CN103687972A - 具有奥氏体结构的高合金球状石墨铸铁、所述铸铁用于制造结构部件的用途及由所述铸铁制成的结构部件 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种具有奥氏体结构的高合金球状石墨铸铁，所述铸铁包含以下重量百分数的以下成分：1.6%-2.0%铬(Cr)、0.9%-1.1%钼(Mo)、0.3%-0.5%铌(Nb)、34%-36%镍(Ni)、6.1%-6.7%硅(Si)、1.6%-2.0%碳(C)、0.5%-0.7%钨(W)、0.5%-0.65%锰(Mn)；本发明还涉及预期在920℃-1020℃的排气温度范围操作并且特别用于汽车工业所用的排气歧管、涡轮和/或涡轮歧管的结构部件。

Description

具有奥氏体结构的高合金球状石墨铸铁、所述铸铁用于制造结构部件的用途及由所述铸铁制成的结构部件

技术领域

本发明涉及结构铁合金工业，特别涉及铁-碳合金，例如铸铁和钢，更详细涉及具有奥氏体结构的具有根据前序的权利要求1的化学组成的高合金球状石墨铸铁。

现有技术

在当前现有技术中已知大量铁-碳合金，每一种（简要而言）以其自身的成本、可加工性和机械性质为特征。

特别地，在机械性质方面，已知在其它因素相等时它们随温度改变而显著改变。

因此，用以制造机械件或结构部件的铁合金的选择通常甚至取决于这种结构部件操作使用期间所取的操作温度。

另一方面，机械装置的设计甚至也受这些限制影响，因为例如不能预期达到特定温度，否则部件将破裂。

在所有这些情况下，材料的选择造成严重的设计问题，因为由于通常不可能既具有可靠性又廉价，必须在此两者中择一优选。

在这种意义上的具体实例是用于机动车的排气歧管和涡轮以及涡轮歧管的领域(该技术领域在英语中通常与通用术语“汽车”一致)。

近来的技术发展已使这些部件达到的操作温度提高，直至达到约800℃-1020℃的值。

制造以上操作温度范围内的这些产品所用的已知合金通常为两种：高镍含量铸铁或奥氏体不锈钢。高镍含量铸铁可在市场上以商品名Ni-Resist铸铁得到，而且其具有奥氏体结构；已知这种类型铸铁的数种组成，特别可用于所参考的应用领域的一种描述于1980年发表的标题为“Ni-resist type D5S -an improved material for turbocharger housings”(Ni-resist型D5S-涡轮增压器壳体的改进材料)的文献。

为了了解这种铸铁和奥氏体钢的机械性能作为温度的函数的变化，参考附图1，其中横坐标表示温度[℃]，纵坐标表示应力[兆帕，Mpa]，而两个曲线图是铸铁EN-GJSA-XNiSiCr35-5-2“Ni-Resist D5S”(表示为NR)和AISI 309S钢(表示为IS)的屈服强度趋势。

可在曲线图中清楚地看到，IS钢一般具有高于NR铸铁的屈服强度(温度相等)；然而IS也有显著较高成本，约为NR铸铁的两倍。

在940℃-980℃温度范围内，NR铸铁的屈服强度急剧下降：在940℃铸铁的屈服强度等于约35Mpa(表1)，超过此温度屈服强度降至0，实际上使铸铁从940℃开始的关注范围内不可更有用。

相反，IS钢在此温度值具有等于约110Mpa的很高的屈服强度。

由于温度范围一般为“汽车”领域使用的排气歧管、涡轮和涡轮歧管的温度范围，所以上述问题是存在的。在900℃-1020℃温度范围内，用以制造排气歧管、涡轮和涡轮歧管的材料的选择很复杂：一方面，通过选择NR铸铁得到廉价铸件，但它们容易经受损坏，另一方面，通过选择奥氏体IS不锈钢得到可靠的制品，但具有相当高的成本。

应顺带注意到，对于这些产品，奥氏体IS不锈钢的屈服强度具有显著高于数家制造商的规格所需的值，因此，使用奥氏体不锈钢似乎相对于排气歧管、涡轮和涡轮歧管的实际机械需要不合理，但如果期望避免这些部件的早期破裂(early braking)，则这是唯一的可行方式。

