专利名称：：具有高温强度和高抗氧化性的高硅铁素体耐热铸铁的制作方法
技术领域：
：io本发明涉及具有优异的高温强度和/或抗氧化性的高硅铁素体耐热铸铁。更具体地，本发明涉及具有优异的高温抗裂性和/或抗氧化性的高硅球墨铸铁，其可以适合应用于各种经受重复加热和冷却过程的车辆排气系统部件，例如排气歧管和涡轮外壳。1
背景技术：
：通常，使用FCD-HS、SiMo铸铁作为各种车辆排气歧管的材料。通过向现有的球墨铸铁中加入Si、Cr、Mo等以改善高温下的抗氧化性和物理化学性质，可以制成这些材料。通常，采用耐热铸铁的排气系统的温度范围为大约63(TC至750°C。20但是，随着最近车辆发动机功率的增加，排气的温度己经迅速升高至最高S9(TC，这样便导致一些缺点使得排气歧管的负担大为增加，并且由于高温下的氧化皮对催化剂造成损害。由于排气歧管伴随有热膨胀和收縮，这使得排气歧管反复暴露于高温和低温，排气温度升高导致的一个附加缺陷是排气歧管材料可能25发生热变形，这反过来导致表面氧化并进而产生贯穿性裂缝。这些表面氧化和贯穿性裂缝常常发生于排气歧管的排气口部分或连接部分，这些部分相对于其它部分较弱，其原因可能是排气口部分很薄，并受到相关冷却所致金属结构不平衡的显著影响。最近，车辆发动机的高速性能已通过提高排气温度得以改进，人30们己进行了各种提高排气温度的尝试。为了成功实现这一结果，有必要开发一种耐热变形性和/或抗氧化性改善的耐热性铸铁材料。迄今，含大约4-5%硅的球墨铸铁已经得到广泛使用，因为它们的铸造性能良好，并且制造成本相对较低。这种高硅球状石墨通常含有，例如，3.5-5.0wt。/。的硅。如果硅含量不超过4.0wt%，则其相对于传统石墨铸铁在抗氧化性方面没有差5异。另一方面，如果硅含量超过4.5wtM，硬性和脆性的硅铁素体则作为掺杂物分离至基体组织中，从而损害室温下的延展性以及机械加工性。因此，高硅铸铁材料的硅含量局限于4.0-4.5wt%。考虑到这些问题，已经使用含有一定量镍的高镍奥氏体铸铁作为用于排气系统部件、能够克服排气高温的耐热球墨铸铁。io但是，由于高镍球墨铸铁包括大约25-35wtM的镍，制造成本较高。此外，铸造性能和机械加工性能相对较低。或者，日本专利公开第1997-087796号公开了一种包括2.7-3.2wt%的C、4.4-5.0wt。/o的Si、0.6wt。/o或更少的Mn、0.5-1.0wt。/o的Cr、0.1-1.0wt。/。的Ni、1.0wt。/。或更少的Mo、0.1%或更少的球化剂、余量为Fe的15耐热球墨铸铁。此外，日本专利公开第2002-371335号公开了一种包括2.5-4.1wt。/o的C、3.4-5.0wt。/o的Si、1.0wt。/o或更少的Mn、0.1wt。/o或更少的P、0.01wt。/o或更少的S、0.02-0.10wt。/o的Mg、0.1-1.5wt。/o的Mo、0.5-2.0wtM的Ni、余量为Fe的抗氧化性优异的排气部件用耐热球墨铸铁。20但是，仍然需要有耐热变形性和抗氧化性均高于上述专利公开内容的耐热铸铁。本发明
背景技术：
部分的内容仅仅是为了增强对发明背景的理解，而不应当视作认可或以任何方式暗示这些信息构成现有技术并已经为本领域技术人员所公知。2
