CN1305021A - 一种高强高温恒弹性合金及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于金属功能结构材料领域。特别适用于使用温度范围比较宽同时要求合金具有高的强度、硬度和在此温度范围内具有低的弹性模量温度系数的仪表合金材料。所发明合金的成分为Ni 30—45%,Co 5—20%,Nb2—6%,Ti 0.5—3%,Cr 0.5—5%,Si≤0.5%,C≤0.1%,其余为Fe。为使该合金得到更好的性能,需要进行锻、轧和退火热处理,该方法的特征是还进行980℃—1040℃的固溶热处理,和620℃—720℃的时效热处理。本发明钢与现有技术相比较具有温度使用范围宽综合性能好等特点。
Description
本发明属于金属功能结构材料领域。特别适用于在较宽的温度范围内该合金仍具有高的强度和硬度，以及较低的恒弹性模量温度系数。
众所周知，恒弹性合金通常是被用做精密仪器和机械装置的弹性敏感元件和零件时，通过降低仪表的温度误差来提高仪表的工作精度。一般Fe-Ni、Ni-Co基铁磁性合金(如3J53、3J58)和Nb、Pd基顺磁性合金(如55NbTiAl)在一定温度范围内都具有低的弹性模量温度系数。但是，对于特定的仪表，当要求合金在较宽的温度范围内具有比较低的弹性模量温度系数，同时要求合金具有高的强度和高的硬度以及好的抗氧化性能时，传统的恒弹性合金就很难再满足其要求。一般Fe-Ni基铁磁性合金只能在较窄的温度范围内具有低的弹性模量温度系数，如3J53合金只适合在-60℃～80℃的温度范围内使用。对Nb基顺磁性合金(如55NbTiAl)，虽然其恒弹性温度范围比较宽(可在20℃～600℃温度范围内)，但该合金的弹性模量温度系数偏高(约70～80×10-6/℃)。另外，合金时效后的强度偏低(σb＜1200MPa)，塑性偏低(δ＜5.5％)。这无法满足特定的使用要求。
本发明的目的是提出一种在较宽的使用温度范围内，能同时具有高的强度、硬度和较低的恒弹性模量温度系数的高强高温恒弹性合金及其该合金的制造方法。
基于上述目的，我们在设计合金成份时，首先是利用铁-镍-钴铁磁性合金的磁致伸缩效应，使合金在较宽的温度范围内具有低的弹性模量温度系数和低的频率温度系数。再在铁-镍-钴合金中加入Ti、Nb等元素，通过时效析出弥散强化相来保证合金时效热处理后具有高的硬度和拉伸强度。然后加入一定量的铬元素，使合金的弹性模量提高，同时使合金的弹性模量温度系数对合金成分的敏感性降低。再通过固溶和时效热处理调整合金的强度、硬度和弹性模量温度系数的级别以满足特殊需要。这样可使合金经不同固溶和时效热处理后在-60℃～260℃温度范围内同时具有高的硬度、高的拉伸强度和低的弹性模量温度系数。
本发明所提出可在较宽温度范围内使用的高强高温恒弹性合金，其特征在于该合金所组成的具体化学成份为(重量％)Ni 30-45％,Co 5-20％,Nb2-6％,Ti 0.5-3％,Cr 0.5-5％,Si≤0.5％,C≤0.1％，其余为Fe。
在本发明中设计的基本合金成份为Fe-Ni-Co，是以保证此类铁磁性合金具有较高的居里温度，从而使其在较宽的温度范围内具有较低的弹性模量温度系数。在该成份中，再加入弥散强化元素Nb(范围选为2-6％)、Ti(范围选为0.5-3％)，以通过时效热处理析出弥散强化相γ’来保证合金的高强度与硬度。因为恒弹性合金对化学成分很敏感，最后加入一定的Cr(范围为0.5-5％)以增加合金的弹性模量和降低弹性模量温度系数对合金成分的敏感以及提高合金的抗氧化性能。在合金中可加入微量的Si(＜0.5％)，以通过720℃时效析出片状ε相来调节合金的弹性模量温度系数。在合金冶炼时可加入微量C(≤0.1％)以脱氧。另外，为得到好的综合性能在本发明合金的成份中，各元素的含量还可进一步限至在(重量％)Ni 35-42％,Co8-17％,Nb 3-5.5％,Ti 1-2.5％,Cr 0.5-4.5％，其余为Fe。
