奧氏體耐熱鑄鋼及其制造方法
【專利說明】奧氏體耐熱鑄鋼及其制造方法
[0001] 發(fā)明背景 1.發(fā)明領(lǐng)域
[0002] 本發(fā)明涉及奧氏體耐熱鑄鋼，特別是熱疲勞特征優(yōu)異的奧氏體耐熱鑄鋼。
[0003] 2.現(xiàn)有技術(shù)描述
[0004] 奧氏體耐熱鑄鋼已被用于車輛的排氣系統(tǒng)部件等，例如排氣集管、渦輪殼體等。這 類組件暴露于高溫和嚴(yán)苛使用環(huán)境下。為使組件具有優(yōu)異的熱疲勞特征，認(rèn)為需要高溫強(qiáng) 度特征和從室溫至高溫的韌性是優(yōu)異的。
[0005] 從這一角度，例如日本專利申請(qǐng)公開No. 07-228950(JP07-228950A)建議了包含 0. 2-0. 6質(zhì)量％的C、2質(zhì)量％或更少的Si、2質(zhì)量％或更少的Mn、8-20質(zhì)量％ Ni、15-30質(zhì) 量％ Cr、0. 2-1質(zhì)量％ Nb、1-6質(zhì)量％ W、0. 01-0. 3質(zhì)量％ N以及余量Fe和不可避免的雜質(zhì) 的奧氏體耐熱鑄鋼。這類耐熱鑄鋼以這樣的方式得到：將通過將包含上述組分的材料作為 原料熔融而得到的熔融金屬在1000°C和2小時(shí)的加熱條件下熱處理以除去鑄造以后的殘 余應(yīng)力。
[0006] 另外，日本專利申請(qǐng)公開No. 06-256908(JP06-256908A)建議了具有由 0. 20-0. 60質(zhì)量％的C、2. 0質(zhì)量％或更少的Si、1. 0質(zhì)量％或更少的Mn、4. 0-6. 0質(zhì)量％的 Ni、20. 0-30. 0質(zhì)量％ 的 Cr、1. 0-5. 0質(zhì)量％ 的 W、0. 2-1. 0質(zhì)量％ 的 Nb、0. 05-0. 2質(zhì)量％ 的 N以及余量Fe和不可避免的雜質(zhì)構(gòu)成的組成的耐熱鑄鋼。耐熱鑄鋼具有20-95%奧氏體相 和剩余鐵素體相的兩相結(jié)構(gòu)。
[0007] 然而，由于JP07-228950A中所述的奧氏體耐熱鑄鋼在結(jié)構(gòu)的大部分中包含奧氏 體晶粒，盡管在高溫下的拉伸強(qiáng)度高，但因?yàn)檫^度包含奧氏體晶粒，熱膨脹系數(shù)大且熱疲勞 特征不足。
[0008] 另一方面，由于JP06-256908A中所述的耐熱鑄鋼是奧氏體相和鐵素體相的兩相 耐熱鑄鋼，因此由如上所述奧氏體晶粒導(dǎo)致的熱膨脹可被降低。然而，鐵素體相本身作為晶 粒存在于結(jié)構(gòu)中。因此，由于比奧氏體晶粒更軟的鐵素體晶粒，高溫下的拉伸強(qiáng)度不高。因 此，盡管JP06-256908A中所述的耐熱鑄鋼抑制熱膨脹，高溫下的拉伸強(qiáng)度小于常規(guī)奧氏 體耐熱鑄鋼，因此，熱疲勞特征不足。
[0009] 發(fā)明概述
[0010] 本發(fā)明提供可通過抑制熱膨脹同時(shí)保持高溫下的拉伸強(qiáng)度而改進(jìn)熱疲勞特征的 奧氏體耐熱鑄鋼及其制造方法。
[0011] 本發(fā)明的發(fā)明人進(jìn)行了許多實(shí)驗(yàn)和研究，認(rèn)為重要的是由于奧氏體晶粒確保奧氏 體耐熱鑄鋼在高溫下的拉伸強(qiáng)度并通過鐵素體相抑制奧氏體耐熱鑄鋼的熱膨脹。具體而 言，新發(fā)現(xiàn)用奧氏體晶粒作為基體結(jié)構(gòu)，通過不使鐵素體相圍繞奧氏體晶粒結(jié)晶（不是均 勻地布置），而是通過使細(xì)鐵素體相插在奧氏體晶粒之間，可在高溫下保持奧氏體耐熱鑄鋼 的拉伸強(qiáng)度。
