CN100503870C - 具有较高密度高强度的耐腐蚀合金 - Google Patents

Abstract

一种具有较高密度高强度的耐腐蚀合金，其特征在于，材料组份及含量如下：碳，0.01～0.09重量%；硅，0.2～0.6重量%；锰，0.05～0.5重量%；磷，0.0001～0.03重量%；硫，0.0001～0.03重量%；铬，9.5～10.5重量%；镍，10～13重量%；铜，2.5～3.5重量%；钼，0.01～0.2重量%；铌，0.01～0.1重量%；钨，24～26重量%；铁，余量。材料密度为9.2～9.4g/cm³。本发明合金材料既具有较高密度(比重)，又具有良好的耐腐蚀、材料强度以及成形性和焊接性，特别适用于需高密度(比重)或稳定重心的场合，作为机具和零部件全部或部分区域的材料。

Description

具有较高密度高强度的耐腐蚀合金

技术领域

本发明涉及一种合金材料，具体涉及一种具有较高密度高强度的耐腐蚀合金。

背景技术

主成分为铁的合金不仅具有较好的机械强度，而且美观、耐腐蚀，因此在工业各领域中得到广泛应用，且种类繁多，按热处理后的金相组织(即显微组织)可分为五大类：即铁素体、马氏体、奥氏体、奥氏体-铁素体和沉淀硬化型。这些合金在特定的应用领域具有良好的性能，其中，沉淀硬化型不仅具有良好的耐腐蚀，而且有很好的成型性能和良好的焊接性，甚至可作为高强度的材料加以应用。然而，在一些需要较大密度(比重)材料的场合，比如有惯性运动和稳固平衡要求(如驱动飞轮盘、机具底座或底盘、运动器材等)时，机构和零部件的整体或局部采用现有的沉淀硬化型合金，材料本身的密度(比重)还是不够的，如果为了增加材料的密度(比重)，而简单的在该合金材料的炼制过程中加入高密度(比重)元素，又容易产生重力偏析现象，造成材料内部不均匀。另外，这样做虽然材料整体密度(比重)增加了，但材料强度反而下降，并且造成耐蚀性不佳，焊接强度下降等缺点。因此，如何研制一种既具有较高密度(比重)，又具有良好的耐腐蚀、材料强度以及成形性和焊接性的合金是本发明研究的问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种既具有较高密度(比重)，又具有良好的耐腐蚀、材料强度以及成形性和焊接性的合金材料，以克服现有技术的不足。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：一种具有较高密度高强度的耐腐蚀合金，其特征在于，该合金材料的组份及含量如下：

碳    0.01～0.09重量％；

硅    0.2～0.6重量％；

锰    0.05～0.5重量％；

磷    0.0001～0.03重量％；

硫    0.0001～0.03重量％；

铬    9.5～10.5重量％；

镍    10～13重量％；

铜    2.5～3.5重量％；

钼    0.01～0.2重量％；

铌    0.01～0.1重量％；

钨    24～26重量％；

铁          余量；

所述合金材料的密度为9.2～9.4g/cm³，金相组织为奥氏体；

所述合金材料经第一步950℃～1050℃恒温1小时，再置于空气中冷却的固溶处理，和第二步450℃～550℃恒温3小时，再置于空气中冷却的时效处理后，硬度为HRC 33～40；

所述合金材料在5重量％NaCl+95重量％H₂O的盐雾测试下，其耐蚀性不小于72小时。

上述技术方案中的有关内容解释如下：

1、上述方案中，所述合金材料的最佳组份及含量如下：

碳    0.08重量％；

硅    0.43重量％；

锰    0.38重量％；

磷    0.01重量％；

硫    0.015重量％；

铬    10.22重量％；

镍    10.65重量％；

铜    2.95重量％；

钼    0.17重量％；

铌    0.015重量％；

钨    24.3重量％；

铁    余量。

2、上述方案中，所述本合金材料在制备后，经950℃～1050℃恒温1小时，再置于空气中冷却的固溶处理，材料硬度为HRC 28～32。这里所述的固溶处理是指将材料升温到固溶线以上的单相区，恒温保持一段时间，使介入析出硬化的合金元素全部溶于材料基质中，而成为单一过饱和固溶体的热处理工艺。固溶处理的目的主要是改善钢和合金的塑性和韧性，为沉淀硬化处理作好准备等。

