Жаростойкий сплав

 

Сплав предназначен для изготовления носителя активного слоя нейтрализаторов отработанных газов двигателей внутреннего сгорания. Техническим результатом изобретения является повышение жаростойкости и рабочей температуры до 1300^oС в атмосфере выхлопных газов при высокой технологической пластичности в горячем и холодном состояниях. Предлагаемый жаростойкий сплав, содержащий хром, алюминий, церий, железо, дополнительно содержит иттрий, цирконий при следующем соотношении компонентов, мас.%: хром 14,5 - 22,5, алюминий 4,5 - 5,5, церий 0,01 - 0,05, иттрий 0,05 - 0,5, цирконий 0,05 - 0,3, железо - остальное. Причем сумма хром + алюминий = 19,1-27,8, а сумма церий + иттрий = 0,07-0,54. 1 табл.

Изобретение относится к металлургии, конкретно к жаростойким сплавам с высоким уровнем пластичности на основе железа, хрома и алюминия. Сплав предназначен для использования в качестве носителя активного слоя нейтрализаторов отработанных газов двигателей внутреннего сгорания.

Известен железо-хром-алюминиевый сплав, стойкий к окислению (заявка N 62-278248, Японии, С 22 С 38/18, C 22 C 38/00, опубликована 1987 г.) следующего состава, хром 10 26, алюминий 1 6, иттрий 0,006 0,08, магний 0,0005 0,03, остальное железо. Сплав также может содержать один или несколько следующих элементов: титан 0,03 0,4% цирконий 0,1 0,8% ниобий 0,1 0,8% в сумме ≅0,8% гафний и (или) РЗМ (кроме иттрия) в сумме 0,006 0,68% Известный сплав используется для изготовления носителя активного слоя нейтрализатора отработанных газов двигателей внутреннего сгорания, имеет хорошее сопротивление окислению до температур не выше 1200^oС и удовлетворительную деформируемость. При более высоких температурах лента толщиной 0,05 мм из этого сплава имеет низкий срок службы. Кроме того, при содержании алюминия выше 5% и хрома выше 24% сплав будет иметь низкую технологическую активность, а при содержании алюминия ниже 4% железо-хром-алюминиевые сплавы подвержены язвенной коррозии.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому изобретению является железо-хром-алюминиевый сплав с высокой стойкостью против окисления (заявка N 63-125641, Япония, С 22 С 38/18, 38/00, опубликован в 1988 г.). Сплав на основе железа содержит, углерод 0,03, кремний 0,1, хром 12 21, алюминий 2,5 3,5, редкоземельные металлы (лантаниды) 0,05 0,2, титан из соотношения [Ti] 5 [C] ≅0,10% Сплав используется в автомобилестроении для производства блоков-носителей нейтрализаторов в виде ленты толщиной 0,30 мм.

Этот сплав не обеспечивает высокой жаростойкости при температурах выше 1150^oС, а из-за содержания алюминия 2,5 3,5% сплав будет подвержен язвенной коррозии.

Техническим результатом изобретения является повышение жаростойкости и рабочей температуры до 1300^oС в атмосфере выхлопных газов при высокой технологической пластичности в горячем и холодном состояниях.

Сущность изобретения состоит в следующем.

Предлагаемый жаростойкий сплав, содержащий хром, алюминий, церий, железо, дополнительно содержит иттрий, цирконий при следующем соотношении компонентов, мас.

Хром 14,5 22,5 Алюминий 4,5 5,5 Церий 0,01 0,05 Иттрий 0,05 0,5 Цирконий 0,05 0,3 Железо остальное Причем сумма хрома + алюминий 19,1 27,8, а сумма церий + иттрий 0,07 0,54.

В предлагаемом сплаве содержание хрома ограничено пределами 14,5 22,5% Содержание хрома менее 14,5% не обеспечивает высокой жаростойкости, а при содержании хрома выше 22,5% технологическая пластичность сплава будет низкой.

Алюминий вводится в сплав с целью образования при высокотемпературном нагреве окалины, состоящей из окислов алюминия, которая является защитной при нагреве в атмосфере выхлопных газов. Содержание алюминия в сплаве установлено в пределах 4,5 5,5% При содержании алюминия менее 4,5% усиливается склонность железо-хром-алюминиевых сплавов к язвенной коррозии, а при содержании алюминия выше 5,5% снижается технологическая пластичность сплава, особенно в холодном состоянии.

