CN102264931A

CN102264931A - 球墨铸铁

Info

Publication number: CN102264931A
Application number: CN2009801469748A
Authority: CN
Inventors: 新井贵
Original assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Current assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Priority date: 2008-12-18
Filing date: 2009-07-30
Publication date: 2011-11-30
Anticipated expiration: 2029-07-30
Also published as: US20110211986A1; EP2377960B1; JP5232620B2; CN102264931B; EP2377960A1; JP2010144216A; KR101373488B1; EP2377960B2; EP2377960A4; KR20110069170A; WO2010070949A1

Abstract

本发明提供一种球墨铸铁，其在超过800℃的温度下具有比以往的高SiMo球墨铸铁优良的高温强度及耐氧化性。其以质量比计含有碳：2.0～4.0％、硅：3.5～5.0％、锰：1.0％以下、铬：0.1～1.0％、钼：0.2～2.0％、钒：0.1～1.0％、镁：0.02～0.1％，剩余部分由铁及不可避免的杂质构成。

Description

球墨铸铁

技术领域

本发明提供一种具有高的高温强度和耐氧化性的球墨铸铁。

背景技术

球墨铸铁的高温强度和耐氧化性优良，在乘用车或工业机械的柴油机用涡轮增压器的涡轮壳体及排气歧管等中使用。由于近些年的伴随环境规则的燃料利用率提高，因此发动机的排气温度存在上升的倾向。涡轮壳体和排气歧管在因排气而反复曝露于高温等承受急剧的温度变化的条件下使用，因此要求高的高温强度和耐氧化性。

作为以往的涡轮壳体用材料，使用高SiMo球墨铸铁(延性铸铁)，使用界限温度为800℃以下。但是，近些年，对使用温度超过800℃的涡轮壳体的要求提高。

作为代替高SiMo球墨铸铁的具有高的高温强度及耐氧化性的涡轮壳体用材料，有耐蚀高镍铸铁和不锈铸钢。但是，上述的材料在原材料中含有大量的Ni及Cr，因此存在原材料的成本高的问题。

因此，通过合金设计改良球墨铸铁，进行耐热性等高温性能的改良。例如，在专利文献1中公开有在高SiMo铸铁中添加V而得到的铁素体系球墨铸铁。

专利文献1：日本专利第3936849号公报

但是，专利文献1的球墨铸铁虽然能够提高超过800℃的温度下的高温强度，但耐氧化性不充分。

发明内容

本发明的目的在于提供一种高温强度及耐氧化性比以往的高SiMo球墨铸铁提高且延性优良的球墨铸铁。

为了解决上述问题，本发明的球墨铸铁以质量比计含有碳：2.0～4.0％，硅：3.5～5.0％，锰：1.0％以下，铬：0.1～1.0％，钼：0.2～2.0％，钒：0.1～1.0％，镁：0.02～0.1％，剩余部分由铁及不可避免的杂质构成。

本发明的球墨铸铁由于钼含量最佳化，因此具有高的高温强度，并且具有优良的延性。另外，本发明的球墨铸铁含有铬，且铬含量最佳化，因此耐氧化性及延性优良。由此，能够在800℃以上的温度区域使用。另外，与耐蚀高镍铸铁和不锈铸钢相比，能够以低价格制造。

另外，在上述的球墨铸铁中，优选以质量比计还含有钨：0.1～1.0％。或者，优选还含有铌：0.02～0.30％。或者，优选还含有钨：0.1～1.0％及铌：0.02～0.30％。

如此，钨、或铌、或钨及铌这两方的含量最佳化，由此能够进一步提高高温强度。

以下，说明各成分的含量的限定理由。

碳(C)：在铸铁中C和Si是极其重要的成分。C含量在2.0质量％以下，容易生成碳化物，在4.0质量％以上，引起石墨的偏析(碳渣)，强度及韧性降低。因此，使C含量为2.0～4.0质量％。另外，作为表示铸铁的铸造性的指标，碳当量CE＝C％+0.31Si％。通常的球墨铸铁的CE值为4.3～4.5。在4.3以下时容易产生缺欠，在4.5以上时容易引起碳渣。在本发明中，如后所述，由于将Si含量设定得高，因此优选C含量为2.7～3.2质量％的范围。

硅(Si)：Si具有C的石墨化及基体的铁素体化的效果。通常的球墨铸铁的Si含量为2.5质量％左右。在本发明中，Si含量为3.5质量％以上。另外，当Si含量变多时，铸铁的韧性降低，因此上限为5.0质量％。为了进一步提高耐氧化性，优选添加4.3％以上，但当Si含量变多时，铸铁的延性降低，CE值变大而铸造性降低，因此优选上限为4.7质量％。

