CN100363521C - 改善高温抗氧化性的铸铁 - Google Patents

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Abstract

一种以铁作为主要组分的铁铸件，包括C、Si、Mn、Cr、Mo和Ni，其中所述铸铁在高温下提供良好的耐热性和抗氧化性。铸铁有利地含有2.5-3.0%的C；2.0-3.0%的Si；0.8-1.2%的Mn；1.7-3.0%的Cr；0.025-0.06%的Mg；0.15-0.4%的Mo；和17.0-20.0%的Ni；但是少于0.1%的P；和少于0.02%的S。该铸铁适用于非常苛刻的高温条件下，并且能够用于歧管温度达到850℃的发动机的排气歧管。

Description

改善高温抗氧化性的铸铁
发明领域
本发明涉及在高温下具有改进的抗氧化性的铸铁。更具体地说，本发明涉及一种铁铸件，其包括：作为主要组分的铸铁，C、Si、Mn、P、S、Cr、Mo和Ni，其中铸铁在高温下提供良好的耐热性和抗氧化性，所以适用于暴露在非常严重高温条件下的发动机排气歧管。
发明背景
排气歧管是一种从燃烧室到排气管进行排气的管子。歧管的尺寸和设计与发动机功率密切相关，因为歧管位于第一部分以接受来自头部的废气。
常规的抗氧化铸铁例如FCD50M、FCD45F、FCD-H和FCD-50HS具有表1所示组成。这些铸铁含有添加到常规球形铸铁中的Si和/或Mo，以改进高温下的物理性能和抗氧化性。
表1、现有技术铸铁的配方
 产品  C  Si  Mn   P S Cr Mg  Mo  Ni Fe
 FCD50M  3.0-4.0  2.0-3.0  0.2-0.6   小于1.0 小于0.02 小于0.3 大于0.025  -  - 余量
 FCD-J  3.0-4.0  2.0-3.0  0.2-0.6   小于0.1 - - 大于0.015  -  小于1.0 余量
 FCD-M  3.0-4.0  3.8-4.0  小于0.6   小于0.04 小于0.02 - 0.04-0.065  0.5-0.7  - 余量
 FCD-H  3.2-3.9  3.2-3.8  小于0.3   - - - 大于0.02  -  - 余量
 FCD50HS  3.3-3.8  3.4-3.8  小于0.6   小于0.1 小于0.015 - 大于0.025  0.4-0.5  小于1.0 余量
对于金属有三种要求-高温强度，高温抗氧化性(当暴露在大气中时和当暴露在废气中时)，和与催化剂的相容性。如果使用耐热性铸铁的排气系统保持在于使用中典型地会遇到的630℃-760℃的温度范围内，，现有技术的抗氧化铸铁的抗拉强度通常至少约为75Mpa。但是，随温度升高铸铁金属的强度下降。
奥氏体铸铁的不同等级显示广泛的多种性能，这就是它们应用在许多技术领域的原因。DIN1694标准认定8片状石墨和14球状石墨变异体。它们的显著性能包括高温稳定性、抗氧化性、不同寻常的热膨胀系数(从高到低)、有利的运转性能、耐蚀性、低温韧性和防磨蚀。依据DIN1694的奥氏体铸铁可含有最大达到3％的碳、1.5-3％的Si、0.5-1.5％的Mn、18-22％的Ni和1-2.5％的Cr。
在机动车排气系统设计方面，近来的革新需要铁在730℃-900℃温度下具有优良性能(高抗拉强度)。生产含有在高温下具有良好抗氧化性的铸铁的排气系统也是有利的，并且也具有高催化剂相容性，以符合由于机动车功率增加而导致的废气的限制性规定。常规铸铁不能适当满足这些标准。所以，对于在许多特性方面具有优势的材料的需求已经显著增加。
发明内容
所以，本发明的一个目的是提供具有良好的高温强度和高温抗氧化性的铸铁。
