CN107937755A

CN107937755A - 用于排气系统部件的镍合金

Info

Publication number: CN107937755A
Application number: CN201710074332.8A
Authority: CN
Inventors: 姜敏宇; 车星澈; 崔重吉
Original assignee: Hyundai Motor Co
Current assignee: Hyundai Motor Co
Priority date: 2016-10-12
Filing date: 2017-02-10
Publication date: 2018-04-20
Also published as: US20180100217A1; KR101836713B1; US10544486B2

Abstract

本发明公开了一种在高温条件下具有改善的抗拉强度、疲劳强度、抗氧化性和耐磨性的用于排气系统部件的镍合金。根据实施例的用于排气系统部件的镍合金用于车辆发动机的排气系统部件，镍合金包括：0.01wt％至0.2wt％的C；0.1wt％至1.0wt％的Si；0.1wt％至1.5wt％的Mn；8wt％至24wt％的Cr；0.1wt％至2.5wt％的Nb；0.1wt％至4.0wt％的Al；0.01wt％至1wt％的Co；0.01wt％至5.0wt％的Mo；0.01wt％至4wt％的W；0.1wt％至1wt％的Ta；0.1wt％至2.4wt％的Ti；4.0wt％至11.0wt％的Fe；剩余部分为Ni；以及不可避免的杂质。

Description

用于排气系统部件的镍合金

技术领域

本公开涉及一种用于排气系统部件的镍合金。更特别地，本公开涉及一种用于排气系统部件的镍合金，该镍合金在高温条件下，具有改善的抗拉强度、疲劳强度、抗氧化性以及耐磨性。

背景技术

由于化石燃料储量的限制，以及国际油价的快速增长和变化，改善车辆的燃油里程的兴趣日益增加。

因此，已经以各种方式研究了改善车辆的燃料里程的技术。其中之一是减轻车辆重量的技术。

已经在各种领域研究了减轻车辆重量的技术。特别地，已经研究并采用了在增加车辆发动机的输出的同时减小车辆发动机的尺寸的技术。

然而，具有增加的输出的小型化车辆的问题在于，排气的温度升高，从而导致了构成车辆发动机的排气系统的部件的耐久性方面的问题。

因此，通过控制诸如球墨铸铁和不锈钢等各种钢类型的元素来提高所期望的物理性能的技术已经应用于构成车辆发动机的排气系统的部件。

前述内容仅旨在帮助理解本公开的背景，并且不旨在意味着本公开处于本领域技术人员已知的现有技术的范围内。

发明内容

因此，考虑到相关技术中出现的上述问题而作出本公开，并且本公开旨在提出一种用于排气系统部件的镍合金，通过优化合金元素及其含量以在镍合金结构中产生稳定的Ta-Ti化合物和复合碳化物，该镍合金具有优异的抗拉强度、疲劳强度、抗氧化性以及耐磨性。

为了实现上述目的，根据一个方面，本发明提供了一种用于排气系统部件的镍合金，该镍合金包括：0.01至0.2wt％的C；0.1至1.0wt％的Si；0.1至1.5wt％的Mn；8至24wt％的Cr；0.1至2.5wt％的Nb；0.1至4.0wt％的Al；0.01至1wt％的Co；0.01至5.0wt％的Mo；0.01至4wt％的W；0.1至1wt％的Ta；0.1至2.4wt％的Ti；4.0至11.0wt％的Fe；剩余部分为Ni；以及不可避免的杂质。

