CN108624808A - 球墨铸铁以及排气系统部件 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种球墨铸铁，与以往的高硅钼球墨铸铁相比，提高了高温强度和耐氧化性，且中温区域的延展性优异。本发明的球墨铸铁，在以质量比衡量的情况下，含有2.8～3.8％的碳、4.0～5.5％的硅、1.0％以下的锰，0.03～0.12％的磷、0.1～1.5％的铬，剩余部分包括铁以及不可避免的杂质。

Description

球墨铸铁以及排气系统部件

技术领域

本发明涉及一种球墨铸铁，尤其涉及一种高温强度和耐氧化性优异的球墨铸铁以及由该球墨铸铁形成的排气系统部件。

背景技术

球墨铸铁由于具有高温强度和耐氧化性优异这样的特性，所以用作轿车、卡车或工业机械等中的涡轮机壳体或排气歧管那样的排气系统部件的材料。近年来，考虑到对环境的影响，强烈需要降低油耗，从而发动机的排气温度有上升的倾向。排气系统部件，在因排气而反复暴露于高温下等承受急剧的温度变化的条件下使用，因此要求更高等级的高温强度和耐氧化性。

以往，一般使用高硅钼球墨铸铁(延性铸铁)来作为排气歧管用材料。这样的高硅钼球墨铸铁的使用临界温度为800℃以下，但是近年来，因为暴露于900℃左右的排气中，所以设想排气系统部件升温至大幅超过800℃的温度的情况，因此需求在温度超过800℃的排气系统部件中使用的材料。

作为替代高硅钼球墨铸铁的高温强度和耐氧化性优异的排气系统部件材料，公知有耐蚀高镍铸铁和不锈钢铸钢。但是，由于这些材料含有大量的镍(Ni)，因此存在原材料成本变高的问题点。

为了解决这样的问题点，进行通过合金设计来改良球墨铸铁的各种各样的研究开发，例如，在专利文献1中，公开了向高硅钼铸铁中添加钒(V)的铁素体类球墨铸铁。此外，在专利文献2中，公开了向高硅钼铸铁中添加了钒、铌(Nb)、钨(W)的铁素体类球墨铸铁。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本专利第3936849号公报

专利文献2：日本专利第5232620号公报

发明内容

发明要解决的问题

但是，专利文献1和专利文献2中公开的球墨铸铁，虽然能够提高至承受超过800℃的温度的高温强度，但是在因排气歧管等的排气系统部件的使用环境即排气而反复暴露于高温下并承受急剧的温度变化的条件下，存在其耐热特性不足的问题。即，虽然确保了高温强度，但是在从800℃以上的温度区域冷却到100℃程度的过程中部件会产生裂纹，因此需求中温区域的延展性优异的材料。

本发明是鉴于这样的问题点而提出的，其目的在于提供一种与以往的高硅钼球墨铸铁相比，提高了高温强度和耐氧化性，且中温区域的延展性优异的球墨铸铁。此外，其目的在于提供一种由这样的球墨铸铁形成的排气系统部件。

用于解决问题的手段

为了达成上述目的，第一，本发明提供一种球墨铸铁，在以质量比衡量的情况下，含有2.8～3.8％的碳、4.0～5.5％的硅、1.0％以下的锰、0.03～0.12％的磷、0.1～1.5％的铬，剩余部分包括铁以及不可避免的杂质(第一发明)。

根据上述发明(第一发明)能够得到与以往的高硅钼球墨铸铁相比提高了高温强度和耐氧化性且中温区域的延展性优异的球墨铸铁，其中，通过使化磷(P)的含有量最佳化，来获得高的中温区域延展性，通过含有铬(Cr)，来获得高的耐氧化性。

在上述发明(第一发明)中，优选在以质量比衡量的情况下，还含有0.6％以下的钒(第二发明)。

此外，在上述发明(第一发明、第二发明)中，优选在以质量比衡量的情况下，还含有0.8％以下的钼(第三发明)。

第二，本发明提供一种排气系统部件，其由第一至第三发明中任一项的球墨铸铁形成(第四发明)。

发明的效果

本发明的球墨铸铁，在以质量比衡量的情况下，含有2.8～3.8％的碳、4.0～5.5％的硅、1.0％以下的锰，0.03～0.12％的磷、0.1～1.5％的铬，剩余部分包括铁以及不可避免的杂质，由此，与以往的高硅钼球墨铸铁相比，提高了高温强度和耐氧化性，且中温区域的延展性优异。此外，由该球墨铸铁形成的排气系统还能够在超过800℃的温度中使用，在从800℃以上的温度区域冷却到100℃左右的过程中部件也不会产生裂纹。

