一種鉻錳氮系奧氏體耐熱鋼及其製備方法與流程

2023-08-06 08:00:11 1

本發明涉及車用鋼鐵
技術領域：
，尤其涉及一種鉻錳氮系奧氏體耐熱鋼及其製備方法。
背景技術：
：隨著汽車工業朝著高性能、輕量化的發展過程中，汽車發動機轉速提升導致尾氣溫度升高，與汽車發動機連接的排氣歧管和渦輪增壓器的最高工作溫度會升高到1050℃，甚至更高的溫度，這就需要用作汽車渦輪殼及排氣管的材料不僅有足夠的高溫強度、耐熱性，還要在長期服役在高溫作業中具有良好的尺寸穩定性和較高的延展性性，還要具有較好的導熱能力。目前製造渦輪增壓器殼體和排氣歧管的材料主要為高矽鉬球墨鑄鐵和高鎳球墨鑄鐵(參見CN103898398A以及CN103898397A)，這些材料的最高工作溫度為1000℃以下，不能在更高的溫度下正常工作，在1000℃以上進行工作時存在熱傳導係數低、高溫強度下降、熱膨脹係數高等問題，並且由於加入大量鎳元素，存在著成本高的弊端，因此，已經不能滿足高性能發動機的要求。技術實現要素：有鑑於此，本發明的目的是提供一種具有高溫強度、高熱傳導係數、低的熱膨脹係數的鉻錳氮系奧氏體耐熱鋼，同時具有較高的金相組織穩定性、良好尺寸穩定性，較高的延展性、耐熱性和耐衝擊性，生產成本低的特點，從而滿足高性能發動機的使用要求。為了實現上述發明目的，本發明提供以下技術方案：本發明提供了一種鉻錳氮系奧氏體耐熱鋼，包括以下重量百分含量的組分：0.20％～0.50％的碳，0.50％～2.00％的矽，2.00％～5.00％的錳，小於0.04％的磷，小於0.03％的硫，20.00％～27.00％的鉻，6.00％～8.00％的鎳，小於0.50％的鉬，小於0.60％的鈮，小於0.60％的鎢，小於0.15％的釩，0.30％～0.60％的氮，小於0.10％的鋯，小於0.10％的鈷，小於0.10％的釔，小於0.20％的硼，餘量的鐵。優選地，所述的鉻錳氮系奧氏體耐熱鋼包括以下重量百分含量的組分：0.30％～0.45％的碳，0.80％～1.50％的矽，3.00％～4.80％的錳，小於0.02％的磷，小於0.02％的硫，23.00％～26.00％的鉻，6.50％～7.00％的鎳，小於0.20％的鉬，小於0.30％的鈮，小於0.40％的鎢，小於0.12％的釩，0.40％～0.50％的氮，小於0.08％的鋯，小於0.08％的鈷，小於0.08％的釔，小於0.10％的硼，餘量的鐵。本發明中錳元素和氮元素都能夠促進奧氏體形成，且氮元素促進奧氏體生成的能力為鎳元素的30倍，利用錳、氮元素代替鎳元素促進奧氏體相生成，錳和氮元素成本僅為鎳元素的20％～30％，在較低的製造成本下獲得了奧氏體基體耐熱鋼材料，此外，氮元素還具備穩定高溫組織、提高高溫強度、提高抗孔蝕性、抗對應力腐蝕裂紋的作用，錳元素是良好的脫硫劑和脫氧劑，能夠使鋼液中的硫和氧含量處於較低的水平，提高高溫瞬時強度，提高材料的持久強度和蠕變性能。本發明提供的鉻錳氮系奧氏體耐熱鋼具有高溫強度、高熱傳導係數、優異的高溫疲勞性能、較低的熱膨脹係數和較高的金相組織穩定性、良好尺寸穩定性，較高的延展性、耐熱性和耐衝擊性，生產成本低等特點，從而滿足高性能發動機的使用要求，廣泛應用於汽車渦輪殼及排氣管中。