CN104862602A - 不锈钢合金,由该不锈钢合金形成的涡轮增压器涡轮机壳体,及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
本文公开了一种铁素体不锈钢合金，其以重量计包括，约20％至约22％的铬，约0％至约0.5％的镍，约0.5％至约1.0％的锰，约1.0％至约2.5％的硅，约1.5％至约2.2％的钨，约1.3％至约1.8％铌，约0.35％至约0.45％的碳和余量的铁。该合金是适合用在温度高达约1050℃的涡轮增压器涡轮机壳体应用中。
Description
技术领域
本发明总的涉及不锈钢合金。更具体地，本发明涉及用于铸造应用，例如涡轮增压器壳体和排气岐管的不锈钢合金，其在升高的温度下表现出抗氧化性，及其制造方法。
背景技术
在运行过程中，汽车涡轮增压器壳体经受升高的工作温度。这些外壳必须能够容纳在非常高速下旋转的涡轮机叶轮。来自汽车的排气最初以升高的温度在金属部分中，例如涡轮增压器的气体入口区域，接触该涡轮增压器。由于通过排气温度的增加改善高速性能，因此，已经尝试逐渐升高发动机的排气温度。由于这些高温，例如排气歧管和涡轮机壳体的部分上的热载荷变得很大。
这些增加的排气温度接触涡轮增压器的金属部分已经遇到了各种各样的问题。例如，由排气温度升高所导致的一个问题是涡轮机壳体和排气歧管中的材料热变形的问题，在高温和低温区域之间交替伴随着热膨胀和收缩，取决于这种情况，可能会导致表面氧化，并发展成裂纹或其它失效模式。
为了克服与较高的工作温度相关的挑战，在涡轮增压器应用中使用的现有技术的合金已包括具有较高镍含量的合金，如市售高镍球墨铸铁合金。这些合金的例子是由国际镍公司开发的NiResistTM，或HK40，其为一种含有大约25％铬和20％镍、余量基本为铁的铬-镍-铁不锈钢合金。该HK系列不锈钢合金，如这里提到的HK40合金，通常具有约18-22％的镍并且为全奥氏体。
在蠕变强度方面，所述HK不锈钢合金是强的不锈钢铸造合金。然而，尽管满足涡轮增压器外壳的高温性能要求，它们因为镍含量高而价格很昂贵。此外，由于镍的价格最近的突然上升，具有相对高的镍含量的材料的成本已被重点关注。
对于较低温度的应用，对于直到900℃的操作，目前推荐铁素体不锈钢GX40，超过此温度，优选奥氏体材料，例如NiResist和HK40。由于这些奥氏体钢的高镍含量，铁素体钢替代品更为便宜且具有吸引力。由于超过900℃后，铁素体相稳定性欠佳并且抗氧化性降低，因此市售的铁素体不锈钢，如GX40的应用被限制到900℃以下的温度。能够提高铁素体相的稳定性和耐氧化性因而提高了工作温度的任何对化学性质的改变，将呈现一个奥氏体等级的更便宜的替代品。
因此，需要用于涡轮增压器应用的不锈钢合金，它们能够承受由现代发动机所产生的较高的工作温度，但是，最大限度地减少了昂贵的镍的含量。理想地，将采用根本不含有任何镍含量的铁素体不锈钢。此外，结合附图和本发明主题的背景，通过随后的本发明主题的详细描述和所附的权利要求，发明主题的其它理想的特征和特性将是显而易见。
发明内容
本文提供了不锈钢合金，涡轮增压器涡轮机壳体，以及制造的涡轮增压器涡轮机壳体的方法。在一个实施例中，仅以示例的方式，铁素体不锈钢合金包括，按重量计，约20％至约22％的铬，约0％至约0.5％的镍，约0.5％至约1.0％的锰，约1.0％至约2.5％的硅，约1.5％至约2.2％的钨，约1.3％至约1.8％铌，约0.35％至约0.45％的碳和余量的铁。
在另一个实施例中，仅以示例的方式，涡轮增压器涡轮机壳体包括铁素体不锈钢合金，所述铁素体不锈钢合金包括，以重量计，约20％至约22％的铬，约0％至约0.5％的镍，约0.5％至约1.0％的锰，约1.0％至约2.5％的硅，约1.5％至约2.2％的钨，约1.3％至约1.8％铌，约0.35％至约0.45％的碳和余量的铁。
