铁素体耐热铸钢及其制备方法和应用的制作方法
【专利摘要】本发明涉及一种铁素体耐热铸钢及其制备方法，制备方法包括以下各步骤：合金熔炼、出钢水、浇注、热处理。合金的组分及其质量百分比为：C：0.10%～0.25%，Si：0.6%～1.5%，Mn：0.2%～0.6%，P：≤0.05%，S：0.03%～0.12%，Cr：14.1%～20%，Ni：0.8%～1.35%，N：0.01%～0.06%，Re:0.01%～0.1%，Nb：0.15%～3.0%，Al：0.01%～0.8%，余量为铁和不可避免的杂质。本发明的铁素体耐热铸钢具有较好的高温抗氧化性、高温抗疲劳性能以及较好的常温韧性，且生产成本较低，适合于生产发动机排放系统的零部件。
【专利说明】铁素体耐热铸钢及其制备方法和应用
【技术领域】
[0001 ] 本发明涉及一种铸钢材料以及该铸钢的生产方法和应用，尤其是一种用于生产汽车发动机用的排气歧管、涡壳、连体涡壳排气歧管等排气系统零部件的耐热球墨铸钢。
【背景技术】
[0002]随着全球对节能减排要求的日益苛刻，汽车发动机节能环保将面临更高的挑战，需要满足更严格的要求。排气系统零部件如排气歧管等作为汽车发动机上的关键零部件，它的质量好坏直接影响到发动机的使用寿命和排放性能。目前，国内外高端汽车生产厂家的发动机为了满足汽车节能减排要求，排气温度需要达到800°C以上，这样才能减少氮氧化合物、二氧化碳的排量，从而达到欧IV、欧V的排放标准。
[0003]常用的铸铁材料难以达到如此高的使用要求，新型铸钢材料作为一种特殊材质，它的耐热性、耐疲劳性、抗腐蚀性远远高于铸铁，符合使用的需要。然而奥氏体耐热铸钢由于含有较多的铬、镍等贵金属生产成本较高。为了提高产品竞争力和企业经济效益，同时满足客户对耐热铸钢的质量要求，迫切需要开发一种新型的高性能低成本的耐热铸钢材料。
[0004]中国专利文献CN102301029公开了一种铁素体耐热铸钢及排气系统部件，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。该铸钢材料铬、铝、锰的含量较高，及加入一定的钒，力学性能不稳定伸长率较小。中国专利文献CN102822370公开了一种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，该铁素体耐热铸钢的碳、铌、铬的含量较高。中国专利文献CN1032680公开了一种稀土、高铬铁素体耐热钢，该铁素体系耐热铸钢的碳、稀土、铬的含量较高。
【发明内容】
[0005]本发明的目的是提供一种具有较好的高温抗氧化性、高温抗疲劳性能以及较好的常温韧性，且生产成本较低的铁素体耐热铸钢以及该铁素体耐热铸钢制备方法和应用。
[0006]实现本发明目的的技术方案是一种铁素体耐热铸钢，合金的组分及其质量百分比为:C:0.10% ~0.25%, Si:0.6% ~1.5%, Mn:0.2% ~0.6%, P:≤0.05%, S:0.03% ~0.12%,Cr:14.1% ~20%，N1:0.8% ~1.35%, N:0.01% ~0.06%, Re:0.01% ~0.1%，Nb:0.15% ~3.0%，Al:0.01%~0.8%，余量为铁和不可避免的杂质。
[0007]上述技术方案的一种优选是:上述Cr的质量百分比含量为14.5%~16.5%。
[0008]上述技术方案的一种优选是:上述Si的质量百分比含量为0.8%~1.2%。
[0009]上述技术方案的一种优选是:上述Mn的质量百分比含量为0.4%~0.5%。
[0010]上述技术方案的一种优选是:上述Al的质量百分比含量为0.01%~0.15%。
[0011]上述技术方案的一种优选是:上述Nb的质量百分比含量0.61%~2.0%。
[0012]上述技术方案的一种优选是:上述Nb的质量百分比含量0.61%~1.0%。[0013]实现本发明目的的技术方案是一种铁素体耐热铸钢的制备方法，包括以下步骤:
[0014]A.合金熔炼:根据合金的组分和含量进行配料，先将底渣装入炉内，然后将增碳齐?、废钢、镍板、铬铁、铌铁装入碱性感应炉内，待全部熔成钢水后扒渣、造新渣，当钢水温度升至1530°C~1550°C时加入锰铁、硅铁进行预脱氧，钢水保温并快速进行光谱成分分析，接着升温并加入硫铁，当钢水温度高于1600°C时，加入硅钙脱氧剂进行二次脱氧，当钢水温度高于1650°C时加入铝脱氧剂进行终脱氧；
[0015]B.出钢水:在钢包内放入稀土硅铁和铝块，钢水温度达到1650°C时迅速出钢水；
[0016]C.浇注:将钢水浇注到铸型中，浇注过程中用石棉挡渣，浇注结束后待铸型冷却、开箱清理得到毛坯；
[0017]D.热处理:将毛坯的温度控制在850°C~1000°C，保温Ih~3h，然后随炉冷却至500°C，再保温Ih~3h，出炉空冷或随炉冷却。
[0018]上述技术方案的一种优选是:上述步骤B中，在出钢水的同时将稀土硅铁和铝块投入钢水流中。可以提高稀土硅铁和铝的收得率并保持收得率的稳定，防止稀土和铝被炉渣包裹，不能充分与钢液作用。
[0019]上述技术方案的一种优选是:上述步骤D中，将毛坯的温度控制在980°C~1000°C。将毛坯的温度控制在980°C以上，提高热处理的起始温度有利于奥氏体化更加充分、且细化均匀晶粒。
[0020]上述技术方案的一种优选是:上述硅钙脱氧剂是低铝硅钙钡合金。
[0021]上述技术方案的一种优选是:上述铝脱氧剂为纯铝。
[0022]上述技术方案的一种优选是:上述稀土硅铁的合金组分及其质量百分比为:Re: 20% ~25%, Ca: 2% ~3%, Ba: 3% ~4%, S1: 45% ~55%, Mg: 0.05%,其余为铁。
`[0023]上述技术方案的一种优选是:上述稀土硅铁中的稀土元素包括铈元素和镧元素，所述稀土硅铁中铈元素的质量百分比含量> 20%，铈元素和镧元素的质量比> 4。
[0024]上述铁素体耐热铸钢的应用是用于制造发动机排放系统的零部件，例如排气歧管、涡壳、连体涡壳排气歧管等。
[0025]本发明具有积极的效果:
[0026](I)本发明对铁素体耐热铸钢的合金成分进行了优化，通过合理地减少铬、锰和镍的加入量，控制碳、硅、硫等元素的含量，增加少量的稀土、铌和铝，提高铁素体耐热铸钢的的热疲劳性能和高温抗氧化性。达到试样(Φ 1011111^20臟)在8501:大气环境里，保温20011，氧化减重为< 3.2mg/cm2，氧化速率< 0.16g/m2.h ;常温至850°C的热疲劳循环次数大于1200次无裂纹出现，比奥氏体耐热不锈钢(DIN1.4826)的高温抗氧化性更好或相当。
[0027](2)本发明所用稀土为稀土硅铁合金，稀土硅铁中铈元素的含量约为镧元素的含量的4倍,且稀土娃铁中铺元素的含量大于20%,该稀土娃铁同时含有少量的钙、钡元素，可有效地净化钢液、使钢水中的氧含量大大降低，同时改善氧化皮的结构，使氧化皮变的致密，在冷热循环的使用环境里，氧化皮不易脱落，从而大大提高了钢的热疲劳性能和高温抗氧化性。同时，稀土具有改变钢中夹杂物的形态，即稀土有利于I型和III型夹杂物形成，消除II型和IV型夹杂物，有助于材料综合性能的提高，稀土对夹杂物形态的影响如图15和图16所示。本发明的铁素体耐热铸钢在生产过程中通过控制钢水与空气的接触，将氮元素的含量控制在0.01%~0.06%之间。氮元素在钢液中，虽然是强奥氏体化元素，但是少量的氮元素能细化晶粒，提高高温强度，降低热脆倾向。
[0028](3)本发明的铁素体耐热铸钢的化学成分中，适量的铌元素能形成稳定的铌碳化物，细化晶粒，大大增加高温强度。铬、稀土、铌、氮的组合可以有效的发挥各元素的作用，净化钢液、细化晶粒、提高高温耐氧化性、高温强度、冷热疲劳性及降低脆性。
