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DCNX1奧氏體耐熱鋼高溫合金簡介
發(fā)布人：上海艾荔艾金屬材料有限公司www.bt990.com.cn
更新時間：2014-02-09
?1?概述?
近年來，由于地球變暖進一步加劇，減少CO2溫室氣體的排放成為世界性的主要課題。尤其是，汽車作為與日常生活關(guān)系最密切的CO2排放源，由于改善了燃燒效率和車身的輕量化降低了油耗，而且使用了混合動力汽車和電動汽車，因此大大減少了CO2的排放。另一方面，在以往使用汽油的汽車中，由于采用了渦輪增壓器，減少了發(fā)動機的排氣量。渦輪增壓器不僅可以提高發(fā)動機的輸出功率，而且可以使發(fā)動機小型化及輕量化。渦輪增壓器作為減少發(fā)動機排氣量的手段，其需求量已不斷增大。但是，由于采用渦輪增壓器后發(fā)動機的溫度會上升，燃燒效率得到改善，但排出的氣體溫度會進一步提高，因此要求渦輪增壓器的排氣部件要能夠承受更高的溫度。目前能夠承受高達(dá)1273-1323K的排出氣體溫度的材料很少。以前大同特殊鋼公司已經(jīng)開發(fā)出安裝渦輪的渦輪殼體用鐵素體和奧氏體耐熱鋼Starcast系列，可以適應(yīng)各種排出氣體溫度，但是，能夠承受1273-1323K高溫氣體的DCN4（26%Ni-2%W）、DCN5（26%Ni-4%W）和DCN6（40%Ni-6%W）等鋼種由于Ni和W的價格高、價格變化大，成本的穩(wěn)定性成為了問題。因此，開發(fā)了耐熱特性比DCN4和DCN5好的耐熱鋼DCNX1。DCNX1的Ni和W的添加量低、成本穩(wěn)定性好、能承受1323K的高溫。以下就其特性進行介紹。
2?實驗方法
2.1?試驗材料
DCNX1的基本組成以奧氏體耐熱鋼Starcast?DCN4和DCN5為基礎(chǔ)，將Ni添加量降到21%，相當(dāng)于DCN3添加量。W是主要的耐熱元素，取值為3。DCNX1高溫強度和熱疲勞特性比DCN4及DCN5更高。
根據(jù)以往的研究可知，在開發(fā)排氣裝置部件用新材料時，提高熱疲勞強度是很重要的，有效的辦法是提高材料的高溫強度，降低熱膨脹系數(shù)。另外，調(diào)查了基體成分、NbC和由Cr及W構(gòu)成的M23C6量對高溫強度和熱膨脹系數(shù)的影響，并計算了各種特性。結(jié)果表明添加Ni有助于降低熱膨脹系數(shù)，添加W有助于改善高溫強度。另一方面，碳化物與Ni和W一樣對高溫強度和熱膨脹系數(shù)都會產(chǎn)生相同的影響。因此，研究了采用增加碳化物量作為減少Ni和W添加量的替代手段。根據(jù)計算可知，NbC的影響比M23C6大，由此可以認(rèn)為，增加NbC的添加量是有效的手段。但是，有些專家認(rèn)為在25Ni-25Cr鑄鋼中如果出現(xiàn)共晶NbC的結(jié)晶，雖然在1311K時的蠕變斷裂壽命會延長，但如果Nb添加量過大，幾乎不會形成M23C6，反而會縮短蠕變斷裂壽命。因此決定不增加Nb添加量，而是通過增加C添加量，促使M23C6型的Cr碳化物量增加。與DCN4和DCN5相比，DCNX1由于增加了M23C6量，雖然奧氏體相中的固溶Cr有若干減少，但仍確保在20%以上。為進一步提高抗氧化性，增加了Si的添加量。???????
