专利名称：奥氏体耐热铸钢的制作方法
技术领域：
本发明涉及奥氏体耐热铸钢，并且更具体地涉及具有优异的热疲劳特性的奥氏体耐热铸钢。2.相关技术的描述为了使奥氏体耐热铸钢在950°C或更高具有优异的热疲劳特性，例如，它们必须具有优异的高温强度性能和从室温到升高的温度的优异韧性。用于应对这种挑战的耐温铸钢在日本专利申请公开号2004-269979 (JP-A-2004-269979)和日本专利申请公开号2002-194511 (JP-A-2002-194511)中描述。JP-A-2004-269979 公开了耐温铸钢，其基于 100 质量％的总量计包含O. 5至I. 5%的碳(C)、0. 01至2%的硅(Si)、3至20%的锰(Mn) ,0. 03至 O. 2%的磷(P)、3 至 20%的镍(Ni)、10 至 25%的铬(Cr)、0· 5 至 4%的铌(Nb)和 O. 1%或更少的铝(Al)，并且其还包含总量为1.5至6%的钥(Mo)和钨(W)中的一种或两种，余量主要为铁(Fe)。在铁基奥氏体耐热铸钢中，碳有效用于增加高温强度和改善可铸性，并且用作奥氏体相稳定元素。铬有效用于改善高温强度，但是在以大量添加时降低韧性。而且，镍与铬的存在有助于增加高温强度，从而使奥氏体相稳定化。鉴于上述内容，在根据相关技术的铁基奥氏体耐热铸钢中，频繁使用包含约O. 3至O. 8%的碳、约10至25%的铬和约10至21%的镍的钢。在日本工业标准(Japanese industrial standard, JIS)中，这样的钢被命名为例如 SCHl2 和 SCH22。近年来，除了其成本迅速上升之外，镍已经变成日益稀有的元素。由于这些原因，甚至在奥氏体耐热铸钢中，趋势为寻求更低的镍水平。然而，在低的镍含量下，基体结构不能实现均匀的奥氏体相，结果是高温强度降低。因此，不容易降低镍水平且同时维持高温强度特性。添加诸如钒、钥、钨和铌的元素有效用于提高强度。然而，这些元素具有降低韧性的趋势，由此使得难以实现高温强度和韧性两者。
发明内容
本发明涉及一种奥氏体耐热铸钢，所述奥氏体耐热铸钢能够在较低的镍水平下实现稳定的奥氏体相，由此使得所述钢能够被赋予高温强度和韧性两者。本发明的一个方面涉及一种奥氏体耐热铸钢，所述奥氏体耐热铸钢包含铁作为基础材料。该奥氏体耐热铸钢以总量为100质量％计包含0. 4至0.8质量％的碳；3.0质量％或更少的硅；0. 5至2. O质量％的锰；0. 05质量％或更少的磷；0. 03至O. 2质量％的硫；18至23质量％的铬；3. O至8. O质量％的镍；0. 05至O. 4质量％的氮。铬与碳的比率为22. 5或更大并且57. 5或更小。因为与当前在普通应用中的奥氏体耐热钢相比镍的量在3. O至8. 0%的范围内，所以该组合物使得能够获得低成本奥氏体耐热铸钢。尽管在相关技术中在约13%或更少的镍含量下未实现奥氏体相的稳定化，但是通过以由镍当量(Nieq = Ni% +0. 3C% +0. 5Mn%+26 (N% -O. 02)+2. 77)计算的量添加碳、锰和氮，可以实现具有与根据相关技术的材料相当或更大的高强度的奥氏体耐热铸钢。而且，通过将铬与碳的比率设定在22. 5 ( Cr/C ^ 57. 5的范围内，可以维持铬在奥氏体基体结构中的所需固溶度，因此使得能够获得实现所需高温强度特性的奥氏体耐热铸钢。根据本方面的奥氏体耐热铸钢可以包含少于0.2质量％的选自钒、钥、钨和铌中的至少一种。铬在用作基体结构的奥氏体相中的固溶度根据碳的量而变化。同时，由于碳化物在奥氏体晶界处析出，所以包含形成碳化物的元素(V、Mo、W、Nb)导致韧性降低，并且由于在奥氏体相内的碳固溶度降低，所以导致伴随铬固溶度降低的强度降低。在上述组合物中，通过将铬与碳的比率为设定在22. 