镍合金可以包含Ta-Ti基化合物和复合碳化物(Cr，Mo)₂₃C₆。

镍合金在比室温(例如20℃)高的高温(例如850℃)下可以具有950Mpa(兆帕)或以上的抗拉强度。

镍合金在比室温(例如20℃)高的高温(例如850℃)下可以具有350Mpa或以上的疲劳强度。

镍合金在比室温(例如20℃)高的高温(例如850℃)下可以具有0.7g/m²或以下的氧化增重。

镍合金在比室温(例如20℃)高的高温(例如850℃)下可以具有2.0mg或以下的磨损量。

镍合金在室温下可以具有1050MPa或以上的抗拉强度，并且在比室温(例如20℃)高的高温(例如850℃)下可以具有13％或以上的延伸率A5。

进一步地，根据实施例的用于排气系统部件的镍合金被用于车辆发动机的排气系统部件，并且包含Ta-Ti基化合物和复合碳化物(Cr，Mo)₂₃C₆。

根据一个实施例，通过优化主要合金元素的量，可以在镍合金结构中产生所期望水平的Ta-Ti基化合物和复合碳化物。因此，可以获得具有优异的高温特性的镍合金，这些特性满足950MPa或以上的抗拉强度，350Mpa或以上的疲劳强度，0.7g/m²或以下的氧化增重，以及2.0mg或以下的磨损量。

附图说明

结合附图，从下面的详细描述中，可以更清楚地理解本公开的上述和其它目的，特征和其它优点，附图中：

图1是示出示例和比较示例的元素的表。

图2是示出示例和比较示例的物理性质和性能的表。

图3是示出根据实施例的根据温度计算镍合金的相变的结果的曲线图。

具体实施方式

在下文中，将参照附图详细描述示例性实施例。然而，本公开可以以许多不同的形式实施，并且不应被解释为限于本文所阐述的示例性实施例。相反，提供这些示例性实施例使得本公开将是彻底且完全的并将向本领域技术人员充分传达本公开的范围。

图1是示出示例和比较示例的元素的表，图2是示出示例和比较示例的物理性质和性能的表。图3是示出根据实施例的根据温度计算镍合金的相变的结果的曲线图。

用于排气系统部件的镍合金是在车辆发动机的排气系统中所采用的镍合金，并且通过优化主体合金元素，其在高温条件下具有改善的抗拉强度、疲劳强度、抗氧化性和耐磨性。更特别地，本公开涉及一种镍合金，其包括：0.01wt％至0.2wt％的C；0.1wt％至1.0wt％的Si；0.1wt％至1.5wt％的Mn；8wt％至24wt％的Cr；0.1wt％至2.5wt％的Nb；0.1wt％至4.0wt％的Al；0.01wt％至1wt％的Co；0.01wt％至5.0wt％的Mo；0.01wt％至4wt％的W；0.1wt％至1wt％的Ta；0.1wt％至2.4wt％的Ti；4.0wt％至11.0wt％的Fe；剩余部分为Ni；以及不可避免的杂质。

镍合金的合金元素和其组成范围受到限制的原因如下。在后文中，除非另有说明，表示关于组成范围百分比％均是指wt％(重量百分比)。

碳(C)：0.01％至0.2％

碳(C)是通过形成诸如(Cr，Mo)₂₃C₆、NbC等复合碳化物而用于增加强度和硬度的元素。进一步地，由于在450℃至850℃的温度下的晶界敏化，碳(C)提高了耐氧化性。

如果碳(C)的量小于0.01％，则碳化物形成和强度降低。另一方面，如果碳(C)的量超过0.2％，则敏感度过度增加。因此，碳(C)的量可以限制在0.01％至0.2％的范围内。

硅(Si)：0.1％至1.0％

硅(Si)是用作脱氧剂并控制延伸率的元素。特别地，硅(Si)提高抗氧化性、抗应力腐蚀开裂(SCC)性和可铸性。

如果硅(Si)的量小于0.1％，则抗氧化性和可铸性降低。另一方面，如果硅(Si)的量超过1.0％，则延展性和焊接性劣化。因此，硅(Si)的量可以限制在0.1％至1.0％的范围内。

锰(Mn)：0.1％至1.5％

锰(Mn)是用于提高强度的元素。特别地，锰(Mn)增加淬透性，氮(N)溶解度和屈服强度并降低冷却速率。

如果锰(Mn)的量小于0.1％，则淬透性降低。另一方面，如果锰(Mn)的量超过1.5％，则其他元素的效果降低。因此，锰(Mn)的量可以限制在0.1％至1.5％的范围内。

