具有奧氏體結(jié)構(gòu)的高合金球狀石墨鑄鐵、所述鑄鐵用于制造結(jié)構(gòu)部件的用途及由所述鑄 ...的制作方法
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明涉及一種具有奧氏體結(jié)構(gòu)的高合金球狀石墨鑄鐵，所述鑄鐵包含以下重量百分?jǐn)?shù)的以下成分：1.6%-2.0%鉻(Cr)、0.9%-1.1%鉬(Mo)、0.3%-0.5%鈮(Nb)、34%-36%鎳(Ni)、6.1%-6.7%硅(Si)、1.6%-2.0%碳(C)、0.5%-0.7%鎢(W)、0.5%-0.65%錳(Mn)；本發(fā)明還涉及預(yù)期在920℃-1020℃的排氣溫度范圍操作并且特別用于汽車(chē)工業(yè)所用的排氣歧管、渦輪和/或渦輪歧管的結(jié)構(gòu)部件。
【專(zhuān)利說(shuō)明】具有奧氏體結(jié)構(gòu)的高合金球狀石墨鑄鐵、所述鑄鐵用于制造結(jié)構(gòu)部件的用途及由所述鑄鐵制成的結(jié)構(gòu)部件
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及結(jié)構(gòu)鐵合金工業(yè)，特別涉及鐵-碳合金，例如鑄鐵和鋼，更詳細(xì)涉及具有奧氏體結(jié)構(gòu)的具有根據(jù)前序的權(quán)利要求1的化學(xué)組成的高合金球狀石墨鑄鐵。
現(xiàn)有技術(shù)
[0002]在當(dāng)前現(xiàn)有技術(shù)中已知大量鐵-碳合金，每一種(簡(jiǎn)要而言)以其自身的成本、可加工性和機(jī)械性質(zhì)為特征。
[0003]特別地，在機(jī)械性質(zhì)方面，已知在其它因素相等時(shí)它們隨溫度改變而顯著改變。
[0004]因此，用以制造機(jī)械件或結(jié)構(gòu)部件的鐵合金的選擇通常甚至取決于這種結(jié)構(gòu)部件操作使用期間所取的操作溫度。
[0005]另一方面，機(jī)械裝置的設(shè)計(jì)甚至也受這些限制影響，因?yàn)槔绮荒茴A(yù)期達(dá)到特定溫度，否則部件將破裂。
[0006]在所有這些情況下 ，材料的選擇造成嚴(yán)重的設(shè)計(jì)問(wèn)題，因?yàn)橛捎谕ǔ２豢赡芗染哂锌煽啃杂至畠r(jià)，必須在此兩者中擇一優(yōu)選。
[0007]在這種意義上的具體實(shí)例是用于機(jī)動(dòng)車(chē)的排氣歧管和渦輪以及渦輪歧管的領(lǐng)域(該【技術(shù)領(lǐng)域】在英語(yǔ)中通常與通用術(shù)語(yǔ)“汽車(chē)” 一致)。
[0008]近來(lái)的技術(shù)發(fā)展已使這些部件達(dá)到的操作溫度提高，直至達(dá)到約800°C -1020°C的值。
[0009]制造以上操作溫度范圍內(nèi)的這些產(chǎn)品所用的已知合金通常為兩種:高鎳含量鑄鐵或奧氏體不銹鋼。高鎳含量鑄鐵可在市場(chǎng)上以商品名N1-Resist鑄鐵得到，而且其具有奧氏體結(jié)構(gòu)；已知這種類(lèi)型鑄鐵的數(shù)種組成，特別可用于所參考的應(yīng)用領(lǐng)域的一種描述于1980 年發(fā)表的標(biāo)題為 “N1-resist type D5S -an improved material for turbochargerhousings” (N1-resist型D5S-潤(rùn)輪增壓器殼體的改進(jìn)材料)的文獻(xiàn)。