5 ( Cr/C ( 57. 5的范围内并且或者不包含形成碳化物的元素V、Mo、W和Nb或者包含它们但是将其一种或两种或更多种的总量设定为小于O. 2%,解决了上述韧性降低和强度降低。根据本方面的奥氏体耐热铸钢还可以包含少于0.2质量％的选自钒、钥、钨和铌 中的一种。根据本方面的奥氏体耐热铸钢还可以包含O. 19质量％或更少的选自钒和铌中的一种。根据本方面的奥氏体耐热铸钢还可以包含O. 18质量％或更少的选自钥和钨中的一种。根据本发明，在降低镍含量的同时可以在基体结构中获得稳定的奥氏体相，由此使得可以获得具有高温强度和韧性两者的奥氏体耐热铸钢。
参考附图，从以下示例性实施方案的说明中，本发明的前述和其它目的、特征和优点将变得明显，附图中使用类似的附图标记表示类似的要素，其中图I是显示对实施例材料和对比材料进行的热疲劳测试的结果的图；图2是显示对实施例材料和对比材料进行的从室温到升高的温度的拉伸测试的结果的图；图3是显示对于实施例材料和对比材料中的每一种的测试材料的Cr/C值和至断裂的循环数(η)之间的关系的图，其中Cr/C值在水平轴上表示，并且至断裂的循环数(η)在垂直轴上表示；图4是显示在实施例材料和对比材料中的碳含量和熔体流长度之间的关系的图；图5是显示在实施例材料和对比材料中的碳含量和室温下的伸长率之间的关系的图；图6是显示在实施例材料和对比材料中的硅含量和室温下的伸长率之间的关系的图；图7是显示在实施例材料和对比材料中的锰含量和950°C下的拉伸强度之间的关系的图；图8是显示在实施例材料和对比材料中的硫含量和热疲劳寿命(至断裂的循环数(η))之间的关系的图9是显示用于实施例材料和对比材料的切割工具寿命的图；图10是显示在实施例材料和对比材料中的磷含量和室温下的伸长率之间的关系的图；图11是显示在实施例材料和对比材料中的铬含量和950°C下的拉伸强度之间的关系的图；图12是显示在实施例材料和对比材料中的铬含量和950°C下的伸长率之间的关系的图；图13是显示在实施例材料和对比材料中的氮含量和950°C下的拉伸强度之间的关系的图；图14是显不在实施例材料和对比材料中的氣含量和成品率之间的关系的图；
图15是显示在实施例材料和对比材料中的镍含量之差和950°C下的拉伸强度之间的关系的图；和图16是显示在实施例材料和对比材料中的形成碳化物的元素(V、Mo、W、Nb)和热疲劳寿命(至断裂的循环数(η))之间的关系的图。
具体实施例方式由于密集进行的大量实验和研究，本发明人已经发现，在包含铁作为基础材料的奥氏体耐热铸钢中，(a)通过添加特定量的替代镍的元素碳、锰和氮，可以在减少镍添加量时使奥氏体相稳定化，(b)通过合适地添加碳、氮和铬，可以确保良好的高温强度，和(c)通过将C-Cr比率设定在合适的范围内，可以确保铬在基体结构中的固溶度，使得能够实现所需的高温强度特性。而且，他们还已经发现，(d)通过将形成碳化物的元素(V、Mo、W、Nb)的添加量设定为低于固定值，可以防止由于在奥氏体晶粒边界处的碳化物析出引起的韧性降低。本发明的实施方案基于上述发现。本发明的一个实施方案涉及一种包含铁作为基础材料的奥氏体耐热铸钢。该奥氏体耐热铸钢以总量为100质量％计包含0. 4至O. 8质量％的碳；3. O质量％或更少的娃；O. 5至2.0质量％的锰；0. 05质量％或更少的磷；0. 03至0.2质量％的硫；18至23质量％的铬；3. O至8.0质量％的镍；和O. 05至0.4质量％的氮。铬与碳的比率为22. 5或更大并且57. 5或更小。根据该实施方案的奥氏体耐热铸钢可以包含少于0.2质量％的选自钒、钥、钨和铌中的至少一种。根据本实施方案的奥氏体耐热铸钢还可以包含少于0.2质量％的选自钒、钥、钨和银中的一种。