CN115786809A - 一种高强度Fe-Ni-Cr高膨胀钢及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种高强度Fe‑Ni‑Cr高膨胀钢，包括以下成分：C：0.55‑0.65％；Si≤0.50％；Mn：4.50‑6.50％；S≤0.020％；P≤0.025％；Ni：10.0‑12.0％；Cr：4.00‑5.00％；N：0.060‑0.100％；Al≤0.05％；余量为Fe和其他不可避免的杂质；本发明还提供了上述高膨胀钢的制备方法，通过本发明的制备方法，能够有效地降低制备成本，且制备得到的高膨胀钢膨胀性能好，强度高。
Description
技术领域
本发明涉及冶金工程领域，具体而言，涉及一种高强度Fe-Ni-Cr高膨胀钢及其制造方法。
背景技术
膨胀合金是一种具有反常热膨胀特性的一种精密合金，又称热膨胀合金膨胀合金，主要有Fe-Ni系、Fe-Ni-Co系和Fe-Ni-Cr系合金等,高铬钢和 Co-Fe-Cr系合金也用作膨胀合金，但用量不大。膨胀合金除具有特定的热膨胀系数外，根据不同用途还要求有良好的封接性、可焊性、耐蚀性、可加工性和易切削性，并且在使用温度范围内不允许有引起膨胀特性明显变化的相变。膨胀合金在制造工艺过程中必须准确控制合金的化学成分，其产品一般为棒材、板材、带材、丝材和管材，广泛用于电子工业、精密量具、精密仪表和低温工程等领域。
目前国内现有的一种Fe-Ni-Cr系高膨胀合金6Cr4Ni12Mn5，作为耐热材料是XXX发动机的专用材料。此钢种的基体为奥氏体组织，由于奥氏体组织与铁素体和马氏体组织相比，具有更高的热膨胀系数，因此该钢具有高耐热性能，适宜用作高温下工作要求配合的紧密的部件。如发动机芯泵中的活门、活门杆、塞子、密封环等部件。
6Cr4Ni12Mn5作为热双金属主动层的膨胀合金，在钢中添加了一定量的 Mo、V、W，主要是提高强度。所以6Cr4Ni12Mn5耐热钢不仅具有热双金属的高膨胀性，还有高的强度。Mo、V、W都是强碳化物形成元素，在钢中容易形成偏析，影响性能的均匀性；另外Mo、V、W都是铁素体形成元素，钢中添加这些元素不利于奥氏体稳定性，影响热膨胀性能。
现有钢种的成分见表1：
表1：化学元素质量百分比(wt％)
表1为上述膨胀合金的成分配比，其生产工艺如下：
真空感应+电渣重熔→锻钢开坯→探伤→热轧成材→探伤→检验→入库。
该生产工艺和成分配比中存在以下缺陷：
现有产品中为了提高强度添加了一定量的Mo、V、W，Mo、V、W都是强碳化物形成元素，在钢中容易形成偏析，影响性能的均匀性；Mo、V、 W都是铁素体形成元素，钢中添加这些元素不利于奥氏体稳定性，影响热膨胀性能，因为铁素体的膨胀性能不如奥氏体。Mo、V、W都是比较贵重金属，钢中加入此元素，目的就是增加钢的强度，但增加了钢的成本。现有钢中采用真空感应+电渣工艺冶炼，其冶炼的成本也相当之高。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种高强度Fe-Ni-Cr高膨胀钢，以解决常规Fe-Ni-Cr钢热膨胀性能一般，强度一般成本高的问题。
为解决上述问题，本发明提供一种高强度Fe-Ni-Cr高膨胀钢，包括以下成分：C：0.55-0.65％；Si≤0.50％；Mn：4.50-6.50％；S≤0.020％；P≤0.025％； Ni：10.0-12.0％；Cr：4.00-5.00％；N：0.060-0.100％；Al≤0.05％；余量为 Fe和其他不可避免的杂质。
