CN1400330A - 高强度低膨胀的合金结构钢材料 - Google Patents
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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
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35~55Wt%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/℃ |
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 | ||||||
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 | ||||||
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 | |||||||||
13 | 0.02 | 0.45 | 0.10 | 36.7 | 余 | 450 | 150 | 1.2 |
Claims (3)
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的最佳含量范围应为34.0~42.0%。
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