專利名稱：奧氏體耐熱鑄鋼的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及奧氏體耐熱鑄鋼，并且更具體地涉及具有優(yōu)異的熱疲勞特性的奧氏體耐熱鑄鋼。2.相關(guān)技術(shù)的描述為了使奧氏體耐熱鑄鋼在950°C或更高具有優(yōu)異的熱疲勞特性，例如，它們必須具有優(yōu)異的高溫強(qiáng)度性能和從室溫到升高的溫度的優(yōu)異韌性。用于應(yīng)對(duì)這種挑戰(zhàn)的耐溫鑄鋼在日本專利申請(qǐng)公開(kāi)號(hào)2004-269979 (JP-A-2004-269979)和日本專利申請(qǐng)公開(kāi)號(hào)2002-194511 (JP-A-2002-194511)中描述。JP-A-2004-269979 公開(kāi)了耐溫鑄鋼，其基于 100 質(zhì)量％的總量計(jì)包含O. 5至I. 5%的碳(C)、0. 01至2%的硅(Si)、3至20%的錳(Mn) ,0. 03至 O. 2%的磷(P)、3 至 20%的鎳(Ni)、10 至 25%的鉻(Cr)、0· 5 至 4%的鈮(Nb)和 O. 1%或更少的鋁(Al)，并且其還包含總量為1.5至6%的鑰(Mo)和鎢(W)中的一種或兩種，余量主要為鐵(Fe)。在鐵基奧氏體耐熱鑄鋼中，碳有效用于增加高溫強(qiáng)度和改善可鑄性，并且用作奧氏體相穩(wěn)定元素。鉻有效用于改善高溫強(qiáng)度，但是在以大量添加時(shí)降低韌性。而且，鎳與鉻的存在有助于增加高溫強(qiáng)度，從而使奧氏體相穩(wěn)定化。鑒于上述內(nèi)容，在根據(jù)相關(guān)技術(shù)的鐵基奧氏體耐熱鑄鋼中，頻繁使用包含約O. 3至O. 8%的碳、約10至25%的鉻和約10至21%的鎳的鋼。在日本工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)(Japanese industrial standard, JIS)中，這樣的鋼被命名為例如 SCHl2 和 SCH22。近年來(lái)，除了其成本迅速上升之外，鎳已經(jīng)變成日益稀有的元素。由于這些原因，甚至在奧氏體耐熱鑄鋼中，趨勢(shì)為尋求更低的鎳水平。然而，在低的鎳含量下，基體結(jié)構(gòu)不能實(shí)現(xiàn)均勻的奧氏體相，結(jié)果是高溫強(qiáng)度降低。因此，不容易降低鎳水平且同時(shí)維持高溫強(qiáng)度特性。添加諸如釩、鑰、鎢和鈮的元素有效用于提高強(qiáng)度。然而，這些元素具有降低韌性的趨勢(shì)，由此使得難以實(shí)現(xiàn)高溫強(qiáng)度和韌性兩者。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明涉及一種奧氏體耐熱鑄鋼，所述奧氏體耐熱鑄鋼能夠在較低的鎳水平下實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的奧氏體相，由此使得所述鋼能夠被賦予高溫強(qiáng)度和韌性兩者。本發(fā)明的一個(gè)方面涉及一種奧氏體耐熱鑄鋼，所述奧氏體耐熱鑄鋼包含鐵作為基礎(chǔ)材料。該奧氏體耐熱鑄鋼以總量為100質(zhì)量％計(jì)包含0. 4至0.8質(zhì)量％的碳；3.0質(zhì)量％或更少的硅；0. 5至2. O質(zhì)量％的錳；0. 05質(zhì)量％或更少的磷；0. 03至O. 2質(zhì)量％的硫；18至23質(zhì)量％的鉻；3. O至8. O質(zhì)量％的鎳；0. 05至O. 4質(zhì)量％的氮。鉻與碳的比率為22. 5或更大并且57. 5或更小。因?yàn)榕c當(dāng)前在普通應(yīng)用中的奧氏體耐熱鋼相比鎳的量在3. O至8. 0%的范圍內(nèi)，所以該組合物使得能夠獲得低成本奧氏體耐熱鑄鋼。盡管在相關(guān)技術(shù)中在約13%或更少的鎳含量下未實(shí)現(xiàn)奧氏體相的穩(wěn)定化，但是通過(guò)以由鎳當(dāng)量(Nieq = Ni% +0. 3C% +0. 5Mn%+26 (N% -O. 02)+2. 