專利名稱：一種高強高溫恒彈性合金及其制造方法
技術領域：
本發(fā)明屬于金屬功能結(jié)構(gòu)材料領域。特別適用于在較寬的溫度范圍內(nèi)該合金仍具有高的強度和硬度，以及較低的恒彈性模量溫度系數(shù)。
眾所周知，恒彈性合金通常是被用做精密儀器和機械裝置的彈性敏感元件和零件時，通過降低儀表的溫度誤差來提高儀表的工作精度。一般Fe-Ni、Ni-Co基鐵磁性合金(如3J53、3J58)和Nb、Pd基順磁性合金(如55NbTiAl)在一定溫度范圍內(nèi)都具有低的彈性模量溫度系數(shù)。但是，對于特定的儀表，當要求合金在較寬的溫度范圍內(nèi)具有比較低的彈性模量溫度系數(shù)，同時要求合金具有高的強度和高的硬度以及好的抗氧化性能時，傳統(tǒng)的恒彈性合金就很難再滿足其要求。一般Fe-Ni基鐵磁性合金只能在較窄的溫度范圍內(nèi)具有低的彈性模量溫度系數(shù)，如3J53合金只適合在-60℃～80℃的溫度范圍內(nèi)使用。對Nb基順磁性合金(如55NbTiAl)，雖然其恒彈性溫度范圍比較寬(可在20℃～600℃溫度范圍內(nèi))，但該合金的彈性模量溫度系數(shù)偏高(約70～80×10-6/℃)。另外，合金時效后的強度偏低(σb＜1200MPa)，塑性偏低(δ＜5.5％)。這無法滿足特定的使用要求。
本發(fā)明的目的是提出一種在較寬的使用溫度范圍內(nèi)，能同時具有高的強度、硬度和較低的恒彈性模量溫度系數(shù)的高強高溫恒彈性合金及其該合金的制造方法。
基于上述目的，我們在設計合金成份時，首先是利用鐵-鎳-鈷鐵磁性合金的磁致伸縮效應，使合金在較寬的溫度范圍內(nèi)具有低的彈性模量溫度系數(shù)和低的頻率溫度系數(shù)。再在鐵-鎳-鈷合金中加入Ti、Nb等元素，通過時效析出彌散強化相來保證合金時效熱處理后具有高的硬度和拉伸強度。然后加入一定量的鉻元素，使合金的彈性模量提高，同時使合金的彈性模量溫度系數(shù)對合金成分的敏感性降低。再通過固溶和時效熱處理調(diào)整合金的強度、硬度和彈性模量溫度系數(shù)的級別以滿足特殊需要。這樣可使合金經(jīng)不同固溶和時效熱處理后在-60℃～260℃溫度范圍內(nèi)同時具有高的硬度、高的拉伸強度和低的彈性模量溫度系數(shù)。
本發(fā)明所提出可在較寬溫度范圍內(nèi)使用的高強高溫恒彈性合金，其特征在于該合金所組成的具體化學成份為(重量％)Ni 30-45％,Co 5-20％,Nb2-6％,Ti 0.5-3％,Cr 0.5-5％,Si≤0.5％,C≤0.1％，其余為Fe。
在本發(fā)明中設計的基本合金成份為Fe-Ni-Co，是以保證此類鐵磁性合金具有較高的居里溫度，從而使其在較寬的溫度范圍內(nèi)具有較低的彈性模量溫度系數(shù)。在該成份中，再加入彌散強化元素Nb(范圍選為2-6％)、Ti(范圍選為0.5-3％)，以通過時效熱處理析出彌散強化相γ’來保證合金的高強度與硬度。因為恒彈性合金對化學成分很敏感，最后加入一定的Cr(范圍為0.5-5％)以增加合金的彈性模量和降低彈性模量溫度系數(shù)對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％)，以通過720℃時效析出片狀ε相來調(diào)節(jié)合金的彈性模量溫度系數(shù)。在合金冶煉時可加入微量C(≤0.1％)以脫氧。另外，為得到好的綜合性能在本發(fā)明合金的成份中，各元素的含量還可進一步限至在(重量％)Ni 35-42％,Co8-17％,Nb 3-5.5％,Ti 1-2.5％,Cr 0.5-4.5％，其余為Fe。