3、上述方案中，所述合金材料在制备后，经第一步950℃～1050℃恒温1小时，再置于空气中冷却的固溶处理，和第二步450℃～550℃恒温3小时，再置于空气中冷却的时效处理，材料硬度为HRC 37～43。这里所述的时效处理是指合金工件经固溶处理，冷塑性变形或铸造、锻造后，在较高的温度放置或室温保持，其性能，形状，尺寸随时间而变化的热处理工艺。时效处理的目的，消除工件的内应力，稳定组织和尺寸，改善机械性能等。

4、上述方案中，所述合金材料在5重量％NaCl+95重量％H₂O的盐雾测试下，其耐蚀性不小于72小时。

5、本发明合金材料在融炼过程需要足够搅拌使材料成份混合均匀，并加入适量的微量元素增加分散效果及合金化程度。

由于上述技术方案运用，本发明与现有技术相比具有下列优点和效果：

1、本发明合金材料由于具有较高密度(比重)的特性，特别适用于需较高密度(比重)或稳固重心的场合，作为机具和零部件全部或部分区域的材料。这种材料的应用范围包含机构、零部件和组合件，如驱动飞轮盘、机具或物品底座、运动器材等诸如此类物品。

2、本发明合金材料在精炼后，经固溶化处理及时效析出处理可获得较高的机械强度，其主要金相组织为奥氏体。

3、本发明合金材料具有耐腐蚀的特点，其耐腐蚀性与现有沉淀硬化型不锈钢相同，适用于具有抗腐蚀性要求的环境场合。

4、本发明合金材料具有较好的成型性和焊接性，可以采用焊接、钎焊、嵌铆合、胶合等固定连接方式与其它机构、机具或零部件结合，以达到高密度(比重)、低重心的稳定或惯性需求。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步描述：

已知现有的高密度(比重)合金多以粉末冶金方式制作，但其耐蚀程度、焊接性能及机械强度皆不如本发明合金。现以市场销售的3种高密度(比重)合金与本发明合金(铸造状态)以5％Nacl+95％H20盐雾浸泡测试，并以ASTM(美国材料与试验协会)E8标准测试机械性质，其结果如表一所示。

 

合金种类	W12+Ni62+Cu26	W4+Ni67+Fe29	W18+Ni57+Fe25	本合金
					耐蚀程度	≤72HR	≤36HR	≤48HR	>72HR
抗拉强度(MPa)	439	304	314	1026

 

降伏强度(MPa)	359	205	245	765
					延伸率(％)	5～7	5～7	6～8	7～9

表一

本发明合金材料在融炼过程中有足够的搅拌以使得材料成份混合均匀，并加入了适量的元素增加分散效果及合金化程度。依上述目的，本发明合金材经多次实验后所求得较佳成分结构如表二所示：

 

C	Si	S	P	Mn	Ni
						≤0.09	0.2/0.6	≤0.03	≤0.03	≤0.5	10/13
Cr	Cu	Mo	W	Nb	Fe
						9.5/10.5	2.5/3.5	≤0.2	24/26	0.01/0.1	余量(Bal)

表二                     单位：wt％

本合金经精炼后，经固溶化处理及时效析出处理可提高强度，其主要金相组织为奥氏体，并伴随一些残留钨化合物的析出物。

针对本发明过程详细说明如下：

为符合本发明合金高密度(比重)、高强度与耐腐蚀性的特性要求，发明人事先制作多种不同成分比例的合金试样，并测试试样的机械性质，以此作为本合金开发的依据。

发明人经多次测试后共取出三种符合本合金要求条件的试样(H1～H3)，并依据ASTM(美国材料与试验协会)E8规范为标准，测试其机械性质，所得数据如表三所示。

表1为H1～H3三种试样合金材料的化学组份及含量(元素单位：重量％)

