奧氏體球墨鑄鐵的製作方法

2023-05-29 00:53:51 2

專利名稱：奧氏體球墨鑄鐵的製作方法
技術領域：
本發明涉及可用於製備用於其中需要高耐熱性的應用中的製品的合金組合物。該 合金組合物特別是鐵基合金。
背景技術：
奧氏體球墨鑄鐵是公知的且已經在需要具有特定的化學、機械和物理性質的材料 的廣泛應用範圍內使用多年。球墨鑄鐵是通過適當的熔融金屬處理製備的包含以基本上為 球形顆粒形式的石墨的鑄鐵。球形石墨具有多晶輻射狀結構。在文獻中限定有多種不同的 奧氏體球墨鑄鐵類型。奧氏體球墨鑄鐵的類型是部分基於其化學組成而限定的，其化學組 成包括各種量的鐵、鎳、矽和碳以及，在一些鐵類型中，其他元素例如錳、磷、鉻和鉬。這些後 面的元素可能是有意添加的或者可能作為不可避免的雜質存在。該奧氏體球墨鑄鐵的類型 進一步基於其不同的機械性質(即拉伸強度、屈服應力、伸長率和Brinell硬度)的水平而 限定的。通常，奧氏體球墨鑄鐵典型地具有良好的抗腐蝕、抗侵蝕和耐磨損性質；在高溫時 具有良好的強度、延展性和抗氧化性；韌性和低溫穩定性；受控的熱膨脹；受控的磁和電性 質；和良好的可鑄造型和機械加工性。然而，這些質量根據該奧氏體球墨鑄鐵的類型而不 同，因此在某些應用中特定的類型比其他更適用。奧氏體球墨鑄鐵通常用於發動機部件中，例如廢氣歧管、渦輪外殼和其他必須在 高熱應力下操作的結構部件。通過提高發動機功率和燃燒溫度已經滿足了改進燃料效率和 減少來自汽車發動機的廢氣的需求。由於必須通過結構發動機部件的廢氣溫度的升高，這 些提高對結構發動機部件施加了更大的應變。特別地，用於構造所述發動機部件的材料必 須具有高的耐溫性、好的抗溫度波動性，高的抗剝落性和低的溫度膨脹係數。發動機部件必須操作的升高的溫度導致能夠用於構造這類發動機部件的材料的 範圍更加受限。最通常用於鑄造結構發動機部件的奧氏體球墨鑄鐵是D-5S奧氏體球墨鑄 鐵。特別地，D-5S鑄鐵通常用於其中發生高溫和劇烈的熱循環的發動機歧管、渦輪外殼和 渦輪增壓機部件。根據廣泛接受的標準(ASTM A439)，D-5S包括2. 3%碳、錳、4. 9-5. 5% 矽、1. 75-2. 25%鉻、34-37%鎳、0. 08%磷，餘量為鐵。該合金在室溫時具有好的伸長率和屈 服強度、好的可鑄造性和在高達約900°C的廢氣溫度時具有較好的高溫屈服強度。D-5S是高度合金化的，通常包含約36%的鎳。鎳是昂貴的原料，受到大的價格波 動，其價格已經變得越來越反覆無常。鎳的高成本直接影響了最終產品的成本。因為渦輪 增壓機的渦輪增壓機外殼以及特別是渦輪外殼佔據最大的重量，所以也佔據整個渦輪增壓 機的最大成本。因此，最終產品的成本必須大大提高以消化鎳的高成本。因此，製備用於這類結構部件中的、能夠耐受由現代發動機所需的高溫並同時將 鎳的含量最小化以保持低的和更可預測的成本的可替代合金將會是有利的。

發明內容
本發明提供了可用於製備具有高性能性質(特別是高強度和耐熱性)的製品的合金組合物。本發明的合金特別有用，因為其能夠使用比目前已知的奧氏體球墨鑄鐵更低成 本的材料製備。此處公開的本發明的合金特別是奧氏體球墨鑄鐵鐵基合金，其包括經設計 以保持所提到的優選性質但具有較低的製備成本的特定的元素組成。依照本發明的合金能夠用於製備任何金屬性製品(metallic article)，但其特別 適用於製備具有高性能規格的材料，尤其是與強度和耐熱性有關的。本發明的合金特別有 利的一個領域是製備發動機構件，例如渦輪外殼、廢氣歧管和與渦輪增壓機外殼整體鑄造 的廢氣歧管。在一方面，本發明涉及鑄鐵合金組合物，優選是鐵基組合物。在本發明的特別實施 方案中，該合金組合物中僅一些特定的元素需要以特定量存在以使該合金組合物可用於制 備具有如此處所述有用的物理性質的製品。例如，在一種實施方案中，依照本發明的合金 組合物包括約2. 2wt % 約2. 4wt %的碳；約3. 5wt % 約4. Owt %的矽；約^wt % 約 ^wt%的鎳；約2. 5wt% 約3. Owt%的鉻；約0. 9wt% 約1. Iwt%的鉬；和大於約50%的 鐵，其中該合金基本上不含錫和銻，上述重量百分比是基於該合金組合物的總重量的。依照進一步的實施方案，本發明的合金能夠包括一種或多種其他元素。特別地，依 照本發明的合金除了包括上述元素之外，還可以包括約0. 035 % 約0. 090 %的鎂。在進一 步的實施方案中，該合金可以包括一種或多種非必要的痕量元素，包括但不局限於不超過 約0. 10%的錳；不超過約0. 08%的磷；和/或不超過約0. 03%的硫，所有都基於該組合物 的總重量。在另外的實施方案中，本發明的合金可以進一步包括一種或多種其他痕量元素， 基於該組合物的總重量，每一種以不超過約0. 03wt%的量存在，痕量元素的總量不超過約
