CN110106397B - 一种耐高温螺栓合金材料及螺栓的制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种耐高温螺栓合金材料及螺栓的制造方法,涉及螺栓制造领域,耐高温螺栓合金材料,包括如下重量份的成分:Ni 67.6‑69.5份;Cr 2.6‑3.1份;Ti 2.9‑3.6份;Al 2.6‑3.3份;W 4.2‑4.5份;Mo 3.2‑3.8份;Co 5.2‑5.8份;Nb 0.6‑0.9份;Ru 5.7‑6.2份;Ta 4.9‑5.6份;Re 1.5‑1.8份;Hf 0.42‑0.46份;C 0.03‑0.05份。螺栓的制造方法包括如下步骤:S1配料熔融;S2浇铸成型;S3固溶处理;S4热处理;S5加工成型。螺栓在1000℃以下的使用温度中仍能保持高强度以及耐蠕变、疲劳性能,适用于各类火力发电设备。
Description
技术领域
本发明涉及紧固件,特别涉及一种耐高温螺栓合金材料及螺栓的制造方法。
背景技术
螺栓是一种常见的紧固件,一般与螺母配合使用。螺栓的应用范围广,根据使用情况的不同,其制造合金材料以及形状规格均会有所不同。例如:螺栓应用在船舶、海上平台等处时其耐腐蚀性能要求较高;螺栓应用在桥梁、钢轨等处时其机械强度要求较高;螺栓应用在火力发电设备时其耐高温性能要求较高。
目前螺栓基本由合金材料制成,公告号为CN103014551B的中国专利公开了一种耐高温高强度螺栓,所述螺栓的化学成分按质量百分比计为:C:0.05~0.09,Si:0.3~0.6,Mn:2.3~2.5,P:≤0.003,S:≤0.005,Ni:15.0~18.0,Cr:14.2~15.8,Ti:3.1~3.5,Al:≤0.1,Mo:0.5~1.0,Ce:0.04~0.07,Pm:0.03~0.05,V:0.05~0.15,余量Fe和不可避免杂质。
上述螺栓以奥氏体型不锈钢为基础添加耐热的合金元素,如Mo,因此能够在650-700℃的环境下使用。但是铁基高温螺栓在更高温度下长期工作后材料容易出现脆性老化,由于蠕变、疲劳而开裂,进而影响设备运行的安全性。
发明内容
针对上述技术缺陷,本发明的目的是提供一种耐高温螺栓合金材料,在1000℃以下的使用温度中仍能保持高强度以及耐蠕变、疲劳性能。
为实现上述目的,本发明提供了如下技术方案:
一种耐高温螺栓合金材料,包括如下重量份的成分:Ni 67.6-69.5份;Cr 2.6-3.1份;Ti 2.9-3.6份;Al 2.6-3.3份;W 4.2-4.5份;Mo 3.2-3.8份;Co 5.2-5.8份;Nb 0.6-0.9份;Ru 5.7-6.2份;Ta 4.9-5.6份;Re 1.5-1.8份;Hf0.42-0.46份;C 0.03-0.05份。
通过采用上述技术方案,以镍为主料,可以溶解较多金属元素并保持较好的组织稳定性,具有比铁基高温合金更高的高温强度、更好的抗氧化和抗燃气腐蚀能力;加入铬可以提高合金抗氧化和抗腐蚀作用,并有利于保持合金的组织稳定;钛和铝是γ’相形成和强化元素,能够提高合金的高温蠕变强度;钨、钼、钴是固溶强化元素,有利于提高合金的强度和硬度;铌熔点高,原子半径大,可以提高镍基合金的强度和硬度,并且能使合金晶粒细化,有利于阻止镍基合金高温蠕变下断裂的情况,提高镍基合金的塑性和韧性;钌的加入有效抑制高温环境下TCP相的析出,提高组织稳定性;钽能够提高合金的强度和耐腐蚀性能,其最主要的优点在于不易形成TCP相,具有较好的组织稳定性,有利于提高合金耐高温蠕变性能;铼有利于提高长久耐蠕变性能;加入适量的碳可以净化合金液,改善合金的抗腐蚀性能,减少再结晶的几率,还有利于降低合金缩孔含量;加入适量的铪可以通过晶界强化改善合金蠕变特性。