因此，在当前现有技术中需要使制造和加工廉价并且在900℃-1020℃温度具有优良机械性能(例如，优良的屈服强度)的材料可得到。

发明目的和概述

本发明目的在于克服现有技术的缺陷。

特别地讲，本发明目的在于提供满足上述需要的材料。

本发明的第一个目的是一种具有奥氏体结构的高合金球状石墨铸铁，所述铸铁包含以下百分数(按重量计，基于总量)的以下成分：

铬(Cr)　1.6%-2.0%，

钼(Mo)　0.9%-1.1%，

铌(Nb)　0.3%-0.5%，

镍(Ni)　34%-36%，

硅(Si)　6.1%-6.7%，

碳(C)　1.6%-2.0%，

钨(W)　0.5%-0.7%，

锰(Mn)　0.5%-0.65%。

任选地，在一个有利变体中，本发明的铸铁还包含将在下文说明的百分数的磷和铜。

本发明的另一个目的是由所述铸铁制成的部件，特别是结构部件，特别是通过铸造过程，然后有一个或多个除屑机械加工过程来制成的部件。

本发明的另一个目的是用于内燃机(奥图发动机（Otto engine）或柴油发动机)的由所述铸铁制成的涡轮歧管。

附图简述

以下参考非限制实例描述本发明，所述实例在附图中提供作为例子而不作为限制。这些附图显示本发明的不同特征，具体地讲：

图1为已知类型的铸铁和钢(也是已知的)的屈服强度作为温度的函数的趋势；

图2为本发明的铸铁的屈服强度的趋势；

图3为已知材料和本发明的铸铁的屈服强度（作为温度的函数）之间的比较；

图4为本发明的铸铁的UTS(极限拉伸强度)的曲线图。

发明详述

本发明的具有奥氏体结构的高合金球状石墨铸铁包含以下重量百分数的以下成分：

铬(Cr)　1.6%-2.0%，

钼(Mo)　0.9%-1.1%，

铌(Nb)　0.3%-0.5%，

镍(Ni)　34%-36%，

硅(Si)　6.1%-6.7%，

碳(C)　1.6%-2.0%，

钨(W)　0.5%-0.7%，

锰(Mn)　0.5%-0.65%。

申请人意外地发现，具有奥氏体结构的尤其包含具有所述百分数以上成分的高合金球状石墨铸铁具有优化的机械性质，处于上述NR铸铁的机械性质和上述奥氏体IS不锈钢的机械性质之间。

另外，本发明的铸铁有利地具有已知NR铸铁和奥氏体不锈钢之间的中间成本，因此，与奥氏体不锈钢比较具有引人关注的成本节约。

本发明的铸铁基本具有最佳性质，以克服上述缺陷并且起到制造内燃机所用涡轮歧管的材料的作用。

从现在起必须注意到，本发明的铸铁在约780℃-840℃的温度范围具有比IS钢还更高的屈服强度，使它比后者甚至更优选用于在此温度范围的具体应用。

硅是一种石墨化元素，它使共晶转变向左移，提高共晶温度；这两种组合作用(石墨化作用和共晶曲线移动)减小对于给定碳值的固化范围。

另外，硅是一种产生α相的(Alphagene)元素，而且在本发明的数值范围内(6.1-6.7%)，它使稳定系统(石墨和铁氧体)中合金的固化移动。

另外，它降低共晶和珠光体碳化物的稳定性。

硅每增加1%，共析体的碳含量被硅减少约0,1%(T_稳定=1154℃+4*Si-2*Mn -30*P；T_亚稳定=1147℃-10*Si-30*P+30*Cr)。

因此，简单地说，可以说加入所示百分数的硅的事实因此产生高温下高的尺寸稳定性和较佳的酸腐蚀耐性；按以上所示的百分数，其还改善热剥落(氧化损失)。

在此还必须注意到，原则上，根据可得到的科学文献，提供具有高于6%重量值的硅在奥氏体铸铁中不适当。

这从以下事实得出：众所周知，硅是一种产生α相的元素，它促进形成稳定的铁素体，阻止形成奥氏体，因此，在如本发明的那种具有奥氏体基质的铸铁中，硅起相反作用。

申请人已意外地注意到，同时存在钨不影响奥氏体基质形成，因为它与被硅偏析的石墨组合，导致形成更加非常稳定的碳化钨。

关于镍，必须注意到，它具有产生γ相的(Gammagene)作用，它降低临界点和临界冷却速度，并且它细化珠光体颗粒。按照所示百分数的镍保证在环境温度至1020℃下铸铁基质的稳定性，并且它不产生碳化物。

