CN1151306C

CN1151306C - 高强度低膨胀的合金结构钢材料

Info

Publication number: CN1151306C
Application number: CNB021312052A
Authority: CN
Inventors: 张建福; 陈建刚; 张建生; 赵栋梁; 胡秀奎; 徐进
Original assignee: Central Iron and Steel Research Institute
Current assignee: Central Iron and Steel Research Institute
Priority date: 2002-09-13
Filing date: 2002-09-13
Publication date: 2004-05-26
Anticipated expiration: 2022-09-13
Also published as: CN1400330A

Abstract

本发明属于功能材料中结构钢的制备领域。特别适用于制造高强度低膨胀的合金结构钢材料。该合金材料的具体成份为(重量%)：C为0.51～2.50%；Ni为32.0～45.0%；V为1.21～3.0%；Cr为0.5-5.0%；Si≤0.60%；Mn≤2.0%；Cu≤5.0%；Mg≤0.2%；Ca≤0.01%；RE≤0.2%；Mo、W、Nb、Zr中任意一种或两种之和两种以上之和应在0.5～5.0%；其余为Fe。采用本发明的高强度低膨胀合金材料与现有技术相比，具有成分设计简单、经济、使用范围宽和综合性能好等特点。因为本发明合金成份中不含有贵重金属钴，对金属镍含量适当降低，在保证本发明材料具有良好的综合力学性能时，生产成本可降低20～30%，这对于生产推广是非常有意义的。

Description

高强度低膨胀的合金结构钢材料

技术领域

本发明属于功能材料中结构钢的制备领域。特别适用于制造高强度低膨胀的合金结构钢材料。

背景技术

目前常用的低膨胀合金有4J36等功能结构材料，这类材料的不足在于强度很低，一般退火状态强度均不超过500MPa，在通过冷变形加工，强度值也不超过800MPa，所以其使用范围会受到很多的限制。在现有技术中为提高低膨胀合金的力学性能，通常是采用(重量％)为：35～55％Ni或Ni+Co范围内，加入C、N等间隙型固溶强化元素；或加入铬、钼等置换型固溶强化元素；和添加一些钛、铌等析出型固溶强化元素，在固溶或退火状态下可使该材料获得较好的膨胀特性，但其强度份不超过800MPa。因此上述改型合金存在有较强的加工硬化能力，所以此类材料只能通过强冷加工，才可使其强度提高到1000MPa以上。例如日本专利昭58-77525A、昭55-131155、昭55-122855、昭55-119156A、平4-311548A、平6-346193A、平7-228947等介绍的就是该类加工型低膨胀合金，所以这些合金必须通过强冷加工变形才能使用，而适用范围仅限于小规格棒材、带材和丝材，常常被使用在低弛度架空输电线用钢芯。另外美国专利USA3940295介绍了一种低膨胀铸造合金，不需冷加工，只经过热处理而得到较高强度。该类合金材料的强度虽有所提高，但只能铸态使用，所以它的适用范围较小。在上述的高强度低膨胀的合金结构钢材料中，无论是需要强冷变形的材料还是铸态使用的材料；都存在含有较贵重的钴元素(个别合金钴含量达50％以上)，因此原材料成本高和适用范围窄，和使用受到限制等不足之处。

发明目的及内容

本发明的目的是提出一种成分设计简单、经济、使用范围宽和综合性能好的高强度低膨胀合金材料。

根据上述目的，我们所设计的高强度低膨胀合金是考虑到现有技术中的不足之处，首先是将合金成份中的贵重金属钴去掉，降低本发明材料的成本。其次通过对其他元素的调整，使该材料具有多重的可加工性，并得到良好的综合力学性能，给本发明材料带来更宽的使用范围。根据上述要求，本发明所提出的高强度低膨胀合金材料的具体化学成份为(重量％)：C为0.51～2.50％；Ni为32.0～45.0％；V为1.21～3.0％；Cr为0.5-2.2％；Si≤0.60％；Mn≤2.0％；Cu≤5.0％；Mg≤0.2％；Ca≤0.01％；RE≤0.2％；Mo、W、Nb、Zr中任意一种或两种和两种以上之和应在0.5～5.0％；其余为Fe。