螺栓合金材料是经过配方改良的镍基高温合金,在1000℃以下的使用温度中仍能保持高强度以及耐蠕变性能,可适用于各类火力发电设备中,使用寿命长,有效避免螺栓高温断裂而引起的安全问题。
本发明进一步设置为:还包括2.4-3.1份Gd。
通过采用上述技术方案,钆可以细化晶粒,形成稀土氧化物粒子,提高合金的塑性、蠕变性能和热稳定性。
本发明进一步设置为:还包括3.6-4.2份Pr。
通过采用上述技术方案,镨可以去除杂质,改善金相组织,提高合金的机械性能。
本发明进一步设置为:还包括1.2-1.6份Si。
通过采用上述技术方案,硅在氧化和腐蚀环境中形成氧化硅,有利于提高合金的抗高温氧化和腐蚀的性能。
本发明进一步设置为:耐高温螺栓合金材料包括如下重量份的成分:Ni 68.3份;Cr 2.8份;Ti 3.2份;Al 3份;W 4.4份;Mo 3.5份;Co 5.5份;Nb 0.8份;Ru 6份;Ta 5.3份;Re 1.7份;Hf0.44份;C 0.04份;Gd 2.8份;Pr 3.8份;1.4份Si。
通过采用上述技术方案,合金材料在高温条件下的抗蠕变、疲劳的性能达到最优。
一种螺栓的制造方法,包括如下步骤:
S1配料熔融:按权利要求1至5任一项所述的耐高温螺栓合金材料的配方称取所需原料,在真空感应炉中利用氧化钙坩埚进行熔炼,再进行精炼、脱气,得到合金溶液;
S2浇铸成型:合金溶液进行砂模浇铸,冷却后得到螺栓胚体;
S3固溶处理:将螺栓胚体置于热处理炉内,加热至1290-1360℃,保温处理3-4h,空气冷却得到固溶体;
S4热处理:先在1040-1070℃的温度下进行退火,保温3-5h,再在1100-1150℃的温度下进行淬火,保温4-6h,接着在730-750℃的温度下进行回火,保温3-5h,最后在680-700℃的温度下进行时效处理,保温20-24h,得到热处理胚体;
S5加工成型:热处理胚体先进行抛光,再精加工至设计尺寸,杆部搓丝成型螺纹,清洗后得到成品螺栓。
通过采用上述技术方案,镍基高温合金往往由于硬度、强度过高,而导致加工性能差,因此螺栓制造过程中直接浇铸形成头部,无需进行冷墩工序。
本发明进一步设置为:所述S5加工成型中使用的搓丝板由聚晶立方氮化硼制成。
通过采用上述技术方案,搓丝板不易磨损,适用于加工高强度的镍基高温合金。
本发明进一步设置为:所述S5加工成型中抛光方式为电解抛光,抛光液包括70-80%甲醇和20-30%高氯酸。
通过采用上述技术方案,适用于加工高强度的镍基高温合金。
综上所述,本发明具有以下有益效果:传统镍基高温合金均为高镍高铬合金,以保证高温下的抗氧化性,铬含量若过低,合金抗氧化性和抗腐蚀性会变得极差。本发明将镍、铬占比均降低至极低水平,以融入更多的金属元素,并充分发挥各类金属元素的性质,一方面弥补铬含量降低带来的抗氧化性、抗腐蚀性降低的缺陷,另一方面使镍基高温合金在高温条件的耐蠕变、疲劳性能提高。
附图说明
图1是实施例一至三的流程示意图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明作进一步详细说明。
实施例一:
一种耐高温螺栓合金材料,包括如下重量份的成分:
Ni 67.6份;Cr 3.1份;Ti 2.9份;Al 3.3份;W 4.2份;Mo 3.8份;Co 5.2份;Nb 0.9份;Ru 5.7份;Ta 5.6份;Re 1.5份;Hf0.46份;C 0.03份;Gd 3.1份;Pr 3.6份;Si 1.6份。
一种螺栓的制造方法,包括如下步骤:
S1配料熔融:按上述耐高温螺栓合金材料的配方称取所需原料并混合,在真空感应炉中利用氧化钙坩埚进行熔炼,再进行精炼、脱气,得到合金溶液;
S2浇铸成型:合金溶液进行砂模浇铸,冷却后得到螺栓胚体,螺栓胚体包括头部和不带螺纹的杆部;
