一种宽温域高强度恒弹性合金及其制备方法转让专利
申请号 : CN201410466857.2
文献号 : CN104195404B
文献日 : 2016-05-25
发明人 : 于一鹏 , 张敬霖 , 张建生 , 卢凤双 , 李增 , 吴滨 , 张建福
申请人 : 钢铁研究总院
摘要 :
本发明属于合金钢领域，具体涉及一种宽温域高强度恒弹性合金及其制备方法，该合金在宽温度范围(-60℃～400℃)具有高强度和低弹性模量温度系数。该合金的化学组成成分(wt.％)为Ni 34.0～39.0％，Co 12.0～18.0％，Ti 2.3～3.0％，Al 0.3～0.8％，Si 0.30～0.80％，Mn 0.2～0.6％，C＜0.05％，P＜0.02％，S＜0.02％，余量为Fe，其中，W+2Mo 5.0～10.0。该合金采用如下步骤制备：真空感应熔炼合金电极棒+真空自耗重熔→锻造方坯及热轧→冷轧及真空时效热处理。通过合金元素的优化以及制备工艺的调整，在较宽的温度范围内，进一步提高Fe-Ni-Co系合金的强度，同时降低其弹性模量温度系数。
权利要求 :
1.一种宽温域高强度恒弹性合金的制备方法，其特征在于：
包括如下步骤：
a)熔炼：利用真空感应炉熔炼合金，浇铸成自耗电极棒，真空度≤1×10-1Pa，其中，Fe、Ni、Co、W作为一次加料直接放入坩锅；Ti、Al、Si、Mn作为二次加料放入真空感应炉料斗，待所有原材料化清后精炼2～10分钟，之后在真空感应炉的真空室将钢液浇铸为自耗电极棒；
自耗电极棒经真空自耗重熔，熔炼过程真空度≤1×10-2Pa，进一步脱气并细化夹杂物尺寸得到扒皮锭，其中，合金的化学组成成分按质量百分比为Ni 34.0～39.0％，Co 12.0～
18.0％，Ti 2.3～3.0％，Al 0.3～0.8％，Si 0.3～0.8％，Mn 0.2～0.6％，C＜0.05％，P＜
0.02％，S＜0.02％，W+2Mo5.0～10.0％，余量为Fe；
b)开坯、热扎：扒皮锭低于600℃装炉，开坯锻造成方坯，然后热轧成带材，其中，锻造温度为1050～1150℃，锻造保温时间为40～60min；热轧温度为1080～1130℃，热轧保温时间为保温30～60min；
c)冷轧、热处理：热轧带材经退火后冷轧成冷轧带，根据最终使用的变形量要求，经固溶淬火，冷轧至最终尺寸，最后对冷轧钢板进行真空时效热处理，其中，淬火温度为950～
1050℃，热处理温度为650～750℃，热处理保温时间为3～5h。
2.一种采用如权利要求1所述的制备方法制备的宽温域高强度恒弹性合金，其特征在于：该合金的化学组成成分按质量百分比为Ni 34.0～39.0％，Co 12.0～18.0％，Ti 2.3～3.0％，Al 0.3～0.8％，Si 0.3～0.8％，Mn 0.2～0.6％， C＜0.05％，P＜0.02％，S＜
0.02％，W+2Mo 5.0～10.0％，余量为Fe。
3.如权利要求2所述的宽温域高强度恒弹性合金，其特征在于：该合金具有以下力学性能：
在-60～400℃的温度范围内，其抗拉强度Rm大于1350MPa，断裂伸长率δ大于2.5％，弹性模量温度系数βE低于25×10-6/℃。
4.如权利要求2所述的宽温域高强度恒弹性合金，其特征在于：该合金的微观组织为具有磁致伸缩效应的奥氏体基体，和Ti、Al与Ni、Co形成的弥散强化的γ′相。
说明书 :
一种宽温域高强度恒弹性合金及其制备方法
技术领域
[0001] 本发明属于铁基金属材料领域，具体涉及一种宽温域高强度恒弹性合金及其制备方法，该合金在宽温度范围(-60℃～400℃)具有高强度和低弹性模量温度系数。
背景技术
[0002] 高精度仪器仪表中的敏感元器件通常使用部分恒弹性合金，以保证仪器在一定温度范围内保持较高的精度，而恒弹性合金弹性模量温度系数决定了其使用温度范围。传统的3J1、3J53以及Cr13合金，存在使用温度窄、高温强度不足等缺点；Nb基恒弹性合金55NbTiAl虽然使用温度范围宽，但其弹性模量温度系数大，无法满足仪器精度要求。
[0003] 近年来开发的Fe-Ni-Co系合金使用温度高，但是强度及弹性模量低，难以满足使用要求。中国发明专利申请CN1305021A中介绍了Nb、Ti合金化的Fe-Ni-Co系合金，其合金成分为：Ni 30～45％，Co 5～20％，Nb 2～6％，Ti 0.5～3％，Cr 0.5～5％，Si≤0.5％，C≤0.5％，余量为Fe；该合金通过时效析出硬化，在保持宽使用温度的同时提高了合金的强度，-6