0.5wt %，更優選不超過約0. 25wt %，更優選不超過約0. 15wt %。在本發明的其他實施方案中，有利地是本發明的合金組合物具有特別限定的 組成。例如，在一種特別的實施方案中，本發明涉及由以下構成的鑄鐵合金組合物約 2. 2wt % 約2. 4wt %的碳、約3. 5wt % 約4. Owt %的矽、約^wt % 約^wt %的鎳、約 2. 5wt % 約 3. Owt % 的鉻、約 0. 9wt % 約 1. Iwt % 的鉬、約 0. 035wt % 約 0. 090wt % 的 鎂，餘量包括鐵和不可避免的雜質。在優選實施方案中，該合金的碳當量在約4% 約5%的範圍，優選在約4. 5% 約 4. 9%範圍，其中該碳當量是由以下方程確定的
Ce = Ct + 0.33 X Si + 0.047 X Ni - 0. 0055 (Ni + Si)； 其中C6表示碳當量；Ct表示碳在該合金中的重量百分比；Si表示矽在該合金中的重量 百分比；Ni表示鎳在該合金中的重量百分比，以及其中重量百分比都是基於該組合物的總 重量的。在一些實施方案中，本發明的鑄鐵合金具有石墨是基本上球形的奧氏體結構，依 照ASTM A 247的R)rm I和II石墨的總含量在約80%或更大的水平或在約85%或更大的 水平。在優選實施方案中，該i^orm I和II石墨總量的至少約80%或至少約85%包括R)rm1。依照本發明的另一方面，此處所述合金組合物能夠用於製備多種製品。該合金組 合物能夠用於製備通常由奧氏體球墨鑄鐵合金製備的任意製品。本發明的合金特別適用於 製備用於其中需要耐受高的熱-機械負荷的能力的應用中的製品。在一些實施方案中，本 發明涉及用於由本發明的合金製備的汽車發動機的排氣設備構件。在一種特別的實施方案中，本發明涉及由此處所述的合金組合物製備的渦輪外殼。如前所述，必須耐受高的熱-機械負荷的製品，例如渦輪外殼，必須能夠滿足某些 特別的物理和機械需求。依照本發明的製品是特別有利的，因為該製品能夠滿足嚴格的物 理和機械需要。優選地，使用本發明的合金製備的製品在不超過約950°C的氣體溫度的溫 度具有高的機械性質。在一種實施方案中，本發明提供了在依照特定的測試程序測定時具 有特定強度的製品。優選地，使用本發明的合金製備的製品具有在室溫至少約300Mpa的極 限拉伸強度、至少約200Mpa的室溫0. 2%實用彈性極限應力(proof stress)、和在室溫以 0. 05% /s的恆定應變速率經受連續軸向負荷時至少5%的伸長百分率。


為了幫助理解本發明的一些實施方案，現在將參照附圖，其不必按比例繪製，且其 中
該附圖是渦輪增壓機的視圖，標記20是依照本發明的實施方案的渦輪外殼。
具體實施例方式現在將參照本發明的特別實施方案並特別參照與此處一起提供的各幅附圖在下 面更充分地描述本發明。事實上，本發明可以具體體現在很多不同的形式中，且不應當解釋 為限制到此處提出的實施方案；而且，這些實施方案的提供使得本公開將滿足可適用的法 律要求。除非上下文有明確的其它指示，在說明書和後附權利要求書中所用的單數形式「a (某)」、「an (某個)」、「the (所述，該)」包括複數個指示物。本發明涉及基於奧氏體球磨鑄鐵的合金。因此該合金組合物包括鐵作為主要的 合金化元素(或合金組分)。通常，作為主要的合金化元素，鐵以大於該合金中存在的任何其 他單一元素的量存在。優選地，鐵以大於剩餘合金化元素總和的量存在(即基於該組合物 的總重量，構成大於50wt%的該合金組合物)。在特別實施方案中，鐵構成本發明的合金組 合物的約50wt% 約65wt%。在另一實施方案中，鐵構成本發明的合金組合物的約6(Γ約 65wt%。依照本發明的進一步的實施方案，該合金組合物可以按照由一組特定含量的特定 的合金化元素構成來描述。在這種實施方案中，該合金中存在的鐵的量能夠以形成該合金 的餘量的鐵和不可避免的雜質的表達方式來表示。當按照這種表達方式描述時，應該認識 到「餘量是鐵」表示鐵的實際濃度(基於該合金總重量的重量百分比)能夠通過得到存在的 其他元素的濃度的總和並從100中減去該總和而確定，剩餘的就表示該合金中存在的鐵的 濃度(即餘量)。本發明的合金組合物特別特徵在於此處提供的合金組合物能夠用於製備滿足或 超過高應力、高熱應用所需的機械和物理需求的製品，然而該合金組合物的元素組成使得 該合金與已知的奧氏體球墨鑄鐵相比能夠以降低的成本製備。在某些實施方案中，本發明 的合金組合物實現了這些特徵，因為該合金與通常用於這種高應力、高熱應用的D-5S奧氏 體球墨鑄鐵相比包括減少量的鎳。在本發明的合金中與D-5S相比鎳含量的降低降低了該 合金的製備成本，因為鎳是昂貴的且也是受到價格波動大的戰略物資。在優選實施方案中， 該鎳含量的降低能夠在與D-5S相比不會對該合金的物理性質造成不利影響的情況下實現。在特別實施方案中，基於該合金組合物的總重量，該合金組合物包括約10wt% 約40wt%的量的鎳。