本发明涉及车用钢铁
技术领域：
，尤其涉及一种铬锰氮系奥氏体耐热钢及其制备方法。
背景技术：
：随着汽车工业朝着高性能、轻量化的发展过程中，汽车发动机转速提升导致尾气温度升高，与汽车发动机连接的排气歧管和涡轮增压器的最高工作温度会升高到1050℃，甚至更高的温度，这就需要用作汽车涡轮壳及排气管的材料不仅有足够的高温强度、耐热性，还要在长期服役在高温作业中具有良好的尺寸稳定性和较高的延展性性，还要具有较好的导热能力。目前制造涡轮增压器壳体和排气歧管的材料主要为高硅钼球墨铸铁和高镍球墨铸铁(参见CN103898398A以及CN103898397A)，这些材料的最高工作温度为1000℃以下，不能在更高的温度下正常工作，在1000℃以上进行工作时存在热传导系数低、高温强度下降、热膨胀系数高等问题，并且由于加入大量镍元素，存在着成本高的弊端，因此，已经不能满足高性能发动机的要求。技术实现要素：有鉴于此，本发明的目的是提供一种具有高温强度、高热传导系数、低的热膨胀系数的铬锰氮系奥氏体耐热钢，同时具有较高的金相组织稳定性、良好尺寸稳定性，较高的延展性、耐热性和耐冲击性，生产成本低的特点，从而满足高性能发动机的使用要求。为了实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：本发明提供了一种铬锰氮系奥氏体耐热钢，包括以下重量百分含量的组分：0.20％～0.50％的碳，0.50％～2.00％的硅，2.00％～5.00％的锰，小于0.04％的磷，小于0.03％的硫，20.00％～27.00％的铬，6.00％～8.00％的镍，小于0.50％的钼，小于0.60％的铌，小于0.60％的钨，小于0.15％的钒，0.30％～0.60％的氮，小于0.10％的锆，小于0.10％的钴，小于0.10％的钇，小于0.20％的硼，余量的铁。优选地，所述的铬锰氮系奥氏体耐热钢包括以下重量百分含量的组分：0.30％～0.45％的碳，0.80％～1.50％的硅，3.00％～4.80％的锰，小于0.02％的磷，小于0.02％的硫，23.00％～26.00％的铬，6.50％～7.00％的镍，小于0.20％的钼，小于0.30％的铌，小于0.40％的钨，小于0.12％的钒，0.40％～0.50％的氮，小于0.08％的锆，小于0.08％的钴，小于0.08％的钇，小于0.10％的硼，余量的铁。本发明中锰元素和氮元素都能够促进奥氏体形成，且氮元素促进奥氏体生成的能力为镍元素的30倍，利用锰、氮元素代替镍元素促进奥氏体相生成，锰和氮元素成本仅为镍元素的20％～30％，在较低的制造成本下获得了奥氏体基体耐热钢材料，此外，氮元素还具备稳定高温组织、提高高温强度、提高抗孔蚀性、抗对应力腐蚀裂纹的作用，锰元素是良好的脱硫剂和脱氧剂，能够使钢液中的硫和氧含量处于较低的水平，提高高温瞬时强度，提高材料的持久强度和蠕变性能。本发明提供的铬锰氮系奥氏体耐热钢具有高温强度、高热传导系数、优异的高温疲劳性能、较低的热膨胀系数和较高的金相组织稳定性、良好尺寸稳定性，较高的延展性、耐热性和耐冲击性，生产成本低等特点，从而满足高性能发动机的使用要求，广泛应用于汽车涡轮壳及排气管中。本发明提供以上技术方案所述铬锰氮系奥氏体耐热钢的制备方法，包含以下步骤：(1)将各元素组分的合金原料熔炼，得到料液；(2)将所述步骤(1)得到的料液静置后浇注成型，得铬锰氮系奥氏体耐热钢。优选地，所述步骤(1)中熔炼的温度为1580～1700℃。优选地，所述步骤(2)中所述静置的时间为3～20分钟。优选地，所述步骤(2)中所述静置后还包含除渣处理。优选地，所述步骤(2)中浇注成型的温度为1550～1650℃。本发明提供的铬锰氮系奥氏体耐热钢的制备方法简单，制得的铬锰氮系奥氏体耐热钢具有高温强度、高热传导系数、优异的高温疲劳性能、较低的热膨胀系数和较高的金相组织稳定性、良好尺寸稳定性，较高的延展性、耐热性和耐冲击性，生产成本低等特点，从而满足高性能发动机的使用要求。具体实施方式本发明提供了一种铬锰氮系奥氏体耐热钢，包括以下重量百分含量的组分：0.20％～0.50％的碳，0.50％～2.00％的硅，2.00％～5.00％的锰，小于0.04％的磷，小于0.03％的硫，20.00％～27.00％的铬，6.00％～8.00％的镍，小于0.50％的钼，小于0.60％的铌，小于0.60％的钨，小于0.15％的钒，0.30％～0.60％的氮，小于0.10％的锆，小于0.10％的钴，小于0.10％的钇，小于0.20％的硼，余量的铁。