[0029](4)本发明的铁素体耐热铸钢的化学成分中，铬的含量控制在20%以下(优选14.5%~16.5%之间)，材料经过热处理后金相组织由两个相组成，第一相为白色的纯铁素体，第二相为白色的铁素体与黑色颗粒状碳化物组成的复合相，其中第一相的面积率小于40%，第一相最佳面积率在10~30%。第一相铁素体中固溶较多的铬，第二相由δ铁素体+微小颗粒状碳化物组成，两相的晶界处分布着微小的铬的碳化物和铌的碳化物，在高温环境里不易成为龟裂的起点，从而有助于提高抗拉强度、伸展率以及热疲劳强度和高温抗氧化性。
[0030](5)本发明的铁素体耐热铸钢常温抗拉强度≥600MPa,屈服强度≥400MPa，伸长率> 4%ο该材料屈强比高，大于0.6，表示材料的塑性优良，材料的抗变形能力较强，不易发生塑性变形；同时，该材料还具备一定的伸长率(≥ 4%)，说明该材料韧性较好，不易脆断具有较好的加工性能，由该铁素体耐热铸钢制成的汽车发动机排放系统的零部件可在900°C及以上尾气环境里使用。
【专利附图】
【附图说明】
[0031]下面结合附图对本发明作进一步的说明。
[0032]图1为实施例1的铁素体耐热铸钢的金相组织放大100倍时的图片。
[0033]图2是实施例1的铁素体耐热铸钢的金相组织放大500倍时的图片。
[0034]图3为实施例2的铁素体耐热铸钢的金相组织放大100倍时的图片。
[0035]图4是实施例2的铁素体耐热铸钢的金相组织放大500倍时的图片。
[0036]图5为实施例3的铁素体耐热铸钢的金相组织放大100倍时的图片。
[0037]图6是实施例3的铁素体耐热铸钢的金相组织放大500倍时的图片。
[0038]图7为实施例4的铁素体耐热铸钢的金相组织放大100倍时的图片。
[0039]图8是实施例4的铁素体耐热铸钢的金相组织放大500倍时的图片。
[0040]图9为实施例5的铁素体耐热铸钢的金相组织放大100倍时的图片。
[0041 ]图10是实施例5的铁素体耐热铸钢的金相组织放大500倍时的图片。
[0042]图11为对比例I的铁素体耐热铸钢的金相组织放大100倍时的图片。
[0043]图12是对比例I的铁素体耐热铸钢的金相组织放大500倍时的图片。
[0044]图13为对比例2的铁素体耐热铸钢的金相组织放大100倍时的图片。
[0045]图14是对比例2的铁素体耐热铸钢的金相组织放大500倍时的图片。
[0046]图15是本发明的铁素体耐热铸钢正常添加稀土时夹杂物的金相组织图片。
[0047]图16是本发明的铁素体耐热铸钢不添加稀土时夹杂物的金相组织图片。
【具体实施方式】
[0048](实施例1)
[0049]本实施例的铁素体耐热铸钢的合金组分及其质量百分比为C:0.25%，S1:0.91%，Mn:0.43%, P:0.023%, S:0.078%, Cr:14.55%, N1:1.15%，N:0.027%, Re: 0.02%, Nb:0.2%, Al:0.01%，余量为铁和不可避免的杂质。
[0050]本实施例的铁素体耐热铸钢的制备方法，包括以下具体步骤:
[0051]A.合金熔炼。
[0052]根据合金的组分和含量进行配料，先将底渣装入炉内，然后将0.35%增碳剂、67.02%废钢、1.02%镍板、29.19%铬铁、0.33%铌铁装入炉内，待全部熔成钢水后扒渣、造新渣，当钢水温度升至1540°C时加入0.33%的锰铁进行预脱氧，钢水表面进行覆盖保温并快速进行光谱成分分析，接着升温并加入0.31%的硫铁，当钢水温度高于1600°C时，加入1.06%硅钙脱氧剂进行二次脱氧，为南京浦江合金公司生产的低铝硅钙钡合金，成分:S1:70%~75%, Ca:2%~3%, Ba:6%~7%, ΑΚ0.5%，其余为铁。当钢水温度高于1650。。时加入0.03%的纯铝进行终脱氧。
[0053]B.出钢水。
[0054]出钢水之前将炉台的灰尘杂物等打扫干净，且钢包一定要干净，并且要烘烤到红热状态；当钢水温度达到出钢水温度时迅速出钢水，钢水出炉前，钢包内放入0.35%稀土硅铁和0.01%的小铝块，其中稀土硅铁的合金组分及其质量百分比为:Re:20%~25%，Ca: 2%~3%, Ba: 3%~4%, S1: 45%~55%, Mg: 0.05%,其余为铁，小铝块为纯铝。