對于本發(fā)明高強高溫恒彈性合金，可以采用常規(guī)的真空感應熔煉爐，熔煉的合金均在本發(fā)明設計的合金成份內(nèi)，見表1(本發(fā)明實施例)。真空熔煉工藝要求真空度在10-2乇以上。原材料采用工業(yè)純元素金屬，純度應大于99.8重量％。合金錠坯采用1100±10℃×25小時+1150±25℃×24小時的熱處理工藝進行均勻化退火處理。合金錠坯表面扒除氧化皮后進行加熱鍛造。一火鍛造加熱溫度為1050±10℃，保溫2小時，并在加熱過程中于800℃保溫2小時。二火鍛造加熱溫度為1030±10℃，保溫30分。終鍛溫度低于890℃。鍛造變形量應大于40％。鑄錠經(jīng)兩火鍛造變形成厚度為30mm的板坯。板坯刨除氧化皮約1.5mm后進行熱軋。熱軋時一軋的加熱工藝為1015±5℃×1小時，二軋的加熱工藝為1000±5℃×30分鐘。停軋溫度應小于890℃，變形量應大于30％。最終將板坯軋成2.5mm左右的帶坯。帶坯經(jīng)1050℃×1小時固溶處理后酸洗除去表面氧化皮。酸洗液為HNO3∶HCl=1∶5，加50％水。之后將帶坯冷軋到1.8mm厚度左右。然后帶坯經(jīng)在真空爐(真空爐的真空度高于5.6×10-2乇)或氣體保護爐中退火(退火工藝為1020±5℃×1小時，氣冷)、冷軋，最終軋制到所要求的厚度。每次冷軋變形量可控制在30-50％。
本發(fā)明高強高溫恒彈性合金經(jīng)上述熔煉、鍛造和冷熱軋制加工后，為獲得在-60℃-260℃溫度范圍內(nèi)有好的使用性能，要進行固溶處理，其特征在于該合金的固溶處理是在真空或氣體保護爐中于980℃-1040℃保溫0.5-2小時。經(jīng)固溶熱處理后的本發(fā)明合金晶粒尺寸應小于30微米。根據(jù)不同的使用性能要求和硬度級別要求，本發(fā)明合金經(jīng)固溶處理后，合金帶材還應在真空爐或氣體保護爐中進行時效熱處理。另外特征在于要求在-60℃-260℃溫度范圍內(nèi)，上述合金具有低于40×10-6/℃的彈性模量溫度系數(shù)，同時要求高于1250MPa的拉伸強度和高于HRC36的硬度性能，其特征是經(jīng)固溶后的合金再采用的時效熱處理方法是720℃保溫0.5-8小時，隨爐降溫至620℃保溫6-12小時。還有在-60℃～260℃溫度范圍內(nèi)合金同時具有低于60×10-6/℃的彈性模量溫度系數(shù)，高于1400MPa的強度和高于HRC40硬度，合金的時效熱處理方法應是在690℃保溫6到10小時，然后隨爐降溫到620℃，再保溫7到12小時。另外在上述固溶和時效熱處理時采用真空爐的真空度應高于5.6×10-3乇。當采用氣體保護方法進行固溶或時效熱處理時所用的保護氣體為氬氣或高純氮氣。采用本發(fā)明方法所生產(chǎn)的本發(fā)明合金，經(jīng)不同的固溶時效熱處理后，該合金組織主要是由γ基體相、γ’彌散強化相、晶界LAVES相所組成，局部還可能觀察到有少量的片狀ε相。
采用本發(fā)明合金生產(chǎn)方法所生產(chǎn)的合金與現(xiàn)有技術相比較具有合金綜合性能好，使用溫度范圍寬、強度、硬度高和抗氧化性好等特點，該合金被制作成器件，使用在儀表儀器中，可提高儀表的工作精度，從而滿足使用者所提出的各種要求。
實施例我們采用本發(fā)明高強高溫恒彈性合金共做了五組成份的試驗，為了與現(xiàn)有技術合金比較，同時也做了兩組對比成份，見表1，在實施例各表中序號1、2、3、4、5均為本發(fā)明合金成份，序號5為對比合金3J53，序號6為對比合金55NbTiAl。上述合金的熔煉均在真空感應爐內(nèi)進行，真空度在10-2乇以上。合金錠坯經(jīng)1100℃×25小時退火，再于1150℃×24小時退火后爐冷。經(jīng)均勻化退火處理后的錠坯應扒除氧化皮后再鍛造，一火鍛造溫度為1050℃×2小時，并在加熱過程中于800℃保溫2小時。二火鍛造溫度為1030℃×0.5小時，終鍛溫度應在890℃以下，鍛造變形量大于40％。在軋制過程中，一軋溫度為1015℃×1小時，二軋溫度為1000℃×0.5小時，終鍛溫度應在830℃，變形量為35％。然后經(jīng)酸洗和真空退火，其真空度為5.6×10-2乇。退火工藝為溫度為1020℃×1小時后爐冷。本發(fā)明合金的固溶、時效熱處理工藝及對應的見表2，性能對比見表3。
