專利名稱：在高溫下具有良好氧化穩(wěn)定性的鑄鐵合金的制作方法
在高溫下具有良好氧化穩(wěn)定性的鑄鐵合金
本發(fā)明涉及 一種用于鑄鐵產(chǎn)品的在高表面溫度下具有良好氧化穩(wěn) 定性的鑄鐵合金。
汽車制造商必須遵守新的排氣標(biāo)準(zhǔn)。當(dāng)排氣溫度高時(shí)催化劑工作得
較好?？墒褂免Z代替鉑作為催化劑金屬，最大排氣濕度可從現(xiàn)在的850°C 提高到950°C。在此溫度下，迄今已知的鑄鐵合金均存在氧化皮的穩(wěn)定 性問(wèn)題。迄今的鐵素體合金在從約860。C起會(huì)發(fā)生從鐵素體結(jié)構(gòu)到奧氏 體結(jié)構(gòu)的相變。鐵素體結(jié)構(gòu)的膨脹行為不同于奧氏體結(jié)構(gòu)的膨脹行為。 因?yàn)閵W氏體結(jié)構(gòu)的熱膨脹系數(shù)較大且比化鐵素體結(jié)構(gòu)的熱膨脹系數(shù)變 化更大，所以在轉(zhuǎn)變溫度下發(fā)生體積變化。該體積變化導(dǎo)致鑄件的不均 勻膨脹行為和形成微小裂紋。該常經(jīng)受溫度交變的鑄件會(huì)由于不均勻膨 脹和裂紋形成而產(chǎn)生機(jī)械應(yīng)力。結(jié)果薄的氧化層(-氧化皮)從鑄件表面脫 離。理想的是在渦輪增壓器外殼和/或排出管的經(jīng)受排氣的表面上形成一 層有良好附著性和阻止氧擴(kuò)散的薄氧化物層。
由EP 076701 Bl中已知一種含球狀石墨的鐵素體耐熱鑄鐵。該合金 含至多3.4重量o/。C、 3.5-5.5重量％ Si、至多0.6重量％ Mn、 0.1-0.7重 量％ Cr、 0.3-0.9重量％ Mo和至多0.1重量％的形成球狀石墨的組分。 該合金在汽車制造中用于制備渦輪增壓器外殼。
由EP 1386976 Bl中已知一種用于鑄鐵產(chǎn)品的具有高溫度穩(wěn)定性的 合金。該合金由2.5-2.8重量o/oC、 4.7-5.2重量％ Si、 0.5-0.9重量％ Mo、 0.5-0.9重量。/oAl、至多0.04重量。/oMg、至多0.02重量％ S、 0.1-1.0重 量。/。Ni、 0.1-0.4重量％ Zr、余量的Fe和通常的雜質(zhì)組成。該合金在汽 車制造中用于制備排出管和渦輪增壓器外殼。
由現(xiàn)有技術(shù)出發(fā)，本發(fā)明的目的是提供一種鑄鐵合金，其可在盡可 能高的溫度下使用，以盡可能的低成本制備和在頻繁的溫度交變下確保 盡可能長(zhǎng)的使用壽命。
該目的是通過(guò)適于鑄鐵產(chǎn)品的鑄鐵合金實(shí)現(xiàn)的，該鑄鐵合金在 800-950°C的表面溫度下具有高氧化穩(wěn)定性的，含有下列化學(xué)成分 2.8-3.6重量。/oC、2.0-3.0重量％ Si、 2.5-4.3重量％ Al、至多1.0重量。/oNi、 至多0.8重量。/。Mo、至多0.3重量。/oMn、 0.002-0.1重量。/oCe、 0.023-0.06
3重量。/。Mg、至多0.01重量％ S、其余為Fe和通常的雜質(zhì)。本發(fā)明的優(yōu)選擴(kuò)展方案由從屬權(quán)利要求給出。
鑄件在操作溫度下呈盡可能均勻的彈性膨脹是有利的。這可通過(guò)該合金由鐵素體相到奧氏體相的相轉(zhuǎn)變溫度高于S8(TC來(lái)實(shí)現(xiàn)。也可通過(guò)在膨脹計(jì)中所測(cè)定的合金試樣的熱膨脹直到880。C仍呈均勻和恒定地變化來(lái)實(shí)現(xiàn)。也可通過(guò)該合金的熱膨脹系數(shù)在25。C為8-12xlO'6/K和在90(TC為13.5-15.5 x 10々K來(lái)實(shí)現(xiàn)。該值在溫度關(guān)系圖中比所謂的牌號(hào)為D5S或GJSA XNiSiCr35-5-2的Ni-抗蝕-合金的值恒定地低約30%。
該鑄件在室溫下不變脆也是有利的。這可通過(guò)該合金的抗拉強(qiáng)度Rm為500-650 MPa、屈服點(diǎn)Rp().2為470-620 MPa和斷裂伸長(zhǎng)率A5為2.0-4.0%來(lái)實(shí)現(xiàn)。這些強(qiáng)度值是所謂的Ni-抗蝕-合金的1.3-1.5倍。所述鑄鐵合金的韌性相應(yīng)于通常市售的鐵素體材料的平均值，但通常市售的鐵素體材料不能在高于86(TC的溫度使用。
