CN102127674A - 奥氏体球墨铸铁 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及奥氏体球磨铸铁，尤其涉及奥氏体球墨铸铁合金组合物，包含约2.2wt％～约2.4wt％的碳；约3.5wt％～约4.0wt％的硅；约28wt％～约29wt％的镍；约2.5wt％～约3.0wt％的铬；约0.9wt％～约1.1wt％的钼；和大于约50％的铁；其中百分比是基于该组合物的总重量的。本发明进一步提供了使用本发明的合金制备的制品，例如涡轮增压机外壳。

Description

奥氏体球墨铸铁
技术领域
本发明涉及可用于制备用于其中需要高耐热性的应用中的制品的合金组合物。该合金组合物特别是铁基合金。
背景技术
奥氏体球墨铸铁是公知的且已经在需要具有特定的化学、机械和物理性质的材料的广泛应用范围内使用多年。球墨铸铁是通过适当的熔融金属处理制备的包含以基本上为球形颗粒形式的石墨的铸铁。球形石墨具有多晶辐射状结构。在文献中限定有多种不同的奥氏体球墨铸铁类型。奥氏体球墨铸铁的类型是部分基于其化学组成而限定的，其化学组成包括各种量的铁、镍、硅和碳以及，在一些铁类型中，其他元素例如锰、磷、铬和钼。这些后面的元素可能是有意添加的或者可能作为不可避免的杂质存在。该奥氏体球墨铸铁的类型进一步基于其不同的机械性质（即拉伸强度、屈服应力、伸长率和Brinell硬度）的水平而限定的。通常，奥氏体球墨铸铁典型地具有良好的抗腐蚀、抗侵蚀和耐磨损性质；在高温时具有良好的强度、延展性和抗氧化性；韧性和低温稳定性；受控的热膨胀；受控的磁和电性质；和良好的可铸造型和机械加工性。然而，这些质量根据该奥氏体球墨铸铁的类型而不同，因此在某些应用中特定的类型比其他更适用。
奥氏体球墨铸铁通常用于发动机部件中，例如废气歧管、涡轮外壳和其他必须在高热应力下操作的结构部件。通过提高发动机功率和燃烧温度已经满足了改进燃料效率和减少来自汽车发动机的废气的需求。由于必须通过结构发动机部件的废气温度的升高，这些提高对结构发动机部件施加了更大的应变。特别地，用于构造所述发动机部件的材料必须具有高的耐温性、好的抗温度波动性，高的抗剥落性和低的温度膨胀系数。
发动机部件必须操作的升高的温度导致能够用于构造这类发动机部件的材料的范围更加受限。最通常用于铸造结构发动机部件的奥氏体球墨铸铁是D-5S奥氏体球墨铸铁。特别地，D-5S铸铁通常用于其中发生高温和剧烈的热循环的发动机歧管、涡轮外壳和涡轮增压机部件。根据广泛接受的标准（ASTM A439），D-5S包括2.3％碳、1％锰、4.9-5.5％硅、1.75-2.25％铬、34-37％镍、0.08％磷，余量为铁。该合金在室温时具有好的伸长率和屈服强度、好的可铸造性和在高达约900℃的废气温度时具有较好的高温屈服强度。
D-5S是高度合金化的，通常包含约36％的镍。镍是昂贵的原料，受到大的价格波动，其价格已经变得越来越反复无常。镍的高成本直接影响了最终产品的成本。因为涡轮增压机的涡轮增压机外壳以及特别是涡轮外壳占据最大的重量，所以也占据整个涡轮增压机的最大成本。因此，最终产品的成本必须大大提高以消化镍的高成本。
因此，制备用于这类结构部件中的、能够耐受由现代发动机所需的高温并同时将镍的含量最小化以保持低的和更可预测的成本的可替代合金将会是有利的。
发明内容
本发明提供了可用于制备具有高性能性质（特别是高强度和耐热性）的制品的合金组合物。本发明的合金特别有用，因为其能够使用比目前已知的奥氏体球墨铸铁更低成本的材料制备。此处公开的本发明的合金特别是奥氏体球墨铸铁铁基合金，其包括经设计以保持所提到的优选性质但具有较低的制备成本的特定的元素组成。
依照本发明的合金能够用于制备任何金属性制品（metallic article），但其特别适用于制备具有高性能规格的材料，尤其是与强度和耐热性有关的。本发明的合金特别有利的一个领域是制备发动机构件，例如涡轮外壳、废气歧管和与涡轮增压机外壳整体铸造的废气歧管。
在一方面，本发明涉及铸铁合金组合物，优选是铁基组合物。在本发明的特别实施方案中，该合金组合物中仅一些特定的元素需要以特定量存在以使该合金组合物可用于制备具有如此处所述有用的物理性质的制品。例如，在一种实施方案中，依照本发明的合金组合物包括：约2.2wt％~约2.4wt％的碳；约3.5wt％~约4.0wt％的硅；约28wt％~约29wt％的镍；约2.5wt％~约3.0wt％的铬；约0.9wt％~约1.1wt％的钼；和大于约50％的铁，其中该合金基本上不含锡和锑，上述重量百分比是基于该合金组合物的总重量的。