根据本实施方案的奥氏体耐热铸钢还可以包含O. 19质量％或更少的选自钒和铌中的一种。根据本实施方案的奥氏体耐热铸钢还可以包含O. 18质量％或更少的选自钥和钨中的一种。在根据本实施方案的奥氏体耐热钢中，将各成分的范围以上述方式进行限定的原因如下。这些值将在随后描述的实施例中更充分地解释。碳用作奥氏体稳定化元素，并且还有效用于增加高温强度和改善可铸性。然而，在少于O. 4%时，这些效果被限制，并且在多于O. 8%时，韧性降低。硅有效用于改善耐氧化性和可铸性，但是在超过3%时，韧性降低。锰是奥氏体稳定化元素。在本实施方案中，因为镍含量已经基于上述镍当量(Nieq=Ni% +0. 3C% +0. 5Mn% +26 (N% -O. 02)+2. 77)从相关技术中的约 13% 降低至 3. O 至8. O %，所以有必要添加O. 5至2. O %的锰。在超过2 %的水平下，在950°C的拉伸强度降低。因为添加大量的磷和硫倾向于导致因重复加热和冷却而引起的热劣化，由此降低韧性，所以磷的上限值设定为O. 05%，并且硫的上限值设定为0.2%。硫与锰结合以形成MnS化合物，提高了机械加工性，但是因为该效果在少于O. 03%时不足，所以硫的下限值设定为O. 03%。铬有效用于提高高温强度，但是在少于18%时，该效果不足。另一方面，因为当添加大量的铬时韧性降低，所以铬的上限设定为23%。 当与铬一起存在时，镍有助于提高高温强度，由此使奥氏体相稳定化。在根据相关技术的铁(Fe)基奥氏体耐热铸钢中，该效果在镍含量低于13%时不足。然而，在本实施方案中，如上所述，通过以由镍当量(Nieq = Ni% +0. 3C% +0. 5Mn% +26 (N% -O. 02)+2. 77)计算的量添加碳、锰和氮，在镍的添加在3. O至8. 0%范围内的情况下可以实现具有与根据相关技术的材料相当或更好的高温强度的耐热铸钢。氮有效用于提高高温强度和使奥氏体相稳定化，以及用于实现更精细的显微结构。然而，在少于O. 05%时，这些效果不足。另一方面，多于0.4%的氮的添加过度降低成品率并且导致气体缺陷。因为添加钒、钥、钨和铌降低了铸钢的韧性并且降低了在高约束条件下的热疲劳特性，所以这些元素的组合含量设定为少于O. 2%。通过以下实施例和对比例更为充分地说明本发明的实施方案。实施例I通过浇铸获得针对具有表I中显示的组成并且包含铁作为基础材料的每种奥氏体耐热铸钢的测试材料(实施例材料I、对比例材料I和2)。浇铸涉及使用50kg高频感应炉来实施开放空气熔化，并且利用Fe-Si (75质量％ )实施脱氧处理。对比材料I是对应于JIS命名SCH12的常规材料，并且对比材料2是对应于JIS命名SCH22的常规材料。对实施例材料I和对比材料I和2实施热疲劳测试。结果示于图I中。在利用测试试样(标点距离，15mm ;标点直径，8mm)、使用电动液压伺服机构型热疲劳测试仪进行的该热疲劳测试中，通过从100%约束比(机械完全约束状态)下的上限和下限温度之间的中点温度加热来实施测试试样的热膨胀和拉伸，并且重复加热-冷却循环(下限温度，2000C ；上限温度950°C )，每个循环持续9分钟。基于直至试样完全破裂的循环数来评价热疲劳特性。此外，实施从室温至升高的温度的拉伸测试。该测试一般在以下温度中的每个温度下根据 Jis Z2241 和 JIS G0567 来实施200°C、400°C、600°C、700°C、800°C、900°C和950°C。结果在图2中示出。表II-C I Si I Mn I P I-S I-Cr ΓνΙ~[N
实施例材料 I058Σ 7 003αΤ ~~2066. I O. 25~
对比材料 OoO~~ΙΤθ~~α02~~α02~~2 Γο~~ ο. ο 二