在又一实施例中，一种制造涡轮增压器涡轮机壳体的方法包括由铁素体不锈钢合金形成所述涡轮增压器涡轮机壳体，所述铁素体不锈钢包括，以重量计，约20％至约22％的铬，约0％至约0.5％的镍，约0.5％至约1.0％的锰，约1.0％至约2.5％的硅，约1.5％至约2.2％的钨，约1.3％至约1.8％铌，约0.35％至约0.45％的碳，和余量的铁。
提供该发明内容是为了以一种简单的形式介绍本发明概念的一种选择，所述概念在下文的具体实施方式中被进一步描述。该发明内容并不是为了确认所要保护主题的重要特征或必要特征，也不是用于帮助确定所要求保护主题的范围。
附图说明
本发明的主题将在下文中结合以下附图进行描述，其中相同的数字标记表示相同的元件，其中：
图1是根据本公开的涡轮增压内燃发动机的实施例的系统图；
图2是一个曲线图，展示了现有技术中已知的不锈钢GX40的铁素体相的稳定性；以及
图3是一个曲线图，展示了根据本公开的实施例的不锈钢的铁素体相的稳定性。
具体实施方式
下面的详细描述本质上仅仅是示例性的，并非意在限制本发明或本发明的应用和使用。如本文所用的词语“示例性”的意思是“充当实例，例子或说明”。因此，本文中描述为“示例性”的任何实施例不应被解释为优于或胜过其他实施例。此外，除非由在所附的权利要求中的语言明确限定，本文中所使用的数字序数，诸如“第一”，“第二”，“第三”等，诸如第一、第二和第三部件，只是简单地表示多个中的不同的个体。本文所描述的不锈钢合金、涡轮增压器涡轮机壳体及其制造方法的所有实施例和实现都是示例性实施例，它们被提供使本领域的技术人员能够制造或使用本发明，而不是限制本发明的范围，本发明的范围由权利要求所限定。除非另有说明，本文给出的所有百分比均为重量百分比。此外，没有用前述技术领域、背景技术、发明内容或之后的具体描述所表明或暗示的任何理论进行约束的意图。
涡轮增压器涡轮机壳体，通常是不锈钢铸钢或铸铁，是涡轮增压器的最昂贵的部件。减少壳体的成本将会对涡轮增压器的成本有直接的影响。为了耐受通常由冲击涡轮机壳体的排气所产生的高工作温度，除了其他碳化物形成元素之外，涡轮机壳体材料通常与例如铬和镍的元素形成合金，从而导致成本增加。减少该含量和/或消除这些昂贵的合金元素会对涡轮机壳体的成本有直接的影响。
本公开的典型的实施例存在于配备有汽油/柴油为动力的内燃机(“ICE”)和涡轮增压器的机动车辆中。相比于可比较的未改善的系统，所述涡轮增压器配备有特有的特征组合，在不同实施例中，这些特有的特征组合通过相对地限制所述涡轮和/或压缩机中的第二流体的量(和动能)而提供效率益处。
参考图1，具有径向式涡轮机和径向式压缩机的涡轮增压器101的一个示例性的实施例包括涡轮增压器壳体和转子，所述转子构造为在涡轮增压器运行期间在止推轴承和两组轴颈轴承(每组分别对应各自的转子叶轮)上，或替代地，其它类似支撑轴承上，在涡轮增压器壳体内绕转子旋转轴103旋转。所述涡轮增压器壳体包括涡轮机壳体105，压缩机壳体107和将涡轮机壳体连接到压缩机壳体的轴承壳体109(即，包含所述轴承的中心壳体)。该转子包括基本上位于涡轮机壳体105内部的径向涡轮机叶轮111，基本上位于压缩机壳体107内的径向式压缩机叶轮113，和轴115，所述轴115沿转子旋转的轴线103延伸，穿过轴承箱109，以将涡轮机叶轮111连接到压缩机叶轮113。
涡轮机壳体105和涡轮机叶轮111形成涡轮机，该涡轮机构造为用于周向地接收来自例如内燃发动机125的排气歧管123的高压高温的废气流121。由高压高温废气流驱动所述涡轮机叶轮111(因此驱动所述转子)绕转子旋转轴103旋转，高压高温废气流变为较低压力和较低温度的废气流127并轴向地释放到排气系统中。