该合金在-60℃～260℃范围内，弹性模量温度系数低于40×10 /℃，强度高于1250MPa，改善了Fe-Ni-Co系合金使用性能，但是使用温度只能到260℃；同时，由于该发明的合金含有大量的Nb元素以及固溶强化元素Cr，因此其弥散强化相中主要为γ＂相，只含有少量的γ′相。
该合金在-60℃～260℃范围内，弹性模量温度系数低于40×10 /℃，强度高于1250MPa，改善了Fe-Ni-Co系合金使用性能，但是使用温度只能到260℃；同时，由于该发明的合金含有大量的Nb元素以及固溶强化元素Cr，因此其弥散强化相中主要为γ＂相，只含有少量的γ′相。
发明内容
[0004] 本发明的目的在于提供一种宽温域高强度恒弹性合金及其制备方法。
[0005] 为实现上述目的，本发明的技术方案如下：
[0006] 一种宽温域高强度恒弹性合金，该合金的化学组成成分(wt.％)为Ni 34.0～39.0％，Co 12.0～18.0％，Ti 2.3～3.0％，Al 0.3～0.8％，Si 0.3～0.8％，Mn 0.2～
0.6％，C＜0.05％，P＜0.02％，S＜0.02％，余量为Fe，其中，W+2Mo 5.0～10.0。
0.6％，C＜0.05％，P＜0.02％，S＜0.02％，余量为Fe，其中，W+2Mo 5.0～10.0。
[0007] 该合金采用如下步骤制备：真空感应熔炼合金电极棒+真空自耗重熔→锻造方坯及热轧→冷轧及真空时效热处理。
[0008] 该合金具有以下力学性能：
[0009] 在-60～400℃的温度范围内，其抗拉强度Rm大于1350MPa，断裂伸长率δ大于2.5％，弹性模量温度系数βE低于25×10-6/℃。
[0010] 该合金的微观组织为具有磁致伸缩效应的奥氏体基体，和Ti、Al与Ni、Co形成的弥散强化的γ′相。
[0011] 一种宽温域高强度恒弹性合金的制备方法，包括如下步骤：
[0012] a)熔炼：利用真空感应炉熔炼合金，浇铸成自耗电极棒，真空度≤1×10-1Pa，自耗电极棒经真空自耗重熔，熔炼过程真空度≤1×10-2Pa，进一步脱气并细化夹杂物尺寸得到扒皮锭；
[0013] b)开坯、热扎：扒皮锭低于600℃装炉，开坯锻造成方坯，然后热轧成带材；
[0014] c)冷轧、热处理：热轧带材经退火后冷轧成冷轧带，根据最终使用的变形量要求，经固溶淬火，冷轧至最终尺寸，最后对冷轧钢板进行真空时效热处理。
[0015] 步骤a中，Fe、Ni、Co、W作为一次加料直接放入甘锅；Ti、Al、Si、Mn作为二次加料放入真空感应炉料斗，待所有原材料化清后精炼2～10分钟，之后在真空感应炉的真空室将钢液浇铸为自耗电极棒。
[0016] 步骤b中，锻造温度为1050～1150℃，锻造保温时间为40～60min。
[0017] 步骤b中，热轧温度为1080～1130℃，热轧保温时间为保温30～60min。
[0018] 步骤b中，淬火温度为950～1050℃，热处理温度为650～750℃，热处理保温时间为3～5h。
[0019] 本发明的有益效果在于：
[0020] 现有技术中，合金成分含有大量的Nb元素，固溶强化元素为Cr，其强化相中大部分为γ＂相，和一部分的γ＇。与之相比，本发明通过合金元素的优化以及制备工艺的调整，合金成分中不含Nb元素，使得本发明合金强化相不含γ＂相；合金中添加了固溶元素W/Mo(与现有技术CN1305021A截然不同)，通过W/Mo固溶强化作用，以及γ＇弥散强化作用，共同提高合金强度。使得本发明在较宽的温度范围内，进一步提高Fe-Ni-Co系合金的强度，同时降低其弹性模量温度系数。
具体实施方式
[0021] 下面结合实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。
[0022] 本发明的整体技术方案为：首先，利用磁致伸缩原理，使Fe-Ni-Co系合金在宽温域内获得低的弹性模量温度系数，然后再向其中加入W/Mo元素，通过固溶强化，提高Fe-Ni-Co合金强度；同时加入适量的Ti、Al，时效过程中析出弥散强化相(γ′)，进一步提高合金综合性能。优化合金成分后，经过熔炼-锻造-热轧-冷轧及热处理，使合金带材在宽的温度范围(-60℃～400℃)具有高强度、高使用温度以及低弹性模量温度系数。
[0023] 本发明的宽温域高强度恒弹性合金，其化学组成成分(wt.％)为Ni 34.0～39.0％，Co 12.0～18.0％，Ti 2.3～3.0％，Al 0.3～0.8％，Si 0.3～0.8％，Mn 0.2～
0.6％，C＜0.05％，P＜0.02％，S＜0.02％，余量为Fe，其中，W+2Mo 5.0～10.0。
0.6％，C＜0.05％，P＜0.02％，S＜0.02％，余量为Fe，其中，W+2Mo 5.0～10.0。
