鐵素體耐熱鑄鋼及排氣系統部件的製作方法

2023-05-28 03:13:56 1

專利名稱：鐵素體耐熱鑄鋼及排氣系統部件的製作方法
技術領域：
本發明涉及鐵素體耐熱鑄鋼以及由其製備的排氣系統部件。
背景技術：
近年來，用於汽車以及工業設備等的部件的使用溫度不斷提高，從而具有更高耐熱性的鑄鋼材料被更多地使用。特別是，隨著排氣控制的強化，汽車以及工業設備等的排氣溫度越發提高，例如在排氣溫度達到900°C以上的條件下操作的引擎所用排氣歧管等排氣系統部件上，就使用了具有高耐熱性能的鑄鋼材料。高耐熱鑄鋼，分為奧氏體耐熱鑄鋼與鐵素體耐熱鑄鋼。奧氏體耐熱鑄鋼，耐熱性雖好，但由於需要使用較多高價的鎳使得材料費用很高，切削性能也不佳。另一方面，鐵素體耐熱鑄鋼與奧氏體耐熱鑄鋼相比相對價廉，但考慮到近年對材料的要求，其耐熱性並不能充分滿足要求。進一步，鐵素體耐熱鑄鋼在常溫下的韌性也並不一定足夠好，因而為了獲得高的可靠性，還有很多問題尚待解決。專利文獻1 (特開平7-34204號公報)中，公開了一種為了改善鐵素體耐熱鑄鋼的切削性能，含有硫0. 06 0. 2%的鐵素體耐熱鑄鋼。即便如此，也不足以解決問題。

發明內容
發明所要解決的問題本發明鑑於上述實際情況，旨在提供一種具有常溫下確保高強度伸展性能、明顯改善的韌性、改善的熱疲勞性、提高的可靠性，並且，具有低價的含有鐵素體組織的鐵素體耐熱鑄鋼以及用其製備的排氣系統部件。解決問題的手段本發明在第一方面提供一種鐵素體耐熱鑄鋼，其具有鐵素體組織，含有以質量百分比計的碳0. 10 0. 40%、矽0. 5 2. 0%、錳0. 2 1. 2 %、磷0. 3 %以下、硫0. 01 0. 4%、鉻 14. 0 21. 0%、鈮 0. 05 0. 6%、鋁 0. 01 0. 8%、鎳 0. 15 2. 3%、以及餘量的鐵和不可避免的雜質。本發明在第二方面提供一種鐵素體耐熱鑄鋼，其具有鐵素體組織，含有以質量百分比計的碳 0. 10 0. 40%、碳 0. 10 0. 40%，矽 0. 5 2. 0%、猛 0. 2 1.2%，磷 0.3% 以下、硫 0. 01 0. 4%、鉻 14. 0 21. 0%、釩 0. 01 0. 5%、鈮 0. 05 0. 6%、鋁 0. 01 0. 8%、鎳0. 15 2. 3%、以及餘量的鐵和不可避免的雜質。發明的效果本發明提供了一種確保其常溫下的強度及伸展性、大大改善韌性並提高可靠性的鐵素體耐熱鑄鋼以及由其製備的排氣系統部件。另外，與奧氏體耐熱鑄鋼相比降低了鎳的含量，從而降低了成本。


圖1為鎳含量變化時光學顯微鏡下觀察的組織結構圖。
圖2為電子顯微鏡(SEM)下觀察的組織結構3為電子顯微鏡(SEM)下觀察改變倍率時的組織結構圖。圖4為電子顯微鏡(SEM)下觀察進一步改變倍率時的組織結構圖。圖5為顯示鎳含量與伸展率、第二相面積率以及硬度之間關係的圖表。圖6為顯示拉伸強度與伸展率數據的圖表。圖7為顯示熱疲勞循環試驗結果的圖表。圖8為顯示耐久壽命係數的圖表。圖9為顯示熱疲勞循環試驗中作用於試驗片應力狀態一個實例的圖表。圖10為表示現有材料凝固形態的示意圖。圖11為表示發明材料凝固形態的示意圖。圖12為顯示排氣歧管的照片圖。圖13為顯示渦輪殼體的照片圖。圖14為顯示渦輪殼體與排氣歧管組裝體的照片圖。