压缩机壳体107和压缩机叶轮113形成压缩机级。压缩机叶轮由排气驱动的涡轮机叶轮111驱动而旋转，压缩机叶轮被构造为将轴向接收的输入空气(例如，环境空气131，或来自多级压缩机的前一级的已压缩空气)压缩成加压气流133，该加压气流133从压缩机周向地喷出。由于所述压缩过程，所述加压气流的特征在于超过了输入空气的温度的增加的温度。
可选地，加压气流可导入通过对流冷却的增压空气冷却器135，该增压空气冷却器135构造为使增压空气流散热，增加其密度。所得冷却的和加压的输出气流137被输送到内燃机上的进气歧管139中，或者替代地，输送到串联压缩机中的下一级中。该系统的操作由ECU 151(发动机控制单元)控制，ECU151通过通信接线153连接到系统的其余部分。
涡轮增压器可以被设计成在各种温度下进行操作，这取决于涡轮增压器的构造和所需要的输出。本文所用的术语工作温度是指设计为涡轮增压器的涡轮机壳体和叶片部件遇到的废气的最高温度。本领域熟知的，具有其16％-18％之间的铬的规格的不锈钢GX40是用于高达900℃的涡轮机壳体应用的一种示例性的现有技术材料。可替代地，也如本领域公知的，具有某一镍含量的D5S，可用于较高的外壳温度。进一步可替代地，也如本领域公知的HK40，具有约19％至约22％的较少的镍含量，但是其中的镍含量在费用方面仍然不想要的高。如下所述的表1提供了不锈钢GX40、D5S和HK40的规格。
表1不锈钢GX40、D5S和HK40的组成
因此，本公开的实施例旨在针对在工作温度高至约900℃的涡轮增压器中使用的现有可用的不锈钢合金的改进。即，本公开的实施例旨在为大于约900℃，例如大于约1050℃，的工作温度，提供不包括镍(或仅包括至多约0.5％的最小量的镍)的铁素体不锈钢。特别是，本公开的实施例旨在铬含量大于上述GX40不锈钢合金中包含的铬含量的不锈钢合金。较高的铬含量被意外地发现可以导致不锈钢合金在大于约900℃的工作温度下，例如高达约1200℃，具有好很多的抗氧化性。本文所述的不锈钢合金包括与各种合金元素合金化的铁，下面将以基于所述合金总重量的重量百分比进行更加具体的描述。本文所描述的一些实施例中，应当理解除了不可避免的杂质，所述组成中不包含没有被特别提及的合金。
在一个实施例中，本公开的不锈钢合金包含从约0.35％至约0.45％的碳(C)，例如约0.38％至约0.42％C。C具有改善熔体的流动性和可铸性的功能。通过与铌(其被包含在合金中，下文将更详细讨论)形成共晶碳化物，C也具有提高铸造性的功能。为了有效地发挥这样的功能，C量应为0.35％或更大。此外，通过固溶强化，C可以有效地强化材料。为了最大化耐腐蚀性，将C的含量降低到约0.45％及其以下。
在一个实施例中，本公开的不锈钢合金包含约1％至约2.5％的硅(Si)，例如约1.5％至约2.0％的Si。Si具有提高金其属结构稳定性和其抗氧化性的作用。此外，当存在的量大于约1％时，它具有脱氧剂的作用，并可有效地改善可铸性和减少所得到的铸造产品中的针孔。如果Si的含量过多，硅会劣化机械性能，如钢的冲击韧性。因此，Si的含量优选限制在到约2.5％及以下。
在一个实施例中，本公开的不锈钢合金包含约20％至约22％的铬(Cr)，例如约20％至约21％的Cr。如将要在下文更详细的说明的那样，已经发现，当Cr的含量增加，耐腐蚀性提高。另一方面，如果过量地添加，Cr的粗大初生碳化物形成，导致极端脆化。Cr含量优选地限制到最大约22％，以便保持在不锈钢的体积分数和耐蚀性。例如，铬的增加超出22wt％提高了凝固过程中形成的σ相的量，从而使材料变脆。在约20-22％的铬含量是最佳的。已经意外地发现较高的铬含量导致不锈钢合金在大于约900℃的工作温度，例如高达约1200℃，具有好很多的抗氧化性。