附图说明

图1是示出本发明的实施例以及比较例的耐氧化性性能评价(氧化减少量的测定结果)的图表。

图2是示出同一实施例以及比较例的高温强度性能评价(相变点温度的测定结果)的图表。

图3是示出同一实施例以及比较例的高温强度性能评价(拘束度为30％的热疲劳寿命的测定结果)的图表。

图4是示出同一实施例以及比较例的高温强度性能评价(400℃下的伸长率的测定结果)的图表。

图5是示出同一实施例以及比较例的高温强度性能评价(800℃下的0.2％抗拉屈服强度的测定结果)的图表。

具体实施方式

以下，对本发明的一个实施方式中的球墨铸铁和由该球墨铸铁形成的排气系统部件进行说明。

首先，本实施方式的球墨铸铁，在以质量比衡量的情况下，含有2.8～3.8％的碳(C)、4.0～5.5％的硅(Si)、1.0％以下的锰(Mn)、0.03～0.12％的磷(P)、0.1～1.5％的铬(Cr)、0.02～0.06％的镁(Mg)，剩余部分包括铁(Fe)以及不可避免的杂质。通过这样使构成最佳化，能够形成与以往的高硅钼球墨铸铁相比提高了高温强度和耐氧化性且中温区域的延展性优异的球墨铸铁。

此外，本实施方式的球墨铸铁还具有能够以比原材料中含有大量的镍的耐蚀高镍铸铁或不锈钢铸钢更低的价格进行制造的附属效果。

接着，对本发明人在设计本实施方式的球墨铸铁时所考虑的要点进行说明。

第一点是提高A1相变点。为了提高铁素体类球墨铸铁的耐热性，需要提高A1相变点。A1相变点是通过升温使由铁素体和珠光体混合而成的基体组织相变为奥氏体相的温度，若使A1相变点上升，则基体组织难以变为奥氏体相，从而能够提高耐热性。

由于A1相变点随着硅的添加量的增加而上升，因此与以往的铸铁材料相比在能够实用的基础上尽量多地添加硅，并且将硅的添加量的下限值设为4.0质量％。另一方面，若添加过量的硅，则球墨铸铁延伸率显著降低，因此将上限值设为5.5质量％。

由此，与以往的铸铁中A1相变点为大约840℃相比，能够使该A1相变点上升到900℃以上。通常，暴露于850～900℃的高温排气下的排气系统部件的温度升温到780～830℃附近。若将本实施方式的球墨铸铁适用于排气系统部件，则即使在发动机运转时也不会超过A1相变点，从而能够抑制伴随着相变而发生大的相变应变，能够大幅提高热疲劳寿命。

第二点是提高耐氧化性。由于球墨铸铁的耐氧化性依赖于硅含有量，所以高硅球墨铸铁材料与通常的铸铁材料相比耐氧化性优异。使用了球墨铸铁的排气系统部件等的表面上生成的氧化膜的量在硅含有量越高时变得越少，其结果，抑制发生因氧化膜裂纹而起因的贯通裂纹，有助于提高寿命。因此，若在为了提高A1相变点而决定的范围内决定硅添加量，则在提高耐氧化性方面也能够得到足够的效果。

此外，由于铬也是提高耐氧化性的元素，所以通过在0.1～1.5质量％的范围内添加铬，能够在上述的因添加硅而得到的效果的基础上，进一步提高耐氧化性。

第三点是提高耐热疲劳性。在以往的技术中，为了提高耐热疲劳性，使用了用于提高球墨铸铁所特有的从室温到高温的抗拉强度或屈服强度的方法。但是，本发明人得到了解决在400℃附近伸长率出现降低的问题的方法。即，本实施方式的球墨铸铁的合金设计谋求通过提高400℃附近的伸长率，来抑制出现对应于在加热冷却循环内产生的拉伸应变而发生塑性变形的情况，并延长直到产生初始裂纹的寿命。

对于400℃附近的伸长率，在使磷的添加量为0.03质量％以上时，示出10％以上的高数值，并且对于在从高温进行冷却时发生的拉伸应变能够得到有利的效果。另一方面，添加过度的磷会在球墨铸铁中形成非常硬质的斯氏体，硬度上升，在室温下的韧性降低，因此将上限设为0.12质量％。

以下，对各成分的含有量的限定理由进行说明。

<碳(C)：2.8～3.8质量％>

对于碳的含有量，为了将后述的磷的含有量设定得高，需要使其为2.8～3.8质量％。若碳的含有量不足2.8质量％，则容易生成碳化物，若碳的含有量超过3.8质量％，则结晶出异常的石墨，强度以及韧性会降低。特别是优选为3.0～3.4质量％。由于为了确保良好的铸造性需要将CE值(碳当量，C+Si/3)设定为4.5～4.9的程度，所以将碳的含有量设为3.0质量％以上且3.4质量％以下，由此能够将CE值控制为适当的值。

