CN116623085A - 一种高温耐腐蚀耐磨铸钢及其生产方法和应用 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及金属材料技术领域，具体公开一种高温耐腐蚀耐磨铸钢及其生产方法和应用。其成分重量百分比为：C 0.8％～1.4％，Si 1.0％～3.0％，Cr28.0％～33.0％，Mo 1.0％～3.0％，Mn≤1.0％，P≤0.040％，S≤0.040％，余量为Fe和不可避免的杂质。本发明通过控制C、Si、Cr和Mo元素的含量，实现了铸钢高温性能、耐磨性能和耐腐蚀性能的匹配，且通过成分控制实现铸钢为铁素体+碳化物组织的目的，从而无需传统工艺的淬火工序就可以制备得到高温耐磨、耐腐蚀铸件，工艺简单，可有效提高生产效率，降低生产成本，从而显著提高企业的市场竞争力，在汽车发动机领域具有广阔的应用前景。
Description
技术领域
本发明涉及金属材料技术领域，尤其涉及一种高温耐腐蚀耐磨铸钢及其生产方法和应用。
背景技术
目前，作为汽车发动机进排气系统的重要组成部分，涡轮增压器按照增压压力的控制方式分为废气旁通阀式和可变截面式涡轮增压器两种，两者都需要利用连杆机构从增压器外部驱动一个通过轴孔装配在增压器壳体内的摇臂轴，调节废气旁通阀的开度以及喷嘴的开度，达到控制增压的目的。废气旁通阀式涡轮增压器的摇臂一般安装在涡轮壳体上；可变截面式涡轮增压器的摇臂一般轴承壳体上，两种结构均需要一个嵌入轴孔内的衬套，以便与摇臂轴形成更合理的摩擦副，而不是使摇臂轴与壳体材料直接接触配合。由于涡轮增压器在非常高的温度下工作，且摇臂轴和衬套直接暴露在发动机尾气中，无法通过机油、润滑油等进行润滑，只能以干磨的方式运行，因此，对于摩擦副的耐磨性能有非常高的要求。其次，衬套通过过盈配合的方式安装在壳体上，由发动机的启停和不同工况带来的尾气温度变化会引起相应的增压器壳体温度不断发生变化，因此需要衬套材料与壳体材料具有相近的热膨胀系数，才能避免衬套在使用过程中发生松脱。此外，摇臂和衬套作为增压器的一部分暴露在汽车发动机舱内，除了承受发动机尾气的腐蚀，还要承受潮湿空气、从地面飞溅的积水、融雪剂等引起的锈蚀问题，极端情况下会导致增压器的卡滞，因此需要衬套材料具有足够的耐腐蚀性能满足可靠性要求。
目前常见的耐磨钢为ZGMn13，是一种高锰钢，具有奥氏体组织，虽然其耐磨性较高，但是，以耐磨钢为ZGMn13为代表的高锰钢材料的耐腐蚀能力差、热膨胀系数高、高温性能不足。因此，研发一种具有耐磨性、耐腐蚀，且高温性能优异的铸钢，对于提高汽车发动机的使用寿命具有十分重要的意义。
发明内容
针对现有耐磨钢不能同时满足耐磨性、耐腐性和高温性能俱佳的问题，本发明提供一种高温耐腐蚀耐磨铸钢及其生产方法和应用。
为解决上述技术问题，本发明实施例提供的技术方案是：
第一方面，本发明提供了一种高温耐腐蚀耐磨铸钢，其成分重量百分比为：C0.8％～1.4％，Si 1.0％～3.0％，Cr 28.0％～33.0％，Mo 1.0％～3.0％，Mn≤1.0％，P≤0.040％，S≤0.040％，余量为Fe和不可避免的杂质。
相对于现有技术，本发明提供的高温耐腐蚀耐磨铸钢，通过控制C、Si和Cr的含量，使制备的铸钢的微观组织为铁素体和碳化物的组织，其中，碳化物起到强化作用，提高了铸钢的强度、抗冲击性和耐磨性；铁素体组织拥有比奥氏体组织具有更低的热膨胀系数，高温下热应力更低，显著提高了铸钢的高温性能，除此之外，铸钢的组织为铁素体，还可以省去后续的淬火处理，有利于简化工艺，节能降耗，且降低淬火导致的热变形风险；除此之外，加入1.0％～3.0％的Mo起到强化晶界并改善摩擦性能的作用，进一步提高铸钢的耐腐蚀性和耐磨性。