在進一步的實施方案中，該合金組合物包括約25% 約35%的量的 鎳。在優選實施方案中，該合金組合物包括約 約30%的量的鎳。在特別優選的實施 方案中，本發明的合金的鎳含量為約^wt % 約^wt %。鎳有助於使該基體結構奧氏體化。 當M的含量小於約10%時，該奧氏體不是充分穩定的。當M的含量超過40%時，沒有產 生進一步的奧氏體化效應，僅導致材料成本提高而沒有相應的有利性質。除了鎳和鐵之外，本發明的合金組合物還可以包含一種或多種可以用於為該合金 組合物賦予有利性質的其他合金化元素。此處描述了在某些優選實施方案中有用的元素。 不過，某些元素的包括和某些另外元素的不包括並不意於限制本發明的範圍。反而，此處所 述的所述其他元素僅是優選的，並且在不脫離本發明的情況下，被視為有利的其他元素也 能夠包括在該合金中。該其他元素的含量是基於總組合物的重量的。在特別實施方案中，基於該合金組合物的總重量，該合金組合物包括約 約 3wt%的量的碳。在其他實施方案中，該合金組合物包括約1. 5wt% 約2. 5wt%的量的碳。 在優選實施方案中，碳以約2. 2wt% 約2. 的量存在。碳的添加可能導致生成石墨晶 體，且可以改進所述材料處於熔化形式的流動性。當該碳含量小於約時，球形石墨不能 結晶且該熔體的流動性不足以有效鑄造該材料。當碳含量超過約3. 5%，形成粗石墨顆粒， 導致具有差的室溫伸長率的球形石墨鑄鐵，在鑄造過程中很可能形成收縮孔。在特別實施方案中，基於該合金組合物的總重量，該合金組合物包括含量不超過 約3wt%的鉻。在一些實施方案中，鉻以約 約3wt%的量存在。在優選實施方案中， 鉻以約2. 5wt% 約3wt%的量存在。鉻可以幫助在鑄鐵基體中沉澱碳化物，由此通過該基 體的沉澱增強來提高該球墨鑄鐵的高溫屈服強度。其也能夠在該表面附近形成緻密的氧化 鉻鈍化膜，由此提高抗氧化性。當鉻含量超過3%時，該材料的可加工性可能會降低，可能 會不利地影響石墨的球化。在一些實施方案中，本發明的合金包含比標準奧氏體鑄鐵(例如 D-5S)中更高含量的鉻以確保該合金具有高的抗氧化性。在特別實施方案中，本發明的合金 可以具有比D-5S更好的抗氧化性。在優選實施方案中，該合金具有比D-5S更好的抗氧化 性且不會有害地影響其他材料性質。在特別實施方案中，基於該合金組合物的總重量，該合金組合物包含含量為約 0. 5wt% 約4. 5wt%的鉬。在一些實施方案中，該合金包括含量為約0. 5wt% 約2襯％的 鉬。在進一步的實施方案中，該合金的鉬含量約為Iwt%。優選地，該鉬含量為約0. 9wt% 約1. lwt%。鉬可以幫助碳化物在該鑄鐵基體中的沉澱，並由此可以通過在該合金可能使用 的整個溫度範圍內沉澱強化而提高該球墨鑄鐵基體的高溫屈服強度。當鉬含量低於
時，該鑄鐵的基體可能不通過形成碳化物而經歷足夠的沉澱強化。當鉬含量超過4.5wt% 時，可能降低室溫伸長率和可加工性。進一步地，鉬能夠是昂貴的，因此限制所用鉬的量可 能是合意的。在特別實施方案中，該合金組合物包含含量為約 約6. 5wt%的矽。在 一些實施方案中，該合金包括含量為約3. 5wt % 約6wt %的矽。優選地，該合金包括約 4. 5wt% 約6.0wt%的矽。矽有助於石墨的結晶。在該合金中包括1 〖％或更多的矽可能 有助於在表面附近形成的氧化矽的鈍化膜，導致該材料的抗氧化性的提高。然而，當矽含量超過6. 5wt%時，形成了硬的基體，其導致由該合金製成的任何製品的可加工性差。在某些實施方案中，可以指定該合金的碳當量值。在優選實施方案中，該碳當量值 是基於下式計算的
Ce = Ct + 0.33 X Si + 0.047 X Ni - 0. 0055 (Ni + Si)； 其中C6表示碳當量，Ct表示該合金中碳的重量百分比，Si表示該合金中矽的重量百分 比，Ni表示該合金中鎳的重量百分比，基於該合金組合物的總重量。在一些實施方案中，基於該合金組合物的總重量，該合金的碳當量值為約4% 約5%。在優選實施方案中，該碳當量值為約4. 5% 約4.8%。該碳當量值確立了該合金 的固化溫度範圍並與該合金的鑄造特徵及其性質有關。例如，在某些實施方案中，在該合金 中更高濃度的碳和其他元素(例如鎳和矽)可能導致由其製備的製品的硬度的提高。每種這 些元素可能對該合金的性質的影響程度都有些不同，使得需要進行比較方法以判斷由不同 合金化方法製成的兩種合金之間硬度的差別。注意各種含量的矽、鎳和碳可能導致相同的 碳當量值；具有相同碳當量值的合金不必具有相同或相似的性質。因此，碳當量值用於限定 合金的使用可能有助於預測合金的性質，但存在著一些局限性。依照進一步的實施方案，本發明的合金組合物能夠包括鎂，基於該合金組合物 的總重量，其含量可能在約0. 02wt % 約0. Iwt %的範圍。優選地，鎂以約0. 035 % 約 0.090%的含量存在。