认为使用特殊的合金元素例如Mo、Ni和Cr是一种解决办法，因为在高温下的抗拉强度与抗疲劳性和蠕变性成比例。本发明者已经发现通过将至少一些C、Si、Mn、P、S、Cr、Mg、Mo和Ni以特定量添加到铸铁中，生产的铸铁可以有利地具有：至少75％的球化(spherodization)率，低于70μm的石墨尺寸，和低于5％的玻璃渗碳体(自由渗碳体)的奥氏体结构。此外，耐热性-即，在升高温度下的强度-和高温下的抗氧化性比常规现有技术的抗氧化铸铁有改进。
在一个具体实施方案中，铸铁包括：2.5-3.0％的C；2.0-3.0％的Si；0.8-1.2％的Mn；0-0.1％的P；0.001-0.02％的S；1.7-3.0％的Cr；0.025-0.06％的Mg；0.15-0.4％的Mo；17.0-20.0％的Ni；和铸铁中的余量Fe。在另一个优选的具体实施方案中这种铸铁具有75％-100％的球化(spherodization)率，10-70μm的石墨尺寸，和0-5％的玻璃渗碳体的奥氏体结构。在另一个优选的具体实施方案中这种铸铁含有2.4-2.7％的Si；0.001-0.02％的P；0.001-0.01％的S；和0.03-0.05％的Mg。在另一个优选的具体实施方案中这种铸铁含有2.6-2.8％的C；0.9-1.1％的Mn；少于0.05％的P；少于0.01％的S；2.6-3.0％的Cr；0.2-0.3％的Mo；和17.0-19.0％的Ni。在另一个优选的具体实施方案中这种铸铁含有2.6-2.8％的C；2.4-2.7％的Si；0.9-1.1％的Mn；少于0.05％的P；2.2-2.5％的Cr；0.03-0.05％的Mg；少于0.01％的S；和0.2-0.3％的Mo。在另一个优选的实施方案中，这种铸铁包括2.6-2.8％的C；2.4-2.7％的Si；0.9-1.1％的Mn；少于0.05％的P；2.6-3.0％的Cr；0.03-0.05％的Mg；少于0.01％的S；和0.2-0.3％的Mo。
在另一个低镍的具体实施方案中，上述每种铸铁配方中都含有约17.5％的Ni，即少于18％的Ni。在另一个具体实施方案中，上述每种铸铁配方基本上都不含铜和铝。
优选这种铸铁在700℃温度下，具有至少10kgf/mm2(98MPa)的抗拉强度。更优选这种铸铁在700℃温度下具有至少15kgf/mm2(147MPa)的抗拉强度。优选这种铸铁在800℃温度下具有至少75MPa的抗拉强度。优选这种铸铁在800℃温度下具有至少10kgf/mm2(98MPa)的抗拉强度。上述铸铁配方显示，当在750℃的空气中暴露50个小时，优选每平方厘米少于约0.05毫克，更优选少于约0.04毫克的金属转化为氧化物。
本发明也包括含有上述一种具体实施方案的铸铁材料的排气歧管。例如排气歧管可以至少部分由含有2.5-3.0％的C；2.0-3.0％的Si；0.8-1.2％的Mn；少于0.1％的P；少于0.02％的S；1.7-3.0％的Cr；0.025-0.06％的Mg；0.15-0.4％的Mo；17.0-20.0％的Ni；和余量铁的铸铁材料制造。制造排气歧管的这种铸铁材料在800℃温度下有利地具有至少10kgf/mm2的抗拉强度。在一个具体实施方案中，制造排气歧管的这种铸铁材料含有约17.5的Ni；约2.5％的Si；至少0.04％的Mg；少于0.05％的P；和少于0.01％的S。在另一个具体实施方案中，制造排气歧管的这种铸铁材料含有约2.6％的碳，并基本上不含铜和铝。在另一个具体实施方案中，制造排气歧管的这种铸铁材料含有约2.5％的Cr，并基本上不含铜和铝。
附图简述
图1表示本发明的一个实施例和对比例的抗拉强度图。
图2表示本发明实施例和对比例的抗氧化性图。
发明详述
本发明提供适用于排气歧管的铸铁。在本发明的一个具体实施方案中的铸铁包括：
2.5-3.0％的C，例如2.6-2.8％的C；
2.0-3.0％的Si，例如2.4-2.7％的Si；
0.8-1.2％的Mn，例如0.9-1.1％的Mn；
