專利名稱：高硅鈮鑄造合金及其生產(chǎn)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明一般涉及鐵基鑄造合金，特別涉及具有高硅含量的鐵基鑄 造合金。還一般涉及生產(chǎn)這樣的合金的方法。更具體地，涉及表現(xiàn)出 提高的高溫強度和性能特性的改進的鐵基高硅鈮合金。具體地還涉及 生產(chǎn)該改進的合金的方法。
背景技術(shù)：
在生產(chǎn)可鑄造的鐵基延展性合金的領(lǐng)域中，有某些終端產(chǎn)品的應(yīng) 用需要使用鐵基合金以生產(chǎn)具有提高的高溫強度的終端產(chǎn)品。這些終 端產(chǎn)品被用于寬范圍的應(yīng)用中，其中一種包括"熱端"發(fā)動機零件。 典型的這些零件有用于汽車和卡車加工工業(yè)的渦輪增壓器、中心外殼、 支承板、排氣歧管和集成渦輪歧管構(gòu)件。跟汽車工業(yè)中的任何產(chǎn)品一 樣，這樣的產(chǎn)品的市場非常大，需要生產(chǎn)的產(chǎn)品量也相應(yīng)很大。鉬和鈮(過去也稱為"鈳")是本領(lǐng)域公知的合金元素?，F(xiàn)在鈮 普遍用于耐熱性不銹鋼和航空發(fā)動機零件的生產(chǎn)中。鉬也用于類似的 應(yīng)用中，但是成本較高。因為在周期表中鈮與鉬相鄰，所以這些元素 具有很相似的原子量。本發(fā)明的產(chǎn)品意圖以提供具有可接受耐熱性且 降低成本的高硅鈮球墨鑄鐵的方式利用鈮。也就是說，由于大量發(fā)動 機熱端零件用于汽車工業(yè)，所以使用鈮代替鉬而獲得足夠的高溫強度 將促使這些零件生產(chǎn)成本降低。但是，在測試時，發(fā)現(xiàn)本發(fā)明所述合 金不僅達到獲得足夠高溫強度的要求，而且實際上超過該要求并最終 提供具有提高的耐熱性和可能節(jié)省成本的獨特高硅鈮球墨鑄鐵。本發(fā)明的產(chǎn)品的另一個目的是在這樣的高硅鑄造合金中利用鈮， 其中的工業(yè)范圍的規(guī)范和性能標(biāo)準(zhǔn)將被堅持。更具體地，現(xiàn)有高硅鉬延展性合金對合金中使用的一些元素的水平調(diào)用具體范圍，在鑄造后 合金將具有一定的最小性能特性。本發(fā)明人考慮到在高硅鈮合金中使 用鈮可以節(jié)省成本，同時保持工業(yè)規(guī)定所需的性能特性。該觀點不僅 被證明是正確的，而且發(fā)現(xiàn)性能特性得到提高。本發(fā)明的產(chǎn)品的再一個目的是在超高硅鑄造合金中利用鈮，其中 耐腐蝕性和抗氧化性得到改進。也就是說，在超高硅鉬合金中加入鉻 產(chǎn)生改進的耐氧化性和耐腐蝕性時，本發(fā)明人也看到在超高硅和鉻球 墨鑄鐵中可以使用鈮代替鉬且沒有這些特性的任何降低。該觀點被證 明是正確的，并且實際上性能也得到了提高。發(fā)明概述因此，本發(fā)明的目的是提供高溫強度提高的球墨鑄鐵(ductile iron) 合金，包含占重量2.6% 3.5%的碳、占重量3.7% 4.9%的硅、占重 量0.45 % 1.0 %的鈮、占重量0.6 %或更少量的錳、占重量0.02%或 更少量的硫、占重量0.02 %或更少量的磷、占重量0.5 %或更少量的鎳、 占重量1.0%或更少量的鉻、占重量0.1%或更少量的鎂和余量為鐵，其 具有占重量0.05 %或更少量的任意其它一種元素，所有這些其它元素 聯(lián)合總量多達占重量0.2%。對于這樣的其它元素，通常是鉬和銅。本發(fā)明的另一個目的是提供具有高延展性和高蠕變持久性的耐熱 性球墨鑄鐵合金。具有目標(biāo)化學(xué)組成如占重量3.0% 3.3°/。的碳、占重 量3.75 % 4.25 %的硅和占重量0.5 % 0.7 %的鈮的本發(fā)明所述合金 在室溫下具有75,000 psi的極限抗拉強度、60,000 psi的0.2%殘余變形 屈服強度和10%的伸長率。另外，鑄造材料的布氏硬度數(shù)(Brinell Hardness Number, BHN)必須落在187 241 BHN范圍內(nèi)，BHN用將鋼 球強壓入合金表面的壓力與所得凹痕的表面積的比值表示合金的硬 度。本發(fā)明的再一個目的是提供生產(chǎn)本發(fā)明所述的高溫強度提高的高硅球墨鑄鐵合金的方法。本發(fā)明的組合物已經(jīng)達到這些目的。依據(jù)前面提及的重量百分比 配制該產(chǎn)品，當(dāng)以這種方式配制時，會得到高溫強度提高的球墨鑄鐵A全a五o在下面的詳細說明中，本發(fā)明所述合金和方法進一步的目的和優(yōu) 點將變得更加明顯。


