技术领域
[0001] 本
发明涉及一种
合金组合物，其可用于制备用于需要高耐热性的应用的制品。特别地，所述合金组合物是
不锈钢合金。
背景技术
[0002] 不锈钢最常见的是利用其耐
腐蚀性能。然而，应用它们的另一个常见原因在于高温应用，在高温应用中，可能必须耐高温
氧化和/或可能需要具有高温强度。不锈钢的高铬含量，不仅有益于耐潮湿腐蚀，而且也有益于高温强度以及高温耐氧化性。
[0003] 不锈钢包含至少10.5％的铬，以形成稳定的、透明的、
钝化的保护膜，该保护膜提高了
耐腐蚀性。此外，这样的铬含量可以在高温下阻止氧化。在许多情况下，镍也被添加到了不锈钢的组成中，以促进稳定的奥氏体微观结构。奥氏体在较高的
温度下比
铁素体更强更稳定。不锈钢中可能发生的一个常见问题是在高温应用中σ相的形成。形成该相的影响是该相可能会导致所述钢脆性极强并且可能会因为脆性断裂而失效。当镍被添加到铬不锈钢中时，钢的微观结构由铁素体转变为奥氏体。因此，镍的加入可以抑制σ相的形成，并促进奥氏体的形成。此外，镍还增强对氧化、
碳化、氮化、热疲劳以及强酸的抵抗能
力。
[0004] 镍是一种昂贵的原材料，并且价格
波动很大，而且价格波动日益剧烈。镍的昂贵成本直接影响了生产该级别不锈钢的
费用。因此，为了用其它
合金元素如碳、锰、氮和
铜替代镍付出了众多努力。这些元素的成本低于镍并且仍然可以促进奥氏体的形成。
[0005] 因此，生产一种用于下述应用的替代合金是有益的，所述应用需要使用能够承受高温并促进所需微观结构形成，同时还能尽量减少镍的量以保持低的更容易预测的成本的不锈钢。
发明内容
[0006] 本发明的各种实施方案提供了可用于制备具有高性能，特别是高强度和耐热性，的制品的合金组合物。各实施方案的合金的特别益处在于它们可以使用比目前已知的耐热不锈钢的成本更低的材料来制备。例如，本文公开的各种本发明的合金是含有特定元素组成的耐热不锈钢合金，所述特定元素组成被设计为既保持了作为耐热材料的优选性能又仅需较低的制造成本。
[0007] 根据本发明的合金的各种实施方案可用于制备任何金属制品，但它们特别适合用于制备具有高性能规格，特别是强度和耐热性，的材料。特别受益于本发明的合金的一个领域是
涡轮部件的制造，例如涡轮壳体和排气
歧管。
[0008] 在具体实施方案中，本发明涉及一种不锈钢合金组合物。在本发明具体的实施方案中，所述合金组合物中仅有一些特定的元素需要以特定的量存在，以便于使合金组合物可用于制备具有如本文所述的理想物理性能的制品。例如，在一个实施方案中，根据本发明的合金组合物包含：约0.6wt％至约0.8wt％的碳；约16wt％至约18wt％的铬；约4.5wt％至约5.5wt％的镍；约2.0wt％至约5.0wt％的锰；约0.8wt％至约1.2％的钨；约0.8wt％至约1.2wt％的钼；约0.65wt％至约0.85wt％的铌；约0.3wt％至约1.0wt％的
硅；余量的铁和不可避免的杂质，其中百分比基于所述合金组合物的总重。
[0009] 在其它实施方案中，根据本发明的合金组合物包含：约0.6wt％至约0.75wt％的碳；约16wt％至约18wt％的铬；约4.5wt％至约5.5wt％的镍；约2.0wt％至约4.5wt％的锰；约0.8wt％至约1.2％的钨；约0.8wt％至约1.2wt％的钼；约0.65wt％至约0.85wt％的铌；约0.3wt％至约1.0wt％的硅；余量的铁和不可避免的杂质，其中百分比基于所述合金组合物的总重。
[0010] 根据进一步的实施方案，本发明的合金可以包含一种或多种任选的痕量元素。例如，在一个实施方案中，除了上述的元素，所述合金可以包含以下一种或多种：最多约
0.15wt％的氮；最多约0.005wt％的
硼；最多约0.03wt％的磷；和最多约0.03wt％的硫，基于所述组合物的总重量。