[0024] 上述各合金元素的作用及组成成分的设计依据如下：
[0025] Ni：奥氏体形成元素，添加之后产生磁致伸缩效应，是合金产生恒弹性能的基础；
[0026] Co：奥氏体形成元素，添加Co可以大幅提高合金的居里温度，扩大合金使用温度范围；
[0027] W、Mo：铁素体形成元素，添加W、Mo，主要起到固溶强化作用。W、Mo的添加，引起合金晶格畸变，阻碍位错运动，提高合金强度；
[0028] Ti、Al：与Ni、Co形成弥散强化的γ′相，调节合金的恒弹性能及力学性能，适当降低Ti、Al含量可以提高合金居里温度；
[0029] Si、Mn：添加Si，能够提高合金持久塑性，改善合金缺口敏感性；添加Mn，能够改善合金加工性能；
[0030] C、P、S：做为杂质元素，含量越低越好。
[0031] 上述宽温域高强度恒弹性合金制备方法的工艺流程包括真空感应熔炼合金电极棒+真空自耗重熔→锻造方坯及热轧→冷轧及真空时效热处理。
[0032] 本发明的宽温域高强度恒弹性合金的制备方法，包括如下步骤：
[0033] 1、熔炼
[0034] 利用真空感应炉熔炼合金，浇铸成自耗电极棒，真空度≤1×10-1Pa，熔炼过程中要严格控制合金元素的烧损量，使合金的成分控制在设计范围之内。其中，Fe、Ni、Co、W作为一次加料直接放入甘锅；Ti、Al、Si、Mn、La、Zr、B作为二次加料放入真空感应炉料斗，待所有原材料化清后精炼2～10min，之后在真空感应炉的真空室将钢液浇铸为电极棒。电极棒经真-2空自耗重熔，熔炼过程真空度≤1×10 Pa，进一步脱气并细化夹杂物尺寸得到扒皮锭。
[0035] 2、开坯、热扎
[0036] 扒皮锭低于600℃装炉，升温速率由扒皮锭的大小决定，经1050～1150℃保温40～60min后开坯锻造成方坯。再经1080～1130℃保温30～60min后热轧成带材。
[0037] 3、冷轧、热处理
[0038] 热轧带材经退火后冷轧成冷轧带，根据最终使用的变形量要求，经950～1050℃固溶淬火，冷轧至最终尺寸，最后冷轧钢板经650～750℃保温3～5h进行真空时效热处理。
[0039] 本专利涉及的宽温域高强度恒弹性合金，是在Fe-Ni-Co系恒弹合金的基础上添加适量的W、Ti、Al，在较宽的温度范围内保持低弹性模量温度系数以及高强度，扩大仪器的使用温度范围，提高仪器的精度。
[0040] 实施例：
[0041] 采用本发明化学组成成分制备的宽温域高强度恒弹性合金，其化学组成成分如表1所示(实施例1、实施例2、实施例3、实施例4)。真空感应炉熔炼的4种成分合金的化学分析结果如表2所示：
[0042] 表1熔炼合金的化学成分(wt.％)
[0043]元素 Ni Co W Mo Ti Al Si Mn C P S W+2Mo Fe
实施例1 39.0 12.0 5.0 - 3.0 0.32 0.79 0.21 0.009 0.008 0.007 5.0 余实施例2 37.1 16.2 7.1 - 2.6 0.35 0.45 0.35 0.017 0.012 0.008 7.1 余实施例3 36.0 16.5 5.2 2.1 2.7 0.39 0.30 0.59 0.011 0.010 0.012 9.8 余实施例4 34.0 18.0 3.1 2.9 2.3 0.8 0.62 0.42 0.014 0.009 0.010 8.9 余[0044] 对上述成分的合金采用的加工工艺：上述宽温域高强度恒弹性合金制备方法的工艺流程包括真空感应熔炼合金电极棒+真空自耗重熔→锻造方坯及热轧→冷轧及真空时效热处理。具体工艺参数，如表2所示。
实施例1 39.0 12.0 5.0 - 3.0 0.32 0.79 0.21 0.009 0.008 0.007 5.0 余实施例2 37.1 16.2 7.1 - 2.6 0.35 0.45 0.35 0.017 0.012 0.008 7.1 余实施例3 36.0 16.5 5.2 2.1 2.7 0.39 0.30 0.59 0.011 0.010 0.012 9.8 余实施例4 34.0 18.0 3.1 2.9 2.3 0.8 0.62 0.42 0.014 0.009 0.010 8.9 余[0044] 对上述成分的合金采用的加工工艺：上述宽温域高强度恒弹性合金制备方法的工艺流程包括真空感应熔炼合金电极棒+真空自耗重熔→锻造方坯及热轧→冷轧及真空时效热处理。具体工艺参数，如表2所示。
[0045] 表2熔炼合金的工艺参数
[0046]
[0047] 经过上述工艺制备的Fe-Ni-Co基宽温域高强度恒弹性合金的物理、机械性能见表