77)計(jì)算的量添加碳、錳和氮，可以實(shí)現(xiàn)具有與根據(jù)相關(guān)技術(shù)的材料相當(dāng)或更大的高強(qiáng)度的奧氏體耐熱鑄鋼。而且，通過(guò)將鉻與碳的比率設(shè)定在22. 5 ( Cr/C ^ 57. 5的范圍內(nèi)，可以維持鉻在奧氏體基體結(jié)構(gòu)中的所需固溶度，因此使得能夠獲得實(shí)現(xiàn)所需高溫強(qiáng)度特性的奧氏體耐熱鑄鋼。根據(jù)本方面的奧氏體耐熱鑄鋼可以包含少于0.2質(zhì)量％的選自釩、鑰、鎢和鈮中的至少一種。鉻在用作基體結(jié)構(gòu)的奧氏體相中的固溶度根據(jù)碳的量而變化。同時(shí)，由于碳化物在奧氏體晶界處析出，所以包含形成碳化物的元素(V、Mo、W、Nb)導(dǎo)致韌性降低，并且由于在奧氏體相內(nèi)的碳固溶度降低，所以導(dǎo)致伴隨鉻固溶度降低的強(qiáng)度降低。在上述組合物中，通過(guò)將鉻與碳的比率為設(shè)定在22. 5 ( Cr/C ( 57. 5的范圍內(nèi)并且或者不包含形成碳化物的元素V、Mo、W和Nb或者包含它們但是將其一種或兩種或更多種的總量設(shè)定為小于O. 2%,解決了上述韌性降低和強(qiáng)度降低。根據(jù)本方面的奧氏體耐熱鑄鋼還可以包含少于0.2質(zhì)量％的選自釩、鑰、鎢和鈮 中的一種。根據(jù)本方面的奧氏體耐熱鑄鋼還可以包含O. 19質(zhì)量％或更少的選自釩和鈮中的一種。根據(jù)本方面的奧氏體耐熱鑄鋼還可以包含O. 18質(zhì)量％或更少的選自鑰和鎢中的一種。根據(jù)本發(fā)明，在降低鎳含量的同時(shí)可以在基體結(jié)構(gòu)中獲得穩(wěn)定的奧氏體相，由此使得可以獲得具有高溫強(qiáng)度和韌性兩者的奧氏體耐熱鑄鋼。


參考附圖，從以下示例性實(shí)施方案的說(shuō)明中，本發(fā)明的前述和其它目的、特征和優(yōu)點(diǎn)將變得明顯，附圖中使用類(lèi)似的附圖標(biāo)記表示類(lèi)似的要素，其中圖I是顯示對(duì)實(shí)施例材料和對(duì)比材料進(jìn)行的熱疲勞測(cè)試的結(jié)果的圖；圖2是顯示對(duì)實(shí)施例材料和對(duì)比材料進(jìn)行的從室溫到升高的溫度的拉伸測(cè)試的結(jié)果的圖；圖3是顯示對(duì)于實(shí)施例材料和對(duì)比材料中的每一種的測(cè)試材料的Cr/C值和至斷裂的循環(huán)數(shù)(η)之間的關(guān)系的圖，其中Cr/C值在水平軸上表示，并且至斷裂的循環(huán)數(shù)(η)在垂直軸上表示；圖4是顯示在實(shí)施例材料和對(duì)比材料中的碳含量和熔體流長(zhǎng)度之間的關(guān)系的圖；圖5是顯示在實(shí)施例材料和對(duì)比材料中的碳含量和室溫下的伸長(zhǎng)率之間的關(guān)系的圖；圖6是顯示在實(shí)施例材料和對(duì)比材料中的硅含量和室溫下的伸長(zhǎng)率之間的關(guān)系的圖；圖7是顯示在實(shí)施例材料和對(duì)比材料中的錳含量和950°C下的拉伸強(qiáng)度之間的關(guān)系的圖；圖8是顯示在實(shí)施例材料和對(duì)比材料中的硫含量和熱疲勞壽命(至斷裂的循環(huán)數(shù)(η))之間的關(guān)系的圖9是顯示用于實(shí)施例材料和對(duì)比材料的切割工具壽命的圖；圖10是顯示在實(shí)施例材料和對(duì)比材料中的磷含量和室溫下的伸長(zhǎng)率之間的關(guān)系的圖；圖11是顯示在實(shí)施例材料和對(duì)比材料中的鉻含量和950°C下的拉伸強(qiáng)度之間的關(guān)系的圖；圖12是顯示在實(shí)施例材料和對(duì)比材料中的鉻含量和950°C下的伸長(zhǎng)率之間的關(guān)系的圖；圖13是顯示在實(shí)施例材料和對(duì)比材料中的氮含量和950°C下的拉伸強(qiáng)度之間的關(guān)系的圖；圖14是顯不在實(shí)施例材料和對(duì)比材料中的氣含量和成品率之間的關(guān)系的圖；
