奥氏体耐热铸钢及其制造方法
【专利说明】奥氏体耐热铸钢及其制造方法
[0001] 发明背景 1.发明领域
[0002] 本发明涉及奥氏体耐热铸钢，特别是热疲劳特征优异的奥氏体耐热铸钢。
[0003] 2.现有技术描述
[0004] 奥氏体耐热铸钢已被用于车辆的排气系统部件等，例如排气集管、涡轮壳体等。这 类组件暴露于高温和严苛使用环境下。为使组件具有优异的热疲劳特征，认为需要高温强 度特征和从室温至高温的韧性是优异的。
[0005] 从这一角度，例如日本专利申请公开No. 07-228950(JP07-228950A)建议了包含 0. 2-0. 6质量％的C、2质量％或更少的Si、2质量％或更少的Mn、8-20质量％ Ni、15-30质 量％ Cr、0. 2-1质量％ Nb、1-6质量％ W、0. 01-0. 3质量％ N以及余量Fe和不可避免的杂质 的奥氏体耐热铸钢。这类耐热铸钢以这样的方式得到：将通过将包含上述组分的材料作为 原料熔融而得到的熔融金属在1000°C和2小时的加热条件下热处理以除去铸造以后的残 余应力。
[0006] 另外，日本专利申请公开No. 06-256908(JP06-256908A)建议了具有由 0. 20-0. 60质量％的C、2. 0质量％或更少的Si、1. 0质量％或更少的Mn、4. 0-6. 0质量％的 Ni、20. 0-30. 0质量％ 的 Cr、1. 0-5. 0质量％ 的 W、0. 2-1. 0质量％ 的 Nb、0. 05-0. 2质量％ 的 N以及余量Fe和不可避免的杂质构成的组成的耐热铸钢。耐热铸钢具有20-95%奥氏体相 和剩余铁素体相的两相结构。
[0007] 然而，由于JP07-228950A中所述的奥氏体耐热铸钢在结构的大部分中包含奥氏 体晶粒，尽管在高温下的拉伸强度高，但因为过度包含奥氏体晶粒，热膨胀系数大且热疲劳 特征不足。
[0008] 另一方面，由于JP06-256908A中所述的耐热铸钢是奥氏体相和铁素体相的两相 耐热铸钢，因此由如上所述奥氏体晶粒导致的热膨胀可被降低。然而，铁素体相本身作为晶 粒存在于结构中。因此，由于比奥氏体晶粒更软的铁素体晶粒，高温下的拉伸强度不高。因 此，尽管JP06-256908A中所述的耐热铸钢抑制热膨胀，高温下的拉伸强度小于常规奥氏 体耐热铸钢，因此，热疲劳特征不足。
[0009] 发明概述
[0010] 本发明提供可通过抑制热膨胀同时保持高温下的拉伸强度而改进热疲劳特征的 奥氏体耐热铸钢及其制造方法。
[0011] 本发明的发明人进行了许多实验和研究，认为重要的是由于奥氏体晶粒确保奥氏 体耐热铸钢在高温下的拉伸强度并通过铁素体相抑制奥氏体耐热铸钢的热膨胀。具体而 言，新发现用奥氏体晶粒作为基体结构，通过不使铁素体相围绕奥氏体晶粒结晶（不是均 匀地布置），而是通过使细铁素体相插在奥氏体晶粒之间，可在高温下保持奥氏体耐热铸钢 的拉伸强度。
[0012] 本发明基于本发明发明人的新发现。本发明第一方面涉及包含0. 1-0.6质量％的 C、1. 0-3. 0质量％的Si、0. 5-1. 5质量％的Mn、0. 05质量％或更少的P、0. 05-0. 3质量％的 S、14-20质量％的Cr、9-16质量％的Ni、0. 1-0. 2质量％的N以及余量Fe和不可避免的杂 质的奥氏体耐热铸钢。奥氏体耐热铸钢的基体结构由奥氏体晶粒构成，且铁素体相分散并 介于奥氏体晶粒之间以覆盖奥氏体晶粒。
[0013] 本发明奥氏体耐热铸钢的基本组分为铁（Fe)基奥氏体耐热铸钢，当其总量设置 为100质量％ (下文简称为"％"）时，包含上述范围内的上述组分碳（C)、硅（Si)、锰（Mn)、 磷（P)、硫（S)、铬（Cr)、镍（Ni)和氮（N)。由于基体结构由奥氏体晶粒构成且铁素体相分 散并介于奥氏体晶粒之间以覆盖奥氏体晶粒，同时通过抑制热膨胀而抑制奥氏体耐热铸钢 在高温期间的拉伸强度，可改进热疲劳特征。
[0014] 即，铁素体相本身不作为晶粒存在于结构中，而是分散使得铁素体相覆盖奥氏体 晶粒。因此，由于奥氏体晶粒本身，奥氏体耐热铸钢在高温期间的拉伸强度可改进。另外， 由于铁素体相本身具有比奥氏体相小的热膨胀系数，可抑制奥氏体耐热铸钢的热膨胀。作 为这样的结果，奥氏体耐热铸钢的热疲劳特征与以往相比显著地改进。
