CN103834876B

CN103834876B - 一种奥氏体耐热铸钢排气歧管及其铸造工艺

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Publication number: CN103834876B
Application number: CN201410072390.3A
Authority: CN
Inventors: 李党育; 李立新; 田书涛; 史玉峰; 申辉; 李长武; 柴西成; 李小娟; 王其
Original assignee: Xixia Intake & Exhaust Manifolds Co ltd
Current assignee: Xixia Intake & Exhaust Manifolds Co ltd
Priority date: 2014-02-28
Filing date: 2014-02-28
Publication date: 2016-04-20
Anticipated expiration: 2034-02-28
Also published as: CN103834876A

Abstract

本发明公开了一种奥氏体耐热铸钢排气歧管，它由以下质量百分比的化学成分构成：C0.2-0.6%、Si≤2.5%、Mn≤0.2%、Cr24-32%、Ni12-24%、Mo≤0.5%、N≤0.5%、Nb≤2.1%、P≤0.04%、S≤0.15%，余为Fe。该排气歧管采用壳型负压铸造的工艺方法<b>，</b>实现了奥氏体耐热铸钢排气歧管的工业化大规模生产，所生产的奥氏体耐热铸钢排气歧管具有良好的力学性能、热疲劳性能和抗氧化性能，可以大大延长排气歧管的使用寿命，减少维修和装配的费用。

Description

一种奥氏体耐热铸钢排气歧管及其铸造工艺

技术领域

本发明属于汽车排气歧管制造技术领域，特别涉及一种奥氏体耐热铸钢排气歧管及其铸造工艺。

背景技术

汽车产业近年来有着突飞猛进的发展，但是随着能源与环境的问题日益突出，汽车发动机节能环保面临着更高的挑战，需要满足更严格的要求。排气歧管作为汽车发动机上的关键零部件，它的质量好坏直接影响到发动机的使用寿命和排放性能。作为汽车重要零件的发动机排气歧管，是典型的薄壁复杂铸件。排气歧管在发动机工作过程中，承受着高温高压的循环冲击，工作条件恶劣，因此排气歧管铸件的质量要求很高，尤其是它的耐高温性能。排气歧管铸件材料经历了灰铸铁、蠕墨铸铁、球墨铸铁、硅钼球墨铸铁、高镍铸铁的发展历程，目前多采用硅钼球铁和高镍铸铁。随着发动机性能的提高，目前排气温度已经达到900°C以上，硅钼球铁和高镍球铁已不能满足发动机的排放使用性能要求，而奥氏体耐热铸钢有良好的耐热性（耐高温性能可达到1050℃）、耐疲劳性、抗腐蚀性能，能充分适应发动机的燃烧效率，减少有害气体的排放量；同时，奥氏体耐热铸钢的使用增大了产品综合力学性能，进而可减小零件壁厚，达到汽车轻量化的目的；另外，在汽车服役过程中也可减少排气系统零件更换次数，大大减少维修和装配的费用。因此奥氏体耐热铸钢已成为生产高性能排气歧管的首选材料。但是由于奥氏体耐热铸钢流动性差及排气歧管结构特殊等因素，使得奥氏体耐热铸钢在排气歧管上的应用存在巨大的工艺难度，国内尚属空白。

发明内容

本发明目的是提供一种具有良好的力学性能、热疲劳性能和抗氧化性能的奥氏体耐热铸钢排气歧管，实现奥氏体耐热铸钢排气歧管的工业化大规模生产。

本发明的另一个目的是提供一种用于铸造所述奥氏体耐热铸钢排气歧管的工艺方法。

实现上述目的所采取的技术方案是：一种奥氏体耐热铸钢排气歧管，由以下质量百分比的化学成分构成：C0.2-0.6%、Si≤2.5%、Mn≤0.2%、Cr24-32%、Ni12-24%、Mo≤0.5%、N≤0.5%、Nb≤2.1%、P≤0.04%、S≤0.15%，余为Fe。

1，进一步的，所述奥氏体耐热铸钢排气歧管，由以下质量百分比的化学成分构成：C0.3-0.5%、Si1.0-2.5%、Mn≤0.2%、Cr24-27%、Ni19-22%、Mo≤0.5%、P≤0.04%、S≤0.04%，余为Fe。