本發明提供以上技術方案所述鉻錳氮系奧氏體耐熱鋼的製備方法，包含以下步驟：(1)將各元素組分的合金原料熔煉，得到料液；(2)將所述步驟(1)得到的料液靜置後澆注成型，得鉻錳氮系奧氏體耐熱鋼。優選地，所述步驟(1)中熔煉的溫度為1580～1700℃。優選地，所述步驟(2)中所述靜置的時間為3～20分鐘。優選地，所述步驟(2)中所述靜置後還包含除渣處理。優選地，所述步驟(2)中澆注成型的溫度為1550～1650℃。本發明提供的鉻錳氮系奧氏體耐熱鋼的製備方法簡單，製得的鉻錳氮系奧氏體耐熱鋼具有高溫強度、高熱傳導係數、優異的高溫疲勞性能、較低的熱膨脹係數和較高的金相組織穩定性、良好尺寸穩定性，較高的延展性、耐熱性和耐衝擊性，生產成本低等特點，從而滿足高性能發動機的使用要求。具體實施方式本發明提供了一種鉻錳氮系奧氏體耐熱鋼，包括以下重量百分含量的組分：0.20％～0.50％的碳，0.50％～2.00％的矽，2.00％～5.00％的錳，小於0.04％的磷，小於0.03％的硫，20.00％～27.00％的鉻，6.00％～8.00％的鎳，小於0.50％的鉬，小於0.60％的鈮，小於0.60％的鎢，小於0.15％的釩，0.30％～0.60％的氮，小於0.10％的鋯，小於0.10％的鈷，小於0.10％的釔，小於0.20％的硼，餘量的鐵。在本發明中，所述的鉻錳氮系奧氏體耐熱鋼優選包括以下重量百分含量的組分：0.30％～0.45％的碳，0.80％～1.50％的矽，3.00％～4.80％的錳，小於0.02％的磷，小於0.02％的硫，23.00％～26.00％的鉻，6.50％～7.00％的鎳，小於0.20％的鉬，小於0.30％的鈮，小於0.40％的鎢，小於0.12％的釩，0.40％～0.50％的氮，小於0.08％的鋯，小於0.08％的鈷，小於0.08％的釔，小於0.10％的硼，餘量的鐵。本發明中錳元素和氮元素都能夠促進奧氏體形成，且氮元素促進奧氏體生成的能力為鎳元素的30倍，利用錳、氮元素代替鎳元素促進奧氏體相生成，錳和氮元素成本僅為鎳元素的20％～30％，在較低的製造成本下獲得了奧氏體基體耐熱鋼材料，此外，氮元素還具備穩定高溫組織、提高高溫強度、提高抗孔蝕性、抗對應力腐蝕裂紋的作用，錳元素是良好的脫硫劑和脫氧劑，能夠使鋼液中的硫和氧含量處於較低的水平，提高高溫瞬時強度，提高材料的持久強度和蠕變性能。本發明提供的鉻錳氮系奧氏體耐熱鋼具有高溫強度、高熱傳導係數、優異的高溫疲勞性能、較低的熱膨脹係數和較高的金相組織穩定性、良好尺寸穩定性，較高的延展性、耐熱性和耐衝擊性，生產成本低等特點，從而滿足高性能發動機的使用要求，廣泛應用於汽車渦輪殼及排氣管中。本發明還提供以上技術方案所述鉻錳氮系奧氏體耐熱鋼的製備方法，包含以下步驟：(1)將各元素組分的合金原料熔煉，得到料液；(2)將所述步驟(1)得到的料液靜置後澆注成型，得鉻錳氮系奧氏體耐熱鋼。在本發明中，所述各元素組分的合金原料的來源沒有特殊的限定，採用本領域技術人員熟知的合金原料的市售商品即可；在本發明實施例中各元素組分的合金原料優選為矽鐵、錳、微碳鉻鐵、鈮鐵、鎢鐵、釩鐵、鎳板、氮化鉻鐵合金、金屬鋯、金屬釔、金屬鈷、硼鐵、鎳板。在本發明中，所述步驟(1)中熔煉的溫度優選為1580～1700℃，更優選為1600～1680℃，最優選為1630～1650℃。