奧氏體球墨鑄鐵合金組合物及由其制備的制品的制作方法
【專利說明】
[0001] 本申請(qǐng)是一項(xiàng)發(fā)明專利申請(qǐng)的分案申請(qǐng)，其母案的申請(qǐng)日為2011年1月13日、申 請(qǐng)?zhí)枮?01110006508. 9、發(fā)明名稱為"奧氏體球墨鑄鐵"。
技術(shù)領(lǐng)域
[0002] 本發(fā)明涉及可用于制備用于其中需要高耐熱性的應(yīng)用中的制品的合金組合物。該 合金組合物特別是鐵基合金。
【背景技術(shù)】
[0003] 奧氏體球墨鑄鐵是公知的且已經(jīng)在需要具有特定的化學(xué)、機(jī)械和物理性質(zhì)的材料 的廣泛應(yīng)用范圍內(nèi)使用多年。球墨鑄鐵是通過適當(dāng)?shù)娜廴诮饘偬幚碇苽涞陌曰旧蠟?球形顆粒形式的石墨的鑄鐵。球形石墨具有多晶輻射狀結(jié)構(gòu)。在文獻(xiàn)中限定有多種不同的 奧氏體球墨鑄鐵類型。奧氏體球墨鑄鐵的類型是部分基于其化學(xué)組成而限定的，其化學(xué)組 成包括各種量的鐵、鎳、硅和碳以及，在一些鐵類型中，其他元素例如錳、磷、鉻和鉬。這些后 面的元素可能是有意添加的或者可能作為不可避免的雜質(zhì)存在。該奧氏體球墨鑄鐵的類型 進(jìn)一步基于其不同的機(jī)械性質(zhì)（即拉伸強(qiáng)度、屈服應(yīng)力、伸長(zhǎng)率和Brinell硬度）的水平而 限定的。通常，奧氏體球墨鑄鐵典型地具有良好的抗腐蝕、抗侵蝕和耐磨損性質(zhì)；在高溫時(shí) 具有良好的強(qiáng)度、延展性和抗氧化性；韌性和低溫穩(wěn)定性；受控的熱膨脹；受控的磁和電性 質(zhì)；和良好的可鑄造型和機(jī)械加工性。然而，這些質(zhì)量根據(jù)該奧氏體球墨鑄鐵的類型而不 同，因此在某些應(yīng)用中特定的類型比其他更適用。
[0004] 奧氏體球墨鑄鐵通常用于發(fā)動(dòng)機(jī)部件中，例如廢氣歧管、渦輪外殼和其他必須在 高熱應(yīng)力下操作的結(jié)構(gòu)部件。通過提高發(fā)動(dòng)機(jī)功率和燃燒溫度已經(jīng)滿足了改進(jìn)燃料效率和 減少來自汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的廢氣的需求。由于必須通過結(jié)構(gòu)發(fā)動(dòng)機(jī)部件的廢氣溫度的升高，這 些提高對(duì)結(jié)構(gòu)發(fā)動(dòng)機(jī)部件施加了更大的應(yīng)變。特別地，用于構(gòu)造所述發(fā)動(dòng)機(jī)部件的材料必 須具有高的耐溫性、好的抗溫度波動(dòng)性，高的抗剝落性和低的溫度膨脹系數(shù)。
[0005] 發(fā)動(dòng)機(jī)部件必須操作的升高的溫度導(dǎo)致能夠用于構(gòu)造這類發(fā)動(dòng)機(jī)部件的材料的 范圍更加受限。最通常用于鑄造結(jié)構(gòu)發(fā)動(dòng)機(jī)部件的奧氏體球墨鑄鐵是D-5S奧氏體球墨鑄 鐵。特別地，D-5S鑄鐵通常用于其中發(fā)生高溫和劇烈的熱循環(huán)的發(fā)動(dòng)機(jī)歧管、渦輪外殼和 渦輪增壓機(jī)部件。根據(jù)廣泛接受的標(biāo)準(zhǔn)（ASTM A439)，D-5S包括2. 3%碳、1 %錳、4. 9-5. 5% 硅、1. 75-2. 25%鉻、34-37%鎳、0. 08%磷，余量為鐵。該合金在室溫時(shí)具有好的伸長(zhǎng)率和屈 服強(qiáng)度、好的可鑄造性和在高達(dá)約900°C的廢氣溫度時(shí)具有較好的高溫屈服強(qiáng)度。
[0006] D-5S是高度合金化的，通常包含約36%的鎳。鎳是昂貴的原料，受到大的價(jià)格波 動(dòng)，其價(jià)格已經(jīng)變得越來越反復(fù)無(wú)常。鎳的高成本直接影響了最終產(chǎn)品的成本。因?yàn)闇u輪 增壓機(jī)的渦輪增壓機(jī)外殼以及特別是渦輪外殼占據(jù)最大的重量，所以也占據(jù)整個(gè)渦輪增壓 機(jī)的最大成本。因此，最終產(chǎn)品的成本必須大大提高以消化鎳的高成本。
