一种具有优异高温综合性能的耐热铸造奥氏体不锈钢的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于新材料技术领域，涉及一种具有优异高温综合性能的耐热铸造奥氏体 不锈钢，主要应用于排气温度超过KKKTC的汽车发动机排气系统部件，包括排气歧管、涡轮 壳等。
【背景技术】
[0002] 汽车排放的尾气是城市大气污染的重要污染源之一。近年我国雾霾天气频频出 现，政府已不能再忍耐全国到处雾霾的环保压力。从2011年7月1日起，凡不满足国四标 准要求的轻型汽油车、单一气体燃料车及两用燃料车，不得销售和注册登记。从2015年1 月1日起，国三柴油车产品将不得销售。2013年年初，中国国务院办公厅发布的《关于加强 内燃机工业节能减排的意见》指出，到2015年，节能型内燃机产品须占全社会内燃机产品保 有量的60 %，与2010年相比，内燃机燃油消耗率降低6%?10 %，实现节约商品燃油2000 万吨，减少〇)2排放6200万吨，减少N0，排放10%，采用替代燃料节约商品燃油1500万吨。 涡轮增压技术是可以达到全球各国政府所制定的汽车排放标准的重要技术手段。涡轮增压 器利用发动机的排放废气流推动涡轮机叶轮高速旋转，同时带动压气机叶轮高速旋转，使 通过压气机的空气速度和压力增大，进而提高发动机空燃比。涡轮增压是一项提升引擎性 能和降低车辆能耗和排放的关键技术，具备的优势有：1.燃油效率更高。与同等规格的自 然吸气式汽油发动机相比，涡轮增压汽油发动机的燃油效率可提高达20%。而与自然吸气 式发动机相比，同等额定功率的涡轮增压柴油发动机的燃油效率可提高达40%。2.性能更 优。涡轮增压大幅提高发动机的功率和扭矩，提升车辆响应速度和安全性能。3.更清洁、更 环保。涡轮增压发动机能够利用来自发动机的排放尾气，使发动机燃烧更清洁，并在不损害 性能的前提下缩小发动机尺寸，同时降低〇) 2和NO x的排放量。
[0003] 涡轮增压器的使用，虽然可以提高燃油效率，降低C02排放，但同时也提高了尾气 排气温度。相较传统自然吸气式发动机，涡轮增压汽油发动机的排气温度从850°C升高至 1050°C，而部件本身温度可以被加热到950?KKKTC。涡轮增压器的服役环境概括起来，主 要包括：（1)启动、熄火及变速运行阶段温度骤升骤降；（2)稳态运行阶段长时高温热暴露； (3) 腐蚀、氧化性气氛。排气系统部件将在此高温范围内长期热暴露于氧化性气体和大气 中，并经受发动机的运转及停止造成的反复冷热循环。因此，排气系统部件必须具有更高的 承温能力和耐久性能，并在相应温度下具有较长的服役寿命。
[0004] 传统的发动机排气系统部件都是由耐热铸铁或耐热铸造铁素体不锈钢制造的。虽 然耐热铸铁在低于900°c时表现出相对较高的强度，但当温度高于900°C时，这些材料的抗 氧化和热开裂能力下降，表现出耐高温能力不足。而耐热铸造铁素体不锈钢在温度超过 950°C时强度亦下降格外明显。这些传统材料已无法满足采用涡轮增压技术后提高了的性 能要求。镍基高温合金具有非常优异的高温力学性能，广泛应用于航空工业，如飞机发动机 的涡轮叶片等，但镍基材料的成本相对高昂，无法广泛应用于汽车发动机及其排气系统部 件。因此，设计、开发用于制造新型发动机排气系统部件的低成本材料变得迫在眉睫。耐热 铸造奥氏体不锈钢在高温服役条件下，其力学性能明显优于耐热铸造铁素体不锈钢，且成 本远低于镍基高温合金材料。采用铸造工艺，无需预先固溶、时效等热处理工艺，可以进一 步降低制造成本。因此，耐热铸造奥氏体不锈钢可以作为新材料设计、开发的首选材料。
[0005] 目前，美国橡树岭国家实验室与卡特彼勒技术中心联合开发了一种新型耐热铸 造奥氏体不锈钢CF8C-Plus(美国专利，专利号US7153373B2,公开日2006年12月26日， 专利名称Heat and corrosion resistant cast CF8C stainless steel with improved high temperature strength and ductility)。该铸钢镇含量低于 15% (质量分数），具 有较低的生产成本；并且在700?850°C具有较高的高温服役性能，尤其是优异的抗高温 蠕变性能，因而成功应用于柴油发动机的排气歧管。