含铌耐热铸钢在汽车零件中的应用

含铌耐热铸钢在汽车零件中的应用KeijiroHayashi,KokiOtsuka,KenjiItoh（日立金属有限公司铸造技术研究室）摘要：日立金属有限公司铸造技术研究室开发了一种专门用于汽车发动机排气系统的新型耐热铸钢。新型铸钢牌号为HERCUNETE-SA3N，奥氏体基体，其化学组成为20％Cr-10%Ni-3%W-2%Nb，该钢种在600℃以上比其他同类材料的强度高，在900℃表现出很好的抗氧化性能。另外，A3N与奥氏体结构的铸铁NiresistD5S相比具有更高的抗热疲劳强度。在汽车排放气体这样高的温度下A3N铸钢具有优良性能，因此该钢种可以用来制造排气歧管和涡轮机外壳。1引言全世界范围内正逐步并有效地开展保护全球环境的运动。为适应这场运动，高效、高性能和低排放的汽车发动机已经和正在研制。这些新型发动机必然会产生较高温度的排放气体。因而目前所使用的排气歧管和涡轮机外壳在此条件下工作就必然会产生如氧化、热变形或热裂等问题。这就促使我们发展新型材料来制造排放零部件以满足其在高温条件下使用的要求。图1：制造高温排气系统的耐热材料的发展过程图1所示为目前应用于排放零部件的一些材料的典型使用温度范围。从图1可知，制造排放零部件的材料已经从传统的灰铸铁发展到球墨铸铁、高硅球铁、再到可以抵抗800℃左右高温的耐蚀高镍铸铁。然而，必须指出的是，高性能发动机排放气体的温度可达1000℃（1832℉）。因此为满足现代发动机的需要，日立金属有限公司铸造技术研究室开发了一种名为HERCUNETE-SA3N的耐热铸钢。2新型耐热铸钢“NSHR”的性能2.1化学组成表1所列为A3N及其他对比材料的化学组成。新型材料A3N为奥氏体铸钢，其化学组成为20％Cr-10%Ni-3%W-2%Nb。A3N具有网状NbC的混合结构，碳化物（M23C6）团的形态有少许变化，强化了奥氏体基体。表1NAHR-A3N及其他材料的典型化学组成组成CSiMnSCrNiWMoNbFeA3N0.450.51.00.1520.010.03.0-2.0其余F5N0.400.50.40.0118.01.72.0-2.0其余D5S1.855.00.5-1.834.5--微量其余HiSiMoDCI3.103.950.2----0.55微量其余2.2屈服点图2：表1所示材料在不同温度下的屈服点（MPa）（纵轴:屈服点（MPa），横轴：表面温度（℃））图2给出每种材料在高温下的屈服点。屈服点直接影响材料在不同温度下的抗变形性能。性能测试是在大气下的马弗炉内进行，所用试样是从Y形铸块截取的。从图2可知，在600℃下D5S强度最高。同时新型F5N（铁素体基体）材料在低温范围内比D5S具有更高的强度，主要是因为其存在珠光体团和由于添加钨强化了基体的原因。另外，A3N在600℃以上强度最大。2.3热膨胀系数图3所示为各种材料的热膨胀系数。热膨胀系数值对热变形和热裂有一定影响。测试结果表明，在200℃（418℉）以上，F5N材料相比其他材料具有较低的热膨胀系数。由于A3N为奥氏体基体材料，因而其具有较大的热膨胀率，但它的屈服点也高，因此A3N能承受较大的因热膨胀而产生的热应力。另外，D5S虽然也具有较大的热膨胀系数（略比A3N低一点），但它的屈服点不高，受自身的热应力所限制。因此设计排气系统的结构时必须认真选材。图3：表1中所给材料的热膨胀系数（纵轴：热膨胀系数，横轴：表面温度℃）2.4热传导系数各种材料的热传导系数示于图4中。由于温度梯度会导致排气系统零部件产生热变形，零件内部产生热应力的重要原因在于较低的热传导系数产生了较高的温度梯度。作为与发动机冷却剂相接触的排气系统材料和涡轮机外壳（如汽缸盖和涡轮增压用的中心轴承室）必须使用高热传导系数的材料。图4：表1中各材料的热传导系数（纵轴：热传导系数，横轴：表面温度℃）2.5抗氧化性图5所示为各种材料在大气下经900℃（1678℉）×200h处理后的氧化失重情况。该值对抗裂性能有影响。从图中可以看到，A3N的抗氧化性能接近优于NiresistD5S材料的两倍。图5：表1中各材料的氧化失重情况比较（纵轴:氧化失重值mg/c,横轴：耐热材料）2.6热疲劳性能图6所示为几种材料经柯芬型热疲劳实验机测试的热疲劳寿命值。根据裂纹源扩展机制，温度和热应力对裂纹的影响可以认为是“异相”的。结果显示，A3N的热疲劳寿命明显优于普通材料并且接近于NiresistD5S的两倍。图6：三种材料在900℃的热疲劳性能（纵轴：约束率η，横轴：持久使用寿命（循环次数））3A3N与其他材料的收缩情况比较图7所示为D5S和A3N两种材料制造的排气管在900℃（1678℉）循环使用后的不同断面收缩情况。从图7中可以看出，用D5S制造的排气管产生的收缩较大，它在大约循环430周次后表面开始有裂纹产生。与此相反，由A3N制造的的排气管在相同条件下收缩很小，也没观察到其他变化发生。图7：D5S和A3N两种材料制造的排气管在900℃循环使用后的断面不同收缩情况（纵轴：断面收缩率，横轴：循环次数）奥氏体铸钢相比NiresistD5S具有较大的屈服点并且没有球状石墨颗粒，因此有利于防止产生热变形和热裂现象，同时，也导致它们基体强度的不同，而且，奥氏体基体比铁素体基体具有较大的屈服点和稳定的蠕变率，因此A3N材料具有优良的抗热变形能力。4应用情况图8所示为新开发的材料A3N的实际应用情况。前所述及，A3N最适合于在高温下需要稳定的屈服点的材料。因此，A3N不仅可以制作排气管而且可以制作涡轮机外壳。图8（a）所示为美国典型使用的V型10缸汽油发动机上的排气管，图8（b）为欧洲典型使用的涡轮增压发动机的涡轮机外壳。图8：开发的材料的实际应用(a)直列式四缸发动机（b）涡轮机外壳5结论（1）目前已经开发出新型奥氏体耐热铸钢（A3N）。（2）A3N的热疲劳性能接近优于D5S的两倍。（3）A3N的抗氧化性能接近优于NiresistD5S材料的两倍。（4）A3N的耐热性能优于D5S。（上海大学材料学院胡心彬译）