一种铁素体耐热铸钢的制作方法

本发明涉及一种铁素体耐热铸钢，该耐热铸钢具有优异的铸造性能，能够确保获得低铸造缺陷或者无铸造缺陷的铁素体耐热铸钢部件，同时，该耐热铸钢还具有好的高温抗氧化性，在高温下长期工作的氧化增重小，特别适用于内燃机排气系统部件中的应用。

背景技术：

1、近年来，节能减排逐渐成为国际社会可持续发展的共识。柴油、汽油等作为不可再生的化石能源，对其进行充分、有效利用是社会发展过程中共同的追求目标。内燃机（包括汽油动力和柴油动力）作为汽油和柴油的主要消耗体，如何促进汽柴油充分有效燃烧以及如何有效利用燃烧产物的废热已经成为研究热点。随着上述研究热点的推进，内燃机排气温度呈现了逐步上升的趋势，因此，对内燃机排气系统（包括涡轮增压系统）零部件的工况适应能力要求也越来越严苛，多种耐热铸钢被开发并应用到上述零部件中。

2、铁素体耐热铸钢由于不含有或者含有微量的ni而具有明显的成本优势，故此常被用于制造内燃机的排气歧管、涡轮增压器部件等。但是，由于其不含有ni，导致铁素体耐热铸钢的熔点相对较高，在浇铸过程中流动性较差，充型能力不足，铸钢件经常出现较多的缩孔、冷隔、气孔等铸造缺陷，特别是其常用的排气系统部件具有薄壁的特点，铸造缺陷对产品成品率的负面影响是十分显著的，并且显著的恶化部件性能。

3、基于以上问题，本发明的发明人提出一种铁素体耐热铸钢。

技术实现思路

1、本发明提供一种铁素体耐热铸钢，该耐热铸钢的金属液在铸造过程中具有较好的流动性，充型能力优异，可以大幅降低或者避免铸造缺陷的发生，确保较高的产品成品率和优异的性能；与此同时该铁素体耐热铸钢的高温抗氧化性能优异，适合应用于内燃机排气系统的零部件中，并且，该铁素体耐热铸钢兼具低成本的优势。

2、本发明的技术目的是通过以下手段实现的。

3、本发明的目的在于提供一种铁素体耐热铸钢，其成分按质量百分比计为：c：0.1-0.4%，si：1.0-2.0%，mn：0.5-2%，cr：11-14%，al：2.8-4.0%，p≤0.05%，s≤0.05%，余量为fe和不可避免的杂质；定义上述铸钢的金属液流动性指数if，以及上述铸钢的抗氧化性指数io，if为15-20，io为40-50；其中：if=4.33[al]+1.94[si]+1.69[c]，io=2.24[cr]+5.72[al]+3.15[si]-12.84[c]-2.98[mn]，式中[al]、[si]、[c]、[cr]、[mn]分别代表铸钢中al、si、c、cr、mn的质量百分含量。

4、下面，对本发明的成分设计原理进行介绍。

5、本发明采用高铝、中硅和低铬的设计思路。铝和硅都是改善流动性的元素，铝、硅均可以降低铁素体耐热铸钢的熔点，相同的浇铸温度下，高铝、中硅铁素体耐热铸钢具有更高的过热度，从而确保金属液在铸造充型过程中具有较好的流动性和足够的充型时间，提高了浇铸金属液的充型能力，避免了缩孔、冷隔、气孔等缺陷的出现，提高了产品的成品率和性能。并且，铝、硅、铬都是铁素体形成元素，在增加铝和硅含量的同时降低铬的含量，同样可以确保铁素体组织的获得。此外，铝和硅也都是高温耐氧化元素，其高温形成的氧化铝、氧化硅膜层比氧化铬具有更高的高温稳定性，因此，在加入较高含量铝、硅的基础上，降低铬的使用量并不会对铁素体耐热铸钢高温抗氧化性带来负面影响。

6、因此，本发明在高铝中硅的条件下，降低铬的使用量，既保证了铸钢金属液的流动性，避免了铸造缺陷，提高了成品率，也没有对抗氧化性和铁素体基体组织的获得产生不利影响，并且使用廉价的铝和硅替代了一部分铬也降低了产品的成本，增强了产品的市场竞争力。

