高膨胀合金钢及其制备方法和应用技术

本发明专利技术属于高膨胀合金领域，具体涉及一种高膨胀合金钢及其制备方法和应用。所述的高膨胀合金钢，合金成分的质量百分比为：C：0.4

【技术实现步骤摘要】
高膨胀合金钢及其制备方法和应用


[0001]本专利技术属于高膨胀合金领域，具体涉及一种高膨胀合金钢及其制备方法和应用。

技术介绍

[0002]已知，膨胀合金主要有Fe
‑
Ni
‑
Mn、Fe
‑
Ni
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Cr和Mn
‑
Ni
‑
Cu系列合金。Cu60Zn40线膨胀系数为19.0
×
10
‑6/℃，FeNi22Cr3线膨胀系数18.0
×
10
‑6/℃，FeNi20Mn6和FeNi13Mn7线膨胀系数为21.0
×
10
‑6/℃，Mn72Cr18Ni10线膨胀系数为26.0
×
10
‑6/℃，广泛应用于电子工业、精密量具、精密仪表和低温工程等领域。
[0003]对于高端精密机床刀柄用膨胀合金及其制品领域，市场上主要是日本恩司迪MST刀柄和德国海默牌等，上述厂家生产的刀柄具有良好的线膨胀系数，实现了300℃的低温热装刀具，其室温
‑
300℃线膨胀系数为31.0
×
10
‑6/℃，远超市场的膨胀合金。已知，日本恩司迪MST刀柄主要采用烧结的方式，避免了元素偏析，在后续的锻轧工艺过程中，避免了锻轧棒材的开裂。目前，国内膨胀合金专利技术专利主要涉及带状及薄板。硫元素在合金钢中对力学性能有害，需要在熔炼过程中及时去除。同时，硫元素在易切削钢中有助于提高切削性能，硫在易切削钢中会与锰形成硫化锰（MnS），硫化锰在钢中可视为应力集中源，使钢易切削，而且起到了润滑的作用，降低了刀具的磨损，延长使用寿命。目前，市场中的易切削钢硫元素范围为：0.02
‑
0.33%。锰元素有助于提高高锰钢的耐磨性能，其主要应用于钢铁、机械、矿山、油田、港口、汽车、农用车、结构件。合金中同时含有较高的硫和锰，形成的硫化锰析出相会严重降低合金力学性能。
[0004]中国专利CN202010019697.2公开了一种低Ni含量的FeNiMnCr系高膨胀合金，该合金化学成分质量百分比含量为：C：0.15
‑
0.60%，Si：0.1
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0.5%，Mn：3.5
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6.0%，Cr：4.0
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6.0%，P：≤0.008%，S：≤0.005%，Ni：14.0
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18.0%，余量为Fe和不可避免的杂质，Ni+Mn+Cr：23.0
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27.0%。在室温
‑
100℃区间其线膨胀系数大于19.0
×
10
‑6/℃，室温
‑
200℃区间其线膨胀系数大于20.0
×
10
‑6/℃。但是，该合金含有较高含量的镍元素，使成本变高。
[0005]因此，降低成分中贵金属镍的含量，合理设计和利用硫元素、锰元素在合金钢中的优越性能，制出线膨胀系数高于现有典型合金水平的合金钢是我们亟待解决的问题。