0-0.1％的P，优选少于0.05％，例如0.001-0.02％的P；
0.001-0.02％的S，例如0.001-0.01％的S；
1.7-3.0％的Cr，例如2.6-3.0％的Cr；
0.025-0.06％的Mg，例如0.03-0.05％的Mg
0.15-0.4％的Mo，例如0.2-0.3％的Mo；
17.0-20.0％的Ni，例如18-19％的Ni；和
铸铁中的余量Fe。
在一个具体实施方案中，本发明的材料基本不含铜，例如少于0.1％，优选不含铜。在一个具体实施方案中，本发明的材料基本不含铝，例如少于0.1％，优选不含铝。
本发明的铸铁在性能上显示优势，例如高温抗氧化性和高温强度，所以适用于机动车的排气歧管。铸铁具有奥氏体结构。不被理论所束缚，在铸铁元素中，认为Si、Mo、Cr和Ni对于改进高温下的抗氧化性特别有效，使用的每种量对于产品的质量都有影响。
常规FCDs例如FCD-H具有铁素体结构，在其中，典型地没有Mo，并且Si的存在量是3.2-3.8％。在FCD-H中Si含量高于其它铸铁，我们认为它稳定铁素体结构并增加Al转换温度以抑制相转变。所以，增加Si含量的高温强度材料是有利的。
另一方面，现有技术的FCD-50含有限制的1.7-3.0％的Si和0.4-0.6％的不同于FCD-H的Mo。参见表1相关实施例FCD-50M的组成。
下面更进一步详述，对于依据本发明铸铁组分的构成元素的含量，进行限定的原因。除非另有说明，所有组分是重量百分比。
Ni类似Cr，用于改进抗氧化性并保持高温强度。Ni有益的添加量至少约15％，由于增加最终材料的价格，在某种程度上受到限制，并以例如约17％存在，优选范围是17.0-20.0％，例如约17.5％。
Si用作脱氧剂，对于改进强度和疲劳强度以及更进一步平衡强度和挠度有效。添加Si的范围至少是1.7％，优选2.0％-3.0％，例如约2.5％。
碳硬化与延伸率有关的结构并降低可塑性。较少的C含量是较好的。C含量的范围例如低于约4％，但是更优选限定的范围是2.5-3.0％，例如约2.6％。
Mn通过在没有热处理的结构内部形成弥散体用于有效地改进强度。为防止降低耐蚀性和挠度，Mn的含量优选限定在0.8-1.2％，例如约1％。
存在的元素P对铸铁的延伸率有不利影响。当其含量超过0.1％时，这种不利影响显著恶化。所以，为保证延伸率，P含量限定在约0.1％或更少，例如低于约0.04％。
存在的元素S对于耐蚀性的不利影响是由于硫化合物的产生。当S含量超过0.02％，这种不利影响更加恶化。所以，需要其含量限定在尽可能少的程度。在本发明中，限定S含量低于0.02％，但是典型的存在量为约0.001-0.02％，优选少于0.01％。
Mg元素对于减少热扩散和制品质量有作用，因为氧化物的产生和延伸率的降低。而且，当其含量少于较低限定时，强度降低。Mg的添加量至少为0.025％，例如0.025-0.06％，例如约0.04％。
Mo元素对于改进高温抗氧化性有效。Mo的添加量为0.15-0.4％，例如约0.3％。
元素Cr对于改进高温抗氧化性有效。Cr的添加量为1.7-3.0％，例如约2.2％。在高铬的具体实施方案中，金属含有2.6-3.0％的Cr，例如约2.8％的Cr。
依据常规方法基本上可以生产和加工本发明的铸铁。
本发明者发现本发明的铸铁是奥氏体结构，含有：至少75％，典型地至少85％，例如至少90％-100％的球化率；10到70μm石墨(颗粒)尺寸；和0-5％，例如0.01-2％的玻璃渗碳体。本发明的铸铁可以用在例如850℃温度下，该温度高于常规铸铁FCD-H(低于730℃)和FCD50-HS(750℃)的推荐使用温度。
所以，本发明的铸铁可以代替常规用于排气系统的材料，并提供良好的高温耐热性和抗氧化性，以便适用于机动车发动机的排气歧管。
通过参考以下实施例将更容易地理解本发明。但是，这些实施例仅是举例说明本发明，而不应认为限制本发明的保护范围。