发明内容一方面，本发明提供了包括5.0-7.0wt。/。硅的铁素体耐热铸铁，以提高铸铁的抗氧化性。在本发明的优选实施方式中，铸铁可以进一步包括0.01-0.1wt%30铬，以进一步提高抗氧化性。在另一个优选实施方式中，本发明的铸铁可以进一步包括0.5-1.2Wtn/。钼，以提高高温强度。在又一个优选实施方式中，本发明的铸铁可以进一步包括0.5wt%或更少的钒，以提高高温强度。另一方面，本发明提供了高温强度和抗氧化性改善的高硅铁素体5耐热铸铁，其包括2.5-3.8wt。/o的碳(C)、5.0-7.0wt。/o的硅(Si)、0.2-0.8wt。/。的锰(Mn)、0.05wt。/。或更少的磷(P)、0.02wt。/。或更少的硫(S)、0.5-1.2wt。/。的钼(Mo)、0.1wt。/。或更少的镍(Ni)、0.5wt。/。或更少的钒(V)、0.01-0.1wt。/。的铬(Cr)、0.05wt。/。或更少的锑(Sb)、和余量的铁(Fe)。io又一方面，本发明提供了一种具有高温强度和高抗氧化性的高硅铁素体耐热铸铁的制备方法，该方法包括以下步骤(a)铸造包括2,5-3.8wt。/o的C、5.0-7.0wt。/o的Si、0.2-0.8wt。/o的Mn、0.05wt。/o或更少的P、0.02wty。或更少的S、0.5-1.2wt。/()的Mo、0.1wtM或更少的Ni、0.5wt。/o或更少的V、0.01-0.1wt。/o的Cr、0.05\^%或更少的Sb、和余15量Fe的铁合金材料；和(b)通过使温度以2(TC/分钟的速率升高至960°C、使升高的温度保持20分钟、并使温度以2(TC/分钟的速率缓慢冷却至40(TC的方式，对铸铁进行退火。进一方面，提供了包括所述铸铁的机动车辆。本文所用的术语"车辆"或"车辆的"或其它类似术语应当理解20成包括通常的机动车辆，例如，载客汽车(包括运动型多功能车(SUV)、公共汽车)、卡车、各种商用车辆、船只(包括各种艇和船舶)、飞行器、和类似物。下文讨论本发明的其它方面。2图1显示了根据本发明的优选实施方式的高硅铁素体耐热铸铁的高温抗张力测试结果。图2显示了根据本发明的优选实施方式的高硅铁素体耐热铸铁的高温氧化测试结果。具体实施例方式如上文所述，本发明提供了一种高温强度和/或抗氧化性提高的高硅铁素体耐热铸铁及其制备方法。现在详细参考本发明的优选实施方式，下文所附附图对其中的实5施例进行说明，全文中相同参考数字代表相同元件。下文对实施方式进行说明，以便参考附图解释本发明。本发明优选的高硅球墨铸铁材料具有优异的氧化性能和机械性能(如高温抗张强度)，从而可以合适地应用于排气系统的排气歧管和涡轮增压机的涡轮外罩。10本发明的高硅铸铁材料可以通过向具有基体组织的球墨铸铁中加入Si、Mo、Ni、V和Cr制造。为该目的，优选地，本发明的高硅耐热铸铁可以通过包括2.5-3.8wt。/o的C、5.0-7.0wt。/o的Si、0.2-0.8wt。/o的Mn、0.05wt。/o或更少的P、0.02wt。/。或更少的S、0.5-1.2wt。/。的Mo、0.1wt。/。或更少的Ni、0.5wt%15或更少的V、0.01-0.1wtM的Cr、0.05wto/o或更少的Sb、和余量Fe而制造。下面对本发明铸铁材料中所含各组分的加入原因和各含量具体限制范围的原因进行说明。(1)碳(C):2.5-3.8wt%20优选地，考虑到流动性降低和初生石墨析出，所加碳的含量应当限制为2.5-3.8wt%。(2)硅(Si):5.0-7.0wt%硅是石墨析出所包含的元素，考虑到基体的铁素体反应、抗氧化性增加、对从铁素体到奥氏体转变的协同作用、铸造过程中的熔体流25动和机械加工性能，所加硅的含量理想地限制为5.0-7.0wt%。(3)锰(Mn):0.2-0.8wt%由于锰分离至共晶团边界，其降低了从铁素体至奥氏体的转变温度，所加锰的含量应当限制为0.2-0.8wt%。(4)磷(P):0.05wt。/。或更少30由于磷形成滑石，所加磷的含量应当限制为0.05wt。/。或更少。(5)硫(S):0.02wt。/。或更少由于硫发生石墨球化，所加硫的含量理想地控制在0.02wt。