢真空冶炼工艺：中国，201510152199.4[P].2015-04-02.

Technology of Smelting Nitrogen Alloyed Austenitic Valve Steel

LI Daoqian1,LIU Yuting1,WANG Lei1,MA Zhonggang1,GUO Jianting2
（1 Shandong Roitie New Material Science and Technology Co.Ltd.,Zibo 256100,China；2 Institute of Metal Research,Chinese Academy of Sciences,Shenyang 110016,China）

A technology of smelting nitrogen alloyed austenitic steel used for valve by vacuum induction furnace was investigated.The results of repeatedly smelting experiment show that twice carbon-adding during melting can result in the deoxidation of molten steel with oxygen content of(10-15)×10-6.Supplying of 60%N2and 40%Ar into vacuum chamber will suppress the escape of nitrogen and manganese from the molten steel efficiently and easy to control the content of nitrogen and manganese precisely.Being added to the molten steel at the end of reducing period after the finish of alloying,the element manganese with N containing will lead to an appropriate content of manganese in the austenitic steel.

valve steel;austenitic valve steel;N;vacuum induction smelt

TF764+.2

B

1004-4620（2015）04-0019-02

2015-06-29

李道乾，男，1968年生，2002年毕业于中共山东省委党校经理管理专业。现为山东瑞泰新材料科技有限公司总经理，高级工程师，从事绝缘耐磨合金和高温合金材料研制及生产。