CN105648356A - 具有优越的高温强度和抗氧化性的耐热铸钢 - Google Patents

具有优越的高温强度和抗氧化性的耐热铸钢 Download PDF

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Abstract

本公开涉及具有优越的高温强度和抗氧化性的耐热铸钢。一种耐热铸钢包括：基于耐热铸钢的总重量为0.2wt％到0.4wt％的碳、0.5wt％到1.0wt％的硅、0.3wt％到0.8wt％的锰、0.7wt％到1.0wt％的镍、17wt％到23wt％的铬、0.5wt％到1.0wt％的铌、1.5wt％到2.0wt％的钨、0.2wt％到0.5wt％的钒、0.05wt％到0.1wt％的铈、0.05wt％到0.1wt％的氮以及剩余部分的铁。

Description

具有优越的高温强度和抗氧化性的耐热铸钢
相关申请的交叉引用
本申请要求于2014年12月2日在韩国知识产权局提交的韩国专利申请No.10-2014-170139的优先权，通过引用将其全部内容结合于本文中。
技术领域
本公开涉及一种具有优越的高温强度和抗氧化性的耐热铸钢，并且更具体而言，涉及一种通过改善高温强度、抗氧化性等可应用于高性能车辆等的排放歧管的耐热铸钢。
背景技术
通常，排放歧管是指将从各个气缸排放的废气收集为单个流的排气管。因为垫圈内径、气缸盖内径和歧管内径的不同，歧管会遭受阻力。
由于排放歧管放置在从气缸盖输出的废气最先被接收的位置处，依照发动机的功率，排放歧管会暴露在很高的温度之下。与具有冷却水的发动机不同，因为排放歧管中没有诸如冷却水的冷却剂，所以当发动机加速时，温度会由于高温废气而上升至约800℃到900℃，并且然后当发动机停止时会快速被空气冷却至常温。
由于这一过程在一天中重复多次，因此对排放歧管的热冲击会很严重，因此在发动机的各种部件中，期望排放歧管具有高耐久性。
涡轮机壳体是涡轮增压机的外壳，并且涡轮机叶轮等在涡轮机壳体中。由于涡轮机壳体暴露于从排放歧管输出的废气的高温中，所以涡轮机壳体应与排放歧管一样具有高耐久性。
对于高耐久性，用于柴油机的排放歧管和涡轮机壳体的材料，FCD-HS和SiMo铸铁等用作高温抗氧化铸铁。这些材料通过将诸如硅(Si)和钼(Mo)的元素添加到现有的球状石墨铸铁中来制造，以提供在高温下的物理性能和抗氧化性。
然而，使用耐热铸铁的排放系统通常使用的温度范围为约630℃到800℃，并且在该温度范围中，前述材料具有约60MPa的抗拉强度。
然而，最近，由于为满足车辆排量增大的趋势的高性能发动机的发展，以及排放法规的增强，废气温度升高。由于耐久性和质量的标准加强，施加至排放系统的负载逐渐增加。
因此，已努力做出本公开以开发在高温下具有优越强度和抗氧化性的耐热铸钢，以用于高性能发动机的排放歧管和涡轮机壳体中。
发明内容
已努力做出本公开以提供一种耐热铸钢，其包括处于最佳含量范围的铁(Fe)、碳(C)、硅(Si)、锰(Mn)、镍(Ni)、铬(Gr)、铌(Nb)、钨(W)、钒(V)、铈(Ce)、氮(N)等，以便具有优越的高温强度和抗氧化性等。
本发明构思的示例性实施方式提供一种耐热铸钢，其包括基于耐热铸钢的总重量为0.2wt％到0.4wt％的碳、0.5wt％到1.0wt％的硅、0.3wt％到0.8wt％的锰、0.7wt％到1.0wt％的镍、17wt％到23wt％的铬、0.5wt％到1.0wt％的铌、1.5wt％到2.0wt％的钨、0.2wt％到0.5wt％的钒、0.05wt％到0.1wt％的铈、0.05wt％到0.1wt％的氮以及剩余的铁。