依照进一步的实施方案，本发明的合金能够包括一种或多种其他元素。特别地，依照本发明的合金除了包括上述元素之外，还可以包括约0.035％~约0.090％的镁。在进一步的实施方案中，该合金可以包括一种或多种非必要的痕量元素，包括但不局限于：不超过约0.10％的锰；不超过约0.08％的磷；和/或不超过约0.03％的硫，所有都基于该组合物的总重量。在另外的实施方案中，本发明的合金可以进一步包括一种或多种其他痕量元素，基于该组合物的总重量，每一种以不超过约0.03wt％的量存在，痕量元素的总量不超过约0.5wt％，更优选不超过约0.25wt％，更优选不超过约0.15wt％。
在本发明的其他实施方案中，有利地是本发明的合金组合物具有特别限定的组成。例如，在一种特别的实施方案中，本发明涉及由以下构成的铸铁合金组合物：约2.2wt％~约2.4wt％的碳、约3.5wt％~约4.0wt％的硅、约28wt％~约29wt％的镍、约2.5wt％~约3.0wt％的铬、约0.9wt％~约1.1wt％的钼、约0.035wt％~约0.090wt％的镁，余量包括铁和不可避免的杂质。
在优选实施方案中，该合金的碳当量在约4％~约5％的范围，优选在约4.5％~约4.9％范围，其中该碳当量是由以下方程确定的：
Ce = Ct + 0.33 × Si + 0.047 × Ni – 0.0055(Ni + Si)；
其中Ce表示碳当量；Ct表示碳在该合金中的重量百分比；Si表示硅在该合金中的重量百分比；Ni表示镍在该合金中的重量百分比，以及其中重量百分比都是基于该组合物的总重量的。
在一些实施方案中，本发明的铸铁合金具有石墨是基本上球形的奥氏体结构，依照ASTM A 247的Form I和II石墨的总含量在约80％或更大的水平或在约85％或更大的水平。在优选实施方案中，该 Form I和II石墨总量的至少约80％或至少约85％包括Form I。
依照本发明的另一方面，此处所述合金组合物能够用于制备多种制品。该合金组合物能够用于制备通常由奥氏体球墨铸铁合金制备的任意制品。本发明的合金特别适用于制备用于其中需要耐受高的热-机械负荷的能力的应用中的制品。在一些实施方案中，本发明涉及用于由本发明的合金制备的汽车发动机的排气设备构件。在一种特别的实施方案中，本发明涉及由此处所述的合金组合物制备的涡轮外壳。
如前所述，必须耐受高的热-机械负荷的制品，例如涡轮外壳，必须能够满足某些特别的物理和机械需求。依照本发明的制品是特别有利的，因为该制品能够满足严格的物理和机械需要。优选地，使用本发明的合金制备的制品在不超过约950℃的气体温度的温度具有高的机械性质。在一种实施方案中，本发明提供了在依照特定的测试程序测定时具有特定强度的制品。优选地，使用本发明的合金制备的制品具有在室温至少约300Mpa的极限拉伸强度、至少约200Mpa的室温0.2％实用弹性极限应力（proof stress）、和在室温以0.05％/s的恒定应变速率经受连续轴向负荷时至少5％的伸长百分率。
附图说明
为了帮助理解本发明的一些实施方案，现在将参照附图，其不必按比例绘制，且其中：
该附图是涡轮增压机的视图，标记20是依照本发明的实施方案的涡轮外壳。
具体实施方式
现在将参照本发明的特别实施方案并特别参照与此处一起提供的各幅附图在下面更充分地描述本发明。事实上，本发明可以具体体现在很多不同的形式中，且不应当解释为限制到此处提出的实施方案；而且，这些实施方案的提供使得本公开将满足可适用的法律要求。除非上下文有明确的其它指示，在说明书和后附权利要求书中所用的单数形式“a（某）”、“an（某个）”、“the（所述，该）”包括复数个指示物。
本发明涉及基于奥氏体球磨铸铁的合金。因此该合金组合物包括铁作为主要的合金化元素（或合金组分）。通常，作为主要的合金化元素，铁以大于该合金中存在的任何其他单一元素的量存在。优选地，铁以大于剩余合金化元素总和的量存在（即基于该组合物的总重量，构成大于50wt％的该合金组合物）。在特别实施方案中，铁构成本发明的合金组合物的约50wt％~约65wt％。在另一实施方案中，铁构成本发明的合金组合物的约60~约65wt％。
依照本发明的进一步的实施方案，该合金组合物可以按照由一组特定含量的特定的合金化元素构成来描述。在这种实施方案中，该合金中存在的铁的量能够以形成该合金的余量的铁和不可避免的杂质的表达方式来表示。当按照这种表达方式描述时，应该认识到“余量是铁”表示铁的实际浓度（基于该合金总重量的重量百分比）能够通过得到存在的其他元素的浓度的总和并从100中减去该总和而确定，剩余的就表示该合金中存在的铁的浓度（即余量）。
本发明的合金组合物特别特征在于此处提供的合金组合物能够用于制备满足或超过高应力、高热应用所需的机械和物理需求的制品，然而该合金组合物的元素组成使得该合金与已知的奥氏体球墨铸铁相比能够以降低的成本制备。在某些实施方案中，本发明的合金组合物实现了这些特征，因为该合金与通常用于这种高应力、高热应用的D-5S奥氏体球墨铸铁相比包括减少量的镍。在本发明的合金中与D-5S相比镍含量的降低降低了该合金的制备成本，因为镍是昂贵的且也是受到价格波动大的战略物资。在优选实施方案中，该镍含量的降低能够在与D-5S相比不会对该合金的物理性质造成不利影响的情况下实现。
