CN1572894A - 汽车发动机排气系统用铸铁组合物 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种汽车发动机排气系统用铸铁组合物，其特征在于，铁作为主要材料加入，此外添加2.9～3.8wt％的C，4.0～4.5wt％的Si，低于0.3wt％的Mn，低于0.05wt％的P，低于0.1wt％的S，0.8～1.2wt％的Mo，低于0.025wt％的Mg。当本发明用于汽车的排气歧管和涡轮增压器的涡轮机架时，可以提高高温强度和高温耐热性能。

Description

汽车发动机排气系统用铸铁组合物
技术领域
本发明涉及一种汽车发动机排气系统用铸铁组合物，更具体地，涉及通过这样一种方式能够在高温条件下获得优异的抗氧化性和高温强度增强效果的汽车发动机排气系统用铸铁组合物，即由作为主要材料加入的Fe以及C、Si、Mn、P、S、Mo和Mg组成的汽车发动机排气系统用铸铁组合物用于发动机排气系统中的排气歧管或涡轮机架。
背景技术
通常来讲，汽车排气系统被设计成为可以降低排气干扰从而保护发动机性能降低的结构。也就是说，排气系统由热容量小的材料构成使得排气系统能够快速升温到催化剂起作用的活性温度，以减少发动机启动后有害气体成分，如HC，CO等的排放。另外，由于700～950℃的高温排放气体通过排气系统，所以它主要需要高温强度，高温疲劳强度，抗蠕变强度，和抗高温氧化等性能。富含镍奥氏体的高镍球墨铸铁是一种一般最常用的制作汽车排气歧管的材料。例如，根据日本公开专利号Hei 6-228712，具有优异的高温强度的奥氏体铸铁包括8～20wt％的Ni。然而，以上材料由于耐热性能的某些局限而不能制作薄件，因此，它具有大的热容量，使得排气量在发动机起动时因为催化剂的熄灯时间(light-off-time)而增加。
因此，一种具有低的热膨胀系数和优异的耐热性能的铁素体不锈铸铁由于以上原因常被应用。以上的铁素体不锈钢与奥氏体不锈钢相比成本较低，但可加工性，柔韧性和高温强度等较差。根据日本公开专利号Sho 61-261460，为了克服上述问题，加入了硼(B)。硼的添加导致了耐热性能和抗腐蚀性能的一些问题。根据日本公开专利号Hei2-175843和Hei 3-274245，建议通过添加相对较多的Mo和Nb来制作铁素体不锈钢，从而改善抗腐蚀性能和耐热性能的问题。
然而，上述元素是昂贵的，且不锈铸铁材料的应用具有不利因素。因此，其在工业上的实际应用受到了限制。
为了克服以上问题，根据韩国专利申请号1997-57271，公开了一种SUS不锈铸铁材料，其中添加了钛和铝以替代钨和铌，且增加了Si的添加量。以上铸铁材料有个与传统铸铁材料区分的问题。
发明内容
本发明的实施例提供了一种汽车发动机排气系统用铸铁组合物，它能够通过以下方式提高可靠性且最小化氧化剥落引起的催化剂损害，即适当的调整汽车排气系统用合金中，也就是高温下使用的球墨铸铁的成分中的Si和Mo的添加量，从而提高抗高温氧化性能、高温强度和铸造性能。
为了达到以上目标，提供了一种汽车发动机排气系统用铸铁组合物，其特征在于铁作为主要材料加入，此外添加了2.9～3.8wt％的C，4.0～4.5wt％的Si，低于0.3wt％的Mn，低于0.05wt％的P，低于0.1wt％的S，0.8～1.2wt％的Mo，低于0.025wt％的Mg。
附图简单说明
本发明的上述方面和其他特征将在以下结合附图的描述中解释，其中：
图1是本发明实施例和比较例的高温拉伸强度试验的结果的图表；
图2是本发明实施例和比较例的抗高温氧化性试验的结果的图表；
图3是根据本发明的实施例制作的铸铁厚部的显微照片；
图4是根据本发明的实施例制作的铸铁口部(port part)的显微照片；
图5是基于传统技术实施例制作的铸铁厚部的显微照片；和
图6是基于传统技术实施例制作的铸铁口部的显微照片。
具体实施方式
在下文中，参考附图详细描述本发明的实施例。
一般来说，通常用于汽车发动机排气系统的铸铁材料是由C，Si，Mn，P，Mg和Mo的合金组成的。
此时，在本发明中，适当调整上述成分中Si的添加量，从而与传统的汽车发动机排气系统用铸铁材料相比提高材料的抗氧化性能，调整Mo的添加量，通过基于铁素体比率的降低和碳化物的形成改善基体，从而提高高温强度。
这里，在添加的总量中Si的添加量优选在4.0～4.5wt％的范围内。如果添加量在以上范围之外，也就是说，如果添加量低于4.0wt％，抗氧化性降低，因而与传统技术相比没有任何区别。如果添加量超过4.5wt％，铸铁柔韧性显著降低，导致主要成分的许多问题。因此，Si的添加量优选限制在4.0～4.5wt％范围内。