对于本发明高强高温恒弹性合金，可以采用常规的真空感应熔炼炉，熔炼的合金均在本发明设计的合金成份内，见表1(本发明实施例)。真空熔炼工艺要求真空度在10-2乇以上。原材料采用工业纯元素金属，纯度应大于99.8重量％。合金锭坯采用1100±10℃×25小时+1150±25℃×24小时的热处理工艺进行均匀化退火处理。合金锭坯表面扒除氧化皮后进行加热锻造。一火锻造加热温度为1050±10℃，保温2小时，并在加热过程中于800℃保温2小时。二火锻造加热温度为1030±10℃，保温30分。终锻温度低于890℃。锻造变形量应大于40％。铸锭经两火锻造变形成厚度为30mm的板坯。板坯刨除氧化皮约1.5mm后进行热轧。热轧时一轧的加热工艺为：1015±5℃×1小时，二轧的加热工艺为：1000±5℃×30分钟。停轧温度应小于890℃，变形量应大于30％。最终将板坯轧成2.5mm左右的带坯。带坯经1050℃×1小时固溶处理后酸洗除去表面氧化皮。酸洗液为：HNO3∶HCl=1∶5，加50％水。之后将带坯冷轧到1.8mm厚度左右。然后带坯经在真空炉(真空炉的真空度高于5.6×10-2乇)或气体保护炉中退火(退火工艺为1020±5℃×1小时，气冷)、冷轧，最终轧制到所要求的厚度。每次冷轧变形量可控制在30-50％。
本发明高强高温恒弹性合金经上述熔炼、锻造和冷热轧制加工后，为获得在-60℃-260℃温度范围内有好的使用性能，要进行固溶处理，其特征在于该合金的固溶处理是在真空或气体保护炉中于980℃-1040℃保温0.5-2小时。经固溶热处理后的本发明合金晶粒尺寸应小于30微米。根据不同的使用性能要求和硬度级别要求，本发明合金经固溶处理后，合金带材还应在真空炉或气体保护炉中进行时效热处理。另外特征在于要求在-60℃-260℃温度范围内，上述合金具有低于40×10-6/℃的弹性模量温度系数，同时要求高于1250MPa的拉伸强度和高于HRC36的硬度性能，其特征是经固溶后的合金再采用的时效热处理方法是720℃保温0.5-8小时，随炉降温至620℃保温6-12小时。还有在-60℃～260℃温度范围内合金同时具有低于60×10-6/℃的弹性模量温度系数，高于1400MPa的强度和高于HRC40硬度，合金的时效热处理方法应是在690℃保温6到10小时，然后随炉降温到620℃，再保温7到12小时。另外在上述固溶和时效热处理时采用真空炉的真空度应高于5.6×10-3乇。当采用气体保护方法进行固溶或时效热处理时所用的保护气体为氩气或高纯氮气。采用本发明方法所生产的本发明合金，经不同的固溶时效热处理后，该合金组织主要是由γ基体相、γ’弥散强化相、晶界LAVES相所组成，局部还可能观察到有少量的片状ε相。
采用本发明合金生产方法所生产的合金与现有技术相比较具有合金综合性能好，使用温度范围宽、强度、硬度高和抗氧化性好等特点，该合金被制作成器件，使用在仪表仪器中，可提高仪表的工作精度，从而满足使用者所提出的各种要求。
实施例
我们采用本发明高强高温恒弹性合金共做了五组成份的试验，为了与现有技术合金比较，同时也做了两组对比成份，见表1，在实施例各表中序号1、2、3、4、5均为本发明合金成份，序号5为对比合金3J53，序号6为对比合金55NbTiAl。上述合金的熔炼均在真空感应炉内进行，真空度在10-2乇以上。合金锭坯经1100℃×25小时退火，再于1150℃×24小时退火后炉冷。经均匀化退火处理后的锭坯应扒除氧化皮后再锻造，一火锻造温度为1050℃×2小时，并在加热过程中于800℃保温2小时。二火锻造温度为1030℃×0.5小时，终锻温度应在890℃以下，锻造变形量大于40％。在轧制过程中，一轧温度为1015℃×1小时，二轧温度为1000℃×0.5小时，终锻温度应在830℃，变形量为35％。然后经酸洗和真空退火，其真空度为5.6×10-2乇。退火工艺为温度为1020℃×1小时后炉冷。本发明合金的固溶、时效热处理工艺及对应的见表2，性能对比见表3。
在表2中对应的时效工艺编号为：1#620℃保温8小时，炉冷。2#720℃保温8小时，随炉冷却到620℃保温6小时，炉冷。3#720℃保温5小时，随炉冷却到620℃保温10小时，炉冷。4#690℃保温10小时，随炉冷却到620℃保温9小时，炉冷。5#690℃保温6小时，随炉冷却到620℃保温12小时，炉冷。6#690℃保温10小时，随炉冷却到620℃保温7小时，炉冷。另外在表2中性能单位是|βE|为-60℃-260℃温度范围内的弹性模量温度系数，单位为×10-6/℃。拉伸弹度单位为MPa。拉伸延伸率单位为％。表3所示本发明合金实施例中序号3的性能与对比例序号5、6的3J53和气5NbTiAl进行性能比较。在上述内容中，表1为本发明实施例与现有技术的成份对比。表2为本发明实施固溶、时效热处理工艺与性能表，表3为本发明实施例中的性能与现有技术比较表。
表1．本发明实施例与现有技术合金成分比较(重量％)
