專利名稱：改善高溫抗氧化性的鑄鐵的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及在高溫下具有改進的抗氧化性的鑄鐵。更具體地說，本發(fā)明涉及一種鐵鑄件，其包括作為主要組分的鑄鐵，C、Si、Mn、P、S、Cr、Mo和Ni，其中鑄鐵在高溫下提供良好的耐熱性和抗氧化性，所以適用于暴露在非常嚴重高溫條件下的發(fā)動機排氣歧管。
常規(guī)的抗氧化鑄鐵例如FCD50M、FCD45F、FCD-H和FCD-50HS具有表1所示組成。這些鑄鐵含有添加到常規(guī)球形鑄鐵中的Si和/或Mo，以改進高溫下的物理性能和抗氧化性。
表1、現有技術鑄鐵的配方
對于金屬有三種要求一高溫強度，高溫抗氧化性(當暴露在大氣中時和當暴露在廢氣中時)，和與催化劑的相容性。如果使用耐熱性鑄鐵的排氣系統(tǒng)保持在于使用中典型地會遇到的630℃-760℃的溫度范圍內，現有技術的抗氧化鑄鐵的抗拉強度通常至少約為75Mpa。但是，隨溫度升高鑄鐵金屬的強度下降。
奧氏體鑄鐵的不同等級顯示廣泛的多種性能，這就是它們應用在許多技術領域的原因。DIN 1694標準認定8片狀石墨和14球狀石墨變異體。它們的顯著性能包括高溫穩(wěn)定性、抗氧化性、不同尋常的熱膨脹系數(從高到低)、有利的運轉性能、耐蝕性、低溫韌性和防磨蝕。依據DIN 1694的奧氏體鑄鐵可含有最大達到3％的碳、1.5-3％的Si、0.5-1.5％的Mn、18-22％的Ni和1-2.5％的Cr。
在機動車排氣系統(tǒng)設計方面，近來的革新需要鐵在730℃-900℃溫度下具有優(yōu)良性能(高抗拉強度)。生產含有在高溫下具有良好抗氧化性的鑄鐵的排氣系統(tǒng)也是有利的，并且也具有高催化劑相容性，以符合由于機動車功率增加而導致的廢氣的限制性規(guī)定。常規(guī)鑄鐵不能適當滿足這些標準。所以，對于在許多特性方面具有優(yōu)勢的材料的需求已經顯著增加。
認為使用特殊的合金元素例如Mo、Ni和Cr是一種解決辦法，因為在高溫下的抗拉強度與抗疲勞性和蠕變性成比例。本發(fā)明者已經發(fā)現通過將至少一些C、Si、Mn、P、S、Cr、Mg、Mo和Ni以特定量添加到鑄鐵中，生產的鑄鐵可以有利地具有至少75％的球化(spherodization)率，低于70μm的石墨尺寸，和低于5％的玻璃滲碳體的奧氏體結構。此外，耐熱性一即，在升高溫度下的強度一和高溫下的抗氧化性比常規(guī)現有技術的抗氧化鑄鐵有改進。
在一個具體實施方案中，鑄鐵包括2.5-3.0％的C；2.0-3.0％的Si；0.8-1.2％的Mn；0-0.1％的P；0.001-0.02％的S；1.7-3.0％的Cr；0.025-0.06％的Mg；0.15-0.4％的Mo；17.0-20.0％的Ni；和鑄鐵中的余量Fe。在一個具體實施方案中這種鑄鐵具有75％-100％的球化(spherodization)率，10-70μm的石墨尺寸，和0-5％的玻璃滲碳體的奧氏體結構。在另一個具體實施方案中這種鑄鐵含有2.4-2.7％的Si；0.001-0.02％的P；0.001-0.01％的S；和0.03-0.05％的Mg。在另一個具體實施方案中這種鑄鐵含有2.6-2.8％的C；0.9-1.1％的Mn；少于0.05％的P；少于0.01％的S；2.6-3.0％的Cr；0.2-0.3％的Mo；和17.0-19.0％的Ni。在另一個具體實施方案中這種鑄鐵含有2.6-2.8％的C；2.4-2.7％的Si；0.9-1.1％的Mn；少于0.05％的P；0.001-0.0l％的S；2.2-2.5％的Cr；0.03-0.05％的Mg；少于0.01％的S；和0.2-0.3％的Mo。
