用于涡轮增压器的铁素体钢制造技术

本发明专利技术涉及一种用于涡轮增压器的废气门部件，所述废气门部件包括铁素体钢，所述铁素体钢的主要合金元素包括C、Cr、Ni、Nb、V、Mn以及可选地Si和Ti。

Ferrite steel for turbocharger

The present invention relates to an exhaust valve component for a turbocharger. The exhaust valve component includes ferritic steel. The main alloy elements of the ferritic steel include C, Cr, Ni, Nb, V, Mn and optional Si and Ti.

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】用于涡轮增压器的铁素体钢
本专利技术涉及涡轮增压器领域，特别是涉及用在内燃机中的涡轮增压器，特别是用于柴油发动机的涡轮增压器。
技术介绍
涡轮增压器用于增加燃烧空气的通过量和密度，从而提高内燃机的功率和效率。涡轮增压器的设计和功能在现有技术中有详细描述，例如，美国专利4,705,463和5,399,064中有详细描述，这些专利的公开内容以引用方式并入本说明书中。用于生产涡轮增压器的材料必须满足严格的性能要求。例如，当在最高达约950℃的温度下暴露于排气中时，柴油发动机中使用的材料必须足够耐腐蚀。此外，所述材料必须满足在这些高温下的苛刻机械要求。例如，在涡轮机壳体的情况下，所述壳体的热机械疲劳(TMF)性能是重要的性能标准。由TMF引起的裂纹形成是涡轮机壳体最常见的失效模式之一。出于这些原因，将奥氏体钢用于柴油发动机涡轮机壳体，例如排气温度最高达950℃(柴油发动机)的情况下采用GJSNiCrSi3552NiResistD5，而排气温度最高达1050℃(奥托发动机)的情况下采用Inconel713C。但是，由于需要大量镍才能获得奥氏体相，因此这些材料非常昂贵。期望的是设计一种将上述奥氏体钢替换成镍比例较低的铁素体钢，同时保持至少相似性能的废气门部件。特别是所述废气门部件的高温强度、TMF性能、耐腐蚀性和抗高温蠕变性应该是类似的。现有技术中已经尝试为涡轮增压器提供耐高温铁素体钢。DE102012100289A1中公开了包括Si、Cr、Ni、Nb、V和Mn等的铁素体钢。所公开的合金具有0.003重量％到0.05重量％的极低碳含量以及0.0006重量％到0.026重量％的极低氮含量，以相对于NbC沉淀促进拉夫斯相(Lavesphase，Fe2Nb)的形成。根据DE102012100289A1的公开内容，拉夫斯相可以提高高温强度，但同时使拉夫斯相难以在800℃以上保持稳定。DE102012100289A1还建议通过添加Si来稳定拉夫斯相，但也强调添加量不应超过0.9重量％，因为较高添加量将促使发生不良拉夫斯相沉淀。但是，硅由于具备可加工性并且能够向合金赋予耐腐蚀性，因此是一种重要元素。因此，0.9重量％以上的添加量对合金而言通常可以是有益的。总之，利用拉夫斯相获得用于涡轮增压器的耐高温铁素体钢的概念在实践中难以实施并且具有实际限制。鉴于上述缺陷，在商业环境中，耐受温度需要达到约950℃的涡轮增压器部件仍由昂贵的奥氏体铸铁或钢制成。期望的是用于涡轮增压器的坚固且可靠的耐高温铁素体钢。
技术实现思路