铬(Cr)：8.0％至24.0％

铬(Cr)是用作固溶强化剂并形成碳化物的元素。进一步地，铬(Cr)提高强度和抗氧化性，抑制Cl的氧化和γ相的形成，并与Ni和Mn一起是奥氏体稳定元素。

如果铬(Cr)的量小于8.0％，则抗氧化性和结构稳定性降低。另一方面，如果铬(Cr)的量超过24.0％，则其它元素的效果降低。因此，铬(Cr)的量可以限制在8.0％至24.0％的范围内。

铌(Nb)：0.1％至2.5％

铌(Nb)是用作固溶强化剂并影响高温强度的元素，并且还形成碳化物。特别地，铌(Nb)抑制了影响低温强度和焊接性的γ”相(Ni₃Nb)的形成，并与Ni一起抑制了影响脆性和裂纹点的σ/δ相的形成。进一步地，铌(Nb)形成具有高机械性质的γ'相和铁素体并抑制γ相和莱夫斯相的形成。进一步地，当铌(Nb)的量较高时其提高耐热性。

如果铌(Nb)的量小于0.1％，则高温强度和焊接性降低。另一方面，如果铌(Nb)的量超过2.5％，则形成降低物理性质的金属间相。因此，铌(Nb)量可以限制在0.1％至2.5％的范围内。

Al：0.1％至4.0％

铝(Al)是用作固溶强化剂的元素。特别地，铝(Al)提高抗氧化性并且能够使晶粒均匀性和晶粒细化。进一步地，铝(Al)形成具有高机械性质的γ'相和γ+γ'相。

如果铝(Al)的量小于0.1％，则高温强度和晶粒均匀性降低。另一方面，如果铝(Al)的量超过4.0％，则碳化物的形成减少。因此，铝(Al)的量可以限制在0.1％至4.0％的范围内。

钴(Co)：0.01％至1.0％

钴(Co)是用于抑制高温下晶粒过度生长的元素。特别地，钴(Co)提高了抗蠕变强度和回火性能。

如果钴(Co)的量小于0.01％，则防止高温下晶粒过度生长的效果不足，并且抗蠕变强度降低。另一方面，如果钴(Co)的量超过1.0％，则其他元素的效果降低。因此，钴(Co)量可以限制在0.01％至1.0％的范围内。

钼(Mo)：0.01％至5.0％

钼(Mo)是用作固溶强化剂的元素。特别地，钼(Mo)形成碳化物，抑制Cl的氧化，并产生Ni₃Mo，从而提高机械性质、耐点蚀性和耐裂纹性。钼(Mo)抑制γ相的形成并提高抗蠕变强度。进一步地，需要钼(Mo)来控制降低抗蠕变强度、室温延展性、韧性和抗氧化性的μ相的形成。

如果钼(Mo)的量小于0.01％，则碳化物的形成减少，并且由于碳化物的形成而提高强度的效果会降低。另一方面，如果钼(Mo)的量超过5.0％，则产生降低物理性质的金属间相。因此，钼(Mo)的量可以限制在0.01％至5.0％的范围内。

钨(W)：0.01％至4.0％

钨(W)是用作固溶强化剂的元素。特别地，钨(W)形成碳化物以抑制晶界滑移，抑制Cl的氧化，抑制晶粒过度的生长，并参与γ相和μ相的形成。

如果钨(W)的量小于0.01％，则强度降低并且发生晶粒过度生长。另一方面，如果钨(W)的量超过4.0％，则形成降低物理性质的金属间相。因此，钨(W)的量可以限制在0.01％至4.0％的范围内。

钽(Ta)：0.1％至1.0％

钽(Ta)是提供高温抗氧化性和低温抗氧化性的元素。特别地，钽(Ta)通过固溶强化增加抗蠕变强度。然而，钽(Ta)是昂贵的稀土元素。

如果钽(Ta)的量小于0.1％，则抗氧化性和强度劣化。另一方面，如果钽(Ta)的量超过1.0％，则成本增加。

钛(Ti)：0.1％至2.4％

钛(Ti)是作为固溶强化剂的元素。特别地，钛(Ti)形成碳化物以抑制晶粒边界滑动并增加高温强度。进一步地，钛(Ti)形成具有优异的机械性质的γ+γ'相，增加晶粒细化和敏化抗性以及抗蠕变强度，并防止硝化。

