CN108699661A

CN108699661A - 高温强度优异的奥氏体钢

Info

Publication number: CN108699661A
Application number: CN201780014102.0A
Authority: CN
Inventors: 金亨俊; 张成植; 金基容; 李圣鹤; 郑胜文; 赵庸熙
Original assignee: Kai Yang Precision Co; Academy Industry Foundation of POSTECH
Current assignee: Kai Yang Precision Co; Academy Industry Foundation of POSTECH
Priority date: 2016-11-25
Filing date: 2017-11-22
Publication date: 2018-10-23
Also published as: KR101809853B1; WO2018097604A1

Abstract

本文涉及在用低成本的合金元素替代诸如涡轮增压器在极高温度下使用的耐高温不锈钢中大量包含的昂贵的合金元素Ni的同时，还能够实现等于或高于传统耐热不锈钢的高温物性。本发明的奥氏体钢，其特征在于，包含C:0.4至0.5重量％、Si:1.0至2.0重量％、Mn:5.0至8.0重量％、Ni:13.5至16.5重量％、Cr:23至26重量％，其余为Fe和其他不可避免的杂质，以及所述合金元素中Mn含量与Ni含量的比率，C_Mn/C_Ni保持在0.3至0.9的范围内。

Description

高温强度优异的奥氏体钢

技术领域

本发明涉及一种高温强度优异的奥氏体钢，更具体地，涉及一种诸如涡轮增压器或汽车排气***等用于高温的耐热不锈钢，其在将其中包含的昂贵的合金元素镍(Ni)用低成本的合金元素替代的同时，还能够实现等于或高于现有的耐热不锈钢的高温物性。

背景技术

高温用奥氏体钢不仅具有优异的硬度、强度、热机械疲劳寿命和断裂韧性，而且具有热稳定的微观组织，因此其用于汽车的涡轮增压器或排气***。

涡轮增压器通过向发动机的气缸内部压缩而供应大量空气来提高发动机的输出，并且具有以下结构：其通过利用从发动机排出的废气带动涡轮壳体内的涡轮轮旋转，且传递涡轮轮旋转时产生的旋转力带动用于压缩大气中的空气的压缩机壳体内的压缩机轮旋转而向发动机供应。

由于容纳涡轮轮的涡轮壳体与从发动机排出的800至900℃的废气持续地接触，使得涡轮壳体随着发动机的输出而受到极高的热冲击，因此，涡轮壳体需要在高温下具有优异的强度并且能够持续保持其形状的性能。

作为这种涡轮壳体的材料，目前使用诸如SCH 22型耐热不锈钢等高温用奥氏体钢。这种耐热不锈钢为了在高温下提高奥氏体组织的稳定性，添加20重量％以上的昂贵的合金元素Ni，这使得成为增加涡轮壳体制造成本的一个原因。

为了解决这些问题，韩国专利公开第2016-0091041号公开了一种通过包含C:0.4至0.5重量％、Si:1.0至2.0重量％、Mn:1.0至2.0重量％、Ni:9.0至12.0重量％、Nb:1.0至2.5重量％、W:0.5至3.5重量％、其余为Fe和其他不可避免的杂质的合金来显著降低Ni的含量并且通过添加Nb和W而提高可铸性和高温强度的技术。

然而，为了替代Ni而添加的Nb和W不仅是昂贵的合金元素，而且在Nb的情况下虽然可以改善可铸性，但是当形成Nb碳化物时存在增大合金的脆性的问题。

发明内容

技术课题

本发明的目的是提供一种奥氏体钢，其通过降低Ni的含量以低成本制造，同时，通过最小化微观组织上铁素体相的形成而将M₇C₃相的比率保持在一定水平以上，从而在高温下可以实现优异的强度。

