一種具有優(yōu)異高溫綜合性能的耐熱鑄造奧氏體不銹鋼的制作方法
【技術(shù)領域】
[0001] 本發(fā)明屬于新材料技術(shù)領域，涉及一種具有優(yōu)異高溫綜合性能的耐熱鑄造奧氏體 不銹鋼，主要應用于排氣溫度超過KKKTC的汽車發(fā)動機排氣系統(tǒng)部件，包括排氣歧管、渦輪 殼等。
【背景技術(shù)】
[0002] 汽車排放的尾氣是城市大氣污染的重要污染源之一。近年我國霧霾天氣頻頻出 現(xiàn)，政府已不能再忍耐全國到處霧霾的環(huán)保壓力。從2011年7月1日起，凡不滿足國四標 準要求的輕型汽油車、單一氣體燃料車及兩用燃料車，不得銷售和注冊登記。從2015年1 月1日起，國三柴油車產(chǎn)品將不得銷售。2013年年初，中國國務院辦公廳發(fā)布的《關(guān)于加強 內(nèi)燃機工業(yè)節(jié)能減排的意見》指出，到2015年，節(jié)能型內(nèi)燃機產(chǎn)品須占全社會內(nèi)燃機產(chǎn)品保 有量的60 %，與2010年相比，內(nèi)燃機燃油消耗率降低6%?10 %，實現(xiàn)節(jié)約商品燃油2000 萬噸，減少〇)2排放6200萬噸，減少N0，排放10%，采用替代燃料節(jié)約商品燃油1500萬噸。 渦輪增壓技術(shù)是可以達到全球各國政府所制定的汽車排放標準的重要技術(shù)手段。渦輪增壓 器利用發(fā)動機的排放廢氣流推動渦輪機葉輪高速旋轉(zhuǎn)，同時帶動壓氣機葉輪高速旋轉(zhuǎn)，使 通過壓氣機的空氣速度和壓力增大，進而提高發(fā)動機空燃比。渦輪增壓是一項提升引擎性 能和降低車輛能耗和排放的關(guān)鍵技術(shù)，具備的優(yōu)勢有：1.燃油效率更高。與同等規(guī)格的自 然吸氣式汽油發(fā)動機相比，渦輪增壓汽油發(fā)動機的燃油效率可提高達20%。而與自然吸氣 式發(fā)動機相比，同等額定功率的渦輪增壓柴油發(fā)動機的燃油效率可提高達40%。2.性能更 優(yōu)。渦輪增壓大幅提高發(fā)動機的功率和扭矩，提升車輛響應速度和安全性能。3.更清潔、更 環(huán)保。渦輪增壓發(fā)動機能夠利用來自發(fā)動機的排放尾氣，使發(fā)動機燃燒更清潔，并在不損害 性能的前提下縮小發(fā)動機尺寸，同時降低〇) 2和NO x的排放量。
[0003] 渦輪增壓器的使用，雖然可以提高燃油效率，降低C02排放，但同時也提高了尾氣 排氣溫度。相較傳統(tǒng)自然吸氣式發(fā)動機，渦輪增壓汽油發(fā)動機的排氣溫度從850°C升高至 1050°C，而部件本身溫度可以被加熱到950?KKKTC。渦輪增壓器的服役環(huán)境概括起來，主 要包括：（1)啟動、熄火及變速運行階段溫度驟升驟降；（2)穩(wěn)態(tài)運行階段長時高溫熱暴露； (3) 腐蝕、氧化性氣氛。排氣系統(tǒng)部件將在此高溫范圍內(nèi)長期熱暴露于氧化性氣體和大氣 中，并經(jīng)受發(fā)動機的運轉(zhuǎn)及停止造成的反復冷熱循環(huán)。因此，排氣系統(tǒng)部件必須具有更高的 承溫能力和耐久性能，并在相應溫度下具有較長的服役壽命。
[0004] 傳統(tǒng)的發(fā)動機排氣系統(tǒng)部件都是由耐熱鑄鐵或耐熱鑄造鐵素體不銹鋼制造的。雖 然耐熱鑄鐵在低于900°c時表現(xiàn)出相對較高的強度，但當溫度高于900°C時，這些材料的抗 氧化和熱開裂能力下降，表現(xiàn)出耐高溫能力不足。而耐熱鑄造鐵素體不銹鋼在溫度超過 950°C時強度亦下降格外明顯。這些傳統(tǒng)材料已無法滿足采用渦輪增壓技術(shù)后提高了的性 能要求。鎳基高溫合金具有非常優(yōu)異的高溫力學性能，廣泛應用于航空工業(yè)，如飛機發(fā)動機 的渦輪葉片等，但鎳基材料的成本相對高昂，無法廣泛應用于汽車發(fā)動機及其排氣系統(tǒng)部 件。因此，設計、開發(fā)用于制造新型發(fā)動機排氣系統(tǒng)部件的低成本材料變得迫在眉睫。耐熱 鑄造奧氏體不銹鋼在高溫服役條件下，其力學性能明顯優(yōu)于耐熱鑄造鐵素體不銹鋼，且成 本遠低于鎳基高溫合金材料。采用鑄造工藝，無需預先固溶、時效等熱處理工藝，可以進一 步降低制造成本。因此，耐熱鑄造奧氏體不銹鋼可以作為新材料設計、開發(fā)的首選材料。