[0012] 本發(fā)明基于本發(fā)明發(fā)明人的新發(fā)現(xiàn)。本發(fā)明第一方面涉及包含0. 1-0.6質(zhì)量％的 C、1. 0-3. 0質(zhì)量％的Si、0. 5-1. 5質(zhì)量％的Mn、0. 05質(zhì)量％或更少的P、0. 05-0. 3質(zhì)量％的 S、14-20質(zhì)量％的Cr、9-16質(zhì)量％的Ni、0. 1-0. 2質(zhì)量％的N以及余量Fe和不可避免的雜 質(zhì)的奧氏體耐熱鑄鋼。奧氏體耐熱鑄鋼的基體結(jié)構(gòu)由奧氏體晶粒構(gòu)成，且鐵素體相分散并 介于奧氏體晶粒之間以覆蓋奧氏體晶粒。
[0013] 本發(fā)明奧氏體耐熱鑄鋼的基本組分為鐵（Fe)基奧氏體耐熱鑄鋼，當(dāng)其總量設(shè)置 為100質(zhì)量％ (下文簡稱為"％"）時(shí)，包含上述范圍內(nèi)的上述組分碳（C)、硅（Si)、錳（Mn)、 磷（P)、硫（S)、鉻（Cr)、鎳（Ni)和氮（N)。由于基體結(jié)構(gòu)由奧氏體晶粒構(gòu)成且鐵素體相分 散并介于奧氏體晶粒之間以覆蓋奧氏體晶粒，同時(shí)通過抑制熱膨脹而抑制奧氏體耐熱鑄鋼 在高溫期間的拉伸強(qiáng)度，可改進(jìn)熱疲勞特征。
[0014] 即，鐵素體相本身不作為晶粒存在于結(jié)構(gòu)中，而是分散使得鐵素體相覆蓋奧氏體 晶粒。因此，由于奧氏體晶粒本身，奧氏體耐熱鑄鋼在高溫期間的拉伸強(qiáng)度可改進(jìn)。另外， 由于鐵素體相本身具有比奧氏體相小的熱膨脹系數(shù)，可抑制奧氏體耐熱鑄鋼的熱膨脹。作 為這樣的結(jié)果，奧氏體耐熱鑄鋼的熱疲勞特征與以往相比顯著地改進(jìn)。
[0015] 本發(fā)明第二方面涉及包含0. 1-0. 6質(zhì)量％的C、l. 0-3. 0質(zhì)量％的Si、0. 5-1. 5質(zhì) 量％的Mn、0. 05質(zhì)量％或更少的P、0. 05-0. 3質(zhì)量％的S、14-20質(zhì)量％的Cr、9-16質(zhì)量％ 的Ni、0. 1-0. 2質(zhì)量％的N、l. 0-3. 0質(zhì)量％的Cu以及余量Fe和不可避免的雜質(zhì)的奧氏體 耐熱鑄鋼。奧氏體耐熱鑄鋼的基體結(jié)構(gòu)由奧氏體晶粒構(gòu)成且鐵素體相分散并介于奧氏體晶 粒之間以覆蓋奧氏體晶粒。當(dāng)奧氏體耐熱鑄鋼進(jìn)一步包含上述范圍內(nèi)的銅（Cu)時(shí)，Cu溶 于奧氏體晶粒中。因此，可進(jìn)一步改進(jìn)奧氏體耐熱鑄鋼的拉伸強(qiáng)度。作為這樣的結(jié)果，可進(jìn) 一步改進(jìn)奧氏體耐熱鑄鋼的熱疲勞特征。
[0016] 現(xiàn)在，當(dāng)Cu含量小于1質(zhì)量％時(shí)，不能以所述程度預(yù)期由于引入Cu而改進(jìn)奧氏體 耐熱鑄鋼的拉伸強(qiáng)度。另一方面，當(dāng)Cu含量超過3質(zhì)量％時(shí)，不僅不能預(yù)期奧氏體耐熱鑄 鋼的拉伸強(qiáng)度改進(jìn)更多，而且奧氏體耐熱鑄鋼的熱膨脹急劇提高。作為這樣的結(jié)果，與不包 含Cu的奧氏體耐熱鑄鋼相比，奧氏體耐熱鑄鋼的熱疲勞特征可能容易劣化。
[0017] 鐵素體相的面積比相對(duì)于奧氏體耐熱鑄鋼的總結(jié)構(gòu)可以在1-10%范圍內(nèi)。從下文 所述本發(fā)明發(fā)明人的實(shí)驗(yàn)中也獲悉，當(dāng)鐵素體相以該面積比被包含時(shí)，奧氏體耐熱鑄鋼的 熱疲勞特征可能更加確定地比以往改進(jìn)更多。