在特别实施方案中，基于该合金组合物的总重量，该合金组合物包括约10wt％~约40wt％的量的镍。在进一步的实施方案中，该合金组合物包括约25％~约35％的量的镍。在优选实施方案中，该合金组合物包括约28％~约30％的量的镍。在特别优选的实施方案中，本发明的合金的镍含量为约28wt％~约29wt％。镍有助于使该基体结构奥氏体化。当Ni的含量小于约10％时，该奥氏体不是充分稳定的。当Ni的含量超过40％时，没有产生进一步的奥氏体化效应，仅导致材料成本提高而没有相应的有利性质。
除了镍和铁之外，本发明的合金组合物还可以包含一种或多种可以用于为该合金组合物赋予有利性质的其他合金化元素。此处描述了在某些优选实施方案中有用的元素。不过，某些元素的包括和某些另外元素的不包括并不意于限制本发明的范围。反而，此处所述的所述其他元素仅是优选的，并且在不脱离本发明的情况下，被视为有利的其他元素也能够包括在该合金中。该其他元素的含量是基于总组合物的重量的。
在特别实施方案中，基于该合金组合物的总重量，该合金组合物包括约1wt％~约3wt％的量的碳。在其他实施方案中，该合金组合物包括约1.5wt％~约2.5wt％的量的碳。在优选实施方案中，碳以约2.2wt％~约2.4wt％的量存在。碳的添加可能导致生成石墨晶体，且可以改进所述材料处于熔化形式的流动性。当该碳含量小于约1％时，球形石墨不能结晶且该熔体的流动性不足以有效铸造该材料。当碳含量超过约3.5％，形成粗石墨颗粒，导致具有差的室温伸长率的球形石墨铸铁，在铸造过程中很可能形成收缩孔。
在特别实施方案中，基于该合金组合物的总重量，该合金组合物包括含量不超过约3wt％的铬。在一些实施方案中，铬以约1wt％~约3wt％的量存在。在优选实施方案中，铬以约2.5wt％~约3wt％的量存在。铬可以帮助在铸铁基体中沉淀碳化物，由此通过该基体的沉淀增强来提高该球墨铸铁的高温屈服强度。其也能够在该表面附近形成致密的氧化铬钝化膜，由此提高抗氧化性。当铬含量超过3％时，该材料的可加工性可能会降低，可能会不利地影响石墨的球化。在一些实施方案中，本发明的合金包含比标准奥氏体铸铁（例如D-5S）中更高含量的铬以确保该合金具有高的抗氧化性。在特别实施方案中，本发明的合金可以具有比D-5S更好的抗氧化性。在优选实施方案中，该合金具有比D-5S更好的抗氧化性且不会有害地影响其他材料性质。
在特别实施方案中，基于该合金组合物的总重量，该合金组合物包含含量为约0.5wt％～约4.5wt％的钼。在一些实施方案中，该合金包括含量为约0.5wt％～约2wt％的钼。在进一步的实施方案中，该合金的钼含量约为1wt％。优选地，该钼含量为约0.9wt％～约1.1wt％。钼可以帮助碳化物在该铸铁基体中的沉淀，并由此可以通过在该合金可能使用的整个温度范围内沉淀强化而提高该球墨铸铁基体的高温屈服强度。当钼含量低于1wt％时，该铸铁的基体可能不通过形成碳化物而经历足够的沉淀强化。当钼含量超过4.5wt％时，可能降低室温伸长率和可加工性。进一步地，钼能够是昂贵的，因此限制所用钼的量可能是合意的。
在特别实施方案中，该合金组合物包含含量为约1wt％～约6.5wt％的硅。在一些实施方案中，该合金包括含量为约3.5wt％～约6wt％的硅。优选地，该合金包括约4.5wt％～约6.0wt％的硅。硅有助于石墨的结晶。在该合金中包括1wt％或更多的硅可能有助于在表面附近形成的氧化硅的钝化膜，导致该材料的抗氧化性的提高。然而，当硅含量超过6.5wt％时，形成了硬的基体，其导致由该合金制成的任何制品的可加工性差。
在某些实施方案中，可以指定该合金的碳当量值。在优选实施方案中，该碳当量值是基于下式计算的：
Ce = Ct + 0.33 × Si + 0.047 × Ni – 0.0055(Ni + Si)；
其中Ce表示碳当量，Ct表示该合金中碳的重量百分比，Si表示该合金中硅的重量百分比，Ni表示该合金中镍的重量百分比，基于该合金组合物的总重量。
在一些实施方案中，基于该合金组合物的总重量，该合金的碳当量值为约4％ ～约5％。在优选实施方案中，该碳当量值为约4.5％～约4.8％。该碳当量值确立了该合金的固化温度范围并与该合金的铸造特征及其性质有关。例如，在某些实施方案中，在该合金中更高浓度的碳和其他元素（例如镍和硅）可能导致由其制备的制品的硬度的提高。每种这些元素可能对该合金的性质的影响程度都有些不同，使得需要进行比较方法以判断由不同合金化方法制成的两种合金之间硬度的差别。注意各种含量的硅、镍和碳可能导致相同的碳当量值；具有相同碳当量值的合金不必具有相同或相似的性质。因此，碳当量值用于限定合金的使用可能有助于预测合金的性质，但存在着一些局限性。