[0011] 在各种实施方案中，由所述合金组合物形成的合金具有奥氏体结构，所述奥氏体结构含有铬碳化物。进一步地，在各种实施方案中，该合金具有含有MC和/或M7C3碳化物的奥氏体结构。更进一步地，在具体实施方案中，该合金具有含有M23C6碳化物的奥氏体结构，所述M23C6碳化物是在长时间热浸过程中形成的。
[0012] 根据各种实施方案，本文所述的合金组合物可用于制备各种制品。例如，该合金组合物可用于制备通常由奥氏体不锈钢制备的任何制品。本发明的合金的各种实施方案特别可用于制备应用于那些需要承受高的热-机械负荷的能力的应用的制品。例如，在一个实施方案中，所述合金的各种实施方案用来形成涡轮壳体或涡轮歧管。
[0013] 如前面所指出的，必须承受高的热-机械负荷的制品，如涡轮壳体，必须能够满足某些特定物理和机械要求。根据本发明的各实施方案的制品的特别好处在于所述制品能够满足严苛的物理和机械要求。例如，在一个实施方案中，本发明提供的制品具有在室温下至少465MPa的极限拉伸强度，至少370MPa的
屈服强度(安全限
应力)，和至少2％的伸长率中的至少一种，所述性能根据ASTM E8测量。另外，在一个实施方案中，本发明提供了一种在室温下具有根据EN ISO6506-1：2005测量的170-260BHM的硬度的制品，
附图说明
[0014] 上面对本发明进行了概述，下面将参考附图进行描述，附图不一定按比例绘制，其中：
[0015] 图1为符合根据本发明的一个实施方案的合金组合物的材料的微观结构。
[0016] 图2是
涡轮增压器的图示，部件20为根据本发明的一个实施方案的涡轮壳体。
[0017] 图3是一个图表，其显示了根据本发明的各实施方案的新合金的极限拉伸强度与商业上已知的耐热钢的对比。
[0018] 图4是一个图表，其显示了根据本发明的各实施方案的新合金的屈服强度(安全限应力)与商业上已知的耐热钢的对比。
[0019] 图5是一个图表，其显示了根据本发明的各实施方案的新合金的伸长率与商业上已知的耐热钢的对比。具体实施方案
[0020] 现在将参照下文提供的本发明具体实施方案，特别是各个附图对本发明进行更加充分的说明。实际上，本发明可体现为多种不同形式，不应被局限为本文所提出的实施方案；提供这些实施方案只是为了使本公开能满足相应的法律要求。在本
说明书和所附的
权利要求中出现的，单数形式“一个”(“a”，“an”)，“该”(“the”)包括复数个对象，除非上下文另有明确规定。
[0021] 本发明涉及一种耐热不锈钢合金。因此，该合金组合物包含铁作为主要合金元素(或合金组分)。通常，作为主要合金元素，铁的存在量大于合金中的任何其它单一元素的存在量。在一个优选的实施方案中，铁的存在量大于其余的合金元素的总和。也就是说，含有的铁大于合金组合物的50wt％，基于所述组合物的总重量。
[0022] 根据本发明的进一步实施方案，该合金组合物可从下述
角度进行描述：包括一组特定量的特定的合金元素。在这些实施方案中，合金中存在的铁的量被称为构成所述合金余量的铁和不可避免的杂质。当以这样的术语描述时，应当理解，余量为铁意味着铁的实际含量(重量百分比，基于合金的总重)可以通过获得其余元素的含量的总和，然后用100减去该总和得到，余量(remainder)代表合金中铁的含量(即，剩余量(the balance))。
[0023] 本发明的各种实施方案的合金组合物特别是特征在于：本发明提供的合金组合物可用于制备这样的制品：这些制品满足或超过了高应力、高热应用所必须的机械和物理要求，而且，所述合金组合物的元素组成使得合金能够以相比于商业上已知的耐热不锈钢更低的成本来制备。例如，在某些实施方案中，本发明的合金组合物达到了与通常用于高应力、高热应用的1.4848耐热钢类似的机械和物理要求，但是所包含的镍量却低于1.4848耐热钢，1.4848耐热钢的镍量通常为19.0wt％-21.0wt％。本发明各实施方案的合金中降低的镍量相比于1.4848钢种降低了制造合金的成本。另外，在优选的实施方案中，可以在与1.4848钢种相比不给合金的物理性能带来不利影响的情况下实现该降低的镍含量。