<硅(Si)：4.0～5.5质量％>

硅具有促进碳的石墨化以及基体的铁素体化的效果，在一般的球墨铸铁中硅的含有量为2.5质量％的程度。在本实施方式中，为了使A1相变温度上升并提高耐氧化性，将硅的含有量设为4.0质量％以上，另一方面，若硅的含有量变高，则铸铁的韧性会降低，因此将上限设为5.5质量％。尤其优选为4.3～5.1质量％。通过将硅的含有量设为4.3质量％以上，能够进一步提高耐氧化性，通过将硅的含有量设为5.1质量％以下，能够防止铸铁的延展性降低，并且能够防止出现因CE值(石墨量)过大而导致铸造性降低的情况。

<锰(Mn)：1.0质量％以下>

由于锰是材料的不可避免的杂质，也是形成基体的珠光体组织的元素，所以需要将锰的含有量的上限设为1.0质量％。

<磷(P)：0.03～0.12质量％>

通过将磷的含有量最佳化为0.03～0.12质量％，能够确保高的中温区域延展性。若磷的含有量不足0.03质量％，则在400℃附近的伸长率会降低，若磷的含有量超过0.12质量％，则会结晶出铁与磷、碳的化合物，机械性质会降低。尤其优选为0.04～0.06质量％。通过将磷的含有量设为0.04质量％以上，能够不使400℃附近的伸长率降低，且还能够承受从高温区域冷却时的拉伸应变，通过将磷的含有量设为0.06质量％以下，能够避免出现因形成斯氏体(磷化铁)而硬度上升的情况。

<铬(Cr)：0.1～1.5质量％>

铬是提高高温中的耐氧化性的元素，在本实施方式中添加0.1质量％以上的铬，但是若铬的含有量变高，则铸铁的延展性会受损，因此将上限设为1.5质量％。尤其优选为0.3～0.8质量％。通过将铬的含有量设为0.3质量％以上，能够进一步提高耐氧化性。另一方面，由于铬有很强的生成碳化物的倾向且是阻碍碳的球化的元素，因此考虑到使基体中的碳化物尺寸变得粗大的情况，优选将铬的含有量设为0.8质量％以下。

<镁(Mg)：0.02～0.06质量％>

为了进行石墨的球化处理，添加0.02质量％以上的镁。另一方面，若镁的含有量变高，则会产生碳化物或产生浮渣(dross)(氧化物的夹渣)缺陷，因此将含有量的上限设为0.06质量％。此外，石墨的球化也可以通过其它公知方法来进行，例如也可以添加铈(Ce)、镧(La)等的稀土类元素或钙(Ca)以代替镁来进行石墨的球化处理。

此外，优选本实施方式的球墨铸铁除了上述的构成外，还含有0.6质量％以下的钒(V)。

进一步，优选本实施方式的球墨铸铁除了上述的构成外，还含有0.8质量％以下的钼(Mo)。

若从提高耐热变形性的观点进行考虑，则为了在拘束伸长或收缩的状态下抑制因加热或冷却而产生的热变形，有效手段是，提高高温强度，尤其是提高高温屈服强度或高温比例极限。因此，对于提高高温时的铁素体类球墨铸铁的强度，添加钒及/或钼是有效的方法。另一方面，钒和钼是过度添加则同时导致耐氧化性恶化的元素。因此，优选将钒的添加量的上限设为0.6质量％，将钼的添加量的上限设为0.8质量％。

在本实施方式的球墨铸铁中，也可以在上述的含有量的范围内同时含有钒以及钼。

接着，对由本实施方式的球墨铸铁形成的排气系统部件进行说明。本实施方式的球墨铸铁，与以往的高硅钼球墨铸铁相比，提高了高温强度和耐氧化性，且中温区域的延展性优异，因此优选适用于涡轮机壳体、排气歧管、涡轮机壳体一体型排气歧管以及其它的用于轿车、卡车或工业机械等的发动机上的排气系统部件。由该球墨铸铁形成的排气系统部件在超过800℃的温度下也具有足够的高温强度，并且在从800℃以上的温度区域冷却到100℃左右的过程中也不会产生裂纹。此外，本实施方式的球墨铸铁能够以比原材料中含有大量的镍的耐蚀高镍铸铁或不锈钢铸钢更低的价格进行制造，因此能够降低排气系统部件的制造成本。

此外，适用本实施方式的球墨铸铁而形成的部件，并不限于涡轮机壳体、排气歧管、涡轮机壳体一体型排气歧管以及其它的排气系统部件，例如，本实施方式的球墨铸铁也能够适用于在高温环境下使用的结构构件等。

