CN101460641A - 在高温下具有良好氧化稳定性的铸铁合金 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于铸铁产品的铸铁合金，其在800－950℃的表面温度下具有高氧化稳定性，具有下列化学成分：2.8－3.6重量％C、2.0－3.0重量％Si、2.5－4.3重量％Al、至多1.0重量％Ni、至多0.8重量％Mo、至多0.3重量％Mn、0.002－0.1重量％Ce、0.023－0.06重量％Mg、至多0.01重量％S、其余为Fe和通常的杂质。

Description

在高温下具有良好氧化稳定性的铸铁合金
本发明涉及一种用于铸铁产品的在高表面温度下具有良好氧化稳定性的铸铁合金。
汽车制造商必须遵守新的排气标准。当排气温度高时催化剂工作得较好。可使用钯代替铂作为催化剂金属，最大排气湿度可从现在的850℃提高到950℃。在此温度下，迄今已知的铸铁合金均存在氧化皮的稳定性问题。迄今的铁素体合金在从约860℃起会发生从铁素体结构到奥氏体结构的相变。铁素体结构的膨胀行为不同于奥氏体结构的膨胀行为。因为奥氏体结构的热膨胀系数较大且比化铁素体结构的热膨胀系数变化更大，所以在转变温度下发生体积变化。该体积变化导致铸件的不均匀膨胀行为和形成微小裂纹。该常经受温度交变的铸件会由于不均匀膨胀和裂纹形成而产生机械应力。结果薄的氧化层(＝氧化皮)从铸件表面脱离。理想的是在涡轮增压器外壳和/或排出管的经受排气的表面上形成一层有良好附着性和阻止氧扩散的薄氧化物层。
由EP 076701 B1中已知一种含球状石墨的铁素体耐热铸铁。该合金含至多3.4重量％ C、3.5-5.5重量％ Si、至多0.6重量％ Mn、0.1-0.7重量％ Cr、0.3-0.9重量％ Mo和至多0.1重量％的形成球状石墨的组分。该合金在汽车制造中用于制备涡轮增压器外壳。
由EP 1386976 B1中已知一种用于铸铁产品的具有高温度稳定性的合金。该合金由2.5-2.8重量％ C、4.7-5.2重量％ Si、0.5-0.9重量％ Mo、0.5-0.9重量％ Al、至多0.04重量％ Mg、至多0.02重量％ S、0.1-1.0重量％ Ni、0.1-0.4重量％ Zr、余量的Fe和通常的杂质组成。该合金在汽车制造中用于制备排出管和涡轮增压器外壳。
由现有技术出发，本发明的目的是提供一种铸铁合金，其可在尽可能高的温度下使用，以尽可能的低成本制备和在频繁的温度交变下确保尽可能长的使用寿命。
该目的是通过适于铸铁产品的铸铁合金实现的，该铸铁合金在800-950℃的表面温度下具有高氧化稳定性的，含有下列化学成分：2.8-3.6重量％ C、2.0-3.0重量％ Si、2.5-4.3重量％ Al、至多1.0重量％ Ni、至多0.8重量％ Mo、至多0.3重量％ Mn、0.002-0.1重量％ Ce、0.023-0.06重量％ Mg、至多0.01重量％ S、其余为Fe和通常的杂质。
本发明的优选扩展方案由从属权利要求给出。
铸件在操作温度下呈尽可能均匀的弹性膨胀是有利的。这可通过该合金由铁素体相到奥氏体相的相转变温度高于880℃来实现。也可通过在膨胀计中所测定的合金试样的热膨胀直到880℃仍呈均匀和恒定地变化来实现。也可通过该合金的热膨胀系数在25℃为8-12×10-6/K和在900℃为13.5-15.5×10-6/K来实现。该值在温度关系图中比所谓的牌号为D5S或GJSA XNiSiCr35-5-2的Ni-抗蚀-合金的值恒定地低约30％。
该铸件在室温下不变脆也是有利的。这可通过该合金的抗拉强度Rm为500-650MPa、屈服点Rp0.2为470-620MPa和断裂伸长率A5为2.0-4.0％来实现。这些强度值是所谓的Ni-抗蚀-合金的1.3-1.5倍。所述铸铁合金的韧性相应于通常市售的铁素体材料的平均值，但通常市售的铁素体材料不能在高于860℃的温度使用。
铸件可更容易地加工也是有利的。这可通过该合金试样的布氏(Brinell)硬度为220-250来实现。
该合金由尽可能廉价的元素组成也是有利的。这可通过该合金含低于0.8重量％ Mo、低于1重量％ Cr和低于1重量％ Ni来实现。Ni-抗蚀-合金通常含约30-35重量％ Ni和约2-5重量％ Cr。与钼合金化的球墨铸铁合金通常含约0.8重量％ Mo。
该铸件尽可能对热不敏感也是有利的。这可通过该合金试样在25℃的导热率为约23W/mK和在900℃下的导热率为约26W/mK来实现。Ni-抗蚀-合金在400℃下的导热率比该值低20-50％。
本发明的核心思路是提供一种铸铁合金，其允许有尽可能高的使用温度，并在涡轮增压器外壳和排出管中具有高的氧化皮稳定性，并尽可能廉价和尽可能简单地以铸造方法制备。适于较高使用温度的迄今的标准解决方案在于使用较昂贵的铸钢和奥氏体铸铁或在使用中要复杂制备的钢板结构。
实施例
由具有下列化学组成的球墨铸铁制成的适于轿车内燃机的排出管具有铁素体结构：以重量百分比计：3.02 C、2.96 Si、2.53 Al、0.79 Ni、0.65 Mo、0.23 Mn、0.04 Cu、0.031 P、0.026 Cr、0.023 Mg、0.017 Ti、小于0.01 S和0.002 Ce。该排出管由在GF-转炉(Konverter)中用镁预处理的熔体直接浇铸到模具中。不需要其后的耗时的热处理如固溶退火或奥氏体等温淬火处理。
用镁处理对合金的硫含量有有利影响，并确保形成呈球形或蠕虫状的石墨。镁起脱硫作用，但在溶液中要保留足够的Mg，以有助于生长成球粒(＝石墨颗粒)。在Al含量为约2.5重量％时Mg含量理想地为约0.025重量％。该合金试样的比重比通常可比较的铸铁合金的比重低至少5％。
碳含量为2.8-3.6重量％可确保近于共晶体的组成。C含量小于2.8重量％对铸件的供料不利。C含量大于3.6重量％对合金的高温特性不利。
加入0.002-0.1重量％的铈作为成核剂。Ce含量大于0.1％是不利的，并导致所谓的碎块状石墨的形成。
在本发明合金中硅含量为2-3重量％对铁素体相的形成是有利的，改进了熔体的流动性，提高了屈服点和改进了铸件的耐热性。Si含量小于2％对白口深度(Weisseinstrahlung)不利。Si含量大于3％增加了铸件的脆性。
铝含量为2.5-4.3重量％对形成铁素体相也是有利的，并中和氮。Al含量小于2.5％对石墨稳定化是不利。Al含量大于4.3％对形成球形石墨不利。
镍含量为0.1-1重量％可提高屈服点同时不明显增加脆性，并可改进耐腐蚀性。Ni含量小于0.1％对石墨稳定化是不利的。Ni含量大于1％对在铸件的较薄区中贝氏体和马氏体的形成不利。镍是一种较昂贵的合金元素。
钼含量为0.4-0.8重量％对提高屈服点、热稳定性、耐蠕变性和由此对耐温度交变性有利。Mo含量小于0.4％对石墨稳定化是不利的。Mo含量大于0.8％对碳化物和气泡形成不利。钼是一种较昂贵的合金元素。
锰含量至多0.3重量％对脱硫是有利的。Mn大于0.3％对晶界碳化物形成不利，并不利于晶核形成状态。Mn含量太大引起晶体结构中的珠光体(Perlit)形成。贝氏体结构越来越脆。
铬含量至多1重量％对铸型件的耐蠕变性和耐热性有利。
通常较低的成合金元素含量对降低晶界碳化物的形成和在室温下的脆性有利。例如铜和钛的含量即此情况。
与铸铜相比，球墨铸铁的熔体温度约低100-200℃。这表明耗能低和通过蒸发向环境排放的合金元素少。
图1示出本发明合金从铁素体相向奥氏体相的转变与温度的关系。可看出，在约900℃下发生平衡相转变。也可看出，在1240-1280℃的熔体温度该合金是如何变换物态(Aggregatszustand)的。
图2中示出测得的牌号为SiMo 1000plus的新合金的热膨胀系数与温度的关系，并示出与其它铸铁合金的比较。
图3示出SiMo 1000plus合金的热导率与温度的关系，并示出与其它铸铁合金的比较。D5S代表所谓的Ni-抗蚀-合金，GJV SiMo和SiMoNi代表迄今已知的含约1％ Mo的球墨铸铁合金。