实施例和对比例1-5
为评价本发明铸铁和常规铸铁的性能，制备测试片，结果总结于表2中。测试前，加热铸铁达到700±14℃和保持该温度1小时。然后，在炉中降低温度达到300℃，随后空气冷却。对于所有样品的测试条件是相同的。
依据常规方法测定的抗拉强度、屈服强度、测试片的延伸率和硬度示于表2。测试片的结构，包括球化率，石墨尺寸和板结构示于表3中，使用扫描电子显微镜的数据和使用公认方法定义。
表2
  商品名  抗拉强度(Kgf/mm<sup>2</sup>)(MPa)  屈服强度(Kgf/mm<sup>2</sup>)(Mpa)    延伸率(％)   硬度(HB)
实施例  40(392MPa)↑  21(206MPa)↑     7↑   150-220
对比例1   FCD50M  50(490MPa)↑  33(323MPa)↑     5↑   170-241
对比例2   FCD-J  50(490MPa)↑  33(323MPa)↑     ↑   170-241
对比例3   FCD-M  63(617MPa)↑  50(490MPa)↑     2↑   187-241
对比例4   FCD-H  40(392MPa)↑  35(343MPa)↑     ↑   170-241
对比例5   FCD50HS  50(490MPa)↑  ↑     ↑   170-241
高温强度测试：
通常在室温下测定金属的强度，但是对于排气歧管来说，其实际的操作是在高温下，高温下的性能更重要。惊人的是，高温性能与低温性能相反，如下面的表4和图1所示。优选铸铁材料具有，在操作温度下，抗拉强度至少10kgf/mm2(98MPa)，更优选至少15kgf/mm2(147MPa)。从表格数据可以看出，在操作温度下，抗拉强度至少10kgf/mm2(98MPa)，更优选至少15kgf/mm2(147MPa)。从表格数据可以看出，在600℃下，所有抗氧化铸铁包括本发明的铁都满足或超过优选强度。在700℃下，除了现有技术的抗氧化铸铁之外所有的铸铁，和本发明的铁都满足至少10kgf/mm2(98MPa)的标准。但是，只有本发明的铸铁和对比例5(FCD-50-HS)，满足至少15kgf/mm2(147MPa)的标准。在800℃下，只有本发明的铸铁和对比例5(FCD-50-HS)，满足至少10kgf/mm2(98MPa)的标准。
表3
  商品名    球化率(％)   石墨尺寸(μm) 结构     参考
  实施例     75↑     70↓ 奥氏体     ↑
  对比例1   FCD50M     ↑     60↓ 铁素体(95％↓)+珠光体     5↑
  对比例2   FCD-J     ↑     60↓ 铁素体+珠光体     ↑
  对比例3   FCD-M     ↑     - 铁素体+珠光体(40％↓)     ↑
  对比例4   FCD-H     ↑     - 铁素体+珠光体(20％↓)     ↑
  对比例5   FCD50HS     80↑     100↓ 铁素体+珠光体(10％↓)     ↑
表4
  类别     抗拉强度(Kgf/mm<sup>2</sup>)(MPa)
  温度(℃)     实施例1     对比例1     对比例2     对比例3     对比例4     对比例5
  0     42(412)     45(441)     54(529)     65(637)     55(539)     45(441)
  100     43(421)     44(431)     52(510)     63(617)     57(559)     45.5(446)