圖1是用0.56%鉬制成的鑄件被蝕刻后樣品的微結(jié)構(gòu)100X放大倍 數(shù)的照片圖像。圖2是圖1所示鑄件樣品微結(jié)構(gòu)500X放大倍數(shù)的照片圖像。圖3是根據(jù)本發(fā)明制成的具有0.46%的鈮的鑄件被蝕刻后樣品微結(jié)構(gòu)100X放大倍數(shù)的照片圖像。圖4是圖3所示鑄件樣品微結(jié)構(gòu)500X放大倍數(shù)的照片圖像。圖5是根據(jù)本發(fā)明制成的具有0.67%的鈮的鑄件被蝕刻后樣品微結(jié)構(gòu)100X放大倍數(shù)的照片圖像。圖6是圖5所示鑄件樣品微結(jié)構(gòu)500X放大倍數(shù)的照片圖像。圖7是根據(jù)本發(fā)明制成的具有0.94%的鈮的鑄件被蝕刻后樣品微結(jié)構(gòu)100X放大倍數(shù)的照片圖像。圖8是圖7所示鑄件樣品的微結(jié)構(gòu)500X放大倍數(shù)的照片圖像。 圖9是根據(jù)本發(fā)明制成的具有0.46%和0.67%的鈮的鑄件樣品的極限抗拉強度與圖l和2所示鑄件樣品的極限抗拉強度相對比的曲線圖。 圖10是根據(jù)本發(fā)明制成的具有0.46%和0.67%的鈮的鑄件樣品的0.2%殘余變形屈服強度與圖1和2所示鑄件樣品的0.2%殘余變形屈服強度相對比的曲線圖。圖11是根據(jù)本發(fā)明制成的具有0.46%和0.67%的鈮的鑄件樣品的伸長率與圖l和2所示鑄件樣品的伸長率相對比的曲線圖。-圖12是根據(jù)本發(fā)明制成的具有0.46%和0.67%的鈮的鑄件樣品的斷面收縮率與圖1和2所示鑄件樣品的斷面收縮率相對比的曲線圖。 圖13是用0.56%鉬制成接著在75(TC下均熱200小時的鑄件被蝕刻后樣品微結(jié)構(gòu)100X放大倍數(shù)的照片圖像。圖14是圖13所示鑄件樣品微結(jié)構(gòu)500X放大倍數(shù)的照片圖像。 圖15是根據(jù)本發(fā)明制成的具有0.56%的鈮，接著在750'C下均熱200小時的鑄件被蝕刻后樣品微結(jié)構(gòu)IOOX放大倍數(shù)的照片圖像。圖16是圖15所示鑄件樣品微結(jié)構(gòu)500X放大倍數(shù)的照片圖像。 圖17是根據(jù)本發(fā)明制成的具有0.67%的鈮，接著在750'C下均熱200小時的鑄件被蝕刻后樣品微結(jié)構(gòu)IOOX放大倍數(shù)的照片圖像。圖18是圖17所示鑄件樣品微結(jié)構(gòu)500X放大倍數(shù)的照片圖像。 圖19是用0.57%鉬制成的鑄件渦輪增壓器分割壁被蝕刻后樣品微結(jié)構(gòu)IOOX放大倍數(shù)的照片圖像。圖20是圖19所示鑄件樣品微結(jié)構(gòu)的500X放大倍數(shù)的照片圖像。 圖21是根據(jù)本發(fā)明制成的具有0.60%的鈮的鑄件渦輪增壓器分割壁被蝕刻后樣品微結(jié)構(gòu)IOOX放大倍數(shù)的照片圖像。圖22是圖21所示鑄件樣品微結(jié)構(gòu)500X放大倍數(shù)的照片圖像。 圖23是根據(jù)本發(fā)明制成的具有4.67%的超高硅、0.77%的鈮和0.87%的高端鉻鑄件渦輪分割壁被蝕刻后樣品微結(jié)構(gòu)100X放大倍數(shù)的照片圖像。圖24是圖23所示鑄件樣品微結(jié)構(gòu)500X放大倍數(shù)的照片圖像。 圖25是根據(jù)本發(fā)明制成的具有4.45%的超高硅、0.697%的鈮和0.441%的高端絡(luò)鑄件渦輪分割壁被蝕刻后樣品微結(jié)構(gòu)100X放大倍數(shù)的照片圖像。圖26是圖25所示鑄件樣品微結(jié)構(gòu)500X放大倍數(shù)的照片圖像。 詳細說明本發(fā)明所述合金是高硅鈮球墨鑄鐵。如前面所指，鈮是一種普遍 用于生產(chǎn)某些耐熱性不銹鋼和航空發(fā)動機零件的合金元素。