Claims (12)

1.一种用于铸铁产品的铸铁合金，所述铸铁合金在800-950℃的表面温度具有高氧化稳定性，含有下列化学成分：2.8-3.6重量％C、2.0-3.0重量％Si、2.5-4.3重量％Al、至多1.0重量％Ni、至多0.8重量％Mo、至多0.3重量％Mn、0.002-0.1重量％Ce、0.023-0.06重量％Mg、至多0.01重量％S、其余为Fe和通常的杂质。
2.权利要求1的铸铁合金，其特征在于，所述合金含0.1-1重量％Ni、0.4-0.8重量％Mo和至多1.0重量％Cr。
3.权利要求1或2至少之一的铸铁合金，其特征在于，所述合金的铁素体相向奥氏体相的转变温度高于880℃。
4.权利要求1-3至少之一的铸铁合金，其特征在于，在膨胀计中所测得的所述合金的热膨胀直到880℃仍呈均匀和恒定地变化。
5.权利要求1-4至少之一的铸铁合金，其特征在于，所述合金的热膨胀系数在25℃为8-12×10-6/K和在900℃为13.5-15.5×10-6/K。
6.权利要求1-5至少之一的铸铁合金，其特征在于，所述合金的抗拉强度Rm为500-650MPa、屈服点Rp0.2为470-620MPa和断裂伸长率A5为2.0-4.0％。
7.权利要求1-6至少之一的铸铁合金，其特征在于，所述合金的布氏硬度为220-250。
8.权利要求1-7至少之一的铸铁合金，其特征在于，所述合金在25℃的导热率为20-25W/mK和在900℃的导热率为23-29W/mK。
9.权利要求1-7至少之一的铸铁合金，其特征在于，所述合金的比重比常规可比较的铸铁合金的比重低至少5％。
10.用于制备权利要求1-9至少之一的铸铁合金的方法，其特征在于，所述合金在镁转炉中用镁处理以得到非常低硫的合金。
11.一种制备权利要求1-10至少之一的铸铁合金的方法，其特征在于，所述合金在镁转炉中预处理后浇铸到模具中，并不经受热后处理。
12.权利要求1-11至少之一的铸铁合金，其特征在于，所述铸铁合金在汽车制造中用于排出管和/或涡轮增压器外壳。
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