CN106939394A - 一种新型高强度耐热合金材料 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种新型高强度耐热合金材料，包括0.02‑0.05重量份数的钙、0.3‑1.1重量份数的铝、1.7‑2.5重量份数的锡，0.02‑0.08重量份数的钛、2.2‑2.5重量份数的锰、1.1‑1.5重量份数的镍及50‑55重量份数的铁。本发明的合金材料原料成本低，制备工艺简单，成品合金具有较高水平的耐热性，其使用温度可达1000℃‑1100℃，同时硬度较高，能够满足机械加工需求，具有良好的市场推广市场和较高的市场效益。

Description

一种新型高强度耐热合金材料
技术领域：
本发明公开了一种新型高强度耐热合金材料，具体涉及一种具有较高硬度且具有较高耐热性的合金材料。
背景技术：
合金，是由两种或两种以上的金属与金属或非金属经一定方法所合成的具有金属特性的物质。一般通过熔合成均匀液体和凝固而得。根据组成元素的数目，可分为二元合金、三元合金和多元合金。
合金的生成常会改善元素单质的性质，例如，钢的强度大于其主要组成元素铁。合金的物理性质，例如密度、反应性、杨氏模量、导电性和导热性可能与合金的组成元素尚有类似之处，但是合金的抗拉强度和抗剪强度却通常与组成元素的性质有很大不同。这是由于合金与单质中的原子排列有很大差异。少量的某种元素可能会对合金的性质造成很大的影响。例如，铁磁性合金中的杂质会使合金的性质发生变化。
耐热合金合金又称高温合金，它对于在高温条件下的工业部门和应用技术领域有着重大的意义。一般说，金属材料的熔点越高，其可使用的温度限度越高。这是因为随着温度的升高，金属材料的机械性能显著下降，氧化腐蚀的趋势相应增大，因此，一般的金属材料都只能在500℃～600℃下长期工作。能在高于700℃的高温下工作的金属通称耐热合金。
"耐热"是指其在高温下能保持足够强度和良好的抗氧化性。提高钢铁抗氧化性的途径有两条:一是在钢中加入Cr、Si、Al等合金元素，或者在钢的表面进行Cr、Si、Al合金化处理。它们在氧化性气氛中可很快生成一层致密的氧化膜，并牢固地附在钢的表面，从而有效地阻止氧化的继续进行。二是用各种方法在钢铁表面形成高熔点的氧化物、碳化物、氮化物等耐高温涂层。
提高钢铁高温强度的方法，从结构、性质的化学观点看，大致有两种主要方法:一是增加钢中原子间在高温下的结合力。研究指出，金属中结合力，即金属键强度大小，主要与原子中未成对的电子数有关。从周期表中看，ⅥB元素金属键在同一周期内最强。因此，在钢中加入Cr、Mo、W等原子的效果最佳。二是加入能形成各种碳化物或金属间化合物的元素，以使钢基体强化。由若干过渡金属与碳原子生成的碳化物属于间隙化合物，它们在金属键的基础上，又增加了共价键的成分，因此硬度极大，熔点很高。例如，加入W、Mo、V、Nb可生成WC、W2C、MoC、Mo2C、VC、NbC等碳化物，从而增加了钢铁的高温强度。利用合金方法，除铁基耐热合金外，还可制得镍基、钼基、铌基和钨基耐热合金，它们在高温下具有良好的机械性能和化学稳定性。其中镍基合金是最优的超耐热金属材料，组织中基体是Ni-Cr-Co的固溶体和Ni3Al金属化合物，但是成本高，降低经济效益。
发明内容：
本发明所解决的技术问题：本发明针对现有技术的不足，提供一种新型的合金材料，其材料原料成本低，制备工艺简单，成品合金具有较高水平的耐热性，其使用温度可达1000℃-1100℃，同时硬度较高，能够满足机械加工需求，具有良好的市场推广市场和较高的市场效益。
本发明提供如下技术方案：
一种新型高强度耐热合金材料，包括0.02-0.05重量份数的钙、0.3-1.1重量份数的铝、1.7-2.5重量份数的锡，0.02-0.08重量份数的钛、2.2-2.5重量份数的锰、1.1-1.5重量份数的镍及50-55重量份数的铁。
优选的，包括0.02-0.04重量份数的钙、0.7-1.1重量份数的铝、1.9-2.5重量份数的锡，0.04-0.07重量份数的钛、2.2-2.4重量份数的锰、1.1-1.3重量份数的镍及50-55重量份数的铁。
优选的，包括0.03-0.05重量份数的钙、0.3-0.9重量份数的铝、1.7-2.0重量份数的锡，0.05-0.08重量份数的钛、2.3-2.5重量份数的锰、1.4-1.5重量份数的镍及50-55重量份数的铁。
优选的，包括0.04-0.05重量份数的钙、0.5-0.9重量份数的铝、1.9-2.0重量份数的锡，0.07-0.08重量份数的钛、2.4-2.5重量份数的锰、1.4-1.5重量份数的镍及52重量份数的铁。