鈮在周期 表中與鉬相鄰，結(jié)果，這些元素具有很相似的原子量。用作發(fā)展本發(fā)明所述摻鈮合金的起點的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)明確說明碳占重量的3.0°/。 3.4%、硅占重量的3.75 °/。 4.25 %、鉬占重量的0.5 % 0.7 %、錳占重量的 0.6%或更少、硫占重量的0.07%或更少、磷占重量的0.02%或更少、 鎳占重量的0.5%或更少、鎂占重量的0.08%或更少，以及余量為鐵。本發(fā)明所述合金是高溫強度提高的球墨鑄鐵合金，包含占重量2.6 % 3.5%的碳、占重量3.7% 4.9%的硅、占重量0.45% 1.0%的鈮、 占重量0.6%或更少量的錳、占重量0.02。/?；蚋倭康牧?、占重量0.02 %或更少量的磷、占重量0.5 %或更少量的鎳、占重量1.0%或更少量 的鉻、占重量O.l %或更少量的鎂以及余量為鐵，具有占重量0.05%或 更少量的任何其它單元素，所有這些其它元素聯(lián)合總量多達占重量的 0.2%。這些其它元素通常是鉬和銅。強度和延展性測試在本領(lǐng)域中使用某些測試以提供關(guān)于包括如本發(fā)明所述合金等材 料的材料強度的關(guān)鍵設(shè)計信息。例如，材料在恒定應(yīng)力下的高溫漸進 變形稱為"蠕變"。在"蠕變"測試中，將恒定的負載施加到維持在 恒定溫度如室溫下的拉伸試樣上。然后在一段時間內(nèi)測量應(yīng)變。根據(jù) 得到的測量結(jié)果描繪數(shù)據(jù)，形成曲線，轉(zhuǎn)換成材料的應(yīng)變速率或蠕變 速率。除使用的應(yīng)力比蠕變測試中的高外，持久測試類似于蠕變測試， 并一直進行測試直到材料損壞。特別當(dāng)合金計劃或特別地設(shè)計用于高溫高壓系統(tǒng)中時，這些用以 確定合金的性能特性的測試是必需的。例如燃氣輪機，其是一個具有 若干部件的系統(tǒng)，這些部件趨于發(fā)生在負荷和高溫下易發(fā)生的蠕變。 本發(fā)明人已經(jīng)指出本發(fā)明所述合金是在常規(guī)蠕變和持久測試下具有較 高延展性的耐熱性球墨鑄鐵合金。在上面提及的測試中，某些參數(shù)用于描述材料，如本發(fā)明所述合 金，的強度和延展性。 一個強度參數(shù)是"極限抗拉強度"(或"UTS")。 UTS是合金實際斷裂時的應(yīng)力極限，突然釋放合金中儲存的彈性能量(即通過噪聲或熱)。根據(jù)本發(fā)明，本發(fā)明所述合金在室溫下應(yīng)具有
75,000 psi的UTS。這也可以用75 KSI的壓力當(dāng)量表示。
另一個強度參數(shù)是合金的"殘余變形屈服強度(offset yield strength)"，其用上面提及的特征應(yīng)力-應(yīng)變曲線與平行該曲線彈性部 分而劃的線的交叉點對應(yīng)的應(yīng)力量確定，殘余變形為規(guī)定的應(yīng)變。在 美國，殘余變形(offset)通常規(guī)定為0.2%或0.1%的應(yīng)變。本發(fā)明所 述合金在室溫下應(yīng)具有60,000 psi或60 KSI的0.2%殘余變形屈服強度。
延展性是合金定性但主觀的性質(zhì)。材料的延展性的測定可用于表 示材料未斷裂時可變形的程度。延展性的一個常規(guī)測定是斷裂時的應(yīng) 變，通常稱為"拉伸"。通過將試樣放在一起和進行拉伸測定，在破 裂之后得到該測定。因為變形的明顯部分集中在拉伸試樣的"頸"區(qū) 域，所以伸長率的值依賴于進行測度的長度。本發(fā)明所述合金在室溫 下應(yīng)具有10%的伸長率。
最后，本發(fā)明所述合金的布氏硬度數(shù)(BHN)必須符合187 241 BHN的范圍，BHN用將鋼球強壓入合金表面的的壓力與所得凹痕的表 面積的比值表示合金的硬度。
現(xiàn)在參照附圖，用實施例解釋本發(fā)明所述合金，實施例僅為說明 發(fā)明目的，決不應(yīng)認為是對本發(fā)明的限制。下列每個熔化樣品的多個 鑄件被制備。第一個樣品是含占重量0.56。/。的鉬的高硅鉬球墨鑄鐵。第 二個樣品是含占重量0.46%的鈮的高硅鈮球墨鑄鐵。第三個樣品是含占 重量0.67%的鈮的高硅高鈮球墨鑄鐵。第四個樣品是含占重量0.94%的 鈮的高硅超高鈮球墨鑄鐵。圖1 8是用硝酸乙醇腐蝕液，即硝酸與乙 醇的稀釋混合物蝕刻后每個樣品的放大圖像。