[0015] 本发明第二方面涉及包含0. 1-0. 6质量％的C、l. 0-3. 0质量％的Si、0. 5-1. 5质 量％的Mn、0. 05质量％或更少的P、0. 05-0. 3质量％的S、14-20质量％的Cr、9-16质量％ 的Ni、0. 1-0. 2质量％的N、l. 0-3. 0质量％的Cu以及余量Fe和不可避免的杂质的奥氏体 耐热铸钢。奥氏体耐热铸钢的基体结构由奥氏体晶粒构成且铁素体相分散并介于奥氏体晶 粒之间以覆盖奥氏体晶粒。当奥氏体耐热铸钢进一步包含上述范围内的铜（Cu)时，Cu溶 于奥氏体晶粒中。因此，可进一步改进奥氏体耐热铸钢的拉伸强度。作为这样的结果，可进 一步改进奥氏体耐热铸钢的热疲劳特征。
[0016] 现在，当Cu含量小于1质量％时，不能以所述程度预期由于引入Cu而改进奥氏体 耐热铸钢的拉伸强度。另一方面，当Cu含量超过3质量％时，不仅不能预期奥氏体耐热铸 钢的拉伸强度改进更多，而且奥氏体耐热铸钢的热膨胀急剧提高。作为这样的结果，与不包 含Cu的奥氏体耐热铸钢相比，奥氏体耐热铸钢的热疲劳特征可能容易劣化。
[0017] 铁素体相的面积比相对于奥氏体耐热铸钢的总结构可以在1-10%范围内。从下文 所述本发明发明人的实验中也获悉，当铁素体相以该面积比被包含时，奥氏体耐热铸钢的 热疲劳特征可能更加确定地比以往改进更多。
[0018] 即，当铁素体相的面积比相对于奥氏体耐热铸钢的总结构小于1%时，奥氏体耐热 铸钢的热膨胀变得更大。作为这样的结果，奥氏体耐热铸钢的热疲劳特征可能劣化。
[0019] 另一方面，当铁素体相的面积比相对于奥氏体耐热铸钢的总结构超过10%时，铁 素体相倾向于作为晶粒存在于结构中。作为这样的结果，奥氏体耐热铸钢的拉伸强度在高 温期间降低，且奥氏体耐热铸钢的热疲劳特征可能劣化。
[0020] 本发明第三方面涉及制造奥氏体耐热铸钢的方法。该方法包括，铸造步骤：由包含 0. 1-0. 6质量％的C、l. 0-3. 0质量％的Si、0. 5-1. 5质量％的Mn、0. 05质量％或更少的P、 0? 05-0. 3质量％的S、14-20质量％的Cr、9-16质量％的Ni、0. 1-0. 2质量％的N以及余量 Fe和不可避免的杂质的熔融金属铸造铸钢；和热处理步骤：将铸钢在700°C至800°C的加热 温度和20-300小时的加热时间的加热条件下热处理。
[0021] 根据本发明，在铸造步骤中，当以作为奥氏体耐热铸钢的基础组分的铁（Fe)作为 基础，总量设置为100质量％ (下文简称为" ％ "加入上述范围内的上述组分碳（C)、硅 (Si)、锰（Mn)、磷（P)、硫（S)、铬（Cr)、镍（Ni)和氮（N)时，将混合物熔融并制备熔融金属。 当将熔融金属浇铸到指定模具等中并冷却时，可由熔融金属铸造铸钢。
[0022] 接着，在热处理步骤中，在上述热处理条件下对铸钢应用热处理。因此，可得到其 中基体结构由奥氏体晶粒构成且铁素体相分散并介于奥氏体晶粒之间以覆盖奥氏体晶粒 的结构。另外，铁素体相的面积比相对于奥氏体耐热铸钢的总结构为1-10%。
[0023] 作为这样的结果，可得到奥氏体耐热铸钢结构。因此，当通过抑制热膨胀保持奥氏 体耐热铸钢在高温期间的拉伸强度时，可改进热疲劳特征。
[0024] 本发明第四方面涉及制造奥氏体耐热铸钢的方法。该方法包括：铸造步骤：由 0. 1-0. 6质量％的C、l. 0-3. 0质量％的Si、0. 5-1. 5质量％的Mn、0. 05质量％或更少的P、 0? 05-0. 3 质量％ 的 S、14-20 质量％ 的 Cr、9-16 质量％ 的 Ni、0. 1-0. 2 质量％ 的 N、1. 0-3. 0 质量％的&1以及余量Fe和不可避免的杂质组成的熔融金属铸造铸钢，和热处理步骤：将铸 钢在700°C至800°C的加热温度和20-300小时的加热时间的加热条件下热处理。当上述范 围内的铜（Cu)进一步加入熔融金属中时，Cu溶于奥氏体晶粒中。因此，可进一步提高奥氏 体耐热铸钢的拉伸