[0010]為了了解這種鑄鐵和奧氏體鋼的機(jī)械性能作為溫度的函數(shù)的變化，參考附圖1，其中橫坐標(biāo)表示溫度[°c ]，縱坐標(biāo)表示應(yīng)力[兆帕，Mpa]，而兩個(gè)曲線圖是鑄鐵EN-GJSA-XNiSiCr35-5-2 “N1-Resist D5S”(表示為 NR)和 AISI 309S 鋼(表示為 IS)的屈服強(qiáng)度趨勢(shì)。
[0011]可在曲線圖中清楚地看到，IS鋼一般具有高于NR鑄鐵的屈服強(qiáng)度(溫度相等)；然而IS也有顯著較高成本，約為NR鑄鐵的兩倍。
[0012]在940°C-980°C溫度范圍內(nèi)，NR鑄鐵的屈服強(qiáng)度急劇下降:在940°C鑄鐵的屈服強(qiáng)度等于約35Mpa (表1)，超過(guò)此溫度屈服強(qiáng)度降至0，實(shí)際上使鑄鐵從940°C開(kāi)始的關(guān)注范圍內(nèi)不可更有用。
[0013]相反，IS鋼在此溫度值具有等于約IlOMpa的很高的屈服強(qiáng)度。
[0014]由于溫度范圍一般為“汽車(chē)”領(lǐng)域使用的排氣歧管、渦輪和渦輪歧管的溫度范圍，所以上述問(wèn)題是存在的。在900°C _1020°C溫度范圍內(nèi)，用以制造排氣歧管、渦輪和渦輪歧管的材料的選擇很復(fù)雜:一方面，通過(guò)選擇NR鑄鐵得到廉價(jià)鑄件，但它們?nèi)菀捉?jīng)受損壞，另一方面，通過(guò)選擇奧氏體IS不銹鋼得到可靠的制品，但具有相當(dāng)高的成本。
[0015]應(yīng)順帶注意到，對(duì)于這些產(chǎn)品，奧氏體IS不銹鋼的屈服強(qiáng)度具有顯著高于數(shù)家制造商的規(guī)格所需的值，因此，使用奧氏體不銹鋼似乎相對(duì)于排氣歧管、渦輪和渦輪歧管的實(shí)際機(jī)械需要不合理，但如果期望避免這些部件的早期破裂(early braking)，則這是唯一的可行方式。
[0016]因此，在當(dāng)前現(xiàn)有技術(shù)中需要使制造和加工廉價(jià)并且在900°C -1020°C溫度具有優(yōu)良機(jī)械性能(例如，優(yōu)良的屈服強(qiáng)度)的材料可得到。
[0017]發(fā)明目的和概述
本發(fā)明目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的缺陷。
[0018]特別地講，本發(fā)明目的在于提供滿(mǎn)足上述需要的材料。
[0019]本發(fā)明的第一個(gè)目的是一種具有奧氏體結(jié)構(gòu)的高合金球狀石墨鑄鐵，所述鑄鐵包含以下百分?jǐn)?shù)(按重量計(jì)，基于總量)的以下成分:
鉻(Cr) 1.6%-2.0%,
鑰(Mo) 0.9%-1.1%，
鈮(Nb) 0.3%-0.5%,
鎳(Ni) 34%-36%，`
硅(Si) 6.1%-6.7%,
碳(C) 1.6%-2.0%,
鶴(W) 0.5%-0.7%,
錳(Mn) 0.5%-0.65%。
[0020]任選地，在一個(gè)有利變體中，本發(fā)明的鑄鐵還包含將在下文說(shuō)明的百分?jǐn)?shù)的磷和銅。
[0021]本發(fā)明的另一個(gè)目的是由所述鑄鐵制成的部件，特別是結(jié)構(gòu)部件，特別是通過(guò)鑄造過(guò)程，然后有一個(gè)或多個(gè)除屑機(jī)械加工過(guò)程來(lái)制成的部件。
[0022]本發(fā)明的另一個(gè)目的是用于內(nèi)燃機(jī)(奧圖發(fā)動(dòng)機(jī)(Otto engine)或柴油發(fā)動(dòng)機(jī))的由所述鑄鐵制成的渦輪歧管。
[0023]附圖簡(jiǎn)述
以下參考非限制實(shí)例描述本發(fā)明，所述實(shí)例在附圖中提供作為例子而不作為限制。這些附圖顯示本發(fā)明的不同特征，具體地講:
圖1為已知類(lèi)型的鑄鐵和鋼(也是已知的)的屈服強(qiáng)度作為溫度的函數(shù)的趨勢(shì)；
圖2為本發(fā)明的鑄鐵的屈服強(qiáng)度的趨勢(shì)；
圖3為已知材料和本發(fā)明的鑄鐵的屈服強(qiáng)度(作為溫度的函數(shù))之間的比較；
圖4為本發(fā)明的鑄鐵的UTS (極限拉伸強(qiáng)度)的曲線圖。
[0024]發(fā)明詳述
本發(fā)明的具有奧氏體結(jié)構(gòu)的高合金球狀石墨鑄鐵包含以下重量百分?jǐn)?shù)的以下成分:
鉻(Cr) 1.6%-2.0%,
鑰(Mo) 0.9%-1.1%，
鈮(Nb) 0.3%-0.5%,鎳(Ni) 34%-36%,
硅(Si) 6.l%-6.7%,
碳(C) 1.6%-2.0%,
鶴(W) 0.5%-0.7%,
錳(Mn) 0.5%-0.65%。
[0025] 申請(qǐng)人:意外地發(fā)現(xiàn)，具有奧氏體結(jié)構(gòu)的尤其包含具有所述百分?jǐn)?shù)以上成分的高合金球狀石墨鑄鐵具有優(yōu)化的機(jī)械性質(zhì)，處于上述NR鑄鐵的機(jī)械性質(zhì)和上述奧氏體IS不銹鋼的機(jī)械性質(zhì)之間。
[0026]另外，本發(fā)明的鑄鐵有利地具有已知NR鑄鐵和奧氏體不銹鋼之間的中間成本，因此，與奧氏體不銹鋼比較具有引人關(guān)注的成本節(jié)約。
[0027]本發(fā)明的鑄鐵基本具有最佳性質(zhì)，以克服上述缺陷并且起到制造內(nèi)燃機(jī)所用渦輪歧管的材料的作用。
[0028]從現(xiàn)在起必須注意到，本發(fā)明的鑄鐵在約780V -840V的溫度范圍具有比IS鋼還更高的屈服強(qiáng)度，使它比后者甚至更優(yōu)選用于在此溫度范圍的具體應(yīng)用。
[0029]硅是一種石墨化元素，它使共晶轉(zhuǎn)變向左移，提高共晶溫度；這兩種組合作用(石墨化作用和共晶曲線移動(dòng))減小對(duì)于給定碳值的固化范圍。
[0030]另外，硅是一種產(chǎn)生α相的(Alphagene)`元素，而且在本發(fā)明的數(shù)值范圍內(nèi)(6.1-6.7%)，它使穩(wěn)定系統(tǒng)(石墨和鐵氧體)中合金的固化移動(dòng)。
[0031]另外，它降低共晶和珠光體碳化物的穩(wěn)定性。
`[0032]硅每增加1%，共析體的碳含量被硅減少約0，l%(TSjg=1154°C +4*Si_2*Mn _30*P ；Tmss=I 147°C -10*S1-30*P+30*Cr)。
[0033]因此，簡(jiǎn)單地說(shuō)，可以說(shuō)加入所示百分?jǐn)?shù)的硅的事實(shí)因此產(chǎn)生高溫下高的尺寸穩(wěn)定性和較佳的酸腐蝕耐性；按以上所示的百分?jǐn)?shù)，其還改善熱剝落(氧化損失)。
[0034]在此還必須注意到，原則上，根據(jù)可得到的科學(xué)文獻(xiàn)，提供具有高于6%重量值的硅在奧氏體鑄鐵中不適當(dāng)。
[0035]這從以下事實(shí)得出:眾所周知，硅是一種產(chǎn)生α相的元素，它促進(jìn)形成穩(wěn)定的鐵素體，阻止形成奧氏體，因此，在如本發(fā)明的那種具有奧氏體基質(zhì)的鑄鐵中，硅起相反作用。
[0036] 申請(qǐng)人:已意外地注意到，同時(shí)存在鎢不影響奧氏體基質(zhì)形成，因?yàn)樗c被硅偏析的石墨組合，導(dǎo)致形成更加非常穩(wěn)定的碳化鎢。