更具體地，圖l， 100X的放大倍數(shù)，是本領(lǐng)域一種合金被硝酸乙 醇腐蝕液蝕刻的微結(jié)構(gòu)的一個實例。這第一個樣品，上面確定為高硅鉬球墨鑄鐵，由占重量3.04%的碳、3.94%的硅、0.56%的鉬、0.39%的 錳、0.014%的磷、0.006%的硫、0.039%的鎂、0.072%的鎳和0.015%的 鈮以及平衡量的鐵組成。在室溫下，該高硅鉬合金的UTS是85.4KSI， 0.2。/。屈服強度是65.1 KSI，伸長率為18%。硬度為196-235 BHN，圖2 是圖1所示的微結(jié)構(gòu)500X的放大圖像。圖1和2所示的樣品顯示了典 型的鐵素體晶粒結(jié)構(gòu)(10)和球狀石墨(12)。珠光體結(jié)構(gòu)(14)分散在該整 個合金樣品中。珠光體是鐵素體與合金冷卻時在其中形成的滲碳體的 混合物。盡管將珠光體用作增加合金硬度的手段時，鑄態(tài)鐵素體合金 中需要珠光體存在，但是由于其存在也降低延展性，所以在期望有較 高延展性的應(yīng)用中，珠光體也是不合需要的。具有降低的延展性，的 合金盡管較硬，但是合金也更易于破裂斷裂，特別是在高溫下。如圖1 所示，在樣品合金中以指定的量使用給定量的鉬將趨向于生產(chǎn)5% 10%的量的珠光體。胞間復(fù)合碳化物的不清晰灰色區(qū)域(16)也分散在整 個樣品中，其也不利地影響對延展性也有不利的影響。圖3， IOOX的放大倍數(shù)，是根據(jù)本發(fā)明所述合金微結(jié)構(gòu)的一個實 例，該合金由占重量3.08%的碳、4.08%的硅、0.03%的鉬、0.37%的錳、 0.009%的磷、0.005%的硫、0.035%的鎂、0.11%的鎳和0.46%的鈮以及 平衡量的鐵組成。該樣品在上文稱為"第二個樣品"，并確定為高硅 鈮球墨鑄鐵。該合金的UTS為89.4KSI， 0.2%屈服強度為70.6 KSI， 伸長率為17%，均在室溫條件下。它的硬度測定為196-235 BHN。圖4 是圖3所示的微結(jié)構(gòu)500X的放大圖像。圖3和4所示的高硅鈮樣品大 量顯示了鐵素體晶粒結(jié)構(gòu)(20)和球狀石墨(22)。珠光體的黑色結(jié)構(gòu)(24) 分散在整個樣品中。如所示，使用0.46%的鈮珠光體的量趨向于減至小 于5%。胞間復(fù)合碳化物的不清晰灰色區(qū)域(26)和較小碳化鈮小球(28) 也分散在整個樣品中。圖5， IOOX的放大倍數(shù)，是根據(jù)本發(fā)明所述合金微結(jié)構(gòu)的另一個 例子，該合金由占重量3.19%的碳、3.92%的硅、0.04%的鉬、0.40%的 錳、0.009%的磷、'0.005%的硫、0.055%的鎂、0.0784%的鎳和0.67%的鈮以及平衡量的鐵組成。該樣品在上文稱為"第三個樣品"，并確定
為高硅高鈮球墨鑄鐵。該合金的UTS為83.5 KSI， 0.2%屈服強度為64.0 KSI，伸長率為19%，均在室溫條件下。它的硬度測定為196-235 BHN。 圖6是圖5所示微結(jié)構(gòu)500X的放大圖像。圖5和6所示的高硅高鈮樣 品大量顯示了鐵素體晶粒結(jié)構(gòu)(30)和球狀石墨(32)。珠光體的黑色結(jié)構(gòu) (34)分散在整個樣品中。如所示，使用0.67%的鈮趨向于進一步減少珠 光體量。胞間復(fù)合碳化物的不清晰灰色區(qū)域(36)和較小碳化鈮小球(38) 也分散在整個樣品中。
