CN119040771A - 一种高机械品质因数马氏体弹性合金 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种高机械品质因数马氏体弹性合金，各组分的重量百分含量为，Ni：20.0～30.0%；Co：5.0～15.0%；Mo：4.0～10.0%；W：2.0～4.0%；Cr：1.0～3.0%；Mn：1.0～3.0%；C：≤0.03%；Si：≤0.4%；Al：≤0.4%；P：≤0.04%；S：≤0.04%；Fe：余量。本发明所述高机械品质因数马氏体弹性合金，机械品质因数≥43000，硬度≥440HBW，弹性性能好，杨氏模量＞170GPa，频率温度系数≤3×10‑5/℃，晶粒度等级7级，适用于有特殊要求的航空用精密传感器设备，及有所述要求的其它精密仪器设备。
Description
技术领域
本发明涉及金属材料技术领域，特别涉及一种高机械品质因数马氏体弹性合金。
背景技术
高品质因数合金的主要特点是具有低的振动阻尼和高的能量传输能力。主要应用于机械滤波器振子材料、精密传感器、测压、测力仪表游丝等。
机械品质因数是一个无量纲的物理量，用于表征材料在振动过程中能量损耗的大小。它的值反映了材料在谐振时因克服内摩擦而消耗的能量，是衡量材料机械损耗的重要参数。机械品质因数越小，表示材料的机械损耗越大，反之则表示机械损耗越小。目前高机械品质因数弹性合金主要有：
1.Fe-Ni-Mo合金：典型牌号有Ni44Mo7TiAl。该合金为奥氏体组织，机械品质因数在25000左右。
2.Fe-Ni-Co合金：典型牌号有：Ni32Co16Cr6。该合金为奥氏体组织，机械品质因数在36000左右。
总体上讲，目前的高机械品质合金，为奥氏体组织，经过冷拉拔加工，在时效时析出金属间化合物，来提高机械品质因数，强度、硬度略低。
为了满足新一代高精度、高性能航空用精密传感器设备对高机械品质因数、高强度合金的需求，需要一种机械品质因数≥43000、硬度≥440HBW的高机械品质因数、高强度弹性合金。同时该合金必须满足：杨氏模量≥170GPa，频率温度系数≤3×10-5/℃，晶粒度优于5级。
但目前市面上还没有达到上述性能要求的材料，亟待开发。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术的不足，提供一种高机械品质因数马氏体弹性合金，该合金的机械品质因数≥43000，硬度≥440HBW，且该合金具有较高的弹性模量和较小平均晶粒度，可以应用于有特殊要求的航空用精密传感器设备及有所述要求的其它精密仪器设备。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种高机械品质因数马氏体弹性合金，该合金各组分的重量百分含量为，
Ni：20.0～30.0%；Co：5.0～15.0%；Mo：4.0～10.0%；W：2.0～4.0%；Cr：1.0～3.0%；Mn：1.0～3.0%；C：≤0.03%；Si：≤0.4%；Al：≤0.4%；P：≤0.04%；S：≤0.04%；Fe：余量。
较好的技术方案，该合金各组分的重量百分含量为，
Ni：24.0～28.0%；Co：10.0～13.0%；Mo：5.0～7.0%；W：2.2～3.5%；Cr：1.5～2.5%；Mn：1.5～2.5%；C：≤0.01%；Si：≤0.3%；Al：≤0.2%；P：0～0.03%；S：0～0.01%；Fe：余量。
较好的技术方案，该合金各组分的重量百分含量为，
Ni：26.99%；Co：11.58%；Mo：5.54%；W：2.50%；Cr：1.99%；Mn：2.25%；C：0.0056%；Si：0.244%；Al：0.108%；Fe：余量。
制备高机械品质因数合金的方法如下步骤：
1）冶炼
按上述配比取各组分，进行真空感应熔炼；
第一次精炼
炉内加底料：Fe、Ni、Cr、Co、Mo、W，在温度1550℃～1600℃，真空度控制≤10Pa的条件下，按0.6～0.8min/kg的时间熔炼成钢液；
第二次精炼
向炉内加入其余合金元素，充分搅拌，温度1500℃～1580℃，待合金熔化完全后，控制真空度≤5Pa，充氩气保护，静置钢水，调温至1450℃，快速浇注；
再经过电渣重熔，重熔时采用CaF2-CaO2-Al2O3-MgO四元渣系，重熔温度为1650℃～1750℃，重熔速度为0.6～1.0Kg/min；
熔炼结束前采用功率递减法进行热补缩，补缩电流下降速率为0.0015KA/S，得到合金钢锭；
2）锻造
步骤1）得到的合金钢锭，在950℃～1150℃温度下，保温60～120分钟，开锻温度≥1100℃，终锻温度≥850℃，锻造成方坯；