解决课题手段

用于解决上述课题的本发明的一个方面是提供一种具有优异的高温强度的奥氏体钢，其包含C:0.4至0.5重量％、Si:1.0至2.0重量％、Mn:5.0至8.0重量％、Ni:13.5至16.5重量％、Cr:23至26重量％，其余为Fe和其他不可避免的杂质，所述合金元素中作为Mn含量与Ni含量的比率的C_Mn/C_Ni保持在0.3至0.9的范围内。

发明效果

本发明的奥氏体钢通过如下合金设计：在高温下保持奥氏体组织，并且为了Ni达到预定的比率使用相对廉价的Mn替代并除去Nb和W，并且通过最小化铁素体相的形成将M₇C₃相的比率保持在一定水平以上，使900℃下的高温强度高达125MPa以上，并且形状保持性能优异，可以适用于涡轮增压器的涡轮壳体。

另外，与含有20％以上的Ni的奥氏体钢相比，本发明的奥氏体钢可以节省20％以上的成本。

附图说明

图1示出了本发明的实施例1和2以及比较例1至3的奥氏体钢的XRD分析结果。

图2是本发明的实施例2和比较例3的微观组织照片。

图3示出了本发明的实施例2的微观组织照片和碳(C)和铬(Cr)的EDS映射结果。

图4示出了本发明的比较例1的微观组织照片和碳(C)和铬(Cr)的EDS映射结果。

图5示出了本发明的实施例1和2以及比较例1至3的奥氏体钢在25℃下进行抗拉试验的结果。

图6示出了本发明的实施例1和2以及比较例1至3的奥氏体钢在900℃下进行高温抗拉试验的结果。

具体实施方式

用于描述本发明的实施例的单数形式除非那些词句明确地表示相反的含义，否则也意味着包含复数形式。并且包含的含义是指将特定特征、区域、整数、步骤、动作、元素和/或成分具体化，并不排除其他特定特征、区域、整数、步骤、动作、元素、成分和/或组的存在或添加。

虽然没有另外定义，本文使用的包括技术术语和科学术语的所有术语具有与本发明所属领域的普通技术人员通常理解的含义相同的含义。另外，通常使用的词典中定义的术语除非进一步解释和定义为具有符合相关技术文献和本公开内容的含义，否则不应被解释为理想或非常正式的含义。

本发明的发明人在排除诸如Nb和W等昂贵的且能形成碳化物的元素并且实现能够承受900℃以上高温环境的高温强度的同时，对能够降低Ni含量的合金进行研究的结果发现，作为奥氏体系钢，当为了在高温下保持奥氏体组织而大量添加的Ni的含量略有减少并且Mn以预定比率替代而不使用诸如Nb和W等合金元素的情况下，可以实现优异的高温强度，从而实现本发明。

本发明的奥氏体钢，其特征在于，包含C:0.4至0.5重量％、Si:1.0至2.0重量％、Mn:5.0至8.0重量％、Ni:13.5至16.5重量％、Cr:23至26重量％，其余为Fe和其他不可避免的杂质，以及所述合金元素中Mn含量与Ni含量的比率：C_Mn/C_Ni保持在0.3至0.9的范围内。

选定本发明的奥氏体钢的组成理由如下。

C:0.4至0.5重量％

众所周知，C是强奥氏体稳定化元素，并且由于固溶强化于基体组织中而在高温强度中起重要作用。除此之外，通过与本发明中包含的诸如Cr等合金元素形成碳化物，改善了液相的可铸性并提高了高温强度。为了获得这种C的效果，需要0.4重量％以上的碳，当其超过0.5重量％时，由于碳化物的粗化可能会导致整体机械特性和抗蠕变性的劣化，因此优选上述范围。

Si:1.0至2.0重量％

Si具有提高高温抗氧化性的效果，并且在熔融合金中用作还原剂。Si通过帮助防止Cr氧化来提高抗氧化性。由Si形成的氧化硅颗粒在通过Cr在合金表面上形成的覆膜下析出，以帮助形成钝化膜并抑制Cr离子无端泄漏。Si的这种效果在高温下进一步增强。当小于1.0重量％时，难以充分获得所述Si的效果，而当过量添加Si时，由于高温抗蠕变性降低，并且作为铁素体稳定化元素使奥氏体基体组织不稳定，因此添加2.0重量％以下。更优选地，Si的含量为1.0至1.5重量％。