圖7， IOOX的放大倍數(shù)，是根據(jù)本發(fā)明所述合金微結(jié)構(gòu)的再一個 實例，該合金由3.36重量％的碳、3.91重量％的硅、0.02重量°/。的鉬、 0.32重量％的錳、0.013重量％的磷、0.008重量％的硫、0.042重量％的 鎂、0.04重量％的鎳和0.94重量％的鈮以及余量的鐵組成。該樣品在上 文稱為"第四個樣品"，并確定為高硅超高鈮球墨鑄鐵。在室溫下， 該合金的UTS為85.0 KSI， 0.2%屈服強度為66.5 KSI，伸長率為16%。 它的硬度為196-235。圖8是圖7所示的微結(jié)構(gòu)500X的放大圖像。圖 7和8所示的高硅超高鈮樣品大量顯示了鐵素體粒子結(jié)構(gòu)(40)和球狀石 墨(42)。珠光體的黑色結(jié)構(gòu)(44)分散在整個樣品中。如所示，使用0.94% 的鈮趨向于更進一步減少珠光體的量。碳化鈮小球(48)也分散在整個樣 品中。但是，注意在該樣品中沒有胞間復(fù)合碳化物的跡象。
作為上面提及的每個試樣的測試期間的概括觀察，值得注意的是 本發(fā)明所述高硅鈮球墨鑄鐵的加工特性優(yōu)于高硅鉬合金。而且，本發(fā) 明所述高硅鈮球墨鑄鐵直到80(TC都能提供比高硅鉬球墨鑄鐵更高的 延展性和蠕變持久性能。
高溫測試
分別測試高硅鉬、高硅鈮和高硅高鈮合金樣品溫度增加100°C時 各自的UTS、 0.02%殘余變形屈服、伸長率和"斷面收縮"百分比值。 高硅超高鈮合金僅在如上文提到的室溫下和在800'C即該高溫測量的極值下進行測試。如圖9 12所示，基于測量增加IOO'C的測試結(jié)果，以圖的形式說 明前三個樣品的性能特性。具體地，它們包括0.56%鉬合金、0.46%鈮 合金和0.67%高鈮合金。圖9表示那些樣品的UTS，圖10表示其各自 的0.2%屈服強度。再次說明這些值表示合金的相對"強度"。圖11表 示伸長率，圖12表示"斷面收縮率"值，也以IO(TC增加測定。后兩 個圖說明各個合金的相對"延展性"。這里還應(yīng)提及"斷面收縮率" 值是在斷裂點時試樣的"頸"的相對面積與預(yù)應(yīng)力試樣的面積相比的 測定。在每個圖中，與0.46%鈮合金(120)和0.67%高鈮合金(130)相對照， 繪圖顯示了 0.56%鉬合金(110)的值。如圖9和10所示，明顯鉬合金(110) 的"硬度"略大于鈮合金(120)或高鈮合金(B0)。但是，在圖11和12 中，鉬合金(110)的"延展性"也明顯基本小于鈮合金(allow)(120)或高 鈮合金(130)，特別是在較高溫度下。高溫浸熱"oak)測試正火是一種僅可應(yīng)用于黑色金屬的熱處理方法。正火涉及球墨鑄 鐵鑄件的奧氏體化，隨著在空氣中冷卻過臨界溫度。該鑄件依靠在一段預(yù)定的時間內(nèi)將鑄件"浸泡"于熱環(huán)境中正火。正火球墨鑄鐵鑄件 以分解碳化物、增加強度和消除在鑄件內(nèi)引起且由鑄造過程本身帶來 的內(nèi)應(yīng)力。合金在75(TC下熱浸泡200小時之后，鉬合金和鈮合金的高溫測試 還會產(chǎn)生強度和延展性測試結(jié)果的具體平均值。然后使樣品冷卻至室 溫。接著在室溫和80(TC下測試樣品的強度和延展性。在室溫下，鉬合金的平均UTS為81.3 KSI。鈮合金的平均UTS為 82.7 KSI，高鈮合金為82.8 KSI。在室溫下，鉬合金的平均0.2°/。殘余變形屈服為62.5 KSI。鈮合金的0.2%殘余變形屈服為64.2 KSI，高鈮合 金為64.5KSI。因此，高溫浸泡導(dǎo)致?lián)解壓辖鹪谑覝叵律晕⒏鼜姟?br> 在室溫下，鉬合金的平均伸長率為17%。鈮合金的平均伸長率為 18%，高鈮合金也為18%。在室溫下，鉬合金的斷面收縮率為24%。鈮 合金的斷面收縮率為26%，高鈮合金為25%。因此，高溫浸泡也導(dǎo)致 摻鈮合金在室溫下稍微更延展性。
在80(TC下，鉬合金的平均UTS為5.8 KSI。鈮合金的平均UTS 為5.2 KSI，高鈮合金為5.7 KSI。在80(TC下，鉬合金的平均0.2%殘余 變形屈服為4.0KSI。鈮合金的0.2°/。殘余變形屈服為3.5 KSI，高鈮合 金為3.8KSI。因此，高溫浸泡導(dǎo)致?lián)解壓辖鹪谳^高溫度下比摻鉬合金 的強度略小。
在800'C下，鉬合金的平均伸長率為57%。鈮合金的平均伸長率 為65%，高鈮合金為61%。在800'C下，鉬合金的斷面收縮率為60%。 鈮和高鈮合金兩種的斷面收縮率都為63°/。。因此，高溫浸泡也導(dǎo)致?lián)?鈮合金在高溫下稍微更有延展性。