| 序号 | 主要元素 | Ni | Co | Nb | Ti | Si | Cr | C | Al | Fe |
| 1 | 1 | 35.0 | 8.0 | 3.0 | 1.2 | 0 | 0.5 | 0.01 | 0.003 | 其余 |
| 2 | 2 | 37.5 | 11.2 | 4.2 | 1.0 | 0.2 | 1.5 | 0.01 | 0.005 | 其余 |
| 3 | 3 | 38.2 | 13.6 | 4.8 | 1.7 | 0.4 | 1.9 | 0.015 | 0.007 | 其余 |
| 4 | 4 | 40.5 | 15.2 | 4.2 | 2.0 | 0.5 | 2.5 | 0.02 | 0.006 | 其余 |
| 5 | 5 | 42.0 | 17.0 | 5.5 | 2.5 | 0 | 4.5 | 0.02 | 0.008 | 其余 |
| 6 | 3J53 | 41.5-4 | - | - | 2.3-2.7 | ＜0.8 | 5.2-5.8 | ＜0.05 | 0.5-0.8 | 其余 |
| 7 | 55NbTiAl | - | - | 55.0 | 39.5 | - | - | - | 5.5 | - |
表2．本发明合金经不同固溶、时效热处理工艺后所得性能
| 序号 | 性能 | 980°固溶1小时 | 980°固溶2小时 | 1000°固溶1小时 | 1020°固溶1小时 | 1040°固溶30分钟 | |||||
| 1#工艺时效 | 2#工艺时效 | 3#工艺时效 | 4#工艺时效 | 1#工艺时效 | 4#工艺时效 | 5#工艺时效 | 6#工艺时效 | 4#工艺时效 | 6#工艺时效 | ||
| 1 | |βE︳,×10-6/℃ | 35.5 | 38.8 | 37.5 | 45.3 | 36.5 | 45.9 | 46.3 | 43.5 | 48.9 | 43.2 |
| 拉伸强度，MPa | 1250 | 1258 | 1280 | 1480 | 1240 | 1470 | 1420 | 1403 | 1430 | 1405 | |
| HRC | 36.5 | 35.7 | 37.5 | 42.8 | 35.0 | 41.3 | 40.9 | 40.2 | 40.7 | 41.0 | |
| 延伸率，％ | 20.0 | 18.6 | 19.3 | 17.0 | 21.3 | 18.2 | 19.2 | 19.9 | 20.1 | 20.3 | |
| 2 | |βE︳,×10-6/℃ | 39.2 | 39.7 | 39.0 | 47.8 | 39.0 | 48.5 | 49.2 | 48.7 | 49.6 | 47.9 |
| 拉伸强度，MPa | 1290 | 1300 | 1310 | 1498 | 1273 | 1459 | 1420 | 1415 | 1432 | 1400 | |
| HRC | 37.5 | 38.6 | 38.7 | 43.5 | 36.5 | 42.2 | 41.3 | 41.0 | 41.7 | 40.2 | |
| 延伸率，％ | 18.3 | 17.0 | 17.8 | 16.7 | 19.7 | 17.8 | 19.7 | 20.3 | 18.7 | 19.7 | |
| 3 | |βE|,×10-6/℃ | 38.7 | 38.5 | 37.6 | 55.4 | 37.8 | 57.4 | 58.3 | 56.2 | 58.6 | 55.8 |
| 拉伸强度，MPa | 1345 | 1358 | 1398 | 1540 | 1335 | 1510 | 1476 | 1450 | 1479 | 1455 | |
| HRC | 39.5 | 40.1 | 41.2 | 46.5 | 37.2 | 45.2 | 43.2 | 42.8 | 44.5 | 43.0 | |
| 延伸率，％ | 16.0 | 15.4 | 15.8 | 14.0 | 17.3 | 14.9 | 16.5 | 17.5 | 15.2 | 18.2 | |
| 4 | |βE|,×10-6/℃ | 39.8 | 39.3 | 38.6 | 59.6 | 38.9 | 58.6 | 59.7 | 57.9 | 59.3 | 56.0 |
| 拉伸强度，MPa | 1350 | 1368 | 1390 | 1570 | 1332 | 1510 | 1497 | 1473 | 1489 | 1480 | |