鑄件可更容易地加工也是有利的。這可通過(guò)該合金試樣的布氏(B簡(jiǎn)ll)硬度為220-250來(lái)實(shí)現(xiàn)。
該合金由盡可能廉價(jià)的元素組成也是有利的。這可通過(guò)該合金含低于0.8重量。/。Mo、低于1重量。/。Cr和低于1重量。/。Ni來(lái)實(shí)現(xiàn)。Ni-抗蝕-合金通常含約30-35重量％ Ni和約2-5重量％ Cr。與鉬合金化的球墨鑄鐵合金通常含約0.8重量％ Mo。
該鑄件盡可能對(duì)熱不敏感也是有利的。這可通過(guò)該合金試樣在25"C的導(dǎo)熱率為約23 W/mK和在90(TC下的導(dǎo)熱率為約26 W/mK來(lái)實(shí)現(xiàn)。Ni-抗蝕-合金在40(TC下的導(dǎo)熱率比該值低20-50%。
本發(fā)明的核心思路是提供一種鑄鐵合金，其允許有盡可能高的使用溫度，并在渦輪增壓器外殼和排出管中具有高的氧化皮穩(wěn)定性，并盡可能廉價(jià)和盡可能簡(jiǎn)單地以鑄造方法制備。適于較高使用溫度的迄今的標(biāo)準(zhǔn)解決方案在于使用較昂貴的鑄鋼和奧氏體鑄鐵或在使用中要復(fù)雜制備的鋼板結(jié)構(gòu)。
實(shí)施例
由具有下列化學(xué)組成的球墨鑄鐵制成的適于轎車內(nèi)燃機(jī)的排出管具有鐵素體結(jié)構(gòu)以重量百分比計(jì)3,02 C、 2,% Si、 2.53 Al、 0.79 Ni、0.65 Mo、 0.23 Mn、 0,04 Cu、 0.03〗P、 0.026 Cr、 0.023 Mg、 0.017 Ti、小于O.Ol S和0.002 Ce。該排出管由在GF-轉(zhuǎn)爐(Konverter)中用鎂預(yù)處理的熔體直接澆鑄到模具中。不需要其后的耗時(shí)的熱處理如固溶退火或奧氏體等溫淬火處理。
用鎂處理對(duì)合金的硫含量有有利影響，并確保形成呈球形或蠕蟲狀的石墨。鎂起脫硫作用，但在溶液中要保留足夠的Mg,以有助于生長(zhǎng)成球粒(=石墨顆粒)。在Al含量為約2.5重量％時(shí)Mg含量理想地為約0.025重量％。該合金試樣的比重比通?？杀容^的鑄鐵合金的比重<氐至少5%。
碳含量為2.8-3.6重量％可確保近于共晶體的組成。C含量小于2.8重量％對(duì)鑄件的供料不利。C含量大于3.6重量％對(duì)合金的高溫特性不利。
加入0.002-0.1重量。/。的鈰作為成核劑。Ce含量大于0.1%是不利的，并導(dǎo)致所謂的碎塊狀石墨的形成。
在本發(fā)明合金中硅含量為2-3重量％對(duì)鐵素體相的形成是有利的，改進(jìn)了熔體的流動(dòng)性，提高了屈服點(diǎn)和改進(jìn)了鑄件的耐熱性。Si含量小于2%對(duì)白口深度(Weisseinstrahlung )不利。Si含量大于3%增加了鑄件的脆性。
鋁含量為2.5-4.3重量％對(duì)形成鐵素體相也是有利的，并中和氮。Al含量小于2.5%對(duì)石墨穩(wěn)定化是不利。Al含量大于4.3%對(duì)形成球形石墨不利。
鎳含量為0.1-1重量％可提高屈服點(diǎn)同時(shí)不明顯增加脆性，并可改進(jìn)耐腐蝕性。Ni含量小于0.1%對(duì)石墨穩(wěn)定化是不利的。Ni含量大于1%對(duì)在鑄件的較薄區(qū)中貝氏體和馬氏體的形成不利。鎳是一種較昂貴的合金元素。
鉬含量為0.4-0.8重量％對(duì)提高屈服點(diǎn)、熱穩(wěn)定性、耐蠕變性和由此對(duì)耐溫度交變性有利。Mo含量小于0.4%對(duì)石墨穩(wěn)定化是不利的。Mo含量大于0.8%對(duì)碳化物和氣泡形成不利。鉬是一種較昂貴的合金元素。
錳含量至多0.3重量％對(duì)脫硫是有利的。Mn大于0.3%對(duì)晶界碳化物形成不利，并不利于晶核形成狀態(tài)。Mn含量太大引起晶體結(jié)構(gòu)中的珠光體(Perlit)形成。貝氏體結(jié)構(gòu)越來(lái)越脆。
鉻含量至多1重量％對(duì)鑄型件的耐蠕變性和耐熱性有利。