依照进一步的实施方案，本发明的合金组合物能够包括镁，基于该合金组合物的总重量，其含量可能在约0.02wt％～约0.1wt％的范围。优选地，镁以约0.035％～约0.090％的含量存在。在一些实施方案中，该镁可以作为孕育剂添加到该合金熔体中，其可以有助于石墨成核和/或影响该合金内铁的过冷。孕育处理可能导致可加工性的提高，强度和延展性的提高，硬度和端面敏感度的降低、和在冷却的合金和由其制备的任何制品中更均匀的微观结构。
除了上述元素之外，在一些实施方案中，本发明的合金还可以包括一种或多种以痕量存在的元素，所述元素可以称作痕量元素。此处所用的术语“痕量元素”表示在本发明的合金组合物中存在的、不要求最小含量的任意元素。因此，痕量元素也能够在该合金组合物中完全不存在。痕量元素可以作为制备合金所用的工艺的直接结果而存在于该合金中，或者可以在该合金组合物中有意包括其他元素，尽管是以少量的。如果在该合金组合物中包括一种或多种痕量元素，那么优选以小于或等于最大量而存在。
例如，在特别实施方案中，本发明的合金可以包括锰、磷、硫和铜中的一种或多种。在一种实施方案中，本发明的合金可以包括锰。基于该合金组合物的总重量，该锰可以以不超过约0.50wt％的量存在。在另一实施方案中，本发明的合金可以包括磷。基于该合金组合物的总重量，该磷可以以不超过约0.08wt％的量存在。例如，在另一实施方案中，本发明的合金可以包括硫。基于该合金组合物的总重量，硫可以以不超过约0.3wt％的量存在。在另一实施方案中，本发明的合金可以包括铜。基于该合金组合物的总重量，该铜可以以不超过约0.50wt％的量存在。
在其他实施方案中，本发明的合金可以包括其他元素。在一种实施方案中，单一的痕量元素能够以不超过约1wt％的量存在。更优选地，痕量元素以不超过约0.1wt％的量存在。痕量元素优选仅构成本发明的总合金组合物的少量百分比。在某些实施方案中，所有痕量元素含量的总和能够占本发明的总合金组合物的总重量的不超过约2％。优选地，所有痕量元素的总和占该合金的不超过约1.5wt％，更优选地占该合金的不超过约1％。
在某些实施方案中，痕量元素能够是杂质。如合金化工艺中公知的，特别是在使用较低成本材料制备合金的情况下，通常有各种杂质引入合金组合物中。因此，在该合金组合物中存在的、不必作为合金化元素而需要的任何元素都可以被认为是杂质。而且，非金属性材料（例如磷、氮和氧）可以作为杂质存在。当然，其他非金属性材料也能够包括作为杂质。
可以特别以痕量存在于本发明的合金组合物中的元素包括但不局限于钙和钠。单一杂质的含量优选不超过约0.1％。在优选实施方案中，所有杂质的总含量低于约1％，优选低于约0.5％，低于约0.4％或低于约0.3wt％。
在某些实施方案中，本发明的合金基本上不含锡和/或锑。“基本上不含”表示任一元素含量小于约0.001wt％，更通常小于约0.0001％，最通常小于约0.00001％。在某些实施方案中，锡和锑基本上占据总合金组合物总重量的0wt％（即该合金组合物不含锡和锑）。
本发明的合金的优点，特别是与保持与合金有关的总强度同时降低该合金的总成本方面的优点，在某些实施方案中能够通过使用特定量的这些元素而实现。在特别实施方案中，该合金组合物包括含量范围为约2.2～约2.4％的碳、含量为约3.5～约4％的硅、含量为约28％～约29％的镍、含量为约2.5％～约3％的铬和含量为约0.9％～约1.1％的钼，所有百分比都是以重量计且基于该总合金组合物的总重量的。在本发明的其他实施方案中，有利的是本发明的合金组合物具有特别限定的组成。例如，在一种特别实施方案中，本发明涉及由以下构成的铸铁合金组合物：约2.2wt％～约2.4wt％的碳、约3.5wt％～约4.0wt％的硅、约28wt％～约29wt％的镍、约2.5wt％～约3.0wt％的铬、约0.9wt％～约1.1wt％的钼、约0.035wt％～约0.090wt％的镁，余量包括铁和不可避免的杂质。
本发明的合金组合物适用于通过本领域公知的任意方法制备各种制品。该合金组合物能够用于制备通常由奥氏体球墨铸铁合金制备的任意制品。本发明的合金特别适用于制备用于需要支持高的热机械负荷的能力的应用中的制品。在一些实施方案中，本发明涉及由本发明的合金制备的用于汽车发动机的排气设备构件。在一种特别实施方案中，本发明涉及由此处公开的合金组合物形成的涡轮增压机外壳。本发明的涡轮增压机外壳的一种实施方案示于图1中。特别地，图1描述了涡轮增压机10，包括涡轮外壳20，其容纳涡轮叶轮30，容纳压缩机叶轮50的压缩机外壳40，和用于容纳一组轴承的轴承外壳60。该组轴承70支撑将该涡轮叶轮30连接到压缩机叶轮50的旋转轴80。在特别实施方案中，涡轮增压机10、涡轮外壳20、轴承外壳60和压缩机外壳40中的一种或多种可以包括此处公开的合金。