本试样皆为铸造状态       表三                  元素单位：wt％

根据表三的数据，发明人将试样合金的各种组成成分对材料性质所产生的影响归纳如下：

以合金的金相组织来看，属于奥氏体组织+残留少量铁素体组织(H1)强度较差；奥氏体+残留钨化合物组织(H2)较佳；奥氏体组织(H3)则次之。

依照表三所示试样加以热处理后情形如下：

以950℃～1050℃恒温1小时空冷的固溶处理后，H2硬度由HRC 26～28增加至HRC 29～32，H3硬度由HRC 13～14增加至HRC 25～27，H1维持HRB 83～84不变；再将固溶后的试样经450℃～550℃恒温3小时空冷的时效析出处理后，H2硬度再增加至HRC33～40，H3硬度则维持HRC 25～27不变，H1依旧维持HRB 83～84无其它变化。

由于三种试样的成分差异为W(钨)、Ni(镍)Cr(铬)与Cu(铜)的含量不同。其中镍含量过高将使金相形成奥氏体组织，因此时效析出强化组织效果低。

一般而言Cr(铬)含量影响合金材的耐蚀性，铬含量增加有助于提高合金材的耐蚀性，但由表2结果发现铬含量过高也会使合金材机械性质下降。

而降低C(碳)含量虽能提高耐蚀性，但碳含量下降至一定程度即会带来冶炼技术上的困难，因而碳含量应控制于≤0.09％较佳。

Ni(镍)含量影响合金材料的韧性，但镍含量过高时易使得金相组织形成奥氏体相，并造成机械性质下降。

Cu(铜)为析出强化元素，但须配合Ni(镍)、Cr(铬)含量加以调配。铜含量增加可使材料于时效析出处理后强度更佳。但如果和镍、铬含量调配不当时，将使得合金材料形成奥氏体组织，反而造成机械性质下降。

W(钨)为密度(比重)控制元素，钨的含量直接影响本发明合金主要目的即高密度(比重)。但钨元素添加过高有均匀分散性不良并容易产生偏析现象，基于此考虑，钨元素含量应控制于24wt％～26wt％最佳。

本发明合金经950℃～1050℃恒温1小时空冷的固溶处理后，可使组织较为均匀，其金相组织主要呈现奥氏体，并有一些残留钨化合物等析出物，根据使用需求可再施以450℃～550℃持温3小时空冷的时效处理，可得更高强度及硬度。

针对本发明合金特别补充说明如下：

本发明所提供的具有较高密度高强度的耐腐蚀合金，其用途不仅局限于本说明书背景部份所述的机构或组合件使用(如驱动飞轮盘、机具底座或底盘、运动器材..等)，若其它机具或物品在设计时有高密度、高强度及耐蚀性考虑时，均属本发明的申请范围内。

Claims (2)

1、一种具有较高密度高强度的耐腐蚀合金，其特征在于，该合金材料的组份及含量如下：

碳     0.01～0.09重量％；

硅     0.2～0.6重量％；

锰     0.05～0.5重量％；

磷     0.0001～0.03重量％；

硫     0.0001～0.03重量％；

铬     9.5～10.5重量％；

镍     10～13重量％；

铜     2.5～3.5重量％；

钼     0.01～0.2重量％；

铌     0.01～0.1重量％；

钨     24～26重量％；

铁     余量；

所述合金材料的密度为9.2～9.4g/cm³，金相组织为奥氏体；

所述合金材料经第一步950℃～1050℃恒温1小时，再置于空气中冷却的固溶处理，和第二步450℃～550℃恒温3小时，再置于空气中冷却的时效处理后，硬度为HRC 33～40；

所述合金材料在5重量％NaCl+95重量％H₂O的盐雾测试下，其耐蚀性不小于72小时。

2、根据权利要求1所述的合金，其特征在于：该合金材料的组份及含量如下：

碳    0.08重量％；

硅    0.43重量％；

锰    0.38重量％；

磷    0.01重量％；

硫    0.015重量％；

铬    10.22重量％；

镍    10.65重量％；

铜    2.95重量％；

钼    0.17重量％；

铌    0.015重量％；

钨   24.3重量％；

铁   余量。