锰(Mn)：Mn是为了将材料的不可避免的杂质即S以MnS的形式固定而使其无害化所需要的元素。但是，由于是基体的珠光体组织形成元素，因此Mn含量的上限为1.0质量％。

钼(Mo)：Mo是通过固熔于基体中来提高高温下的抗拉强度及屈服应力的元素。在本发明中，添加Mo0.2质量％以上。另外，为了进一步提高耐热性，尤其优选添加0.4质量％以上。当Mo含量变多时，Mo与C结合而成生碳化物，硬度上升而延性降低。因此，Mo含量的上限为2.0质量％。为了不损坏切削性，优选上限为1.0质量％。

钒(V)：V是通过在基体中形成微细的碳化物析出来提高高温下的抗拉强度、屈服应力的元素。在本发明中，添加V0.1质量％以上。当V含量变多时，损害铸铁的延性，因此上限为1.0质量％。另外，由于V的碳化物生成倾向强，因此为妨碍C的球状化的元素。因此优选上限为0.4质量％。

铬(Cr)：Cr是提高高温下的耐氧化性的元素。在本发明中，添加Cr0.1质量％以上。为了进一步提高耐氧化性，尤其优选添加0.2质量％以上。当Cr含量变多时，损害铸铁的延性，因此上限为1.0质量％。另外，由于Cr是碳化物生成倾向强且妨碍C的球状化的元素，并且使基体中的碳化物尺寸粗大，由此优选上限为0.4质量％。

镁(Mg)：Mg以石墨的球状化处理为目的而添加有0.02质量％以上。但是，当Mg的含量变多时，产生碳化物的产生或渣滓(氧化物的夹渣)缺陷，因此上限为0.1质量％。

钨(W)：W与Mo同样，是通过固熔于基体中来提高高温下的抗拉强度及屈服应力的元素。在本发明中，添加W0.1质量％以上。为了进一步提高耐热性，优选添加0.2质量％以上。由于W的碳化物生成倾向也强，为妨碍C的球状化的元素，因此上限为1.0质量％，优选为0.4质量％。

铌(Nb)：Nb是通过在基体中形成微细的碳化物析出来提高高温下的抗拉强度及屈服应力的元素。在本发明中，添加Nb0.02质量％以上。当Nb含量变多时，损害铸铁的延性，并且Nb是碳化物生成倾向强且妨碍C的球状化的元素，并且使基体中的碳化物尺寸粗大，由此上限为0.30质量％。显著表现强度提高效果、防止延性的低下且C的球化率高的优选的添加范围为0.04～0.20质量％，更优选的范围为0.05～0.10质量％。

在上述球墨铸铁中，优选石墨的球化率为90％以上。通过使石墨的球化率为90％，能够提高高温下的抗拉强度和屈服应力。

使用上述的球墨铸铁制造的涡轮壳体、排气歧管及涡轮壳体一体型排气歧管的高温强度和耐氧化性优良，在800℃以上的温度区域也能够使用。

发明效果

根据本发明，通过形成上述组成，能够以低成本制造高温强度和耐氧化性优良并且具有优良的延性的球墨铸铁。

使用本发明的球墨铸铁制造的涡轮壳体、排气歧管及涡轮壳体一体型排气歧管即使在800℃以上的高温也能够耐充分使用。

附图说明

图1是表示、以试样编号1的供试材料为基准的情况下的试样编号1～13的供试材料的0.2％屈服应力比的图表。

图2是表示、以试样编号1的供试材料为基准的情况下的试样编号1～13的供试材料的氧化减量比的图表。

图3是表示Mo含量和供试材料的总延伸量比(以试样编号1的供试材料为基准)的关系的图表。

图4是表示Cr含量和供试材料的总延伸量比(以试样编号1的供试材料为基准)的关系的图表。

图5是表示、以试样编号1的供试材料为基准的情况下的试样编号1、14～18的供试材料的0.2％屈服应力比的图表。

图6是表示、以试样编号1的供试材料为基准的情况下的试样编号1、14～18的供试材料的氧化减量比的图表。

图7是表示W含量与供试材料的总延伸量比(以试样编号1的供试材料为基准)的关系的图表。

图8是表示、以试样编号1的供试材料为基准的情况下的试样编号1、19～22的供试材料的0.2％屈服应力比的图表。

图9是表示、以试样编号1的供试材料为基准的情况下的试样编号1、19～22的供试材料的氧化减量比的图表。

图10是表示、以试样编号1的供试材料为基准的情况下的试样编号1、23～26的供试材料的0.2％屈服应力比的图表。

图11是表示、以试样编号1的供试材料为基准的情况下的试样编号1、23～26的供试材料的氧化减量比的图表。

图12是表示、试样编号1、15、20、24、31～34的供试材料的抗拉强度比(以试样编号1的供试材料为基准)的图表。

具体实施方式

通过实施例，具体地说明本发明的球墨铸铁。

〔实施例1〕

表1中表示试样编号1～13的铁素体系球墨铸铁供试材料的成分组成。

【表1】

表1

以形成为表1的成分组成的方式混合原料并使其熔融后，将其浇铸成以JIS G 5502为基准的Y型B号的形状，来制作试验试样编号1～13的各供试材料。之后，在915℃的条件下对各供试材料实施热处理3小时，使其铁素体化。