S3固溶处理:将螺栓胚体置于热处理炉内,加热至1290℃,保温处理3h,空气冷却得到固溶体;
S4热处理:固溶体先在1040℃的温度下进行退火,保温3h,再在1100℃的温度下进行淬火,保温4h,接着在730℃的温度下进行回火,保温3h,最后在680℃的温度下进行时效处理,保温20h,得到热处理胚体;
S5加工成型:热处理胚体先进行电解抛光,抛光液包括70%甲醇和30%高氯酸,再精加工至设计尺寸,杆部搓丝成型螺纹,清洗后得到成品螺栓,搓丝板由聚晶立方氮化硼制成。
实施例二:
一种耐高温螺栓合金材料,包括如下重量份的成分:
Ni 69.5份;Cr 2.6份;Ti 3.6份;Al 2.6份;W 4.5份;Mo 3.2份;Co 5.8份;Nb 0.6份;Ru 6.2份;Ta 4.9份;Re 1.8份;Hf0.42份;C 0.05份;Gd 2.4份;Pr 4.2份;Si 1.2份。
一种螺栓的制造方法,包括如下步骤:
S1配料熔融:按上述耐高温螺栓合金材料的配方称取所需原料并混合,在真空感应炉中利用氧化钙坩埚进行熔炼,再进行精炼、脱气,得到合金溶液;
S2浇铸成型:合金溶液进行砂模浇铸,冷却后得到螺栓胚体,螺栓胚体包括头部和不带螺纹的杆部;
S3固溶处理:将螺栓胚体置于热处理炉内,加热至1360℃,保温处理4h,空气冷却得到固溶体;
S4热处理:固溶体先在1070℃的温度下进行退火,保温5h,再在1150℃的温度下进行淬火,保温6h,接着在750℃的温度下进行回火,保温5h,最后在700℃的温度下进行时效处理,保温24h,得到热处理胚体;
S5加工成型:热处理胚体先进行电解抛光,抛光液包括80%甲醇和20%高氯酸,再精加工至设计尺寸,杆部搓丝成型螺纹,清洗后得到成品螺栓,搓丝板由聚晶立方氮化硼制成。
实施例三:
一种耐高温螺栓合金材料,包括如下重量份的成分:
Ni 68.5份;Cr 2.7份;Ti 3.1份;Al 3.2份;W 4.3份;Mo 3.4份;Co 5.3份;Nb 0.7份;Ru 5.9份;Ta 5.2份;Re 1.6份;Hf0.43份;C 0.04份;Gd 2.7份;Pr 3.9份;Si 1.3份。
一种螺栓的制造方法,包括如下步骤:
S1配料熔融:按上述耐高温螺栓合金材料的配方称取所需原料并混合,在真空感应炉中利用氧化钙坩埚进行熔炼,再进行精炼、脱气,得到合金溶液;
S2浇铸成型:合金溶液进行砂模浇铸,冷却后得到螺栓胚体,螺栓胚体包括头部和不带螺纹的杆部;
S3固溶处理:将螺栓胚体置于热处理炉内,加热至1330℃,保温处理3.5h,空气冷却得到固溶体;
S4热处理:固溶体先在1050℃的温度下进行退火,保温4h,再在1120℃的温度下进行淬火,保温5h,接着在740℃的温度下进行回火,保温4h,最后在690℃的温度下进行时效处理,保温22h,得到热处理胚体;
S5加工成型:热处理胚体先进行电解抛光,抛光液包括75%甲醇和25%高氯酸,再精加工至设计尺寸,杆部搓丝成型螺纹,清洗后得到成品螺栓,搓丝板由聚晶立方氮化硼制成。
实施例四:
耐高温螺栓合金材料包括如下重量份的成分:Ni 68.3份;Cr 2.8份;Ti 3.2份;Al3份;W 4.4份;Mo 3.5份;Co 5.5份;Nb 0.8份;Ru 6份;Ta 5.3份;Re 1.7份;Hf0.44份;C0.04份;Gd 2.8份;Pr 3.8份;1.4份Si。
一种螺栓的制造方法,包括如下步骤:
S1配料熔融:按上述耐高温螺栓合金材料的配方称取所需原料并混合,在真空感应炉中利用氧化钙坩埚进行熔炼,再进行精炼、脱气,得到合金溶液;
S2浇铸成型:合金溶液进行砂模浇铸,冷却后得到螺栓胚体,螺栓胚体包括头部和不带螺纹的杆部;
S3固溶处理:将螺栓胚体置于热处理炉内,加热至1330℃,保温处理3.5h,空气冷却得到固溶体;