本发明所述钢种的成分设计原理如下：
C元素是强烈扩大奥氏体元素，为保证本发明钢获得稳定的奥氏体和高的强度，C控制在C 0.55-0.65％之间。在本发明钢成分控制范围内，碳控制低，奥氏体不稳定，线膨胀系数降低，强度也偏低。但碳过高，钢种碳化物增多，降低钢的塑性。本发明钢中碳元素控制上限比表1中常规产品控制的低些。
Mn在本发明钢中是主要合金元素之一，Mn是扩大奥氏体相区和稳定奥氏体组织的元素，Mn替代一部分Ni的作用，达到节Ni的作用。本发明钢 Mn元素控制比现有钢种的Mn含量高，Mn元素还可以阻止碳化物的析出。
Ni是扩大奥氏体相区的元素，Ni既能提高钢的强度，又能使钢保持良好的塑性和韧性，同时还能提高钢的腐蚀性能。但Ni是较稀缺的资源，故应尽量采用其它合金元素代用一部分Ni.本发明钢比现有钢种的Ni含量控制低，我们采用增加一些Mn元素和N元素，替代一部分Ni，从而保证钢的性能不会减低。
Cr元素是铁素体形成元素，Cr元素含量高，可以提高钢的耐蚀性能，对提高强度也有一定作用；但Cr元素高，铁素体相区增加，对获得稳定的奥氏体不利，降低膨胀性能。所以本发明钢Cr控制在4.0-5.0％之间。
Si元素在钢中起一定的脱氧作用，本发明所述钢种，碳和Mn含量高， C和Mn本身就有脱氧能力，本发明钢中Si含量的高低对脱氧效果影响不大，可以低控些，所以控制在≤0.50％；
本发明钢中增加了N元素的控制，N在钢中与碳元素作用相近，都有扩大奥氏体和提高强度的作用，但增加钢中N含量强度提高，但塑性并不降低，现有钢种中没有控制N含量，本发明钢中控制N含量在0.06-0.10％范围内。
本发明钢中增加了Al元素的控制，Al元素是铁素体形成元素，是强脱氧剂；但本发明钢中增加了N含量的控制，N很容易与Al形成AlN，增加了脆性夹杂物。本发明钢中C和Mn含量都很高，这两个元素在钢中都有脱氧作用，所以为了减少钢中氧化铝和氮化铝夹杂，本发明钢控制残余 Al≤0.05％。
S、P是杂质元素，应该越低越好，但考虑材料成本，S和P分别控制在P≤0.025％，S≤0.020％，余量为Fe和其他不可避免的杂质。
本发明钢中，没有加入Mo、V、W，这些元素都是强碳化物元素，同时也是促进铁素体形成元素，加入这些元素，虽然可以提高强度，但钢中碳化物为增多，碳化物容易分布不均，影响性能的均匀性，同时降低钢的塑性，降低钢的膨胀性能。本发明钢是通过增加N含量，来提高钢的强度，还能保证塑性不降低，并且没有上述元素，同时也节约了成本。
作为优选的方案，包括以下成分：C：0.58-0.63％；Si：0.25-0.45％； Mn：4.70-6.40％；S≤0.010％；P≤0.023％；Ni：10.80-11.80％；Cr：4.20-4.80％； N：0.065-0.095％；Al≤0.04％；余量为Fe和其他不可避免的杂质。
作为优选的方案，包括以下成分：C：0.60％；Si：0.35％；Mn：6.00％； Ni：11.50％；Cr：4.50％；N：0.085％；余量为Fe和其他不可避免的杂质。
本发明要解决的另一个技术问题是，提供上述高强度Fe-Ni-Cr高膨胀钢的制备方法，以解决常规制备方法冶炼采用真空感应+电渣工艺冶炼，冶炼的成本高的问题。
一种所述高膨胀钢的制备方法，包括以下步骤：
S1：非真空感应冶炼：