本发明通过控制C、Si、Cr和Mo元素的含量，实现了铸钢高温性能、耐磨性能和耐腐蚀性能的匹配，且通过成分控制实现了铸钢为铁素体+碳化物组织的目的，从而无需传统工艺的淬火工序就可以制备得到高温耐磨、耐腐蚀铸件，工艺简单，能耗较低，可有效提高生产效率，降低生产成本，从而显著提高企业的市场竞争力，在汽车发动机领域具有广阔的应用前景，具有较高的推广应用价值。
各元素的作用及配比依据如下：
C是钢中最重要的组成元素，也是决定碳钢凝固后金相组织和性能的主要元素。将C含量控制在0.8％～1.4％，不但可提高金相组织中铁素体的含量，从而提高钢的耐磨性和耐高温性能，同时，C还能与Cr、Mo形成碳化物，从而提高钢的高温强度；除此之外，上述含量范围的C还可以增加钢液的流动相，减少浇注缺陷。
Si是能固溶于铁素体中起到固溶强化的作用的元素，Si对铁素体的形成具有促进作用，能提高钢中铁素体的比例。一般认为Si含量高会降低冲击韧性，尤其是超过1％以后，冲击功显著降低，故一般耐磨钢的Si含量都低于1％。本发明出乎意料地发现，适当提高Si含量至2％以上及更高，在发动机排气系统的工况下，不但没有导致耐磨性的降低，反而实现了更小的总磨损量。发明人认为这与Si可以在铸件表面形成SiO2，从而提高了材料耐燃气腐蚀的能力有关，尤其可能是燃料不完全燃烧情况下形成的还原性气氛下的耐腐蚀能力的提高有关。发明人还意外发现，Si含量的提高，还提高了材料的铸造工艺性能，有利于降低铸造缺陷，从而降低废品率。
Cr高温下在材料表面形成致密的的Cr2O3氧化层，可以有效防止燃气热腐蚀。将Cr控制28.0％～33.0％范围内，不但可以提高钢中铁素体的含量，且保证Cr与C结合形成碳化物后，依然有足够的Cr保留在铁素体中，起到固溶强化作用，还与碳元素形成M23C6为主的碳化物，从而有利于提升材料的高温强度。
Mo可促进铁素体的形成，并起到强化晶界，提高高温强度的作用，且相比于Cr，Mo优先与碳形成碳化物，防止晶界处贫铬，显著提高材料的耐腐蚀性能。Mo与钢中不可避免的硫等伴生元素形成化合物，其在和其他材料接触摩擦时可以起到很好地润滑作用，对提高材料的耐磨性是非常有利的。但是，Mo原料价格相对较高，且含量达到2％以上性能提升不明显，因此，将Mo含量控制为1％～3％。Si、Mo协同可以提高铁素体到奥氏体的转变温度，使得材料在高温下依然具有铁素体组织，不会发生奥氏体相变。
P和S是容易引起钢冷脆的化学元素是容易引起钢热脆的化学元素，会降低钢的塑性，因此，将P的含量控制在0.040％以下，将S的含量控制在0.040％以下，且越低越好。
上述各成分以特定比例相互配和，能较好的满足在生产耐磨铸钢中对耐磨性、耐腐蚀性和高温性能相匹配的要求。
进一步地，所述高温耐腐蚀耐磨铸钢的成分重量百分比为：C 1.0％～1.2％，Si2.0％～3.0％，Cr 31.0％～33.0％，Mo 1.5％～2.5％，Mn≤1.0％，P≤0.040％，S≤0.040％，余量为Fe和不可避免的杂质。
上述优选的C、Si、Cr、Mo的含量范围，可以进一步提高材料的高温耐磨性和耐腐蚀性。
进一步地，所述其微观组织为微观组织为铁素体和碳化物。
若要保证发动机工况下钢的耐磨、耐腐蚀性，材料在室温下具备稳定的铁素体组织是必要的。铁素体与铁素体之间，铁素体与奥氏体之间的摩擦系数是明显低于奥氏体与奥氏体之间的摩擦系数的。铁素体拥有比奥氏体更低的热膨胀系数，高温下的热应力更低，在工作环境低于800℃的环境下，相较奥氏体更优优势。且铁素体基体材料不需要进行调质热处理，作为衬套材料可以在铸造后不进行热处理或者只进行简单退火处理后直接机加工至最终零件尺寸，且相较于奥氏体或者索氏体等调质处理后的组织更易于零件的机加工，能够降低生产成本，降低能耗，提高生产效率。
进一步地，所述高温耐腐蚀耐磨铸钢的室温下的屈服强度≥425MPa，抗拉强度≥650MPa，延伸率≥8％，硬度≥26HRC。
