專利名稱：高強度低膨脹的合金結構鋼材料的制作方法
技術領域：
本發(fā)明屬于功能材料中結構鋼的制備領域。特別適用于制造高強度低膨脹的合金結構鋼材料。
背景技術：
目前常用的低膨脹合金有4J36等功能結構材料，這類材料的不足在于強度很低，一般退火狀態(tài)強度均不超過500MPa，在通過冷變形加工，強度值也不超過800MPa，所以其使用范圍會受到很多的限制。在現(xiàn)有技術中為提高低膨脹合金的力學性能，通常是采用35～55Wt％Ni或Ni+Co范圍內(nèi)，加入C、N等間隙型固溶強化元素；或加入鉻、鉬等置換型固溶強化元素；和添加一些鈦、鈮等析出型固溶強化元素，在固溶或退火狀態(tài)下可使該材料獲得較好的膨脹特性，但其強度份不超過800MPa。因此上述改型合金存在有較強的加工硬化能力，所以此類材料只能通過強冷加工，才可使其強度提高到1000MPa以上。例如日本專利昭58-77525A、昭55-131155、昭55-122855、昭55-119156A、平4-311548A、平6-346193A、平7-228947等介紹的就是該類加工型低膨脹合金，所以這些合金必須通過強冷加工變形才能使用，而適用范圍僅限于小規(guī)格棒材、帶材和絲材，常常被使用在低弛度架空輸電線用鋼芯。另外美國專利USA3940295介紹了一種低膨脹鑄造合金，不需冷加工，只經(jīng)過熱處理而得到較高強度。該類合金材料的強度雖有所提高，但只能鑄態(tài)使用，所以它的適用范圍較小。在上述的高強度低膨脹的合金結構鋼材料中，無論是需要強冷變形的材料還是鑄態(tài)使用的材料；都存在含有較貴重的鈷元素(個別合金鈷含量達50％以上)，因此原材料成本高和適用范圍窄，和使用受到限制等不足之處。
發(fā)明目的及內(nèi)容本發(fā)明的目的是提出一種成分設計簡單、經(jīng)濟、使用范圍寬和綜合性能好的高強度低膨脹合金材料。
根據(jù)上述目的，我們所設計的高強度低膨脹合金是考慮到現(xiàn)有技術中的不足之處，首先是將合金成份中的貴重金屬鈷去掉，降低本發(fā)明材料的成本。其次通過對其他元素的調(diào)整，使該材料具有多重的可加工性，并得到良好的綜合力學性能，給本發(fā)明材料帶來更寬的使用范圍。根據(jù)上述要求，本發(fā)明所提出的高強度低膨脹合金材料的具體化學成份為(重量％)C為0.51～2.50％；Ni為32.0～45.0％；V為1.21～3.0％；Cr為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中任意一種或兩種和兩種以上之和應在0.5～5.0％；其余為Fe。
為實現(xiàn)本發(fā)明對材料成本的降低和綜合性能的提高，因此我們對合金的成份進行了合理的調(diào)整，去除了貴重的金屬鈷，減少了金屬鎳的加入，擴大了碳元素和金屬釩的范圍。在本發(fā)明的高強度低膨脹合金材料成份中，Ni是合金具有低膨脹系數(shù)的關鍵元素，要保證合金具有良好的綜合性能，Ni含量控制在32～45％范圍內(nèi)較合適，最佳含量范圍為34～42％。這樣不但能夠穩(wěn)定合金中的奧氏體相，還能在較低的膨脹系數(shù)的基礎上得到較高的塑韌性。C是形成碳化物強化相的基本元素，對于合金材料的整體強度至關重要。C元素超過2.50％，將損害合金塑性、增大合金熱膨脹系數(shù)，當?shù)陀?.50％，強化效果不明顯，要達到最佳強化效果，必須進行大冷變形，因此，C含量應不低于0.51％。V在合金中與C形成碳化物，碳化物是合金強度提高的關鍵成份，但含量過高會降低合金韌性和延展性，增大合金的膨脹系數(shù)，應控制在1.21～3.0％范圍內(nèi)。Si、Mn作為脫氧劑，可加強熔體的脫氧作用，增加合金的流動性，Mn是穩(wěn)定合金材料奧氏體的重要元素，有改善合金鑄造性能和提高合金強度的效果，并還有固定有害元素S的作用。Si、Mn含量過高，合金的膨脹系數(shù)會增大，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，能夠提高合金硬度和強度，可以單獨加入，也可復合加入，Mo、W、Nb、Zr的加入量應在0.5-5.0％，Cr含量應在0.5-2.5％，當總含量小于2％時合金的強度則不夠理想，但總含量超過7.5％，將損害合金塑性，增大合金膨脹系數(shù)。
