CN105132825A - 一种耐热紧固件用钢 - Google Patents

Abstract

一种经济型耐热紧固件用钢，属于耐热紧固件用钢的制造领域。该材料的化学成分质量分数为：C：0.03-0.08％；Si：0.05‐0.1％；Mn：1.0-2.0％；Cr:10.5-13.0％；Ni:20.0-23.5％；Nb：0.0-0.8％；Ti：2.0-3.5％；Al：0.2-0.5％，B:0.001-0.01％,Zr:0.001-0.10％，余量为Fe。采用本发明经济型耐热紧固件用钢与现有技术材料相比较，其制造成本较低、高温组织、性能稳定，适用于制作较高耐温等级的紧固件。

Description

一种耐热紧固件用钢

技术领域

本发明属于紧固件用钢技术领域，特别是提供了一种耐热紧固件用钢，是一种经济型耐热紧固件用钢；适用于制作较高耐热等级的紧固件。

背景技术

耐热紧固件大量应用于发动机排气装置，如发动机与排气歧管、排气歧管与涡轮增压器的连接等。随着能源与排放法规对内燃机工作强度要求的逐步提高，耐热紧固件将承受更高的温度载荷，特别是大功率发动机，其涡前排气温度高达720℃或以上，要求紧固件能承受较高的温度，高温工作时组织、性能稳定性好。

耐热紧固件用材料通常有2种，一种为马氏体耐热钢，如40Cr10Si2Mo等，该类钢目前用于中等负荷的耐热紧固件，其优点是成本较低，但缺点是耐热温度较低、强度级别较低；第二种材料是沉淀强化型奥氏体耐热材料，如国标的GH2132和日标的SUH660，二者的强度级别较高，但其含镍量较高，添加固溶强化元素钼及析出强化元素钒，故制造成本偏高，当服役温度较高时，二者强度、硬度下降明显，且随着服役时间的延长，会发生组织退化，即主要强化相γ’[化学式为Ni3(Ti,Al)]不稳定——发生粗化或转变为硬化作用小的η相(Ni3Ti)，并且逐渐失去和基体的共格关系，对位错运动的阻碍作用逐渐减弱，导致材料的高温强度、硬度进一步降低，难以满足高负荷发动机耐热紧固件的可靠性要求。

发明内容

本发明的目的在于提供一种耐热紧固件用钢，与现有技术相比制造成本较低、高温组织、性能稳定性好，具备较高的服役温度，高温服役时组织、性能稳定。

本发明所提出的耐高温紧固件用钢，化学成分质量百分数为：C：0.03-0.08％；Si：0.05-0.1％；Mn：1.0-2.0％；Cr:10.5-13.0％；Ni:20.0-23.5％；Nb：0.0-0.8％；Ti：2.0-3.5％；Al：0.2-0.5％，B:0.001-0.01％,Zr:0.001-0.10％，余量为Fe。

本发明通过化学成分的调整，即：适当降低Ni含量(如表1所示，将Ni含量从SUH660与GH2132的24.0～27.0％降低到20.0～23.5％)，降低Cr含量(SUH660与GH2132Cr含量为13.5-16.0％，本发明为10.5～13.0％)，调整Al、Ti配比，当服役温度较高时添加少量Nb元素，添加微量的B和Zr，促成组织上的“三增一减”，即增加γ’相质量分数、减小析出尺寸、增加析出相稳定性(析出相Ni3(Ti,Al，Nb)的稳定性高于Ni3(Ti,Al))，并增强晶界与位错稳定性，从而提高材料组织与性能的热稳定性，将材料的服役温度从SUH660与GH2132的650℃提高到700℃左右。

除服役温度和热稳定性提高外，从表1所示的化学成分对比表还可以看出，本发明所提出材料的主要合金元素Cr、Ni含量区间低于SUH660和GH2132且无重叠；SUH660和GH2132均添加Mo、V，本合金不添加这两种元素；本发明合金添加微量的硼与锆元素，当要求服役温度较高时添加少量Nb元素。

表1本发明材料与现有技术材料成分对比(wt％)

本发明经济型耐热紧固件用钢的成分设计，是在考虑到现有材料在服役温度提高后组织、性能稳定性差，长期服役时强化相聚集长大，与基体脱离共格关系的不足之后，通过调整镍、铬含量及调整Al、Ti、Nb配比，并添加一定量的B与Zr，增加和细化γ‘，析出γ“相，强化析出相的稳定性、强化晶界、稳定位错等措施来提高本发明耐热紧固件用钢的力学性能，从而达到改善本发明材料的高温力学性能和高温组织稳定性的目的。因此，我们在成分设计中加入10.5-13.0％的铬元素，是保证本发明材料在高温环境中工作时，具备良好的抗氧化和耐腐蚀性能且不影响材料的组织稳定性，本发明合金成分中Cr10.5-13.0％，可满足该类材料的耐高温和抗腐蚀性要求。