3）热轧
步骤2）锻造得到的方坯，再经保温后，热轧成φ52+2mm的棒材后，车削成φ51+0.5mm的棒材，其中冷拔夹头车削成φ39+1mm×120+20mm的略小于成品尺寸的圆形；
4）固溶处理
步骤3）得到的棒材固溶退火处理，固溶退火处理的温度为950℃～1050℃，保温时间为50～90分钟，保温时间根据棒材直径大小不同而有所区别，按每25mm直径增加30分钟计算，水冷；
5）冷拔
步骤4）得到的合金进一步冷拔成棒材，其变形量为30～50%，得到高品质因数马氏体弹性合金。
步骤1）所述的渣系CaF2：CaO2：Al2O3：MgO的重量比为75:10:10:5。
步骤1）所述的重熔的电流为7±0.5KA，电压为50±5V。
步骤1）所述的合金钢锭的直径为φ300mm。
步骤2）所述的方坯为95～100mm×95～100mm。
步骤3）所述保温的温度为950℃～1150℃，保温时间为60～120分钟。
本发明所述合金，根据合金元素对机械品质因数性能影响的关系，设计出的一种含Fe、Ni、Co、Mo、Cr、W等元素的Fe-Ni-Co-Mo-W合金，同时通过C、Al、Mn等合金元素进行性能优化，成功并稳定制备出的一种机械品质因数≥43000、硬度≥440HBW的新型高机械品质马氏体弹性合金。本发明所述合金适用于要求机械品质因数≥43000、硬度≥440HBW的航空用精密传感器设备及有此机械品质因数性能要求的其它精密仪器设备。合金交付一般为冷拔磨光棒，使用态为零件时效态。
本发明根据沉淀相对机械品质因数的影响规律，在沉淀硬化合金中，通过控制Ni、Co、Mo、Cr、W、Al等元素含量，可以确保合金的机械品质因数较高。
通过精选高纯原材料、真空感应熔炼和电渣重熔方式控制合金的杂质元素，提高合金的纯净度，有利于保证合金性能的稳定性。
Ni、Cr、Al对弹性模量有较大影响。物体具有恢复形变前的形状和尺寸的能力，称之为弹性，它是原子间结合力的反映，原子间结合力与原子结构有密切关系，在元素周期表中，原子的外层电子数呈周期性变化，因此金属元素的弹性模量也随原子序数呈周期性的变化，原子序数增大，弹性模量增加，因此，Ni、Cr、Al对提高弹性模量有较大益处。
少量Co、Mo、W的添加，在时效过程中，析出金属间化合物，与基体组元形成的沉淀相，能够较大的提高合金的机械品质因数。同时，Ni、Mo、W、Mn、Cr降低马氏体转变开始温度Ms点（Ms点是指奥氏体开始转变为马氏体的温度），便于合金通过冷处理或塑性变形（冷拉拔），产生马氏体相变，随后进行的时效处理，析出金属间化合物等沉淀硬化相，合金得到进一步强化而具有较高强度和硬度。
少量的Si的添加，对合金的机械品质因数性能影响不大，同时在熔炼过程中能与合金中的氧进行化学反应，生成氧化硅浮渣排出钢液，降低合金中的非金属夹杂物，过高含量Si的添加将导致合金的加工塑性变差。
适量Al、Mn元素的加入，有利于提高合金的热加工性能，本申请控制Mn：1.5～2.5%；Al：≤0.2%。
经申请人实验验证，本发明所述合金，机械品质因数≥43000，硬度≥440HBW，弹性性能好，杨氏模量＞170GPa，频率温度系数≤3×10-5/℃，晶粒度等级7级，优于背景技术所述5级，适用于有特殊要求的航空用精密传感器设备，及有所述要求的其它精密仪器设备。本发明所述合金与现有同类型最高性能合金相比，不仅具有良好的弹性性能、高纯净度与细晶粒金相组织，尤其是具有满足特定需求的高机械品质因数性能，填补了高机械品质因数合金在这一区域的空白，并能够解决一些其它合金无法解决或解决不好的问题，从而促进相关行业的技术进步和产业发展，其经济效益和社会效益是显著的。
附图说明
图1 为本发明所述合金的显微组织形貌图（金相图）（100X）；
图2 为本发明所述合金的显微组织形貌图（金相图）（500X）。
具体实施方式
下面对本发明作进一步的说明，但并不因此将本发明限制在所述的实施例范围之中。
实施例1：
一种新型高机械品质因数马氏体弹性合金，该合金各组分的重量百分含量为：Ni：26.16%；Co：10.49%；Mo：5.26%；W：3.2%；Cr：2.06%；Mn：1.71%；C：0.0073%；Si：0.153%；Al：0.049%；P：0.024%；S：0.0051%；Fe：余量。
上述新型高机械品质因数马氏体弹性合金，采用以下方法制得：
1）冶炼
按其化学成分的重量百分比称取各组分，进行真空感应熔炼；
第一次精炼
炉内加底料：Fe、Ni、Cr、Co、Mo、W，在温度1550℃，真空度控制≤10Pa的条件下，按0.65min/kg的时间熔炼成钢液；
第二次精炼
