专利名称：铁素体耐热铸钢及排气系统部件的制作方法
技术领域：
本发明涉及铁素体耐热铸钢以及由其制备的排气系统部件。
背景技术：
近年来，用于汽车以及工业设备等的部件的使用温度不断提高，从而具有更高耐热性的铸钢材料被更多地使用。特别是，随着排气控制的强化，汽车以及工业设备等的排气温度越发提高，例如在排气温度达到900°C以上的条件下操作的引擎所用排气歧管等排气系统部件上，就使用了具有高耐热性能的铸钢材料。高耐热铸钢，分为奥氏体耐热铸钢与铁素体耐热铸钢。奥氏体耐热铸钢，耐热性虽好，但由于需要使用较多高价的镍使得材料费用很高，切削性能也不佳。另一方面，铁素体耐热铸钢与奥氏体耐热铸钢相比相对价廉，但考虑到近年对材料的要求，其耐热性并不能充分满足要求。进一步，铁素体耐热铸钢在常温下的韧性也并不一定足够好，因而为了获得高的可靠性，还有很多问题尚待解决。专利文献1 (特开平7-34204号公报)中，公开了一种为了改善铁素体耐热铸钢的切削性能，含有硫0. 06 0. 2%的铁素体耐热铸钢。即便如此，也不足以解决问题。
发明内容
发明所要解决的问题本发明鉴于上述实际情况，旨在提供一种具有常温下确保高强度伸展性能、明显改善的韧性、改善的热疲劳性、提高的可靠性，并且，具有低价的含有铁素体组织的铁素体耐热铸钢以及用其制备的排气系统部件。解决问题的手段本发明在第一方面提供一种铁素体耐热铸钢，其具有铁素体组织，含有以质量百分比计的碳0. 10 0. 40%、硅0. 5 2. 0%、锰0. 2 1. 2 %、磷0. 3 %以下、硫0. 01 0. 4%、铬 14. 0 21. 0%、铌 0. 05 0. 6%、铝 0. 01 0. 8%、镍 0. 15 2. 3%、以及余量的铁和不可避免的杂质。本发明在第二方面提供一种铁素体耐热铸钢，其具有铁素体组织，含有以质量百分比计的碳 0. 10 0. 40%、碳 0. 10 0. 40%，硅 0. 5 2. 0%、猛 0. 2 1.2%，磷 0.3% 以下、硫 0. 01 0. 4%、铬 14. 0 21. 0%、钒 0. 01 0. 5%、铌 0. 05 0. 6%、铝 0. 01 0. 8%、镍0. 15 2. 3%、以及余量的铁和不可避免的杂质。发明的效果本发明提供了一种确保其常温下的强度及伸展性、大大改善韧性并提高可靠性的铁素体耐热铸钢以及由其制备的排气系统部件。另外，与奥氏体耐热铸钢相比降低了镍的含量，从而降低了成本。
图1为镍含量变化时光学显微镜下观察的组织结构图。
图2为电子显微镜(SEM)下观察的组织结构3为电子显微镜(SEM)下观察改变倍率时的组织结构图。图4为电子显微镜(SEM)下观察进一步改变倍率时的组织结构图。图5为显示镍含量与伸展率、第二相面积率以及硬度之间关系的图表。图6为显示拉伸强度与伸展率数据的图表。图7为显示热疲劳循环试验结果的图表。图8为显示耐久寿命系数的图表。图9为显示热疲劳循环试验中作用于试验片应力状态一个实例的图表。图10为表示现有材料凝固形态的示意图。图11为表示发明材料凝固形态的示意图。图12为显示排气歧管的照片图。图13为显示涡轮壳体的照片图。图14为显示涡轮壳体与排气歧管组装体的照片图。
具体实施例方式以下针对组成的限定条件进行说明。碳0. 10 0. 40%碳能够改善铸造性(流动性)并能够增强高温强度、提高耐热性。对于排气系统部件这类薄壁制品，对铸造性(流动性)有特别的要求。但是，碳含量的过剩，造成碳化物的过剩，材料就会变脆。根据特定性质的要求，碳含量的上限值为例如0. 39%,0. 38%或 0.37%。与这些上限值相应的碳含量下限值为例如0. 12%、0. 14%或0. 16%。进而，碳含量的范围为例如0. 15 0. 40%,0. 17 0. 或0. 20 0. 30%。硅0. 5 2. 0%硅能够提高抗氧化性。硅含量过少，抗氧化性会偏低。硅含量过剩，则韧性变差。 根据特定性质要求，硅含量的上限值为例如1. 9%U. 8%或1. %。与这些上限值相对应的硅含量下限值为例如0. 55%,0. 60%或0. 70%。此外，硅含量的范围为例如0. 70 1. 80%, 0. 90 1. 50%或 1. 00 1. 30%。猛 0. 2 1. 2%锰是在制造过程中能够发挥脱氧作用的元素。根据特定性质的要求，锰的上限值为例如1. 10%、1.00%、0.90%、0.80%或0.70%。