如果钛(Ti)的量小于0.1％，则强度和敏化抗性降低。另一方面，如果钛(Ti)的量超过2.4％，则难以控制硝化。

Fe：4.0％至11.0％

铁(Fe)是用作固溶体强化剂的元素。特别地，铁(Fe)与Cr和Ni一起形成奥氏体γ相。然而，由于较高的氧亲和力，铁(Fe)易受潮湿氧化。

如果铁(Fe)的量小于4.0％，则固溶强化和γ相的形成的效果降低。另一方面，如果铁(Fe)的量超过11.0％，则相对于潮湿的抗氧化性劣化。

除了上述元素，剩余部分是Ni和不可避免地含有的杂质。

示例和比较示例

在下文中，将参考比较示例和示例描述本公开。

如图1所示，样品是使用在改变每个元素的量的同时而生产的钢水并通过真空铸造而获得的。将如此获得的每个试样在920℃至1250℃下进行1至2小时的热处理，并且然后准备空气冷却。然而，在该实验中，被认为不直接影响本公开的期望效果的C、Si和Mn被固定为本公开中规定的量的范围，并且改变其它元素的量。因此，尽管在图1中未示出C、Si和Mn的量，但是比较示例1至18和示例1至2是在0.01％至0.2％的C、0.1％至1.0％的Si、0.1％至1.5％的Mn范围内的相同条件下进行。

然后，将描述用于确认通过上述过程处理的常规合金和根据比较示例和示例的样品的物理性质的实验示例。

将常规合金和根据比较示例和示例的每个样品进行测试，以测量其的室温抗拉强度(20℃)、高温抗拉强度(850℃)、延伸率A5(850℃)、疲劳强度(850℃，10⁷次)、氧化增重(850℃，100小时)和高温磨损量(850℃，2Km)，并将得到的测量结果示出在图2中。

根据KS B 0802，通过20吨的万能试验机测量每个样品的室温抗拉强度和高温抗拉强度，在850℃测量延伸率A5，并且根据KS B ISO 1143通过在850℃下的旋转弯曲疲劳试验测量疲劳强度。

进一步地，为了评价氧化增重，根据比较示例和示例制备每个样品，测量每个样品的重量，并且然后每个样品在850℃下保持100小时。在此，每个样品暴露于N₂(20％)、O₂(10％)和H₂O。在经过100小时后，测量每个样品的重量，并且然后测量每个样品在处理前的重量和处理后的重量之间的差。

进一步地，通过高温摩擦和磨损测试(销盘)测量高温磨损量。在850℃下，每个样品以20N的负荷，以0.1m/s的速度移动2km的距离，然后测量每个样品的磨损量。

如图2所示，常规合金713C不含有Co、W、Ta、Ti和Fe，并且Al的量不满足本公开中规定的量范围。因此，常规合金713C在室温抗拉强度、高温抗拉强度、疲劳强度、氧化增重和高温磨损量方面不满足本公开的要求。

满足本公开中规定的合金元素的量的示例1和2在高于室温(例如20℃)的高温(850℃)下，满足950MPa(兆帕)或以上的抗拉强度、350Mpa或以上的疲劳强度、0.7g/m²或以下的氧化增重、2.0mg或以下的高温磨损量。进一步地，示例1和2在室温(例如20℃)下满足1050MPa或以上的抗拉强度以及13％或以上的延伸率A5。

另一方面，比较示例1至18不满足本公开中规定的合金元素的量。因此，可以看出，其室温抗拉强度、高温抗拉强度、延伸率A5、疲劳强度、氧化增重和高温磨损量与常规合金713C相比得到部分改善。然而，比较示例1至18不满足本公开的所有要求。

特别地，在比较示例5中，Al的量小于本公开的要求；在比较例9中，Mo的量小于本公开的要求。因此，比较示例5和9在延伸率A5方面满足本公开的要求。然而，可以发现，比较示例5和9在室温抗拉强度、高温抗拉强度、疲劳强度、氧化增重和高温磨损量方面不满足本公开的要求。