Комплекс микролегирующих элементов церия и иттрия в указанных пределах обеспечивает значительное повышение жаростойкости за счет прочного сцепления окалины с металлом. Содержание церия в сплаве ниже 0,01% не будет увеличивать жаростойкость, а выше 0,05% приведет к снижению жаростойкости и отрицательно скажется на пластичность сплава. Иттрий изменяет физико-механические свойства окалины, содержание иттрия менее 0,05% не обеспечит требуемых свойств окалины, а при содержании иттрия более 0,5% резко снизится жаростойкость сплава, а также технологическая пластичность из-за образования эвтектики типа Fe₉Y, которая располагается в виде тонкой прослойки по границам зерен.

Цирконий вводится в сплав как сильный карбидообразующий и нитридообразующий элемент с целью нейтрализации вредного влияния углерода и азота. Кроме того, цирконий оказывает положительное влияние на окалинообразование. Содержание циркония в предлагаемом сплаве ограничено 0,05 0,3% При содержании циркония менее 0,05% при высокотемпературном нагреве имеет место язвенная коррозия, при содержании циркония более 0,3% в металле образуется большое количество крупных нитридов циркония, которые отрицательно сказываются при холодной прокатке на ленту микронных размеров.

При указанной сумме хрома и алюминия 19,1 27,8% повышается жаростойкость за счет снижения термодинамической активности железа. При содержании хром + алюминий менее 19,1% не обеспечивается высокая жаростойкость при высоких температурах, а при содержании хром + алюминий более 27,8% понижается технологическая пластичность.

Только при содержании микролегирующих элементов церий + иттрий 0,07-0,54% на границе окалина-металл образуется прослойка из окислов иттрия и церия, которая тормозит диффузию кислорода в глубь сплава и обеспечивает повышение жаростойкости при высоких температурах. При содержании микролегирующих добавок менее 0,07% жаростойкость снижается, а при содержании добавок более 0,54% понижается как жаростойкость, так и технологическая пластичность сплава.

Сплав предложенного химического состава выплавлялся в открытой 50-кг индукционной печи. Химический состав и свойства предлагаемого сплава представлены в таблице.

Слитки охлаждали в песке и затем ковали на сутунку. Далее сутунку подвергали строжке до удаления поверхностных дефектов окалины. Зачищенные сутунки прокатывали на полосу толщиной 2,5 мм. Горячекатанные полосы после термообработки, травления и обрезки кромок катали на толщину 0,1 мм и далее на 20-валковом стане ленту докатывали на конечный размер толщиной 0,05 мм.

Оценку жаростойкости проводили на ленточных образцах размером 0,05х5,0х200 мм гравиметрическим методом по увеличению массы образцов при температуре 1300^oС до разрушения. Горячая пластичность металла оценивалась по измерению порога хладноломкости (Т₅₀). Образцы вырезались из подката толщиной 3,0 мм и шириной 10 мм без надреза (ГОСТ 9454-78). Готовая лента толщиной 0,05 мм подвергалась испытанию на гиб с перегибом при комнатной температуре по ГОСТу 1579-63.

Предложенный жаростойкий сплав обеспечивает новые свойства, прежде всего значительно повышает жаростойкость тонкой ленты и рабочую температуру в атмосфере выхлопных газов, а также высокую технологическую пластичность в горячем и холодном состояниях.

В результате использования предлагаемого изобретения была получена лента толщиной 0,05 мм, из которой изготовлены блоки нейтрализаторов отработанных газов двигателей внутреннего сгорания.

Формула изобретения

Жаростойкий сплав на основе железа, содержащий хром и алюминий, отличающийся тем, что он дополнительно содержит церий, иттрий и цирконий при следующем соотношении компонентов, мас.

Хром 14,5 22,5 Алюминий 4,5 5,5 Церий 0,01 0,05
Цирконий 0,05 0,3
Иттрий 0,05 0,5
Железо Остальное
причем сумма содержания хрома и алюминия составляет 19,1 27,8, а сумма содержания церия и иттрия 0,07 0,54.