根据特定性质的要求，与这些上限值相对应的下限值为例如0. 25%,0. 30%或0. 40%。此外，锰的含量范围为例如0. 30 1. 00%、 0. 40 0. 90%或 0. 50 0. 80%。磷 0.3% 以下磷是影响切削性能的元素。根据特定性能的要求，磷含量的上限值为例如 0. 25%,0. 20%,0. 15%或0. 10%。与这些上限值相对应，磷含量的下限值为例如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。硫过多，虽然能够改善切削性能，但可能降低耐热性。 根据特定性质的要求，硫含量的上限值为例如0. 38%,0. 35%,0. 30%,0. 28%,0. 25%或 0. 20%。与这些上限值相对应，硫含量的下限值为例如0. 02%,0. 03%,0. 04%或0. 05%。 此外，硫含量的范围为例如0. 03 0. 25%,0. 05 0. 20%或0. 06 0. 18%。铬14. 0 21. 0%铬是铁素体耐热铸钢的主要元素，其将组织转变为铁素体组织，并固熔于铁素体。 铬含量过少，不能够充分确保形成高耐热性基质的铁素体组织。含量过剩，则会变脆。根据特定性质的要求，铬含量的上限值为例如20.0^^19.0^^18.0%或17.0%。与这些上限值相对应，铬含量的下限值为例如14.5^^15.0^^15.5 ^此外，铬含量的范围为例如 14. 5 20. 5%U5. 0 20. 0%或 15. 5 18. 0%o 铌 0. 05 0. 6%铌是形成稳定的铌碳化物的元素，能够增加高温强度。根据特定性质的要求，铌含量的上限值为例如0. 55%,0. 50%或0. 45%。与这些上限值相对应，铌含量的下限值为例如0. 07%或0. 08%。此外，铌含量的范围为例如0. 07 0. 55%,0. 10 0. 50%或0. 12 0. 45%。铝 0. 01 0. 8%铝是在制造过程中添加用于脱氧和脱气的元素。根据特定性质的要求，铝含量的上限值为例如0. 70%,0. 60%或0. 50%。与这些上限值相对应，铝含量的下限值为例如 0. 02%,0. 04%或0. 06% O此外，铝含量的范围为例如0. 01 0. 55%,0. 02 0. 45%或
0.03 0.35%。镍 0.15 2. 3%镍含量过少，会降低室温下材料的伸展性以及降低材料的强度和硬度。含量过多， 在基体中全部或大部分会形成铁素体结晶粒内碳化物混合，虽然硬度提高，但室温下的伸展率会降低。考虑到这一点，根据特定性质的要求，镍含量的上限值为例如2. 2%、2. 1%, 2.0%、1.9%、1.8%或1.7%，以及例如1.6%或1.5%。与这些上限值相对应，根据特定性质的要求，镍含量的下限值为例如0. 2%,0. 3%,0. 4%或0. 5%，以及例如0. 6%或0. 7%。 此外，镍含量的范围为例如0. 20 2. 10%,0. 30 2. 10%,0. 25 1. 90 %或0. 30 %
1.80。钒 0. 01 0. 5%钒具有增加高温强度的作用。钒能够形成碳化物。含量过剩，会生成粗大的碳化物，从而降低常温下的伸展性以及降低耐热疲劳性。而且生产成本也较高。根据特定性质的要求，钒的含量上限值为例如 0. 47%,0. 45%,0. 40%,0. 30%,0. 20%,0. 15%或 0. 10%。 与上述上限值对应，根据特定性质的要求，下限值为例如0. 015%,0. 020%或0. 025%。此外，钒含量的范围为例如0. 01 0. 50%,0. 02 0. 45%或0. 03 0. 35%。本发明涉及的铁素体耐热铸钢，考虑到伸展性和耐热疲劳性的提高以及成本降低等因素，可以不含钒。本发明所涉及铁素体耐热铸钢的组织适合于铁素体形成的第一相与铁素体结晶粒内碳化物混合形成的第二相共存。第二相的面积率超过50%的情况下，随着第二相面积率的增加，硬度与强度以及伸展性都得到提高，但是，如果第二相面积率更为增加，硬度与强度会继续增高而伸展性反而会出现降低的倾向(参见图5中的特性线A2)。因此，在显微镜的全视野为100%的情况下，第二相的面积率优选为50%以上或60%以上。特别地优选为50 % 80 %。第二相的面积率尤其优选为55 % 75 %。本发明所涉及的铁素体耐热铸钢，提高了拉伸强度同时也大大增强了伸展性。这样，优选地，伸展率为4%以上，拉伸强度为400MPa以上。