优选的，包括0.05重量份数的钙、0.8-0.9重量份数的铝、1.9重量份数的锡，0.08重量份数的钛、2.4重量份数的锰、1.5重量份数的镍及53重量份数的铁。
更优选的，合金还含有0.07-0.09重量份数的铅。
更优选的，合金还含有0.8-1.0重量份数的钡。
本发明合金采用氩弧炉熔炼法，将各组分混合后利用氩弧炉直接炼制非晶制品。
铅是柔软和延展性强的弱金属，有毒，也是重金属。铅原本的颜色为青白色，在空气中表面很快被一层暗灰色的氧化物覆盖。可用于建筑、铅酸充电池、弹头、炮弹、焊接物料、钓鱼用具、渔业用具、防辐射物料、奖杯和部份合金，例如电子焊接用的铅锡合金。铅是一种金属元素，可用作耐硫酸腐蚀、防丙种射线、蓄电池等的材料。其合金可作铅字、轴承、电缆包皮等之用，还可做体育运动器材铅球。但是本发明合金材料中，添加铅组分，通过与其他组分的配合，合金材料具有较高的强度，并且具有较高的耐热性，这是具有突出的实质性进步的发明。
钛的密度为4.506-4.516克/立方厘米(20℃)，高于铝而低于铁、铜、镍。但比强度位于金属之首。熔点1668±4℃，熔化潜热3.7-5.0千卡/克原子，沸点3260±20℃，汽化潜热102.5-112.5千卡/克原子，临界温度4350℃，临界压力1130大气压。钛的导热性和导电性能较差，近似或略低于不锈钢，钛具有超导性，纯钛的超导临界温度为0.38-0.4K。在25℃时，钛的热容为0.126卡/克原子·度，热焓1149卡/克原子，熵为7.33卡/克原子·度，金属钛是顺磁性物质，导磁率为1.00004。钛具有可塑性，高纯钛的延伸率可达50-60％，断面收缩率可达70-80％，但强度低，不宜作结构材料。钛中杂质的存在，对其机械性能影响极大，特别是间隙杂质(氧、氮、碳)可大大提高钛的强度，显著降低其塑性。钛作为结构材料所具有的良好机械性能，就是通过严格控制其中适当的杂质含量和添加合金元素而达到的。但是被发明通过合金成分的合理组合，有力的提高合金的机械性能。
镍具有有良好延展性，具有中等硬度，具有磁性和良好的可塑性、有好的耐腐蚀性，镍近似银白色、硬而有延展性并具有铁磁性的金属元素，它能够高度磨光和抗腐蚀。溶于硝酸后，呈绿色。主要用于合金(如镍钢和镍银)及用作催化剂(如兰尼镍，尤指用作氢化的催化剂)，本发明向新型合金材料中添加金属镍，没有降低合金的金属强度，成品合金具有较高的金属强度，并且具有较高的耐热性。
本发明的有益效果：
1.本发明针对现有技术的不足，提供一种新型的合金材料，其材料原料成本低，制备工艺简单，成品合金具有较高水平的耐热性，其使用温度可达1000℃-1100℃，同时硬度较高，能够满足机械加工需求，具有良好的市场推广市场和较高的市场效益。
2.本发明创新性的将合金材料中添加金属铅，通过与其他组分的配合，合金材料具有较高的强度，并且具有较高的耐热性，这是具有突出的实质性进步的发明。
3.钛作为结构材料所具有的良好机械性能，就是通过严格控制其中适当的杂质含量和添加合金元素而达到的。但是被发明通过合金成分的合理组合，有力的提高合金的机械性能。
4.镍具有有良好延展性，具有中等硬度，本发明向新型合金材料中添加金属镍，没有降低合金的金属强度，成品合金具有较高的金属强度，并且具有较高的耐热性。
具体实施方式：
下面对本发明的实施例做详细的说明，本实施例在以发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但是本发明的保护范围不限于下述的实施例。实施例中未注明具体条件的实验方案，通常按照常规条件或者制造商所建议的条件实施。
实施例一
一种新型高强度耐热合金材料，包括0.02重量份数的钙、0.3重量份数的铝、1.7重量份数的锡，0.02重量份数的钛、2.2重量份数的锰、1.1重量份数的镍及50重量份数的铁。
实施例二
一种新型高强度耐热合金材料，包括0.05重量份数的钙、1.1重量份数的铝、2.5重量份数的锡，0.08重量份数的钛、2.5重量份数的锰、1.5重量份数的镍及55重量份数的铁。
实施例三
一种新型高强度耐热合金材料，包括0.02重量份数的钙、0.3重量份数的铝、1.7重量份数的锡，0.02重量份数的钛、2.2重量份数的锰、1.1重量份数的镍及50重量份数的铁、0.07重量份数的铅、1.0重量份数的钡。
实施例四
一种新型高强度耐热合金材料，包括0.05重量份数的钙、1.1重量份数的铝、2.5重量份数的锡，0.08重量份数的钛、2.5重量份数的锰、1.5重量份数的镍及55重量份数的铁、0.09重量份数的铅、0.8重量份数的钡。
实施例五