具體實施例方式以下針對組成的限定條件進行說明。碳0. 10 0. 40%碳能夠改善鑄造性(流動性)並能夠增強高溫強度、提高耐熱性。對於排氣系統部件這類薄壁製品，對鑄造性(流動性)有特別的要求。但是，碳含量的過剩，造成碳化物的過剩，材料就會變脆。根據特定性質的要求，碳含量的上限值為例如0. 39%,0. 38%或 0.37%。與這些上限值相應的碳含量下限值為例如0. 12%、0. 14%或0. 16%。進而，碳含量的範圍為例如0. 15 0. 40%,0. 17 0. 或0. 20 0. 30%。矽0. 5 2. 0%矽能夠提高抗氧化性。矽含量過少，抗氧化性會偏低。矽含量過剩，則韌性變差。 根據特定性質要求，矽含量的上限值為例如1. 9%U. 8%或1. %。與這些上限值相對應的矽含量下限值為例如0. 55%,0. 60%或0. 70%。此外，矽含量的範圍為例如0. 70 1. 80%, 0. 90 1. 50%或 1. 00 1. 30%。猛 0. 2 1. 2%錳是在製造過程中能夠發揮脫氧作用的元素。根據特定性質的要求，錳的上限值為例如1. 10%、1.00%、0.90%、0.80%或0.70%。根據特定性質的要求，與這些上限值相對應的下限值為例如0. 25%,0. 30%或0. 40%。此外，錳的含量範圍為例如0. 30 1. 00%、 0. 40 0. 90%或 0. 50 0. 80%。磷 0.3% 以下磷是影響切削性能的元素。根據特定性能的要求，磷含量的上限值為例如 0. 25%,0. 20%,0. 15%或0. 10%。與這些上限值相對應，磷含量的下限值為例如0. 002%、 0. 005%,0. 01%或 0. 02%。硫 0. 001 0. 4%硫是提高切削性能的元素。硫過多，雖然能夠改善切削性能，但可能降低耐熱性。 根據特定性質的要求，硫含量的上限值為例如0. 38%,0. 35%,0. 30%,0. 28%,0. 25%或 0. 20%。與這些上限值相對應，硫含量的下限值為例如0. 02%,0. 03%,0. 04%或0. 05%。 此外，硫含量的範圍為例如0. 03 0. 25%,0. 05 0. 20%或0. 06 0. 18%。鉻14. 0 21. 0%鉻是鐵素體耐熱鑄鋼的主要元素，其將組織轉變為鐵素體組織，並固熔於鐵素體。 鉻含量過少，不能夠充分確保形成高耐熱性基質的鐵素體組織。含量過剩，則會變脆。根據特定性質的要求，鉻含量的上限值為例如20.0^^19.0^^18.0%或17.0%。與這些上限值相對應，鉻含量的下限值為例如14.5^^15.0^^15.5 ^此外，鉻含量的範圍為例如 14. 5 20. 5%U5. 0 20. 0%或 15. 5 18. 0%o 鈮 0. 05 0. 6%鈮是形成穩定的鈮碳化物的元素，能夠增加高溫強度。根據特定性質的要求，鈮含量的上限值為例如0. 55%,0. 50%或0. 45%。與這些上限值相對應，鈮含量的下限值為例如0. 07%或0. 08%。此外，鈮含量的範圍為例如0. 07 0. 55%,0. 10 0. 50%或0. 12 0. 45%。鋁 0. 01 0. 8%鋁是在製造過程中添加用於脫氧和脫氣的元素。根據特定性質的要求，鋁含量的上限值為例如0. 70%,0. 60%或0. 50%。與這些上限值相對應，鋁含量的下限值為例如 0. 02%,0. 04%或0. 06% O此外，鋁含量的範圍為例如0. 01 0. 55%,0. 02 0. 45%或