在本发明中，所述的铬锰氮系奥氏体耐热钢优选包括以下重量百分含量的组分：0.30％～0.45％的碳，0.80％～1.50％的硅，3.00％～4.80％的锰，小于0.02％的磷，小于0.02％的硫，23.00％～26.00％的铬，6.50％～7.00％的镍，小于0.20％的钼，小于0.30％的铌，小于0.40％的钨，小于0.12％的钒，0.40％～0.50％的氮，小于0.08％的锆，小于0.08％的钴，小于0.08％的钇，小于0.10％的硼，余量的铁。本发明中锰元素和氮元素都能够促进奥氏体形成，且氮元素促进奥氏体生成的能力为镍元素的30倍，利用锰、氮元素代替镍元素促进奥氏体相生成，锰和氮元素成本仅为镍元素的20％～30％，在较低的制造成本下获得了奥氏体基体耐热钢材料，此外，氮元素还具备稳定高温组织、提高高温强度、提高抗孔蚀性、抗对应力腐蚀裂纹的作用，锰元素是良好的脱硫剂和脱氧剂，能够使钢液中的硫和氧含量处于较低的水平，提高高温瞬时强度，提高材料的持久强度和蠕变性能。本发明提供的铬锰氮系奥氏体耐热钢具有高温强度、高热传导系数、优异的高温疲劳性能、较低的热膨胀系数和较高的金相组织稳定性、良好尺寸稳定性，较高的延展性、耐热性和耐冲击性，生产成本低等特点，从而满足高性能发动机的使用要求，广泛应用于汽车涡轮壳及排气管中。本发明还提供以上技术方案所述铬锰氮系奥氏体耐热钢的制备方法，包含以下步骤：(1)将各元素组分的合金原料熔炼，得到料液；(2)将所述步骤(1)得到的料液静置后浇注成型，得铬锰氮系奥氏体耐热钢。在本发明中，所述各元素组分的合金原料的来源没有特殊的限定，采用本领域技术人员熟知的合金原料的市售商品即可；在本发明实施例中各元素组分的合金原料优选为硅铁、锰、微碳铬铁、铌铁、钨铁、钒铁、镍板、氮化铬铁合金、金属锆、金属钇、金属钴、硼铁、镍板。在本发明中，所述步骤(1)中熔炼的温度优选为1580～1700℃，更优选为1600～1680℃，最优选为1630～1650℃。在本发明中，所述步骤(1)中熔炼的时间优选为0.5～3.0h，更优选为0.6～2.0h，最优选为0.8～1.5h。在本发明中，对所述合金原料熔炼采用的加热方式没有特殊的限制，采用本领域技术人员熟知的加热方式即可；在本发明中，对所述合金原料熔炼采用的设备没有特殊的限制，采用本领域技术人员熟知的熔炼设备即可，在本发明实施例中优选在中频感应电炉中进行。得到料液后，本发明将料液静置后浇注成型，得铬锰氮系奥氏体耐热钢。在本发明中。所述静置的时间优选为3～20分钟，更优选为5～15分钟，最优选为8～12分钟。所述静置后，本发明优选将所述静置后的料液进行除渣处理，扒去料液表面的浮渣，所述除渣处理没有特殊的限定，采用本领域技术人员熟知的除渣方式即可，在本发明中，除渣处理优选采用机械扒渣法。本发明将所述静置后的料液浇注成型，在本发明中，所述浇注成型的温度优选为1550～1650℃，更优选为1560～1630℃，最优选为1580～1620℃。在本发明中，对所述静置后料液的浇注成型采用的设备没有特殊的限制，采用本领域技术人员熟知的浇注成型设备即可，在本发明实施例中优选在浇注包中进行。在本发明中，所述浇注成型后优选还包括洗砂、研磨、修整、检验工序，本发明对洗砂、研磨、修正、检验工序没有特殊的限定，采用本领域技术人员熟知的方式即可。本发明提供的铬锰氮系奥氏体耐热钢的制备方法，制备方法简单，制得的铬锰氮系奥氏体耐热钢具有高温强度、高热传导系数、优异的高温疲劳性能、高温抗氧化性、较低的热膨胀系数和较高的金相组织稳定性、良好尺寸稳定性，较高的延展性、耐热性和耐冲击性，生产成本低等特点，从而满足高性能发动机的使用要求。下面结合实施例对本发明提供的铬锰氮系奥氏体耐热钢及其制备方法进行详细的说明，但是不能把它们理解为对本发明保护范围的限定。实施例1一、配料：主要原物料的重量百分配比：增碳剂＝0.32％，废钢＝43.39％，氮化铬＝8.58％，微碳铬铁＝34.31％，电解锰＝5.15％，硅铁＝1.25％，镍板＝7.0％。二、熔炼：熔炼设备采用中频感应电炉，感应电炉的容量从0.5吨至3吨不等。