[发明专利]一种合金氮化钢及其制造方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种合金钢及其制造方法，尤其涉及一种耐热渗氮钢及其制造方法。

背景技术

发动机是汽车、船舶、舰艇、航空航天器、工程机械等动力器械的心脏部件。燃油喷射器又是各类发动机的最为关键的组件，其功能是在瞬间将燃油以高压喷入气缸，使燃油与空气的充分混合和，燃烧。燃油喷射器的性能决定了发动机的动力性能、燃油燃烧效率，尾气排放和噪音等发动机关键技术指标。因此，无论是在材质质量、制造技术与调整精度等方面，还是在与整机的匹配等方面对燃油喷射器的要求都十分严格。燃油喷射器中的高精度元件包括柱塞偶件、出油阀与阀座偶件、针阀偶件，这三对偶件的材质、制造紧密程度、服役过程中的稳定性等技术指标对发动机的性能起着至关重要的影响，俗称其为发动机“心脏”。

在服役过程中，燃油喷射器承受着燃油的高速摩擦，并承受着300℃左右的循环工作温度，所以对关键偶件的表面硬度、强度和韧性，热稳定性都有很高的要求。

三对精密偶件的故障或失效形式主要表现为：柱塞偶件的过度磨损、拉毛、卡紧、咬死以及穴蚀等；阀与阀座偶件的密封面磨损、阀杆卡紧或咬死；针阀偶件的故障主要有密封面磨损及针阀卡紧咬死。

目前我国采用渗氮钢38CrMoAl制造高性能燃油喷射器，调质后经一周左右的超长时间渗氮处理，表面硬度达到900HV(62HRC)以上，渗氮层深度达到0.2mm以上。渗氮处理形成具有高残余应力、高硬度的表面梯度组织赋予了燃油喷射器优良的耐磨性和接触疲劳抗力，心部的38CrMoAl调质组织提供了强有力的支撑和优良的韧性，从而保证了燃油喷射器的高寿命和高可靠性。

但上述38CrMoAl钢制造的燃油喷射器并不能满足我国近年来开发的一些高性能发动机的要求。主要表现在两个方面：

1.调质38CrMoAl钢的强度和热稳定性满足不了基体支撑强度要求；

2.渗氮时间过长，不仅成本高，且长时间的渗氮处理也降低了基体的支撑强度。

另外，38CrMoAl钢还存在以下不足：淬透性不高，界面直径小于30mm时才可在油中淬透，尺寸直径60mm的零件油冷淬火后，表面与中心的硬度差可达60HB左右；此钢的临界点较高，故其正火和淬火的温度亦相应地较高；由于含铝铁素体稳定性高，不易溶入奥氏体中，所以保温时间要比一般合金结构钢长1.5倍左右。

此外，38CrMoAl钢在冶金制造时还存在下述问题：由于钢中铝含量高，在冶炼时，铝元素极易氧化，使其收得率很不稳定，造成不合格率极高；38CrMoAl钢的低倍点状偏析问题较严重。

所以，国内发动机行业迫切需要一种高性能、通用性强的新型渗氮钢，满足先进发动机制造的要求。

发明内容

本发明的目的是提供一种合金氮化钢及其制造方法，该合金氮化钢淬透性较高，经热处理后应当具有良好的强韧性；氮化后和含铝渗氮钢相比，渗层深度、心部硬度均应当高于含铝渗氮钢，应当具有优于现有渗氮钢的耐热性；此外，该合金氮化钢还应当具有良好的经济性。

合金氮化钢氮化前的调质处理，能够使其心部具有相当好的强韧性组合，而且与其它许多强化层不同，高硬度的渗氮层与基体有着良好的过度，因而赋予了零件优良的综合性能。但目前氮化钢还存在一些问题，如：强度和热稳定性满足不了基体支撑强度要求；渗氮时间过长，不仅成本高，且长时间的渗氮处理也降低了基体的支撑强度等。

本发明所述的技术方案摒弃传统的以铝元素为主要元素来实现渗氮强化的合金化思路，不采用铝元素，而是以Cr、Mo、Mn为主要合金化元素，辅以V、Nb作为微合金元素，并控制其配比，同时控制钢种中S、P元素的含量和残余元素含量，以提高渗氮钢的力学性能和渗氮工艺性能，充分发挥微合金元素的作用，使钢种的晶粒细小，从而提高钢种的耐热性能(即热稳定性)。

根据上述发明目的，本发明提供了一种合金氮化钢，其各化学元素的质量百分比为：碳：0.30～0.36wt％；硅：0.60～0.80wt％；锰：0.60～0.90wt％；铬：2.90～3.40wt％；钼：0.40～0.60wt％；钒：0.15～0.25wt％；铌：0.02～0.06wt％；硫：≤0.015wt％；磷：≤0.020wt％；铜：≤0.15wt％；镍：≤0.15wt％；余量为Fe和其他不可避免的杂质。

本技术方案的化学组分设计原理如下：