0.03 0.35%。鎳 0.15 2. 3%鎳含量過少，會降低室溫下材料的伸展性以及降低材料的強度和硬度。含量過多， 在基體中全部或大部分會形成鐵素體結晶粒內碳化物混合，雖然硬度提高，但室溫下的伸展率會降低。考慮到這一點，根據特定性質的要求，鎳含量的上限值為例如2. 2%、2. 1%, 2.0%、1.9%、1.8%或1.7%，以及例如1.6%或1.5%。與這些上限值相對應，根據特定性質的要求，鎳含量的下限值為例如0. 2%,0. 3%,0. 4%或0. 5%，以及例如0. 6%或0. 7%。 此外，鎳含量的範圍為例如0. 20 2. 10%,0. 30 2. 10%,0. 25 1. 90 %或0. 30 %
1.80。釩 0. 01 0. 5%釩具有增加高溫強度的作用。釩能夠形成碳化物。含量過剩，會生成粗大的碳化物，從而降低常溫下的伸展性以及降低耐熱疲勞性。而且生產成本也較高。根據特定性質的要求，釩的含量上限值為例如 0. 47%,0. 45%,0. 40%,0. 30%,0. 20%,0. 15%或 0. 10%。 與上述上限值對應，根據特定性質的要求，下限值為例如0. 015%,0. 020%或0. 025%。此外，釩含量的範圍為例如0. 01 0. 50%,0. 02 0. 45%或0. 03 0. 35%。本發明涉及的鐵素體耐熱鑄鋼，考慮到伸展性和耐熱疲勞性的提高以及成本降低等因素，可以不含釩。本發明所涉及鐵素體耐熱鑄鋼的組織適合於鐵素體形成的第一相與鐵素體結晶粒內碳化物混合形成的第二相共存。第二相的面積率超過50%的情況下，隨著第二相面積率的增加，硬度與強度以及伸展性都得到提高，但是，如果第二相面積率更為增加，硬度與強度會繼續增高而伸展性反而會出現降低的傾向(參見圖5中的特性線A2)。因此，在顯微鏡的全視野為100%的情況下，第二相的面積率優選為50%以上或60%以上。特別地優選為50 % 80 %。第二相的面積率尤其優選為55 % 75 %。本發明所涉及的鐵素體耐熱鑄鋼，提高了拉伸強度同時也大大增強了伸展性。這樣，優選地，伸展率為4%以上，拉伸強度為400MPa以上。更為優選地，伸展率為6%以上， 拉伸強度為500MPa以上。再更為優選地，伸展率為7%以上，拉伸強度為700MPa以上。一般的鋼材，伸展率與拉伸強度兩者同時提高時存在一定的限度。本發明涉及的鐵素體耐熱鑄鋼，優選地經過熱處理過程在被加熱保持於800 970°C之後，冷卻到700°C以下。加熱保持的理由在於降低硬度並除去鑄造殘留應力從而提高切削性。加熱保持的時間，根據合金元素的種類、合金元素的含量、鑄鋼的尺寸等因素而有所不同，例如1 10小時、2 7小時或3 5小時等。在冷卻到700°C以下時，優選使用爐冷或空冷。上述鐵素體耐熱鑄鋼，適用於車輛以及工業設備中使用的耐熱部件。尤其是，適用於車輛以及工業設備等的排氣系統的部件。實施例1本實施例中，將鋼材與合金材料在高頻熔解爐(重量500kg)於大氣氛圍中熔解。 熔解溫度為1700°C。然後，將熔液注入(澆注溫度1600°C )Y型砂模(生砂)中，並凝固成凝固體。此後，進行熱處理，將凝固體在930°C於大氣氛圍中加熱保持3. 