另外，在添加的总量中Mo的添加量优选在0.8～1.2wt％的范围内。如果Mo的添加量低于0.8wt％，出现差的高温强度；在Mo的添加量超过1.2wt％的情况下，出现珠光体，因而硬度和拉伸强度上升，相反，延伸性和抗冲性(impact degree)下降。
在本发明中，除上述成分之外，还添加了2.9～3.8wt％的C，低于0.3wt％的Mn，低于0.05wt％的P，低于0.1wt％的S，0.025～0.045wt％的Mg。
这时，如果C的添加量低于2.9wt％，出现收缩缺陷；如果C的添加量超过3.8wt％，出现碳浮游现象。
另外，由于Mn作为铸铁的五种基本成分之一添加，其添加量低于0.3wt％。Mn起促进珠光体的作用，如果Mn添加过多，材料可能变脆。
由于P也作为铸铁的五种基本成分之一添加，其添加量低于0.05wt％。如果P的添加量超过0.05wt％，可能出现碳化物，因此，P的添加优选低于以上范围。
由于S作为铸铁的五种基本成分之一添加，其添加量低于0.1wt％。如果S的添加量超过0.1wt％，出现夹杂物，因此，S的添加优选低于以上范围。
最后，在0.025～0.045wt％的范围内添加Mg。如果Mg的添加量超出以上范围，强度增加，但柔韧性降低；如果Mg的添加量低于以上范围，相反，柔韧性增加，但强度降低。
表1表示本发明实施例与比较例1和2的成分。
表1
项 项                      化学成分(wt％)
  C   Si   Mn   P  S   Mo  Cu   Mg
Y-块料  实施例(高SiMo)   3.00   4.24   0.22   0.031  0.006   0.85  0.07   0.032
 比较例1(FCD50HS) 3.51 3.77 0.25 0.031 0.002 0.42 0.06 0.034
 比较例2(FCD-H)   3.34   3.62   0.27   0.034  0.002   0.03  0.08   0.03
图1和2是本发明实施例与比较例的高温拉伸强度的试验结果和抗高温氧化性的试验结果。如从表1所见，可知与比较例相比本发明的拉伸强度和抗高温氧化性是优异的。
更详细的说，作为高温拉伸强度试验的结果，如果试验温度固定为700℃到800℃，随着温度升高，拉伸强度下降。此时，本发明实施例的拉伸强度为120～60MPa，而比较例1的拉伸强度为100～50MPa，另外，比较例2的拉伸强度为70～40MPa。
另外，作为抗高温氧化性试验的结果，本发明实施例的氧化降低程度为约110g/m2，而比较例1的为约235g/m2，比较例2的为约290g/m2。
下列的表2表示本发明实施例与比较例的铁素体比率和硬度。在根据本发明的发动机排气系统的铸铁中，控制厚部(相应产品中相对厚的部位)和口部的铁素体比率并设定至少高于80wt％。作为试样分析的结果，可知以上条件在不论什么部位都是令人满意的。在本发明实施例中，基于通过大量Mo的添加减少铁素体比率和产生碳化物从而与比较例相比可以提高硬度约30wt％。
因此，在本发明中，调整铸铁成分的添加，具体地说，Si和Mo的添加量不同，从而与传统的高镍球墨铸铁材料和SUS不锈铸铁材料相比提高高温强度和高温耐热性能，从而为汽车发动机排气系统制作了一种新的铸铁材料。
表2
  项   铁素体(wt％)   球化(wt％)   硬度(HB)
  实施例(高SiMo)   厚部   82.8   83.6   223～229
  口部   87.5   84   230～233
  比较例1(FCD50HS)   厚部   87.6   85.9   185～187
  口部   90.6   97.3   195～200
如上所述，根据本发明，在汽车发动机排气系统用铸铁组合物中，与传统球墨铸铁材料相比，可以提高诸如抗高温氧化性和高温强度等物理性能等大约50wt％，20wt％。与传统的SUS不锈铸铁材料相比成本低廉，从而本发明为发动机排气系统制作了一种经济实用的合金。

Claims (1)

1.一种汽车发动机排气系统用铸铁组合物，其特征在于，铁作为主要材料加入，此外添加2.9～3.8wt％的C，4.0～4.5wt％的Si，低于0.3wt％的Mn，低于0.05wt％的P，低于0.1wt％的S，0.8～1.2wt％的Mo，低于0.025wt％的Mg。
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