7、但是，铝和硅含量的增加以及铬含量的降低并不可以盲目的进行。本发明中，铝、硅、碳都是改善铸钢流动性的元素，碳和锰是恶化高温抗氧化性的元素，铝、硅、铬是提升高温抗氧化性的元素，铝、硅、铬含量的增减需要遵循一定的原则，否则便无法兼顾铸钢金属液的流动性以及高温抗氧化性能。例如，一味地增加al或si会使金属液的流动性过分增加，从而导致浇铸过程中金属液接触空气时间延长，吸氧生成夹杂物增多，恶化铸钢的性能；并且al或si增加到达一定程度之后反而会加剧高温工作时基体的开裂倾向，导致高温抗氧化性能的急剧下降。因此，本发明的发明人通过大量的试验归纳总结了兼顾铸钢金属液流动性和高温抗氧化性能的碳、硅、铝、铬、锰元素之间的规律，定义了铸钢的金属液流动性指数if和铸钢的高温抗氧化性指数io。

8、if=4.33[al]+1.94[si]+1.69[c]。

9、io=2.24[cr]+5.72[al]+3.15[si]-12.84[c]-2.98[mn]。

10、在控制各元素含量的基础上，需要控制铸钢的金属液流动性指数if在15-20范围内，并且控制铸钢的高温抗氧化性指数io在40-50范围内。发明人发现，不仅仅是各元素含量需要满足发明要求，还需要同时控制if和io满足发明要求，才能获得兼具铸造充型能力和高温抗氧化性的铁素体耐热铸钢，进而获得低铸造缺陷或无铸造缺陷并且具有优异高温抗氧化性能的铁素体耐热铸钢，由此，保证了铁素体耐热铸钢的高温抗氧化性、高温强度以及常温下的强度和延伸率。

11、接下来，在前述原理的基础上介绍本发明各元素的作用。

12、碳是强化元素，可以确保铁素体耐热铸钢具有优异的强度，碳可以降低铁素体耐热铸钢的熔点从而提高金属液的流动性，改善铸造性，但是碳对于铁素体耐热铸钢的高温抗氧化性不利，碳含量过高则使铁素体耐热铸钢的高温抗氧化性能急剧恶化，并且碳含量过高则奥氏体形成能力增加，不利于铁素体组织的获得。综合以上考虑，本发明控制碳含量为0.1-0.4%。

13、硅在高温下于铁素体耐热铸钢表面形成致密氧化物层，是改善高温抗氧化性的元素，其可以固溶到铁素体中，强化铁素体，提高铁素体耐热铸钢的强度，并且硅是铁素体稳定化元素，可以促进铁素体的生成。但是硅和铝的总含量过高，会导致高温下基体开裂倾向增加，反而导致铁素体耐热铸钢高温抗氧化能力下降并且高温强度恶化，综合以上考虑，本发明控制硅含量为1.0-2.0%。

14、锰有助于金属液的脱氧和脱硫，可以降低铁素体耐热铸钢的气孔缺陷，但是锰是奥氏体形成元素，且锰对于铸钢的高温抗氧化性存在不利影响，故此，本发明控制锰的含量为0.5-2.0%。

15、铝是铁素体稳定化元素，促进铁素体的形成，并且铝在高温下于铁素体耐热铸钢表面形成致密氧化物层，可以有效改善高温抗氧化性，但是铝和硅的总含量过高则会导致高温下基体开裂倾向增加，反而导致铁素体耐热铸钢高温抗氧化能力下降并且高温强度恶化，综合以上考虑，本发明控制铝含量为2.8-4.0%。

16、铬是铁素体形成元素，可以强化铁素体，并且对于保证高的高温抗氧化性是至关重要的。传统的铁素体耐热铸钢中，铬的含量一般在18%-23%区间进行添加，成本较高。如前所说，本发明采用了高铝、中硅、低铬的设计思路，铝和硅一方面可以改善金属液的流动性，另一方面替代了昂贵的铬，确保优异的高温抗氧化能力。因此，在添加较高铝和硅的基础上，本发明的铬含量控制在11-14%。

