奥氏体耐热钢 DCNX1的开发

　　近年来，由于地球变暖进一步加剧，减少CO2温室气体的排放成为世界性的主要课题。尤其是，汽车作为与日常生活关系最密切的CO2排放源，由于改善了燃烧效率和车身的轻量化降低了油耗，而且使用了混合动力汽车和电动汽车，因此大大减少了CO2的排放。另一方面，在以往使用汽油的汽车中，由于采用了涡轮增压器，减少了发动机的排气量。涡轮增压器不仅可以提高发动机的输出功率，而且可以使发动机小型化及轻量化。涡轮增压器作为减少发动机排气量的手段，其需求量已不断增大。但是，由于采用涡轮增压器后发动机的温度会上升，燃烧效率得到改善，但排出的气体温度会进一步提高，因此要求涡轮增压器的排气部件要能够承受更高的温度。目前能够承受高达1273-1323K的排出气体温度的材料很少。以前大同特殊钢公司已经开发出安装涡轮的涡轮壳体用铁素体和奥氏体耐热钢Starcast系列，可以适应各种排出气体温度，但是，能够承受1273-1323K高温气体的DCN4（26%Ni-2%W）、DCN5（26%Ni-4%W）和DCN6（40%Ni-6%W）等钢种由于Ni和W的价格高、价格变化大，成本的稳定性成为了问题。因此，开发了耐热特性比DCN4和DCN5好的耐热钢DCNX1。DCNX1的Ni和W的添加量低、成本稳定性好、能承受1323K的高温。以下就其特性进行介绍。

　　2 实验方法

　　2.1 试验材料

　　DCNX1的基本组成以奥氏体耐热钢Starcast DCN4和DCN5为基础，将Ni添加量降到21%，相当于DCN3添加量。W是主要的耐热元素，取值为3。DCNX1高温强度和热疲劳特性比DCN4及DCN5更高。

　　根据以往的研究可知，在开发排气装置部件用新材料时，提高热疲劳强度是很重要的，有效的办法是提高材料的高温强度，降低热膨胀系数。另外，调查了基体成分、NbC和由Cr及W构成的M23C6量对高温强度和热膨胀系数的影响，并计算了各种特性。结果表明添加Ni有助于降低热膨胀系数，添加W有助于改善高温强度。另一方面，碳化物与Ni和W一样对高温强度和热膨胀系数都会产生相同的影响。因此，研究了采用增加碳化物量作为减少Ni和W添加量的替代手段。根据计算可知，NbC的影响比M23C6大，由此可以认为，增加NbC的添加量是有效的手段。但是，有些专家认为在25Ni-25Cr铸钢中如果出现共晶NbC的结晶，虽然在1311K时的蠕变断裂寿命会延长，但如果Nb添加量过大，几乎不会形成M23C6，反而会缩短蠕变断裂寿命。因此决定不增加Nb添加量，而是通过增加C添加量，促使M23C6型的Cr碳化物量增加。与DCN4和DCN5相比，DCNX1由于增加了M23C6量，虽然奥氏体相中的固溶Cr有若干减少，但仍确保在20%以上。为进一步提高抗氧化性，增加了Si的添加量。       

　　2.2 试验方法

　　先采用高频感应炉在空气中进行熔炼，然后铸造成直径22mm、长度160mm的棒状JIS G 0307 B号舟形试样和外径65mm、底面直径31mm、边角30°、厚15mm的圆盘状试样。接着，在1323K下进行消除应力处理，然后用于各种试验。从棒钢中取出用于纵弹性模量、热膨胀系数、抗拉、氧化和蠕变断裂测定用的试样；从圆盘状试样取出用于疲劳试验的试样。