S4热处理:固溶体先在1050℃的温度下进行退火,保温4h,再在1120℃的温度下进行淬火,保温5h,接着在740℃的温度下进行回火,保温4h,最后在690℃的温度下进行时效处理,保温22h,得到热处理胚体;
S5加工成型:热处理胚体先进行电解抛光,抛光液包括75%甲醇和25%高氯酸,再精加工至设计尺寸,杆部搓丝成型螺纹,清洗后得到成品螺栓,搓丝板由聚晶立方氮化硼制成。
对比例一:
对比例一为公告号为CN103014551B的中国专利中的实施例一。
对比例二:
与实施例四的区别在于:螺栓合金材料为GH4169镍基高温合金。
各实施例以及对比例的合金材料性能测试:
按照GB/T 2039-2012《金属材料单轴拉伸蠕变试验方法》中记载的方法进行测试,温度为700℃和1000℃,应力为700MPa,得到蠕变断裂时间,结果见表l。
按照GB/T 4338 2006《金属材料高温拉伸试验方法》中记载的方法进行测试,温度为600℃、800℃和1000℃,得到抗拉强度和屈服强度,结果见表1。
表1合金材料性能测试结果表
本具体实施例仅仅是对本发明的解释,其并不是对本发明的限制,本领域技术人员在阅读完本说明书后可以根据需要对本实施例做出没有创造性贡献的修改,但只要在本发明的权利要求范围内都受到专利法的保护。
Claims (5)
1.一种耐高温螺栓合金材料,其特征在于,包括如下重量份的成分:Ni 67.6-69.5份;Cr 2.6-3.1份;Ti 2.9-3.6份;Al 2.6-3.3份;W 4.2-4.5份;Mo 3.2-3.8份;Co 5.2-5.8份;Nb 0.6-0.9份;Ru 5.7-6.2份;Ta 4.9-5.6份;Re 1.5-1.8份;Hf 0.42-0.46份;C 0.03-0.05份;Gd 2.4-3.1份; Pr 3.6-4.2份;Si 1.2-1.6份。
2.根据权利要求1所述的一种耐高温螺栓合金材料,其特征在于,包括如下重量份的成分:Ni 68.3份;Cr 2.8份;Ti 3.2份;Al 3份;W 4.4份;Mo 3.5份;Co 5.5份;Nb 0.8份;Ru 6份;Ta 5.3份;Re 1.7份;Hf 0.44份;C 0.04份;Gd 2.8份;Pr 3.8份;1.4份Si。
3.一种螺栓的制造方法,其特征在于,包括如下步骤:
S1配料熔融:按权利要求1或2所述的耐高温螺栓合金材料的配方称取所需原料,在真空感应炉中利用氧化钙坩埚进行熔炼,再进行精炼、脱气,得到合金溶液;
S2浇铸成型:合金溶液进行砂模浇铸,冷却后得到螺栓胚体;
S3固溶处理:将螺栓胚体置于热处理炉内,加热至1290-1360℃,保温处理3-4h,空气冷却得到固溶体;
S4热处理:先在1040-1070℃的温度下进行退火,保温3-5h,再在1100-1150℃的温度下进行淬火,保温4-6h,接着在730-750℃的温度下进行回火,保温3-5h,最后在680-700℃的温度下进行时效处理,保温20-24h,得到热处理胚体;
S5加工成型:热处理胚体先进行抛光,再精加工至设计尺寸,杆部搓丝成型螺纹,清洗后得到成品螺栓。
4.根据权利要求3所述的一种螺栓的制造方法,其特征在于:所述S5加工成型中使用的搓丝板由聚晶立方氮化硼制成。
5.根据权利要求3所述的一种螺栓的制造方法 ,其特征在于:所述S5加工成型中抛光方式为电解抛光,抛光液包括70-80%甲醇和20-30%高氯酸。
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GR01 | Patent grant | ||
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