专利名称：常温韧性优异的铁素体系耐热铸钢和由其构成的排气系统零件的制作方法
技术领域：
本发明涉及汽车用汽油机和柴油机的排气系统零件，特别是涉及适于排气集管等的常温韧性优异的铁素体系耐热铸钢，和由其构成的排气系统零件。
背景技术：
为了防止地球变暖，强烈要求削减从汽车排出的CO2气体的排放量。为了削减CO2气体的排放量，主要需要提高汽车的燃油效率性能(低耗油化)。作为用于低耗油化的对应技术，可列举采用燃料直喷方式、增大压缩比，通过增压化进行发动机的轻量小型化(缩小化)、增压器的推进压力上升等。随着这些技术的导入，发动机的燃料的燃烧处于更高温和更高压的倾向，其结果是，能够使从发动机的燃烧室排放到排气集管和催化剂室等的排气系统零件的尾气的温度上升至接近1000°c。曝露在如此高温的尾气下的排气系统零件就要 求有优异的耐热特性(耐氧化性、耐热龟裂性、耐热变形性)。在排气系统零件之中，耐氧化性和耐热龟裂性对于排气集管等来说也很重要。历来，在使用条件高温、严酷的排气集管等的排气系统零件中，使用高Si球状石墨铸铁、尼列西斯特耐蚀高镍铸铁(Ni-Cr系奥氏体铸铁)等的耐热铸铁、铁素体系耐热铸钢、奥氏体系耐热铸钢等。铁素体系的4% Si-O. 5% Mo的球状石墨铸铁，直至800°C附近都显示出比较良好的耐热特性，但在超过这一温度的温度下则耐久性差。大量含有Ni、Cr、Co等的稀有金属的尼列西斯特耐蚀高镍铸铁等的耐热铸铁和奥氏体系耐热铸钢，同时满足800°C以上的耐氧化性和耐热龟裂性。但是，尼列西斯特耐蚀高镍铸铁因为Ni含量多，所以不仅高价，而且因为是奥氏体系基体组织，所以线膨胀系数大，且显微组织中存在构成破坏的起点的石墨，因此耐热龟裂性差。另外奥氏体系耐热铸钢虽然没有构成破坏的起点的石墨，但线膨胀系数大，因此900°C附近的耐热龟裂性不充分。而且，因为大量含有稀有金属而高价，容易受到世界经济形势的影响，对于原料的稳定供给存在担心。排气系统零件用耐热铸钢，不仅从经济性和原料的稳定供给，而且从资源的有效利用的观点出发，都希望极力抑制稀有金属的含量并确保需要的耐热特性。同此，能够对于得到廉价、高性能的排气系统零件，能够将低油耗化的技术也适用于廉价的低端车，有助于削减CO2气体的排放量。为了极力抑制稀有金属的含量，使合金的基体组织成为铁素体比使之成为奥氏体的一方有利。而且，因为铁素体系耐热铸钢比奥氏体系耐热铸钢的线膨胀系数小，所以随着发动机的起动和起飞而发生的热应力小，耐热龟裂性优异。铁素体系耐热铸钢，为了耐氧化性而大量含有Cr，因此常温下的韧性不足。在排气系统零件中，生产过程和对发动机的组装过程等增加机械的振动和冲击。因此，用于排气系统零件的铁素体系耐热铸钢需要具备充分的常温韧性，即使在机械的振动和冲击下也不会发生龟裂和裂纹。特开2007-254885号公开有一种薄壁铸件，其以Fe为主成分，由含有O. 10 O. 50质量％的C、L 00 4. 00质量％的Si、0. 10 3. 00质量％的]^、8· O 30. O质量％的Cr和O. I 5. O质量％的Nb和/或V的铁素体系不锈钢铸钢构成，具有厚I 5_的薄壁部，并且薄壁部的组织中的铁素体相的平均晶粒直径为50 400 μ m,因此高温强度提高。该薄壁铸件的5mm以下的薄壁部因为在铸造后急冷，所以铁素体相的平均晶粒直径变小，高温下的屈服强度、抗拉强度和断裂延伸率高。但是，在排气系统零件中，气缸盖连接法兰、隔热板安装凸耳、螺栓连接部位等壁厚在5_以上、冷却速度慢的部位多。