2，进一步的，所述奥氏体耐热铸钢排气歧管，由以下质量百分比的化学成分构成：C0.2-0.6%、Si≤2%、Mn≤0.2%、Cr28-32%、Ni18-22%、Mo≤0.5%、Nb0.8-1.6%、P≤0.04%、S≤0.04%，余为Fe。

3，进一步的，所述奥氏体耐热铸钢排气歧管，由以下质量百分比的化学成分构成：C0.4-0.5%、Si0.8-1.25%、Mn0.75-1.1%、Cr24-27%、Ni12-15%、Mo≤0.5%、N0.08-0.5%、Nb1.7-2.1%、P≤0.04%、S0.11-0.15%，余为Fe。

本发明针对奥氏体耐热铸钢排气歧管的工况条件和失效形式，研究了化学成分对组织及性能的影响，优化了材料化学成分，满足了高端排气歧管的工作要求。

奥氏体耐热铸钢具有原子紧密堆积的面心立方晶格结构，原子在奥氏体中的扩散速度较小，奥氏体的再结晶温度较高，奥氏体对合金元素的溶解度比铁素体大几十倍，因此可以利用合金化原理，在熔炼过程中加入合金元素，提高奥氏体组织稳定性和部分抗腐蚀能力；所以为了提高奥氏体耐热铸钢的高温强度，可以加入较多的合金元素，如钼、钨、铌、氮等合金元素来强化铸钢，使奥氏体耐热铸钢具有良好的抗蠕变能力和抗氧化性。依据Mo、Nb、N等元素对奥氏体耐热铸钢组织及性能的影响规律，优化设计了奥氏体耐热铸钢的化学成分；材料以高铬镍合金为基础，通过加入铌、氮元素，形成高温下稳定性较高的含铌碳化物和氮化物，弥散分布于奥氏体晶粒内部及晶界，提高高温下奥氏体的变形抗力，从而提高材料的高温力学性能；含铌碳化物和氮化物的形成，降低了高温长期使用过程中（Cr，Fe）₂₃C₆的析出倾向和贫铬层的形成能力，提高了材料的高温抗氧化性能和耐腐蚀性能。

本发明的奥氏体耐热铸钢，主要化学成分含有：C、Si、Mn、Cr、Ni、Mo、Nb、N，余量为Fe。材料成分中主要包括高含量的Cr和Ni，Cr是抗氧化、稳定基体元素，是耐热铸钢的基本元素，含量一般在18-32%；Ni为奥氏体元素，同时提高铸钢的抗氧化性能，含量一般在8-25%；C含量一般在0.2-0.6%。同时为提高钢的抗氧化性和高温强度，向钢中加入Nb、Mo、N等合金元素，通过固溶强化、沉淀强化、晶界强化等途径提高钢的高温强度。

一种用于铸造所述奥氏体耐热铸钢排气歧管的工艺方法，包括以下步骤：

（1）炉料准备：按上述原料配比选取各种原料：废钢选用成份均一，且无锈蚀、无杂质的废钢；增碳剂的固定含碳量≤98％，粒度2-6；Ni选用电解镍；Cr选用含Cr60-65％的微碳铬铁；Mo选用含Mo55-60％，粒径为10～50mm的钼铁；Si选用75硅铁，粒径10～50mm：

（2）熔炼与精炼：

a)熔化：先在炉底加入部分废钢，见钢水后向炉内加入增碳剂，并用后续的废钢将增碳剂压入钢水内，以提高增碳剂的吸收率；钢水达1550℃-1580℃时，加入微碳铬铁；待钢料熔化至2/3时开始加入造渣材料造碱性渣覆盖钢液，直至废钢全部熔化，同时，开始供入氩气；随后连续加入金属镍，以防止钢液吸氢；镍熔化完毕后，降低功率，倾炉扒渣，并另造新渣；

b)脱氧：待钢液温度大于等于1600℃时，往熔池中按上述原料配比加入全部低碳锰铁和硅铁，并加入钢液重量1.0%的硅钙（铝）合金并辅以搅拌进行沉淀脱氧；待合金料熔毕后，往渣面上均匀地加上钢液质量0.15%-0.2%硅钙合金粉进行扩散脱氧；脱氧过程中用石灰粉和萤石粉调整炉渣的粘度，使炉渣具有良好的流动性。

c)包内终脱氧和变质处理：出炉温度为1667℃±10℃；出炉时在钢包底部预置钢液重量0.15%-0.20%块度10-20mm的稀土、0.2%的SiSrZr和0.3%铌铁进行终脱氧和变质处理；待钢液出尽后，在钢液表面迅速加稻壳（或稻壳+少量焦炭粉）覆盖，稻壳上加少量珍珠岩或冰晶石；

