CN101120112A - 高合金铸铁，该材料用于经受高热应力的构件的用途和相应的构件 - Google Patents

高合金铸铁，该材料用于经受高热应力的构件的用途和相应的构件 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种具有奥氏体结构和球墨构型的高合金铸铁，包括以下用重量百分数表示的组分：碳＜2.0％，硅2.0～6.0％，镍29～36％，铬1.0～2.5％，铌0.1～1.0％和钼0.1～2.5％。本发明也涉及该铸铁材料用于经受高热应力的构件的用途，尤其用于独立或整体式内燃机的排气歧管和涡轮增压器壳体。本发明最后涉及经受高热应力的构件，尤其是由上述铸铁材料组成的发动机的排气系统。

Description

高合金铸铁，该材料用于经受高热应力的构件的用途和相应的构件
技术领域
本发明是指一种具有奥氏体结构和球墨构型的高合金铸铁材料。根据本发明的结构特别适合用于发动机中处于大热应力的那些部件，特别是发动机的排气系统，但也适用于处于高热应力的其它构件。
发明背景
由于新燃烧方法的引进，排气歧管和涡轮增压器壳体的热应力大量增加。现代奥托(Otto)发动机的排气温度，具体的，普遍达到1000℃以上。经受这种热应力的构件，除高温抵抗力之外，还必须具有高防垢能力，良好的温度波动抵抗力，和低的温度膨胀系数。因此，从现有技术可知，处于高热应力的构件用铸钢制成。虽然后者满足上述要求，但是非常昂贵，因此不是很适合用于系列生产这些构件。
而且，从商标名为镍保护膜(Ni-Resist)的技术进展了解到球墨构型的奥氏体铸铁合金。这些合金，在EN 13835中描述为EN-GJSA XNi 35(或根据ASTM 439为D5)，除了其优良的机械性能外，还具有高热抵抗力、良好的防垢能力和很高的温度波动抵抗力。这就是为什么在现有技术中它们被用于系列生产处于高热应力的发动机部件，特别用于高压缩或增压引擎的排气歧管和/或涡轮增压器壳体。这些合金是经济的，且容易浇铸。正如EN13835所显示的，它们已经拥有很高的热抵抗力，达到1050摄氏度。但是，在壁厚小于8毫米的薄壁构件中，热抵抗力下降到仅约950℃。为了降低温度到这最高允许程度，用昂贵的发动机控制器仔细调节喷射和燃烧，这反过来再次耗尽更多燃料。因此，有必要研发在高温情况下，即使它们的元件具有薄壁，仍具有更高抵抗力的材料。
发明内容
本发明的任务是提出一种具有很高热抵抗力的奥氏体铸铁材料，而不管具有薄壁的构件。
用一种铸铁材料、其应用和与独立权利要求的特征一致的构件，本任务得到了解决。
根据本发明，具有奥氏体结构和球墨构型的高合金铸铁材料含有除了别的以外的下列成分(重量％)：碳＜2％，硅2.0～6.0％，镍29～36％，铬1.0～2.5％，铌0.1～1.0％和钼0.1～2.5％。与已知的含有基于镍的含有球墨的奥氏体合金相比，在该材料中按上述给出的浓度以合金形式特别添加钼和铌。已经表明，通过加入钼连同铌，可以增加这种合金的温度波动抵抗力，而不会由于碳化物的形成导致材料变脆。另外，用根据本发明的合金，可以提高处于更高温度的材料的抵抗力和防垢能力。在这种情况下，根据本发明的合金具有较低的热膨胀系数，从而减少了在温度波动情况下可能发生的开裂的危险。
合金中的碳浓度被限定到2％的值，以防止碳化物的形成。在这里，采用这样的方法调节碳浓度，尽管这样，熔融体仍具有良好的流动和浇注性能。
已知合金中的硅含量具有还原效果，并在这里改善热气腐蚀抵抗力。然而，根据本发明的材料具有有利的低热膨胀系数。
铬提高在高温下的抗氧化能力。在这里，铬的比例被限制到2.5％。
具体实施方式
本发明的一特别有利的组合规定了铸铁材料具有0.5～1.5％的锰。合金中的锰含量一方面影响浇注性能，但另一方面也减少石墨析出，所以在这种情况下锰含量较佳的限制到1.5％。
与本发明的另一有利的组合一致，由于更高比例的磷也可能导致材料的脆性，该材料具有低于0.1％的磷。此外，具有小于0.5％的铜对于所述材料是有利的。
本发明的特别优选的组合规定了铸铁材料含有34～36％的镍。镍的这个比例具有构建一个奥氏体基本结构的功能。
本发明的另一有利的组合规定材料较佳地具有1.5～2.5％的铬，以提高高温抵抗力和抗氧化能力。
与使用球墨和镍为主要载体的传统奥氏体铸铁合金(D5)相比，具有较高的温度抵抗力对于铸铁(与本发明一致)是特别有利的。因此，根据本发明的铸铁也非常适合使用在处于温度很高的具有壁厚3～6毫米的极薄壁材料中。
根据本发明的材料因此非常适合用在处于高热应力的构件中。根据目前的认识，由根据本发明的铸铁材料制造的薄壁构件能抵抗约985摄氏度。根据本发明，这种高合金铸铁材料因此用于组装引擎排气系统的部件。该材料特别适合用于排气歧管和涡轮增压器壳体。这种材料可用于特殊改进其内可产生达1100℃排气温度的高压缩和增压发动机的排气系统的部件。
该材料特别适合用在整体壳体中(换言之，与排气歧管和排气涡轮增压器的涡轮壳体一体化的壳体)。
根据本发明，处于高热应力的构件(尤其是发动机排气系统的构件)由具有上述特性的铸铁材料组成。因此，用于本发明的铸铁可替代传统用于排气系统的材料。基本上，铸铁可以依照一般方法制造和加工。构件可以进行一次使结构均匀的退火处理，这反过来又取得了更好的碳化物分布。
与用于车辆排气系统的传统奥氏体铸铁合金相比，它能够实现35摄氏度的热抵抗能力的增加。由此实现的排气或燃烧温度的增加也允许增加位移相关马力和减少污染物排放，从而节省燃料。
此外，在剪切裂缝试验中，与属于D5类(ASTM 439)的传统合金相比，根据本发明的铸铁材料具有高出8％的温度波动抵抗力。在高速公路性能测试中，可以看到根据本发明的材料具有高达30％的改进。
本发明尤其适合于车辆排气系统的构件，但并不局限于它们。在本发明范围内的修改和组合也落入本专利的权利要求。