[0005] 目前，美國橡樹嶺國家實驗室與卡特彼勒技術(shù)中心聯(lián)合開發(fā)了一種新型耐熱鑄 造奧氏體不銹鋼CF8C-Plus(美國專利，專利號US7153373B2,公開日2006年12月26日， 專利名稱Heat and corrosion resistant cast CF8C stainless steel with improved high temperature strength and ductility)。該鑄鋼鎮(zhèn)含量低于 15% (質(zhì)量分數(shù)），具 有較低的生產(chǎn)成本；并且在700?850°C具有較高的高溫服役性能，尤其是優(yōu)異的抗高溫 蠕變性能，因而成功應用于柴油發(fā)動機的排氣歧管。但汽油發(fā)動機的排氣溫度普遍比柴油 發(fā)動機高約200°C，因而CFSC-Plus尚不能安全可靠地應用于汽油發(fā)動機排氣系統(tǒng)部件。 同時，日本日立金屬集團開發(fā)了一種高鉻高鎳耐熱鑄造奧氏體不銹鋼（美國專利，專利號 US8241558B2,公開日 2012 年 08 月 14 日，專利名稱 High-Cr，high-Ni, heat-resistant, au stenitic cast steel and exhaust equipment members formed thereby ；中國專利，專 利號CN100537814C，專利名稱《高Cr高Ni奧氏體系耐熱鑄鋼及由其構(gòu)成的排氣系統(tǒng)零件》， 公開日2009年09月09日），具有較高的高溫服役性能，尤其是熱疲勞性能，能夠滿足排氣 溫度超過l〇〇〇°C的服役要求。但該鑄鋼的Ni含量超過20% (質(zhì)量分數(shù)），因而其生產(chǎn)成本 較高，不適宜在節(jié)能減排而又經(jīng)濟型的汽車發(fā)動機上使用。
[0006] 因此，通過添加微量合金元素并嚴格控制Ni含量，設計、開發(fā)一種低成本高性能 的耐熱鑄造奧氏體不銹鋼是十分必要的。新材料應該具備良好的高溫力學性能、抗氧化性 能、室溫塑性等綜合性能。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 本發(fā)明的目的在于提供一種高溫綜合性能優(yōu)良，而且金屬Ni含量少、經(jīng)濟性高的 耐熱鑄造奧氏體不銹鋼。該鑄鋼的高溫綜合性能涵蓋高溫屈服強度、抗蠕變性能、抗高溫氧 化性能、抗熱疲勞性能等高溫性能及室溫塑性、室溫低周疲勞等室溫性能。該鑄鋼主要應用 于排氣溫度超過KKKTC的汽車發(fā)動機排氣系統(tǒng)部件，包括排氣歧管、渦輪殼等。
[0008] 美國專利US7153373B2所述的20Cr-10Ni系耐熱鑄造奧氏體不銹鋼，雖然無法滿 足排氣溫度超過1000°C的服役條件，但價格相對較貴的金屬元素Ni含量較少；而美國專利 US8241558B2所述的25Cr-20Ni系耐熱鑄造奧氏體不銹鋼，雖然在排氣溫度超過KKKTC的 條件下耐熱性、耐久性能較為優(yōu)良，但金屬Ni含量較多。因此，本發(fā)明人通過調(diào)整合金元素 的種類和組成范圍，以20Cr-10Ni系耐熱鑄造奧氏體不銹鋼為基礎，研究降低對耐熱性、耐 久性有益作用的金屬Ni含量時能否獲得與25Cr-20Ni系相當?shù)某袦啬芰湍途眯阅堋?br>[0009] 由前期實驗結(jié)果可知，添加非金屬元素N，則即使是金屬Ni含量少的20Cr_10Ni系 也可以得到穩(wěn)定的單相奧氏體基體組織，而且與Nb結(jié)合形成的析出相可以起到沉淀強化 作用，相對明顯地提高高溫蠕變和熱疲勞等力學性能。但大量N的添加，會促進Cr 23C6、Cr2N 等富Cr碳氮化物的析出，使得奧氏體基體貧Cr，進而降低抗氧化性能。因此，本發(fā)明人為了 找出具有最佳耐熱和耐久性能的鑄鋼成分組成范圍，進行了深入廣泛的研究，得出以下新 見解：（1)為了確?；镜哪蜔嵝阅?，如高溫強度、耐氧化性能，在增加N含量的同時，將C、 Si、Mn、Cr、Ni等主要合金元素的含量各自限制在適當范圍內(nèi)；（2)為了保證充分的Nb(C，N) 析出相的沉淀和彌散強化作用，添加了比傳統(tǒng)鍛造不銹鋼高得多的Nb，并限制在適當范圍 內(nèi)；（3)為了提高高溫蠕變壽命和熱疲勞壽命，在特定的情況下含有W和/或Mo; (4)為了 在增加N的同時，控制微觀組織和析出相的含量，不僅規(guī)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)的總量。
[0010] 本發(fā)明可通過如下技術(shù)方案實現(xiàn)：
[0011] 本發(fā)明的一種具有優(yōu)異高溫綜合性能的耐熱鑄造奧氏體不銹鋼，其化學成分按照 質(zhì)量分數(shù)計算為 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，剩余為基體元素Fe及雜質(zhì)元素P :0. 04%以下、S :0. 03%以下、0 :0. 04%以下、A1 : 0. 05%以下。
[0012] 進一步地，所述的具有優(yōu)異高溫綜合性能的耐熱鑄造奧氏體不銹鋼，其特征成分 按照質(zhì)量分數(shù)計算為 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%，剩余為基體元