该合金本身可以使用金属制备和成型的任意各种传统方法制备。传统铸造是最常见的用于形成这些合金的铸块的工艺，尽管也可以使用其他方法。在本领域中通常用于制备其他合金的热和热机械处理技术也适用于制备和增强本发明的合金。制备合金和制备由其制成的制品的示例性方法提供在以下美国专利中，通过参考将其整体引入此处：名称为Method of Producing Turbine Disks 的Miller等的美国专利号4,608,094、名称为Component Casting 的Mills等的美国专利号4,532,974和名称为Power Drive Unit的Flippo的美国专利号4,191,094。
在一种特别实施方案中，依照本发明的合金组合物能够用于砂型铸造技术以制备制品，例如涡轮增压机外壳。砂型铸造是以低成本且之后需要有限的加工而提供具有好的表面光洁度的铸件。该铸型通常是由具有比该合金更高的熔点的材料制成的，例如耐火聚集体或高温合金。该铸型可以根据待浇铸的特定合金、待制备的铸件数量、铸件的尺寸需求和铸件的性质需求而用多个方法之一制备。将构成该合金的金属熔化并从熔化炉中接入铸桶中用于浇铸到该铸型空腔中。在其中，将该金属在由铸型和型芯限定的空间内固化。在该铸型内的浇口确保该液态金属恰当地流入该铸型空腔中，冒口有助于控制适当的固化。在铸件固化并除去冒口和浇口之后将该铸件从该铸型中摇出。如果需要可以将该铸件进行热处理。然后清洗并精加工该铸件，进行质量检查。当然，能够改变该方法以优化铸造技术。
在一些实施方案中，在熔化之后但在浇铸到铸型中之前处理该铸铁以使石墨球化。球化是通过其能够改善铸铁的微观结构和机械性质的工艺。该球化工艺特别通过确保石墨球状生长而影响该材料的微观结构。在球墨铸铁中，该球化处理将影响孕育效率并因此选择正确的处理工艺和含镁材料是重要的。在某些实施方案中，在镁处理过程中形成大量的小微观夹杂物可能是有利的。在球化过程中，形成了多个具有硫化物中心和包含复合硅酸镁（complex magnesium silicates）的外壳的夹杂物。然而，这种微观夹杂物将不会提供石墨的有效成核，因为硅酸镁的晶格结构与石墨的晶格结构的匹配并不好。因此，在一些实施方案中，可以用包含钙、钡、锶、锆、铝和/或稀土元素的硅铁合金孕育硅酸镁颗粒的表面。在这种实施方案中，该孕育可以改性该硅酸镁颗粒的表面，以及可以产生其他复合的钙、钡、锶、锆、铝和/或稀土元素硅酸盐层。这类硅酸盐可以具有与石墨相同的六边形晶格结构，且由于非常好的晶格匹配，因此可以作为有效的成核位置，在固化过程中石墨球能够从其中生长。
在一些实施方案中，在熔化之后但在浇铸到该铸型中之前孕育该铸铁。孕育是通过其改善铸铁的微观结构和机械性质以提供具有所需机械性质的最终产品的工艺。孕育可以提供具有改进的可加工性、强度和延展性、降低的硬度和断面敏感性和更均匀的微观结构的铸件。其也可以降低固化收缩的趋势。该孕育工艺特别通过提供石墨成核位置（使得溶解的碳作为石墨而非碳化铁沉淀）并控制铁的共晶过冷而特别影响该材料的微观结构。可以使用各种孕育剂；在一种实施方案中，使用具有少量钙、钡、锶、锆、铝和/或稀土元素的硅铁基合金。该孕育剂可以直接添加到该熔融金属中，也可以在该工艺的过程中多次添加。例如，在一些实施方案中，该孕育剂是通过简单铸桶孕育、注入正浇铸的流中、和/或铸型中的球粒引入的。在一些优选实施方案中，通过添加到正浇铸的流中或铸型中而进行孕育。优选地，当将该孕育剂添加到铸型中时，可以使用铸型内滤网芯以使炉渣/氧化物膜和夹杂物的存在最少化。孕育剂的添加率将取决于其引入的位置和时间。例如，如果该孕育剂在该工艺的早期添加（例如添加到转移铸桶中），可能需要较高的孕育剂添加率（例如高达或超过约1wt％），而如果在该工艺的后期添加（例如添加到金属流中），其可能需要较低的孕育剂添加率（例如仅仅约0.1wt％或更低）。
如上所述，在优选实施方案中，该铸铁合金具有奥氏体结构。奥氏体结构表示该石墨是基本上球形的。球形表示石墨颗粒以在可延展的基体中的小的圆形颗粒的形式存在。特别地，在优选实施方案中，本发明的铸铁合金具有在奥氏体的基体中包括球形石墨的微观结构。在一些实施方案中，通过用标准金相技术制备该样品并蚀刻来对该微观结构进行评价。可以使用依照PI-5993的图像分析系统或将微观检测与例如ASTM A 247表进行比较而进行石墨特征的形式和数量的测定。
有很多形式的石墨形态，其可以根据ASTM标准限定，从Form I（完全球形）到Form III和IV（致密的（compacted）/蠕虫状的和尖的石墨）。该微观结构在整个制品中可以不是均匀的，且在该制品的不同部分内可能不同。