另外，即使壁厚在5_以下，在用于防止缩孔的补缩冒口邻域的部位，和砂模内由邻接的模穴形成而容易过热的部位，冷却速度也慢。在这样冷却速度慢的部位，平均晶粒直径大，常温韧性低。但是，在特开2007-254885号中未公开抑制韧性降低的手段。另外在特开2007-254885号的铁素体系耐热铸钢中，通过含有大量的Si来降低熔点，虽然改善他熔汤的流动性，并且改善了高温强度、耐氧化性、耐渗碳性和被削性，但因为大量含有Si达I. 00 4. 00质量％ (实施例中大约2%以上)，所以铁素体基体组织中有Si固溶，常温韧性降低。为了得到高常温韧性，除了薄壁部以外，还需要减小平均晶粒直径，并且为了防止脆化防止，还需要将合金元素向基体组织的固溶量抑制在最小限度，但特开2007-254885号没有解决这几点。
特开平7-197209号公开有一种铁素体系耐热铸钢，其具有如下组成以重量比率计，由 O. 15 I. 20% 的 C、0. 05 O. 45% 的 C_Nb/8、2% 以下的 Si、2% 以下的 Mn、16. O 25.0%的0、1.0 5.0%的1和/或舭、0· 40 6. 0% 的 Nb、0. I 2. O % 的 Ni、0. 01
O.15%的N、以及余量Fe和不可避免的杂质构成，除了通常的α相(α铁素体相)以外，还具有从Y相(奥氏体相)相变成α +碳化物的相(α ’相)，通过使α ’相的面积率{> ’/(α+α ’)}为20 70%，使铸造性得到改善。因为该铁素体系耐热铸钢含有NbC形成需要量以上的C(奥氏体化元素)，所以固溶在基体组织中的C在凝固时生成Y相，在冷却过程中Y相相变成α ’相，因此延展性和耐氧化性提高。因此，该铁素体系耐热铸钢适用于在9000C以上使用的排气系统零件。但是，铸态下从Y相向α ’相的相变未充分进行，而是从Y相相变成马氏体相。因为马氏体相为高硬度，所以使常温下的韧性和被削性显著恶化。为了确保韧性和被削性，需要进行升温而使马氏体相消失，使α’相析出的热处理。热处理一般使制造成本上升，因此会损害到稀有金属的含量少这样的铁素体系耐热铸钢在经济上的优点。特开平11-61343号公开有一种铁素体系耐热铸钢，其具有如下组成以重量比率计，由 O. 05 I. 00% 的 C、2% 以下的 51、2%以下的]^、16· O 25. 0% 的 Cr、4. O 20. 0%的Nb、1.0 5.0%的W和/或Μο、0· I 2. 0%的Ni、0. 01 O. 15%的N、以及余量Fe和不可避免的杂质构成，除了通常的α相以外，还具有Laves相(Fe2M)，由此高温强度、特别是蠕变断裂强度优异。该铁素体系耐热铸钢通过Nb、W、Mo、Ni和N的组合而具有Laves相，因此使高温强度、特别是蠕变断裂强度提高、但因为大量含有合金元素，所以常温韧性未必充分。
发明内容
因此本发明的目的在于，提供一种既能够确保900°C附近的耐氧化性和耐热龟裂性，常温韧性又优异的铁素体系耐热铸钢，以及由该铁素体系耐热铸钢构成的排气集管等的排气系统零件。