进一步地，，所述高温耐腐蚀耐磨铸钢的600℃的屈服强度≥146MPa，抗拉强度≥252MPa，延伸率≥11％。
进一步地，所述高温耐腐蚀耐磨铸钢100℃热膨胀系数为10.3×10-6/℃，200℃热膨胀系数为10.6×10-6/℃，300℃热膨胀系数为11.0×10-6/℃，400℃热膨胀系数为11.3×10-6/℃，500℃热膨胀系数为11.7×10-6/℃，600℃热膨胀系数为12.3×10-6/℃，700℃热膨胀系数为13.1×10-6/℃。
本发明还提供了上述高温耐腐蚀耐磨铸钢的生产方法，包括如下步骤：
S1，将炼钢原料熔融，升温至1520℃～1550℃，加入氧化钙进行造渣，除渣；
S2，出钢，出钢过程中向钢液中加入脱氧剂进行脱氧，将脱氧后的钢液进行浇注，得高温耐腐蚀耐磨铸钢。
作为一种具体实施方式，S2中，所述脱氧剂为硅钙合金，脱氧剂的加入量为钢液质量的0.15％～0.30％，脱氧时间为3min-5min。
作为一种具体实施方式，S2中，浇注温度为1470℃～1570℃。
示例性的，所述炼钢原料包括：钢材15％～35％、回炉料20％～60％，微碳铬铁5％～40％，钼铁合金0.5％～2.5％，硅铁合金0.5％～2.5％。
示例性的，加入氧化钙造渣后静置3min～5min再进行除渣。
需要说明是的，浇注可以采用熔模铸造或砂型铸造均可，浇注结束后即可直接进行机加工至最终零件尺寸。
本发明提供的高温耐腐蚀耐磨铸钢的生产方法，可以通过浇注直接获得铁素体基的铸件，无需传统工艺中的淬火工序，从而有效降低了能耗和生产成本，提高了生产效率，且避免了传淬火工艺容易导致的热变形风险，改善了可加工性能，更关键的是，在省去传统淬火处理工艺的前提下，还显著提高了铸钢的高温耐磨、耐腐蚀性能，在汽车发动机领域具有广阔的应用前景。
第三方面，本发明还提供了所述高温耐腐蚀耐磨铸钢在制备耐磨损、耐腐蚀零部件中的应用。
进一步地，所述耐磨损、耐腐蚀零部件为汽车发动机涡轮增压器的衬套。
本发明提供的高温耐腐蚀耐磨铸钢为铁素体+碳化物组织，且在高温下依然具有铁素体组织，不会发生奥氏体相变，具有优异的高温耐磨、耐腐蚀性能；且在铸造成型后无需淬火处理，可直接机加工至最终零件尺寸，降低了生产成本和能耗，显著提高了生产效率，具有较高的实用价值，在汽车发动机领域具有广阔的应用前景。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。
为了更好的说明本发明，下面通过实施例做进一步的举例说明。
实施例1
本发明实施例提供一种高温耐磨、耐腐蚀铸钢，其化学成分为：
C 1.16％，Si 2.43％，Cr 32.3％，Mo 1.95％，Mn 0.41％，P 0.032％，S 0.040％，余量为Fe和不可避免的杂质。
上述高温耐磨、耐腐蚀铸钢的生产方法如下：
步骤一、按照上述成分设计配比称取废钢、回炉料、微碳铬铁、钼铁合金和硅铁合金加入感应电炉中，将炼钢原料熔融，升温至1530℃，加入氧化钙进行造渣，钢液静置4min除渣；
步骤二、从感应电炉出钢至浇注包内，出钢过程中向钢液中加入钢液质量0.2％硅钙合金进行脱氧，加入脱氧剂5min后控制钢液温度1500℃进行浇注，得高温耐腐蚀耐磨铸钢。
实施例2
本发明实施例提供一种高温耐磨、耐腐蚀铸钢，其化学成分为：
C 1.11％，Si 2.53％，Cr 30.0％，Mo 2.11％，Mn 0.29％，P 0.027％，S 0.035％，余量为Fe和不可避免的杂质。
上述高温耐磨、耐腐蚀铸钢的生产方法如下：
步骤一、按照上述成分设计配比称取废钢、回炉料、微碳铬铁、钼铁合金和硅铁合金加入感应电炉中，将炼钢原料熔融，升温至1520℃，加入氧化钙进行造渣，钢液静置3min除渣；