在一些實施方案中，該鎂可以作為孕育劑添加到該合金熔體中，其可 以有助於石墨成核和/或影響該合金內鐵的過冷。孕育處理可能導致可加工性的提高，強 度和延展性的提高，硬度和端面敏感度的降低、和在冷卻的合金和由其製備的任何製品中 更均勻的微觀結構。除了上述元素之外，在一些實施方案中，本發明的合金還可以包括一種或多種以 痕量存在的元素，所述元素可以稱作痕量元素。此處所用的術語「痕量元素」表示在本發明 的合金組合物中存在的、不要求最小含量的任意元素。因此，痕量元素也能夠在該合金組合 物中完全不存在。痕量元素可以作為製備合金所用的工藝的直接結果而存在於該合金中， 或者可以在該合金組合物中有意包括其他元素，儘管是以少量的。如果在該合金組合物中 包括一種或多種痕量元素，那麼優選以小於或等於最大量而存在。例如，在特別實施方案中，本發明的合金可以包括錳、磷、硫和銅中的一種或多種。 在一種實施方案中，本發明的合金可以包括錳。基於該合金組合物的總重量，該錳可以以不 超過約0.50wt%的量存在。在另一實施方案中，本發明的合金可以包括磷。基於該合金組 合物的總重量，該磷可以以不超過約0.08wt%的量存在。例如，在另一實施方案中，本發明 的合金可以包括硫。基於該合金組合物的總重量，硫可以以不超過約0. 3wt%的量存在。在 另一實施方案中，本發明的合金可以包括銅。基於該合金組合物的總重量，該銅可以以不超 過約0. 50wt%的量存在。在其他實施方案中，本發明的合金可以包括其他元素。在一種實施方案中，單一的 痕量元素能夠以不超過約Iwt %的量存在。更優選地，痕量元素以不超過約0. Iwt %的量存 在。痕量元素優選僅構成本發明的總合金組合物的少量百分比。在某些實施方案中，所有 痕量元素含量的總和能夠佔本發明的總合金組合物的總重量的不超過約2 %。優選地，所有 痕量元素的總和佔該合金的不超過約1. 5wt%，更優選地佔該合金的不超過約1%。在某些實施方案中，痕量元素能夠是雜質。如合金化工藝中公知的，特別是在使用較低成本材料製備合金的情況下，通常有各種雜質引入合金組合物中。因此，在該合金組合 物中存在的、不必作為合金化元素而需要的任何元素都可以被認為是雜質。而且，非金屬性 材料(例如磷、氮和氧)可以作為雜質存在。當然，其他非金屬性材料也能夠包括作為雜質。可以特別以痕量存在於本發明的合金組合物中的元素包括但不局限於鈣和鈉。單 一雜質的含量優選不超過約0. 1%。在優選實施方案中，所有雜質的總含量低於約1%，優 選低於約0. 5%，低於約0. 4%或低於約0. 3wt%。在某些實施方案中，本發明的合金基本上不含錫和/或銻。「基本上不含」表示任 一元素含量小於約0. OOlwt %，更通常小於約0. 0001%,最通常小於約0. 00001%。在某些 實施方案中，錫和銻基本上佔據總合金組合物總重量的Owt % (即該合金組合物不含錫和 銻)。本發明的合金的優點，特別是與保持與合金有關的總強度同時降低該合金的總成 本方面的優點，在某些實施方案中能夠通過使用特定量的這些元素而實現。在特別實施方 案中，該合金組合物包括含量範圍為約2. 2 約2. 4%的碳、含量為約3. 5 約4%的矽、 含量為約 約的鎳、含量為約2. 5% 約3%的鉻和含量為約0. 9% 約1. 1% 的鉬，所有百分比都是以重量計且基於該總合金組合物的總重量的。在本發明的其他實施 方案中，有利的是本發明的合金組合物具有特別限定的組成。例如，在一種特別實施方案 中，本發明涉及由以下構成的鑄鐵合金組合物約2. 2wt% 約2. 的碳、約3. 5wt% 約4. Owt %的矽、約^wt % 約^wt %的鎳、約2. 5wt % 約3. Owt %的鉻、約0. 9wt % 約 1. Iwt%的鉬、約0. 035wt% 約0. 090wt%的鎂，餘量包括鐵和不可避免的雜質。本發明的合金組合物適用於通過本領域公知的任意方法製備各種製品。該合金組 合物能夠用於製備通常由奧氏體球墨鑄鐵合金製備的任意製品。本發明的合金特別適用於 製備用於需要支持高的熱機械負荷的能力的應用中的製品。在一些實施方案中，本發明涉 及由本發明的合金製備的用於汽車發動機的排氣設備構件。在一種特別實施方案中，本發 明涉及由此處公開的合金組合物形成的渦輪增壓機外殼。本發明的渦輪增壓機外殼的一種 實施方案示於圖1中。特別地，圖1描述了渦輪增壓機10，包括渦輪外殼20，其容納渦輪葉 輪30，容納壓縮機葉輪50的壓縮機外殼40，和用於容納一組軸承的軸承外殼60。該組軸承 70支撐將該渦輪葉輪30連接到壓縮機葉輪50的旋轉軸80。在特別實施方案中，渦輪增壓 機10、渦輪外殼20、軸承外殼60和壓縮機外殼40中的一種或多種可以包括此處公開的合