[0024] 在具体实施方案中，所述合金组合物包含约0.6wt％至约0.8wt％的碳，基于所述合金组合物的总重量。在优选的实施方案中，碳的含量为约0.6wt％的至约0.75wt％。另外，在具体实施方案中，所述合金组合物包含约2.0wt％至约5.0wt％的锰，基于所述合金组合物的总重量。在优选的实施方案中，锰的含量为约2.0wt％至约4.5wt％。在所述合金组合物的各种实施方案中，所述含量的碳和锰被用于替代镍。
[0025] 如前所述，通常加入镍以帮助将材料的基体结构奥氏体化。比如，300系列不锈钢通常具有约8.0wt％到15.0wt％的镍。然而，在各种实施方案中，相比于典型的耐热不锈钢，当碳和锰的含量增加时，只需较少的镍来保持奥氏体结构。因此，在具体实施方案中，所述合金组合物包含的镍量为约4.5wt％至约5.5wt％，基于所述合金组合物的总重量。
[0026] 在各种实施方案中，加入所述碳和锰含量以促进所述材料的最佳相组成。例如，与用于
汽油涡轮壳体的市售材料相比，所述合金组合物的各种实施方案具有更优异的相组成。例如，在具体实施方案中，微观结构包括在奥氏体基体中的枝晶间共晶铬碳化物，如图1所示的微观结构。此外，在具体实施方案中，长时间暴露于高温后，主要相中的微观结构没有发生变化。例如，对一个具体的合金组合物进行静态热浸试验，在950℃的炉内经历275小时后，微观结构没有经历新相，并且经测量氧化
水平与成熟的高镍材料如D5S的相当。
[0027] 除了碳、锰、镍和铁，本发明的各种实施方案的合金组合物可以含有一种或多种能够给所述合金组合物带来有益性能的其它合金元素。本文描述了可用在某些优选实施方案中的元素。然而，包含某些其它元素和/或不含某些其它元素的都不意在限制本发明的范围。事实上，本文所描述的其它元素只是优选的，并且在不脱离本发明的情况下，被视为有益的其它元素可被加入到所述合金中。包含的其它元素的量是基于组合物的总重量。
[0028] 在具体实施方案中，所述合金组合物包含约16wt％至约18wt％的铬，基于所述合金组合物的总重量。铬可以有助于在奥氏体基体中析出碳化物，从而通过所述基体的析出强化来提高高温屈服强度。此外，如前面所讨论的，铬可促进在表面附近形成铬氧化物的致密的钝化膜，从而改善耐氧化性。
[0029] 另外，在具体实施方案中，该合金组合物包含约0.8wt％至约1.2wt％的钼，基于所述合金组合物的总重量。此外，在具体实施方案中，该合金组合物包含约0.8wt％至约1.2wt％的钨，基于所述合金组合物的总重量。类似于铬，这些元素可有助于在奥氏体基体中析出碳化物，并可通过在可能使用合金的整个温度范围内的析出强化来提高高温屈服强度(安全限应力)。此外，钼可提高耐
点蚀和缝隙腐蚀性能。
[0030] 在具体实施方案中，所述合金组合物包含约0.65wt％至约0.85wt％的铌，基于所述合金组合物的总重量。添加铌可提高高温蠕变强度。另外，在具体实施方案中，该合金组合物包含约0.3wt％至约1.0wt％的硅，基于所述合金组合物的总重量。添加硅可以提高浇铸流动性和改进可浇铸性。另外，硅还可以提高耐氧化性，特别是在加入了挥发性的氧化物(例如钨和/或铌)来提高高温强度的情况下。
[0031] 在一些实施方案中，除了上述元素，本发明的合金组合物可包含一种或多种以痕量存在的元素，并且这样的元素可以被称为痕量元素。本文所使用的术语“痕量元素”是指本发明的合金组合物中存在的任何没有最低含量要求的元素。因此，痕量元素可以完全不存在于合金组合物中。存在于合金组合物中的痕量元素可以是制备所述合金的工艺所带来的结果，或者是故意加入到合金组合物中的，虽然含量很小。如果合金组合物中包含一种或多种痕量元素，优选以小于或等于某一最大含量的形式存在。