/。或更少。(6)钼(Mo):0,5-1.2wt%加入的钼通过与碳结合形成沉淀的碳化物，降低平均热膨胀系数，5以降低高温下热应力的生成，从而提高高温应力。如果大量加入，它可以增加粒间碳化物的量以损害室温下的机械加工性能和延展性。因此，所加钼的含量理想地限制为0.5-1.2wt%。(7)镍(Ni):0.1wt。/n或更少为了提高室温延展性而加入镍，所加镍的含量应当限制为0.1wt%10或更少。(8)铬(Cr):0.01-0.1wt%加入铬作为形成氧化铬的元素，提高抗氧化性。由于如果大量加入，它可以损害机械加工性能，所加铬的含量应当限制为0.01-0.1wt%。(9)钒(V):0.5wt。/。或更少15加入钒来获得提高高温强度的效应，即，通过VC加强沉淀的效应，而所加钒的含量限制为0.5wt。/。或更少。加入超过0.5wt。/。的V不会产生任何加入0.5wtM或更少的V便可以得到的任何效果之外的效果。(10)锑(Sb):0.05wt。/。或更少20加入0.05Wt。/。或更少的Sb目的是获得以下效果通过增加石墨球数减少石墨元素之间的分离。如上文所述，另一方面，本发明提供一种具有高温强度和高抗氧化性的高硅铁素体耐热铸铁的制备方法。优选地，这种高硅铁素体耐热铸铁的优选制备方法可以合适地包括以下步骤(a)铸造包括2.5-3.825wt。/o的C、5.0-7.0wt。/。的Si、0.2-0.8wt。/o的Mn、0.05wto/o或更少的P、0.02wt。/。或更少的S、0.5-1.2wt。/。的Mo、0.1wt。/。或更少的Ni、0.5wt%或更少的V、0.01-0.1wt。/。的Cr、0.05wt。/。或更少的Sb、和余量Fe的铁合金材料；和(b)通过使温度以2(TC/分钟的速率升高至96(TC、使升高的温度保持20分钟、并使温度以2(TC/分钟的速率缓慢冷却至3040(TC的方式，对铸铁进行退火。在步骤(a)中，本发明的铸铁材料可以通过本领域技术人员公知的任何方法制造。在本发明的优选实施方式中，步骤(b)的退火过程可以合适地以下列方式进行使温度以20'C/分钟的速率升高至96(TC，使升高的温度保持20分钟，并使温度以20'C/分钟的速率缓慢冷却至400°C。5如上文所述制造的本发明的高硅铸铁包括通过将钒(V)加入到基体中形成的碳化钒(VC)，该基体组织提高了高温强度。而且，所加的钼(Mo)提供了铁素体的固溶液强化作用，以提高高温强度。生成与氧化物层和基体之间的界面密切相关的Fe2Si04是合乎需io要的，以尽可能地提高抗氧化性。为这一目的，向铸铁材料中加入5.0wt。/。或更多的Si是必须或理想的。但是，尽管Si元素除提高抗氧化性之外还提高了从铁素体至奥氏体的转变温度，如果Si含量超过4.4wty。的话，铁素体硬度将会增加至损害铁素体延展性。因此，在本发明中，Si含量高的铸铁材料经受15上述的退火加工，以确保抗氧化性，并防止铸造后延展性受损。因此，本发明的高硅铸铁能够显示极好的耐热性能和抗氧化性，并能够适用于高功率车辆发动机的排气歧管。以下实施例用来进一步说明本发明的各个方面，但是绝非对本发明的范围进行任何限制。20实施例为了制备根据本发明优选实施方式的高硅铁素体耐热铸铁材料，通过常规釆用的铸造方法铸造包括2，8wt。/。的C、5.1wtM的Si、0.35wt。/。的Mn、0.042wt。/。的P、0.008wt。/。的S、0.8wt。/o的Mo、0.03wt%25或更少的Ni、0.3wt。/。或更少的V、0.04wt。/。的Cr、0.02wt。/。的Sb、和余量Fe的铸铁合金材料，如下文表l所示。