^^ ο該合金本身可以使用金屬製備和成型的任意各種傳統方法製備。傳統鑄造是最常 見的用於形成這些合金的鑄塊的工藝，儘管也可以使用其他方法。在本領域中通常用於制 備其他合金的熱和熱機械處理技術也適用於製備和增強本發明的合金。製備合金和製備 由其製成的製品的示例性方法提供在以下美國專利中，通過參考將其整體引入此處名稱 為 Method of Producing Turbine Disks 的 Miller 等的美國專利號 4，608，094、名稱為 Component Casting 的 Mills 等的美國專利號 4，532，974 和名稱為 Power Drive Unit 的 Flippo的美國專利號4，191，094。在一種特別實施方案中，依照本發明的合金組合物能夠用於砂型鑄造技術以製備 製品，例如渦輪增壓機外殼。砂型鑄造是以低成本且之後需要有限的加工而提供具有好的 表面光潔度的鑄件。該鑄型通常是由具有比該合金更高的熔點的材料製成的，例如耐火聚集體或高溫合金。該鑄型可以根據待澆鑄的特定合金、待製備的鑄件數量、鑄件的尺寸需求 和鑄件的性質需求而用多個方法之一製備。將構成該合金的金屬熔化並從熔化爐中接入鑄 桶中用於澆鑄到該鑄型空腔中。在其中，將該金屬在由鑄型和型芯限定的空間內固化。在該 鑄型內的澆口確保該液態金屬恰當地流入該鑄型空腔中，冒口有助於控制適當的固化。在 鑄件固化並除去冒口和澆口之後將該鑄件從該鑄型中搖出。如果需要可以將該鑄件進行熱 處理。然後清洗並精加工該鑄件，進行質量檢查。當然，能夠改變該方法以優化鑄造技術。在一些實施方案中，在熔化之後但在澆鑄到鑄型中之前處理該鑄鐵以使石墨球 化。球化是通過其能夠改善鑄鐵的微觀結構和機械性質的工藝。該球化工藝特別通過確保 石墨球狀生長而影響該材料的微觀結構。在球墨鑄鐵中，該球化處理將影響孕育效率並因 此選擇正確的處理工藝和含鎂材料是重要的。在某些實施方案中，在鎂處理過程中形成大 量的小微觀夾雜物可能是有利的。在球化過程中，形成了多個具有硫化物中心和包含複合 矽酸鎂(complex magnesium silicates)的外殼的夾雜物。然而，這種微觀夾雜物將不會 提供石墨的有效成核，因為矽酸鎂的晶格結構與石墨的晶格結構的匹配並不好。因此，在一 些實施方案中，可以用包含鈣、鋇、鍶、鋯、鋁和/或稀土元素的矽鐵合金孕育矽酸鎂顆粒的 表面。在這種實施方案中，該孕育可以改性該矽酸鎂顆粒的表面，以及可以產生其他複合的 鈣、鋇、鍶、鋯、鋁和/或稀土元素矽酸鹽層。這類矽酸鹽可以具有與石墨相同的六邊形晶格 結構，且由於非常好的晶格匹配，因此可以作為有效的成核位置，在固化過程中石墨球能夠 從其中生長。在一些實施方案中，在熔化之後但在澆鑄到該鑄型中之前孕育該鑄鐵。孕育是通 過其改善鑄鐵的微觀結構和機械性質以提供具有所需機械性質的最終產品的工藝。孕育可 以提供具有改進的可加工性、強度和延展性、降低的硬度和斷面敏感性和更均勻的微觀結 構的鑄件。其也可以降低固化收縮的趨勢。該孕育工藝特別通過提供石墨成核位置(使得 溶解的碳作為石墨而非碳化鐵沉澱)並控制鐵的共晶過冷而特別影響該材料的微觀結構。 可以使用各種孕育劑；在一種實施方案中，使用具有少量鈣、鋇、鍶、鋯、鋁和/或稀土元素 的矽鐵基合金。該孕育劑可以直接添加到該熔融金屬中，也可以在該工藝的過程中多次添 加。例如，在一些實施方案中，該孕育劑是通過簡單鑄桶孕育、注入正澆鑄的流中、和/或鑄 型中的球粒引入的。在一些優選實施方案中，通過添加到正澆鑄的流中或鑄型中而進行孕 育。優選地，當將該孕育劑添加到鑄型中時，可以使用鑄型內濾網芯以使爐渣/氧化物膜和 夾雜物的存在最少化。孕育劑的添加率將取決於其引入的位置和時間。例如，如果該孕育 劑在該工藝的早期添加(例如添加到轉移鑄桶中)，可能需要較高的孕育劑添加率(例如高 達或超過約Iwt % )，而如果在該工藝的後期添加(例如添加到金屬流中)，其可能需要較低 的孕育劑添加率(例如僅僅約0. 或更低)。如上所述，在優選實施方案中，該鑄鐵合金具有奧氏體結構。奧氏體結構表示該石 墨是基本上球形的。球形表示石墨顆粒以在可延展的基體中的小的圓形顆粒的形式存在。 特別地，在優選實施方案中，本發明的鑄鐵合金具有在奧氏體的基體中包括球形石墨的微 觀結構。在一些實施方案中，通過用標準金相技術製備該樣品並蝕刻來對該微觀結構進行 評價。可以使用依照PI-5993的圖像分析系統或將微觀檢測與例如ASTM A 247表進行比 較而進行石墨特徵的形式和數量的測定。有很多形式的石墨形態，其可以根據ASTM標準限定，從R)rm 1(完全球形)到R)rmIII和IV (緻密的(compacted)/蠕蟲狀的和尖的石墨)。該微觀結構在整個製品中可以不 是均勻的，且在該製品的不同部分內可能不同。在一些實施方案中，本發明的鑄鐵合金具有石墨是基本上球形的奧氏體結構。在 優選實施方案中，該合金具有基於總石墨重量的含量為至少約80%或更高的依照ASTM A 247的I和II石墨的總量。在特別優選的實施方案中，Form I是佔主要的。