本发明构思的示例性实施方式可提供一种耐热铸钢，其中，基于耐热铸钢的总重量，碳含量为0.27wt％到0.38wt％；硅含量为0.65wt％到0.95wt％；锰含量为0.35wt％到0.72wt％；镍含量为0.53wt％到0.94wt％；铬含量为17.5wt％到22.8wt％；铌含量为0.53wt％到0.92wt％；钨含量为1.52wt％到1.86wt％；钒含量为0.25wt％到0.43wt％；铈含量为0.06wt％到0.09wt％；氮含量为0.05wt％到0.07wt％。
本发明构思的示例性实施方式可提供一种耐热铸钢，其中，基于耐热铸钢的总重量，碳含量为0.38wt％；硅含量为0.83wt％；锰含量为0.41wt％；镍含量为0.93wt％；铬含量为22.8wt％；铌含量为0.85wt％；钨含量为1.79wt％；钒含量为0.43wt％；铈含量为0.08wt％；氮含量为0.07wt％。
耐热铸钢可用于车辆等的排放歧管、涡轮机壳体和集成排放歧管涡轮机壳体(integratedexhaustmanifoldturbinehousing)。
本发明构思的前述耐热铸钢可具有优越的物理性能(诸如高温强度和抗氧化性)，以便在恶劣条件下应用于要求优越的物理性能等的大功率发动机的排放歧管、涡轮机壳体和集成排放歧管涡轮机壳体。
具体实施方式
基于发明人可适当地限定术语的概念以便以最好的方式描述他/她本人的发明构思的原则，在本说明书和权利要求中使用的术语或词语不应被解释为限于通常的或字典的含义，而应被解释为具有与本发明构思的技术精神一致的含义和概念。
在下文中，将详细描述本发明构思。本发明构思涉及一种具有优越的高温强度和抗氧化性的耐热铸钢。
根据本发明构思的耐热铸钢包括：碳(C)、硅(Si)、锰(Mn)、镍(Ni)、铬(Gr)、铌(Nb)、钨(W)、钒(V)、铈(Ce)、氮(N)、铁(Fe)、不可避免的杂质等。
更详细地，基于耐热铸钢的总重量，碳(C)的含量可以是0.2wt％到0.4wt％，硅(Si)的含量可以是0.5wt％到1.0wt％，锰(Mn)的含量可以是0.3wt％到0.8wt％，镍(Ni)的含量可以是0.7wt％到1.0wt％，铬(Gr)的含量可以是17wt％到23wt％，铌(Nb)的含量可以是0.5wt％到1.0wt％，钨(W)的含量可以是1.5wt％到2.0wt％，钒(V)的含量可以是0.2wt％到0.5wt％，铈(Ce)的含量可以是0.05wt％到0.1wt％，氮(N)的含量可以是0.05wt％到0.1wt％，以及铁(Fe)可包括剩余的部分。
包括前述构成成分的耐热铸钢可包括碳(C)、硅(Si)、铌(Nb)、钨(W)、钒(V)、铈(Ce)、氮(N)等以提高诸如高温强度的物理性能，并且可包括铬(Gr)、钒(V)、铈(Ce)等以提高诸如抗氧化性的物理性能。
根据本发明构思的耐热铸钢可具有铁素体基体(ferritematrix)，因为铁素体可具有比奥氏体的热膨胀系数小的热膨胀系数。高温下使用铁素体可以是有利的，并且珍珠岩(perlite)在温度升高或冷却时可被分解，以防止由于相变导致的膨胀。
根据本发明构思的耐热铸钢可具有其中由于前述特性碳化物形成在铁素体基体中的组织(tissue，构成)，在根据本发明构思的耐热铸钢应用于车辆等的排放歧管的情况下，可提高排放歧管等的高温物理性能。