现已意外发现，如果充分调节Nb、V和Mn的含量，则含碳铁素体钢的高温性能，确切的说，抗高温蠕变性可以得到改善。更特别是如果Nb和V的总量足够高并且如果所使用Mn的比重远远超出Nb和V，则含约0.2重量％到约1.0重量％的Nb、约0.2重量％到约1.0重量％的V以及约1.0重量％到约4.0重量％的Mn的合金的抗高温蠕变性预期将得到改善。抗蠕变性的改善可以在不影响其它性质例如TMF性能、耐腐蚀性或可加工性的情况下实现。在不希望被理论约束的前提下，相当高含量的碳化物形成元素V和Nb被认为共同减小初生晶粒尺寸以及碳化物沉淀物的尺寸。晶粒边界附近的较小碳化物颗粒是亚晶粒边界迁移和移动位错滑移的主要障碍，因此对高温蠕变强度起重要作用。先前已意外发现，通常作为脱氧剂添加到合金中的Mn似乎在此机理中配合以协同地进一步提高高温蠕变强度。在不希望被理论约束的前提下，Mn有助于控制碳化物颗粒尺寸，特别是热老化期间的碳化物颗粒尺寸增长，其中Mn也是碳化物稳定剂。在一个方面中，本专利技术涉及涡轮增压器部件，特别是涉及一种涡轮机壳体，所述涡轮增压器部件包括具有以下成分的铁素体钢：C，约0.1重量％到约0.8重量％，Cr，约15.0重量％到约23.0重量％，Ni，约1.5重量％到约3.0重量％，Nb，约0.2重量％到约1.0重量％，以及V，约0.2重量％到约1.0重量％；Mn，约1.0重量％到约4.0重量％；其中Nb和V的总量为至少约0.40重量％，并且其中Mn的量与Nb和V的总量之间的重量比为至少约1.6；可选地，以下元素中的一者或多者：Si，约0.5重量％到约1.8重量％，Ti，约0.1重量％到约1.1重量％；可选地，总量小于约3重量％的其它元素(杂质)；以及Fe，余量。在另一个方面中，本专利技术涉及一种用于制备涡轮增压器部件，特别是涡轮机壳体的方法，所述涡轮增压器部件包括具有以下成分的铁素体钢：C，约0.1重量％到约0.8重量％，Cr，约15.0重量％到约23.0重量％，Ni，约1.5重量％到约3.0重量％，Nb，约0.2重量％到约1.0重量％，以及V，约0.2重量％到约1.0重量％；Mn，约1.0重量％到约4.0重量％；其中Nb和V的总量为至少约0.40重量％，并且其中Mn的量与Nb和V的总量之间的重量比为至少约1.6；可选地，以下元素中的一者或多者：Si，约0.5重量％到约1.8重量％，Ti，约0.1重量％到约1.1重量％，可选地，总量小于约3重量％的其它元素(杂质)；以及Fe，余量；其中对所述钢进行热处理，特别是在约900℃到约940℃的温度下进行热老化处理至少约1小时，然后以至少约40℃到至多约90℃/小时的速率冷却。具体实施方式在第一方面中，本专利技术涉及一种涡轮增压器部件，特别是涡轮机壳体，所述涡轮增压器部件包括以下成分的铁素体钢：C，约0.1重量％到约0.8重量％，Cr，约15.0重量％到约23.0重量％，Ni，约1.5重量％到约3.0重量％，Nb，约0.2重量％到约1.0重量％，以及V，约0.2重量％到约1.0重量％；Mn，约1.0重量％到约4.0重量％；其中Nb和V的总量为至少约0.40重量％，并且其中Mn的量与Nb和V的总量之间的重量比为至少约1.6；可选地，以下元素中的一者或多者：Si，约0.5重量％到约1.8重量％，Ti，约0.1重量％到约1.1重量％；可选地，总量小于约3重量％的其它元素(杂质)；以及Fe，余量。如上所述，元素V和Nb会影响合金的微观结构。铁素体钢的有利特征可以在于根据ASTME112-12测得的平均晶粒尺寸为约2到约4，特别是约2.5到约3.5的微观结构。ASTME112-12中包括用于确定所有金属的平均晶粒尺寸的步骤，并且特别是在第4.1.1条和表1中公开了用于确定铁素体钢的平均晶粒尺寸的步骤。具有优异TMF性能、蠕变强度和耐腐蚀性的上述铁素体钢可以有利地通过热处理例如热老化，特别是根据本专利技术第二方面的方法来制备。