2.2?試驗方法
先采用高頻感應(yīng)爐在空氣中進行熔煉，然后鑄造成直徑22mm、長度160mm的棒狀JIS?G?0307?B號舟形試樣和外徑65mm、底面直徑31mm、邊角30°、厚15mm的圓盤狀試樣。接著，在1323K下進行消除應(yīng)力處理，然后用于各種試驗。從棒鋼中取出用于縱彈性模量、熱膨脹系數(shù)、抗拉、氧化和蠕變斷裂測定用的試樣；從圓盤狀試樣取出用于疲勞試驗的試樣。
各種試驗的試樣尺寸和試驗方法如下。所有試樣都是在假設(shè)與實際相同的情況下進行取樣的，以便使試驗部分的外徑表面和柱狀晶成垂直關(guān)系。
縱彈性模量
采用JIS?Z?2280標(biāo)準(zhǔn)和橫共振試驗法，試樣厚度2mm、寬度16mm、長度60mm，升溫速度0.17K/s。
◆?熱膨脹系數(shù)
采用示差膨脹分析法，試樣直徑5mm、長度19mm，升溫速度0.08K/s，計算出常溫下平均熱膨脹系數(shù)。
◆?抗拉強度
采用JIS?G?0567標(biāo)準(zhǔn)，試樣的直徑8mm、標(biāo)點間距離40mm。
◆?反復(fù)氧化試驗
采用JIS?Z?2282標(biāo)準(zhǔn)，試樣厚度3mm、寬度15mm、長度25mm，以在1273K保持1.8ks和在常溫下保持1.8ks為一循環(huán)試驗，共進行200次循環(huán)試驗。
◆?蠕變斷裂試驗
采用JIS?Z?2272標(biāo)準(zhǔn)，試樣的平行部直徑6mm、標(biāo)點間距離30mm。
◆?熱疲勞試驗
采用JIS?Z?2278標(biāo)準(zhǔn)，試樣為外徑45mm、中間壁厚7.5mm的圓盤形試樣。采用低溫和高溫二個流化床進行內(nèi)約束型疲勞試驗。以在高溫爐1323K中保持180s和在低溫爐423K中保持240s為一循環(huán)，共進行1000次循環(huán)試驗。
3?開發(fā)合金DCNX1
3.1?顯微組織
根據(jù)棒狀鋼錠中間橫斷面的顯微組織可知，無論是哪種合金，基本都在樹枝狀晶間部存在比較粗大的共晶狀碳化物，在其周圍存在細(xì)的析出碳化物。開發(fā)合金DCNX1的碳化物是DCN4和DCN5的1.5-2倍，C量越多，碳化物量越多，從M23C6和NbC的第一峰值的衍射強度比可知，M23C6的第一峰值的衍射強度比NbC高。
3.2?物理特性和力學(xué)特性
3.2?物理特性和力學(xué)特性
設(shè)定目前實際應(yīng)用環(huán)境的最高溫度1373K為高溫側(cè)的溫度上限，對熱膨脹系數(shù)、縱彈性模量、抗拉特性、抗氧化性、蠕變斷裂特性和內(nèi)約束型熱疲勞特性進行了調(diào)查。
3.2.1?熱膨脹系數(shù)
由373K-1373K的各溫度區(qū)間的平均熱膨脹系數(shù)可知，DCNX1的熱膨脹系數(shù)與DCN4和DCN5相同，增加碳化物量可以有效減少Ni和W的添加量，達(dá)到設(shè)計要求。這是因為W固溶于基體的奧氏體相可以降低熱膨脹系數(shù)，增加熱膨脹系數(shù)低的碳化物量可以彌補Ni和W的減少量。
3.2.2?縱彈性模量
由常溫-1323K的縱彈性模量可知，DCNX1的縱彈性模量比DCN4更高。這是因為DCNX1的組織增加了縱彈性模量高的碳化物的添加量。
3.2.3?抗拉特性
根據(jù)在1173K-1373K時的0.2%屈服強度和抗拉強度可知，DCNX1的0.2%屈服強度和抗拉強度比DCN4高。
3.2.4?抗氧化性
根據(jù)在常溫保持1.8ks和在1273K保持1.8ks的反復(fù)試驗的結(jié)果可知，無論哪種合金的重量都會隨著反復(fù)次數(shù)的增加而增加，但DCNX1的氧化量比DCN4少，具有良好的抗氧化性。這是因為增加Si的添加量有助于提高抗氧化性所致。
3.2.5?熱疲勞特性
DCNX1的尺寸變化量與DCN4和DCN5基本相同。另外，開發(fā)合金的裂紋總長度比以往合金低，可有效抑制裂紋的發(fā)生，具有良好的熱疲勞特性。
3.2.6?蠕變斷裂特性
根據(jù)1273K時蠕變斷裂試驗結(jié)果可知，DCNX1的蠕變斷裂強度比DCN4和DCN5高。
4?結(jié)束語
1）?DCNX1通過增加M23C6的添加量可以彌補因Ni和W的添加量減少而出現(xiàn)的高溫強度下降和熱膨脹系數(shù)增大的缺陷，尤其是增加Si的添加量可以提高抗氧化性，結(jié)果高溫強度、抗氧化性和熱疲勞特性都比以往合金DCN4和DCN5高。
2）?DCNX1作為車載渦輪殼體用材料具有良好的耐熱特性，是一種具有成本優(yōu)勢的材料。
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