根据JIS G 5502中记载的方法，测定试样编号1～13的供试材料的球化率。试样编号1～11及13的供试材料的球化率分别为90％以上。试样编号12的供试材料的球化率为50％。

对试样编号1～13的铁素体系球墨铸铁的供试材料测定800℃下的0.2％屈服应力、耐氧化性及室温下的总延伸量。

耐氧化性利用氧化减量评价。

向电炉内装入供试材料，在大气氛围中以800℃保持100小时。之后，在18％NaOH+3％KMnO₄溶液中将供试材料煮沸后，在10％柠檬酸铵溶液中煮沸，来除去供试材料表面的氧化物。测定加热前及氧化物除去后的供试材料的质量，通过式(1)算出氧化减量。

W_d＝(W₀-W_s)/A₀ ……(1)

在此，W_d为氧化减量(mg/cm²)，Ws为试验后的质量(mg)，W₀为试验前的质量(mg)，A₀为试验前的供试材料的表面积(cm²)。

图1中表示以试样编号1的球墨铸铁供试材料为基准的情况下的各供试材料的0.2％屈服应力比。在该图中，纵轴为0.2％屈服应力比。图2中表示以试样编号1的球墨铸铁供试材料为基准的情况下的各供试材料的氧化减量比。在该图中，纵轴为氧化减量比。图3中表示Mo含量与供试材料的总延伸量比(以试样编号1的供试材料为基准)的关系。在该图中，横轴为Mo含量，纵轴为总延伸量比。图4中表示Cr含量与供试材料的总延伸量比(以试样编号1的供试材料为基准)的关系。在该图中，横轴为Cr含量，纵轴为总延伸量比。

在改变了Mo含量的试样编号1～6的供试材料中，如图1所示，伴随Mo含量的增加，0.2％屈服应力提高。如图2所示，氧化减量不依赖Mo含量而大致恒定。

但是，如图3所示，Mo含量越增加，总延伸量(延性)越降低。

即，通过使Mo含量为0.2～2.0质量％，能够形成使高的高温强度和优良的延性并存的球墨铸铁。

在改变了Cr含量的试样编号1及7～11的供试材料中，如图2所示，通过含有Cr而能够减少氧化减量，Cr含量越增加，越能够降低氧化减量(使耐氧化性提高)。但是，如图4所示，Cr含量越增加，总延伸量(延性)越降低。

即，通过使Cr含量为0.1～1质量％，能够形成使高的耐氧化性和优良的延性并存的球墨铸铁。

C含量少的试样编号12的供试材料由于形成碳化物，妨碍碳的球状化，因此0.2％屈服应力大幅降低。Si含量少的试样编号13的供试材料的耐氧化性差。

〔实施例2〕

表2中表示试样编号1、14～18的铁素体系球墨铸铁供试材料的成分组成。

【表2】

表2

通过与实施例1同样的方法，制作试样编号14～18的供试材料，使其铁素体化。在通过JIS G 5502中记载的方法测定球化率后，确认了任一个供试材料的球化率都为90％以上。

对试样编号14～18的供试材料测定800℃下的0.2％屈服应力及氧化减量。图5中表示以试样编号1的球墨铸铁供试材料为基准的情况下的各供试材料的0.2％屈服应力比。在该图中，纵轴为0.2％屈服应力比。图6中表示以试样编号1的球墨铸铁供试材料为基准的情况下的各供试材料的氧化减量比。在该图中，纵轴为氧化减量比。图7中表示W含量与供试材料的总延伸量比(以试样编号1的供试材料为基准)的关系。在该图中，横轴为W含量，纵轴为总延伸量比。

根据试样编号1、14、15、17的结果，确认了W含量越增加，W越固化于铁素体基体而使基体强化，从而0.2％屈服应力提高。但是，根据试样编号16、18的结果，认为即使含有大量的W，高温强度也不显著提高。需要说明的是，如图6所示，氧化减量不依存于W含量，任一个供试材料都具有高的耐氧化性。另外，如图7所示，W含量越增加，总延伸量(延性)越低下。