S11：预脱氧：选择锰铁、电解锰、金属铬、氮化铬、镍板、硅铁和铝块作为原材料，将所述原材料放入中频感应炉中进行冶炼，原材料形成熔池后进一步地向所述中频感应炉中加入脱氧剂，待熔清后，扒渣，再次倒入造渣材料造新渣得到钢液；
S12：扩散脱氧：分批加入铝粉至步骤S11处理后的钢液中进行扩散脱氧，温度控制在1580℃±10℃，之后加入电解锰，调整出钢温度为1570±10℃的条件下出钢；
S2：浇铸：将所述步骤S12出钢后得到的钢液浇铸，模冷6小时后脱模空冷处理，得到钢锭；
S3：电渣重熔：将所述步骤S2制得的钢锭修磨后进行电渣重熔，得到电渣锭；
S4：锻造：将所述步骤S3得到的电渣锭升温至1160±10℃进行锻造开坯处理，终锻后堆冷处理；
S5：轧制将所述步骤S4堆冷处理后得到的产品升温至1140℃±10℃进行轧制，轧后空冷处理，得到高强度Fe-Ni-Cr高膨胀钢。
作为优选的方案，所述S11中，所述脱氧剂为硅铁、铝块、金属锰和/ 或电解锰。
作为优选的方案，所述步骤S12中，所述铝粉的添加质量为所述钢液总质量的0.2％，且所述分批加入的次数为4-5次，且每次的间隔时间为10-15 分钟，且所述步骤S12中，每批铝粉加入至钢液时都需完全浸入至所述钢液中。
作为优选的方案，所述步骤S12中，白渣保持时间大于40分钟，且所述步骤S12中还包括取炉前样进行分析的步骤，包括：检测钢液中的成分，若铬不足，加入氮化铬，若锰不足，则加入电解锰。
作为优选的方案，所述步骤S3中，所述电渣重熔的条件包括：渣系： CaF2:Al2O3:CaO:MgO＝72:18:5:5，渣量：42±10Kg；液渣起弧，起弧时间≥20min；稳态电流控制在7000-10000A，二次电压52-55V；得到的钢锭冷却1小时后，脱模继续沙冷24小时，完成电渣重熔。
作为优选的方案，所述步骤S4中，所述锻造的条件包括：控制炉尾温度≤700℃将所述电渣锭进行加热，将所述电渣锭加热至1160±10℃，且加热时间≥7小时，随后保温3-4小时，之后出炉锻造，开锻温度≥1000℃，终锻温度≥850℃，锻后堆冷处理。
作为优选的方案，所述步骤S5中，所述轧制的条件包括：控制炉尾温度≤800℃将产品进行加热，控制加热时间≥210min的条件下将所述产品加热至1140℃±10℃，保温后进行轧制，控制终轧温度≥850℃，随后空冷处理。
本发明通过上述制备方法，制备得到了一种不添加Mo、V、W的高强度、质量稳定的Fe-Ni-Cr系高膨胀高合金。所述高强度Fe-Ni-Cr高膨胀钢通过添加N元素，提高Mn、Cr元素、降低Ni和C元素，保证钢获得高的热膨胀性能和高的强度。本发明的高强度Fe-Ni-Cr高膨胀钢可以广泛用于电子工业、精密量具、精密仪表和低温工程等领域。也可以用于制作活塞杆、衬套、螺栓等航空零部件。现有钢中采用真空感应+电渣工艺冶炼，且本发明钢的制备方法中采用非真空+电渣冶炼，冶炼成本比现有钢种低。
附图说明
图1为锻造热处理的工艺图。
具体实施方式
下面将对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明提供了一种高强度Fe-Ni-Cr高膨胀钢，包括以下成分：C： 0.55-0.65％；Si≤0.50％；Mn：4.50-6.50％；S≤0.020％；P≤0.025％；Ni： 10.0-12.0％；Cr：4.00-5.00％；N：0.060-0.100％；Al≤0.05％；余量为Fe和其他不可避免的杂质。