鉴于上述目的，关于以含有大约15 20质量％的Cr的铁素体系耐热铸钢为基础，不会使耐热特性劣化，并在铸态下使常温韧性提高进行锐意研究，其结果可知如下。(I)由排气系统零件的这样的薄壁制造复杂形状的铸件时，对于铸造材料要求有良好的流动性。在流动性的提高中，一般有效的是增加C含量，使凝固开始温度降低，但仅仅是增加C，由于Cr碳化物的析出量的增加和相变成马氏体的Y相的结晶导致韧性恶化。为了一边抑制韧性的降低一边使流动性提高，可知需要使Nb与C 一起增加。一般来说，由体心立方晶(BCC)构造构成的δ相，若以强度提高等为目的而使合金元素固溶在基体组织中，或者形成结晶物或析出物，则韧性降低，因此若在铁素体系耐热铸钢中使C和Nb —起大量含有，则可以预想到韧性降低，但与预想相反的是韧性大幅提高。韧性提高的理由被推测是由于，若C和Nb增加，则δ相和Nb碳化物(NbC)的共晶(δ+NbC)相增加，另一方面，初晶的S相减少，因此在初晶δ相的生长之前，共晶(δ+NbC)相就开始结晶出来，両者相互抑制生长，其结果是，初晶δ相和共晶(δ+NbC)相这两方的晶粒微细化。为了使初晶δ相和共晶(δ+NbC)相的晶粒微细化，需要将两者的结晶量控制到最佳。
(2)除了初晶δ相和共晶(δ +NbC)相的晶粒的微细化以外，还可知为了阻止对韧性有害的Y相的结晶以及抑制Nb向δ相的固溶，C和Nb的含量的平衡很重要。若将Nb与C的含量的比(Nb/C)限制在预期的范围，则Nb和C几乎不会在基体组织的铁素体中固溶，另外也不会生成剩余的C，而是作为Nb碳化物(NbC)结晶出来。其结果是，Y相不会结晶，Nb向δ相的固溶得到最小化，韧性的劣化受到抑制。因此，若将C、Si、Nb等的含量控制在预期的范围，使初晶δ相(δ铁素体相)和δ相与Nb碳化物(NbC)的共晶(δ+NbC)相以最佳的比例共存，则能够得到既确保900°C附近的耐氧化性和耐热龟裂性，又具有优异的常温韧性的铁素体系耐热铸钢。S卩，本发明的常温韧性优异的铁素体系耐热铸钢，其特征在于，具有如下组成以质量比计含有O. 32 O. 48% 的 C、O. 85% 以下的 Si、2% 以下的 Mn、I. 5% 以下的 Ni、16 19. 8%的 Cr、3. 2 5%的 Nb、9 11. 5 的 Nb/C、O. 15% 以下的 N、O. 002 O. 2 %的S以及合计为O. 8%以下的W和/或Mo，余量由Fe和不可避免的杂质构成，其具有如下组织δ相和Nb碳化物(NbC)的共晶(δ +NbC)相的面积率为60 90%。本发明的排气系统零件，其特征在于，由上述铁素体系耐热铸钢构成。作为该排气系统零件，可列举排气集管、涡轮机壳体、涡轮机壳体一体排气集管、催化剂室、催化剂室一体排气集管、或排气口，特别是优选排气集管、催化剂室、催化剂室一体排气集管、排气口。本发明的铁素体系耐热铸钢，即使不进行热处理，仍既可确保900°C附近的耐氧化性和耐热龟裂性，又具有优异的常温韧性，因此高性能且廉价。而且，因为抑制稀有金属的含量，所以不仅抑制了原料成本，而且有助于资源的有效利用和稳定供给。具有这样的特征的本发明的铁素体系耐热铸钢所构成的排气系统零件能够廉价地制造，因此使低油耗化技术的适用范围扩大，有助于汽车等的CO2气体的排放量的削减。
图I是表示实施例8的铁素体系耐热铸钢的显微组织的光学显微镜照片(100倍)。图2是表示切割下试验片的I英寸楔型试块(Y 7' α )的铸锭A的概略图。图3是表示切割下试验片的阶梯状楔型试块的铸锭B的概略图。图4是表示Nb含量与常温冲击值的关系的曲线图。图5表示Nb含量与共晶(δ +NbC)相的面积率的关系的曲线图。