圖15是顯示在實(shí)施例材料和對(duì)比材料中的鎳含量之差和950°C下的拉伸強(qiáng)度之間的關(guān)系的圖；和圖16是顯示在實(shí)施例材料和對(duì)比材料中的形成碳化物的元素(V、Mo、W、Nb)和熱疲勞壽命(至斷裂的循環(huán)數(shù)(η))之間的關(guān)系的圖。
具體實(shí)施例方式由于密集進(jìn)行的大量實(shí)驗(yàn)和研究，本發(fā)明人已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，在包含鐵作為基礎(chǔ)材料的奧氏體耐熱鑄鋼中，(a)通過(guò)添加特定量的替代鎳的元素碳、錳和氮，可以在減少鎳添加量時(shí)使奧氏體相穩(wěn)定化，(b)通過(guò)合適地添加碳、氮和鉻，可以確保良好的高溫強(qiáng)度，和(c)通過(guò)將C-Cr比率設(shè)定在合適的范圍內(nèi)，可以確保鉻在基體結(jié)構(gòu)中的固溶度，使得能夠?qū)崿F(xiàn)所需的高溫強(qiáng)度特性。而且，他們還已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，(d)通過(guò)將形成碳化物的元素(V、Mo、W、Nb)的添加量設(shè)定為低于固定值，可以防止由于在奧氏體晶粒邊界處的碳化物析出引起的韌性降低。本發(fā)明的實(shí)施方案基于上述發(fā)現(xiàn)。本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案涉及一種包含鐵作為基礎(chǔ)材料的奧氏體耐熱鑄鋼。該奧氏體耐熱鑄鋼以總量為100質(zhì)量％計(jì)包含0. 4至O. 8質(zhì)量％的碳；3. O質(zhì)量％或更少的娃；O. 5至2.0質(zhì)量％的錳；0. 05質(zhì)量％或更少的磷；0. 03至0.2質(zhì)量％的硫；18至23質(zhì)量％的鉻；3. O至8.0質(zhì)量％的鎳；和O. 05至0.4質(zhì)量％的氮。鉻與碳的比率為22. 5或更大并且57. 5或更小。根據(jù)該實(shí)施方案的奧氏體耐熱鑄鋼可以包含少于0.2質(zhì)量％的選自釩、鑰、鎢和鈮中的至少一種。根據(jù)本實(shí)施方案的奧氏體耐熱鑄鋼還可以包含少于0.2質(zhì)量％的選自釩、鑰、鎢和銀中的一種。根據(jù)本實(shí)施方案的奧氏體耐熱鑄鋼還可以包含O. 19質(zhì)量％或更少的選自釩和鈮中的一種。根據(jù)本實(shí)施方案的奧氏體耐熱鑄鋼還可以包含O. 18質(zhì)量％或更少的選自鑰和鎢中的一種。在根據(jù)本實(shí)施方案的奧氏體耐熱鋼中，將各成分的范圍以上述方式進(jìn)行限定的原因如下。這些值將在隨后描述的實(shí)施例中更充分地解釋。碳用作奧氏體穩(wěn)定化元素，并且還有效用于增加高溫強(qiáng)度和改善可鑄性。然而，在少于O. 4%時(shí)，這些效果被限制，并且在多于O. 8%時(shí)，韌性降低。硅有效用于改善耐氧化性和可鑄性，但是在超過(guò)3%時(shí)，韌性降低。錳是奧氏體穩(wěn)定化元素。在本實(shí)施方案中，因?yàn)殒嚭恳呀?jīng)基于上述鎳當(dāng)量(Nieq=Ni% +0. 3C% +0. 5Mn% +26 (N% -O. 02)+2. 77)從相關(guān)技術(shù)中的約 13% 降低至 3. O 至8. O %，所以有必要添加O. 5至2. O %的錳。在超過(guò)2 %的水平下，在950°C的拉伸強(qiáng)度降低。因?yàn)樘砑哟罅康牧缀土騼A向于導(dǎo)致因重復(fù)加熱和冷卻而引起的熱劣化，由此降低韌性，所以磷的上限值設(shè)定為O. 05%，并且硫的上限值設(shè)定為0.2%。硫與錳結(jié)合以形成MnS化合物，提高了機(jī)械加工性，但是因?yàn)樵撔Ч谏儆贠. 03%時(shí)不足，所以硫的下限值設(shè)定為O. 03%。鉻有效用于提高高溫強(qiáng)度，但是在少于18%時(shí)，該效果不足。另一方面，因?yàn)楫?dāng)添加大量的鉻時(shí)韌性降低，所以鉻的上限設(shè)定為23%。 當(dāng)與鉻一起存在時(shí)，鎳有助于提高高溫強(qiáng)度，由此使奧氏體相穩(wěn)定化。