在一个实施例中，本公开的不锈钢合金不包含任何镍。在另一个实施例中，镍按重量被限制到不大于约0.5％。如上所述，铁素体不锈钢被期望作为传统上用于较高温度应用的奥氏体不锈钢的替代。因此，当前描述的实施例排除了镍，以便维持了低成本，并且还保持了铁素体相。
在一个实施例中，本公开的不锈钢合金包含约0.5％至约1.0％的锰(Mn)，例如约0.6％至约0.9％的Mn。锰同Si类似，可以有效地作为熔体的脱氧剂，并且具有在铸造操作过程中提高流动性的功能。为了有效地发挥这样的功能，Mn的量为约1.0％或更少，优选为0.9％或更少。锰通常具有大于约0.5％的含量来调整金属的流速。然而，当Mn的含量过多时，Mn结合钢中的硫并形成过量水平的硫化锰，因此降低了耐腐蚀性和热成形性。因此，Mn的上限含量限定为1.0％。
在一个实施例中，本公开的不锈钢合金包含约1.5％至约2.2％的钨(W)，例如约1.7％至约2.0％的W。钨对钢的作用与钼十分相似，通常使用这两种元素来提高耐腐蚀性。由于钨价格昂贵，其含量应不大于约2.2％。钨也被包含用来提高不锈钢的热加工性。
在一个实施例中，本发明的不锈钢合金包含约1.3％至约1.8％的铌(Nb)，例如约1.5％至约1.7％铌。通过形成铌的共晶碳化物，本公开的耐热铁素体不锈钢具有高的铸造性，以及高强度和良好的延展性。
某些杂质也可存在于本公开的不锈钢合金中。将这些杂质的量如实践的尽量多地最小化。在一个实施例中，磷(P)可以存在于所述合金中，但被最小化至约0.04％或更低。P结晶于晶界或界面，并有可能降低耐腐蚀性和韧性。因此，将P的含量尽可能降低。优选地，考虑的精炼过程的效率，P的上限含量限于0.04％。有害杂质，例如P，的含量，尽可能地小。然而，由于担心与去除这些杂质相关联的成本，因此P含量被限制在0.03％。
在一个实施例中，硫(S)可以存在于该合金，但被最小化至约0.03％或更低。在钢中的硫会恶化热加工性能，并可以形成硫化物夹杂，这给抗点蚀能力带来负面影响。因此应当限制为小于0.03％。S劣化热加工性，或与Mn一起形成MnS，因而降低耐腐蚀性。因此，S的含量尽可能降低。有害杂质，如S(硫)，的含量，尽可能小。然而，由于担心与去除这些杂质相关联的成本，因此S含量被限制在约0.03％。
根据上文提供的与所述组成相关的描述，表2给出了本公开的示例性的实施例的组成。
表2.不锈钢合金的组成
| 元素 | 最小(％) | 最大(％) |
| 碳 | 0.35 | 0.45 |
| 铬 | 20 | 22 |
| 硅 | 1 | 2.5 |
| 锰 | 0.5 | 1.0 |
| 铌 | 1.3 | 1.8 |
| 钨 | 1.5 | 2.2 |
| 磷 | - | 0.04 |
| 硫 | - | 0.03 |
| 铁 | 余量 |
说明性例子
本公开通过下面的非限制性的例子进行说明。应当注意的是，可以在不脱离所附权利要求所限定的本发明范围的情况下对下面的例子应用各种变化和修改。因此，应该指出的是，下面的例子应该被解释为说明性的，而不是任何意义上的限制。
使用理论仿真软件对根据表2中上述的组成的一个典型合金进行了测试，并将其与不锈钢GX40进行了比较。所测试的合金包括以下大致组成，以重量计：20.0％的Cr，0.75％的Mn，1.5％的Nb，0.5％的Ni，1.5％的Si，2.0％的W，0.4％的C，0.02％的P和0.02％S，以及余量的Fe。除了其他性能以外，在高温下的铁素体相的稳定性对于铁素体不锈钢涡轮机壳体材料是大体上令人满意的。
图2和3示出GX40和本文公开的本发明合金的模拟性能的比较。例如，相比于图2中所示的GX40的稳定性，如图3中所示的所述示例性的不锈钢在高于约900℃表现出较高的铁素体相的稳定性。事实上，如图3中所示，稳定性被保持至大于约1200℃的温度，而图2中所示的稳定性在约900℃以上显著下降。