具体实施例方式[I]铁素体系耐热铸钢以下详细说明本发明的铁素体系耐热铸钢的组成及组织。还有，表示各元素的含量的“ ％ ”除非特别限定，否则为“质量％ ”。⑷组成(I)C(碳)0· 32 O. 48%C具有的作用是，使凝固开始温度下降，使熔汤的流动性，即流动性(铸造性)良好。另外C与Nb结合而形成δ相和Nb碳化物(NbC)的共晶(δ +NbC)相，具有提高高温强度的作用。为了有效地发挥这样的作用，C含量需要在0.32%以上。但是，若C含量超过O. 48%，则共晶(δ+NbC)相变得过多，铁素体系耐热铸钢脆化，常温韧性降低。因此，C含量为O. 32 O. 48 %。C含量优选为O. 32 O. 45 %，更优选为O. 32 O. 44 %，最优选为O. 32 O. 42%。(2) Si(硅)0.85% 以下Si除了作为熔汤的脱酸剂发挥作用以外，还具有改善耐氧化性的作用。但是，若Si超过O. 85%，则在基体组织的铁素体中固溶，使基体组织显著脆化。因此，Si的含量为O. 85%以下(不含0%)。Si含量优选为O. 2 O. 85%，更优选为O. 3 O. 85%，最优选为
0.35 O. 85%。(3)Mn (锰):2% 以下Mn与Si同样，作为熔汤的脱氧剂有效，但是若超过2%，则使铁素体系耐热铸钢的耐氧化性劣化。因此，Mn含量为2%以下(不含O % )。Mn含量优选为O. I 2%，更优选为O. I I. 5%，最优选为O. 2 I. 2%。(4)Ni(镍)1· 5% 以下Ni为奥氏体稳定化元素，形成Y相，在奥氏体冷却至常温期间相变成马氏体，马氏体使常温韧性恶化。因此，优选Ni含量极少，但Ni通常在原料废料中被含有，所以会不可避免地混入铁素体系耐热铸钢中。能够防止对常温韧性产生不良影响的Ni含量的临界为
1.5%以下，因此Ni含量为O I. 5%。Ni含量优选为O I. 25%，更优选为O I. 0%，最优选为O 0.9%。
(5) Cr (铬):16 19. 8 %Cr改善耐氧化性，是使铁素体组织稳定的元素。为了确保900°C附近的耐氧化性，Cr至少需要为16%。另一方面，在铁素体基体中若Cr超过19.8%，则容易发生西格马脆性，韧性降低，被削性也恶化。因此，Cr含量为16 19.8%。Cr含量优选为17 19.8%，更优选为17 19. 5%，最优选为17. 5 19. 0%。(6)恥(铌)3.2 5%Nb与C结合而形成共晶(δ +NbC)相，使高温强度提高，并且使凝固开始温度降低。由于凝固开始温度的降低，在排气系统零件这样的薄壁下，对于复杂形状的铸件的制造来说重要的流动性提高。另外Nb在凝固时作为结晶碳化物(NbC)将C固定，因此作为强力的 奥氏体稳定化元素的C在基体组织的铁素体中固溶，防止Y相结晶出来，因此防止韧性的降低。另外Nb通过初晶δ相和共晶(δ+NbC)相的晶粒的微细化，使常温韧性显著提高。为了发挥Nb的上述效果，Nb含量需要在3. 2%以上。但是，若Nb超过5%，则共晶(δ +NbC)相的结晶量过剩，铁素体系耐热铸钢脆化。因此，Nb含量为3.2 5%。还有，在本发明的铁素体系耐热铸钢中，Nb带来的高温强度、流动性及韧性的提高效果大约在其为4%时能够大致达成，另外Nb是高价的稀有金属，所以Nb含量优选为3. 2 4. 0%。Nb含量更优选为3. 2 3. 9%，最优选为3. 3 3. 9%。(7) Nb/C :9 11. 5为了既确保900°C附近的耐氧化性和耐热龟裂性，又得到优异的常温韧性，Nb与C的含量比(Nb/C)的限制最为重要。Nb与C形成碳化物，但若C过剩(若Nb/C比小)，则未形成Nb碳化物的剩余的C在基体组织中固溶，δ相不稳定，Y相结晶出来。