[0032] 例如，在具体实施方案中，该合金组合物包含最多约0.15wt％的氮，基于所述合金组合物的总重量。氮可以提高耐点蚀性能和延缓σ相形成的动力学。在特定实例中，可在熔炼工艺过程中通过加入原材料(如含有氮的锰铁)来引入氮。氮的添加可促进奥氏体的形成，以及MC型碳化物的形成。这种碳化物有助于在高温下强化
晶界，并且改善高温动态性能，例如蠕变，应力断裂和疲劳。
[0033] 另外，在具体实施方案中，合金组合物可以包含最多约0.005wt％的硼，最多约0.03wt％磷(重量)，以及最多约0.03wt％的硫。基于所述合金组合物的总重量。这些添加物可以为所述材料提供其它有益的性能，例如，硫可以改善材料的可加工性。
[0034] 另外，在某些实施方案中，痕量元素可以是杂质。如合金化过程中常见的，特别是在制备合金中使用了较低成本的材料时，各种杂质被引入到合金组合物中是常见的。相应地，所述合金组合物中存在的任何非必需作为合金元素的元素可以被认为是杂质。例如，本发明的合金组合物中以痕量存在的元素包括，但不局限于，
钙和钠。单个杂质的量优选不超过约0.1％。在优选的实施方案中，所有杂质的总含量低于约1wt％，优选低于约0.5wt％，低于约0.4wt％，或低于0.3wt％。
[0035] 在某些实施方案中，通过使用特定量的这些元素，实现了本发明合金的优点，特别是与降低合金整体成本的同时保持合金的整体强度相关的优点。在具体实施方案中，所述合金组合物包含约0.6wt％至约0.8wt％的碳，约2.0wt％至约5.0wt％的锰，约4.5wt％至约5.5wt％的镍，以及约16wt％至约18wt％的铬，所有百分百均为重量百分比且基于整个合金组合物的总重量。在本发明的其它实施方案中，本发明的合金组合物具有一个具体限定的组成是有益的。例如，在具体实施方案中，本发明涉及表2和3所示的合金组合物。
[0036] 表2：
[0037]
[0038] 表3：
[0039]
[0040]
[0041] 本发明的合金组合物的各种实施方案适用于以本领域公知的方法制备各种制品。具体地，所述合金组合物的各实施方案可以用于制备通常由奥氏体不锈钢合金制备的任何制品。例如，所述合金的各实施方案对于制备用于下述应用的制品来说是非常有用的，所述应用需要承受高热-机械
载荷的能力。例如，在一个具体实施方案中，本发明涉及
涡轮增压器的壳体，所述
涡轮增压器的壳体由本文描述的一种合金组合物的实施方案形成。本发明的涡轮增压器壳体的一个实施方案示于图2中。具体地，图2示出了涡轮增压器10。所述涡轮增压器10包括涡轮壳体20，所述涡轮壳体20容纳着
涡轮机叶轮30和
压缩机壳体40。
所述压缩机壳体40容纳着压缩机叶轮50和
轴承壳体60，所述轴承壳体60用于容纳一组轴承。该组轴承70
支撑旋
转轴80，所述
旋转轴80将所述涡轮机叶轮30连接到压缩机叶轮
50，在特定的实施方案中，涡轮增压器10、涡轮壳体20、轴承壳体60和压缩机壳体40中的一个或多个可包含如本文所描述的合金的实施方案。
[0042] 可以使用金属生产和成型的各种传统方法来制备所述合金的各实施方案。尽管还可以使用其它方法，但是传统的
铸造是用于形成这些合金的
板坯和/或
铸锭的最常见工艺。本领域常规的用于形成其它合金的热和热-
机械加工技术同样适合用于生产和强化本发明的合金。
[0043] 例如，在具体实施方案中，可以使用传统的壳型铸造工艺将一种或多种合金组合物制成制品，如涡轮增压器壳体。壳型铸造是一种类似于砂型铸造的工艺，其中将熔融金属倒入可扩展的模具中。然而，在壳模铸造中，所述模通常是薄壁壳，该薄壁壳通过将砂-