在特別實 施方案中，Form I和II石墨總量的至少約80%可以包括R)rm I，在優選實施方案中，Form I和II石墨總量的至少約87%可以包括I。對於由此處公開的合金組合物製備的制 品的小斷面(例如在安全殼帶(containment band)、渦室壁和歧管內)，其中R)rm I和II石 墨的百分比為至少約80%且其中R)rm I和II石墨的至少約80%或87%是R)rm I石墨 的實施方案可能是特別優選的。在一些實施方案中，佔不超過總石墨的約20%的其餘石墨 可以包括i^orm III和IV石墨。在優選實施方案中，在該i^orm III和IV石墨內，Form III 佔主要的。在特別優選的實施方案中，該合金不包含i^orrn V和VI石墨。在其他實施方案中，本發明的鑄鐵合金具有石墨是基本上球形的奧氏體結構，基 於總石墨重量，依照ASTM A 247的R)rm I和II石墨的總量為至少約70%或更高。在特別 優選的實施方案中，Form I是佔主要的。在特別實施方案中，Form I和II石墨總量的至少 約70%可以包括R)rm I。對於由此處公開的合金組合物製備的製品的較厚部位(例如在法 蘭、凸舌區域、排廢外殼的輪廓內以及在VNT外殼的「U」形表面之下)，其中I和II石 墨的百分比為至少約70%且其中R)rm I和II石墨的至少約50%是R)rm I石墨的這些實 施方案可能是特別優選的。在一些實施方案中，佔不超過總石墨的約30%的其餘石墨可以 包括R)rm III和IV石墨。在優選實施方案中，在該i^orm III和IV石墨內，R)rm III佔 主要的。在特別優選的實施方案中，該合金不包含i^orm V和VI石墨。在本發明的一些實施方案中，該合金可以進一步包括R)rm VII (片狀/薄層狀) 石墨或準片狀石墨(Form IV)。在優選實施方案中，如果該合金包含R)rm VII和/或IV石 墨，其存在於鑄件表面或表面反應區域處。優選地，在存在的情況下，該i^orrn VII和/或IV 石墨存在於薄壁中約0. 2mm和厚壁中約0. 4mm的最大深度。「薄壁」表示厚度小於或等於約 5mm的壁，「厚壁」表示厚度大於約5mm的壁。在本發明的一些實施方案中，指定了該石墨球數。例如，在一些實施方案中，該材 料可以具有約100 約500mm2的球數。在一些實施方案中，該材料可以在該鑄件的薄壁中 具有約200 約500mm2的球數。在一些實施方案中，該材料可以在該鑄件的厚壁中具有約 150 約450mm2的球數。該石墨球計數可以例如使用對比記數方法或適合的圖像分離設備 進行。在優選實施方案中，在該計數中不考慮直徑小於約IOym的所有石墨物品。在優選 實施方案中，該計數是在放大倍數為100X的圖像上進行的。在本發明的一些實施方案中，指定了該石墨球的平均直徑。例如，在一些實施方案 中，該材料包括平均直徑在約10 μ m 約50 μ m範圍，優選在約10 μ m 約40 μ m範圍的石墨球。在本發明的一些實施方案中，指定了該合金的基體結構。例如，在一些實施方案 中，在用試劑(例如Nital 5% (包含約5mL的氫氯酸稀釋在約IOOmL的乙醇中))蝕刻之後 完全退火的鑄件的基體結構可以是基本上鐵素體的。在一些實施方案中，該基體在最初的 奧氏體顆粒邊界處可以包含不超過約25%的混合碳化物和珠光體。在優選實施方案中，該基體不包含連續的碳化物網絡。在其中存在混合碳化物的特別優選的實施方案中，該粗碳 化物的含量被限制到小於該混合碳化物含量的約5%。在本發明的一些實施方案中，可以指定孔隙率的程度和形式。孔隙可以以簇狀形 式、均勻分散的形式、或顯示出與樹枝狀生長對齊的方向性形式而存在。可以通過剖面、研 磨和拋光來檢測多孔性。在優選實施方案中，將該孔隙率最小化。使用此處所述的本發明的合金組合物的某些實施方案製備的製品將會特別預期 滿足或超出越來越高的用於高溫應用的性能需求。如實施例中所示，本發明的合金組合物 的某些實施方案提供用於製備如下製品所述製品具有作為在升高的溫度下優良性能的例 子的機械性質(例如極限拉伸強度、屈服強度和伸長率)。在某些實施方案中，本發明的合金可以在高達約800°C，高達約850°C，高達約 900°C，高達約950°C或高達約1000°C的溫度具有高的機械性質，其中該溫度表示該製品經 受的氣體溫度。優選地，本發明的合金在高達約950°C的溫度具有高的機械性質，其中該溫 度表示該製品經受的氣體溫度。因此，使用本發明的合金組合物的某些實施方案製備的制 品將會預期在高溫應用中找到有利應用，並不僅提供增進的性能，而且提供該製品在高溫 條件下壽命的延長。在一種實施方案中，使用本發明的合金製備的製品特別能夠滿足或超出特定物理 或機械性質的各種標準。在一些實施方案中，依照ASTM E8或其他相當的國內標準對測試 條測定機械性質。