Mn:5.0至9.0重量％

Mn起到奥氏体稳定化元素的作用，并且与Si类似地在熔体中用作还原剂。由于本发明的奥氏体钢降低了Ni含量，当Mn的含量小于5.0重量％时，难以保持奥氏体组织，而当超过9.0重量％时，高温下的抗氧化性和高温成型性降低，因此保持在9.0重量％以下。更优选地，Mn的含量为5.5至8.0重量％。

Ni:13.5至16.5重量％

Ni作为奥氏体稳定化元素，是提高包含韧性的各种机械特性、耐蚀性以及抗氧化性的必需元素，而当小于13.5重量％时，降低高温强度，因此不优选，而当超过16.5重量％时，使减少制造成本的效果降低，因此不优选。

Cr:23至26重量％

Cr作为不锈钢优异的抗氧化性和耐蚀性的最重要元素，在合金表面形成Cr2O3形态的稳定的钝化膜，以提高耐蚀性。Cr的含量越高，耐蚀性越强，并且还有助于提高高温下的抗氧化性和耐蚀性。为了提高耐蚀性，Cr优选添加23重量％以上，Cr作为铁素体稳定化元素，当过量添加时可以形成铁素体相，从而可以形成大量的碳化物，因此限制在26重量％以下。

Mn含量与Ni含量的比率，C_Mn/C_Ni 0.3至0.9

当所述合金元素中Mn含量与Ni含量的比率小于0.3时，Ni替代量不足并且经济性不高，而当超过0.9时，不能获得优异的高温强度，因此不优选。更优选的范围是0.3至0.6。

另外，本发明的奥氏体钢在900℃下的抗拉强度为125MPa以上，优选为128MPa以上，更优选为130MPa以上。

P:0.04重量％以下

P是不可避免地作为杂质混入的成分，P可能在合金中偏析并对合金的物理性质产生负面影响，因此优选保持在0.04重量％以下，更优选地，0.03重量％以下。

S:0.04重量％以下

S在合金中形成诸如MnS等硫化物以提高合金的可加工性，但是，由于硫化物降低了合金的整体性能，因此优选保持在0.04重量％以下。

另外，本发明的奥氏体钢为了在高温下稳定地保持奥氏体组织，优选由下式1表示的Ni_eq为31至32、由下式2表示的Cr_eq为25至28。

[式1]

Ni_eq＝％Ni+30％C+0.87％Mn-0.33％Cu+30(％N-0.045)

[式2]

Cr_eq＝％Cr+％Mo+％W+1.5％Si+0.5％Nb+5％V+3％Al

另外，本发明的奥氏体钢，当微观组织上铁素体组织的比率以面积比为1％以上时，在高温下降低稳定性，因此不优选，由于M₇C₃相起到提高常温和高温强度的作用，因此优选为2％以上，但为了增加M₇C₃相的面积比而增加Mn含量，则会增加铁素体相的面积比，因此M₇C₃相的面积比优选为2至3％。

[实施例]

下表1示出了本发明的奥氏体钢的实施例1、实施例2以及为了与实施例比较而改变Ni和Mn的比率的比较例1、比较例2和比较例3的组成。

表1

制备具有如上表所示的组成的5种原料，然后在溶解炉中溶解后，在1550℃至1600℃下出炉，并立即在1500℃至1550℃下将其注入于圆筒形试验片用铸型中以获得试验片。

对由此获得的试验片使用XRD和EBSD(电子背散射衍射)进行了相分析，使用显微镜和EDS进行了微观组织分析，并且在常温(25℃)和高温(900℃)下进行了抗拉试验并测量了相分数。