在本發明中，所述步驟(1)中熔煉的時間優選為0.5～3.0h，更優選為0.6～2.0h，最優選為0.8～1.5h。在本發明中，對所述合金原料熔煉採用的加熱方式沒有特殊的限制，採用本領域技術人員熟知的加熱方式即可；在本發明中，對所述合金原料熔煉採用的設備沒有特殊的限制，採用本領域技術人員熟知的熔煉設備即可，在本發明實施例中優選在中頻感應電爐中進行。得到料液後，本發明將料液靜置後澆注成型，得鉻錳氮系奧氏體耐熱鋼。在本發明中。所述靜置的時間優選為3～20分鐘，更優選為5～15分鐘，最優選為8～12分鐘。所述靜置後，本發明優選將所述靜置後的料液進行除渣處理，扒去料液表面的浮渣，所述除渣處理沒有特殊的限定，採用本領域技術人員熟知的除渣方式即可，在本發明中，除渣處理優選採用機械扒渣法。本發明將所述靜置後的料液澆注成型，在本發明中，所述澆注成型的溫度優選為1550～1650℃，更優選為1560～1630℃，最優選為1580～1620℃。在本發明中，對所述靜置後料液的澆注成型採用的設備沒有特殊的限制，採用本領域技術人員熟知的澆注成型設備即可，在本發明實施例中優選在澆注包中進行。在本發明中，所述澆注成型後優選還包括洗砂、研磨、修整、檢驗工序，本發明對洗砂、研磨、修正、檢驗工序沒有特殊的限定，採用本領域技術人員熟知的方式即可。本發明提供的鉻錳氮系奧氏體耐熱鋼的製備方法，製備方法簡單，製得的鉻錳氮系奧氏體耐熱鋼具有高溫強度、高熱傳導係數、優異的高溫疲勞性能、高溫抗氧化性、較低的熱膨脹係數和較高的金相組織穩定性、良好尺寸穩定性，較高的延展性、耐熱性和耐衝擊性，生產成本低等特點，從而滿足高性能發動機的使用要求。下面結合實施例對本發明提供的鉻錳氮系奧氏體耐熱鋼及其製備方法進行詳細的說明，但是不能把它們理解為對本發明保護範圍的限定。實施例1一、配料：主要原物料的重量百分配比：增碳劑＝0.32％，廢鋼＝43.39％，氮化鉻＝8.58％，微碳鉻鐵＝34.31％，電解錳＝5.15％，矽鐵＝1.25％，鎳板＝7.0％。二、熔煉：熔煉設備採用中頻感應電爐，感應電爐的容量從0.5噸至3噸不等。將上述配好的原物料按順序依次投入中頻感應電爐內，然後送電升溫；當投入的物料完全熔開，繼續將中頻感應電爐內的溫度升至1580℃，取分光分析試片對中頻感應電爐內的料液進行分光分析，分析結果見下表：元素CSiMnPSCrNiMoNb分析結果(％)0.431.204.720.0100.00825.646.720.0130.0076元素WVNZrYBCoFe分析結果(％)0.01410.10840.49670.0520.0610.0020.0760.4472三、出湯及熔湯處理：料液的化學成分滿足要求後，爐內鋼水繼續升溫至1630℃出湯，出湯前斷電靜置8分鐘後扒去鋼水表面的浮渣，將預熱充分的澆注包定位至感應電爐出鋼水口處準備出鋼水，出湯完畢後除去鋼水表面浮渣，等待澆注。四、澆注及拆箱：澆注溫度為1550℃時進行澆注，澆注完畢40分鐘以後拆箱。五、後處理：鑄件拆箱以後進行洗砂、研磨、修整、檢驗等工序後即得到鉻錳氮系奧氏體耐熱鋼。