应用根据本发明构思的耐热铸钢的排放歧管等可在约800℃的温度下使用，并且可承受具有约850℃至900℃的温度的高温废气。
更详细地，构成根据本发明构思的耐热铸钢的成分的数值受到限制的原因如下：
(1)0.2wt％到0.4wt％的碳(C)
碳(C)所起作用是提高熔融金属的流动性，以及与铌(Nb)形成共晶碳化物，并且从而提高可铸性(castability)等。为了达到前述的作用，基于耐热铸钢的总重量，碳(C)的含量可以是约0.2wt％到0.4wt％。
(2)0.5wt％到1.0wt％的硅(Si)
硅(Si)所起的作用是提高铁素体基体的稳定性以及作为脱氧剂(deoxidizer)抑制气泡(pinhole)的形成。为了达到前述的作用，基于耐热铸钢的总重量，硅(Si)的含量可以是约0.5wt％到1.0wt％。
(3)0.3wt％到0.8wt％的锰(Mn)
与硅(Si)相似，锰(Mn)所起的作用是作为脱氧剂抑制气泡的形成并且在铸造过程中提高熔融金属的流动性。为了达到前述的作用，基于耐热铸钢的总重量，锰(Mn)的含量可以是约0.3wt％到0.8wt％，并且特别地，在锰(Mn)的含量大于约0.8wt％的情况下，由于耐热铸钢等的延展性的降低，加工性会降低并且脆性等会增加。
(4)0.7wt％到1.0wt％的镍(Ni)
镍(Ni)用于提高耐热铸钢等的高温物理性能，并且所起的作用是提高耐热铸钢的诸如延伸率(elongationpercentage)和延展性以及高温强度的物理性能。
然而，镍(Ni)的成本非常高并且在增加，因此包含镍(Ni)的耐热铸钢的生产成本根据镍(Ni)的成本等经常变化。
因此，为了将昂贵的镍(Ni)的含量降到最低，同时有效提高诸如高温强度的物理性能，镍(Ni)的含量被限制为基于耐热铸钢的总重量为约0.7wt％到1.0wt％。
镍(Ni)的含量是提高耐热铸钢的高温物理性能所需要的最低含量，并且其他由于镍(Ni)的最低含量而造成的耐腐蚀性、耐热性等的降低可通过增加铬(Gr)的含量来补充，铬(Gr)的成本比镍(Ni)的成本相对低约20％到40％。
(5)17wt％到23wt％的铬(Gr)
铬(Gr)所起的作用是提高诸如耐热铸钢的抗氧化性的物理性能，并且补充镍(Ni)的作用以提高诸如耐腐蚀性和耐热性以及高温强度的物理性能并且使基体组织稳定在铁素体中。为了达到前述的作用，铬(Gr)的含量基于耐热铸钢的总重量可以是约17wt％到23wt％。
(6)0.5wt％到1.0wt％的铌(Nb)
铌(Nb)所起的作用是通过与碳(C)反应以在耐热铸钢中形成精细碳化物(finecarbide)，来提高耐热铸钢在高温下的抗拉强度等。为了达到前述的作用，铌(Nb)的含量基于耐热铸钢的总重量可以是约0.5wt％到1.0wt％。
(7)1.5wt％到2.0wt％的钨(W)
钨(W)所起的作用是增强铁素体基体组织，并且提高诸如高温强度的物理性能，并且为了达到前述的作用，钨(W)的含量基于耐热铸钢的总重量可以是约1.5wt％到2.0wt％。
(8)0.2wt％到0.5wt％的钒(V)
钒(V)所起的作用是改善高温抗拉强度、耐热疲劳(heat-resistantfatigueness)等，以及抑制铬(Gr)碳化物的形成，以便通过与碳(C)反应在耐热铸钢中形成精细的碳化物来提高抗氧化性、机械加工性等。为了达到前述的作用，钒(V)的含量基于耐热铸钢的总重量可以是约0.2wt％到0.5wt％。
