近年來，由于地球變暖進(jìn)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(guān)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(dòng)力汽車和電動(dòng)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(fā)動(dòng)機(jī)的排氣量。渦輪增壓器不僅可以提高發(fā)動(dòng)機(jī)的輸出功率，而且可以使發(fā)動(dòng)機(jī)小型化及輕量化。渦輪增壓器作為減少發(fā)動(dòng)機(jī)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(fā)動(dòng)機(jī)的溫度會(huì)上升，燃燒效率得到改善，但排出的氣體溫度會(huì)進(jìn)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(dá)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(jīng)開發(fā)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(yīng)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(jià)格高、價(jià)格變化大，成本的穩(wěn)定性成為了問題。因此，開發(fā)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(wěn)定性好、能承受1323K的高溫。以下就其特性進(jìn)行介紹。

　　2 實(shí)驗(yàn)方法

　　2.1 試驗(yàn)材料

　　DCNX1的基本組成以?shī)W氏體耐熱鋼Starcast DCN4和DCN5為基礎(chǔ)，將Ni添加量降到21%，相當(dāng)于DCN3添加量。W是主要的耐熱元素，取值為3。DCNX1高溫強(qiáng)度和熱疲勞特性比DCN4及DCN5更高。

　　根據(jù)以往的研究可知，在開發(fā)排氣裝置部件用新材料時(shí)，提高熱疲勞強(qiáng)度是很重要的，有效的辦法是提高材料的高溫強(qiáng)度，降低熱膨脹系數(shù)。另外，調(diào)查了基體成分、NbC和由Cr及W構(gòu)成的M23C6量對(duì)高溫強(qiáng)度和熱膨脹系數(shù)的影響，并計(jì)算了各種特性。結(jié)果表明添加Ni有助于降低熱膨脹系數(shù)，添加W有助于改善高溫強(qiáng)度。另一方面，碳化物與Ni和W一樣對(duì)高溫強(qiáng)度和熱膨脹系數(shù)都會(huì)產(chǎn)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(jù)計(jì)算可知，NbC的影響比M23C6大，由此可以認(rèn)為，增加NbC的添加量是有效的手段。但是，有些專家認(rèn)為在25Ni-25Cr鑄鋼中如果出現(xiàn)共晶NbC的結(jié)晶，雖然在1311K時(shí)的蠕變斷裂壽命會(huì)延長(zhǎng)，但如果Nb添加量過大，幾乎不會(huì)形成M23C6，反而會(huì)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(jìn)一步提高抗氧化性，增加了Si的添加量。       

　　2.2 試驗(yàn)方法

　　先采用高頻感應(yīng)爐在空氣中進(jìn)行熔煉，然后鑄造成直徑22mm、長(zhǎng)度160mm的棒狀JIS G 0307 B號(hào)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(jìn)行消除應(yīng)力處理，然后用于各種試驗(yàn)。從棒鋼中取出用于縱彈性模量、熱膨脹系數(shù)、抗拉、氧化和蠕變斷裂測(cè)定用的試樣；從圓盤狀試樣取出用于疲勞試驗(yàn)的試樣。

　　各種試驗(yàn)的試樣尺寸和試驗(yàn)方法如下。所有試樣都是在假設(shè)與實(shí)際相同的情況下進(jìn)行取樣的，以便使試驗(yàn)部分的外徑表面和柱狀晶成垂直關(guān)系。

　　縱彈性模量

　　采用JIS Z 2280標(biāo)準(zhǔn)和橫共振試驗(yàn)法，試樣厚度2mm、寬度16mm、長(zhǎng)度60mm，升溫速度0.17K/s。

　　◆ 熱膨脹系數(shù)

　　采用示差膨脹分析法，試樣直徑5mm、長(zhǎng)度19mm，升溫速度0.08K/s，計(jì)算出常溫下平均熱膨脹系數(shù)。

　　◆ 抗拉強(qiáng)度

　　采用JIS G 0567標(biāo)準(zhǔn)，試樣的直徑8mm、標(biāo)點(diǎn)間距離40mm。

　　◆ 反復(fù)氧化試驗(yàn)

　　采用JIS Z 2282標(biāo)準(zhǔn)，試樣厚度3mm、寬度15mm、長(zhǎng)度25mm，以在1273K保持1.8ks和在常溫下保持1.8ks為一循環(huán)試驗(yàn)，共進(jìn)行200次循環(huán)試驗(yàn)。

　　◆ 蠕變斷裂試驗(yàn)

　　采用JIS Z 2272標(biāo)準(zhǔn)，試樣的平行部直徑6mm、標(biāo)點(diǎn)間距離30mm。

　　◆ 熱疲勞試驗(yàn)

　　采用JIS Z 2278標(biāo)準(zhǔn)，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(gè)流化床進(jìn)行內(nèi)約束型疲勞試驗(yàn)。以在高溫爐1323K中保持180s和在低溫爐423K中保持240s為一循環(huán)，共進(jìn)行1000次循環(huán)試驗(yàn)。

　　3 開發(fā)合金DCNX1

　　3.1 顯微組織

　　 

　　根據(jù)棒狀鋼錠中間橫斷面的顯微組織可知，無(wú)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(xì)的析出碳化物。開發(fā)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(qiáng)度比可知，M23C6的第一峰值的衍射強(qiáng)度比NbC高。

　　3.2 物理特性和力學(xué)特性

　　設(shè)定目前實(shí)際應(yīng)用環(huán)境的最高溫度1373K為高溫側(cè)的溫度上限，對(duì)熱膨脹系數(shù)、縱彈性模量、抗拉特性、抗氧化性、蠕變斷裂特性和內(nèi)約束型熱疲勞特性進(jìn)行了調(diào)查。

　　3.2.1 熱膨脹系數(shù)

　　由373K-1373K的各溫度區(qū)間的平均熱膨脹系數(shù)可知，DCNX1的熱膨脹系數(shù)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(dá)到設(shè)計(jì)要求。這是因?yàn)閃固溶于基體的奧氏體相可以降低熱膨脹系數(shù)，增加熱膨脹系數(shù)低的碳化物量可以彌補(bǔ)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?yàn)镈CNX1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(jù)在1173K-1373K時(shí)的0.2%屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度可知，DCNX1的0.2%屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度比DCN4高。

　　3.2.4 抗氧化性

　　根據(jù)在常溫保持1.8ks和在1273K保持1.8ks的反復(fù)試驗(yàn)的結(jié)果可知，無(wú)論哪種合金的重量都會(huì)隨著反復(fù)次數(shù)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?yàn)樵黾覵i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(fā)合金的裂紋總長(zhǎng)度比以往合金低，可有效抑制裂紋的發(fā)生，具有良好的熱疲勞特性。

　　3.2.6 蠕變斷裂特性

　　根據(jù)1273K時(shí)蠕變斷裂試驗(yàn)結(jié)果可知，DCNX1的蠕變斷裂強(qiáng)度比DCN4和DCN5高。

　　4 結(jié)束語(yǔ)

　　1） DCNX1通過增加M23C6的添加量可以彌補(bǔ)因Ni和W的添加量減少而出現(xiàn)的高溫強(qiáng)度下降和熱膨脹系數(shù)增大的缺陷，尤其是增加Si的添加量可以提高抗氧化性，結(jié)果高溫強(qiáng)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(yōu)勢(shì)的材料。