另外為降低合金的成本，我們還采取了一些措施，例如可采用Cu代替部分Ni，但Cu含量不得超過5％，因Cu含量過高會增大合金的膨脹系數(shù)。采用添加微量Mg、Ca、RE元素，有細化晶粒、凈化晶界，促進合金球狀石墨形成的作用，復合加入提高合金強度，改善合金加工性能和延伸性能。
本發(fā)明的高強度低膨脹合金材料的制備方法與現(xiàn)有技術相似，該合金鋼是采用感應爐進行冶煉和鑄錠，然后將鑄錠坯經(jīng)1100℃下進行成型，終鍛溫度不低于950，待鍛造后于950-1100℃固溶處理，在加工成產(chǎn)品后將產(chǎn)品于600～750℃進行回火處理后就可交貨使用。該合金鋼也可以是經(jīng)熔煉后直接澆鑄成型，在進行600-750℃熱處理后直接使用。檢測產(chǎn)品的強度、硬度和20～100℃溫度范圍內(nèi)的膨脹系數(shù)可參見實施例的性能對比表。
采用本發(fā)明的高強度低膨脹合金材料與現(xiàn)有技術相比，具有成分設計簡單、經(jīng)濟、使用范圍寬和綜合性能好等特點。因為本發(fā)明合金成份中不含有貴重金屬鈷，而且通過合理的成份調(diào)整，對金屬鎳含量適當降低，在保證本發(fā)明材料具有良好的綜合力學性能時，生產(chǎn)成本可降低20～30％，這對于生產(chǎn)推廣是至關重要的。另外本發(fā)明合金是采取感應爐進行冶煉，該合金可以鑄態(tài)直接使用，只需簡單熱處理，這樣生產(chǎn)成本進一步降低。同樣該合金也可以進行變形加工制造大規(guī)格合金材使用。
具體實施方案根據(jù)本發(fā)明的高強度低膨脹合金材料的成份范圍，我們共熔煉了十組合金(見表實施例對比表)，在對比表中序號1～10為本發(fā)明實施例合金成份，序號11為美國專利USA3940295中1號合金，為了對比方便，我們還熔煉了一爐序號12的合金，該組合金是參照對比1號合金成份進行熔煉的，序號13為現(xiàn)有技術中常用低膨脹合金4J36。每組合金均采用相同的感應爐冶煉，序號1～4和12號合金是經(jīng)1100℃鍛造，終鍛溫度不低于950℃，鍛造后制成試樣毛坯。序號5～10和11、13號合金是直接鑄成試樣毛坯，上述毛坯試樣經(jīng)1000℃固溶處理后加工成檢測試樣，試樣在600～750℃進行回火處理。測試試樣的強度、硬度和20～100℃溫度范圍內(nèi)的膨脹系數(shù)。對比表為實施例的成份和性能與現(xiàn)有技術的比較表。根據(jù)對比表可以看出，本發(fā)明合金具有原材料成本和制作成本經(jīng)濟，適于推廣應用，本發(fā)明合金強度與現(xiàn)有技術相比提高300MPa左右，膨脹系數(shù)略有增大。本發(fā)明合金強度比常用低膨脹合金高3倍，適用于低膨脹結構部件。
表1本發(fā)明實施例與現(xiàn)有技術的成份·性能的比較結果

權利要求
1.一種高強度低膨脹合金材料，其特征在于該合金材料的具體化學成份為(重量％)C為0.51～2.50％；Ni為32.0～45.0％；V為1.21～3.0％；Cr為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中的任意一種元素在0.5～5.0％；其余為Fe。
2.根據(jù)權利要求1所述合金，其特征是在該合金成份中Mo、W、Nb、Zr中任意兩種和兩種以上之和應在0.5～5.0％。
3.根據(jù)權利要求1所述合金，其特征是在該合金成份中Ni的最佳含量范圍應為34.0～42.0％。
全文摘要
本發(fā)明屬于功能材料中結構鋼的制備領域。特別適用于制造高強度低膨脹的合金結構鋼材料。該合金材料的具體成份為(重量％)C為0.51～2.50％；Ni為32.0～45.0％；V為1.21～3.0％；Cr為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中任意一種或兩種之和兩種以上之和應在0.5～5.0％；其余為Fe。采用本發(fā)明的高強度低膨脹合金材料與現(xiàn)有技術相比，具有成分設計簡單、經(jīng)濟、使用范圍寬和綜合性能好等特點。因為本發(fā)明合金成份中不含有貴重金屬鈷，對金屬鎳含量適當降低，在保證本發(fā)明材料具有良好的綜合力學性能時，生產(chǎn)成本可降低20～30％，這對于生產(chǎn)推廣是非常有意義的。
文檔編號C22C38/56GK1400330SQ0213120
公開日2003年3月5日 申請日期2002年9月13日 優(yōu)先權日2002年9月13日
發(fā)明者張建福, 陳建剛, 張建生, 趙棟梁, 胡秀奎, 徐進 申請人:鋼鐵研究總院