圖13 18說明也被硝酸乙醇腐蝕液蝕刻的每個熱浸泡樣品的放大 圖像。更具體地，圖13， IOOX放大倍數(shù)，是髙硅鉬球墨鑄鐵的第一個 樣品。圖14， 500X放大倍數(shù)，是圖13所示的微結(jié)構(gòu)。圖13和14所 示放大IOOX和500X的微結(jié)構(gòu)都基本顯示了鐵素體晶粒結(jié)構(gòu)(210)和分 散在整個樣品中的球狀石墨(212)。也注意到胞間復(fù)合碳化物(214)的出 現(xiàn)，特別在圖14中。
圖15， IOOX放大倍數(shù)，是熱浸泡的高硅鈮球墨鑄鐵。圖16， 500X 放大倍數(shù)，是圖15所示的微結(jié)構(gòu)。圖15和16所示的高硅鈮樣品基本 顯示了鐵素體晶粒結(jié)構(gòu)(220)和球狀石墨(222)。碳化鈮小球(228)也分散 在整個樣品中。注意在該樣品中沒有出現(xiàn)胞間復(fù)合碳化物。圖17， 100X放大倍數(shù)，是熱浸泡的高硅高鈮球墨鑄鐵。圖18， 500X放大倍數(shù)，是圖17所示的微結(jié)構(gòu)。圖17和18所示的高硅高鈮 樣品基本顯示了鐵素體晶粒結(jié)構(gòu)(230)和球狀石墨(232)。碳化鈮小球 (238)也分散在整個樣品中。注意在該樣品中也沒有出現(xiàn)胞間復(fù)合碳化 物。
特定產(chǎn)品測試
為進一步評價本發(fā)明所述摻鈮高硅合金的能力，創(chuàng)造兩個特別設(shè) 計的熔體。選擇渦輪增壓器作為測試鑄件，這是由于在高溫下運行發(fā) 動機測試時它與經(jīng)分割壁和舌片區(qū)域裂紋擴展的密切關(guān)系。使用高硅 鉬合金和高硅鈮合金的樣品批料。高硅鉬合金具有如下化學(xué)成分3.12 重量°/。的碳、3.98重量％的硅、0.57重量％的鉬、0.35重量°/。的錳、0.012 重量％的磷、0.007重量％的硫、0.041重量％的鎂、0.09重量％的鎳、 0.01重量％的鈮和平衡量的鐵。高硅鈮合金具有如下化學(xué)成分3.15 重量％的碳、4.17重量％的硅、0.02重量％的鉬、0.32重量°/。的錳、0.014 重量％的磷、0.009重量°/。的硫、0.039重量％的鎂、0.14重量°/。的鎳、 0.6重量％的鈮和余量的鐵。高硅鉬合金的相對硬度在217 BHN 228 BHN范圍中。高硅鈮合金具有207 BHN 228 BHN的相對硬度。
圖19 22是也被硝酸乙醇腐蝕液蝕刻過的上文提及的每個樣品的 放大圖像。更具體地，圖19， IOOX放大倍數(shù)，是用具有0.57%鉬的高 硅鉬球墨鑄鐵制成的鑄件分割壁的第一個樣品。圖20， 500X放大倍數(shù)， 是圖19所示的微結(jié)構(gòu)。圖19和20所示的樣品顯示了與珠光體的清晰 的黑色結(jié)構(gòu)(314)—起的鐵素體晶粒結(jié)構(gòu)(310)和球狀石墨(312)。較大量 的胞間復(fù)合碳化物不清晰的灰色區(qū)域(316)也分散在整個樣品中。
圖21， IOOX放大倍數(shù)，是用具有0.60%鈮的高硅鈮球墨鑄鐵制成 的鑄件分割壁樣品。圖22， 500X放大倍數(shù)，是圖21所示的微結(jié)構(gòu)。 圖21和22所示的樣品基本顯示了鐵素體粒子結(jié)構(gòu)(320)和球狀石墨。22)，以及很低含量即小于2。/。的珠光體(324)，且沒有胞間復(fù)合碳化物 的跡象。碳化鈮小球(328)與這些結(jié)構(gòu)一起分散在整個樣品中，它的存 在是有利的，因為在有效應(yīng)用該結(jié)構(gòu)期間這些小球(328)不會被破壞。
耐腐蝕性和抗氧化性
如上面證明的，摻鈮合金的測試證明該合金具有較好的微結(jié)構(gòu)， 其含有，如果有的話，很低含量的珠光體和碳化物，具有優(yōu)異的延展 性和蠕變持久性。將鉻添加到鐵基延展性合金中改進合金的耐氧化性 和耐腐蝕性是本領(lǐng)域公知的?？紤]到該領(lǐng)域，本發(fā)明人制造了超高硅 鈮和鉻的合金以確定在這類合金中用鈮代替鉬是否影響這些性能。用 作發(fā)展本發(fā)明所述超高硅鈮和鉻的合金的起點，規(guī)范指標(biāo)規(guī)定碳占重 量的2.8% 2.9%、硅占重量的4.4°/。 4.8%、鉬占重量的0.05%或更少、 鈮占重量的0.6% 0.8%、鉻占重量的0.75% 0.9%、錳占重量的0.4% 或更少、硫占重量的0.02%或更少、磷占重量的0.04%或更少、鎳占重 量的0.5%或更少、銅占重量的0.03°/。 0.07%、鎂占重量的0.03% 0.07°/。和平衡量的鐵。