为实现本发明对材料成本的降低和综合性能的提高，因此我们对合金的成份进行了合理的调整，去除了贵重的金属钴，减少了金属镍的加入，扩大了碳元素和金属钒的范围。在本发明的高强度低膨胀合金材料成份中，Ni是合金具有低膨胀系数的关键元素，要保证合金具有良好的综合性能，Ni含量控制在32～45％范围内较合适，最佳含量范围为34～42％。这样不但能够稳定合金中的奥氏体相，还能在较低的膨胀系数的基础上得到较高的塑韧性。C是形成碳化物强化相的基本元素，对于合金材料的整体强度至关重要。C元素超过2.50％，将损害合金塑性、增大合金热膨胀系数，当低于0.50％，强化效果不明显，要达到最佳强化效果，必须进行大冷变形，因此，C含量应不低于0.51％。V在合金中与C形成碳化物，碳化物是合金强度提高的关键成份，但含量过高会降低合金韧性和延展性，增大合金的膨胀系数，应控制在1.21～3.0％范围内。Si、Mn作为脱氧剂，可加强熔体的脱氧作用，增加合金的流动性，Mn是稳定合金材料奥氏体的重要元素，有改善合金铸造性能和提高合金强度的效果，并还有固定有害元素S的作用。Si、Mn含量过高，合金的膨胀系数会增大，因此要限制Si、Mn元素在材料中的含量。Cr、Mo、W、Nb、Zr都是碳化物的形成元素，能够提高合金硬度和强度，可以单独加入，也可复合加入，Mo、W、Nb、Zr的加入量应在0.5-5.0％，Cr含量应在0.5-2.5％，当总含量小于2％时合金的强度则不够理想，但总含量超过7.5％，将损害合金塑性，增大合金膨胀系数。

另外为降低合金的成本，我们还采取了一些措施，例如可采用Cu代替部分Ni，但Cu含量不得超过5％，因Cu含量过高会增大合金的膨胀系数。采用添加微量Mg、Ca、RE元素，有细化晶粒、净化晶界，促进合金球状石墨形成的作用，复合加入提高合金强度，改善合金加工性能和延伸性能。

本发明的高强度低膨胀合金材料的制备方法与现有技术相似，该合金钢是采用感应炉进行冶炼和铸锭，然后将铸锭坯经1100℃下进行成型，终锻温度不低于950，待锻造后于950-1100℃固溶处理，在加工成产品后将产品于600～750℃进行回火处理后就可交货使用。该合金钢也可以是经熔炼后直接浇铸成型，在进行600-750℃热处理后直接使用。检测产品的强度、硬度和20～100℃温度范围内的膨胀系数可参见实施例的性能对比表。

采用本发明的高强度低膨胀合金材料与现有技术相比，具有成分设计简单、经济、使用范围宽和综合性能好等特点。因为本发明合金成份中不含有贵重金属钴，而且通过合理的成份调整，对金属镍含量适当降低，在保证本发明材料具有良好的综合力学性能时，生产成本可降低20～30％，这对于生产推广是至关重要的。另外本发明合金是采取感应炉进行冶炼，该合金可以铸态直接使用，只需简单热处理，这样生产成本进一步降低。同样该合金也可以进行变形加工制造大规格合金材使用。

具体实施方案

根据本发明的高强度低膨胀合金材料的成份范围，我们共熔炼了十组合金(见表实施例对比表)，在对比表中序号1～10为本发明实施例合金成份，序号11为美国专利USA3940295中1号合金，为了对比方便，我们还熔炼了一炉序号12的合金，该组合金是参照对比1号合金成份进行熔炼的，序号13为现有技术中常用低膨胀合金4J36。每组合金均采用相同的感应炉冶炼，序号1～4和12号合金是经1100℃锻造，终锻温度不低于950℃，锻造后制成试样毛坯。序号5～10和11、13号合金是直接铸成试样毛坯，上述毛坯试样经1000℃固溶处理后加工成检测试样，试样在600～750℃进行回火处理。测试试样的强度、硬度和20～100℃温度范围内的膨胀系数。对比表为实施例的成份和性能与现有技术的比较表。根据对比表可以看出，本发明合金具有原材料成本和制作成本经济，适于推广应用，本发明合金强度与现有技术相比提高300MPa左右，膨胀系数略有增大。本发明合金强度比常用低膨胀合金高3倍，适用于低膨胀结构部件。