结晶的Y相相变成使常温韧性降低的马氏体直至达到常温。另外若Nb/C比小，则初晶δ相的生长被促进，因此初晶δ相的晶粒的微细化不充分，韧性无法提高。为了一边抑制Y相的结晶一边使初晶S相和共晶(δ +NbC)相的晶粒微细化，Nb/C比需要在9以上。另一方面，若Nb过剩(若Nb/C比大)，则Nb在δ相固溶，带给δ相晶格应变，使S相的常温韧性降低。另外若Nb/C比大，则共晶(δ+NbC)相的生长被促进，因此共晶(δ +NbC)相的晶粒的微细化不充分，韧性无法提高。为了一边抑制Nb对δ相的固溶，一边使初晶S相和共晶(δ+NbC)相的晶粒微细化，Nb/C比需要在11.5以下。根据以上，Nb/C比为9 11. 5。Nb/C比优选为9 11. 3，更优选为9. 3 11，最优选为9. 5 10. 5。(8)叭氮)0.15%以下N是强力的奥氏体稳定化元素，形成Y相。Y相在冷却至常温期间马氏体化，使常温韧性恶化。因此，优选N含量极少的方法，但N不可避免地混入原料废料中。对常温韧性不产生不良影响的N的临界是O. 15%以下，因此N含量为O O. 15%。N含量优选为O O. 13%，更优选为O O. 11%，最优选为O O. 10%。(9)S(硫)0· 002 O. 2%S在铸钢中生成球状或块状的硫化物，在硫化物的润滑作用下使被削性提高。为了得到这一效果，S需要在O. 002 %以上。但是，若S超过0.2%，则铁素体系耐热铸钢的常温韧性降低。因此，S含量为O. 002 O. 2%。S含量优选为O. 005 O. 2%，更优选为O. 008
O.2%，最优选为O. 01 O. 2%。(IO)W(钨)和/或Mo (钥):合计O. 8%以下
W和Mo在基体组织的δ相中固溶，带给铁素体基体晶格应变，使常温韧性恶化，因此优选极少的方法。但是，W和Mo通常含有在原料废料中。W和Mo —起被含有时，若它们的合计(W+Mo)含量超过O. 8%，则粗大的碳化物生成，常温韧性降低。因此，W和/或Mo的含量合计为O O. 8 %。W和/或Mo的含量合计优选为O O. 6 %，更优选为O O. 5 %，最优选为O 0.3%。(B)共晶(δ +NbC)相的面积率60 ~ 90%在本发明的铁素体系耐热铸钢中，控制δ相和Nb碳化物(NbC)的共晶(δ+NbC)相的结晶量，在确保优异的常温韧性上重要。本发明的铁素体系耐热铸钢在铸造时的凝固中，δ相率先作为初晶凝固后比较短的时间后，比较大量的共晶(δ+NbC)相凝固。借助凝固的共晶(δ+NbC)相，初晶δ相的生长受到抑制，另外共晶(δ+NbC)相的生长也被凝固的初晶δ相抑制。如此初晶δ相和共晶(δ+NbC)相相互抑制生长，因此初晶δ相和共晶(δ+NbC)相的晶粒均微细化，推测韧性显著提高。为了得到这一效果，以组织整体的面积作为100%，共晶(δ +NbC)相的面积率需要为60 90%。共晶(δ +NbC)相的面积率低于60%时，初晶δ相的晶粒粗大，得不到常温韧性的大幅提高效果。若共晶(δ+NbC)相的 面积率超过90%，则共晶(δ+NbC)相过剩，其晶粒粗大并且脆化，铁素体系耐热铸钢的韧性降低。为了将共晶(S +NbC)相的面积率控制在60 90%，需要将C和Nb的含量及Nb/C比限制在上述范围。共晶(δ +NbC)相的面积率优选为60 87%，更优选为60 85%，最优选为60 80%。