微观组织

图1示出了本发明的实施例1和2以及比较例1至3的奥氏体钢的XRD分析结果。图2是本发明的实施例2和比较例3的微观组织照片，图3示出了本发明的实施例2的微观组织照片和碳(C)和铬(Cr)的EDS映射的结果，图4示出了本发明的比较例1的微观组织照片和碳(C)和铬(Cr)的EDS映射结果。

如图1所示，在比较例1、比较例2、实施例1和实施例2中未检测到铁素体相的峰值，而在比较例3中部分地检测到铁素体相的峰值。

如下表2示出了使用EBSD测量如图3和4所示的钢的微观组织中铁素体相和M7C3相所占分数的结果。

表2

如上表2所示，本发明的实施例1未示出铁素体相，而如图2所示，在实施例2的情况下，检测到0.1％以下的极少量的铁素体。

Ni和Mn虽然不具有直接形成碳化物的碳化物成型剂的作用，但如上表2所示，随着Mn的替代量增加，M₇C₃相的分数趋于增加。由于M₇C₃相起到提高常温和高温强度的作用，因此有利于提高高温强度。然而，如比较例3所示，当Mn的含量增加时，铁素体相增加使奥氏体相的稳定性降低，从而使高温物性急剧劣化。因此，优选在将铁素体相抑制在1％以下(优选为0.1％以下)的同时增加M₇C₃相的分数。

常温和高温抗拉强度

图5示出了本发明的实施例1和2以及比较例1至3的奥氏体钢在25℃下进行抗拉试验的结果，图6示出了本发明的实施例1和2以及比较例1至3的奥氏体钢在900℃下进行高温抗拉试验的结果。

如下表3示出了图5和6的抗拉试验结果。

表3

如表3所示，与含有20重量％的Ni的比较例1和含有18重量％的Ni的比较例2相比，本发明的实施例1和实施例2显示出相同或更高的常温抗拉强度并且在高温抗拉特性下也显示出相同的特性。

与此相比，在Ni含量为12重量％的比较例3的情况下，虽然常温抗拉强度非常高，但高温抗拉强度显著降低，因此不适用于需要在900℃以上的温度下具有耐久性的涡轮增压器的壳体。

特别是与比较例1相比，本发明实施方式的奥氏体钢可以在将Ni含量降低4至6％的同时保持高温抗拉特性在同等以上水平，从而以低成本实现优异的高温特性。

Claims

1.一种高温强度优异的奥氏体钢，其包含C:0.4至0.5重量％、Si:1.0至2.0重量％、Mn:5.0至8.0重量％、Ni:13.5至16.5重量％、Cr:23至26重量％，其余为Fe和其他不可避免的杂质，

所述合金元素中Mn含量与Ni含量的比率，C_Mn/C_Ni保持在0.3至0.9的范围内。

2.如权利要求1所述的高温强度优异的奥氏体钢，其中，在所述杂质中P为0.04重量％以下、S为0.04重量％以下。

3.如权利要求1所述的高温强度优异的奥氏体钢，其中，在900℃下，抗拉强度为125MPa以上。

4.如权利要求1所述的高温强度优异的奥氏体钢，其中，所述奥氏体钢的由下[式1]表示的Ni_eq为31至32、由下[式2]表示的Cr_eq为25至28：

[式1]

Ni_eq＝％Ni+30％C+0.87％Mn-0.33％Cu+30(％N-0.045)

[式2]

Cr_eq＝％Cr+％Mo+％W+1.5％Si+0.5％Nb+5％V+3％Al。

5.如权利要求1所述的高温强度优异的奥氏体钢，其中，在所述奥氏体钢中包含的铁素体组织以面积比为小于1％。

6.如权利要求5所述的高温强度优异的奥氏体钢，其中，在所述奥氏体钢中包含的M₇C₃相以面积比为2至3％。

7.一种涡轮壳体，其由权利要求1至6中的任意一项所述的奥氏体钢制成。