[0007] 因此，制備用于這類結(jié)構(gòu)部件中的、能夠耐受由現(xiàn)代發(fā)動(dòng)機(jī)所需的高溫并同時(shí)將 鎳的含量最小化以保持低的和更可預(yù)測(cè)的成本的可替代合金將會(huì)是有利的。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008] 本發(fā)明提供了可用于制備具有高性能性質(zhì)（特別是高強(qiáng)度和耐熱性）的制品的合 金組合物。本發(fā)明的合金特別有用，因?yàn)槠淠軌蚴褂帽饶壳耙阎膴W氏體球墨鑄鐵更低成 本的材料制備。此處公開的本發(fā)明的合金特別是奧氏體球墨鑄鐵鐵基合金，其包括經(jīng)設(shè)計(jì) 以保持所提到的優(yōu)選性質(zhì)但具有較低的制備成本的特定的元素組成。
[0009] 依照本發(fā)明的合金能夠用于制備任何金屬性制品（metallic article)，但其特別 適用于制備具有高性能規(guī)格的材料，尤其是與強(qiáng)度和耐熱性有關(guān)的。本發(fā)明的合金特別有 利的一個(gè)領(lǐng)域是制備發(fā)動(dòng)機(jī)構(gòu)件，例如渦輪外殼、廢氣歧管和與渦輪增壓機(jī)外殼整體鑄造 的廢氣歧管。
[0010] 在一方面，本發(fā)明涉及鑄鐵合金組合物，優(yōu)選是鐵基組合物。在本發(fā)明的特別實(shí)施 方案中，該合金組合物中僅一些特定的元素需要以特定量存在以使該合金組合物可用于制 備具有如此處所述有用的物理性質(zhì)的制品。例如，在一種實(shí)施方案中，依照本發(fā)明的合金 組合物包括：約2. 2wt % ~約2. 4wt %的碳；約3. 5wt % ~約4. Owt %的娃；約28wt % ~約 29wt%的鎳；約2. 5wt% ~約3. Owt%的絡(luò)；約0. 9wt% ~約I. lwt%的鉬；和大于約50%的 鐵，其中該合金基本上不含錫和銻，上述重量百分比是基于該合金組合物的總重量的。
[0011] 依照進(jìn)一步的實(shí)施方案，本發(fā)明的合金能夠包括一種或多種其他元素。特別地，依 照本發(fā)明的合金除了包括上述元素之外，還可以包括約0. 035% ~約0. 090%的鎂。在進(jìn)一 步的實(shí)施方案中，該合金可以包括一種或多種非必要的痕量元素，包括但不局限于：不超過 約0. 10 %的錳；不超過約0. 08 %的磷；和/或不超過約0. 03 %的硫，所有都基于該組合物 的總重量。在另外的實(shí)施方案中，本發(fā)明的合金可以進(jìn)一步包括一種或多種其他痕量元素， 基于該組合物的總重量，每一種以不超過約0. 03wt%的量存在，痕量元素的總量不超過約 0. 5wt%，更優(yōu)選不超過約0. 25wt%，更優(yōu)選不超過約0. 15wt%。
[0012] 在本發(fā)明的其他實(shí)施方案中，有利地是本發(fā)明的合金組合物具有特別限定的 組成。例如，在一種特別的實(shí)施方案中，本發(fā)明涉及由以下構(gòu)成的鑄鐵合金組合物：約 2. 2wt % ~ 約 2. 4wt % 的碳、約 3. 5wt % ~ 約 4. Owt % 的娃、約 28wt % ~ 約 29wt % 的鎮(zhèn)、約 2. 5wt% ~ 約 3. Owt% 的絡(luò)、約 0· 9wt% ~ 約 I. lwt% 的鉬、約 0· 035wt% ~ 約 0· 090wt% 的 鎂，余量包括鐵和不可避免的雜質(zhì)。
[0013] 在優(yōu)選實(shí)施方案中，該合金的碳當(dāng)量在約4%~約5%的范圍，優(yōu)選在約4. 5 % ~約 4. 9%范圍，其中該碳當(dāng)量是由以下方程確定的： Ce = Ct + 0.33 X Si + 0.047 X Ni - 0. 0055 (Ni + Si)； 其中C6表示碳當(dāng)量；C t表示碳在該合金中的重量百分比；Si表示娃在該合金中的重量 百分比；Ni表示鎳在該合金中的重量百分比，以及其中重量百分比都是基于該組合物的總 重量的。