镍和锰是奥氏体的形成元素，部分的镍与钛和铝可形成γ‘、γ“相，因此在本发明合金的成分设计时，主要是考虑采用γ‘和γ“相来强化合金基体，保证合金的高温强度和高温硬度，因此在本合金成分中Ni20.0-23.5％；由于锰是奥氏体形成元素，过量的Mn会降低材料的抗高温氧化和耐腐蚀效果，所以不宜多加，在本发明合金成分中Mn为1.0-2.0％。

铝和钛的加入是为了与镍形成γ‘和γ“相，Al和Ti加入量对γ‘和γ“析出量有影响，Al/Ti比对γ‘和γ“相的强化作用有影响，热加工工艺和热处理制度对γ‘和γ“析出量、析出尺寸都有明显的影响。本合金成分中加入Ti：2.0-3.5％；Al:0.2-0.5％。

当要求产品的服役温度较高时，在本发明合金成分中添加少量的铌元素。Nb是强碳化物形成的元素，Nb进入γ‘和γ“相中可使γ‘和γ“相得到强化和稳定化，对该材料的高温强度、高温硬度有明显的贡献，因此当要求产品的服役温度较高时铌元素的加入量为最高0.8％。

本发明合金中添加B和Zr元素，适量加入B、Zr能显著提高合金的持久寿命，降低蠕变速率，并显著改善持久缺口敏感性，提高材料的塑性和加工性能，只加入其中一种时，B的作用比Zr显著，但同时加入B、Zr时合金的性能最好。加入过多的B，在晶界上易形成硬而脆的化合物，会降低热加工性和塑性。此外，B、Zr也减少C向晶界上偏析，增加了晶内碳化物的数量，这可以提高合金的蠕变抗力。晶界上的B、Zr改变了界面能量，有利于改变晶界上第二相的形态，使之更易于球化，提高晶界强度。硼元素的加入量为0.001-0.01％，锆元素的加入量为0.001-0.10％。

在本发明材料成分中，C能与Cr、Nb等元素形成碳化物，但对强度贡献不大，因本合金材料的强度主要是依靠γ‘和γ“相的强化。C的提高会损害材料的塑性，所以在本发明合金材料中C含量为0.03-0.08％。

Fe在本发明材料中虽然定为余量，但铁元素的含量在60％以上，提高铁含量的目的在于采用廉价铁替代较贵的镍，并与Ni形成比单纯Ni基强度更高的固溶基体，因此本发明采用高铁节镍的设计方案可以降低该材料的成本，同时保证该材料的高温强度。

S、P为有害元素，S、P均要求低于0.02％。

Si元素虽然能提高材料的抗氧化性和抗腐蚀性，但对材料的塑性性能有不利的影响，所以在本发明材料中应控制在0.05-0.10％。

本发明材料的制备与现有技术生产方法相似，优先采用在初炼钢水加炉外精炼工艺，经浇铸、锻造后再轧制成设定尺寸的半成品圆棒。轧后的坯料要进行固溶处理。

采用本发明耐热紧固件用钢与现有技术材料相比较，具有在较高温度服役时组织、性能稳定性好，不添加固溶强化元素钼及析出强化元素钒，铬与镍元素含量较低，因此具有经济性好的特点。

具体实施方式

采用本发明所提出的耐热紧固件用钢成分设计方案，针对现有技术中的成熟产品材料GH2132进行实施对比试验。实施例及对比试验材料采用25Kg真空感应炉冶炼，计冶炼五炉，其中实施例四炉，参比材料GH2132一炉。对比实施例材料的化学成分列于表2。钢锭均采用相同工艺进行锻造开坯，待锻成试棒、固溶、时效处理后，对试样分别进行室温和高温力学性能测试，其检测结果分别列于表3、表4和表5中，实施例性能对比表中的数据表明，本发明材料的综合性能与GH2132和SUH660相当或略优于二者。

在本发明实施例的对比表中，表2为本发明材料与现有技术材料GH2132的成分对比。表3为本发明材料与现有技术材料GH2132的室温性能对比。表4～6为本发明材料与现有技术材料GH2132的高温力学性能对比(650℃)。表7为本发明材料与现有技术材料GH2132的高温力学性能的比较(700℃)。在对比实施例中，序号1-4为本发明材料。序号为GH2132合金是国内耐热钢棒的成熟材料。

表2本发明合金材料与参比材料的成分对比(wt％)

表3本发明合金材料与现有技术材料性能对比(室温)

表4本发明合金材料与现有技术材料性能对比(600℃)

表5本发明合金材料与现有技术材料性能对比(630℃)

表6本发明合金材料与现有技术材料性能对比(650℃)

表7本发明合金材料与现有技术材料性能对比(700℃)

Claims (1)

1.一种耐热紧固件用钢，其特征在于：成分质量百分比为：C：0.03-0.08％；Si：0.05-0.1％；Mn：1.0-2.0％；Cr:10.5-13.0％；Ni:20.0-23.5％；Nb：0.0-0.8％；Ti：2.0-3.5％；Al：0.2-0.5％，B:0.001-0.01％,Zr:0.001-0.10％，余量为Fe。