在另一個低鎳的具體實施方案中，上述每種鑄鐵配方中都含有約17.5％的Ni，即少于18％的Ni。在另一個具體實施方案中，上述每種鑄鐵配方基本上都不含銅和鋁。
優(yōu)選這種鑄鐵在700℃溫度下，具有至少10kgf/mm2的抗拉強度。更優(yōu)選這種鑄鐵在700℃溫度下具有至少15kgf/mm2的抗拉強度。優(yōu)選這種鑄鐵在800℃溫度下具有至少10kgf/mm2的抗拉強度。上述鑄鐵配方顯示，當在750℃的空氣中暴露50個小時，優(yōu)選每平方厘米少于約0.05毫克，更優(yōu)選少于約0.04毫克的金屬轉化為氧化物。
本發(fā)明也包括含有上述一種具體實施方案的鑄鐵材料的排氣歧管。例如排氣歧管可以至少部分由含有2.5-3.0％的C；2.0-3.0％的Si；0.8-1.2％的Mn；少于0.1％的P；少于0.02％的S；1.7-3.0％的Cr；0.025-0.06％的Mg；0.15-0.4％的Mo；17.0-20.0％的Ni；和余量鐵的鑄鐵材料制造。制造排氣歧管的這種鑄鐵材料在800℃溫度下有利地具有至少10kgf/mm2的抗拉強度。在一個具體實施方案中，制造排氣歧管的這種鑄鐵材料含有約17.5的Ni；約2.5％的Si；至少0.04％的Mg；少于0.05％的P；和少于0.01％的S。在另一個具體實施方案中，制造排氣歧管的這種鑄鐵材料含有約2.6％的碳，和基本上不含銅和鋁。
圖2表示本發(fā)明實施例和對比例的抗氧化性圖。
發(fā)明詳述本發(fā)明提供適用于排氣歧管的鑄鐵。在本發(fā)明的一個具體實施方案中的鑄鐵包括2.5-3.0％的C，例如2.6-2.8％的C；
2.0-3.0％的Si，例如2.4-2.7％的Si；0.8-1.2％的Mn，例如0.9-1.1％的Mn；0-0.1％的P，優(yōu)選少于0.05％，例如0.001-0.02％的P；0.001-0.02％的S，例如0.001-0.01％的S；1.7-3.0％的Cr，例如2.6-3.0％的Cr；0.025-0.06％的Mg，例如0.03-0.05％的Mg0.15-0.4％的Mo，例如0.2-0.3％的Mo；17.0-20.0％的Ni，例如18-19％的Ni；和鑄鐵中的余量Fe。
在一個具體實施方案中，本發(fā)明的材料基本不含銅，例如少于0.1％，優(yōu)選不含銅。在一個具體實施方案中，本發(fā)明的材料基本不含鋁，例如少于0.1％，優(yōu)選不含鋁。
本發(fā)明的鑄鐵在性能上顯示優(yōu)勢，例如高溫抗氧化性和高溫強度，所以適用于機動車的排氣歧管。鑄鐵具有奧氏體結構。不被理論所束縛，在鑄鐵元素中，認為Si、Mo、Cr和Ni對于改進高溫下的抗氧化性特別有效，使用的每種量對于產品的質量都有影響。
常規(guī)FCDs例如FCD-H具有鐵素體結構，在其中，典型地沒有Mo，并且Si的存在量是3.2-3.8％。在FCD-H中Si含量高于其它鑄鐵，我們認為它穩(wěn)定鐵素體結構并增加Al轉換溫度以抑制相轉變。所以，增加Si含量的高溫強度材料是有利的。
另一方面，現有技術的FCD-50含有限制的1.7-3.0％的Si和0.4-0.6％的不同于FCD-H的Mo。參見表1相關實施例FCD-50M的組成。
下面更進一步詳述，對于依據本發(fā)明鑄鐵組分的構成元素的含量，進行限定的原因。除非另有說明，所有組分是重量百分比。