表1 本发明实施例与现有技术的成份·性能的比较结果

序号	C	Mn	Si	Ni	Co	Cu	V	Cr	Mo	W	Nb	Zr	Mg	Ca	RE	Fe	强度MPa	硬度HV	膨胀系数(20℃～100℃)×10^-6/℃
序号	C	Mn	Si	Ni	Co	Cu	V	Cr	Mo	W	Nb	Zr	Mg	Ca	RE	Fe	强度MPa	硬度HV	膨胀系数(20℃～100℃)×10^-6/℃	1	0.55	1.00	0.41	42.10		1.25	2.01	1.03						余	1200	570	6.0
2	0.54	1.00	0.40	37.20			1.30	2.04	1.07							余	1190	579	6.2	1	0.55	1.00	0.41	42.10		1.25	2.01	1.03						余	1200	570	6.0
2	0.54	1.00	0.40	37.20			1.30	2.04	1.07							余	1190	579	6.2	3	0.81	1.05	0.44	37.50		1.56	2.07	1.03						余	1260	590	6.3
4	0.78	1.04	0.42	33.60		4.00	1.60	1.12		1.10	0.79					余	1250	591	6.2	3	0.81	1.05	0.44	37.50		1.56	2.07	1.03						余	1260	590	6.3
4	0.78	1.04	0.42	33.60		4.00	1.60	1.12		1.10	0.79					余	1250	591	6.2	5	1.20	1.10	0.45	37.40		2.08	1.10		1.15	0.20	0.73			余	1330	606	6.3
6	1.23	1.04	0.41	37.10			2.06	2.01	1.00				001			余	1320	604	6.5	5	1.20	1.10	0.45	37.40		2.08	1.10		1.15	0.20	0.73			余	1330	606	6.3
6	1.23	1.04	0.41	37.10			2.06	2.01	1.00				001			余	1320	604	6.5	7	1.53	1.06	0.41	37.30		2.45	1.98	1.03					0.04	余	1430	611	6.8
8	1.56	1.08	0.45	32.20		4.50	2.51	2.04	0.99					0.01		余	1460	614	6.9	7	1.53	1.06	0.41	37.30		2.45	1.98	1.03					0.04	余	1430	611	6.8
8	1.56	1.08	0.45	32.20		4.50	2.51	2.04	0.99					0.01		余	1460	614	6.9	9	2.10	1.04	0.42	38.20		3.01	2.00	1.08				002		余	1560	615	7.3
10	2.13	1.03	0.43	35.50			2.98	1.97	1.05							余	1530	616	7.3	9	2.10	1.04	0.42	38.20		3.01	2.00	1.08				002		余	1560	615	7.3
10	2.13	1.03	0.43	35.50			2.98	1.97	1.05							余	1530	616	7.3	11	0.52			27.60	13.12	0.48	2.04	1.05						余			5.5
12	0.56			28.10	13.00		0.49	2.05	1.08							余	980	460	5.6	11	0.52			27.60	13.12	0.48	2.04	1.05						余			5.5
12	0.56			28.10	13.00		0.49	2.05	1.08							余	980	460	5.6	13	0.02	0.45	0.10	36.7										余	450	150	1.2

Claims

1.一种高强度低膨胀合金材料，其特征在于该合金材料的具体化学成份为(重量％)：C为0.51～2.50％；Ni为32.0～45.0％；V为1.21～3.0％；Cr为0.5-5.0％；Si≤0.60％；Mn≤2.0％；Cu≤5.0％；Mg≤0.2％；Ca≤0.01％；RE≤0.2％；Mo、W、Nb、Zr中的任意一种元素在0.5～5.0％；其余为Fe。

2、根据权利要求1所述合金，其特征是在该合金成份中Mo、W、Nb、Zr中任意两种和两种以上之和应在0.5～5.0％。

3、根据权利要求1所述合金，其特征是在该合金成份中Ni的含量范围应为34.0～42.0％。