Claims (13)

1.具有奥氏体结构和球墨构型的、具备更高温度波动抵抗力和用于发动机的有利用途的高合金铸铁材料，其特征在于，所述材料以重量百分数表示包含下列成分：
碳    ＜2.0％
硅    2.0～6.0％
镍    29～36％
铬    1.0～2.5％
铌    0.1～1.0％
钼    0.1～2.5％
2.根据在前权利要求所述的铸铁材料，其特征在于，所述材料包含0.5～1.5％的锰。
3.根据在前权利要求之一所述的铸铁材料，其特征在于，所述材料包含小于0.1％的磷。
4.根据在前权利要求之一所述的铸铁材料，其特征在于，所述材料包含小于0.5％的铜。
5.根据在前权利要求之一所述的铸铁材料，其特征在于，所述材料较佳地包含34～36％的镍。
6.根据在前权利要求之一所述的铸铁材料，其特征在于，所述材料较佳地包含1.5～2.5％的铬。
7.根据在前权利要求之一所述的高合金铸铁材料用于发动机的处于高热应力的构件的用途。
8.根据在前权利要求所述的用途，其特征在于，所述的处于高热应力的构件是发动机的部分排气系统，尤其是排气歧管和/或涡轮增压器壳体。
9.根据在前权利要求之一所述的用途，其特征在于，所述的处于高热应力的构件是整体壳体。
10.处于高热应力的构件，尤其是发动机的排气系统，其特征在于，所述构件用根据权利要求1～7之一所述的铸铁材料制成。
11.根据在前权利要求所述的处于高热应力的构件，其特征在于，所述构件是排气歧管。
12.根据在前权利要求之一所述的处于高热应力的构件，其特征在于，所述构件是排气涡轮增压器的涡轮壳体。
13.根据在前权利要求之一所述的处于高热应力的构件，其特征在于，所述构件是整体壳体。
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