  200     45(441)     42(412)     49(480)     58(568)     53(519)     45.7(448)
  300     42(412)     41(402)     45(441)     52(510)     48(470)     40(392)
  400     39(382)     39(382)     42(412)     46(451)     43(421)     38(372)
  500     34(333)     28(274)     33(323)     37(363)     35(343)     34(333)
  600     26(255)     15(147)     18(176)     20(196)     20(196)     25(245)
  700     20(196)     7.5(74)     10(98)     10(98)     10(98)     16(157)
  800     12.5(123)     4(39)     5.5(54)     6(59)     5(49)     10(98)
  900     9(88)     -     -     4(39)     -     7.5(73.5)
在800℃和900℃之间插入的数据表示在850℃下，仅有本发明的铁具有至少为10kgf/mm2(98MPa)的抗拉强度。
从表4和图1可以清楚地看到，对比例1-5的测试片的抗拉强度在730℃-750℃温度下至少为75MPa。在该温度下的强度不能保证具有令人满意的用于机动车排气系统的强度，该机动车排气歧管的温度可能达到850℃到900℃。室温抗拉强度方面，本发明的测试片强度低于对比例1-5的那些测试片，但是在高温强度方面，特别优于它们。所以，就高温强度来说，可以断定本发明的铸铁适用于诸如排气歧管的排气设备元件部分。
结构：
从表2可以看出，本发明的金属结构基本上是奥氏体。常规抗氧化铸铁显示铁素体和珠光体结构。珠光体是介于铁素体和渗碳体(铁的碳化物)之间的奥氏体。
高温下抗氧化性测试：
本发明实施例和对比例1-5的棒测试样品具有5mm的直径和10mm的长度，在760℃的空气中保温200小时。形成的氧化物废料经过喷砂清理而除掉以测定每50个小时每个单元表面积的重量改变。结果总结于表5和图2中。
表5
  类别   重量变化(mg/cm<sup>2</sup>)
  温度(℃)   实施例1   对比例1  对比例2   对比例3   对比例4   对比例5
  0   0   0   0   0   0   0
  50   0.036   0.14   0.06   0.08   0.03   0.06
  100   0.032   0.18   0.04   0.05   0.05   0.035
  150   0.033   0.33   0.07   0.05   0.06   0.07
  200   0.035   0.22   0.06   0.05   0.06   0.06
从表5和图1中可以清楚看出，对比例1(FCD50M)含有低含量的Si并不含Mo，从试验开始，与对比例2-5相比较，显示劣等抗氧化性。因为对比例1的氧化废料太高，认为Si和Mo的含量会在高温和高温强度下影响抗氧化性。含有Ni元素的铸铁显示良好的耐热性和高温抗氧性。有利地，当在760℃的空气中暴露50小时，并也在760℃的空气中暴露200小时并且每50小时清洗一次时，铸铁合金显示少于约0.05，优选少于约0.04毫克/平方米重量变化。本发明的铸铁显示，当在760℃的空气中暴露50小时，在每平方厘米约0.032-0.036毫克氧化物形成，当每50小时清洗一次，整个200小时，平均值为每平方厘米0.034毫克。对比例2-5显示每平方厘米约0.035-0.07毫克氧化物形成，当每50小时清洗一次，整个200小时，平均值为每平方厘米0.055毫克的氧化物形成。例如，对比例5(FCD-50-HS)显示每平方厘米约0.035-0.07毫克氧化物形成，当每50小时清洗一次，整个200小时，平均值为每平方厘米0.056毫克的氧化物形成。所以本发明的铸铁比任何现有技术的抗氧化铸铁显示相当少的高温腐蚀。