在一些实施方案中，本发明的铸铁合金具有石墨是基本上球形的奥氏体结构。在优选实施方案中，该合金具有基于总石墨重量的含量为至少约80％或更高的依照ASTM A 247的Form I和II石墨的总量。在特别优选的实施方案中，Form I是占主要的。在特别实施方案中，Form I和II石墨总量的至少约80％可以包括Form I，在优选实施方案中，Form I和II石墨总量的至少约87％可以包括Form I。对于由此处公开的合金组合物制备的制品的小断面（例如在安全壳带（containment band）、涡室壁和歧管内），其中Form I和II石墨的百分比为至少约80％且其中Form I和II石墨的至少约80％或87％是Form I石墨的实施方案可能是特别优选的。在一些实施方案中，占不超过总石墨的约20％的其余石墨可以包括Form III和IV石墨。在优选实施方案中，在该Form III和IV石墨内，Form III占主要的。在特别优选的实施方案中，该合金不包含Form V和VI石墨。
在其他实施方案中，本发明的铸铁合金具有石墨是基本上球形的奥氏体结构，基于总石墨重量，依照ASTM A 247的Form I和II石墨的总量为至少约70％或更高。在特别优选的实施方案中，Form I是占主要的。在特别实施方案中，Form I和II石墨总量的至少约70％可以包括Form I。对于由此处公开的合金组合物制备的制品的较厚部位（例如在法兰、凸舌区域、排废外壳的轮廓内以及在VNT外壳的“U”形表面之下），其中Form I和II石墨的百分比为至少约70％且其中Form I和II石墨的至少约50％是Form I石墨的这些实施方案可能是特别优选的。在一些实施方案中，占不超过总石墨的约30％的其余石墨可以包括Form III和IV石墨。在优选实施方案中，在该Form III和IV石墨内，Form III占主要的。在特别优选的实施方案中，该合金不包含Form V和VI石墨。
在本发明的一些实施方案中，该合金可以进一步包括Form VII（片状/薄层状）石墨或准片状石墨（Form IV）。在优选实施方案中，如果该合金包含Form VII和/或IV石墨，其存在于铸件表面或表面反应区域处。优选地，在存在的情况下，该Form VII和/或IV石墨存在于薄壁中约0.2mm和厚壁中约0.4mm的最大深度。“薄壁”表示厚度小于或等于约5mm的壁，“厚壁”表示厚度大于约5mm的壁。
在本发明的一些实施方案中，指定了该石墨球数。例如，在一些实施方案中，该材料可以具有约100～约500mm2的球数。在一些实施方案中，该材料可以在该铸件的薄壁中具有约200～约500mm2的球数。在一些实施方案中，该材料可以在该铸件的厚壁中具有约150～约450mm2的球数。该石墨球计数可以例如使用对比记数方法或适合的图像分离设备进行。在优选实施方案中，在该计数中不考虑直径小于约10μm的所有石墨物品。在优选实施方案中，该计数是在放大倍数为100×的图像上进行的。
在本发明的一些实施方案中，指定了该石墨球的平均直径。例如，在一些实施方案中，该材料包括平均直径在约10μm～约50μm范围，优选在约10μm～约40μm范围的石墨球。
在本发明的一些实施方案中，指定了该合金的基体结构。例如，在一些实施方案中，在用试剂（例如Nital 5％（包含约5mL的氢氯酸稀释在约100mL的乙醇中））蚀刻之后完全退火的铸件的基体结构可以是基本上铁素体的。在一些实施方案中，该基体在最初的奥氏体颗粒边界处可以包含不超过约25％的混合碳化物和珠光体。在优选实施方案中，该基体不包含连续的碳化物网络。在其中存在混合碳化物的特别优选的实施方案中，该粗碳化物的含量被限制到小于该混合碳化物含量的约5％。
在本发明的一些实施方案中，可以指定孔隙率的程度和形式。孔隙可以以簇状形式、均匀分散的形式、或显示出与树枝状生长对齐的方向性形式而存在。可以通过剖面、研磨和抛光来检测多孔性。在优选实施方案中，将该孔隙率最小化。
使用此处所述的本发明的合金组合物的某些实施方案制备的制品将会特别预期满足或超出越来越高的用于高温应用的性能需求。如实施例中所示，本发明的合金组合物的某些实施方案提供用于制备如下制品：所述制品具有作为在升高的温度下优良性能的例子的机械性质（例如极限拉伸强度、屈服强度和伸长率）。
在某些实施方案中，本发明的合金可以在高达约800℃，高达约850℃，高达约900℃，高达约950℃或高达约1000℃的温度具有高的机械性质，其中该温度表示该制品经受的气体温度。优选地，本发明的合金在高达约950℃的温度具有高的机械性质，其中该温度表示该制品经受的气体温度。因此，使用本发明的合金组合物的某些实施方案制备的制品将会预期在高温应用中找到有利应用，并不仅提供增进的性能，而且提供该制品在高温条件下寿命的延长。
在一种实施方案中，使用本发明的合金制备的制品特别能够满足或超出特定物理或机械性质的各种标准。在一些实施方案中，依照ASTM E8或其他相当的国内标准对测试条测定机械性质。优选，将拉伸样品从该铸件样品中取出用于测试。在这不可能的情况下，甚至用ASTM E8中所述的最小样品测试尺寸也不可能的情况下，用于测试的样品可以由遵循与其试图代表的部件相同的制备工艺的铸锭或Y-锭加工而成。在理想情况下，在铸造之后该锭的冷却条件与该铸件相同，该锭的壁厚应当代表该铸件的最厚部分。在一些其中使用铸锭或Y-锭用于测试的实施方案中，进行最少三次拉伸测试。