树脂施加在在一个模样周围而制得。所述模样是呈期望的部件的形状的金属件，其可被重复使用来形成多个壳模。例如，一个两片金属模样(two-piece metal pattem)通常由铁或钢制成期望的部件的形状。所述模样的每半部分被加热至某个温度，例如175-370℃，并涂覆
润滑剂以利于脱模。然后，加热的模样被夹到包含砂和树脂
粘合剂的混合物的哑箱(dumb box)中。翻转哑箱，使得砂-树脂混合物涂敷到模样上，加热的模样使混合物部分
固化，从而形成包围模样的壳体。然后在炉中完成每个半模样的固化，并且壳与模样分离。模样的两半连接在一起并牢固地夹紧，以形成完整的
型壳。所述壳然后被放置到一个砂箱(flask)中并用背衬材料(backing material)支撑。然后，将熔融金属由钢包倒入浇注系统并填充模腔。模具被充满后，使熔融金属冷却并固
化成最终的铸件的形状。在模具冷却后，打破模具，取出铸件。铸件可能需要修整和清洁以去除任何多余的金属和沙子。
[0044] 如上面所指出的，在优选的实施方案中，不锈钢合金具有奥氏体结构。具体地，在优选的实施方案中，本发明的不锈钢合金具有这样的微观结构：奥氏体基体中包含铬碳化物。在具体实施方案中，初生碳化物的形式为MC和M7C3。此外，在具体实施方案中，在长时间的热浸下，如275小时，初生碳化物的形式为MC和稳定的M23C6。应当指出，对于各实施方案，没有形成其它有害和/或不稳定相，如η和/或σ相，并且基体保持了奥氏体(碳化物位于晶界处)良好的一致性。此外，还应当指出，在各实施方案中，通过标准金相技术和蚀刻准备试样来评价微观结构。
[0045] 在本发明的一些实施方案中，气孔(porosity)的大小和形状可以是
指定的。气孔可以以簇的形式存在、均匀地分散、或表现出与枝晶生长一致的方向性。可以通过切片，
研磨和
抛光来检测气孔。在优选的实施方案中，气孔被最少化。
[0046] 在各种情况下，使用本文描述的本发明的合金组合物的某些实施方案制备的制品预期可以满足或超过在高温应用中使用的高的性能要求。提供本发明的合金组合物的某些实施方案提供了具有在高温下表现出色的机械性能(如极限拉伸强度、屈服强度和伸长率)的制品。
[0047] 在优选的实施方案中，在室温下，本发明的合金可以显示出至少约465MPa的拉伸强度，至少为370MPa的0.2％屈服强度(安全限应力)，至少2％的伸长率的和170-260BHN的硬度。另外，在某些实施方案中，本发明的合金可以在最高约800℃、最高约850℃、最高约900℃、最高约950℃、或最高约1000℃的温度下显示出高的机械性能，其中，所述温度是指该制品所经受的气体温度。例如，如图3-5所示，本发明的合金的各种实施方案可提供与那些其它商业上已知的耐热钢相当的机械性能。
[0048] 在一个实施方案中，采用本发明的合金制备的制品特别是能满足或超过各种特定物理或机械性能的标准。在一些实施方案中，根据ASTM E8或另外的等效的国家标准测试了试棒的机械性能。优选地，从铸造样品中取拉伸试样来进行测量。当即使使用在ASTM E8中所述的最小的试样测试尺寸，这仍然不可行时，则用于测试的试样可以由龙骨
块或Y块加工获得，所述龙骨块或Y块遵循与其想要代表的零件相同的生产过程。理想情况下，所述块在铸造后的冷却条件与铸件的相似且所述块的壁厚应当代表铸件的最厚部位，与此类似。在一些实施方案中，其中龙骨块或Y块被用于测试，至少进行三次拉伸试验。
[0049] 得益于前面的说明和相关附图所提供的教导，特属领域的技术人员将能够想到本文所阐述的发明的许多变体和其它实施方案。因此，应当理解，本发明并不限于所公开的具体实施方案，这些变体和其它实施方案均包括在所附权利要求书的范围内。尽管本文使用了特定术语，但是它们仅以通指性和描述性的意义使用，而不是为了限制。