优选的，包括以下成分：C：0.58-0.63％；Si：0.25-0.45％；Mn：4.70-6.40％； S≤0.010％；P≤0.023％；Ni：10.80-11.80％；Cr：4.20-4.80％；N： 0.065-0.095％；Al≤0.04％；余量为Fe和其他不可避免的杂质。
优选的，包括以下成分：C：0.60％；Si：0.35％；Mn：6.00％；Ni： 11.50％；Cr：4.50％；N：0.085％；余量为Fe和其他不可避免的杂质。
成分控制如下表所示：
表2：高强度Fe-Ni-Cr高膨胀钢的成分控制要求
本发明还提供了所述高膨胀钢的制备方法，包括以下步骤：
S1：非真空感应冶炼：
S11：预脱氧：选择锰铁、电解锰、金属铬、氮化铬、镍板、硅铁和铝块作为原材料，将所述原材料放入中频感应炉中进行冶炼，原材料形成熔池后进一步地向所述中频感应炉中加入脱氧剂，待熔清后，扒渣，再次倒入造渣材料造新渣得到钢液；
S12：扩散脱氧：分批加入铝粉至步骤S11处理后的钢液中进行扩散脱氧，温度控制在1580℃±10℃，之后加入电解锰，调整出钢温度为1570±10℃的条件下出钢；
S2：浇铸：将所述步骤S12出钢后得到的钢液浇铸，模冷6小时后脱模空冷处理，得到钢锭；
S3：电渣重熔：将所述步骤S2制得的钢锭修磨后进行电渣重熔，得到电渣锭；
S4：锻造：将所述步骤S3得到的电渣锭升温至1160±10℃进行锻造开坯处理，终锻后堆冷处理，锻造的热处理曲线图如图1所示；
S5：轧制将所述步骤S4堆冷处理后得到的产品升温至1140℃±10℃进行轧制，轧后空冷处理，得到高强度Fe-Ni-Cr高膨胀钢。
轧制步骤的条件如下表3：
表3：轧制热处理条件：
优选的，所述S11中，所述脱氧剂为硅铁、铝块、金属锰和/或电解锰。
优选的，所述步骤S12中，所述铝粉的添加质量为所述钢液总质量的 0.2％，且所述分批加入的次数为4-5次，且每次的间隔时间为10-15分钟，且所述步骤S12中，每批铝粉加入至钢液时都需完全浸入至所述钢液中。
优选的，所述步骤S12中，白渣保持时间大于40分钟，且所述步骤S12 中还包括取炉前样进行分析的步骤，包括：检测钢液中的成分，若铬不足，加入氮化铬，若锰不足，则加入电解锰。
优选的，所述步骤S3中，所述电渣重熔的条件包括：渣系： CaF2:Al2O3:CaO:MgO＝72:18:5:5，渣量：42±10Kg；液渣起弧，起弧时间≥20min；稳态电流控制在7000-10000A，二次电压52-55V；得到的钢锭冷却1小时后，脱模继续沙冷24小时，完成电渣重熔。
优选的，所述步骤S4中，所述锻造的条件包括：控制炉尾温度≤700℃将所述电渣锭进行加热，将所述电渣锭加热至1160±10℃，且加热时间≥7 小时，随后保温3-4小时，之后出炉锻造，开锻温度≥1000℃，终锻温度≥850℃，锻后堆冷处理。
优选的，所述步骤S5中，所述轧制的条件包括：控制炉尾温度≤800℃将产品进行加热，控制加热时间≥210min的条件下将所述产品加热至 1140℃±10℃，保温后进行轧制，控制终轧温度≥850℃，随后空冷处理。
以下结合具体的数据以及制备方法对本发明上述的方案进行展开说明：
实施例1：
本实施例提供了一种高强度Fe-Ni-Cr高膨胀钢，包括以下成分：C： 0.60％；Si：0.35％；Mn：6.00％；S：0.010％；P：0.023％；Ni：11.5％； Cr：4.50％；N：0.080％；Al：0.03％；余量为Fe和其他不可避免的杂质。
本发明还提供了所述高膨胀钢的制备方法，包括以下步骤：
S1：非真空感应冶炼：