[0037]關(guān)于鎳,必須注意到,它具有產(chǎn)生Y相的(Gammagene)作用，它降低臨界點(diǎn)和臨界冷卻速度，并且它細(xì)化珠光體顆粒。按照所示百分?jǐn)?shù)的鎳保證在環(huán)境溫度至1020°C下鑄鐵基質(zhì)的穩(wěn)定性，并且它不產(chǎn)生碳化物。
[0038]關(guān)于鉻，它是一種產(chǎn)生α相的元素，而且它是一種形成高碳化物的元素，并且其形成非常熱穩(wěn)定的碳化物。
[0039]在本發(fā)明的鑄鐵制劑中所示的鉻的百分?jǐn)?shù)保證共晶滲碳體和珠光體的石墨化在正常緩慢冷卻期間減慢。
[0040]形成鉻超過(guò)1%的碳化物。
[0041]由于鉻造成的珠光體的強(qiáng)穩(wěn)定化作用和去除在緩慢冷后形成的游離珠光體，可根據(jù)本發(fā)明通過(guò)加入約1.6%-2%鉻得到機(jī)械性能的總體改善。[0042]鉻的這一作用導(dǎo)致提高鑄鐵的硬度和耐磨性。
[0043]因此，本發(fā)明的鑄鐵顯示在高溫下優(yōu)良的穩(wěn)定性和較佳的耐腐蝕性，防止形成剝落物，幫助形成奧氏體基質(zhì)。
[0044]以上所示百分?jǐn)?shù)的鑰是提高本發(fā)明的鑄鐵的耐性和提高其韌性的最有效元素。
[0045]按約1%(0.9%-1.1%)的百分?jǐn)?shù)，它有利地具有使珠光體穩(wěn)定化并改善結(jié)構(gòu)均勻性的作用，因此，這種作用提高耐性和硬度。
[0046]鑰形成晶間碳化物，并且很容易與共晶磷化物中的鉻一起分離。
[0047]另外，以0.9%-1.1%的百分?jǐn)?shù)加入的鑰提高耐熱性，并提供良好的耐磨性。
[0048]相對(duì)地，關(guān)于鈮，將其以0.3%-0.5%的百分?jǐn)?shù)加入本發(fā)明的鑄鐵制劑中主要目的在于改善其機(jī)械性質(zhì)，減小共晶胞的大小。
[0049]另外，由于減少過(guò)冷并增加共晶團(tuán)的數(shù)量，它減小碳化物形成的傾向，并且它有利地阻止碳化鉻沉淀，所述碳化鉻沉淀導(dǎo)致延性減小。
[0050]以上所示百分?jǐn)?shù)的鎢提供具有最佳耐性的本發(fā)明的鑄鐵，并且大部分無(wú)機(jī)酸只微弱地影響它。
[0051]鎢顯著提高硬度，并且高熔融溫度使它成為很適用于經(jīng)受高溫的結(jié)構(gòu)應(yīng)用的選擇，例如本發(fā)明所涉及的那些，例如用于“汽車(chē)”領(lǐng)域中渦輪的渦輪歧管、排氣歧管等。其高彈性模量在低溫下得以利用。
[0052]約0.5%-0.7%百分?jǐn)?shù)的鎢提供良好的抗蠕變性。意外的是(即使由于其傾向于產(chǎn)生材料的過(guò)高硬度和低可加工性，鎢在本領(lǐng)域中一般是已知且不推薦的)， 申請(qǐng)人:已注意到，在本發(fā)明的鑄鐵中引入的鎢增加穩(wěn)定的晶粒間碳化物的存在，這甚至更加提供高溫下的尺寸穩(wěn)定性和硬度。
[0053]通過(guò)在本發(fā)明的制劑中引入所示百分?jǐn)?shù)的硅，硅通過(guò)石墨化作用有助于使游離石墨偏析，增加可加工性特征，與本發(fā)明鑄鐵中鎢的存在相關(guān)和與過(guò)高表面硬度相關(guān)的不期望的作用已由 申請(qǐng)人:出色地克服。
[0054]最后關(guān)于錳，按0.5%-0.65%百分?jǐn)?shù)，其有利地充當(dāng)強(qiáng)力的奧氏體穩(wěn)定劑；應(yīng)順帶注意到，較高量的錳與碳以Mn3C (類(lèi)似于滲碳體的勻晶碳化物)的形式組合，因此，其必須避免。
[0055]在此制劑中的錳也是使珠光體穩(wěn)定化和細(xì)化珠光體基質(zhì)的產(chǎn)生Y相的元素。