在表2中對應的時效工藝編號為1#620℃保溫8小時，爐冷。2#720℃保溫8小時，隨爐冷卻到620℃保溫6小時，爐冷。3#720℃保溫5小時，隨爐冷卻到620℃保溫10小時，爐冷。4#690℃保溫10小時，隨爐冷卻到620℃保溫9小時，爐冷。5#690℃保溫6小時，隨爐冷卻到620℃保溫12小時，爐冷。6#690℃保溫10小時，隨爐冷卻到620℃保溫7小時，爐冷。另外在表2中性能單位是|βE|為-60℃-260℃溫度范圍內(nèi)的彈性模量溫度系數(shù)，單位為×10-6/℃。拉伸彈度單位為MPa。拉伸延伸率單位為％。表3所示本發(fā)明合金實施例中序號3的性能與對比例序號5、6的3J53和氣5NbTiAl進行性能比較。在上述內(nèi)容中，表1為本發(fā)明實施例與現(xiàn)有技術的成份對比。表2為本發(fā)明實施固溶、時效熱處理工藝與性能表，表3為本發(fā)明實施例中的性能與現(xiàn)有技術比較表。
表1．本發(fā)明實施例與現(xiàn)有技術合金成分比較(重量％)
表2．本發(fā)明合金經(jīng)不同固溶、時效熱處理工藝后所得性能
表3．本發(fā)明合金與現(xiàn)有技術恒彈性合金主要性能的比較
權(quán)利要求
1．一種可在較寬的溫度范圍內(nèi)(-60℃～260℃)使用的高強恒彈性合金。其特征在于在合金的具體化學成份是(重量％)Ni為30-45％、Co為5-20％、Nb為2-6％、Ti為0.5-3％、Cr為0.5-5％、Si≤0.5％、C≤0.1％、余量為Fe。
2．根據(jù)權(quán)利要求1所述的合金，其特征在于該合金中的Ni含量為35-42％。
3．根據(jù)權(quán)利要求1所述的合金，其特征在于該合金中Co含量為8-17％。
4．根據(jù)權(quán)利要求1所述的合金，其特征在于該合金中Nb含量為3-5.5％。
5．根據(jù)權(quán)利要求1所述的合金，其特征在于該合金中Ti含量為1-2.5％。
6．根據(jù)權(quán)利要求1所述的合金，其特征在于該合金中Cr含量為0.5-4.5％。
7．一種高強高溫恒彈性合金的制造方法，這種方法是將真空熔煉后的鑄錠坯進行均勻化退火處理、二火鍛造、二火熱軋以及扒皮酸洗后冷軋和在真空爐或氣體保護爐中進行退火，為了使該合金在-60℃～260℃溫度范圍內(nèi)同時獲得高的硬度、高的拉伸強度和較低的彈性模量溫度系數(shù)，合金應進行固溶熱處理，其特征在于該合金的固溶熱處理的工藝為980-1040℃保溫0.5到1.5小時。
8．根據(jù)權(quán)利要求7所述方法，經(jīng)固溶熱處理后為使合金在-60℃～260℃溫度范圍內(nèi)同時具有低于40×10-6/℃的彈性模量溫度系數(shù)，高于1250MPa的拉伸強度和高于HRC35的硬度，還應進行時效熱處理，其特征在于經(jīng)固溶處理后的合金所采用的時效熱處理工藝為720℃保溫0.5到8小時，然后隨爐冷卻到620℃時再保溫6到12小時。
9．根據(jù)權(quán)利要求7所述方法，為使合金在-60℃～260℃溫度范圍內(nèi)同時具有低于60×10-6/℃的彈性模量溫度系數(shù)，高于1400MPa的強度和高于HRC40的硬度還應進行時效熱處理，其特征在于經(jīng)固溶處理后的合金所采用的時效熱處理工藝為690℃保溫6到12小時，然后隨爐冷卻到620℃時再保溫7到12小時。
10.根據(jù)權(quán)利要求7、8、9所述方法，其特征在于固溶、時效熱處理是在真空爐中進行，其真空度應大于5.6×10-2乇。
全文摘要
本發(fā)明屬于金屬功能結(jié)構(gòu)材料領域。特別適用于使用溫度范圍比較寬同時要求合金具有高的強度、硬度和在此溫度范圍內(nèi)具有低的彈性模量溫度系數(shù)的儀表合金材料。所發(fā)明合金的成分為Ni 30—45%,Co 5—20%,Nb2—6%,Ti 0.5—3%,Cr 0.5—5%,Si≤0.5%,C≤0.1%,其余為Fe。為使該合金得到更好的性能,需要進行鍛、軋和退火熱處理,該方法的特征是還進行980℃—1040℃的固溶熱處理,和620℃—720℃的時效熱處理。本發(fā)明鋼與現(xiàn)有技術相比較具有溫度使用范圍寬綜合性能好等特點。
文檔編號C22C38/52GK1305021SQ0013456
公開日2001年7月25日 申請日期2000年12月12日 優(yōu)先權(quán)日2000年12月12日
發(fā)明者韓光煒, 馮滌, 鄧波 申請人:鋼鐵研究總院