（3）壳型负压铸造：

a)制芯：原材料选用覆膜砂，覆膜砂熔点97-106℃，发气量≤17ml/g,热态抗拉强度≥1.6Mp，热态抗弯强度≥3.5Mp；采用射芯机制气道芯,水平壳芯机制壳型。壳型壁厚较薄，壳芯在温度较高（200℃）的情况下容易变形。为防止其变形，将刚制造好的壳芯喷上涂料，并放置气道芯和蜂窝状陶瓷过滤网后迅速粘和，并用紧固螺栓将组合好的壳型紧固；

b)浇注：由吸真空装置和浇注机配合共同完成吸真空浇注的过程，负压控制范围在10-30KPa，浇注温度控制在1560℃-1580℃；在钢水浇注过程中，采用茶壶嘴包浇注钢液，保持钢水始终充满浇口杯，防止浇注时卷气。浇注过程中使型腔内保持减压状态；

c)落砂清理：铸件在浇注完成至落砂工序时间间隔要保证在60分钟以上。

所述步骤（2）中，造渣材料由石灰粉：萤石粉按质量比石灰粉：萤石粉=2-3:1组成，造渣材料加入量为钢液重量的1%。

本发明较好地实现了奥氏体耐热铸钢排气歧管的工业化大规模生产，所生产的奥氏体耐热铸钢排气歧管具有良好的力学性能、热疲劳性能和抗氧化性能。试验表明，该排气歧管完全能够满足发动机的排放使用性能要求，同时可减小零件壁厚，壁厚可减薄至3mm，实现汽车轻量化的目的；另外，在汽车服役过程中也可减少排气系统零件更换次数，大大减少维修和装配的费用。

附图说明

下面结合附图对本发明做进一步的说明：

图1是本发明的工艺流程图；

图2是实施例3的工艺流程图。

具体实施方式

参看图1，本发明的一种奥氏体耐热铸钢排气歧管，其化学成分在下列质量百分比范围内均能获得合格的产品：C0.2-0.6%、Si≤2.5%、Mn≤0.2%、Cr24-32%、Ni12-24%、Mo≤0.5%、N≤0.5%、Nb≤2.1%、P≤0.04%、S≤0.015%，余为Fe。下面结合实施例对本发明的铸造方法做进一步说明。

实施例1

本发明的奥氏体耐热铸钢排气歧管，可以由下列质量百分比的化学成分构成：C0.3-0.5%、Si1.0-2.5%、Mn≤0.2%、Cr24-27%、Ni19-22%、Mo≤0.5%、P≤0.04%、S≤0.04%，余为Fe。

该奥氏体耐热铸钢排气歧管的工艺方法，包括以下步骤：

（1）炉料准备：废钢选用定点供应，成份均一，且无锈蚀、无杂质；增碳剂的固定含碳量≤98％，粒度2-6；Ni以电解镍形式加入；Cr以含Cr60-65％的微碳铬铁形式加入；Mo以含Mo55-60％，粒度:10～50mm的钼铁形式加入，Si以75硅铁形式加入粒度:10～50mm。将废钢及各种合金作为金属炉料按所述成分配比进行配料。

（2）熔炼与精炼：熔炼过程中炉内通氩，加速熔渣的上浮速度，提高钢液的纯净度；采用炉内及包内复合强力脱氧工艺，降低气体和夹杂物含量、获取化学成分均匀、组织致密及性能优良的奥氏体耐热钢；出钢过程中在包内加稀土、铌铁进行变质处理，以达到细化晶粒，具体按下述方法进行：

a)熔化：先在炉底加入部分废钢，见钢水后向炉内加入增碳剂，并用后续的废钢将增碳剂压入钢水内，以提高增碳剂的吸收率，钢水达1550℃-1580℃时，加入微碳铬铁。待钢料熔化的液面高度达到钢料总高度的2/3时开始加入造渣材料造碱性渣（质量比石灰粉：萤石粉=2-3:1）覆盖钢液，造渣材料加入量为钢液重量的1%，直至废钢全部熔化，同时，开始供入氩气。随后连续加入金属镍，以防止钢液吸氢。镍熔化完毕后，降低功率，倾炉扒渣，并另造新渣。