[0056]另外，本發(fā)明的具有奧氏體結(jié)構(gòu)的高合金球狀石墨鑄鐵任選進(jìn)一步包含以下重量百分?jǐn)?shù)的以下成分:
磷（p）≤0.1%
銅(Cu) ≤0.1%
從本發(fā)明的鑄鐵得到的優(yōu)勢(shì)也可直接從附圖2的分析發(fā)現(xiàn)，其中橫坐標(biāo)表示溫度[°C ]，縱坐標(biāo)表示機(jī)械應(yīng)力[兆帕，Mpa]，其中顯示本發(fā)明的鑄鐵的屈服強(qiáng)度。
[0057]可直接看到，在850°C-980°C溫度范圍內(nèi)，本發(fā)明的鑄鐵I的屈服強(qiáng)度趨勢(shì)顯著高于已知NR鑄鐵。
[0058]上述本發(fā)明的鑄鐵1、NR鑄鐵和IS鋼的屈服強(qiáng)度之間的這種比較顯示于圖3的曲線圖中，圖3追溯到圖1和2的曲線圖，將它們一起總結(jié)于單一總覽中。
[0059]已對(duì)本發(fā)明的鑄鐵樣品進(jìn)行試驗(yàn)，其具有以下精確重量百分?jǐn)?shù)的以下成分:銀(Nb)等于0.4%
碳(C)等于1.7%
鉻(Cr)等于2.0%
鑰(Mo)等于1.0%
鎳(Ni)等于36%
硅(Si)等于6.4%
鎢(W)等于0.6%
錳(Mn)等于0.55%
應(yīng)注意到，對(duì)于本發(fā)明的鑄鐵的組成，這些值甚至是最佳值，因?yàn)樗鼈兙哂兄圃斐杀竞蜋C(jī)械性質(zhì)之間的平衡，尤其是對(duì)于汽車(chē)領(lǐng)域(對(duì)其不作限制地參考)中的溫度范圍和應(yīng)用。
[0060]除了可見(jiàn)于圖3的曲線圖之外，還將已發(fā)現(xiàn)的數(shù)值放入以下表1中。
[0061]表1
【權(quán)利要求】
1.一種具有奧氏體結(jié)構(gòu)的高合金球狀石墨鑄鐵， 其特征在于 其包含以下重量百分?jǐn)?shù)的以下成分:
鉻(Cr) 1.6%-2.0%,
鑰(Mo) 0.9%-1.1%，
鈮(Nb) 0.3%-0.5%, 鎳(Ni) 34%-36%，
硅(Si) 6.1%-6.7%,
碳(C) 1.6%-2.0%,
鶴(W) 0.5%-0.7%,
錳(Mn) 0.5%-0.65%。
2.前述權(quán)利要求的鑄鐵，所述鑄鐵包含以下重量百分?jǐn)?shù)的以下成分: 銀(Nb)等于0.4%, 碳(C)等于1.7%， 鉻(Cr)等于2.0%， 鑰(Mo)等于1.0%， 鎳(Ni)等于36%， 硅(Si)等于6.4%， 鎢(W)等于0.6%， 錳(Mn)等于 0.55%。
3.前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)的鑄鐵，所述鑄鐵進(jìn)一步包含以下重量百分?jǐn)?shù)的以下成分: 磷⑵≤0.1%， 銅(Cu)≤ 0.1%。
4.前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)的鑄鐵用于制造至少部分通過(guò)鑄造方法制造的結(jié)構(gòu)部件的用途。
5.結(jié)構(gòu)部件，其特征在于其包含由前述權(quán)利要求中一項(xiàng)或多項(xiàng)的鑄鐵制成的至少一部分。
6.用于內(nèi)燃機(jī)的排氣歧管、渦輪或渦輪歧管，其特征在于其至少部分由前述權(quán)利要求中一項(xiàng)或多項(xiàng)的鑄鐵制成。
【文檔編號(hào)】C22C37/10GK103687972SQ201280023616
【公開(kāi)日】2014年3月26日 申請(qǐng)日期:2012年5月15日 優(yōu)先權(quán)日:2011年5月17日
【發(fā)明者】G.卡薩蒂 申請(qǐng)人:卡薩蒂鑄造廠有限公司