[0055]C.浇注。
[0056]将钢水浇 注到铸型中，浇注过程中用石棉挡渣，浇注结束后待铸型冷却、开箱清理得到毛坯；
[0057]D.热处理。
[0058]将毛坯的温度控制在950°C，保温3h，然后随炉冷却至500°C，再保温3h，出炉空冷，即得铁素体耐热铸钢件。
[0059]本实施例的铁素体耐热铸钢件的金相组织如图1和图2所示。
[0060](实施例2)
[0061]本实施例的铁素体耐热铸钢的合金组分及其质量百分比为C:0.20%, S1:1.2%，Mn:0.45%, P:0.022%, S:0.10%, Cr:15.0%, N1:1.10%, N:0.034%, Re:0.02%, Nb:0.17%, Al:
0.07%，余量为铁和不可避免的杂质。
[0062]本实施例的铁素体耐热铸钢的制备方法，包括以下具体步骤:
[0063]A.合金熔炼。
[0064]根据合金的组分和含量进行配料，先将底渣装入炉内，然后将66.08%废钢、1.01%镍板、29.41%铬铁、0.32%铌铁装入炉内，待全部熔成钢水后扒渣、造新渣，当钢水温度升至1540°C时加入0.49%的锰铁进行预脱氧，钢水表面进行覆盖保温并快速进行光谱成分分析，接着升温并加入0.33%的硫铁，当钢水温度高于1600°C时，加入1.47%硅钙脱氧剂进行二次脱氧，为南京浦江合金公司生产的低铝硅钙钡合金，成分:S1: 70%~75%，Ca:2%~3%，Ba:6%~7%，A1〈0.5%，其余为铁。当钢水温度高于1650°C时加入0.03%的纯铝进行终脱氧。
[0065]B.出钢水。
[0066]出钢水之前将炉台的灰尘杂物等打扫干净，且钢包一定要干净，并且要烘烤到红热状态；当钢水温度达到出钢水温度时迅速出钢水，钢水出炉前，钢包内放入0.4%稀土硅铁和0.0I %的小铝块，其中稀土硅铁的合金组分及其质量百分比为:R e: 2 O %~2 5 %，Ca:2%~3%, Ba:3%~4%, S1: 45%~55%, Mg: 0.05%,其余为铁，小铝块为纯铝。
[0067]C.浇注。
[0068]将钢水浇注到铸型中，浇注过程中用石棉挡渣，浇注结束后待铸型冷却、开箱清理得到毛坯；
[0069]D.热处理。
[0070]将毛坯的温度控制在980°C，保温2.5h,然后随炉冷却至500°C，再保温3h，出炉空冷，即得铁素体耐热铸钢件。
[0071 ] 本实施例的铁素体耐热铸钢件的金相组织如图3和图4所示。
[0072](实施例3)
[0073]本实施例的铁素体耐热铸钢的合金组分及其质量百分比为C:0.16%，S1:1.16%，Mn:0.42%, P:0.016%, S:0.11%, Cr:15.79%, N1:0.97%, N:0.046%, Re:0.05%, Nb:0.3%, Al:
0.09%，余量为铁和不可避免的杂质。
[0074]本实施例的铁素体耐热铸钢的制备方法，包括以下具体步骤:
[0075]A.合金熔炼。
[0076]根据合金的组分和含量进行配料，先将底渣装入炉内，然后将54.16%耐热铸钢回炉料、35.06%废钢、0.44%镍板、8.76%金属铬、0.22%铌铁装入炉内，待全部熔成钢水后扒渣、造新渣，当钢水温度升至1540°C时加入0.21%的锰铁进行预脱氧，钢水表面进行覆盖保温并快速进行光谱成分分析，接着升温并加入0.17%的硫铁，当钢水温度高于1600°C时，加入1.32%硅钙脱氧剂进行二次脱氧`，为南京浦江合金公司生产的低铝硅钙钡合金，成分:S1:70%~75%, Ca:2%~3%, Ba:6%~7%, ΑΚ0.5%，其余为铁。当钢水温度高于1650。。时加入0.12%的纯铝进行终脱氧。
[0077]B.出钢水。