對實施例1製得的鉻錳氮系奧氏體耐熱鋼進行測試：在1050℃的抗拉強度為78MPa以上，屈服強度為75MPa以上，導熱係數為28.1W/(m2·K)以上，彈性模量為105GPa以上；1100℃時的熱膨脹係數為20.0(1/K·10-6)，具有優良的高溫強度，熱傳導係數高，熱擴散速度快等奧氏體耐熱鋼性質，同時用Mn、N元素代替Ni元素，大大降低了生產成本。實施例2一、配料：主要原物料的重量百分配比：增碳劑＝0.35％，廢鋼＝43.29％，氮化鉻＝8.65％，微碳鉻鐵＝33.71％，電解錳＝5.35％，矽鐵＝1.55％，鎳板＝7.1％。二、熔煉：熔煉設備採用中頻感應電爐，感應電爐的容量從0.5噸至3噸不等。將上述配好的原物料按順序依次投入中頻感應電爐內，然後送電升溫；當投入的物料完全熔開，繼續將中頻感應電爐內的溫度升至1600℃左右，取分光分析試片對中頻感應電爐內的料液進行分光分析，分析結果見下表：元素CSiMnPSCrNiMoNb分析結果(％)0.501.234.760.0200.01025.406.790.0340.0015元素WVNZrYBCoFe分析結果(％)0.00790.09660.43950.0430.0550.00180.0960.5207三、出湯及熔湯處理：料液的化學成分滿足要求後，爐內鋼水繼續升溫至1680℃出湯，出湯前斷電靜置3分鐘後扒去鋼水表面的浮渣。將預熱充分的澆注包定位至感應電爐出鋼水口處準備出鋼水，出湯完畢後除去鋼水表面浮渣，等待澆注。四、澆注及拆箱：澆注溫度為1650℃時進行澆注，澆注完畢60分鐘以後拆箱。五、後處理：鑄件拆箱以後進行洗砂、研磨、修整、檢驗等工序後即得到鉻錳氮系奧氏體耐熱鋼。對比例使用相同的原物料，按照成分範圍進行配料，本發明與歐洲耐熱鋼通用標準EN10295中牌號為GX40CrNiSiNb25-20的鉻鎳系奧氏體耐熱鋼相比較優勢，如下表所述：(序號1為本發明實施例2製得的鉻錳氮系奧氏體耐熱鋼，序號2為牌號為GX40CrNiSiNb25-20的耐熱鋼)GX40CrNiSiNb25-20的鉻鎳系奧氏體耐熱鋼的成分分析元素CSiMnPSCrNiMoNb分析結果(％)0.401.241.060.0200.01024.8519.540.031.42元素WVNZrYBCoFe分析結果(％)——0.089——————————51.341從上述兩種材料的成分比較：主要的差別在於Mn、Ni、Nb、N幾種元素上，按照1000kg的鐵水計算：備註：序號1材料中加入Zr、Y、Co、B組分合金成本合計580元。從成本角度考慮，本發明提供的錳氮系奧氏體耐熱鋼的鐵水成本僅為GX40CrNiSiNb25-20材質的的51％。本發明提供的錳氮系奧氏體耐熱鋼的常溫屈服強度比對比例提高了219MPa，抗拉強度比對比例提高了379MPa，室溫下彈性模量提高了7.8％，室溫熱傳導係數提高了30.4％，1100℃熱傳導係數提高了14.4％，具體測試結果如下表1所示。表1本發明實施例2鉻錳氮系奧氏體耐熱鋼與對比例測試結果對比經上述性能對比，本發明製得的鉻錳氮系奧氏體耐熱鋼性能優於對比例，且成本有大幅降低。以上所述僅是本發明的優選實施方式，應當指出，對於本
技術領域：
的普通技術人員來說，在不脫離本發明原理的前提下，還可以做出若干改進和潤飾，這些改進和潤飾也應視為本發明的保護範圍。當前第1頁1&nbsp2&nbsp3&nbsp