根據(jù)本發(fā)明制成的用于澆注渦輪增壓器鑄件的超高硅鈮和高端鉻 合金的熱顯示在圖23和24中，其表示被硝酸乙醇腐蝕液蝕刻過的熱 處理的樣品的放大圖像。該樣品的最終化學(xué)組成為2.79重量％的碳、 4.67重量％的硅、0.77重量％的鈮、0.87重量°/。的鉻、0.04重量％的鉬、 0.34重量％的錳、0.01重量％的磷、0.01重量°/。的硫、0.03重量°/。的鎂、 0.08重量％的鎳和0.05重量％的銅、余量的鐵。完全退火的熱處理的樣 品的機械性能得到100 114KSI的UTS、 87 113 KSI的0.2%屈服強 度、9%的伸長率和235 BHN的硬度。圖23是該熱處理樣品100X放大 倍數(shù)的微結(jié)構(gòu)。圖24， 500X放大倍數(shù)，是圖23所示的微結(jié)構(gòu)。圖23 和24所示的樣品顯示了典型的鐵素體晶粒結(jié)構(gòu)(410)和球狀石墨(412)。 碳化鉻結(jié)構(gòu)(414)和碳化鈮小球(418)分散在該整個合金樣品中。注意在 該樣品中完全沒有珠光體和胞間復(fù)合碳化物。也根據(jù)本發(fā)明制成的用于澆注渦輪增壓器鑄件的超高硅鈮和低端
鉻合金的另一個熱顯示在圖25和26中，其表示被硝酸乙醇腐蝕液蝕 刻過的第二個熱處理的樣品的放大圖像。圖25是該熱處理樣品100X 放大倍數(shù)的微結(jié)構(gòu)。圖26， 500X的放大倍數(shù)，是圖25所示的微結(jié)構(gòu)。 圖25和26所示的樣品顯示了典型的鐵素體晶粒結(jié)構(gòu)(420)和球狀石墨 (422)。碳化鉻結(jié)構(gòu)(422)和碳化鈮小球(428)也分散在該整個合金樣品 中。注意在該樣品中完全沒有珠光體和胞間復(fù)合碳化物。
關(guān)于測試結(jié)果的結(jié)論
基于本發(fā)明人，當(dāng)使用鈮代替鉬時合金的蠕變持久測試和延展性 表現(xiàn)出增加得多的結(jié)果的原因是因為添加鉬與鈮之間基本微結(jié)構(gòu)的差 別。例如，在摻鉬合金中，鉬趨向于產(chǎn)生更多的珠光體，量為5% 10%。 但是，摻鈮趨向于在該微結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生遠小于5%的量的珠光體。摻鉬也 比摻鈮趨向于產(chǎn)生更多的胞間復(fù)合碳化物。在摻鉬合金中出現(xiàn)較大量 的珠光體和胞間復(fù)合碳化物的原因是由于在石墨小球形成后，鉬將與 自由碳結(jié)合產(chǎn)生那些項目。在摻鈮合金中，鈮與碳結(jié)合，在整個微結(jié) 構(gòu)中生產(chǎn)非常細的球形的碳化鈮。摻鉬產(chǎn)物中珠光體和細胞間復(fù)合碳 化物的水平使該合金在室溫和高溫下硬度增加并使延展性降低，并伴 隨著如得到的測試結(jié)果所表明的較低的蠕變持久測試結(jié)果。另一方面， 摻鈮合金的終端結(jié)果是在室溫和高溫下硬度降低而延展性增加，并伴 隨著較高的蠕變持久測試結(jié)果，收集的數(shù)據(jù)也表明這點。
在摻鉬合金中，當(dāng)珠光體和細胞間碳化物在較高溫度下分解時， 在該成分中存在的膨脹會在鑄件中產(chǎn)生變形和破裂。但是，在摻鈮合 金中，即使有，也是很少的分解，導(dǎo)致鑄件較少變形和破裂。這是由 于相對于摻鉬，在摻鈮中只有很少的珠光體和胞間碳化物存在，并且 因為碳化鈮在高溫下很穩(wěn)定。這些合金的結(jié)構(gòu)測試也支持這些測試結(jié) 果。
當(dāng)用于超高硅鉻、超高硅和超高鉻的耐腐蝕性和耐氧化性應(yīng)用時，本發(fā)明所述的摻鈮合金也表現(xiàn)出提高的性能。因此，本發(fā)明明顯提供了一種表現(xiàn)出提高的高溫強度和性能特性、 新穎且有用的高硅鈮球墨鑄鐵合金和生產(chǎn)該合金的方法。
權(quán)利要求