根据以上的结果，通过使W含量为0.1～1质量％，能够进一步提高高温强度。

〔实施例3〕

表3中表示试样编号1及19～22的铁素体系球墨铸铁供试材料的成分组成。

【表3】

表3

通过与实施例1相同的方法，制作试样编号19～22的成分组成的供试材料。在1200℃下实施1小时的均质化热处理后，在915℃的条件下实施热处理3小时，使其铁素体化。在根据JIS G 5502中记载的方法测定球化率后，确认了各供试材料的球化率为90％以上。之后，测定800℃下的0.2％屈服应力及氧化减量。

图8中表示以试样编号1的球墨铸铁供试材料为基准的情况下的各供试材料的0.2％屈服应力比。在该图中，纵轴为0.2％屈服应力比。图9中表示以试样编号1的球墨铸铁供试材料为基准的情况下的各供试材料的氧化减量比。在该图中，纵轴为氧化减量比。

根据试样编号19，20的结果，确认了Nb含量越增加，Nb越固熔于铁素体基体而使基体强化，从而0.2％屈服应力提高。但是，根据试样编号21、22的结果，当Nb含量进一步增加时，相反0.2％屈服应力存在降低的倾向。尤其是与不含有Nb的试样编号1相比，试样编号22的0.2％屈服应力低。需要说明的是，如图9所示，氧化减量不依赖于Nb含量而大致恒定。

即，通过使Nb含量为0.02～0.3质量％，能够进一步提高高温强度。

〔实施例4〕

表4中表示试样编号1及23～26的铁素体系球墨铸铁供试材料的成分组成。

【表4】

表4

通过与实施例1同样的方法，制作试样编号23～26的成分组成的供试材料。之后，在实施与实施例3同样的均质化热处理后，使其铁素体化。在通过JIS G 5502中记载的方法测定球化率后，确认了各供试材料的球化率为90％以上。之后，测定800℃下的0.2％屈服应力及氧化减量。

图10中表示以试样编号1的球墨铸铁供试材料为基准的情况下的各供试材料的0.2％屈服应力比。在该图中，纵轴为0.2％屈服应力比。图11中表示以试样编号1的球墨铸铁供试材料为基准的情况下的各供试材料的氧化减量比。在该图中，纵轴为氧化减量比。

根据试样编号1、23、24的结果，Nb含量越增加，0.2％屈服应力越提高。尤其是试样编号24表现出比添加了Nb及W中任一方的供试材料高的0.2％屈服应力。在进一步增加Nb含量的试样编号25及26的供试材料中，相反0.2％屈服应力降低。在试样编号26的供试材料中，与未添加Nb及W的试样编号1的供试材料相比，0.2％屈服应力降低。需要说明的是，如图11所示，氧化减量不依赖于Nb含量而大致恒定。

如此，通过含有W及Nb的这两方，能够提高高温强度。

〔实施例5〕

相对于试样编号1、15、20、24的成分组成而分别减少Mg含量，形成试样编号31～34的供试材料。表5中表示各供试材料的成分组成。

【表5】

表5

与实施例3同样，制作表5所示的各成分组成的供试材料，在实施均质化热处理后，使其铁素体化。通过JIS G 5502中记载的方法，测定各供试材料的球化率。测定各供试材料的800℃下的抗拉强度。

图12中表示以试样编号1的供试材料为基准的情况下的各供试材料的抗拉强度比。在该图中，纵轴为抗拉强度比。当Mg含量减少时，球化率降低。与此相伴，800℃下的抗拉强度也降低。

如此，通过使球化率为90％以上，能够提高高温强度。

Claims

1.一种球墨铸铁，其中，

其以质量比计含有碳：2.0～4.0％、硅：3.5～5.0％、锰：1.0％以下、铬：0.1～1.0％、钼：0.2～2.0％、钒：0.1～1.0％，镁：0.02～0.1％，剩余部分由铁及不可避免的杂质构成。

2.根据权利要求1所述的球墨铸铁，其中，

以质量比计还含有钨：0.1～1.0％。

3.根据权利要求1所述的球墨铸铁，其中，

以质量比计还含有铌：0.02～0.30％。

4.根据权利要求1所述的球墨铸铁，其中，

以质量比计还含有钨：0.1～1.0％及铌：0.02～0.30％。

5.根据权利要求1～4中任一项所述的球墨铸铁，其中，

石墨的球化率在90％以上。

6.一种排气系统部件，其中，

其使用权利要求1～5中任一项所述的球墨铸铁来制造而成。

7.根据权利要求6所述的排气系统部件，其中，

所述排气系统部件为涡轮壳体、排气歧管或涡轮壳体一体型排气歧管。