例如，在一种实施方案中，制品具有至少约340MPa、至少约360MPa、至少约380MPa、至少约400MPa或至少约420MPa的室温拉伸强度。在优选实施方案中，制品具有至少约380MPa的拉伸强度。在一些实施方案中，制品具有至少约190MPa、至少约200MPa、至少约210MPa、至少约220MPa或至少约230MPa的0.2％实用弹性极限应力。在优选实施方案中，制品具有至少约210MPa的0.2％实用弹性极限应力。在一些实施方案中，制品具有至少约5％、至少约8％、至少约10％、至少约12％或至少约15％的伸长率。在优选实施方案中，制品具有至少约10％的伸长率。
在某些实施方案中，本发明的合金在25℃可以具有在约200MPa～约250MPa范围的根据ASTM E8M测定的屈服强度。在一些实施方案中，在25℃该屈服强度至少为约220或约230MPa。在某些实施方案中，本发明的合金在1000℃可以具有约60MPa～约100MPa的根据ASTM E8M测定的屈服强度。在一些实施方案中，在1000℃的屈服强度为至少约70，至少约80，或至少约90MPa。在一些实施方案中，本发明的合金在室温和升高的温度（不超过和/或超过约1000℃）中一个或多个温度的屈服强度大于D-5S的。在某些实施方案中，本发明的合金在25℃可以具有在约350MPa～约450MPa范围的根据ASTM E8M测定的极限拉伸强度。在某些实施方案中，本发明的合金在1000℃可以具有在约60MPa～约100MPa范围的根据ASTM E8M测定的极限拉伸强度。在一些实施方案中，在1000℃的极限拉伸强度为至少约70，至少约80，或至少约90MPa。在一些实施方案中，本发明的合金的极限拉伸强度大于D-5S的，特别是在高于约600℃的温度。在某些实施方案中，本发明的合金在25℃可以具有在约100GPa～约150GPa范围的杨氏模量。在某些实施方案中，本发明的合金在1000℃可以具有在约50GPa～约70GPa范围的杨氏模量。
在某些实施方案中，本发明的合金可能在500℃在约10,000～约11,000范围的总循环数之后疲劳/失效且总应变为0.5％，可能在600℃在约15,000～约16,000范围内的总循环数之后疲劳/失效且总应变为0.5％，可能在700℃在约8,000～约9,000范围内的总循环数之后疲劳/失效且总应变为0.5％。在一些实施方案中，该合金可能在500℃在超过约7,500、超过约10,000或超过约10,500循环之后失效且总应变为0.5％，在600℃在超过约10,000、超过约12,500或超过约15,000循环之后失效且总应变为0.5％，和/或在700℃在超过约7,000、超过约7,500或超过约8,000循环之后失效且总应变为0.5％。在某些实施方案中，本发明的合金比D-5S在更多的循环数之后表现出失效。
在一种实施方案中，使用本发明的合金制备的制品在室温具有低于约300HBW 5/750的比硬度，例如在依照测试方法EN ISO 6506-1进行（对经加工的表面或在对铸件表面进行精磨（light grinding）（≈ 0.5mm）之后进行）评价时。
在一些实施方案中，通过例如将显微镜检测结果与ASTM A 247表进行比较进行石墨特征（形态和计数）的测定。
实施例
通过以下实施例对本发明进行更充分地解释，所述实施例用于举例说明本发明，绝不用于构成限制。
有各种方法对铸件进行化学分析，例如发射光谱法、感应耦合等离子体辉光放电发光法和湿化学法。在制备工艺过程中，取自用于工艺控制目的的熔炉或铸桶的样品很可能是特别适用于通过发射光谱法非常快速分析的急冷样品。如果该铁是急冷的（白色）或者石墨的（如在成品铸件中那样），那么响应于特定分析技术能够有所差别。在一些实施方案中，分析技术的精确度对于硅是特别重要的，硅分析典型是使用湿/重量分析技术对成品铸件进行的，尽管也可以使用其他已知技术。
通过对气体站（gas stand）和发动机在不同温度范围内的测试进行研究，以依照EN 13835在本发明的合金和D-5S之间进行容易的比较。表1中给出了所测试的示例性金属和所测试的D-5S合金。这些测试模拟了在使用寿命过程中涡轮外壳材料的行为。将不同的涡轮外壳经历适当热循环和排废门操作200小时。测试的最高温度为950℃。将该涡轮级部件经过加速的运行条件，其模拟了涡轮增压机将预期承受的实际环境条件。
在测试过程中定期目测涡轮级并检查材料裂纹和缺陷情况。在测试之后，进行所述部件的金相检查。在该部件的这种测试后分析之后，结论是本发明能够与目前用于该应用的奥氏体球墨铸铁D-5S互换使用。
实施例1：合金配方
Figure 88040DEST_PATH_IMAGE001
。