　　各种试验的试样尺寸和试验方法如下。所有试样都是在假设与实际相同的情况下进行取样的，以便使试验部分的外径表面和柱状晶成垂直关系。

　　纵弹性模量

　　采用JIS Z 2280标准和横共振试验法，试样厚度2mm、宽度16mm、长度60mm，升温速度0.17K/s。

　　◆ 热膨胀系数

　　采用示差膨胀分析法，试样直径5mm、长度19mm，升温速度0.08K/s，计算出常温下平均热膨胀系数。

　　◆ 抗拉强度

　　采用JIS G 0567标准，试样的直径8mm、标点间距离40mm。

　　◆ 反复氧化试验

　　采用JIS Z 2282标准，试样厚度3mm、宽度15mm、长度25mm，以在1273K保持1.8ks和在常温下保持1.8ks为一循环试验，共进行200次循环试验。

　　◆ 蠕变断裂试验

　　采用JIS Z 2272标准，试样的平行部直径6mm、标点间距离30mm。

　　◆ 热疲劳试验

　　采用JIS Z 2278标准，试样为外径45mm、中间壁厚7.5mm的圆盘形试样。采用低温和高温二个流化床进行内约束型疲劳试验。以在高温炉1323K中保持180s和在低温炉423K中保持240s为一循环，共进行1000次循环试验。

　　3 开发合金DCNX1

　　3.1 显微组织

　　 

　　根据棒状钢锭中间横断面的显微组织可知，无论是哪种合金，基本都在树枝状晶间部存在比较粗大的共晶状碳化物，在其周围存在细的析出碳化物。开发合金DCNX1的碳化物是DCN4和DCN5的1.5-2倍，C量越多，碳化物量越多，从M23C6和NbC的第一峰值的衍射强度比可知，M23C6的第一峰值的衍射强度比NbC高。

　　3.2 物理特性和力学特性

　　设定目前实际应用环境的最高温度1373K为高温侧的温度上限，对热膨胀系数、纵弹性模量、抗拉特性、抗氧化性、蠕变断裂特性和内约束型热疲劳特性进行了调查。

　　3.2.1 热膨胀系数

　　由373K-1373K的各温度区间的平均热膨胀系数可知，DCNX1的热膨胀系数与DCN4和DCN5相同，增加碳化物量可以有效减少Ni和W的添加量，达到设计要求。这是因为W固溶于基体的奥氏体相可以降低热膨胀系数，增加热膨胀系数低的碳化物量可以弥补Ni和W的减少量。

　　3.2.2 纵弹性模量

　　由常温-1323K的纵弹性模量可知，DCNX1的纵弹性模量比DCN4更高。这是因为DCNX1的组织增加了纵弹性模量高的碳化物的添加量。

　　3.2.3 抗拉特性

　　根据在1173K-1373K时的0.2%屈服强度和抗拉强度可知，DCNX1的0.2%屈服强度和抗拉强度比DCN4高。

　　3.2.4 抗氧化性

　　根据在常温保持1.8ks和在1273K保持1.8ks的反复试验的结果可知，无论哪种合金的重量都会随着反复次数的增加而增加，但DCNX1的氧化量比DCN4少，具有良好的抗氧化性。这是因为增加Si的添加量有助于提高抗氧化性所致。

　　3.2.5 热疲劳特性

　　DCNX1的尺寸变化量与DCN4和DCN5基本相同。另外，开发合金的裂纹总长度比以往合金低，可有效抑制裂纹的发生，具有良好的热疲劳特性。

　　3.2.6 蠕变断裂特性

　　根据1273K时蠕变断裂试验结果可知，DCNX1的蠕变断裂强度比DCN4和DCN5高。

　　4 结束语

　　1） DCNX1通过增加M23C6的添加量可以弥补因Ni和W的添加量减少而出现的高温强度下降和热膨胀系数增大的缺陷，尤其是增加Si的添加量可以提高抗氧化性，结果高温强度、抗氧化性和热疲劳特性都比以往合金DCN4和DCN5高。

　　2） DCNX1作为车载涡轮壳体用材料具有良好的耐热特性，是一种具有成本优势的材料。