[0078]出钢水之前将炉台的灰尘杂物等打扫干净，且钢包一定要干净，并且要烘烤到红热状态；当钢水温度达到出钢水温度时迅速出钢水，钢水出炉前，钢包内放入0.76%稀土硅铁和0.10%的小铝块，其中稀土硅铁的合金组分及其质量百分比为:Re:20%~25%，Ca: 2%~3%, Ba: 3%~4%, S1: 45%~55%, Mg: 0.05%,其余为铁，小铝块为纯铝。
[0079]C.浇注。
[0080]将钢水浇注到铸型中，浇注过程中用石棉挡渣，浇注结束后待铸型冷却、开箱清理得到毛坯；
[0081]D.热处理。
[0082]将毛坯的温度控制在910°C，保温3h，然后随炉冷却至500°C，再保温3h，出炉空冷，即得铁素体耐热铸钢件。
[0083]本实施例的铁素体耐热铸钢件的金相组织如图5和图6所示。
[0084](实施例4)
[0085]本实施例的铁素体耐热铸钢的合金组分及其质量百分比为C:0.21%，S1:1.07%,Mn:0.50%, P:0.018%, S:0.096%, Cr:15.22%, N1:1.05%, N:0.049%, Re:0.058%, Nb:0.75%,Al:0.11%，余量为铁和不可避免的杂质。
[0086]本实施例的铁素体耐热铸钢的制备方法与实施例2相同。
[0087]本实施例的铁素体耐热铸钢件的金相组织如图7和图8所示。[0088](实施例5)
[0089]本实施例的铁素体耐热铸钢的合金组分及其质量百分比为C:0.18%，S1:0.95%，Mn:0.48%, P:0.020%, S:0.089%, Cr:16.14%, N1:1.16%, N:0.041%, Re:0.051%, Nb:0.92%,Al:0.14%，余量为铁和不可避免的杂质。
[0090]本实施例的铁素体耐热铸钢的合金熔炼、出钢水和浇注的方法与实施例1相同，本对比例的铸钢的热处理与实施例2相同。
[0091]本实施例的铁素体耐热铸钢件的金相组织如图9和图10所示。
[0092](对比例I)
[0093]本对比例的铸钢的合金组分及其质量百分比为C:0.21%，S1:1.59%，Mn:0.59%, P:0.015%, S:0.075%, Cr:21.47%, Ni:1.03%, N:0.055%, Re:0.01%, Nb:1.00%, Al:0.17%，余量为铁和不可避免的杂质。
[0094]本对比例的铸钢的合金熔炼、出钢水和浇注的方法与实施例3相同，本对比例的铸钢的热处理制备方法与实施例2相同。
[0095]本对比例的铸钢件的金相组织如图11和图12所示。
[0096](对比例2)
[0097]本对比例的铸钢的合金组分及其质量百分比为C:0.21%，S1:1.46%，Mn:0.44%, P:0.024%, S:0.084%, Cr:20.12%, Ni:1.05%, N:0.048%, Re:0.03%, Nb:2.96%, Al:0.08%，余量为铁和不可避免的杂质。
[0098]本对比例的铸钢的制备方法与实施例2相同。
[0099]本对比例的铸钢件的金相组织如图13和图14所示。
[0100]一、化学成分
[0101]本发明实施例1至实施例5以及对比例I和对比例2的铸钢的化学成分如表1所
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[0102]表1铸钢的化学成分
[0103]
【权利要求】
1.一种铁素体耐热铸钢，其特征在于:合金的组分及其质量百分比为:c:0.10%~0.25%, S1:0.6% ~1.5%, Mn:0.2% ~0.6%, P:≤ 0.05%, S:0.03% ~0.12%, Cr:14.1% ~20%，N1:0.8% ~1.35%, N:0.01% ~0.06%, Re:0.01% ~0.1%，Nb:0.15% ~3.0%, Al:0.01% ~0.8%，余量为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，其特征在于:所述Cr的质量百分比含量为14.5% ~16.5%.