表3展示了所述示例合金与传统GX40合金比较的某些机械性能。如表3所示，除了失效延伸百分率以外，与GX40相比较，示例性合金展现出相似的机械性能(偏差在约20％以内)。但是，延伸率上的偏差受到铸造和凝固参数的影响，可以通过改变这些参数来改善延伸率。
表4.GX40和示例合金的机械性能比较
| 材料 | YS(MPa) | UTS(MPa) | ％失效延伸率 |
| GX40 | 359 | 613 | 9.8 |
| GX40+ | 454 | 542 | 2 |
因此，本公开的实施例提供众多优于现有技术，如不锈钢GX40，的好处。特别是，在本公开的实施例针对于铬含量大于上述GX40不锈钢合金中包含的铬含量的不锈钢合金。意外地发现较高的铬含量导致不锈钢合金在大于约900℃的工作温度，例如高达约1200℃，具有好很多的抗氧化性。因此，由于较低的成本和较高的耐氧化性，在本公开的实施例适合用作工作温度高达约1050℃的涡轮机壳体材料(此为举例)的较低成本合金。
尽管已经在本发明主题的前述具体描述中展现了至少一个示例性的实施例，应当理解存在大量变型。还应该理解的是，该一个或多个示例性实施例仅仅是示例，并不旨在以任何方式对本发明主题的范围、应用领域或构造进行限制。相反，前面的详细描述将提供本领域技术人员一个方便的路线图以实施本发明主题的示例性实施例。应当理解，在不脱离如所附权利要求中所阐明的本发明主题的范围的情形下，可以对示例性实施例中所描述的元素的功能和配比进行各种改变。
Claims (19)
1.一种铁素体不锈钢合金，以重量计包括：
约20％至约22％的铬；
约0％至约0.5％的镍；
约0.5％至约1.0％的锰；
约1.0％至约2.5％的硅；
约1.5％至约2.2％的钨；
约1.3％至约1.8％的铌；
约0.35％至约0.45％的碳；和
余量的铁。
2.如权利要求1所述的铁素体不锈钢合金，包括约20％至约21％的铬。
3.如权利要求1所述的铁素体不锈钢合金，包含约0.5％的镍。
4.如权利要求1所述的铁素体不锈钢合金，包含约0.6％至约0.9％的锰。
5.如权利要求1所述的铁素体不锈钢合金，包含约1.5％至约2.0％的硅。
6.如权利要求1所述的铁素体不锈钢合金，包含约1.7％至约2.0％的钨。
7.如权利要求1所述的铁素体不锈钢合金，包含约0％的镍。
8.如权利要求1所述的铁素体不锈钢合金，包括约1.5％至约1.7％的铌。
9.如权利要求1所述的铁素体不锈钢合金，包含约0.38％至约0.42％的碳。
10.一种涡轮增压器涡轮机壳体，包括：
一种铁素体不锈钢合金，其中该铁素体不锈钢合金以重量计包含：
约20％至约22％的铬；
约0％至约0.5％的镍；
约0.5％至约1.0％的锰；
约1.0％至约2.5％的硅；
约1.5％至约2.2％的钨；
约1.3％至约1.8％的铌；
约0.35％至约0.45％的碳；和
余量的铁。
11.如权利要求10所述的涡轮增压器涡轮机壳体，包括约20％至约21％的铬。
12.如权利要求10所述的涡轮增压器涡轮机壳体，包含约0.5％的镍。
13.如权利要求10所述的涡轮增压器涡轮机壳体，包括约0.6％至约0.9％的锰。
14.如权利要求10所述的涡轮增压器涡轮机壳体，包括约1.5％至约2.0％的硅。
15.如权利要求10所述的涡轮增压器涡轮机壳体，包括约1.7％至约2.0％的钨。
16.如权利要求10所述的涡轮增压器涡轮机壳体，包括约0％的镍。
17.如权利要求10所述的涡轮增压器涡轮机壳体，包括约1.5％至约1.7％的铌。
18.如权利要求10所述的涡轮增压器涡轮机壳体，包含约0.38％至约0.42％的碳。
19.包括如权利要求10所述的涡轮增压器涡轮机壳体的涡轮增压器，其工作在高达约1050℃的温度。
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