S11：预脱氧：选择锰铁、电解锰、金属铬、氮化铬、镍板、硅铁和铝块作为原材料，将所述原材料放入中频感应炉中进行冶炼，原材料形成熔池后进一步地向所述中频感应炉中加入脱氧剂，待熔清后，扒渣，再次倒入造渣材料造新渣得到钢液；所述脱氧剂为硅铁、铝块、金属锰和/或电解锰。
S12：扩散脱氧：分批加入铝粉至步骤S11处理后的钢液中进行扩散脱氧，温度控制在1580℃，之后加入电解锰，调整出钢温度为1570℃的条件下出钢；所述铝粉的添加质量为所述钢液总质量的0.2％，且所述分批加入的次数为5次，且每次的间隔时间为10分钟，每批铝粉加入至钢液时，要有点渣动作，使得铝粉完全浸入至所述钢液中，确保脱氧剂与钢水充分接触(必要条件)；扩散脱氧中后期，加电解锰，每批合金加入后，熔化时间≥5分钟；并且保持渣池流动性和白渣保持时间。白渣时间≥40分钟(必要条件，有利于减少钢中的气体)，取炉前样进行全分析；根据分析结果微调成分并加入氮化铬，微调Mn成分应加入电解Mn。
S2：浇铸：将所述步骤S12出钢后得到的钢液浇铸，浇铸为
电极棒，模冷6小时后脱模空冷处理，得到钢锭；
S3：电渣重熔：将所述步骤S2制得的钢锭修磨后进行电渣重熔，得到电渣锭；
电渣重熔控制要点如下：
电极：供Φ260mm电极，结晶器：Φ360mm；
渣系：CaF2:Al2O3:CaO:MgO＝72:18:5:5，渣量：42±10Kg；
液渣起弧，起弧时间≥20min；
稳态电流控制在7000～10000A，二次电压52～55V；
锭冷却1小时后脱模沙冷24小时；
在电渣锭头尾取样，分析分析C、S。
S4：锻造：将所述步骤S3得到的电渣锭升温至1160℃进行锻造开坯处理，终锻后堆冷处理；
所述锻造的条件包括：控制炉尾温度(装炉温度)为600℃将所述电渣锭进行加热，将所述电渣锭加热至1160℃，且加热时间≥7小时(加热升温速度80℃/h)，随后保温3小时，之后出炉锻造，开锻温度≥1000℃，终锻温度920℃，锻后堆冷处理。
S5：轧制将所述步骤S4堆冷处理后得到的产品升温至1140℃℃进行轧制，轧后空冷处理，得到高强度Fe-Ni-Cr高膨胀钢；
所述轧制的条件包括：控制炉尾温度为700℃将产品进行加热，控制加热时间为230min的条件下将所述产品加热至1140℃℃，其中，加热分为加热I段和加热II段，加热I段将产品加热至950℃，加热II段将产品加热至 1150℃，均热段为1140℃，保温后进行轧制，控制终轧温度为900℃，随后空冷处理。
实施例2：
实施例2与实施例1类似，其不同之处在于，化学成分质量百分配比、步骤S4的锻造开坯加热温度以及步骤S5的轧制工艺参数不同，具体如表 4、表5、表6所示；
实施例3：
实施例3与实施例1类似，其不同之处在于，化学成分质量百分配比、步骤S4的锻造开坯加热温度以及步骤S5的轧制工艺参数不同，具体如表 4、表5、表6所示；
表4实施例1-3化学成分质量百分配比
表5实施例1-5中钢锭加热工艺参数
表6实施例1-3轧制工艺参数
对本发明上述实施例1-3制备得到的产品与现有产品进行相关的比较，具体如下:
表7宏观组织对比结果
从表6对比结果看，本发明钢采用低成本的非真空冶炼生产产品的宏观组织，达到了采用真空方法冶炼生产产品的宏观组织。
微观组织夹杂物检验对比结果见表8。
表8夹杂物检验结果对比
从夹杂物对比结果看，采用非真空冶炼，夹杂物水平达到了采用真空冶炼的水平。说明本发明钢在降低冶炼成本的情况下，内部质量没有降低。
性能检验结果对比见表9.