步骤二、从感应电炉出钢至浇注包内，出钢过程中向钢液中加入钢液质量0.15％硅钙合金进行脱氧，加入脱氧剂4min后控制钢液温度1470℃进行浇注，得高温耐腐蚀耐磨铸钢。
实施例3
本发明实施例提供一种高温耐磨、耐腐蚀铸钢，其化学成分为：
C 1.12％，Si 2.06％，Cr 32.2％，Mo 2.02％，Mn 0.25％，P 0.039％，S0.038％，余量为Fe和不可避免的杂质。
上述高温耐磨、耐腐蚀铸钢的生产方法如下：
步骤一、按照上述成分设计配比称取废钢、回炉料、微碳铬铁、钼铁合金和硅铁合金加入感应电炉中，将炼钢原料熔融，升温至1550℃，加入氧化钙进行造渣，钢液静置5min除渣；
步骤二、从感应电炉出钢至浇注包内，出钢过程中向钢液中加入钢液质量0.3％硅钙合金进行脱氧，加入脱氧剂3min后控制钢液温度1570℃进行浇注，得高温耐腐蚀耐磨铸钢。
实施例4-13
实施例4-13的制备方法与实施例1相同，各实施例的具体成分如表1所示。
表1
对比例1
本对比例提供一种耐磨钢GX60CrMnMoVNbN21-10(1.4785材质，标准:DIN 17480-1998)，具体成分如下：
| 碳C％ | 铬Cr％ | 锰Mn％ | 铝Al％ | 钼Mo％ | 钒V％ | 铌Nb％ | 氮N％ |
| 0.62 | 20.80 | 10.41 | 0.43 | 0.85 | 0.85 | 1.06 | 0.42 |
性能测试：
1.室温力学性能
将实施例1-13制备的高温耐磨耐腐蚀铸钢根据GB/T 228.1-2021在室温下进行力学性能测试，结果如表2所示。
表2室温(20℃)下力学性能
2.高温力学性能
将实施例1-13制备的高温耐磨耐腐蚀铸钢根据GB/T 228.2-2015在室温下进行力学性能测试，结果如表2所示。
表2高温(600℃)力学性能
| 编号 | 屈服强度MPa | 抗拉强度MPa | 延伸率％ |
| 实施例1 | 178 | 303 | 15 |
| 实施例2 | 160 | 293 | 13 |
| 实施例3 | 162 | 287 | 19 |
| 实施例4 | 177 | 300 | 12 |
| 实施例5 | 155 | 253 | 14 |
| 实施例6 | 182 | 333 | 11 |
| 实施例7 | 146 | 249 | 18 |
| 实施例8 | 172 | 278 | 12 |
| 实施例9 | 165 | 288 | 19 |
| 实施例10 | 147 | 252 | 13 |
| 实施例11 | 175 | 310 | 13 |
| 实施例12 | 177 | 299 | 15 |
| 实施例13 | 156 | 299 | 11 |
3.耐磨性
将实施例1、实施例6、实施例10和对比例1制备的铸钢制成衬套。
实施例1制备成衬套的生产工艺为本领域常规工艺：将铸钢在感应炉中加热熔融后用熔模铸造的方式浇铸成衬套毛坯，将毛坯粗加工轮廓，再加工至最终尺寸。
对比例1制备成衬套的生产工艺为本领域常规工艺：将铸钢在感应炉中加热熔融后用熔模铸造的方式浇铸成衬套毛坯，将毛坯粗加工轮廓，水韧热处理后再加工至最终尺寸。
采用1.4845材质按照本领域常规的方法制备成摇臂轴，摇臂轴表面进行常规的低温气体碳氮共渗处理，温度在550-600℃之间，渗氮层深控制在大于20微米。将制备的摇臂轴和衬套采用过盈配合的方式安装于壳体部件。按照GB/T 19055-2003进行发动机耐久试验，验证衬套在真实工况下的磨损情况，结果如表3所示。
表3真实工况下的最大磨损量
4.耐腐蚀性
根据GB/T 10125-2021进行中性盐雾试验，实施例1制备的衬套192h后未出现红锈；对比例1制备的衬套96h出现红锈。说明本发明实施例的铸钢材料的耐腐蚀性明显优于现有1.4785材质。