17、磷和硫均是不可避免的杂质元素，其含量过高会导致铸造缺陷增加并且恶化高温抗氧化性和高温强度，因此，需要对磷和硫进行严格控制，本发明要求磷和硫的上限均为0.05%，出于成本考虑，磷和硫的下限设置在0.005%以上。

18、除上述元素外，如前面所说，本发明还需要对金属液流动性指数if和铸钢的高温抗氧化性指数io进行控制。

19、if=4.33[al]+1.94[si]+1.69[c]。

20、io=2.24[cr]+5.72[al]+3.15[si]-12.84[c]-2.98[mn]。

21、如果金属液流动性指数if过小，则金属液浇铸过程中流动性不足，充型能力受限，导致铁素体耐热铸钢件的缩孔、气孔、冷隔缺陷增加，恶化铸钢件的各项性能，但是如果金属液流动性指数if过大，则浇铸过程中金属液接触空气时间延长，吸氧生成夹杂物增多，恶化铸钢的性能。

22、如果铸钢的高温抗氧化性指数io过小，则铸钢件的高温抗氧化性能不足，高温长期工作的耐久力不理想，如果高温抗氧化性指数io过大，则铝和硅容易导致基体开裂倾向增加，反而恶化高温抗氧化性和高温强度，高温工作的可靠性得不到保证。

23、综合以上，出于兼顾金属铸造流动性和高温抗氧化性的考量，本发明控制if在15-20范围内、io在40-50范围内。

24、本发明铁素体耐热铸钢的非平面型缺陷，也即体积型缺陷（如缩孔、气孔等）质量等级为1-2级，优选为1级，其平面型缺陷（如冷隔等）的质量等级为1-2级，优选为1级，缺陷的分类参照gb 7233-87定义，缺陷的测量参照gb/t7233.1-2009给出的方法测量。

25、本发明铁素体耐热铸钢在空气气氛中于900℃保持500h后，氧化增重不大于0.16mg/cm2，优选0.12mg/cm2以下，其在900℃下的屈服强度30mpa以上，优选35mpa以上。

26、即本发明的铁素体耐热铸钢具有优异的铸造质量，铸造缺陷得到良好控制，并且其高温抗氧化性能突出，因此，本发明的铁素体耐热铸钢具有优异的高温性能。

27、不限于此，本发明的铁素体耐热铸钢其室温性能同样是可观的，该铸钢的室温抗拉强度750mpa以上，室温延伸率7.4%以上。

28、本发明的铁素体耐热铸钢的制备工艺不做限制，通过常规的工艺制备即可，如通过电炉、lf、vod精炼后铸造即可获得。

29、本发明的铁素体耐热铸钢特别适用于高温工作的工况，可以承受900℃，甚至1000℃的高温工作工况，作为应用工况的非限定性描述，可以用于内燃机排气系统的零部件，例如排气歧管、涡轮增压器的壳体等。并且本发明的铁素体耐热铸钢由于cr含量低，因此成本优势明显。

30、本发明的有益效果如下：本发明采用高铝、中硅和低铬的设计思路。铝和硅可以降低铁素体耐热铸钢的熔点，确保金属液在铸造充型过程中具有较好的流动性和足够的充型时间，避免了缩孔、冷隔、气孔等缺陷的出现，提高了产品的成品率和性能。铝和硅都是高温耐氧化元素，在加入较高含量铝、硅的基础上，降低铬的使用量并不会对铁素体耐热铸钢高温抗氧化性带来负面影响。铝、硅、铬都是铁素体形成元素，在增加铝和硅含量的同时降低铬的含量，不影响铁素体组织的获得。低铬的设计思路有利于成本的控制，增强产品的市场竞争力。

31、在元素改进的基础上，本发明定义了金属液流动性指数if和铸钢的高温抗氧化性指数io，并提出了协同控制if和io的思路，通过两个指数的协同控制，获得了兼具金属铸造流动性和高温抗氧化性的铸钢，从而获得了铸造缺陷少、力学性能优、高温抗氧化性强的铁素体耐热铸钢。