在根據(jù)相關(guān)技術(shù)的鐵(Fe)基奧氏體耐熱鑄鋼中，該效果在鎳含量低于13%時(shí)不足。然而，在本實(shí)施方案中，如上所述，通過(guò)以由鎳當(dāng)量(Nieq = Ni% +0. 3C% +0. 5Mn% +26 (N% -O. 02)+2. 77)計(jì)算的量添加碳、錳和氮，在鎳的添加在3. O至8. 0%范圍內(nèi)的情況下可以實(shí)現(xiàn)具有與根據(jù)相關(guān)技術(shù)的材料相當(dāng)或更好的高溫強(qiáng)度的耐熱鑄鋼。氮有效用于提高高溫強(qiáng)度和使奧氏體相穩(wěn)定化，以及用于實(shí)現(xiàn)更精細(xì)的顯微結(jié)構(gòu)。然而，在少于O. 05%時(shí)，這些效果不足。另一方面，多于0.4%的氮的添加過(guò)度降低成品率并且導(dǎo)致氣體缺陷。因?yàn)樘砑逾C、鑰、鎢和鈮降低了鑄鋼的韌性并且降低了在高約束條件下的熱疲勞特性，所以這些元素的組合含量設(shè)定為少于O. 2%。通過(guò)以下實(shí)施例和對(duì)比例更為充分地說(shuō)明本發(fā)明的實(shí)施方案。實(shí)施例I通過(guò)澆鑄獲得針對(duì)具有表I中顯示的組成并且包含鐵作為基礎(chǔ)材料的每種奧氏體耐熱鑄鋼的測(cè)試材料(實(shí)施例材料I、對(duì)比例材料I和2)。澆鑄涉及使用50kg高頻感應(yīng)爐來(lái)實(shí)施開(kāi)放空氣熔化，并且利用Fe-Si (75質(zhì)量％ )實(shí)施脫氧處理。對(duì)比材料I是對(duì)應(yīng)于JIS命名SCH12的常規(guī)材料，并且對(duì)比材料2是對(duì)應(yīng)于JIS命名SCH22的常規(guī)材料。對(duì)實(shí)施例材料I和對(duì)比材料I和2實(shí)施熱疲勞測(cè)試。結(jié)果示于圖I中。在利用測(cè)試試樣(標(biāo)點(diǎn)距離，15mm ;標(biāo)點(diǎn)直徑，8mm)、使用電動(dòng)液壓伺服機(jī)構(gòu)型熱疲勞測(cè)試儀進(jìn)行的該熱疲勞測(cè)試中，通過(guò)從100%約束比(機(jī)械完全約束狀態(tài))下的上限和下限溫度之間的中點(diǎn)溫度加熱來(lái)實(shí)施測(cè)試試樣的熱膨脹和拉伸，并且重復(fù)加熱-冷卻循環(huán)(下限溫度，2000C ；上限溫度950°C )，每個(gè)循環(huán)持續(xù)9分鐘。基于直至試樣完全破裂的循環(huán)數(shù)來(lái)評(píng)價(jià)熱疲勞特性。此外，實(shí)施從室溫至升高的溫度的拉伸測(cè)試。該測(cè)試一般在以下溫度中的每個(gè)溫度下根據(jù) Jis Z2241 和 JIS G0567 來(lái)實(shí)施200°C、400°C、600°C、700°C、800°C、900°C和950°C。結(jié)果在圖2中示出。表II-C I Si I Mn I P I-S I-Cr ΓνΙ~[N
實(shí)施例材料 I058Σ 7 003αΤ ~~2066. I O. 25~
對(duì)比材料 OoO~~ΙΤθ~~α02~~α02~~2 Γο~~ ο. ο 二
對(duì)比材料 2040~~ Γθ~~O~~002~~002~~2δΓθ~~21. O 二評(píng)價(jià)從圖I中明顯的是，在將實(shí)施例材料I與對(duì)比材料I和2進(jìn)行比較時(shí)，實(shí)施例材料I具有顯著改善的熱疲勞特性。而且，從圖2中，盡管實(shí)施例材料I具有比對(duì)比材料I和2低的鎳含量，但是其以I. 93%的組合量包含奧氏體相穩(wěn)定化元素碳、錳和鎳；因?yàn)檫@些元素使奧氏體相穩(wěn)定化，所以實(shí)施例材料I具有比包含10% Ni的對(duì)比例I高的、并且與包含21% Ni的對(duì)比例2相當(dāng)?shù)睦鞆?qiáng)度。從圖2中還明顯的是，在將實(shí)施例材料I與對(duì)比材料 I和2進(jìn)行比較時(shí)，實(shí)施例材料I具有改善的伸長(zhǎng)率。