(9)0.05wt％到0.1wt％的铈(Ce)
铈(Ce)所起的作用是提高耐热铸钢等的高温抗氧化性，在室温下微粉化晶粒以便提高诸如韧性(toughness)的物理性能，以及防止气泡、气孔(gashole)等的形成。为了达到前述的作用，铈(Ce)的含量基于耐热铸钢的总重量可以是约0.05wt％到0.1wt％。在这种情况下，在铈(Ce)的含量小于约0.05wt％的情况下，晶粒等的微粉化效果不显著。
(10)0.05wt％到0.1wt％的氮(N)
与碳(C)一样，氮(N)所起的作用是提高高温强度。为了达到前述的作用，氮(N)的含量基于耐热铸钢的总重量可以是约0.05wt％到0.1wt％。在这种情况下，如果氮(N)的含量大于约0.1wt％，则可能引起铬(Gr)的氮化物的沉淀(precipitation)，从而增加耐热铸钢的脆性。
在本发明构思的具有前述构成的耐热铸钢中，由于诸如高温强度和抗氧化性的物理性能优于现有的铁素体铸钢或铸铁的物理性能，所以该耐热铸钢可应用于在恶劣条件下要求优越的物理性能等的车辆部件中。例如，耐热铸钢可应用于大功率发动机的排放歧管、涡轮机壳体或集成排放歧管涡轮机壳体。
同时，根据本发明构思的耐热铸钢可通过对本领域技术人员共知的铸造法来适当地制造，并且更具体而言，可以制造耐热铸钢使之包括：0.2wt％到0.4wt％的碳(C)、0.5wt％到1.0wt％的硅(Si)、0.3wt％到0.8wt％的锰(Mn)、0.7wt％到1.0wt％的镍(Ni)、17wt％到23wt％的铬(Cr)、0.5wt％到1.0wt％的铌(Nb)、1.5wt％到2.0wt％的钨(W)、0.2wt％到0.5wt％的钒(V)、0.05wt％到0.1wt％的铈(Ce)、0.05wt％到0.1wt％的氮(N)、剩余的铁(Fe)、不可避免的杂质等。
[实例]
在下文中，将通过实例更详细地描述本发明构思。这些实例仅为了说明本发明构思，并且对于本领域技术人员将显而易见的是，本发明构思的范围不应被解释为受这些实例的限制。
为了检测根据本发明构思的耐热铸钢的高温抗拉强度和高温抗氧化性的物理性能，制造具有如下表所描述的成分的实例1到9和比较例1至5。
[表1]
表1是其中实例1到9的构成成分和含量满足根据本发明构思的构成成分和含量的范围的表格。比较例1与实例6具有同样的构成成分和含量但不包括铈(Ce)。比较例2至4满足现有耐热铸铁的构成成分和含量，并且比较例5满足现有耐热铸钢的构成成分和含量。
[表2]
表2是比较表1描述的实例1至9以及比较例1至5的高温抗拉强度和氧化值的表格。
在本文中，通过基于ASTME21“金属材料的高温拉伸测试(ElevatedTemperatureTensionTestsofMetallicMaterials)”在约800℃温度(其与车辆的排放系统的温度相近)下的高温拉伸测试，来比较高温强度。大的高温拉伸测试值意味着高的高温抗拉强度。
通过基于ASTMG111-97“高温或高压环境下或同时处于高温高压环境下的腐蚀测试指导(GuideforCorrosionTestsinHighTemperatureorHigh-PressureEnvironment,orBoth)”在约800℃的温度(其与排放系统的温度相近)下持续约200小的氧化值，来比较高温抗氧化性。小的氧化值意味着优越的抗氧化性。