实施例

以下，通过实施例等来对本发明进行更具体的说明，但本发明的范围并不限定于这些实施例等。

<试验用材料的制作>

在表1中示出实施例1～15以及比较例1～7的球墨铸铁试验用材料的成分组成。在以表1的成分组成调和并熔融之后，以形成为以JISG5502为基准的Y形B号的形状的方式，浇注并制作成各试验用材料。

[表1]

<耐氧化性性能的评价>

通过氧化减少量来评价各试验用材料的耐氧化性。具体地说，向电炉内放入试验用材料，在大气环境下加热至900℃并保持100小时。此后，除去试验用材料表面的氧化物。分别测定加热前的试验用材料的质量和除去氧化物后的试验用材料的质量，并通过以下的公式(1)算出氧化减少量。在表2以及图1中示出得到的测定结果。

Wd＝(Wo-Ws)/Ao……(1)

(Wd表示氧化减少量(mg/cm²)，Ws表示试验后的质量(mg)，Wo表示试验前的质量(mg)，Ao表示试验前的试验用材料的表面积(cm²)。)

[表2]

<高温强度性能的评价>

通过相变点温度、热疲劳强度、伸长率以及屈服强度来评价各试验用材料的高温强度。

对于根据相变点温度进行的评价，具体地说，使用热机械分析装置，对试验用材料慢慢地加热，以0.1℃/秒的升温速度升温，来测定开始相变的相变点温度。在表2以及图2中示出得到的测定结果。

接着，对于根据热疲劳强度进行的评价，具体地说，使用伺服脉冲(servo pulsar)型热疲劳实验装置(高频感应加热方式)，使试验用材料在大气下的拘束度为30％的条件下，反复进行由以下的步骤构成一个循环的模式，来评价热疲劳寿命，该步骤包括(A)以5℃/秒从100℃升温至800℃，(B)在800℃保持180秒，(C)以5℃/秒从800℃降温至450℃，(D)以2℃/秒从450℃降温至100℃。此外，将试验用材料从初始应力降低25％的应力的情况视为破坏，将直至该破坏的上述模式的重复次数定义为热疲劳寿命。表2以及图3示出得到的测定结果。

对于根据伸长率进行的评价，具体地说，使用拉伸试验机来测定试验用材料在400℃下的伸长率。表2以及图4示出测定结果。

对于根据屈服强度进行的评价，具体地说，使用拉伸试验机来测定试验用材料在800℃时的0.2％屈服强度。表2以及图5示出测定结果。

<评价结果的分析>

根据上述的耐氧化性性能评价以及高温强度性能评价的结果，如表2以及图1所示，比较本发明的实施例1～15和比较例1～7可知在所有实施例中，氧化减少量表少，提高了耐氧化性性能。虽然实施例15的氧化减少量变多，但是认为其起因是钒的添加量超过0.6质量％。

如表2以及图2所示，比较本发明的实施例1～15和比较例1～7可知在所有实施例中，相变点温度变高，提高了高温区域中的强度性能。

如表2以及图3所示，比较本发明的实施例1～15和比较例1～7可知在所有实施例中，热疲劳寿命变长，提高了相对于热疲劳的强度性能。

如表2以及图4所示，比较本发明的实施例1～15和比较例1～3可知400℃下的延展性优异，提高了强度性能。对于比较例4～7，通过将磷的添加量控制在适当的范围内，具有与实施例1～15同等或以上优异的400℃下的延展性，但是由于没有将硅或镍的添加量控制在适当的范围内，所以可知热疲劳寿命比实施例1～15短，没有提高相对于热疲劳的强度性能。

从以上可知，本发明的实施例1～15具有优异的耐氧化性性能和高温强度性能。尤其是，实施例1～3的耐氧化性性能极为优异，且若考虑示出的850℃以上的相变点温度，则优选将实施例1～3的组成作为汽车用部件(排气系统部件)的材料。

以上说明的本发明的实施方式以及实施例是为了更容易地理解本发明而记载的内容，并不是为了限定本发明而记载的内容。因此，上述实施方式以及实施例所公开的各要素还包含有属于本发明的技术范围的所有设计变更或等同物。

Claims (4)

1.一种球墨铸铁，其特征在于，在以质量比衡量的情况下，含有2.8～3.8％的碳、4.0～5.5％的硅、1.0％以下的锰、0.03～0.12％的磷、0.1～1.5％的铬，剩余部分包括铁以及不可避免的杂质。

2.根据权利要求1所述的球墨铸铁，其特征在于，在以质量比衡量的情况下，还含有0.6％以下的钒。

3.根据权利要求1所述的球墨铸铁，其特征在于，在以质量比衡量的情况下，还含有0.8％以下的钼。

4.一种排气系统部件，其特征在于，由权利要求1～3中任一项所述的球墨铸铁形成。