关于铬，它是一种产生α相的元素，而且它是一种形成高碳化物的元素，并且其形成非常热稳定的碳化物。

在本发明的铸铁制剂中所示的铬的百分数保证共晶渗碳体和珠光体的石墨化在正常缓慢冷却期间减慢。

形成铬超过1%的碳化物。

由于铬造成的珠光体的强稳定化作用和去除在缓慢冷后形成的游离珠光体，可根据本发明通过加入约1.6%-2%铬得到机械性能的总体改善。

铬的这一作用导致提高铸铁的硬度和耐磨性。

因此，本发明的铸铁显示在高温下优良的稳定性和较佳的耐腐蚀性，防止形成剥落物，帮助形成奥氏体基质。

以上所示百分数的钼是提高本发明的铸铁的耐性和提高其韧性的最有效元素。

按约1%(0.9%-1.1%)的百分数，它有利地具有使珠光体稳定化并改善结构均匀性的作用，因此，这种作用提高耐性和硬度。

钼形成晶间碳化物，并且很容易与共晶磷化物中的铬一起分离。

另外，以0.9%-1.1%的百分数加入的钼提高耐热性，并提供良好的耐磨性。

相对地，关于铌，将其以0.3%-0.5%的百分数加入本发明的铸铁制剂中主要目的在于改善其机械性质，减小共晶胞的大小。

另外，由于减少过冷并增加共晶团的数量，它减小碳化物形成的倾向，并且它有利地阻止碳化铬沉淀，所述碳化铬沉淀导致延性减小。

以上所示百分数的钨提供具有最佳耐性的本发明的铸铁，并且大部分无机酸只微弱地影响它。

钨显著提高硬度，并且高熔融温度使它成为很适用于经受高温的结构应用的选择，例如本发明所涉及的那些，例如用于“汽车”领域中涡轮的涡轮歧管、排气歧管等。其高弹性模量在低温下得以利用。

约0.5%-0.7%百分数的钨提供良好的抗蠕变性。意外的是(即使由于其倾向于产生材料的过高硬度和低可加工性，钨在本领域中一般是已知且不推荐的)，申请人已注意到，在本发明的铸铁中引入的钨增加稳定的晶粒间碳化物的存在，这甚至更加提供高温下的尺寸稳定性和硬度。

通过在本发明的制剂中引入所示百分数的硅，硅通过石墨化作用有助于使游离石墨偏析，增加可加工性特征，与本发明铸铁中钨的存在相关和与过高表面硬度相关的不期望的作用已由申请人出色地克服。

最后关于锰，按0.5%-0.65%百分数，其有利地充当强力的奥氏体稳定剂；应顺带注意到，较高量的锰与碳以Mn₃C（类似于渗碳体的匀晶碳化物）的形式组合，因此，其必须避免。