也就是說(shuō)，因?yàn)閷?shí)施例材料I具有拉伸強(qiáng)度和韌性兩者，所以其具有改善的熱疲勞特性。實(shí)施例2 (Cr/C范圍和形成碳化物的元素(V、Mo、W、Nb)的含量范圍)證實(shí)了 Cr/C范圍和形成碳化物的元素(V、Mo、W、Nb)的含量范圍。通過(guò)以與實(shí)施例I中相同的方式進(jìn)行澆鑄來(lái)獲得具有在表2中顯示的組成的測(cè)試材料(實(shí)施例材料1-8，對(duì)比材料1-8)。以與實(shí)施例I中相同的方式對(duì)測(cè)試材料中的每一種實(shí)施熱疲勞測(cè)試；由測(cè)試獲得的高至斷裂的循環(huán)數(shù)(η)在表2中顯示。此外，對(duì)于每種測(cè)試材料，圖3中的水平軸上繪制材料的Cr/C值，垂直軸上繪制至斷裂的循環(huán)數(shù)(η)。在圖3中，EM 1-8代表實(shí)施例材料1-8，并且CM 1-8代表對(duì)比材料1-8。此外，在表2中，實(shí)施例材料I和對(duì)比材料I和2與在表I中顯示的測(cè)試材料相同。表 2
C Si Mn ' P S O ^ Ni N I其它元素Cr/C至斷裂的
ill 循壞數(shù)(η)
35J . 206 —
32.0T' 143 ' IiF" 155 " I , I 142 ~24Χ 160 ~mj\ 157 55.9 ■■■■■■'W—
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權(quán)利要求
1.一種奧氏體耐熱鑄鋼，所述奧氏體耐熱鑄鋼包含鐵作為基礎(chǔ)材料，其特征在于所述奧氏體耐熱鑄鋼基于100質(zhì)量％的總量計(jì)包含 O. 4至0.8質(zhì)量％的碳； 3.O質(zhì)量％或更少的硅； O.5至2.0質(zhì)量％的錳； O.05質(zhì)量％或更少的磷； O. 03至0.2質(zhì)量％的硫； 18至23質(zhì)量％的鉻； 3.O至8.0質(zhì)量％的鎳；和 O.05至0.4質(zhì)量％的氮， 其中鉻與碳的比率為22. 5或更多和57. 5或更少。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的奧氏體耐熱鑄鋼，還包含少于O.2質(zhì)量％的選自釩、鑰、鎢和鈮中的至少一種。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的奧氏體耐熱鑄鋼，還包含少于O.2質(zhì)量％的選自釩、鑰、鎢和鈮中的一種。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的奧氏體耐熱鑄鋼,還包含O.19質(zhì)量％或更少的選自釩和鈮中的一種。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的奧氏體耐熱鑄鋼，還包含O.18質(zhì)量％或更少的選自鑰和鎢中的一種。
全文摘要
一種鐵(Fe)基奧氏體耐熱鑄鋼，其基于100質(zhì)量％的總量計(jì)(在下文簡(jiǎn)單表示為“％”)包含0.4至0.8質(zhì)量％的碳(C)；3.0質(zhì)量％或更少的硅(Si)；0.5至2.0質(zhì)量％的錳(Mn)；0.05質(zhì)量％或更少的磷(P)；0.03至0.2質(zhì)量％的硫(S)；18至23質(zhì)量％的鉻(Cr)；3.0至8.0質(zhì)量％的鎳(Ni)；和0.05至0.4質(zhì)量％的氮(N)。鉻(Cr)與碳(C)的比率在22.5≤Cr/C≤57.5的范圍內(nèi)。所述鑄鋼以少于0.2％的量包含釩(V)、鉬(Mo)、鎢(W)和鈮(Nb)中的一種或兩種或更多種。
文檔編號(hào)C22C38/34GK102844455SQ201180017496
公開(kāi)日2012年12月26日 申請(qǐng)日期2011年4月5日 優(yōu)先權(quán)日2010年4月7日
發(fā)明者弦間喜和, 倉(cāng)本剛, 張鐘植 申請(qǐng)人:豐田自動(dòng)車(chē)株式會(huì)社, 愛(ài)信高丘株式會(huì)社