更为优选地，伸展率为6%以上， 拉伸强度为500MPa以上。再更为优选地，伸展率为7%以上，拉伸强度为700MPa以上。一般的钢材，伸展率与拉伸强度两者同时提高时存在一定的限度。本发明涉及的铁素体耐热铸钢，优选地经过热处理过程在被加热保持于800 970°C之后，冷却到700°C以下。加热保持的理由在于降低硬度并除去铸造残留应力从而提高切削性。加热保持的时间，根据合金元素的种类、合金元素的含量、铸钢的尺寸等因素而有所不同，例如1 10小时、2 7小时或3 5小时等。在冷却到700°C以下时，优选使用炉冷或空冷。上述铁素体耐热铸钢，适用于车辆以及工业设备中使用的耐热部件。尤其是，适用于车辆以及工业设备等的排气系统的部件。实施例1本实施例中，将钢材与合金材料在高频熔解炉(重量500kg)于大气氛围中熔解。 熔解温度为1700°C。然后，将熔液注入(浇注温度1600°C )Y型砂模(生砂)中，并凝固成凝固体。此后，进行热处理，将凝固体在930°C于大气氛围中加热保持3. 5小时，然后，凝固体在大气氛围中通过炉冷到700°C以下(具体为500°C)。通过这样的热处理过程来改善切削性能然后，凝固体被切削加工而形成拉伸试验片(JIS4号试验片)。这样，本发明的铁素体耐热铸钢试验片便制成了。此过程中，炉冷也可以用空冷来替代。本发明的材料，具有表1中试验片1 8所示的组成(分析值)，其余部分基本上是铁。试验片1 3为含有0.05%以下微量的钒的系列。试验片4 8为不含钒的系列。本发明材料试验片1 3，在铁素体耐热铸钢中含有镍、还含有钒。在试验片1中， 镍％/钒％的以质量计的比率为0.45/0. 04亦即大约11.3。在试验片2中，镍％ /钒％ 的以质量计的比率为0. 74/0. 0 亦即大约25. 5。在试验片3中，镍％ /钒％的比率为 1.01/0.0 亦即大约36. 1。在含钒的场合，镍％ /钒％的比率为例如在1.2 100、2 80、4 50或4 30的范围内。本发明材料试验片4 8，在铁素体耐热铸钢中含有镍但不含钒。相应地，试验片 4 8中钒含量为0%，镍％ /钒％的比率为无穷大。表 权利要求
1.一种铁素体耐热铸钢，具有铁素体组织，含有以质量百分比计的碳0. 10 0. 40%, 硅 0. 5 2. 0%、猛 0. 2 1. 2%、磷0· 3% 以下、硫 0. 01 0. 4%、铬 14. 0% 21. 0%、铌 0. 05 0. 6%、铝0. 01 0. 8%、镍0. 15 2. 3%，以及余量的铁和不可避免的杂质。
2.根据权利要求1所述的铁素体耐热铸钢，其组织包括共存的由铁素体形成的第一相以及由在铁素体结晶粒内碳化物混合的相形成的第二相。
3.一种铁素体耐热铸钢，具有铁素体组织，含有以质量百分比计的碳0. 10 0. 40%, 硅 0. 5 2. 0%、猛 0. 2 1. 2%、磷 0. 3% 以下、硫 0. 01 0. 4%、铬 14. 0% 21. 0%、钒 0. 01 0. 5%、铌0. 05 0. 6%、铝0. 01 0. 8%、镍0. 15 2. 3%，以及余量的铁和不可避免的杂质。
4.根据权利要求3所述的铁素体耐热铸钢，其组织包括共存的由铁素体形成的第一相以及由在铁素体结晶粒内碳化物混合的相形成的第二相。
5.根据权利要求1 4中任一项所述的铁素体耐热铸钢，其中伸展率为4%以上，拉伸强度为400MPa以上。
6.根据权利要求1 5中任一项所述的铁素体耐热铸钢，其中经过热处理包括加热保持在800 970°C，然后冷却到700°C以下。
7.根据权利要求1 6中任一项所述的铁素体耐热铸钢所形成的排气系统部件。
全文摘要
本发明提供了铁素体耐热铸钢及排气系统部件，其材料价格低廉并能够通过大大改善常温下的韧性以及热疲劳性而获得提高的可靠性。该铁素体耐热铸钢具有的铁素体组织包含，以质量百分比计的碳0.10～0.40％、硅0.5～2.0％、锰0.2～1.2％、磷0.3％以下、硫0.01～0.4％、铬14.0％～21.0％、铌0.05～0.6％、铝0.01～0.8％、镍0.15～2.3％，以及余量的铁和不可避免的杂质。
文档编号C21D6/00GK102301029SQ20108000237
公开日2011年12月28日 申请日期2010年2月8日 优先权日2009年4月27日
发明者山中大辅, 张钟植 申请人:爱信高丘株式会社