5小時，然後，凝固體在大氣氛圍中通過爐冷到700°C以下(具體為500°C)。通過這樣的熱處理過程來改善切削性能然後，凝固體被切削加工而形成拉伸試驗片(JIS4號試驗片)。這樣，本發明的鐵素體耐熱鑄鋼試驗片便製成了。此過程中，爐冷也可以用空冷來替代。本發明的材料，具有表1中試驗片1 8所示的組成(分析值)，其餘部分基本上是鐵。試驗片1 3為含有0.05%以下微量的釩的系列。試驗片4 8為不含釩的系列。本發明材料試驗片1 3，在鐵素體耐熱鑄鋼中含有鎳、還含有釩。在試驗片1中， 鎳％/釩％的以質量計的比率為0.45/0. 04亦即大約11.3。在試驗片2中，鎳％ /釩％ 的以質量計的比率為0. 74/0. 0 亦即大約25. 5。在試驗片3中，鎳％ /釩％的比率為 1.01/0.0 亦即大約36. 1。在含釩的場合，鎳％ /釩％的比率為例如在1.2 100、2 80、4 50或4 30的範圍內。本發明材料試驗片4 8，在鐵素體耐熱鑄鋼中含有鎳但不含釩。相應地，試驗片 4 8中釩含量為0%，鎳％ /釩％的比率為無窮大。表 權利要求
1.一種鐵素體耐熱鑄鋼，具有鐵素體組織，含有以質量百分比計的碳0. 10 0. 40%, 矽 0. 5 2. 0%、猛 0. 2 1. 2%、磷0· 3% 以下、硫 0. 01 0. 4%、鉻 14. 0% 21. 0%、鈮 0. 05 0. 6%、鋁0. 01 0. 8%、鎳0. 15 2. 3%，以及餘量的鐵和不可避免的雜質。
2.根據權利要求1所述的鐵素體耐熱鑄鋼，其組織包括共存的由鐵素體形成的第一相以及由在鐵素體結晶粒內碳化物混合的相形成的第二相。
3.一種鐵素體耐熱鑄鋼，具有鐵素體組織，含有以質量百分比計的碳0. 10 0. 40%, 矽 0. 5 2. 0%、猛 0. 2 1. 2%、磷 0. 3% 以下、硫 0. 01 0. 4%、鉻 14. 0% 21. 0%、釩 0. 01 0. 5%、鈮0. 05 0. 6%、鋁0. 01 0. 8%、鎳0. 15 2. 3%，以及餘量的鐵和不可避免的雜質。
4.根據權利要求3所述的鐵素體耐熱鑄鋼，其組織包括共存的由鐵素體形成的第一相以及由在鐵素體結晶粒內碳化物混合的相形成的第二相。
5.根據權利要求1 4中任一項所述的鐵素體耐熱鑄鋼，其中伸展率為4%以上，拉伸強度為400MPa以上。
6.根據權利要求1 5中任一項所述的鐵素體耐熱鑄鋼，其中經過熱處理包括加熱保持在800 970°C，然後冷卻到700°C以下。
7.根據權利要求1 6中任一項所述的鐵素體耐熱鑄鋼所形成的排氣系統部件。
全文摘要
本發明提供了鐵素體耐熱鑄鋼及排氣系統部件，其材料價格低廉並能夠通過大大改善常溫下的韌性以及熱疲勞性而獲得提高的可靠性。該鐵素體耐熱鑄鋼具有的鐵素體組織包含，以質量百分比計的碳0.10～0.40％、矽0.5～2.0％、錳0.2～1.2％、磷0.3％以下、硫0.01～0.4％、鉻14.0％～21.0％、鈮0.05～0.6％、鋁0.01～0.8％、鎳0.15～2.3％，以及餘量的鐵和不可避免的雜質。
文檔編號C21D6/00GK102301029SQ20108000237
公開日2011年12月28日 申請日期2010年2月8日 優先權日2009年4月27日
發明者山中大輔, 張鍾植 申請人:愛信高丘株式會社