| HRC | 37.6 | 40.5 | 41.8 | 47.4 | 38.2 | 46.8 | 44.9 | 43.0 | 45.3 | 44.1 | |
| 延伸率，％ | 16.5 | 15.6 | 14.3 | 10.3 | 17.5 | 11.2 | 11.7 | 12.1 | 12.7 | 12.9 | |
| 5 | |βE|,×10-6/℃ | 37.5 | 36.3 | 38.7 | 58.4 | 38.5 | 57.3 | 58.2 | 54.3 | 58.3 | 55.2 |
| 拉伸强度，MPa | 1420 | 1390 | 1480 | 1620 | 1389 | 1589 | 1573 | 1561 | 1578 | 1568 | |
| HRC | 41.0 | 42.5 | 43.9 | 48.8 | 40.2 | 47.2 | 46.9 | 45.7 | 47.8 | 48.2 | |
| 延伸率，％ | 13.0 | 16.2 | 13.8 | 8.9 | 10.8 | 9.7 | 10.2 | 11.3 | 9.7 | 12.1 | |
表3．本发明合金与现有技术恒弹性合金主要性能的比较
| 合金 | 材料状态及形状 | 使用温度范围 | 在使用温度范围内的|βE|，×10-6/℃ | 拉伸强度MPa | 延伸率％ |
| 实施例3合金 | 1000℃，1小时固溶，1#时效工艺时效，带材 | -60～260℃ | 37.8 | 1335 | 17.3 |
| 1020℃，1小时固溶，4#时效工艺时效，带材 | -60～260℃ | 55.8 | 1545 | 14.2 | |
| 3J53 | 固溶，650℃时效，带材 | -60～80℃ | 46 | 1079 | 10.0 |
| 冷轧，650℃时效，带材 | -60～80℃ | 15 | 1226 | 6.0 | |
| 55NbTiAl | 1000℃固溶，650℃时效10小时，带材 | 20℃～600℃ | 70～80 | 1059 | 2.5 |
| 35％冷变形，650℃时效10小时，带材 | 1147 | 脆断 |
Claims (10)
1．一种可在较宽的温度范围内(-60℃～260℃)使用的高强恒弹性合金。其特征在于在合金的具体化学成份是(重量％)Ni为30-45％、Co为5-20％、Nb为2-6％、Ti为0.5-3％、Cr为0.5-5％、Si≤0.5％、C≤0.1％、余量为Fe。
2．根据权利要求1所述的合金，其特征在于该合金中的Ni含量为35-42％。
3．根据权利要求1所述的合金，其特征在于该合金中Co含量为8-17％。
4．根据权利要求1所述的合金，其特征在于该合金中Nb含量为3-5.5％。
5．根据权利要求1所述的合金，其特征在于该合金中Ti含量为1-2.5％。
6．根据权利要求1所述的合金，其特征在于该合金中Cr含量为0.5-4.5％。
7．一种高强高温恒弹性合金的制造方法，这种方法是将真空熔炼后的铸锭坯进行均匀化退火处理、二火锻造、二火热轧以及扒皮酸洗后冷轧和在真空炉或气体保护炉中进行退火，为了使该合金在-60℃～260℃温度范围内同时获得高的硬度、高的拉伸强度和较低的弹性模量温度系数，合金应进行固溶热处理，其特征在于该合金的固溶热处理的工艺为：980-1040℃保温0.5到1.5小时。
8．根据权利要求7所述方法，经固溶热处理后为使合金在-60℃～260℃温度范围内同时具有低于40×10-6/℃的弹性模量温度系数，高于1250MPa的拉伸强度和高于HRC35的硬度，还应进行时效热处理，其特征在于经固溶处理后的合金所采用的时效热处理工艺为：720℃保温0.5到8小时，然后随炉冷却到620℃时再保温6到12小时。
9．根据权利要求7所述方法，为使合金在-60℃～260℃温度范围内同时具有低于60×10-6/℃的弹性模量温度系数，高于1400MPa的强度和高于HRC40的硬度还应进行时效热处理，其特征在于经固溶处理后的合金所采用的时效热处理工艺为：690℃保温6到12小时，然后随炉冷却到620℃时再保温7到12小时。
10、根据权利要求7、8、9所述方法，其特征在于固溶、时效热处理是在真空炉中进行，其真空度应大于5.6×10-2乇。
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