優選，將拉伸樣品從該鑄件樣品中取出用於測試。在這不可能的情況下， 甚至用ASTM E8中所述的最小樣品測試尺寸也不可能的情況下，用於測試的樣品可以由遵 循與其試圖代表的部件相同的製備工藝的鑄錠或Y-錠加工而成。在理想情況下，在鑄造之 後該錠的冷卻條件與該鑄件相同，該錠的壁厚應當代表該鑄件的最厚部分。在一些其中使 用鑄錠或Y-錠用於測試的實施方案中，進行最少三次拉伸測試。例如，在一種實施方案中，製品具有至少約340MPa、至少約360MPa、至少約 380MPa、至少約400MPa或至少約420MPa的室溫拉伸強度。在優選實施方案中，製品具有至 少約380MPa的拉伸強度。在一些實施方案中，製品具有至少約190MPa、至少約200MPa、至 少約210MPa、至少約220MPa或至少約230MPa的0. 2%實用彈性極限應力。在優選實施方 案中，製品具有至少約210MPa的0.2%實用彈性極限應力。在一些實施方案中，製品具有至 少約5%、至少約8%、至少約10%、至少約12%或至少約15%的伸長率。在優選實施方案 中，製品具有至少約10%的伸長率。在某些實施方案中，本發明的合金在25°C可以具有在約200MPa 約250MPa範圍 的根據ASTM E8M測定的屈服強度。在一些實施方案中，在25°C該屈服強度至少為約220或 約230MPa。在某些實施方案中，本發明的合金在1000°C可以具有約60MPa 約IOOMPa的 根據ASTM E8M測定的屈服強度。在一些實施方案中，在1000°C的屈服強度為至少約70，至 少約80，或至少約90MPa。在一些實施方案中，本發明的合金在室溫和升高的溫度(不超過 和/或超過約IOO(TC)中一個或多個溫度的屈服強度大於D-5S的。在某些實施方案中，本 發明的合金在25°C可以具有在約350MPa 約450MPa範圍的根據ASTM E8M測定的極限拉 伸強度。在某些實施方案中，本發明的合金在1000°C可以具有在約60ΜΙ^ 約IOOMPa範 圍的根據ASTM Ε8Μ測定的極限拉伸強度。在一些實施方案中，在1000°C的極限拉伸強度 為至少約70，至少約80，或至少約90MPa。在一些實施方案中，本發明的合金的極限拉伸強度大於D-5S的，特別是在高於約600°C的溫度。在某些實施方案中，本發明的合金在25°C 可以具有在約lOOGI^a 約150GI^範圍的楊氏模量。在某些實施方案中，本發明的合金在 1000°C可以具有在約50GPa 約70GPa範圍的楊氏模量。在某些實施方案中，本發明的合金可能在500°C在約10，000 約11，000範圍的總 循環數之後疲勞/失效且總應變為0. 5%，可能在600°C在約15，000 約16，000範圍內的 總循環數之後疲勞/失效且總應變為0. 5%，可能在700°C在約8，000 約9，000範圍內的 總循環數之後疲勞/失效且總應變為0. 5%。在一些實施方案中，該合金可能在500°C在超 過約7，500、超過約10，000或超過約10，500循環之後失效且總應變為0. 5%，在600°C在 超過約10，000、超過約12，500或超過約15，000循環之後失效且總應變為0. 5%，和/或在 700°C在超過約7，000、超過約7，500或超過約8，000循環之後失效且總應變為0. 5%。在 某些實施方案中，本發明的合金比D-5S在更多的循環數之後表現出失效。在一種實施方案中，使用本發明的合金製備的製品在室溫具有低於約300HBW 5/750的比硬度，例如在依照測試方法EN ISO 6506-1進行(對經加工的表面或在對鑄件表 面進行精磨(light grinding)( 0. 5mm)之後進行)評價時。在一些實施方案中，通過例如將顯微鏡檢測結果與ASTM A 247表進行比較進行石 墨特徵(形態和計數)的測定。
實施例通過以下實施例對本發明進行更充分地解釋，所述實施例用於舉例說明本發明， 絕不用於構成限制。有各種方法對鑄件進行化學分析，例如發射光譜法、感應耦合等離子體輝光放電 發光法和溼化學法。在製備工藝過程中，取自用於工藝控制目的的熔爐或鑄桶的樣品很可 能是特別適用於通過發射光譜法非常快速分析的急冷樣品。如果該鐵是急冷的(白色)或者 石墨的(如在成品鑄件中那樣)，那麼響應於特定分析技術能夠有所差別。在一些實施方案 中，分析技術的精確度對於矽是特別重要的，矽分析典型是使用溼/重量分析技術對成品 鑄件進行的，儘管也可以使用其他已知技術。通過對氣體站(gas stand)和發動機在不同溫度範圍內的測試進行研究，以依照 EN 13835在本發明的合金和D-5S之間進行容易的比較。表1中給出了所測試的示例性金 屬和所測試的D-5S合金。這些測試模擬了在使用壽命過程中渦輪外殼材料的行為。將不 同的渦輪外殼經歷適當熱循環和排廢門操作200小時。測試的最高溫度為950°C。將該渦 輪級部件經過加速的運行條件，其模擬了渦輪增壓機將預期承受的實際環境條件。在測試過程中定期目測渦輪級並檢查材料裂紋和缺陷情況。在測試之後，進行所 述部件的金相檢查。在該部件的這種測試後分析之後，結論是本發明能夠與目前用於該應 用的奧氏體球墨鑄鐵D-5S互換使用。實施例1 合金配方