1.一種高溫強度提高的球墨鑄鐵合金，其包含2.6重量％～3.5重量％的碳，3.7重量％～4.9重量％的硅，0.45重量％～1.0重量％的鈮，0.6重量％或更少的錳，0.02重量％或更少的硫，0.02重量％或更少的磷，0.5重量％或更少的鎳，1.0重量％或更少的鉻，0.1重量％或更少的鎂，和余量為鐵。
2. 如權(quán)利要求1所述的高溫強度提高的球墨鑄鐵合金，其還包含 0.05重量％或更少的任何其它單元素，所有這些其它元素的聯(lián)合總量多 達0.2重量％。
3. 如權(quán)利要求l所述的高溫強度提高的球墨鑄鐵合金，其還包含 0.05重量％或更少的其它單元素，所有這些其它元素的聯(lián)合總量多達 0.2重量％，這些元素選自鉬和銅。
4. 如權(quán)利要求2所述的高溫強度提高的球墨鑄鐵合金，其中所述 合金在室溫下的極限抗拉強度大于75,000 psi或75 KSI。
5. 如權(quán)利要求2所述的高溫強度提高的球墨鑄鐵合金，其中所述 合金在室溫下的0.2%殘余變形屈服硬度大于60,000 psi或60 KSI。
6. 如權(quán)利要求2所述的高溫強度提高的球墨鑄鐵合金，其中所述 合金在室溫下的硬度按布氏硬度值在187 BHN 241 BHN范圍內(nèi)。
7. 如權(quán)利要求2所述的高溫強度提高的球墨鑄鐵合金，其中在室 溫下伸長延展性百分比超過10%。
8. —種生產(chǎn)高溫強度提高的球墨鑄鐵合金的方法，其包括如下步驟提供2.6重量％ 3.5重量％的碳，提供3.7重量％ 4.9重量％的硅，提供0.45重量％ 1.0重量％的鈮，提供0.6重量。/?；蚋俚腻i，提供0.02重量％或更少的硫，提供0.02重量％或更少的磷，提供0.5重量％或更少的鎳，提供1.0%或更少的鉻，提供0.1重量％或更少的鎂，提供余量的鐵，化合所述元素，熔化所述化合的元素，以及空氣冷卻所述合金成為最終產(chǎn)品的形式。
9. 如權(quán)利要求8所述的生產(chǎn)高溫強度提高的球墨鑄鐵合金的方 法，其進一步包括提供0.05重量％或更少任何其它單元素的步驟，所 有這些其它元素的聯(lián)合總量多達0.2重量％。
10. 如權(quán)利要求8所述的生產(chǎn)高溫強度提高的球墨鑄鐵合金的方 法，其進一步包括提供0.05重量％或更少其它單元素的步驟，所有這 些其它元素的聯(lián)合總量多達0.2重量％，這些元素選自鉬和銅。
11. 如權(quán)利要求8所述的生產(chǎn)高溫強度提高的球墨鑄鐵合金的方 法，其中所述合金得到的極限抗拉強度在室溫下大于75,000 psi或75KSI。
12. 如權(quán)利要求8所述的生產(chǎn)高溫強度提高的球墨鑄鐵合金的方 法，其中所述合金得到的0.2%殘余變形屈服硬度在室溫下大于60,000 psi或60 KSI。
13. 如權(quán)利要求8所述的生產(chǎn)高溫強度提高的球墨鑄鐵合金的方 法，其中所述合金得到的硬度在室溫下按布氏硬度數(shù)在187BHN 241 BHN范圍中。
14. 如權(quán)利要求8所述的生產(chǎn)高溫強度提高的球墨鑄鐵合金的方 法，其中得到的伸長延展性百分數(shù)在室溫下超過10%。
15. 如權(quán)利要求8所述的生產(chǎn)高溫強度提高的球墨鑄鐵合金的方 法，其包括，在空氣冷卻步驟之前，通過在75(TC下熱浸泡最終產(chǎn)品正 火所述合金200小時的步驟。
全文摘要
一種鐵基高硅合金含有(以重量％計)2.6％～3.5％的碳、3.7％～4.9％的硅、0.45％～1.0％的鈮、多達0.6％的錳、多達0.02％的硫、多達0.02％的磷、多達0.5％的鎳、多達1.0％的鉻、多達0.1％的鎂，余量為鐵和多達0.2％的其它元素。圖3是本發(fā)明所述合金微結(jié)構(gòu)的一個實例，其基本顯示了鐵素體晶粒結(jié)構(gòu)(20)和球狀石墨(22)。該合金耐熱，適用于生產(chǎn)在汽車和卡車制造工業(yè)中使用的渦輪增壓器、中心外殼、支撐板、排氣歧管和集成渦輪歧管以及其他用途。
文檔編號C22C37/00GK101300368SQ200580051593
公開日2008年11月5日 申請日期2005年9月15日 優(yōu)先權(quán)日2005年9月15日
發(fā)明者拜平·H·夏 申請人:格瑞得鑄造公司