对比材料 2040~~ Γθ~~O~~002~~002~~2δΓθ~~21. O 二评价从图I中明显的是，在将实施例材料I与对比材料I和2进行比较时，实施例材料I具有显著改善的热疲劳特性。而且，从图2中，尽管实施例材料I具有比对比材料I和2低的镍含量，但是其以I. 93%的组合量包含奥氏体相稳定化元素碳、锰和镍；因为这些元素使奥氏体相稳定化，所以实施例材料I具有比包含10% Ni的对比例I高的、并且与包含21% Ni的对比例2相当的拉伸强度。从图2中还明显的是，在将实施例材料I与对比材料 I和2进行比较时，实施例材料I具有改善的伸长率。也就是说，因为实施例材料I具有拉伸强度和韧性两者，所以其具有改善的热疲劳特性。实施例2 (Cr/C范围和形成碳化物的元素(V、Mo、W、Nb)的含量范围)证实了 Cr/C范围和形成碳化物的元素(V、Mo、W、Nb)的含量范围。通过以与实施例I中相同的方式进行浇铸来获得具有在表2中显示的组成的测试材料(实施例材料1-8，对比材料1-8)。以与实施例I中相同的方式对测试材料中的每一种实施热疲劳测试；由测试获得的高至断裂的循环数(η)在表2中显示。此外，对于每种测试材料，图3中的水平轴上绘制材料的Cr/C值，垂直轴上绘制至断裂的循环数(η)。在图3中，EM 1-8代表实施例材料1-8，并且CM 1-8代表对比材料1-8。此外，在表2中，实施例材料I和对比材料I和2与在表I中显示的测试材料相同。表 2
C Si Mn ' P S O ^ Ni N I其它元素Cr/C至断裂的
ill 循坏数(η)
35J . 206 —
32.0T' 143 ' IiF" 155 " I , I 142 ~24Χ 160 ~mj\ 157 55.9 ■■■■■■'W—
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权利要求
1.一种奥氏体耐热铸钢，所述奥氏体耐热铸钢包含铁作为基础材料，其特征在于所述奥氏体耐热铸钢基于100质量％的总量计包含 O. 4至0.8质量％的碳； 3.O质量％或更少的硅； O.5至2.0质量％的锰； O.05质量％或更少的磷； O. 03至0.2质量％的硫； 18至23质量％的铬； 3.O至8.0质量％的镍；和 O.05至0.4质量％的氮， 其中铬与碳的比率为22. 5或更多和57. 5或更少。
2.根据权利要求I所述的奥氏体耐热铸钢，还包含少于O.2质量％的选自钒、钥、钨和铌中的至少一种。
3.根据权利要求I所述的奥氏体耐热铸钢，还包含少于O.2质量％的选自钒、钥、钨和铌中的一种。
4.根据权利要求I所述的奥氏体耐热铸钢,还包含O.19质量％或更少的选自钒和铌中的一种。
5.根据权利要求I所述的奥氏体耐热铸钢，还包含O.18质量％或更少的选自钥和钨中的一种。
全文摘要
一种铁(Fe)基奥氏体耐热铸钢，其基于100质量％的总量计(在下文简单表示为“％”)包含0.4至0.8质量％的碳(C)；3.0质量％或更少的硅(Si)；0.5至2.0质量％的锰(Mn)；0.05质量％或更少的磷(P)；0.03至0.2质量％的硫(S)；18至23质量％的铬(Cr)；3.0至8.0质量％的镍(Ni)；和0.05至0.4质量％的氮(N)。铬(Cr)与碳(C)的比率在22.5≤Cr/C≤57.5的范围内。所述铸钢以少于0.2％的量包含钒(V)、钼(Mo)、钨(W)和铌(Nb)中的一种或两种或更多种。
文档编号C22C38/34GK102844455SQ201180017496
公开日2012年12月26日 申请日期2011年4月5日 优先权日2010年4月7日
发明者弦间喜和, 仓本刚, 张钟植 申请人:丰田自动车株式会社, 爱信高丘株式会社