技术实现思路

[0006]针对现有技术的不足，本专利技术的目的是提供一种高膨胀合金钢，在室温
‑
300℃下具有良好的线膨胀系数；本专利技术还提供其制备方法，使用真空感应熔炼炉制备，通过对硫、锰元素的精准控制，配合高线膨胀系数的金属元素，通过热处理和锻轧等工艺，调控硫化锰析出相的体积分数、长宽比，实现合金钢的高膨胀性能，制备出以奥氏体为基体的高膨胀合金钢；本专利技术还提供其应用。
[0007]本专利技术所述的高膨胀合金钢，其合金成分的质量百分比为：C：0.4
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0.7%，S：0.01
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0.10%，
Cr：8.0
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10.0%，Ni：6.0
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8.0%，Mn：7.0
‑
8.0%，Mo：1.5
‑
2.5%，Al：0.5
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1.5%，Si：0.5
‑
1.5%，V：1.0
‑
2.0%，Cu：1.5
‑
2.5%，N≤0.01%，稀土元素Y+Ce+La≤0.01%，其余为Fe和不可避免的杂质。
[0008]以下将本专利技术合金成分的设计进行说明：Ni：是本专利技术合金的基础元素，是实现高膨胀性能的基本元素。在一定的范围内，Ni含量的降低会减小合金的线膨胀系数，同时Ni元素也是奥氏体的主要组成元素，对于组织稳定性具有重要作用，是影响合金低温下力学性能的主要元素。本专利技术将Ni含量控制在6.0
‑
8.0%，以保证合金具有较高的膨胀性能和稳定的组织。
[0009]Mn：是实现高线膨胀系数的关键元素，通过增加Mn的含量，提高线膨胀系数，同时也是奥氏体形成元素，将其控制在一定范围内可以保证在低温下合金不出现马氏体相变，确保合金的奥氏体组织的稳定性。同时，一部分锰与硫形成硫化锰析出相，提高合金的线膨胀系数。因此，将Mn控制在一定范围内是重要的，为了达到所述的技术效果，本专利技术将Mn含量控制在7.0
‑
8.0%。
[0010]Cr：该元素的加入可以帮助合金线膨胀系数线性提高，实现高膨胀性能，但Cr元素的过量加入，将使奥氏体相区缩小，在后续冷却过程中形成铁素体相区。本专利技术是奥氏体合金钢，因此，本专利技术将Cr含量控制在8.0
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10.0%。
[0011]C：是固溶体的形成元素，以间隙原子存在于合金中，形成碳化物分布在晶界处，提高合金的力学性能。同时，提高合金的线膨胀系数。但C含量过高，组织会产生过量的大型碳化物，会使合金的韧性降低，加工性能变差，必须使C含量保持在合理的范围内，本专利技术将C含量控制在0.4
‑
0.7%。
[0012]Si：是有效的脱氧剂，可降低合金氧含量和提高合金的热塑性，改善热加工性能和浇注钢液的流动性。硅元素含量过高会导致塑性和韧性的下降，导致加工困难。因此，适当选择其含量很重要，本专利技术将Si含量控制在0.5
‑
1.5%。
[0013]S：在本专利技术中是有益杂质元素，S可与Mn形成MnS，呈块状分布在晶界处和晶界内。析出相MnS经过锻轧后，呈纺锤状分布在晶界和晶界内，提高合金的膨胀性能。同时，S可与Fe形成低熔点FeS，并偏聚在晶界，导致晶界脆化，并产生微裂纹，影响材料的焊接性能与热加工性能。因此，S含量不是越高越好，本专利技术将S含量控制在0.01
‑
0.10%。
[0014]Mo：主要是固溶强化增强基体的元素，具有延缓高温晶粒长大的作用。同时，还具有一定的提高耐腐蚀性能的特点，能有效阻止热处理时晶粒的长大等。因此，本专利技术将Mo含量控制在1.5
‑
2.5%。
[0015]Al：该元素具有较强的铁素体形成能力，加入量较少。同时，该元素可以提高合金
抗拉强度。因此，本专利技术将Al含量控制在0.5<本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种高膨胀合金钢，其特征在于：其合金成分的质量百分比为：C：0.4
‑
0.7%，S：0.01
‑
0.10%，Cr：8.0
‑
10.0%，Ni：6.0
‑
8.0%，Mn：7.0
‑
8.0%，Mo：1.5
‑
2.5%，Al：0.5
‑
1.5%，Si：0.5
‑
1.5%，V：1.0
‑
2.0%，Cu：1.5
‑
2.5%，N≤0.01%，稀土元素Y+Ce+La≤0.01%，其余为Fe和不可避免的杂质。2.根据权利要求1所述的高膨胀合金钢，其特征在于：合金钢显微组织主要为纺锤状MnS析出相、水滴状MnS析出相、M
23
C6碳化物和MX碳化物。3.根据权利要求1所述的高膨胀合金钢，其特征在于：合金钢的显微组织特征为：在放大500倍下，纺锤状MnS析出相占比为0.8
‑
1.2%，水滴状MnS析出相占比为0.5
‑
1.0%。4.根据权利要求1所述的高膨胀合金钢，其特征在于：所述的合金钢在室温
‑
100℃区间线膨胀系数大于30.0
×
10
‑6/℃，100
‑
300℃区间线膨胀系数大于33.0
×
10
‑6/℃。5.根据权利要求1所述的高膨胀合金钢，其特征在于：所述的合金钢成分中，S采用硫化亚铁；Mn采用电解金属锰。6.一种权利要求1
‑
5任一所述的高膨胀合金钢的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：（1）放料：将石墨电极碳、金属镍、金属铬、金属钼、金属铁和硅铁放入真空感应熔炼炉坩埚；（2）熔炼：待原材料全部熔化后，通过加料仓加入1/2的电解金属锰，并通入氩气进行保护，待1/2电解金属锰全部...

【专利技术属性】
技术研发人员：逯红果，殷凤仕，李道乾，马中钢，崔彬，田立敏，李化坤，
申请(专利权)人：山东理工大学，
类型：发明
国别省市：