Ni類似Cr，用于改進抗氧化性并保持高溫強度。Ni有益的添加量至少約15％，由于增加最終材料的價格，在某種程度上受到限制，并以例如約17％存在，優(yōu)選范圍是17.0-20.0％，例如約17.5％。
Si用作脫氧劑，對于改進強度和疲勞強度以及更進一步平衡強度和撓度有效。添加Si的范圍至少是1.7％，優(yōu)選2.0％-3.0％，例如約2.5％。
碳硬化與延伸率有關的結構并降低可塑性。較少的C含量是較好的。C含量的范圍例如低于約4％，但是更優(yōu)選限定的范圍是2.5-3.0％，例如約2.6％。
Mn通過在沒有熱處理的結構內部形成彌散體用于有效地改進強度。為防止降低耐蝕性和撓度，Mn的含量優(yōu)選限定在0.8-1.2％，例如約1％。
存在的元素P對鑄鐵的延伸率有不利影響。當其含量超過0.1％時，這種不利影響顯著惡化。所以，為保證延伸率，P含量限定在約0.1％或更少，例如低于約0.04％。
存在的元素S對于耐蝕性的不利影響是由于硫化合物的產生。當S含量超過0.02％，這種不利影響更加惡化。所以，需要其含量限定在盡可能少的程度。在本發(fā)明中，限定S含量低于0.02％，但是典型的存在量為約0.001-0.02％，優(yōu)選少于0.01％。
Mg元素對于減少熱擴散和制品質量有作用，因為氧化物的產生和延伸率的降低。而且，當其含量少于較低限定時，強度降低。Mg的添加量至少為0.025％，例如0.025-0.06％，例如約0.04％。
Mo元素對于改進高溫抗氧化性有效。Mo的添加量為0.15-0.4％，例如約0.3％。
元素Cr對于改進高溫抗氧化性有效。Cr的添加量為1.7-3.0％，例如約2.2％。在高鉻的具體實施方案中，金屬含有2.6-3.0％的Cr，例如約2.8％的Cr。
依據常規(guī)方法基本上可以生產和加工本發(fā)明的鑄鐵。
本發(fā)明者發(fā)現本發(fā)明的鑄鐵是奧氏體結構，含有至少75％，典型地至少85％，例如至少90％-100％的球化率；10到70μm石墨(顆粒)尺寸；和0-5％，例如0.01-2％的玻璃滲碳體。本發(fā)明的鑄鐵可以用在例如850℃溫度下，該溫度高于常規(guī)鑄鐵FCD-H(低于730℃)和FCD50-HS(750℃)的推薦使用溫度。
所以，本發(fā)明的鑄鐵可以代替常規(guī)用于排氣系統(tǒng)的材料，并提供良好的高溫耐熱性和抗氧化性，以便適用于機動車發(fā)動機的排氣歧管。
通過參考以下實施例將更容易地理解本發(fā)明。但是，這些實施例僅是舉例說明本發(fā)明，而不應認為限制本發(fā)明的保護范圍。實施例和對比例1-5為評價本發(fā)明鑄鐵和常規(guī)鑄鐵的性能，制備測試片，結果總結于表2中。測試前，加熱鑄鐵達到700±14℃和保持該溫度1小時。然后，在爐中降低溫度達到300℃，隨后空氣冷卻。對于所有樣品的測試條件是相同的。
依據常規(guī)方法測定的抗拉強度、屈服強度、測試片的延伸率和硬度示于表2。測試片的結構，包括球化率，石墨尺寸和板結構示于表3中，使用掃描電子顯微鏡的數據和使用公認方法定義。
表2
高溫強度測試通常在室溫下測定金屬的強度，但是對于排氣歧管來說，其實際的操作是在高溫下，高溫下的性能更重要。驚人的是，高溫性能與低溫性能相反，如下面的表4和