但汽油发动机的排气温度普遍比柴油 发动机高约200°C，因而CFSC-Plus尚不能安全可靠地应用于汽油发动机排气系统部件。 同时，日本日立金属集团开发了一种高铬高镍耐热铸造奥氏体不锈钢（美国专利，专利号 US8241558B2,公开日 2012 年 08 月 14 日，专利名称 High-Cr，high-Ni, heat-resistant, au stenitic cast steel and exhaust equipment members formed thereby ；中国专利，专 利号CN100537814C，专利名称《高Cr高Ni奥氏体系耐热铸钢及由其构成的排气系统零件》， 公开日2009年09月09日），具有较高的高温服役性能，尤其是热疲劳性能，能够满足排气 温度超过l〇〇〇°C的服役要求。但该铸钢的Ni含量超过20% (质量分数），因而其生产成本 较高，不适宜在节能减排而又经济型的汽车发动机上使用。
[0006] 因此，通过添加微量合金元素并严格控制Ni含量，设计、开发一种低成本高性能 的耐热铸造奥氏体不锈钢是十分必要的。新材料应该具备良好的高温力学性能、抗氧化性 能、室温塑性等综合性能。
【发明内容】
[0007] 本发明的目的在于提供一种高温综合性能优良，而且金属Ni含量少、经济性高的 耐热铸造奥氏体不锈钢。该铸钢的高温综合性能涵盖高温屈服强度、抗蠕变性能、抗高温氧 化性能、抗热疲劳性能等高温性能及室温塑性、室温低周疲劳等室温性能。该铸钢主要应用 于排气温度超过KKKTC的汽车发动机排气系统部件，包括排气歧管、涡轮壳等。
[0008] 美国专利US7153373B2所述的20Cr-10Ni系耐热铸造奥氏体不锈钢，虽然无法满 足排气温度超过1000°C的服役条件，但价格相对较贵的金属元素Ni含量较少；而美国专利 US8241558B2所述的25Cr-20Ni系耐热铸造奥氏体不锈钢，虽然在排气温度超过KKKTC的 条件下耐热性、耐久性能较为优良，但金属Ni含量较多。因此，本发明人通过调整合金元素 的种类和组成范围，以20Cr-10Ni系耐热铸造奥氏体不锈钢为基础，研究降低对耐热性、耐 久性有益作用的金属Ni含量时能否获得与25Cr-20Ni系相当的承温能力和耐久性能。
[0009] 由前期实验结果可知，添加非金属元素N，则即使是金属Ni含量少的20Cr_10Ni系 也可以得到稳定的单相奥氏体基体组织，而且与Nb结合形成的析出相可以起到沉淀强化 作用，相对明显地提高高温蠕变和热疲劳等力学性能。但大量N的添加，会促进Cr 23C6、Cr2N 等富Cr碳氮化物的析出，使得奥氏体基体贫Cr，进而降低抗氧化性能。因此，本发明人为了 找出具有最佳耐热和耐久性能的铸钢成分组成范围，进行了深入广泛的研究，得出以下新 见解：（1)为了确保基本的耐热性能，如高温强度、耐氧化性能，在增加N含量的同时，将C、 Si、Mn、Cr、Ni等主要合金元素的含量各自限制在适当范围内；（2)为了保证充分的Nb(C，N) 析出相的沉淀和弥散强化作用，添加了比传统锻造不锈钢高得多的Nb，并限制在适当范围 内；（3)为了提高高温蠕变寿命和热疲劳寿命，在特定的情况下含有W和/或Mo; (4)为了 在增加N的同时，控制微观组织和析出相的含量，不仅规定C、Si、Mn、Cr、Ni、Nb、W、Mo等主 要合金元素各自的含量，而且限制（C+N)的总量。
[0010] 本发明可通过如下技术方案实现：
[0011] 本发明的一种具有优异高温综合性能的耐热铸造奥氏体不锈钢，其化学成分按照 质量分数计算为 C :0? 1%?0? 6%、N :0? 1%?0? 5%、Si :0? 4%?1. 5%、Mn :1. 5% 以下、 Cr :17. 5%?22. 5%、Ni :8. 0%?13. 0%、Nb :1. 0% ?3. 0%、W :5. 0% 以下、Mo :6. 5% 以下，剩余为基体元素Fe及杂质元素P :0. 04%以下、S :0. 03%以下、0 :0. 04%以下、A1 : 0. 05%以下。
[0012] 进一步地，所述的具有优异高温综合性能的耐热铸造奥氏体不锈钢，其特征成分 按照质量分数计算为 C :0? 2%?0? 5%、N :0? 1%?0? 4%、Si :0? 5%?1. 0%、Mn :0? 5%? 1. 5%、Cr :18. 5%?21. 5%、Ni :9. 0%?12. 0%、Nb :1. 5%?2. 5%，剩余为基体元