如上面的详细论述，通过限量的Si、Mo和Ni制备本发明的铸铁，相对于常规铸铁在高温下显示优良的耐热性和抗氧化性。所以，适用于暴露在苛刻条件下的机动车排气系统。

Claims (20)

1.一种用于排气歧管的铸铁，该铸铁包括：
2.5-3.0重量％的C；
2.0-3.0重量％的Si；
0.8-1.2重量％的Mn；
0-0.1重量％的P；
0.001-0.02重量％的S；
1.7-3.0重量％的Cr；
0.025-0.06重量％的Mg；
0.15-0.4重量％的Mo；
17.0-20.0重量％的Ni；和
铸铁中的余量Fe。
2.权利要求1的铸铁，其中所述铸铁具有奥氏体结构，该奥氏体结构具有75％-100％的球化率，10-70μm的石墨尺寸，和0-5％的玻璃渗碳体。
3.权利要求1的铸铁，其中所述铸铁包括2.4-2.7％的Si；0.001-0.02％的P；0.001-0.01％的S；和0.03-0.05％的Mg。
4.权利要求1的铸铁，其中所述铸铁包括2.6-2.8％的C；0.9-1.1％的Mn；少于0.05％的P；少于0.01％的S；2.6-3.0％的Cr；0.2-0.3％的Mo；和17.0-19.0％的Ni。
5.权利要求2的铸铁，其中所述铸铁包括2.6-2.8％的C；2.4-2.7％的Si；0.9-1.1％的Mn；少于0.05％的P；2.6-3.0％的Cr；0.03-0.05％的Mg；少于0.01％的S；和0.2-0.3％的Mo。
6.权利要求1的铸铁，其中所述铸铁包括17.5％的Ni。
7.权利要求5的铸铁，其中所述铸铁包括17.5％的Ni。
8.权利要求1的铸铁，其中所述铸铁基本上不含铜和铝。
9.权利要求1的铸铁，其中所述铸铁在700℃温度下具有至少98MPa的抗拉强度。
10.权利要求1的铸铁，其中所述铸铁在700℃温度下具有至少147MPa的抗拉强度。
11.权利要求1的铸铁，其中所述铸铁在800℃温度下具有至少10kgf/mm2的抗拉强度。
12.权利要求1的铸铁，其中所述当在760℃的空气中暴露50个小时，铸铁显示每平方厘米少于0.05毫克的金属转化为氧化物。
13.权利要求1的铸铁，其中所述铸铁在800℃温度下具有至少75Mpa的抗拉强度。
14.权利要求1的铸铁，其中所述当在760℃的空气中暴露50个小时，铸铁显示每平方厘米少于0.04毫克的金属转化为氧化物。
15.一种含有权利要求1所述的铸铁材料的排气歧管。
16.一种含有权利要求3所述的铸铁材料的排气歧管。
17.一种含有权利要求5所述的铸铁材料的排气歧管。
18.一种包含铸铁材料的排气歧管，该铸铁材料与适用于运输废气或外部空气或两者的通道相接触，所述铸铁材料含有2.5-3.0％的C；
2.0-3.0％的Si；0.8-1.2％的Mn；少于0.1％的P；少于0.02％的S；
1.7-3.0％的Cr；0.025-0.06％的Mg；0.15-0.4％的Mo；17.0-20.0％的Ni；和余量的铁，其中所述铸铁在800℃温度下具有至少98MPa的抗拉强度。
19.权利要求18的排气歧管，其中所述铸铁材料包括17.5％的Ni；2.5％的Si；至少0.04％的Mg；少于0.05％的P；和少于0.01％的S。
20.权利要求19的排气歧管，其中所述铸铁材料包括2.5％的Cr，并且基本上不含铜和铝。
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