b)脱氧：待钢液温度大于等于1600℃时，往熔池中加入全部低碳锰铁和硅铁及钢液重量1.0%的硅钙（铝）合金并辅以搅拌进行沉淀脱氧。待合金料熔毕后，往渣面上均匀地加上钢液质量0.15%-0.2%硅钙合金粉进行扩散脱氧。约3-5min后取样测试化学钢液的化学成分，同时快速升温。脱氧过程中可用石灰粉和萤石粉调整炉渣的粘度，使炉渣具有良好的流动性。

c)包内终脱氧和变质处理：出炉温度为1667℃±10℃。在钢包底部预置钢液重量0.15%-0.20%块度10-20mm的稀土、0.2%的SiSrZr和0.3%铌铁进行终脱氧和变质处理。待钢液出尽后，在钢液表面迅速加稻壳（或稻壳+少量焦炭粉）覆盖，稻壳上加少量珍珠岩或冰晶石，用以聚集稻壳。变质处理可细化晶粒、提高奥氏体组织稳定性、力学性能和部分抗晶间腐蚀能力,充分保证铸件的性能。

（3）壳型负压铸造：

a)制芯、组芯：原材料选用覆膜砂，覆膜砂熔点97-106℃，发气量≤17ml/g,热态抗拉强度≥1.6Mp，热态抗弯强度≥3.5Mp。采用射芯机制气道芯,水平壳芯机制壳型。壳型壁厚较薄，壳芯在温度较高（200℃）的情况下容易变形。为防止其变形，将刚制造好的壳芯喷上涂料，并放置气道芯和蜂窝状陶瓷过滤网后迅速粘和，并用紧固螺栓将组合好的壳型紧固，保证铸件的的尺寸精度，放在合格砂芯存放区备用。

b)填砂造型、覆膜：在生产线完成浇注，首先从浇注列的翻箱机位置起始，空的砂箱台车向前步进至小砂仓填砂口下方，由小砂仓向砂箱内填充底砂。完成后台车步进至下芯工位，由人工向砂箱中放置组合好的壳型。放置壳型后的台车移动至大砂仓填砂口下方，由大砂仓向砂箱内填充侧砂，整理砂的上表面基本与壳型浇口杯齐平，并防止砂进入型腔中。台车移动到覆膜工序，在沙箱上表面覆盖塑料薄膜（保证沙箱在抽负压时形成封闭空间），然后在薄膜上填砂将薄膜压住，台车步进至切膜机工位时将薄膜切断。

c)浇注：砂箱台车步进至吸真空工位处，由吸真空装置和浇注机配合共同完成吸真空浇注的过程，负压控制范围在10-30KPa，浇注温度控制在1560℃-1580℃。在钢水浇注过程中，采用茶壶嘴包浇注钢液，保持钢水始终充满浇口杯，防止浇注时卷气。浇注过程中使型腔内保持减压状态，这样可以使钢液的充型大为改善，铸件的气孔缺陷及其它表面缺陷大幅度减少。

d)落砂清理：浇注后的台车沙箱移动到冷却列上进行冷却，最后由翻箱机进行翻转，将冷却后的铸件、砂子等翻倒至砂处理系统中的震动输送槽上进行落砂。铸件在浇注完成至落砂工序时间间隔要保证在60分钟以上。落砂后的铸件应装入专用箱，用叉车运往指定场地，进行去除浇冒口、清理打磨毛刺分型线、表面抛丸等工序，耐热铸钢排气歧管铸件生产完成。

通过实验，按照本实施例的配料和方法铸造的奥氏体耐热铸钢排气歧管，其力学性能指标分别为：σ_b=450Mpa、σ_0.2=220Mpa、δ=6%。

实施例2

本发明的奥氏体耐热铸钢排气歧管，可以由下列质量百分比的化学成分构成：C0.2-0.6%、Si≤2%、Mn≤0.2%、Cr28-32%、Ni18-22%、Mo≤0.5%、Nb0.8-1.6%、P≤0.04%、S≤0.04%，余为Fe，其铸造方法与实施例1相同，通过实验，按照本实施例的配料和方法铸造的奥氏体耐热铸钢排气歧管，其力学性能指标分别为：σ_b=450Mpa、σ_0.2=245Mpa、δ=8%。