实施例2：按照ASTM E8M 2004（2004年5月公开）以1％/s的高应变率进行的代表性拉伸测试
Figure 5180DEST_PATH_IMAGE002
。
实施例3：按照ASTM E606 1992（1993年3月公布）进行的代表性的疲劳测试
Figure 784917DEST_PATH_IMAGE003
。
注意在上表中的各温度下的栏都表示两种不同的总应变率。例如，值为5,700的第一单元500/0.5/D5S表示在500℃以0.5％的总应变（其表示R比为-1时的最大应变为0.25％，因此最小应变为-0.25％）进行的低循环疲劳试验在5,700个循环之后导致失效。
对于受益于前述描述中给出的教导的本发明所属领域的技术人员而言，将能想到此处提出的本发明的很多变型和其他实施方案。因此，应该理解本发明并不限定于所公开的特别实施方案，并且应该理解改变和其他实施方案意于包括在后附权利要求的范围内。尽管此处使用了特定的术语，但其仅用于普通的描述性含义，绝不用于限制。

Claims (21)

1.奥氏体球墨铸铁合金组合物，包含：
约2.2wt％～约2.4wt％的碳；
约3.5wt％～约4.0wt％的硅；
约28wt％～约29wt％的镍；
约2.5wt％～约3.0wt％的铬；
约0.9wt％～约1.1wt％的钼；和
大于约50％的铁，
其中百分比是基于该组合物的总重量，以及其中该合金基本上不含锡和锑。
2.权利要求1的铸铁合金组合物，进一步包含基于该组合物的总重量的约0.035wt％～约0.090wt％的镁。
3.权利要求1的铸铁合金组合物，进一步包含一种或多种痕量元素。
4.权利要求3的铸铁合金组合物，其中基于该组合物的总重量，所述一种或多种痕量元素包含以下中的一种或多种：
不超过约0.10％的锰；
不超过约0.08％的磷；和
不超过约0.03％的硫。
5.权利要求3的铸铁合金组合物，其中所述一种或多种痕量元素各自以基于该组合物的总重量不超过约0.1wt％的量存在。
6.权利要求3的铸铁合金组合物，其中所述一种或多种痕量元素以基于该组合物的总重量不超过约0.15wt％的总量存在。
7.权利要求1的铸铁合金组合物，其中该铸铁具有石墨是基本上球形的奥氏体结构，依照ASTM A 247 Form I和II石墨的总量为约70％或更高。
8.权利要求7的铸铁合金组合物，其中Form I和II石墨的总量的至少约87％包含Form I，依照ASTM A 247。
9.由依照权利要求1的合金组合物制备的涡轮外壳或涡轮歧管。
10.权利要求9的涡轮外壳或涡轮歧管，其中在依照ASTM E8测定时，所述涡轮外壳或涡轮歧管在室温具有至少约380MPa的极限拉伸强度。
11.权利要求9的涡轮外壳或涡轮歧管，其中在依照ASTM E8测定时，所述涡轮外壳或涡轮歧管在室温具有至少约210MPa的0.2％实用弹性极限应力。
12.权利要求9的涡轮外壳或涡轮歧管，其中在依照ASTM E8测定时，所述涡轮外壳或涡轮歧管在室温具有至少约10％的断裂伸长百分比。
13.权利要求9的涡轮外壳或涡轮歧管，其中所述涡轮外壳或涡轮歧管在室温具有小于约300 HBW 5/750的硬度，其中该硬度是依照EN ISO 6506-1测定的。
14.奥氏体球墨铸铁合金组合物，由以下组成：
约2.2wt％～约2.4wt％的碳；
约3.5wt％～约4.0wt％的硅；
约28wt％～约29wt％的镍；
约2.5wt％～约3.0wt％的铬；
约0.9wt％～约1.1wt％的钼；
约0.035wt％～约0.090wt％的镁；和
余量的铁和不可避免的杂质，
其中百分比是基于该组合物的总重量。
15.权利要求14的铸铁合金组合物，其中该铸铁具有石墨是基本上球形的奥氏体结构，而且依照ASTM A 247 Form I和II的总量是约70％或更高。
16.权利要求15的铸铁合金组合物，其中所述Form I和II石墨包含至少约70％的具有依照ASTM A 247的Form I的石墨。
17.由依照权利要求14的合金组合物制备的涡轮外壳或涡轮歧管。
18.权利要求17的涡轮外壳或涡轮歧管，其中在依照ASTM E8测定时，所述涡轮外壳或涡轮歧管在室温具有至少约380MPa的极限拉伸强度。
19.权利要求17的涡轮外壳或涡轮歧管，其中在依照ASTM E8测定时，涡轮外壳或涡轮歧管在室温具有至少约210MPa的0.2％实用弹性极限应力。
20.权利要求17的涡轮外壳或涡轮歧管，其中在依照ASTM E8测定时，所述涡轮外壳或涡轮歧管在室温具有至少10％的失效伸长百分比。
21.权利要求17的涡轮外壳或涡轮歧管，其中所述涡轮外壳或涡轮歧管在室温具有小于约300 HBW 5/750的硬度，其中该硬度是依照EN ISO 6506-1测定的。
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