表9性能检验结果对比
从表9看，采用非真空冶炼的发明钢，强度指标高于真空冶炼的钢。
通过上述比对，可以看出，采用本发明钢设计的成分和制造方法生产的高膨胀钢，与现有产品相比，不仅成本低、强度高，宏观和微观质量也达到了现有产品的水平，解决了常规Fe-Ni-Cr钢热膨胀性能一般，强度一般的问题和常规制备方法冶炼采用真空感应+电渣工艺冶炼，冶炼的成本高的问题。
虽然本公开披露如上，但本公开的保护范围并非仅限于此。本领域技术人员，在不脱离本公开的精神和范围的前提下，可进行各种变更与修改，这些变更与修改均将落入本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种高强度Fe-Ni-Cr高膨胀钢，其特征在于，包括以下成分：C：0.55-0.65％；Si≤0.50％；Mn：4.50-6.50％；S≤0.020％；P≤0.025％；Ni：10.0-12.0％；Cr：4.00-5.00％；N：0.060-0.100％；Al≤0.05％；余量为Fe和其他不可避免的杂质。
2.根据权利要求1所述的高强度Fe-Ni-Cr高膨胀钢，其特征在于，包括以下成分：C：0.58-0.63％；Si：0.25-0.45％；Mn：4.70-6.40％；S≤0.010％；P≤0.023％；Ni：10.80-11.80％；Cr：4.20-4.80％；N：0.065-0.095％；Al≤0.04％；余量为Fe和其他不可避免的杂质。
3.根据权利要求2所述的高强度Fe-Ni-Cr高膨胀钢，其特征在于，包括以下成分：C：0.60％；Si：0.35％；Mn：6.00％；Ni：11.50％；Cr：4.50％；N：0.085％；余量为Fe和其他不可避免的杂质。
4.一种权利要求1-3任一项所述高膨胀钢的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：非真空感应冶炼：
S11：预脱氧：选择锰铁、电解锰、金属铬、氮化铬、镍板、硅铁和铝块作为原材料，将所述原材料放入中频感应炉中进行冶炼，原材料形成熔池后进一步地向所述中频感应炉中加入脱氧剂，待熔清后，扒渣，再次倒入造渣材料造新渣得到钢液；
S12：扩散脱氧：分批加入铝粉至步骤S11处理后的钢液中进行扩散脱氧，温度控制在1580℃±10℃，之后加入电解锰，调整出钢温度为1570±10℃的条件下出钢；
S2：浇铸：将所述步骤S12出钢后得到的钢液浇铸，模冷6小时后脱模空冷处理，得到钢锭；
S3：电渣重熔：将所述步骤S2制得的钢锭修磨后进行电渣重熔，得到电渣锭；
S4：锻造：将所述步骤S3得到的电渣锭升温至1160±10℃进行锻造开坯处理，终锻后堆冷处理；
S5：轧制将所述步骤S4堆冷处理后得到的产品升温至1140℃±10℃进行轧制，轧后空冷处理，得到高强度Fe-Ni-Cr高膨胀钢。
5.根据权利要求4所述的高膨胀钢的制备方法，其特征在于，所述S11中，所述脱氧剂为硅铁、铝块以及金属锰和/或电解锰。
6.根据权利要求4所述的高膨胀钢的制备方法，其特征在于，所述步骤S12中，所述铝粉的添加质量为所述钢液总质量的0.2％，且所述分批加入的次数为4-5次，且每次的间隔时间为10-15分钟，且所述步骤S12中，每批铝粉加入至钢液时都需完全浸入至所述钢液中。
7.根据权利要求4所述的高膨胀钢的制备方法，其特征在于，所述步骤S12中，白渣保持时间大于40分钟，且所述步骤S12中还包括取炉前样进行分析的步骤，包括：检测钢液中的成分，若铬不足，加入氮化铬，若锰不足，则加入电解锰。
8.根据权利要求4所述的高膨胀钢的制备方法，其特征在于，所述步骤S3中，所述电渣重熔的条件包括：渣系：CaF2:Al2O3:CaO:MgO＝72:18:5:5；渣量：42±10Kg；液渣起弧，起弧时间≥20min；稳态电流控制在7000-10000A，二次电压52-55V；得到的钢锭冷却1小时后，脱模继续沙冷24小时，完成电渣重熔。
9.根据权利要求4所述的高膨胀钢的制备方法，其特征在于，所述步骤S4中，所述锻造的条件包括：控制炉尾温度≤700℃将所述电渣锭进行加热，将所述电渣锭加热至1160±10℃，且加热时间≥7小时，随后保温3-4小时，之后出炉锻造，开锻温度≥1000℃，终锻温度≥850℃，锻后堆冷处理。
10.根据权利要求4所述的高膨胀钢的制备方法，其特征在于，所述步骤S5中，所述轧制的条件包括：控制炉尾温度≤800℃将产品进行加热，控制加热时间≥210min的条件下将所述产品加热至1140℃±10℃，保温后进行轧制，控制终轧温度≥850℃，随后空冷处理。
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