3.根据权利要求2所述的铁素体耐热铸钢，其特征在于:所述Si的质量百分比含量为0.8% ~1.2%.
4.根据权利要求2所述的铁素体耐热铸钢，其特征在于:所述Mn的质量百分比含量为0.4% ~0.5%.
5.根据权利要求2所述的铁素体耐热铸钢，其特征在于:所述Al的质量百分比含量为0.01% ~0.15%。
6.根据权利要求1所述的铁素体耐热铸钢，其特征在于:所述Nb的质量百分比含量为0.61% ~2.0%。
7.根据权利要求1所述的铁素体耐热铸钢，其特征在于:所述Nb的质量百分比含量为0.61% ~1.0%。
8.—种上述权利要求1至7中任一项所述的铁素体耐热铸钢的制备方法，包括以下步骤: A.合金熔炼:根据合金的组分和含量进行配料，先将底渣装入炉内，然后将增碳剂、废钢、镍板、铬铁、铌铁装入碱性感应炉内，待全部熔成钢水后扒渣、造新渣，当钢水温度升至1530°C~1550°C时加入锰铁、硅铁进行预脱氧，钢水保温并快速进行光谱成分分析，接着升温并加入硫铁，当钢水温度高于1600°C时，加入硅钙脱氧剂进行二次脱氧，当钢水温度高于1650°C时加入铝脱氧剂进行终脱氧； B.出钢水:在钢包内放入稀土硅铁和铝块，钢水温度达到1650°C时迅速出钢水； C.浇注:将钢水浇注到铸型中，浇注过程中用石棉挡渣，浇注结束后待铸型冷却、开箱清理得到毛坯； D.热处理:将毛坯的温度控制在850°C~1000°C，保温Ih~3h，然后随炉冷却至500°C，再保温Ih~3h，出炉空冷或随炉冷却。
9.根据权利要求8所述的铁素体耐热铸钢的制备方法，其特征在于:所述步骤D中，将毛坯的温度控制在980°C~1000°C。
10.根据权利要求8所述的铁素体耐热铸钢的制备方法，其特征在于:所述步骤B中在出钢水的同时将稀土硅铁和铝块投入到钢水流中。
11.根据权利要求8所述的铁素体耐热铸钢的制备方法，其特征在于:所述硅钙脱氧剂是低铝硅钙钡合金，所述铝脱氧剂为纯铝。
12.根据权利要求11所述的铁素体耐热铸钢的制备方法，其特征在于:所述稀土硅铁的合金组分及其质量百分比为:Re:20%~25%，Ca:2%~3%，Ba:3%~4%，S1:45%~55%，Mg:0.05%，其余为铁。
13.根据权利要求12所述的铁素体耐热铸钢的制备方法，其特征在于:所述稀土硅铁中的稀土元素包括铺元素和镧元素,所述稀土娃铁中铺元素的质量百分比含量> 20%,铺元素和镧元素的质量比>4。
14.一种上述权利要求1至7中任一项所述的铁素体耐热铸钢的应用，其特征在于:用于制造发动机排放系统的零·部件。
【文档编号】C22C38/60GK103820739SQ201410071850
【公开日】2014年5月28日 申请日期:2014年2月28日 优先权日:2014年2月28日
【发明者】喻光远, 徐贵宝, 魏冬冬, 龚家林, 王思千, 张剑云, 白云 申请人:南车戚墅堰机车车辆工艺研究所有限公司