将得到的铸铁通过下列方式进行退火使温度以2(TC/分钟的速率升高至96(TC，使升高的温度保持20分钟，并使温度以2(TC/分钟的速率缓慢冷却至40(TC，然后进行空气冷却。表1<table>tableseeoriginaldocumentpage9</column></row><table>比较例l如图1所示，通过铸造包括3.31wt。/。的C、4.16wt。/。的Si、0.32wt%5的Mn、0.048wt。/o的P、0.03wt。/o的S、0.65wt。/o的Mo、0.03wt。/o的Ni、0.02wt。/o的Cr、0.026wt。/o的Mg、和余量Fe的铸铁合金材料，制备传统上作为排气歧管材料使用的耐热球墨铸铁。比较例2io如图1所示，通过铸造包括3.69wt。/。的C、2.84wt。/。的Si、0.26wt%的Mn、0.042wt。/。的P、0.02wt。/。的S、0.45wt。/。的Mo、0.13wt。/o的Ni、0.06wt。/。的Cr、0.034wt。/。的Mg、和余量Fe的铸铁合金材料，制备传统上作为排气歧管材料使用的另一种耐热球墨铸铁。15实验实施例l:高温抗张强度为了对实施例和比较例1和2中制备的样品的性能进行比较，通过常规使用的装置进行高温抗张测试。如图1所示，实施例的样品在排气系统的苛刻条件800'C的表面温度下，表现出的高温抗张强度最高。抗张强度提高是加入Mo而获得20固溶液强化效应和加入V而获得VC沉淀强化效应的结果。而且，证实所加成分的组合提供了更为增强的高温强度效应。麯雄伊J2:蝻絲她为了对实施例和比较例1和2中制备的样品的性能进行比较，通25过常规使用的装置进行高温氧化测试。如图2所示，实施例的样品显示出的氧化还原最低，这是因为生成的Fe2Si04与氧化物层之间的界面密切相接，从而提高了基于Si含量的抗氧化性。如上文所述，本发明的高硅铁素体耐热铸铁可以改善产品铸铁的高温性能、高温抗氧化性。此外，这种铸铁可以通过节约成本的方法制造。本发明已经参考其优选实施方式进行了详细说明。但是，应当认识到，本领域技术人员可以在不偏离本发明所附权利要求所限定的精神和技术范围的前题下，对本发明进行各种修改和变化。权利要求1.一种高温强度和抗氧化性改善的高硅铁素体耐热铸铁，包括2.5-3.8wt％的C、5.0-7.0wt％的Si、0.2-0.8wt％的Mn、0.05wt％或更少的P、0.02wt％或更少的S、0.5-1.2wt％的Mo、0.1wt％或更少的Ni、0.5wt％或更少的V、0.01-0.1wt％的Cr、0.05wt％或更少的Sb、和余量Fe。2.—种高温强度优异且抗氧化性高的高硅铁素体耐热铸铁的制备io方法，该方法包括以下步骤(a)铸造包括2.5-3.8wt%的C、5.0-7.0wt%的Si、0.2-0.8wt%的Mn、0.05wt%或更少的P、0.02wt%或更少的S、0.5-1.2wt%的Mo、0.1wt%或更少的Ni、0.5wt%或更少的V、0.01-0.1wt%的Cr、0.05wt%或更少的Sb、和余量Fe的铁合金材料；以及15(b)通过使温度以20℃/分钟的速率升高至960℃、将升高的温度保持20分钟、并使温度以20℃/分钟的速率缓慢冷却至400℃的方式，对所述的铸铁进行退火。3.—种机动车辆，包括根据权利要求1所述的铸铁。4.一种机动车辆，包括根据权利要求2所述的方法制成的部件。全文摘要本发明涉及一种包括5.0-7.0wt％硅(Si)的铁素体耐热铸铁，以提高铸铁的抗氧化性，并涉及所述铸铁的制备方法。文档编号C22C37/10GK101165200SQ20061016330公开日2008年4月23日申请日期2006年11月30日优先权日2006年10月18日发明者辛昊哲申请人:现代自动车株式会社