在第二方面中，本专利技术涉及一种用于制备涡轮增压器部件，特别是涡轮机壳体的方法，所述部件包括以下成分的铁素体钢：C，约0.1重量％到约0.8重量％，Cr，约15.0重量％到约23.0重量％，Ni，约1.5重量％到约3.0重量％，Nb，约0.2重量％到约1.0重量％，以及V，约0.2重量％到约1.0重量％；Mn，约1.0重量％到约4.0重量％；其中Nb和V的总量为至少约0.40重量％，并且其中Mn的量与Nb和V的总量之间的重量比为至少约1.6；可选地，以下元素中的一者或多者：Si，约0.5重量％到约1.8重量％；Ti，约0.1重量％到约1.1重量％；可选地，总量小于约3重量％的其它元素(杂质)；以及本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种涡轮增压器部件，特别是一种涡轮机壳体，所述涡轮增压器部件包括以下组成的铁素体钢：C，约0.1重量％到约0.8重量％，Cr，约15.0重量％到约23.0重量％，Ni，约1.5重量％到约3.0重量％，Nb，约0.2重量％到约1.0重量％，以及V，约0.2重量％到约1.0重量％；Mn，约1.0重量％到约4.0重量％；其中Nb和V的总量为至少约0.40重量％，并且其中Mn的量与Nb和V的总量之间的重量比为至少约1.6；可选地，以下元素中的一者或多者：Si，约0.5重量％到约1.8重量％，Ti，约0.1重量％到约1.1重量％；可选地，总量小于约3重量％的其他元素(杂质)；以及Fe，余量。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2016.07.28 EP 16181592.3;2017.03.08 EP 17159781.81.一种涡轮增压器部件，特别是一种涡轮机壳体，所述涡轮增压器部件包括以下组成的铁素体钢：C，约0.1重量％到约0.8重量％，Cr，约15.0重量％到约23.0重量％，Ni，约1.5重量％到约3.0重量％，Nb，约0.2重量％到约1.0重量％，以及V，约0.2重量％到约1.0重量％；Mn，约1.0重量％到约4.0重量％；其中Nb和V的总量为至少约0.40重量％，并且其中Mn的量与Nb和V的总量之间的重量比为至少约1.6；可选地，以下元素中的一者或多者：Si，约0.5重量％到约1.8重量％，Ti，约0.1重量％到约1.1重量％；可选地，总量小于约3重量％的其他元素(杂质)；以及Fe，余量。2.根据权利要求1所述的涡轮增压器部件，其中所述铁素体钢的特征在于根据ASTME112-12测得的平均晶粒尺寸为约2到约4，特别是，约2.5到约3.5的微观结构。3.根据权利要求1或权利要求2所述的涡轮增压器部件，其中所述钢能够通过对所述铁素体钢进行热处理来制备，特别是，通过在约900℃到约940℃下进行热老化处理至少约1小时，然后以至少约40℃到至多约90℃/小时的速率冷却来制备，特别是，在约910℃到约930℃下进行热老化处理至少约2小时，然后以约50℃/小时到约80℃/小时的速率冷却来制备。4.一种用于制备涡轮增压器部件，特别是一种涡轮机壳体的方法，所述涡轮增压器部件包括具有以下组成的铁素体钢：C，约0.1重量％到约0.8重量％，Cr，约15.0重量％到约23.0重量％，Ni，约1.5重量％到约3.0重量％，Nb，约0.2重量％到约1.0重量％，以及V，约0.2重量％到约1.0重量％；Mn，约1.0重量％到约4.0重量％；其中Nb和V的总量为至少约0.40重量％，并且其中Mn的量与Nb和V的总量之间的重量比为至少约1.6；可选地，以下元素中的一者或多者：Si，约0.5重量％到约1.8重量％；Ti，约0.1重量％到约1.1重量％；可选地，总量小于约3重量％的其他元素(杂质)；以及Fe，余量；其中对所述钢进行热处理，特别是，在约900℃到约940℃下进行热老化处理至少约1小时，然后以至少约40℃到至多约90℃/小时的速率冷却。5.根据权利要求1到权利要求3中的任一权利要求所述的涡轮增压器部件或者根据权利要求4所述的方法，其中所述铁素体钢含有以下量的以下元素：C，约0.1重量％到约0.8重量％，Cr，约15.0重量％到约23.0重量％，Ni，约1.5重量％到约3.0重量％，Nb，约0.2重量％到约0.8重量％，V，约0.2重量％到约0.8重量...

【专利技术属性】
技术研发人员：G·沙尔，I·迪特里希，V·保罗，N·卡诺夫斯基，
申请(专利权)人：博格华纳公司，
类型：发明
国别省市：美国,US