在此制剂中的锰也是使珠光体稳定化和细化珠光体基质的产生γ相的元素。

另外，本发明的具有奥氏体结构的高合金球状石墨铸铁任选进一步包含以下重量百分数的以下成分：

磷(P)≤0.1%

铜(Cu)≤0.1%

从本发明的铸铁得到的优势也可直接从附图2的分析发现，其中横坐标表示温度[℃]，纵坐标表示机械应力[兆帕，Mpa]，其中显示本发明的铸铁的屈服强度。

可直接看到，在850℃-980℃温度范围内，本发明的铸铁1的屈服强度趋势显著高于已知NR铸铁。

上述本发明的铸铁1、NR铸铁和IS钢的屈服强度之间的这种比较显示于图3的曲线图中，图3追溯到图1和2的曲线图，将它们一起总结于单一总览中。

已对本发明的铸铁样品进行试验，其具有以下精确重量百分数的以下成分：

铌(Nb)等于0.4%

碳(C)等于1.7%

铬(Cr)等于2.0%

钼(Mo)等于1.0%

镍(Ni)等于36%

硅(Si)等于6.4%

钨(W)等于0.6%

锰(Mn)等于0.55%

应注意到，对于本发明的铸铁的组成，这些值甚至是最佳值，因为它们具有制造成本和机械性质之间的平衡，尤其是对于汽车领域（对其不作限制地参考）中的温度范围和应用。

除了可见于图3的曲线图之外，还将已发现的数值放入以下表1中。

表1

应顺带注意到，在图3的表示为INT (a)的780℃-1020℃范围温度内，本发明的铸铁的屈服强度1总是高于已知NR铸铁的屈服强度。

还必须注意到，在图3中由INT(b)表示的780℃-840℃范围温度内，本发明的铸铁的屈服强度甚至高于更昂贵的IS钢的屈服强度，因此，实际上使本发明的铸铁不仅比IS钢廉价，而且对于特定应用更具耐性。

最后，在图3中由INT(c)表示的高于980℃的范围温度内，本发明的铸铁具有低于IS钢的屈服强度，但仍足以用于制造汽车领域中的涡轮歧管和排气歧管。

在此INT(c)范围内，NR铸铁完全无用，因为它的屈服强度等于约0，而IS钢除了显著更高的成本外，还具有超过普通涡轮歧管所需性能的机械性质。

因此，以此方式，可以说，本发明的铸铁是用于制造这些机械部件的优先选择。

另外，对本发明的铸铁的更进一步分析已证明该事实情况，它们已显示，本发明的铸铁对于作为温度函数的UTS(极限拉伸强度)也具有良好性能，例如附图4所示，其中横坐标表示样品经受的温度，以[℃]测量，纵坐标表示圆柱形样品经受的轴向力[兆帕，Mpa]。

因此，从上面容易了解，用本发明的铸铁制造旨在用于高温的结构部件的用途如何在若干方面（成本方面和机械性质方面两者）为最佳。

因此，以此方式，可设想通过本发明的铸铁有利地制造具有950℃-1020℃排气峰值温度的奥图发动机或柴油发动机的排气歧管、涡轮和涡轮歧管：所讨论的材料可宽广地承受它们要经受的机械应力，并且制造成本相对于奥氏体不锈钢较低。

显而易见，本领域的技术人员可对于以上所示成分加入其它成分，以可能改进其它机械性质，或者以使性能适合结构部件的特定操作条件，而不脱离本发明的保护范围。

尽管如此，本领域的技术人员仍可略微改变上述的和以下要求保护的百分数范围，从而不脱离本发明的范围地得到等价于刚才所述铸铁的铸铁。

Claims (6)

1.一种具有奥氏体结构的高合金球状石墨铸铁，

其特征在于

其包含以下重量百分数的以下成分：

铬(Cr)　1.6%-2.0%，

钼(Mo)　0.9%-1.1%，

铌(Nb)　0.3%-0.5%，

镍(Ni)　34%-36%，

硅(Si)　6.1%-6.7%，

碳(C)　1.6%-2.0%，

钨(W)　0.5%-0.7%，

锰(Mn)　0.5%-0.65%。

2.前述权利要求的铸铁，所述铸铁包含以下重量百分数的以下成分：

铌(Nb)等于0.4%，

碳(C)等于1.7%，

铬(Cr)等于2.0%，

钼(Mo)等于1.0%，

镍(Ni)等于36%，

硅(Si)等于6.4%，

钨(W)等于0.6%，

锰(Mn)等于0.55%。

3.前述权利要求中任一项的铸铁，所述铸铁进一步包含以下重量百分数的以下成分：

磷(P)≤0.1%，

铜(Cu)≤0.1%。

4.前述权利要求中任一项的铸铁用于制造至少部分通过铸造方法制造的结构部件的用途。

5.结构部件，其特征在于其包含由前述权利要求中一项或多项的铸铁制成的至少一部分。

6.用于内燃机的排气歧管、涡轮或涡轮歧管，其特征在于其至少部分由前述权利要求中一项或多项的铸铁制成。

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