圖1所示。優(yōu)選鑄鐵材料具有，在操作溫度下，抗拉強度至少10kgf/mm2，更優(yōu)選至少15kgf/mm2。從表格數據可以看出，在操作溫度下，抗拉強度至少10kgf/mm2，更優(yōu)選至少15kgf/mm2。從表格數據可以看出，在600℃下，所有抗氧化鑄鐵包括本發(fā)明的鐵都滿足或超過優(yōu)選強度。在700℃下，除了現有技術的抗氧化鑄鐵之外所有的鑄鐵，和本發(fā)明的鐵都滿足至少10kgf/mm2的標準。但是，只有本發(fā)明的鑄鐵和對比例5(FCD-50-HS)，滿足至少15kgf/mm2的標準。在800℃下，只有本發(fā)明的鑄鐵和對比例5(FCD-50-HS)，滿足至少10kgf/mm2的標準。
表3
表4
在800℃和900℃之間插入的數據表示在850℃下，僅有本發(fā)明的鐵具有至少為10kgf/mm2的抗拉強度。
從表4和圖1可以清楚地看到，對比例1-5的測試片的抗拉強度在730℃-750℃溫度下至少為75Mpa。在該溫度下的強度不能保證具有令人滿意的用于機動車排氣系統(tǒng)的強度，該機動車排氣歧管的溫度可能達到850℃到900℃。室溫抗拉強度方面，本發(fā)明的測試片強度低于對比例1-5的那些測試片，但是在高溫強度方面，特別優(yōu)于它們。所以，就高溫強度來說，可以斷定本發(fā)明的鑄鐵適用于諸如排氣歧管的排氣設備元件部分。結構從表2可以看出，本發(fā)明的金屬結構基本上是奧氏體。常規(guī)抗氧化鑄鐵顯示鐵素體和珠光體結構。珠光體是介于鐵素體和滲碳體(鐵的碳化物)之間的奧氏體。高溫下抗氧化性測試本發(fā)明實施例和對比例1-5的棒測試樣品具有5mm的直徑和10mm的長度，在760℃的空氣中保溫200小時。形成的氧化物廢料經過噴砂清理而除掉以測定每50個小時每個單元表面積的重量改變。結果總結于表5和圖2中。
表5
從表5和圖1中可以清楚看出，對比例1(FCD50M)含有低含量的Si并不含Mo，從試驗開始，與對比例2-5相比較，顯示劣等抗氧化性。因為對比例1的氧化廢料太高，認為Si和Mo的含量會在高溫和高溫強度下影響抗氧化性。含有Ni元素的鑄鐵顯示良好的耐熱性和高溫抗氧性。有利地，當在760℃的空氣中暴露50小時，并也在760℃的空氣中暴露200小時并且每50小時清洗一次時，鑄鐵合金顯示少于約0.05，優(yōu)選少于約0.04毫克/平方米重量變化。本發(fā)明的鑄鐵顯示，當在760℃的空氣中暴露50小時，在每平方厘米約0.032-0.036毫克氧化物形成，當每50小時清洗一次，整個200小時，平均值為每平方厘米0.034毫克。對比例2-5顯示每平方厘米約0.035-0.07毫克氧化物形成，當每50小時清洗一次，整個200小時，平均值為每平方厘米0.055毫克的氧化物形成。例如，對比例5(FCD-50-HS)顯示每平方厘米約0.035-0.07毫克氧化物形成，當每50小時清洗一次，整個200小時，平均值為每平方厘米0.056毫克的氧化物形成。所以本發(fā)明的鑄鐵比任何現有技術的抗氧化鑄鐵顯示相當少的高溫腐蝕。
如上面的詳細論述，通過限量的Si、Mo和Ni制備本發(fā)明的鑄鐵，相對于常規(guī)鑄鐵在高溫下顯示優(yōu)良的耐熱性和抗氧化性。所以，適用于暴露在苛刻條件下的機動車排氣系統(tǒng)。
權利要求
1.一種用于排氣歧管的鑄鐵，該鑄鐵包括2.5-3.0重量％的C；2.0-3.0重量％的Si；0.8-1.2重量％的Mn；0-0.1重量％的P；0.001-0.02重量％的S；1.7-3.0重量％的Cr；0.025-0.06重量％的Mg；0.15-0.4重量％的Mo；17.0-20.0重量％的Ni；和鑄鐵中的余量Fe。