通常較低的成合金元素含量對(duì)降低晶界碳化物的形成和在室溫下的脆性有利。例如銅和鈦的含量即此情況。
與鑄銅相比，球墨鑄鐵的熔體溫度約低100-200°C。這表明4毛能低和通過(guò)蒸發(fā)向環(huán)境排放的合金元素少。
可看出，在約900。C下發(fā)生平衡相轉(zhuǎn)變。也可看出，在1240-128(TC的熔體溫度該合金是如何變換物態(tài)(Aggregatszustand )的。
圖2中示出測(cè)得的牌號(hào)為SiMo 1000plus的新合金的熱膨脹系數(shù)與溫度的關(guān)系，并示出與其它鑄鐵合金的比較。
圖3示出SiMo 1000plus合金的熱導(dǎo)率與溫度的關(guān)系，并示出與其它鑄鐵合金的比較。D5S代表所謂的Ni-抗蝕-合金，GJV SiMo和SiMoNi代表迄今已知的含約1。/。Mo的球墨鑄鐵合金。
權(quán)利要求
1. 一種用于鑄鐵產(chǎn)品的鑄鐵合金，所述鑄鐵合金在800-950℃的表面溫度具有高氧化穩(wěn)定性，含有下列化學(xué)成分2.8-3.6重量％C、2.0-3.0重量％Si、2.5-4.3重量％Al、至多1.0重量％Ni、至多0.8重量％Mo、至多0.3重量％Mn、0.002-0.1重量％Ce、0.023-0.06重量％Mg、至多0.01重量％S、其余為Fe和通常的雜質(zhì)。
2. 權(quán)利要求1的鑄鐵合金，其特征在于，所述合金含0.1-1重量％ Ni、 0.4-0.8重量。/。Mo和至多1.0重量o/。Cr。
3. 權(quán)利要求1或2至少之一的鑄鐵合金，其特征在于，所述合金的 鐵素體相向奧氏體相的轉(zhuǎn)變溫度高于88(TC。
4. 權(quán)利要求1-3至少之一的鑄鐵合金，其特征在于，在膨脹計(jì)中所 測(cè)得的所述合金的熱膨脹直到88(TC仍呈均勻和恒定地變化。
5. 權(quán)利要求1-4至少之一的鑄鐵合金，其特征在于，所述合金的熱 膨脹系數(shù)在25。C為8-12 x 10-6/K和在900。C為13.5-15.5 x 1(T6/K。
6. 權(quán)利要求1-5至少之一的鑄鐵合金，其特征在于，所述合金的抗 拉強(qiáng)度Rm為500-650 MPa、屈服點(diǎn)Rp。2為470-620 MPa和斷裂伸長(zhǎng)率 As為2.0-4.0%。
7. 權(quán)利要求1-6至少之一的鑄鐵合金，其特征在于，所述合金的布 氏硬度為220-250。
8. 權(quán)利要求1-7至少之一的鑄鐵合金，其特征在于，所述合金在 25。C的導(dǎo)熱率為20-25 W/mK和在900。C的導(dǎo)熱率為23-29 W/mK。
9. 權(quán)利要求l-7至少之一的鑄鐵合金，其特征在于，所述合金的比 重比常規(guī)可比較的鑄鐵合金的比重低至少5%。
10. 用于制備權(quán)利要求l-9至少之一的鑄鐵合金的方法，其特征在 于，所述合金在鎂轉(zhuǎn)爐中用鎂處理以得到非常低硫的合金。
11. 一種制備權(quán)利要求1-10至少之一的鑄鐵合金的方法，其特征 在于，所述合金在鎂轉(zhuǎn)爐中預(yù)處理后澆鑄到模具中，并不經(jīng)受熱后處理。
12. 權(quán)利要求1-11至少之一的鑄鐵合金，其特征在于，所述鑄鐵 合金在汽車制造中用于排出管和/或渦輪增壓器外殼。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種用于鑄鐵產(chǎn)品的鑄鐵合金，其在800-950℃的表面溫度下具有高氧化穩(wěn)定性，具有下列化學(xué)成分2.8-3.6重量％C、2.0-3.0重量％Si、2.5-4.3重量％Al、至多1.0重量％Ni、至多0.8重量％Mo、至多0.3重量％Mn、0.002-0.1重量％Ce、0.023-0.06重量％Mg、至多0.01重量％S、其余為Fe和通常的雜質(zhì)。
文檔編號(hào)C22C37/00GK101460641SQ200780020854
公開日2009年6月17日 申請(qǐng)日期2007年5月10日 優(yōu)先權(quán)日2006年6月8日
發(fā)明者L·F·澤珀 申請(qǐng)人:喬治費(fèi)希爾鑄鐵有限責(zé)任公司