实施例2-13均可达到与实施例1基本相当的耐腐蚀性，仅有实施例10的耐腐蚀性略低于其他实施例。
5.热膨胀系数
将实施例1和对比例1的铸钢材料根据GB/T 4339-2008测试在不同温度下的热膨胀系数。结果如表4所示。
表4热膨胀系数
综上所述，本发明实施例制备的铸钢材料在高温下依然具有铁素体组织，不会发生奥氏体相变，采用过盈配合方式安装于铁素体部件(如灰铸铁、高硅钼球墨铸铁、蠕墨铸铁等壳体、箱体)的情况下，由于与壳体有接近的热膨胀系数，不会发生温度变化导致松脱及高温下热应力导致的壳体开裂的问题；且在铸造成型后可以直接机加工至最终零件尺寸，不需要进行热处理，显著提高了生产效率。
本发明实施例相比对比例1，加工刀具寿命可提高10％；发动机衬套类零件重量只有几十克，材质本身在总成本中占比很小，本发明可以降低机加工成本和热处理成本，与对比例1及其他高锰钢类材料相比具有明显成本优势，且生产效率高，可有效提高国内企业的市场竞争力，具有广阔的应用前景。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换或改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种高温耐腐蚀耐磨铸钢，其特征在于，其成分重量百分比为：C0.8％～1.4％，Si1.0％～3.0％，Cr 28.0％～33.0％，Mo 1.0％～3.0％，Mn≤1.0％，P≤0.040％，S≤0.040％，余量为Fe和不可避免的杂质。
2.如权利要求1所述的高温耐腐蚀耐磨铸钢，其特征在于，其成分重量百分比为：C1.0％～1.2％，Si 2.0％～3.0％，Cr 31.0％～33.0％，Mo 1.5％～2.5％，Mn≤1.0％，P≤0.040％，S≤0.040％，余量为Fe和不可避免的杂质。
3.如权利要求1或2所述的高温耐腐蚀耐磨铸钢，其特征在于，其微观组织为铁素体和碳化物。
4.如权利要求1或2所述的高温耐腐蚀耐磨铸钢，其特征在于，所述高温耐腐蚀耐磨铸钢的室温下的屈服强度≥425MPa，抗拉强度≥650MPa，延伸率≥8％，硬度≥26HRC。
5.如权利要求1或2所述的高温耐腐蚀耐磨铸钢，其特征在于，所述高温耐腐蚀耐磨铸钢的600℃的屈服强度≥146MPa，抗拉强度≥252MPa，延伸率≥11％。
6.如权利要求1或2所述的高温耐腐蚀耐磨铸钢，其特征在于，所述高温耐腐蚀耐磨铸钢100℃热膨胀系数为10.3×10-6/℃，200℃热膨胀系数为10.6×10-6/℃，300℃热膨胀系数为11.0×10-6/℃，400℃热膨胀系数为11.3×10-6/℃，500℃热膨胀系数为11.7×10-6/℃，600℃热膨胀系数为12.3×10-6/℃，700℃热膨胀系数为13.1×10-6/℃。
7.如权利要求1-6任一项所述的高温耐腐蚀耐磨铸钢的生产方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1，将炼钢原料熔融，升温至1520℃～1550℃，加入氧化钙进行造渣，除渣；
S2，出钢，出钢过程中向钢液中加入脱氧剂进行脱氧，将脱氧后的钢液进行浇注，得高温耐腐蚀耐磨铸钢。
8.如权利要求7所述的高温耐腐蚀耐磨铸钢的生产方法，其特征在于，S2中，所述脱氧剂为硅钙合金，脱氧剂的加入量为钢液质量的0.15％～0.30％，脱氧时间为3min-5min；和/或
S2中，浇注温度为1470℃～1570℃。
9.权利要求1-6任一项所述的高温耐腐蚀耐磨铸钢在制备耐磨损、耐腐蚀零部件中的应用。
10.如权利要求9所述的应用，其特征在于，所述耐磨损、耐腐蚀零部件为汽车发动机涡轮增压器的衬套。
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