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DCNX1奧氏體耐熱鋼高溫合金簡介
發布人：上海艾荔艾金屬材料有限公司www.jshcn.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，減少了發動機的排氣量。渦輪增壓器不僅可以提高發動機的輸出功率，而且可以使發動機小型化及輕量化。渦輪增壓器作為減少發動機排氣量的手段，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開發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，成本的穩定性成為了問題。因此，開發了耐熱特性比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，將Ni添加量降到21%，相當于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。
根據以往的研究可知，在開發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。另外，調查了基體成分、NbC和由Cr及W構成的M23C6量對高溫強度和熱膨脹系數的影響，并計算了各種特性。結果表明添加Ni有助于降低熱膨脹系數，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都會產生相同的影響。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。根據計算可知，NbC的影響比M23C6大，由此可以認為，增加NbC的添加量是有效的手段。但是，有些專家認為在25Ni-25Cr鑄鋼中如果出現共晶NbC的結晶，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、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系。
縱彈性模量
采用JIS?Z?2280標準和橫共振試驗法，試樣厚度2mm、寬度16mm、長度60mm，升溫速度0.17K/s。
◆?熱膨脹系數
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。
◆?抗拉強度
采用JIS?G?0567標準，試樣的直徑8mm、標點間距離40mm。
◆?反復氧化試驗
采用JIS?Z?2282標準，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為一循環試驗，共進行200次循環試驗。
◆?蠕變斷裂試驗
采用JIS?Z?2272標準，試樣的平行部直徑6mm、標點間距離30mm。
◆?熱疲勞試驗
采用JIS?Z?2278標準，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，共進行1000次循環試驗。
3?開發合金DCNX1
3.1?顯微組織
根據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，在其周圍存在細的析出碳化物。開發合金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?物理特性和力學特性
3.2?物理特性和力學特性
設定目前實際應用環境的最高溫度1373K為高溫側的溫度上限，對熱膨脹系數、縱彈性模量、抗拉特性、抗氧化性、蠕變斷裂特性和內約束型熱疲勞特性進行了調查。
3.2.1?熱膨脹系數
由373K-1373K的各溫度區間的平均熱膨脹系數可知，DCNX1的熱膨脹系數與DCN4和DCN5相同，增加碳化物量可以有效減少Ni和W的添加量，達到設計要求。這是因為W固溶于基體的奧氏體相可以降低熱膨脹系數，增加熱膨脹系數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
根據在常溫保持1.8ks和在1273K保持1.8ks的反復試驗的結果可知，無論哪種合金的重量都會隨著反復次數的增加而增加，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，開發合金的裂紋總長度比以往合金低，可有效抑制裂紋的發生，具有良好的熱疲勞特性。
3.2.6?蠕變斷裂特性
根據1273K時蠕變斷裂試驗結果可知，DCNX1的蠕變斷裂強度比DCN4和DCN5高。
4?結束語
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的高溫強度下降和熱膨脹系數增大的缺陷，尤其是增加Si的添加量可以提高抗氧化性，結果高溫強度、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，是一種具有成本優勢的材料。
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