2.權利要求1的鑄鐵，其中所述鑄鐵具有奧氏體結構，該奧氏體結構具有75％-100％的球化(spherodization)率，10-70μm的石墨尺寸，和0-5％的玻璃滲碳體。
3.權利要求1的鑄鐵，其中所述鑄鐵包括2.4-2.7％的Si；0.001-0.02％的P；0.001-0.01％的S；和0.03-0.05％的Mg。
4.權利要求l的鑄鐵，其中所述鑄鐵包括2.6-2.8％的C；0.9-1.1％的Mn；少于0.05％的P；少于0.0l％的S；2.6-3.0％的Cr；0.2-0.3％的Mo；和17.0-19.0％的Ni。
5.權利要求2的鑄鐵，其中所述鑄鐵包括2.6-2.8％的C；2.4-2.7％的Si；0.9-1.1％的Mn；少于0.05％的P；0.001-0.01％的S；2.6-3.0％的Cr；0.03-0.05％的Mg；少于0.01％的S；和0.2-0.3％的Mo。
6.權利要求1的鑄鐵，其中所述鑄鐵包括約17.5％的Ni。
7.權利要求5的鑄鐵，其中所述鑄鐵包括約17.5％的Ni。
8.權利要求1的鑄鐵，其中所述鑄鐵基本上不含銅和鋁。
9.權利要求1的鑄鐵，其中所述鑄鐵在700℃溫度下具有至少10kgf/mm2的抗拉強度。
10.權利要求1的鑄鐵，其中所述鑄鐵在700℃溫度下具有至少15kgf/mm2的抗拉強度。
11.權利要求1的鑄鐵，其中所述鑄鐵在800℃溫度下具有至少10kgf/mm2的抗拉強度。
12.權利要求1的鑄鐵，其中所述當在760℃的空氣中暴露50個小時，鑄鐵顯示每平方厘米少于約0.05毫克的金屬轉化為氧化物。
13.權利要求1的鑄鐵，其中所述鑄鐵在800℃溫度下具有至少75Mpa的抗拉強度。
14.權利要求1的鑄鐵，其中所述當在760℃的空氣中暴露50個小時，鑄鐵顯示每平方厘米少于約0.04毫克的金屬轉化為氧化物。
15.一種含有權利要求1所述的鑄鐵材料的排氣歧管。
16.一種含有權利要求3所述的鑄鐵材料的排氣歧管。
17.一種含有權利要求5所述的鑄鐵材料的排氣歧管。
18.一種包含鑄鐵材料的排氣歧管，該鑄鐵材料與適用于運輸廢氣或外部空氣或兩者的通道相接觸，所述鑄鐵材料含有2.5-3.0％的C；2.0-3.0％的Si；0.8-1.2％的Mn；少于0.1％的P；少于0.02％的S；1.7-3.0％的Cr；0.025-0.06％的Mg；0.15-0.4％的Mo；17.0-20.0％的Ni；和余量的鐵，其中所述鑄鐵在800℃溫度下具有至少10kgf/mm2的抗拉強度。
19.權利要求18的排氣歧管，其中所述鑄鐵材料包括約17.5％的Ni；約2.5％的Si；至少0.04％的Mg；少于0.05％的P；和少于0.01％的S。
20.權利要求19的排氣歧管，其中所述鑄鐵材料包括約2.5％的Cr，并且基本上不含銅和鋁。
全文摘要
一種以鐵作為主要組分的鐵鑄件，包括C、Si、Mn、Cr、Mo和Ni，其中所述鑄鐵在高溫下提供良好的耐熱性和抗氧化性。鑄鐵有利地含有2.5－3.0％的C；2.0－3.0％的Si；0.8－1.2％的Mn；1.7－3.0％的Cr；0.025－0.06％的Mg；0.15－0.4％的Mo；和17.0－20.0％的Ni；但是少于0.1％的P；和少于0.02％的S。該鑄鐵適用于非常苛刻的高溫條件下，并且能夠用于歧管溫度達到850℃的發(fā)動機的排氣歧管。
文檔編號C22C37/08GK1428451SQ0215672
公開日2003年7月9日 申請日期2002年12月12日 優(yōu)先權日2001年12月27日
發(fā)明者金學珍 申請人:現代自動車株式會社