權利要求
1.奧氏體球墨鑄鐵合金組合物，包含 約2. 2wt% 約2. 4wt%的碳；約3. 5wt% 約4. Owt %的矽； 約^wt % 約^wt %的鎳； 約2. 5wt% 約3. Owt %的鉻； 約0. 9wt% 約1. Iwt %的鉬；和 大於約50%的鐵，其中百分比是基於該組合物的總重量，以及其中該合金基本上不含錫和銻。
2.權利要求1的鑄鐵合金組合物，進一步包含基於該組合物的總重量的約 0. 0;35wt% 約 0. 090wt% 的鎂。
3.權利要求1的鑄鐵合金組合物，進一步包含一種或多種痕量元素。
4.權利要求3的鑄鐵合金組合物，其中基於該組合物的總重量，所述一種或多種痕量 元素包含以下中的一種或多種不超過約0. 10%的錳； 不超過約0. 08%的磷；和 不超過約0. 03%的硫。
5.權利要求3的鑄鐵合金組合物，其中所述一種或多種痕量元素各自以基於該組合物 的總重量不超過約0. Iwt%的量存在。
6.權利要求3的鑄鐵合金組合物，其中所述一種或多種痕量元素以基於該組合物的總 重量不超過約0. 15wt%的總量存在。
7.權利要求1的鑄鐵合金組合物，其中該鑄鐵具有石墨是基本上球形的奧氏體結構， 依照ASTM A 247 Form I和II石墨的總量為約70%或更高。
8.權利要求7的鑄鐵合金組合物，其中R)rmI和II石墨的總量的至少約87%包含 Form I，依照 ASTM A 247。
9.由依照權利要求1的合金組合物製備的渦輪外殼或渦輪歧管。
10.權利要求9的渦輪外殼或渦輪歧管，其中在依照ASTME8測定時，所述渦輪外殼或 渦輪歧管在室溫具有至少約380MPa的極限拉伸強度。
11.權利要求9的渦輪外殼或渦輪歧管，其中在依照ASTME8測定時，所述渦輪外殼或 渦輪歧管在室溫具有至少約210MPa的0. 2%實用彈性極限應力。
12.權利要求9的渦輪外殼或渦輪歧管，其中在依照ASTME8測定時，所述渦輪外殼或 渦輪歧管在室溫具有至少約10%的斷裂伸長百分比。
13.權利要求9的渦輪外殼或渦輪歧管，其中所述渦輪外殼或渦輪歧管在室溫具有小 於約300 HBff 5/750的硬度，其中該硬度是依照EN ISO 6506-1測定的。
14.奧氏體球墨鑄鐵合金組合物，由以下組成 約2. 2wt% 約2. 4wt%的碳；約3. 5wt% 約4. Owt %的矽； 約^wt % 約^wt %的鎳； 約2. 5wt% 約3. Owt %的鉻； 約0. 9wt% 約1. Iwt %的鉬；約 0. 0;35wt% 約 0. 090wt% 的鎂；禾口餘量的鐵和不可避免的雜質，其中百分比是基於該組合物的總重量。
15.權利要求14的鑄鐵合金組合物，其中該鑄鐵具有石墨是基本上球形的奧氏體結 構，而且依照ASTM A 247 Form I和II的總量是約70%或更高。
16.權利要求15的鑄鐵合金組合物，其中所述R)rmI和II石墨包含至少約70%的具 有依照ASTM A 247的R)rm I的石墨。
17.由依照權利要求14的合金組合物製備的渦輪外殼或渦輪歧管。
18.權利要求17的渦輪外殼或渦輪歧管，其中在依照ASTME8測定時，所述渦輪外殼或 渦輪歧管在室溫具有至少約380MPa的極限拉伸強度。
19.權利要求17的渦輪外殼或渦輪歧管，其中在依照ASTME8測定時，渦輪外殼或渦輪 歧管在室溫具有至少約210MPa的0. 2%實用彈性極限應力。
20.權利要求17的渦輪外殼或渦輪歧管，其中在依照ASTME8測定時，所述渦輪外殼或 渦輪歧管在室溫具有至少10%的失效伸長百分比。
21.權利要求17的渦輪外殼或渦輪歧管，其中所述渦輪外殼或渦輪歧管在室溫具有小 於約300 HBff 5/750的硬度，其中該硬度是依照EN ISO 6506-1測定的。
全文摘要
本發明涉及奧氏體球磨鑄鐵，尤其涉及奧氏體球墨鑄鐵合金組合物，包含約2.2wt％～約2.4wt％的碳；約3.5wt％～約4.0wt％的矽；約28wt％～約29wt％的鎳；約2.5wt％～約3.0wt％的鉻；約0.9wt％～約1.1wt％的鉬；和大於約50％的鐵；其中百分比是基於該組合物的總重量的。本發明進一步提供了使用本發明的合金製備的製品，例如渦輪增壓機外殼。
文檔編號C22C37/10GK102127674SQ201110006508
公開日2011年7月20日 申請日期2011年1月13日 優先權日2010年1月14日
發明者A·克勞德, A·魯永, L·T·施米特, M·威爾遜, R·本基赫布 申請人:霍尼韋爾國際公司