[2]排气系统零件由上述铁素体系耐热铸钢构成的本发明的排气系统零件优选的例子，有排气集管、涡轮机壳体、将涡轮机壳体和排气集管一体铸造的涡轮机壳体一体排气集管、催化剂室、将催化剂室和排气集管一体铸造的催化剂室一体排气集管、以及排气口，但并不限定于此，例如也包含与板金制或管制的构件进行焊接而使用的铸件构件。本发明的排气系统零件被曝露在1000°C以上和高温的尾气中，表面温度达到900°C附近，但维持着高耐氧化性及耐热龟裂性，发挥出优异的耐热性和耐久性。因此，特别适合于要求有耐氧化性和耐热龟裂性的排气集管、催化剂室、催化剂室一体排气集管及排气口。此外因为具有优异的常温韧性，所以在排气系统零件的生产过程、组装到发动机的过程等之中即使受到机械的振动和冲击等，也不会产生龟裂和裂纹。而且，因为抑制稀有金属的含量，所以廉价。即本发明的排气系统零件，既具有高耐热性和耐久性，又廉价，因此也可以使用于能够扩大低油耗化技术的低端车，对于CO2气体的排放量的削减重大贡献受到期待。通过以下的实施例更详细地说明本发明，但本发明不受其限定。特别是除非告知，否则各元素的含量均以质量％表示。实施例I 20和比较例I 21实施例I 20和比较例I 21的铸钢的化学组成显示在表I中。实施例I 20是本发明的组成范围内的铁素体系耐热铸钢，比较例I 18是本发明的组成范围外的铸钢。在比较例I和2中，C和Nb的含量过少，比较例3和4的铸钢C和Nb的含量过多，比较例5的铸钢Cr含量过少，比较例6和7的铸钢Cr含量过多，比较例8的铸钢C含量过少，比较例9的铸钢C含量过多，比较例10的铸钢Nb含量过少，比较例11的铸钢Nb含量过多，比较例12的铸钢Nb/C比过大，比较例13和14的铸钢iiNb/C比过小，比较例15和16的铸钢Si含量过多，比较例17的铸钢W含量过多，比较例18的铸钢Mo含量过多。比较例19的铸钢是特开2007-254885号所述的铁素体系不锈钢铸钢的一例，比较例20的铸钢是特开平7-197209号所述的铁素体系耐热铸钢的一例，比较例21的铸钢是特开平11-61343号所述的铁素体系耐热铸钢的一例。表I
权利要求
1.一种常温韧性优异的铁素体系耐热铸钢，其特征在于，具有如下组成以质量比计含有O. 32 O. 48%的C、0. 85%以下的Si、2%以下的Mn、L 5%以下的Ni、16 19. 8%的Cr、3. 2 5%的Nb、9 11.5的Nb/C、0. 15%以下的Ν、0· 002 O. 2%的S以及合计为.O. 8%以下的W和/或Mo，余量由Fe和不可避免的杂质构成， 并且，具有5相和Nb碳化物(NbC)的共晶(δ+NbC)相的面积率为60 90%的组织。
2.一种排气系统零件，其由权利要求I所述的常温韧性优异的铁素体系耐热铸钢构成。
全文摘要
一种常温韧性优异的铁素体系耐热铸钢以及由其构成的排气系统零件，该铁素体系耐热铸钢具有如下组成以质量比计，含有0.32～0.48％的C、0.85％以下的Si、2％以下的Mn、1.5％以下的Ni、16～19.8％的Cr、3.2～5％的Nb、9～11.5的Nb/C、0.15％以下的N、0.002～0.2％的S及合计0.8％以下的W和/或Mo，余量由Fe和不可避免的杂质构成，具有δ相和Nb碳化物(NbC)的共晶(δ+NbC)相的面积率为60～90％的组织。
文档编号F01N13/10GK102822370SQ20118001627
公开日2012年12月12日 申请日期2011年3月31日 优先权日2010年3月31日
发明者川畑将秀 申请人:日立金属株式会社