[发明专利]一种抗氧化高蠕变铸造奥氏体耐热不锈钢及其制备方法

说明书

本发明涉及一种不锈钢及其制备方法，尤其涉及一种抗氧化高蠕变铸造奥氏体耐热不锈钢及其制备方法，属于耐热钢材铸造技术领域。本发明的成分按重量百分比包括C:0.3～0.5%、Si：0.7～1.4%、Mn：1～2.5%、P：0.04%以下、S：0.03%以下、Cr：21～26%、Ni:8～11%、Nb：0.5～1.3%、Mo：0.3%以下、N：0.1～0.4%、其余由Fe及不可避免的杂质构成，且需满足三个关系式。本发明对奥氏体耐热不锈铸钢中出现孤岛状σ相提出了独到的见解，并根据这一原理可有效控制孤岛状σ相的析出。其有益效果是：具有成本低廉的特点，确定了满足1000℃抗氧化的临界条件，避免了过多Nb的加入造成的资源浪费和性能恶化。可以在满足排气温度1000℃以上汽车排气系统的使用工况。

技术领域

本发明涉及一种不锈钢及其制备方法，尤其涉及一种抗氧化高蠕变铸造奥氏体耐热不锈钢及其制备方法，属于耐热钢材铸造技术领域。

背景技术

随着化石燃料的大规模使用，环保问题一直是世界关注的话题。汽油和柴油不完全燃烧所释放出来的有害气体造成了严重的大气污染。因此各国都在强制要求汽车提升尾气净化处理技术，削减污染物排放。此外，二氧化碳作为主要温室气体之一，对生态环境造成了严重影响。为了减少碳排放，实现碳达峰和碳中和，提高内燃机的燃油经济性，提升燃油利用效率，也成为了世界各大发动机厂商的研发方向。燃料在高温高压下才能充分燃烧，实现减少CO、NO等有害气体和提高燃油效率减少CO₂排放的目的，因此缸内直喷技术、燃料高压喷射、增大压缩比、涡轮增压等发动机技术得到发展和推广。但这些技术全都是以提高尾气排放温度为代价的，这样就导致了排气系统零部件处于越来越高的使用温度，需要长期承受来自复杂氧化环境下的持续高温或冷热交变载荷，因此对材料抗氧化性能和热疲劳性能的要求越来越高。

由于汽车排气系统零件结构复杂，通常采用铸造方法制造。在国V 排放标准出台以前，尾气温度在900℃以下，相应的排气系统零件温度大多在850℃以下，主要采用高SiMo球铁、高镍奥氏体球铁等耐热铸铁，这类材料铸造成型性能好，切削加工性能好，铸件裂纹倾向小，综性价比很高。但在国V 排放标准出台之后，发动机尾气温度必须进一步提升才能满足排放要求。涡轮增加技术能够有效提高燃油效率，降低废气排放量，而且技术可靠性和性价比高，因此被各大汽车厂商广泛采用。与自然吸气相比，涡轮增压使排气温度提高至1000℃以上，传统的高硅钼球铁、高镍奥氏体球铁已不能满足需求，因此耐热温度更高的奥氏体不锈钢成为汽车涡轮增压器等高温服役零件的首选材料。

据申请人了解，目前各国针对汽车排气系统零部件材料的研究均以欧标1.48系列耐热不锈钢为主。一定比例下的Cr、Ni提供的稳定奥氏体组织和抗氧化膜是1.48系列耐热钢具备高温性能的前提，且通常随二者含量的增加，材料的高温性能也增加。因此，不同牌号之间的化学成分跨度大，尤其在贵重金属方面。未来，汽车排气系统零部件材料的研究方向将朝着高耐热性和低成本的方向不断发展。

我国的西陕县内燃机进排气管有限公司通过联合郑州大学申报“Cr-Ni奥氏体耐热铸钢排气歧管研究与产业化”项目，对Cr-Ni奥氏体耐热铸钢材料的化学成分、力学性能、热疲劳性能、铸造工艺及切削性能进行了较为全面的研究，以达到承受1025℃以上的高温，满足冷热循环试验的要求，但是这种成分的耐热铸钢相对于能够耐受1050℃的EN1.4837还提高了贵重金属Ni和Nb的加入量，导致成本过高。

日本丰田汽车公司在对奥氏体耐热铸钢进行大量研究的基础上总结了大量规律，开发了一种低Ni奥氏体耐热铸钢，该种材料具有优异的高温强度和韧性，可在950℃或更高的温度区间工作。该材料的Ni含量仅为3%-8%。但是该材料的高温抗氧化性和蠕变性能较差，不适合作为汽车排气系统所用的材料。