一种新型高强度耐热合金材料，包括0.02重量份数的钙、0.7重量份数的铝、1.9重量份数的锡，0.04重量份数的钛、2.2重量份数的锰、1.1重量份数的镍及50重量份数的铁、0.07重量份数的铅、0.8重量份数的钡。
实施例六
一种新型高强度耐热合金材料，包括0.04重量份数的钙、1.1重量份数的铝、2.5重量份数的锡，0.07重量份数的钛、2.4重量份数的锰、1.3重量份数的镍及55重量份数的铁、0.09重量份数的铅、1.0重量份数的钡。
实施例七
一种新型高强度耐热合金材料，包括0.03重量份数的钙、0.3重量份数的铝、1.7重量份数的锡，0.05重量份数的钛、2.3重量份数的锰、1.4重量份数的镍及50重量份数的铁、0.07重量份数的铅、0.8重量份数的钡。
实施例八
一种新型高强度耐热合金材料，包括0.05重量份数的钙、0.9重量份数的铝、2.0重量份数的锡，0.08重量份数的钛、2.5重量份数的锰、1.5重量份数的镍及55重量份数的铁、0.09重量份数的铅、1.0重量份数的钡。
实施例十
一种新型高强度耐热合金材料，包括0.04重量份数的钙、0.5重量份数的铝、1.9重量份数的锡，0.07重量份数的钛、2.4重量份数的锰、1.4重量份数的镍及52重量份数的铁、0.07重量份数的铅、0.8重量份数的钡。
实施例十一
一种新型高强度耐热合金材料，包括0.05重量份数的钙、0.9重量份数的铝、2.0重量份数的锡，0.08重量份数的钛、2.5重量份数的锰、1.5重量份数的镍及52重量份数的铁、0.09重量份数的铅、1.0重量份数的钡。
实施例十二
一种新型高强度耐热合金材料，包括0.05重量份数的钙、0.8重量份数的铝、1.9重量份数的锡，0.08重量份数的钛、2.4重量份数的锰、1.5重量份数的镍及53重量份数的铁、0.07重量份数的铅、0.8重量份数的钡。
实施例十三
一种新型高强度耐热合金材料，包括0.05重量份数的钙、0.9重量份数的铝、1.9重量份数的锡，0.08重量份数的钛、2.4重量份数的锰、1.5重量份数的镍及53重量份数的铁、0.09重量份数的铅、1.0重量份数的钡。
上述实施例的合金采用氩弧炉熔炼法，将各组分混合后利用氩弧炉直接炼制非晶制品。
表一：实施例合金材料熔点及强度测试结果
熔点(℃) 抗拉强度(MPA)
实施例一 1003 1369
实施例二 1036 1258
实施例三 1055 1055
实施例四 1099 1036
实施例五 1008 1148
实施例六 1057 1476
实施例七 1039 1265
实施例八 1014 1289
实施例九 1002 1033
实施例十 1069 1143
实施例十一 1007 1362
实施例十二 1082 1501
实施例十三 1098 1675
以上内容仅为本发明的较佳实施方式，对于本领域的普通技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (7)

1.一种新型高强度耐热合金材料，其特征在于：
包括0.02-0.05重量份数的钙、0.3-1.1重量份数的铝、1.7-2.5重量份数的锡，0.02-0.08重量份数的钛、2.2-2.5重量份数的锰、1.1-1.5重量份数的镍及50-55重量份数的铁。
2.根据权利要求1所述的合金材料，其特征在于：
包括0.02-0.04重量份数的钙、0.7-1.1重量份数的铝、1.9-2.5重量份数的锡，0.04-0.07重量份数的钛、2.2-2.4重量份数的锰、1.1-1.3重量份数的镍及50-55重量份数的铁。
3.根据权利要求1所述的合金材料，其特征在于：
包括0.03-0.05重量份数的钙、0.3-0.9重量份数的铝、1.7-2.0重量份数的锡，0.05-0.08重量份数的钛、2.3-2.5重量份数的锰、1.4-1.5重量份数的镍及50-55重量份数的铁。
4.根据权利要求1所述的合金材料，其特征在于：
包括0.04-0.05重量份数的钙、0.5-0.9重量份数的铝、1.9-2.0重量份数的锡，0.07-0.08重量份数的钛、2.4-2.5重量份数的锰、1.4-1.5重量份数的镍及52重量份数的铁。
5.根据权利要求1所述的合金材料，其特征在于：
包括0.05重量份数的钙、0.8-0.9重量份数的铝、1.9重量份数的锡，0.08重量份数的钛、2.4重量份数的锰、1.5重量份数的镍及53重量份数的铁。
6.根据权利要求1至5之一所述的合金材料，其特征在于：
合金还含有0.07-0.09重量份数的铅。
7.根据权利要求1至5之一所述的合金材料，其特征在于：
合金还含有0.8-1.0重量份数的钡。
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