将上述配好的原物料按顺序依次投入中频感应电炉内，然后送电升温；当投入的物料完全熔开，继续将中频感应电炉内的温度升至1580℃，取分光分析试片对中频感应电炉内的料液进行分光分析，分析结果见下表：元素CSiMnPSCrNiMoNb分析结果(％)0.431.204.720.0100.00825.646.720.0130.0076元素WVNZrYBCoFe分析结果(％)0.01410.10840.49670.0520.0610.0020.0760.4472三、出汤及熔汤处理：料液的化学成分满足要求后，炉内钢水继续升温至1630℃出汤，出汤前断电静置8分钟后扒去钢水表面的浮渣，将预热充分的浇注包定位至感应电炉出钢水口处准备出钢水，出汤完毕后除去钢水表面浮渣，等待浇注。四、浇注及拆箱：浇注温度为1550℃时进行浇注，浇注完毕40分钟以后拆箱。五、后处理：铸件拆箱以后进行洗砂、研磨、修整、检验等工序后即得到铬锰氮系奥氏体耐热钢。对实施例1制得的铬锰氮系奥氏体耐热钢进行测试：在1050℃的抗拉强度为78MPa以上，屈服强度为75MPa以上，导热系数为28.1W/(m2·K)以上，弹性模量为105GPa以上；1100℃时的热膨胀系数为20.0(1/K·10-6)，具有优良的高温强度，热传导系数高，热扩散速度快等奥氏体耐热钢性质，同时用Mn、N元素代替Ni元素，大大降低了生产成本。实施例2一、配料：主要原物料的重量百分配比：增碳剂＝0.35％，废钢＝43.29％，氮化铬＝8.65％，微碳铬铁＝33.71％，电解锰＝5.35％，硅铁＝1.55％，镍板＝7.1％。二、熔炼：熔炼设备采用中频感应电炉，感应电炉的容量从0.5吨至3吨不等。将上述配好的原物料按顺序依次投入中频感应电炉内，然后送电升温；当投入的物料完全熔开，继续将中频感应电炉内的温度升至1600℃左右，取分光分析试片对中频感应电炉内的料液进行分光分析，分析结果见下表：元素CSiMnPSCrNiMoNb分析结果(％)0.501.234.760.0200.01025.406.790.0340.0015元素WVNZrYBCoFe分析结果(％)0.00790.09660.43950.0430.0550.00180.0960.5207三、出汤及熔汤处理：料液的化学成分满足要求后，炉内钢水继续升温至1680℃出汤，出汤前断电静置3分钟后扒去钢水表面的浮渣。将预热充分的浇注包定位至感应电炉出钢水口处准备出钢水，出汤完毕后除去钢水表面浮渣，等待浇注。四、浇注及拆箱：浇注温度为1650℃时进行浇注，浇注完毕60分钟以后拆箱。五、后处理：铸件拆箱以后进行洗砂、研磨、修整、检验等工序后即得到铬锰氮系奥氏体耐热钢。对比例使用相同的原物料，按照成分范围进行配料，本发明与欧洲耐热钢通用标准EN10295中牌号为GX40CrNiSiNb25-20的铬镍系奥氏体耐热钢相比较优势，如下表所述：(序号1为本发明实施例2制得的铬锰氮系奥氏体耐热钢，序号2为牌号为GX40CrNiSiNb25-20的耐热钢)GX40CrNiSiNb25-20的铬镍系奥氏体耐热钢的成分分析元素CSiMnPSCrNiMoNb分析结果(％)0.401.241.060.0200.01024.8519.540.031.42元素WVNZrYBCoFe分析结果(％)——0.089——————————51.341从上述两种材料的成分比较：主要的差别在于Mn、Ni、Nb、N几种元素上，按照1000kg的铁水计算：备注：序号1材料中加入Zr、Y、Co、B组分合金成本合计580元。从成本角度考虑，本发明提供的锰氮系奥氏体耐热钢的铁水成本仅为GX40CrNiSiNb25-20材质的的51％。本发明提供的锰氮系奥氏体耐热钢的常温屈服强度比对比例提高了219MPa，抗拉强度比对比例提高了379MPa，室温下弹性模量提高了7.8％，室温热传导系数提高了30.4％，1100℃热传导系数提高了14.4％，具体测试结果如下表1所示。表1本发明实施例2铬锰氮系奥氏体耐热钢与对比例测试结果对比经上述性能对比，本发明制得的铬锰氮系奥氏体耐热钢性能优于对比例，且成本有大幅降低。以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本
技术领域：
的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。当前第1页1 2 3