[0014] 在一些實(shí)施方案中，本發(fā)明的鑄鐵合金具有石墨是基本上球形的奧氏體結(jié)構(gòu)，依 照ASTM A 247的Form I和II石墨的總含量在約80%或更大的水平或在約85%或更大的 水平。在優(yōu)選實(shí)施方案中，該Form I和II石墨總量的至少約80%或至少約85%包括Form Io
[0015] 依照本發(fā)明的另一方面，此處所述合金組合物能夠用于制備多種制品。該合金組 合物能夠用于制備通常由奧氏體球墨鑄鐵合金制備的任意制品。本發(fā)明的合金特別適用于 制備用于其中需要耐受高的熱-機(jī)械負(fù)荷的能力的應(yīng)用中的制品。在一些實(shí)施方案中，本 發(fā)明涉及用于由本發(fā)明的合金制備的汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的排氣設(shè)備構(gòu)件。在一種特別的實(shí)施方案 中，本發(fā)明涉及由此處所述的合金組合物制備的渦輪外殼。
[0016] 如前所述，必須耐受高的熱-機(jī)械負(fù)荷的制品，例如渦輪外殼，必須能夠滿足某些 特別的物理和機(jī)械需求。依照本發(fā)明的制品是特別有利的，因?yàn)樵撝破纺軌驖M足嚴(yán)格的物 理和機(jī)械需要。優(yōu)選地，使用本發(fā)明的合金制備的制品在不超過約950°C的氣體溫度的溫 度具有高的機(jī)械性質(zhì)。在一種實(shí)施方案中，本發(fā)明提供了在依照特定的測(cè)試程序測(cè)定時(shí)具 有特定強(qiáng)度的制品。優(yōu)選地，使用本發(fā)明的合金制備的制品具有在室溫至少約300Mpa的極 限拉伸強(qiáng)度、至少約200Mpa的室溫0. 2%實(shí)用彈性極限應(yīng)力（proof stress)、和在室溫以 0. 05% /s的恒定應(yīng)變速率經(jīng)受連續(xù)軸向負(fù)荷時(shí)至少5%的伸長(zhǎng)百分率。
【附圖說明】
[0017] 為了幫助理解本發(fā)明的一些實(shí)施方案，現(xiàn)在將參照附圖，其不必按比例繪制，且其 中： 該附圖1是渦輪增壓機(jī)的視圖，標(biāo)記20是依照本發(fā)明的實(shí)施方案的渦輪外殼。
【具體實(shí)施方式】
[0018] 現(xiàn)在將參照本發(fā)明的特別實(shí)施方案并特別參照與此處一起提供的各幅附圖在下 面更充分地描述本發(fā)明。事實(shí)上，本發(fā)明可以具體體現(xiàn)在很多不同的形式中，且不應(yīng)當(dāng)解釋 為限制到此處提出的實(shí)施方案；而且，這些實(shí)施方案的提供使得本公開將滿足可適用的法 律要求。除非上下文有明確的其它指示，在說明書和后附權(quán)利要求書中所用的單數(shù)形式"a (某)"、"an (某個(gè))"、"the (所述，該)"包括復(fù)數(shù)個(gè)指示物。
[0019] 本發(fā)明涉及基于奧氏體球磨鑄鐵的合金。因此該合金組合物包括鐵作為主要的合 金化元素(或合金組分)。通常，作為主要的合金化元素，鐵以大于該合金中存在的任何其他 單一元素的量存在。優(yōu)選地，鐵以大于剩余合金化元素總和的量存在（即基于該組合物的 總重量，構(gòu)成大于50wt%的該合金組合物)。在特別實(shí)施方案中，鐵構(gòu)成本發(fā)明的合金組合 物的約50wt% ~約65wt%。在另一實(shí)施方案中，鐵構(gòu)成本發(fā)明的合金組合物的約60~約 65wt %。
[0020] 依照本發(fā)明的進(jìn)一步的實(shí)施方案，該合金組合物可以按照由一組特定含量的特定 的合金化元素構(gòu)成來描述。在這種實(shí)施方案中，該合金中存在的鐵的量能夠以形成該合金 的余量的鐵和不可避免的雜質(zhì)的表達(dá)方式來表示。當(dāng)按照這種表達(dá)方式描述時(shí)，應(yīng)該認(rèn)識(shí) 到"余量是鐵"表示鐵的實(shí)際濃度(基于該合金總重量的重量百分比）能夠通過得到存在的 其他元素的濃度的總和并從100中減去該總和而確定，剩余的就表示該合金中存在的鐵的 濃度（即余量)。
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