CN101078081A

CN101078081A - 一种低密度无磁恒弹性合金

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Publication number: CN101078081A
Application number: CN 200710117710
Authority: CN
Inventors: 张建福; 卢凤双; 张敬霖; 张建生; 赵栋梁; 陈建刚
Original assignee: Central Iron and Steel Research Institute
Current assignee: Central Iron and Steel Research Institute
Priority date: 2007-06-22
Filing date: 2007-06-22
Publication date: 2007-11-28
Anticipated expiration: 2027-06-22
Also published as: CN100489134C

Abstract

本发明属于合金材料领域，特别涉及一种低密度无磁恒弹性合金。该合金的化学组成成分(重量)％为：Ti 36.0－42.0％，Al 4.0－6.0％，Cr 3.0－6.0％，Hf 2.0－5.0％，余为Nb。另外，熔炼合金所用的Nb、Ti、Al、Cr、Hf原材料的纯度不低于99.0％的水平。本发明合金与现有技术相比具有高强度、低密度、无磁、恒弹性的优点。

Description

一种低密度无磁恒弹性合金

技术领域

本发明属于合金材料领域，特别涉及一种低密度无磁恒弹性合金。

背景技术

在现有技术中，恒弹性合金是指在所使用的温度区间内合金的弹性模量随温度的变化基本保持不变的合金。早在1896年，人们发现Fe-Ni二元合金中Ni含量为28％和44％时，弹性模量温度系数可以为零，但恒弹性温度范围很窄、弹性模量温度系数对Ni含量极其敏感而未得到应用。此后研制出可实际应用的碳化物强化型和时效强化型Fe-Ni基恒弹性合金，形成了许多牌号，如Ni-Span C、Ni-Span D和我国的3J53、3J58等恒弹性合金。由于Fe-Ni系合金的性能一致性差、机械品质因数低等因素，国内外进行大量工作，研究了多种恒弹性合金来弥补Fe-Ni系合金上述的不足之处。一类为铁磁性恒弹性合金，分为Fe-Ni系和Fe-Co系恒弹性合金。对于Fe-Ni系合金通过加C、Cr、Ti、Al、Nb等合金化元素生成金属间化合物强化合金，稳定合金弹性模量温度系数。Fe-Co系合金的弹性模量温度系数较稳定，典型的合金有Co埃林瓦、Mo埃林瓦、W埃林瓦、Mn埃林瓦以及Elcolloy合金等。再有一类为无磁恒弹性合金，有Fe-Mn基、Mn基、Cr基、Ti基等合金系，这类合金不受周围磁场的影响。

目前，比较广泛使用的Ni-Span C合金，以及其它Fe-Ni艾林瓦类型恒弹性合金，皆为铁磁性材料。亦即在不太强的磁场中容易达到饱和，因此其使用具有一定的局限性，特别是许多精密仪表和计时装置中的敏感和机械传动等元件，往往工作在磁场中或磁场附近，这样就要求弹性材料不仅弹性模量温度系数低，亦要求材料不受周围磁场的影响，即要求无磁性。随着科学技术的发展对恒弹合金的低密度、高强度、耐蚀性等方面也提出了更高的要求。

报道中发现俄罗斯比较成熟的Nb基恒弹性合55БТЮ，Ti、Al为其主要合金化元素，固溶、时效后的弹性模量温度系数为-(7.0-9.0)×10^-5/℃，Rm＜1200MPa。国内未见低密度、无磁、恒弹性Nb基合金的专利报道。

发明内容

本发明的目的在于提供一种高强度的低密度无磁恒弹特性的合金。

根据上述目的，本发明的技术方案：该合金的的化学组成成分(重量)％为：Ti 36.0-42.0％，Al 4.0-6.0％，Cr 3.0-6.0％，Hf 2.0-5.0％，余为Nb。

另外，熔炼合金所用的Nb、Ti、Al、Cr、Hf原材料的纯度不低于99.0％的水平。

上述各化学成分的作用为：

在本专利涉及的Nb基合金中，添加合金化元素Cr的主要作用是降低合金弹性模量温度系数对成分敏感性，提高抗蚀性和起到固溶强化的作用，提高合金的强度。Ti、Al是有效的强化元素，在600-700℃时效过程中，固溶体中析出细小弥散分布的(Nb\Ti)3Al强化相，显著提高合金强度并降低合金的弹性滞后。并且合金元素Ti能够有效的提高Nb合金的弹性极限。通过添加合金化元素Hf，形成弥散的碳化物相，进行沉淀强化，并且改善合金的抗氧化性能。合金中大量的低密度元素Ti、Al明显降低了合金的密度。