[0018] 即，當(dāng)鐵素體相的面積比相對(duì)于奧氏體耐熱鑄鋼的總結(jié)構(gòu)小于1%時(shí)，奧氏體耐熱 鑄鋼的熱膨脹變得更大。作為這樣的結(jié)果，奧氏體耐熱鑄鋼的熱疲勞特征可能劣化。
[0019] 另一方面，當(dāng)鐵素體相的面積比相對(duì)于奧氏體耐熱鑄鋼的總結(jié)構(gòu)超過10%時(shí)，鐵 素體相傾向于作為晶粒存在于結(jié)構(gòu)中。作為這樣的結(jié)果，奧氏體耐熱鑄鋼的拉伸強(qiáng)度在高 溫期間降低，且奧氏體耐熱鑄鋼的熱疲勞特征可能劣化。
[0020] 本發(fā)明第三方面涉及制造奧氏體耐熱鑄鋼的方法。該方法包括，鑄造步驟：由包含 0. 1-0. 6質(zhì)量％的C、l. 0-3. 0質(zhì)量％的Si、0. 5-1. 5質(zhì)量％的Mn、0. 05質(zhì)量％或更少的P、 0? 05-0. 3質(zhì)量％的S、14-20質(zhì)量％的Cr、9-16質(zhì)量％的Ni、0. 1-0. 2質(zhì)量％的N以及余量 Fe和不可避免的雜質(zhì)的熔融金屬鑄造鑄鋼；和熱處理步驟：將鑄鋼在700°C至800°C的加熱 溫度和20-300小時(shí)的加熱時(shí)間的加熱條件下熱處理。
[0021] 根據(jù)本發(fā)明，在鑄造步驟中，當(dāng)以作為奧氏體耐熱鑄鋼的基礎(chǔ)組分的鐵（Fe)作為 基礎(chǔ)，總量設(shè)置為100質(zhì)量％ (下文簡稱為" ％ "加入上述范圍內(nèi)的上述組分碳（C)、硅 (Si)、錳（Mn)、磷（P)、硫（S)、鉻（Cr)、鎳（Ni)和氮（N)時(shí)，將混合物熔融并制備熔融金屬。 當(dāng)將熔融金屬澆鑄到指定模具等中并冷卻時(shí)，可由熔融金屬鑄造鑄鋼。
[0022] 接著，在熱處理步驟中，在上述熱處理?xiàng)l件下對(duì)鑄鋼應(yīng)用熱處理。因此，可得到其 中基體結(jié)構(gòu)由奧氏體晶粒構(gòu)成且鐵素體相分散并介于奧氏體晶粒之間以覆蓋奧氏體晶粒 的結(jié)構(gòu)。另外，鐵素體相的面積比相對(duì)于奧氏體耐熱鑄鋼的總結(jié)構(gòu)為1-10%。
[0023] 作為這樣的結(jié)果，可得到奧氏體耐熱鑄鋼結(jié)構(gòu)。因此，當(dāng)通過抑制熱膨脹保持奧氏 體耐熱鑄鋼在高溫期間的拉伸強(qiáng)度時(shí)，可改進(jìn)熱疲勞特征。
[0024] 本發(fā)明第四方面涉及制造奧氏體耐熱鑄鋼的方法。該方法包括：鑄造步驟：由 0. 1-0. 6質(zhì)量％的C、l. 0-3. 0質(zhì)量％的Si、0. 5-1. 5質(zhì)量％的Mn、0. 05質(zhì)量％或更少的P、 0? 05-0. 3 質(zhì)量％ 的 S、14-20 質(zhì)量％ 的 Cr、9-16 質(zhì)量％ 的 Ni、0. 1-0. 2 質(zhì)量％ 的 N、1. 0-3. 0 質(zhì)量％的&1以及余量Fe和不可避免的雜質(zhì)組成的熔融金屬鑄造鑄鋼，和熱處理步驟：將鑄 鋼在700°C至800°C的加熱溫度和20-300小時(shí)的加熱時(shí)間的加熱條件下熱處理。當(dāng)上述范 圍內(nèi)的銅（Cu)進(jìn)一步加入熔融金屬中時(shí)，Cu溶于奧氏體晶粒中。因此，可進(jìn)一步提高奧氏 體耐熱鑄鋼的拉伸