向炉内加入其余合金元素，充分搅拌，温度1500℃，待合金熔化完全后，控制真空度≤5Pa，充氩气保护，静置钢水，调温至1450℃，快速浇注；
再经过电渣重熔，重熔时采用CaF2-CaO2-Al2O3-MgO四元渣系，重熔温度为1750℃，重熔速度为0.9Kg/min；
熔炼结束前采用功率递减法进行热补缩，补缩电流下降速率为0.0015KA/S，得到合金钢锭；
2）锻造
步骤1）得到的合金钢锭，在1120℃温度下，保温90分钟，开锻温度≥1100℃，终锻温度≥850℃，锻造成方坯；
3）热轧
步骤2）锻造得到的方坯，再经保温后，热轧成φ52+2mm的棒材后，车削成φ51+0.5mm的棒材，其中冷拔夹头车削成φ39+1mm×120+20mm的略小于成品尺寸的圆形；
4）固溶处理
步骤3）得到的棒材固溶退火处理，固溶退火处理的温度为980℃，保温时间为60分钟，保温时间根据棒材直径大小不同而有所区别，按每25mm直径增加30分钟计算，水冷；
5）冷拔
步骤4）得到的合金进一步冷拔成棒材，其变形量为40%，得到高品质因数马氏体弹性合金。
所得合金的显微组织形貌图参见图1和图2。
所得合金经直读光谱分析检测，各成分的含量如下表所示：
实施例2：
一种新型高机械品质因数马氏体弹性合金，该合金各组分的重量百分含量为：Ni：26.99%；Co：11.58%；Mo：5.54%；W：2.50%；Cr：1.99%；Mn：2.25%；C：0.0056%；Si：0.244%；Al：0.108%；P：0.025%；S：0.0058%；Fe：余量。生产的合金锭，经热加工、冷加工成合金棒材，应用于弹性元件。
制备方法同实施例1。
所得合金经直读光谱分析检测，各成分的含量如下表所示：
实施例3：
一种新型高机械品质因数马氏体弹性合金，该合金各组分的重量百分含量为：Ni：25.95%；Co：10.56%；Mo：5.26%；W：3.19%；Cr：1.99%；Mn：1.63%；C：0.0084%；Si：0.145%；Al：0.056%；P：0.021%；S：0.0050%；Fe：余量。生产的合金锭，经热加工、冷加工成合金棒材，应用于弹性元件。
制备方法同实施例1。
所得合金经直读光谱分析检测，各成分的含量如下表所示：
实施例4：
一种新型高机械品质因数马氏体弹性合金，该合金各组分的重量百分含量为：Ni：27.11%；Co：11.62%；Mo：5.70%；W：2.58%；Cr：2.00%；Mn：2.28%；C：0.0059%；Si：0.292%；Al：0.044%；P：0.021%；S：0.0047%；Fe：余量。生产的合金锭，经热加工、冷加工成合金棒材，应用于弹性元件。
制备方法同实施例1。
所得合金经直读光谱分析检测，各成分的含量如下表所示：
取实施例1、2、3、4所得合金，做性能测试，其性能如表1所示。
表1 合金时效后的性能
结论：本发明所述合金，机械品质因数≥43000，硬度≥440HBW，弹性性能好，杨氏模量＞170GPa，频率温度系数≤3×10-5/℃，晶粒度等级7级，优于背景技术所述5级，适用于有特殊要求的航空用精密传感器设备，及有所述要求的其它精密仪器设备。
虽然描述了本发明的实施方式，但本领域的普通技术人员可以在所附权利要求的范围内做出各种变形或修改。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。
Claims (3)
1.一种高机械品质因数马氏体弹性合金，其特征在于，该合金各组分的重量百分含量为，
Ni：20.0～30.0%；Co：5.0～15.0%；Mo：4.0～10.0%；W：2.0～4.0%；Cr：1.0～3.0%；Mn：1.0～3.0%；C：≤0.03%；Si：≤0.4%；Al：≤0.4%；P：≤0.04%；S：≤0.04%；Fe：余量。
2.根据权利要求1所述的合金，其特征在于，该合金各组分的重量百分含量为，
Ni：24.0～28.0%；Co：10.0～13.0%；Mo：5.0～7.0%；W：2.2～3.5%；Cr：1.5～2.5%；Mn：1.5～2.5%；C：≤0.01%；Si：≤0.3%；Al：≤0.2%；P：0～0.03%；S：0～0.01%；Fe：余量。
3.根据权利要求1所述的合金，其特征在于，该合金各组分的重量百分含量为，
Ni：26.99%；Co：11.58%；Mo：5.54%；W：2.50%；Cr：1.99%；Mn：2.25%；C：0.0056%；Si：0.244%；Al：0.108%；Fe：余量。
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