本发明采用与现有技术相似的制备方法，是利用二次真空自耗的方法，有效提高合金的冶金质量，为后续的成型工艺提供了决定性的保障，其具体步骤如下：

1、电极制造

将Nb条、海绵Ti、Al、Cr、Hf按以上的重量百分比制成电极，并用氩弧焊焊接牢固。

2、熔炼

在真空自耗炉中进行熔炼，真空度≤1.0×10^-1Pa时充氩气，熔炼后的合金锭作为新的电极，再次进行真空自耗熔炼，要求反复熔炼2次以上。

3、均匀化处理

将经过自耗熔炼的合金锭，经1500-1700℃保温1-2小时均匀化退火处理，扒皮并取样分析合金的化学成分。

4、开坯

扒皮锭开坯时低于600℃装炉，合金锭的大小决定合金锭的升温速度快慢，经1000-1100℃保温1小时后开始锻造成方坯；

5、热轧

方坯经1000-1100℃保温1小时后热轧成板坯；

6、固溶热处理

板坯经1000-1100℃保温1小时后迅速淬水，得到固溶态合金。

本发明与现有技术相比具有高强度、低密度、无磁、恒弹性的优点。上述优5点具体如下：制备的合金其弹性模量温度系数βE(-55-00℃)小于7.3×10^-5/℃，密度为5.85g/cm³左右，克磁化率Xm小于1.74×10^-6cm3g^-1，抗拉强度大于1400MPa的低密度、无磁、恒弹特性合金。

附图说明

图1为1#合金经650℃×10h真空时效处理后弹性模量温度系数随使用温度的变化曲线图。

上述附图中，在20℃时合金的弹性模量E约为111.5GPa。随使用温度的升高合金的弹性模量温度呈线性缓慢降低，在400℃时，弹性模量E约为108.5GPa。

具体实施方式

采用本发明合金的化学成分和二次真空自耗的方法制备了3批低密度、无磁、恒弹合金钢锭：将合金锭于1650℃经1小时均匀化退火处理，于1070℃保温1小时锻造成方坯，方坯经1020℃保温1小时后热轧成板坯，板坯在1000℃保温1小时固溶处理后淬水，得到固溶状态合金。对固溶态合金分别进行600℃、650℃、700℃×10h真空时效处理，所得的时效后的合金的性能列入表中：上述列表中，表1本发明低密度无磁恒弹性合金化学成分表(重量％)，表2为对固溶态合金分别进行600℃、650℃、700℃×10h真空时效处理，所得的时效后的合金性能表。

表1本发明低密度无磁恒弹性合金化学成分表(重量％)

炉号	化学成分(wt％)
	化学成分(wt％)					Ti	Al	Cr	Hf	Nb
	1#	38.20	5.74	5.31	2.42	Ti	Al	Cr	Hf	Nb	余
2#	1#	38.20	5.74	5.31	2.42	40.70	4.69	4.41	3.37
2#	3#	41.20	4.80	3.37	4.32	40.70	4.69	4.41	3.37

表2为对固溶态合金分别进行600℃、650℃、700℃×10h真空时效处理后的性能表

炉号	时效处理温度(℃)×10h									密度d(g/cm³)
	时效处理温度(℃)×10h										600	650	700	600	650	700	600	650	700
	βE(-55～400℃)(×10^-5/℃)			克磁化率xm(×10^-6cm3g^-1)			抗拉强度Rm(MPa)				600	650	700	600	650	700	600	650	700
	βE(-55～400℃)(×10^-5/℃)			克磁化率xm(×10^-6cm3g^-1)			抗拉强度Rm(MPa)				1#	-7.0	-6.8	-7.1	1.71	1.73	1.72	1430	1450	1421	5.85
2#	-6.9	-6.9	-7.0	1.72	1.74	1.71	1432	1443	1430	5.84	1#	-7.0	-6.8	-7.1	1.71	1.73	1.72	1430	1450	1421	5.85
2#	-6.9	-6.9	-7.0	1.72	1.74	1.71	1432	1443	1430	5.84	3#	-7.0	-6.8	-7.3	1.70	1.72	1.71	1420	1452	1419	4.85

Claims

1、一种低密度无磁恒弹性合金，其特征在于该合金的的化学组成成分(重量)％为：Ti 36.0-42.0％，Al 4.0-6.0％，Cr 3.0-6.0％，Hf 2.0-5.0％，余为Nb。

2、根据权利要求1所述的低密度无磁恒弹性合金，其特征在于熔炼合金所用的Nb、Ti、Al、Cr、Hf原材料的纯度不低于99.0％的水平。