比较高温拉伸测试值和氧化值，并且作为结果，可以看出实例1至9的平均高温抗拉强度约为172.2MPa，相比比较例1至5的平均高温抗拉强度约105.5MPa高出约64％。可以看出，实例1至9的平均氧化值约为34.9mg/cm2，相比比较例1至5的平均氧化值约122.4mg/cm2低约71.5％。
基于前述结果，可以确定，实例1至9的高温强度优于比较例1至5的高温强度约64％，并且确定，实例1至9的抗氧化性优于比较例1至5的抗氧化性约71.5％。
例如，可以确定，由于实例4的高温抗拉强度值和氧化值高于其余实例以及比较例的那些，所以实例4具有根据本发明构思的耐热铸钢的有利的构成成分和含量。
除了比较例1不包括铈(Ce)之外，比较例1的剩余构成成分的含量与实例6相同。然而，由于比较例1的高温抗拉强度比实例6的抗拉强度低约7％，并且比较例1的氧化值也比实例6的氧化值高约9％，所以不包括铈(Ce)的比较例1的高温抗拉强度比实例6的高温抗拉强度低，并且尤其是抗氧化性更低。因此铈(Ce)是提高耐热铸钢的高温强度尤其是提高抗氧化性的元素。
如上所述，已经关于本发明构思的具体实施方式描述了本发明构思，但是实施方式只是说明性的，并且本发明构思不限于此。在不脱离本发明构思的范围的情况下，可通过本发明构思所属领域的技术人员改变或修改所描述的实施方式，并且在本发明构思的技术精神以及所附权利要求的等同范围内，可以进行各种变更和修改。

Claims (12)

1.一种耐热铸钢，包括：
基于所述耐热铸钢的总重量
0.2wt％到0.4wt％的碳；
0.5wt％到1.0wt％的硅；
0.3wt％到0.8wt％的锰；
0.7wt％到1.0wt％的镍；
17wt％到23wt％的铬；
0.5wt％到1.0wt％的铌；
1.5wt％到2.0wt％的钨；
0.2wt％到0.5wt％的钒；
0.05wt％到0.1wt％的铈；
0.05wt％到0.1wt％的氮；以及
剩余部分的铁。
2.根据权利要求1所述的耐热铸钢，其中：
碳含量为0.27wt％到0.38wt％；
硅含量为0.65wt％到0.95wt％；
锰含量为0.35wt％到0.72wt％；
镍含量为0.53wt％到0.94wt％；
铬含量为17.5wt％到22.8wt％；
铌含量为0.53wt％到0.92wt％；
钨含量为1.52wt％到1.86wt％；
钒含量为0.25wt％到0.43wt％；
铈含量为0.06wt％到0.09wt％；并且
氮含量为0.05wt％到0.07wt％。
3.根据权利要求1所述的耐热铸钢，其中：
碳含量为0.38wt％；
硅含量为0.83wt％；
锰含量为0.41wt％；
镍含量为0.93wt％；
铬含量为22.8wt％；
铌含量为0.85wt％；
钨含量为1.79wt％；
钒含量为0.43wt％；
铈含量为0.08wt％；并且
氮含量为0.07wt％。
4.一种排放歧管，包括权利要求1所述的耐热铸钢。
5.一种排放歧管，包括权利要求2所述的耐热铸钢。
6.一种排放歧管，包括权利要求3所述的耐热铸钢。
7.一种涡轮机壳体，包括权利要求1所述的耐热铸钢。
8.一种涡轮机壳体，包括权利要求2所述的耐热铸钢。
9.一种涡轮机壳体，包括权利要求3所述的耐热铸钢。
10.一种集成排放歧管涡轮机壳体，包括权利要求1所述的耐热铸钢。
11.一种集成排放歧管涡轮机壳体，包括权利要求2所述的耐热铸钢。
12.一种集成排放歧管涡轮机壳体，包括权利要求3所述的耐热铸钢。
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