实施例3

本发明的奥氏体耐热铸钢排气歧管，可以由下列质量百分比的化学成分构成：C0.4-0.5%、Si0.8-1.25%、Mn0.75-1.1%、Cr24-27%、Ni12-15%、Mo≤0.5%、N0.08-0.5%、Nb1.7-2.1%、P≤0.04%、S0.11-0.15%，余为Fe，其铸造方法与实施例1相同，通过实验，按照本实施例的配料和方法铸造的奥氏体耐热铸钢排气歧管，其力学性能指标分别为：σ_b=515Mpa、σ_0.2=240Mpa、δ=7%、硬度(HBW)为187～248。

Claims

1.一种奥氏体耐热铸钢排气歧管，其特征在于：它是由以下质量百分比的化学成分构成：C0.2-0.6％、Si≤2.5％、Mn≤0.2％、Cr24-32％、Ni12-24％、Mo≤0.5％、N≤0.5％、Nb≤2.1％、P≤0.04％、S≤0.15％，余为Fe；所述奥氏体耐热铸钢排气歧管的铸造工艺，包括以下步骤：

(1)炉料准备：按上述原料配比选取各种原料：废钢选用成份均一，且无锈蚀、无杂质的废钢；增碳剂的固定含碳量≤98％，粒度2-6；Ni选用电解镍；Cr选用含Cr60-65％的微碳铬铁；Mo选用含Mo55-60％，粒径为10～50mm的钼铁；Si选用75硅铁，粒径10～50mm：

(2)熔炼与精炼：

b)脱氧：待钢液温度大于等于1600℃时，往熔池中按上述原料配比加入全部低碳锰铁和硅铁，并加入钢液重量1.0％的硅钙合金或硅铝合金并辅以搅拌进行沉淀脱氧；待合金料熔毕后，往渣面上均匀地加上钢液质量0.15％-0.2％硅钙合金粉进行扩散脱氧；脱氧过程中用石灰粉和萤石粉调整炉渣的粘度，使炉渣具有良好的流动性；

c)包内终脱氧和变质处理：出炉温度为1667℃±10℃；出炉时在钢包底部预置钢液重量0.15％-0.20％块度10-20mm的稀土、0.2％的SiSrZr和0.3％铌铁进行终脱氧和变质处理；待钢液出尽后，在钢液表面迅速加稻壳或稻壳+少量焦炭粉覆盖，稻壳上加少量珍珠岩或冰晶石；

(3)壳型负压铸造：

a)制芯：原材料选用覆膜砂，覆膜砂熔点97-106℃，发气量≤17mL/g，热态抗拉强度≥1.6Mpa，热态抗弯强度≥3.5Mpa；采用射芯机制气道芯，水平壳芯机制壳型，壳型壁厚较薄，壳芯在温度高于200℃的情况下容易变形，为防止其变形，将刚制造好的壳芯喷上涂料，并放置气道芯和蜂窝状陶瓷过滤网后迅速粘和，并用紧固螺栓将组合好的壳型紧固；

b)浇注：由吸真空装置和浇注机配合共同完成吸真空浇注的过程，负压控制范围在10-30KPa，浇注温度控制在1560℃-1580℃；在钢水浇注过程中，采用茶壶嘴包浇注钢液，保持钢水始终充满浇口杯，防止浇注时卷气，浇注过程中使型腔内保持减压状态；

2.如权利要求1所述的奥氏体耐热铸钢排气歧管，其特征在于：所述奥氏体耐热铸钢排气歧管，由以下质量百分比的化学成分构成：C0.3-0.5％、Si1.0-2.5％、Mn≤0.2％、Cr24-27％、Ni19-22％、Mo≤0.5％、P≤0.04％、S≤0.04％，余为Fe。

3.如权利要求1所述的奥氏体耐热铸钢排气歧管，其特征在于：所述奥氏体耐热铸钢排气歧管，由以下质量百分比的化学成分构成：C0.2-0.6％、Si≤2％、Mn≤0.2％、Cr28-32％、Ni18-22％、Mo≤0.5％、Nb0.8-1.6％、P≤0.04％、S≤0.04％，余为Fe。

4.如权利要求1所述的奥氏体耐热铸钢排气歧管的铸造工艺，其特征在于：所述步骤(2)中，造渣材料由石灰粉和萤石粉按质量比石灰粉：萤石粉＝2-3:1组成，造渣材料加入量为钢液重量的1％。