CN103103431A

CN103103431A - 一种高强度耐热锆基合金

Info

Publication number: CN103103431A
Application number: CN 201110354596
Authority: CN
Inventors: 赵宏伟
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2011-11-10
Filing date: 2011-11-10
Publication date: 2013-05-15

Abstract

本发明涉及锆基合金，尤其涉及一种高强度耐热锆基合金。其特征在于其合金成分的重量百分数：Zr 余量（38-48）；Cr 30-40；W11-18；Al 4-9；Si 0.5～1；C 0.8-1.2。本发明设计的钻基合金成分范围，可以确保其具有优异的抗疲劳耐高温性能，其平均硬度值(HRC)可达到52以上，用它制造的撞击部件在国内某大型企业生产条件下使用，在正常寿命期内（200次以内）基本无变形、裂纹无点蚀，表面无麻点，其使用寿命提高40％，不但提高了生产效率，还保证了产品质量，经济效益和社会效益显著。

Description

一种高强度耐热锆基合金

技术领域

本发明涉及锆基合金，尤其涉及一种高强度耐热锆基合金。

背景技术

工业规模生产的锆基合金有两个系列：锆锡系和锆铌系。前者的代表是 Zr-2 合金，后者的代表是Zr-2.5Nb合金。锆和三种锆合金的成分和性能见表。锆的合金元素选择原则是：一不能明显增加锆的热中子吸收截面；二要在提高锆的耐蚀性和强度的同时不能过多地损害工艺性能。在锆锡系合金中，锡、铁、铬、镍的综合加入(Zr-2合金)，可提高材料的强度及耐蚀性、耐蚀膜的导热性，降低表面状态对腐蚀的敏感性;Zr-4合金中不含镍,并适当增加铁含量，此合金腐蚀吸氢量仅为Zr-2合金的一半左右。通常Zr-2合金用于沸水堆，Zr-4合金用于压水堆。在锆铌系合金中，铌的添加量达到使用温度下α-Zr的固溶极限时，合金的耐蚀性能最好。Zr-1Nb和Zr-2.5Nb合金中的铌含量高于使用温度下的固溶极限。超过的铌以过饱和状态存在于α-Zr中，对合金的抗蚀性不利，而以第二相β-Nb的形式存在却好得多。锆和锆合金中的金属杂质元素大都要求在 50ppm以下，热中子吸收截面很大的元素（如硼和镉）不得超过0.5ppm；严重损害耐腐蚀性能的氮不得高于80ppm；氧有一定的强化作用,其含量依强度要求一般为800～1600ppm。目前生产的锆基合金，主要成分为Zr-Cr-Al-W-Ni型五元合金，尽管其具有高强度耐热的较好性能，但在各种受冲击条件下，其使用性能不令人满意。在某些工业领域中需要具有高强度耐热性能的合金，如无冷却条件下的高速高温高速撞击部件，其工作温度400~650℃，撞击频率240次/分钟，无冷却条件下连续运行使用。目前国内制造行业所用国产件的合金多为镍基合金，尽管工作温度较低(240~300℃)，但其不足仍十分明显，如边缘软化、工作面麻点等，对于加工要求高的产品，寿命很短，甚至无法使用。因此，急需研制一种新材料，解决上述问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种具有较高的强度和耐高热、成本较低的抗疲劳耐高温锆基合金，它可以用于无冷却条件下的高速高温高速撞击部件。

本发明的技术解决方案：

一种高强度耐热锆基合金，其合金成分的重量百分数为：

Zr 余量、Cr 32-34、W 16-18、Al 5-7、Ni 0.5～1、C 0.8-1.2

所述抗疲劳耐高温锆基合金，其合金成分的重量百分数还可以为

Zr余量、Cr 34-36、W 11-13、Al 6-8、Ni 0.5～1、C0.8-1.2

所述的锆是构成本发明的基础合金元素，通过其难熔性能(熔化点为1430℃)，有助于基质的内在机械强度，其重量百分数为35~50。

所述的钨、铬等元素可以强化基体，其中钨、铬参与形成碳化物，增加强化相数量，提高耐磨性，防止表面点蚀后变成麻点状；

所述的铝具有双重作用，一是固溶到锆基体中，提高基体强度和耐蚀性；二是增加表面受力部分的韧性；

所述的镍能改善液态金属流动性，合金中含有少量的镍，可以提高铸件质量，其重量百分数为0.5-1；

所述的碳主要是用来形成金属碳化物，提高疲劳和高温变形能力。

本发明的有益效果是：

1．高强度耐热性能好，使用寿命长。本发明设计的锆基合金成分范围，可以确保其具有优异的抗疲劳耐高温性能，其平均硬度值(HRC)可达到58左右。其在国内生产条件下使用，通过300万次的工作，基本无卷边，亦无表面麻点或点蚀，其使用寿命提高40％。虽然一个部件的产品成本增加了2%左右，但其使用性能大幅提高，明显降低了使用成本，综合效益显著。

具体实施方式

下面通过实施例进一步详述本发明

1、合金化学成分

	Zr	Cr	W	Al	Ni	C
							实施例1	余量	33	17	6	0．8	1
实施例2	余量	35	12	7	0．8	1

2、合金热处理、硬度

	热处理工艺	平均硬度值（HRC）
			实施例1	1200±20℃／2h随炉冷	57
实施例2	1250±20℃／2h随炉冷	59

3．现场试验情况如下：

在相同条件（温度330至380℃，撞击力125kg，撞击频率240次/分钟），采用本发明合金制作的部件使用寿命在300万次以上，其使用寿命提高35％；这样单位产品的部件消耗数，减少了更换次数，不但提高了生产效率，还保证了产品质量，经济效益和社会效益显著。

Claims

1.一种抗疲劳耐高温锆基合金，其特征在于其合金成份的重量百分数为：Zr 余量、Cr 32-34、W 16-18、Al 5-7、Ni 0.5～1、C 0.8-1.2。

2.根据权利要求1所述的一种抗疲劳耐高温锆基合金，其特征在于其合金成分的重量百分数为： Zr余量、Cr 34-36、W 11-13、Al 6-8、Ni 0.5～1、C0.8-1.2。

3.根据权利要求1所述的一种抗疲劳耐高温锆基合金，其特征在于锆是构成本发明的基础合金元素，通过其难熔性能(熔化点为1430℃)，有助于基质的内在机械强度，其重量百分数为35~50。

4.根据权利要求1所述的一种抗疲劳耐高温锆基合金，其特征在于所述的钨、铬等元素可以强化基体，其中钨、铬参与形成碳化物，增加强化相数量，提高耐磨性，防止表面点蚀后变成麻点状。

5.根据权利要求1所述的一种抗疲劳耐高温锆基合金，其特征在于所述的铝具有双重作用，一是固溶到锆基体中，提高基体强度和耐蚀性；二是增加表面受力部分的韧性。

6.根据权利要求1所述的一种抗疲劳耐高温锆基合金，其特征在于所述的镍能改善液态金属流动性，合金中含有少量的镍，可以提高铸件质量，其重量百分数为0.5-1。

7.根据权利要求1所述的一种抗疲劳耐高温锆基合金，其特征在于所述的碳主要是用来形成金属碳化物，提高疲劳和高温变形能力。