同时，图3是示出根据实施例的根据相对于镍合金的温度计算相变的结果的图表。当满足合金组成时，较少地形成不利地影响延伸率和高温脆性的相(SIGMA；σ)。另一方面，形成有利地影响物理性质的诸如Ta-Ti基化合物和复合碳化物的相。因此，预计可以提高高温抗拉强度和疲劳强度，并且可以降低高温氧化增重。

如图3所示，FCC_L12是指基体γ，FCC_L12#2和FCC_L12#3是指γ'/γ”，Mu是指μ，M23C6是指诸如(Cr，Mo)₂₃C₆的复合碳化物，Ni3Ti是指诸如(NiTa)₃(AlTi)的Ta-Ti基化合物。

虽然已经出于说明的目的描述了实施例，但是本领域技术人员将理解到，在不脱离所附权利要求中公开的本公开的范围和精神的情况下，各种修改、添加和替换是可能的。前述描述被认为是说明性的而非限制性的，并且应当理解到，实施例的所有等同物和/或组合旨在被包括在本说明书中。

应当理解到，所附权利要求中所述的元件和特征可以以不同的方式组合以产生同样落入本公开的范围内的新的权利要求。因此，尽管下文所附的从属权利要求仅从属于单个独立或从属权利要求，但是应当理解到，可替代地，可以使得这些从属权利要求以可替代地从属于任何先前或随后的无论是独立还是从属的权利要求，并且这种新的组合将被理解为形成本说明书的一部分。

Claims

1.一种用于排气系统部件的镍合金，其中所述镍合金用于车辆发动机的排气系统部件，所述镍合金包括：

0.01wt％至0.2wt％的C；

0.1wt％至1.0wt％的Si；

0.1wt％至1.5wt％的Mn；

8wt％至24wt％的Cr；

0.1wt％至2.5wt％的Nb；

0.1wt％至4.0wt％的Al；

0.01wt％至1wt％的Co；

0.01wt％至5.0wt％的Mo；

0.01wt％至4wt％的W；

0.1wt％至1wt％的Ta；

0.1wt％至2.4wt％的Ti；

4.0wt％至11.0wt％的Fe；以及

剩余部分包括Ni和杂质。

2.根据权利要求1所述的镍合金，其中所述镍合金包含Ta-Ti基化合物和复合碳化物(Cr，Mo)₂₃C₆。

3.根据权利要求2所述的镍合金，其中所述镍合金在高于20℃的温度下具有950Mpa或以上的抗拉强度。

4.根据权利要求3所述的镍合金，其中所述镍合金在高于20℃的温度下具有350MPa或以上的疲劳强度。

5.根据权利要求4所述的镍合金，其中所述镍合金在高于20℃的温度下具有0.7g/m²或以下的氧化增重。

6.根据权利要求5所述的镍合金，其中所述镍合金在高于20℃的温度下具有2.0mg或以下的磨损量。

7.根据权利要求1所述的镍合金，其中所述镍合金在高于20℃的温度下具有950Mpa或以上的抗拉强度。

8.根据权利要求7所述的镍合金，其中所述镍合金在高于20℃的温度下具有350MPa或以上的疲劳强度。

9.根据权利要求8所述的镍合金，其中所述镍合金在高于20℃的温度下具有0.7g/m²或以下的氧化增重。

10.根据权利要求9所述的镍合金，其中所述镍合金在高于20℃的温度下具有2.0mg或以下的磨损量。

11.根据权利要求1所述的镍合金，其中所述镍合金在高于20℃的温度下具有350Mpa或以上的疲劳强度。

12.根据权利要求1所述的镍合金，其中所述镍合金在高于20℃的温度下具有0.7g/m²或以下的氧化增重。

13.根据权利要求1所述的镍合金，其中所述镍合金在高于20℃的温度下具有2.0mg或以下的磨损量。

14.根据权利要求1所述的镍合金，其中所述镍合金在20℃时具有1050MPa或以上的抗拉强度，并且在高于20℃的温度下具有13％或以上的延伸率A5。

15.一种用于排气系统部件的镍合金，其中所述镍合金用于车辆发动机的排气系统部件，并且其包含Ta-Ti基化合物和复合碳化物(Cr，Mo)₂₃C₆。