專利名稱：具有較高密度的沉淀硬化型不銹鋼的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種合金材料，具體涉及一種具有較高密度的沉淀硬化型不銹鋼。
背景技術：
不銹鋼一般是指鉻含量在10.5％以上的主成分為鐵的合金，這種材料不僅具有較好的機械強度，而且美觀、耐腐蝕，因此在工業各領域中得到廣泛應用。不銹鋼的種類繁多，按熱處理后的金相組織(即顯微組織)可分為五大類即鐵素體不銹鋼、馬氏體不銹鋼、奧氏體不銹鋼、奧氏體-鐵素體不銹鋼和沉淀硬化不銹鋼，其中沉淀硬化型不銹鋼按其組織形態還分為三類沉淀硬化半奧氏體型、沉淀硬化馬氏體型和沉淀硬化奧氏體型不銹鋼。每種不銹鋼都在特定的應用領域具有良好的性能，其中，沉淀硬化型不銹鋼不僅具有良好的耐腐蝕，而且有很好的成型性能和良好的焊接性，甚至可作為高強度的材料加以應用。然而，在一些需要較大密度(比重)材料的場合，比如有慣性運動和穩固平衡要求(如驅動飛輪盤、機具底座或底盤、運動器材等)時，機構和零部件的整體或局部采用現有的沉淀硬化型不銹鋼，材料本身的密度(比重)還是不夠的，如果為了增加材料的密度(比重)，而簡單的在該合金材料的煉制過程中加入高密度(比重)元素，又容易產生重力偏析現象，造成材料內部不均勻。另外，這樣做雖然材料整體密度(比重)增加了，但材料強度反而下降，并且造成耐蝕性不佳，焊接強度下降等缺點。因此，如何研制一種既具有較高密度(比重)，又具有良好的耐腐蝕、材料強度以及成形性和焊接性的沉淀硬化型不銹鋼是本發明研究的問題。
發明內容
本發明的目的在于提供一種既具有較高密度(比重)，又具有良好的耐腐蝕、材料強度以及成形性和焊接性的沉淀硬化型不銹鋼合金材料，以克服現有技術的不足。
為達到上述目的，本發明采用的技術方案是一種具有較高密度的沉淀硬化型不銹鋼，該合金材料的組份及含量如下C(碳) 0.01～0.09重量％；Si(硅) 0.2～0.6重量％；Mn(錳) 0.05～0.5重量％；
P(磷) 0.0001～0.03重量％；S(硫) 0.0001～0.03重量％；Cr(鉻) 11～14重量％；Ni(鎳) 5～9重量％；Cu(銅) 1.5～2.5重量％；Nb(鈮) 0.01～0.1重量％；W(鎢) 8～12重量％；Fe(鐵) 余量；所述合金材料的密度為8.1～8.4g/cm3，金相組織為馬氏體。
上述技術方案中的有關內容解釋如下1、上述方案中，所述合金材料的最佳組份及含量如下C(碳) 0.04重量％；Si(硅) 0.33重量％；Mn(錳) 0.37重量％；P(磷) 0.008重量％；S(硫) 0.008重量％；Cr(鉻) 12.54重量％；Ni(鎳) 5.68重量％；Cu(銅) 1.98重量％；Nb(鈮) 0.01重量％；W(鎢) 10.1重量％；Fe(鐵) 余量。
2、上述方案中，所述本合金材料在制備后，經950℃～1050℃恒溫1小時，再置于空氣中冷卻的固溶處理，材料硬度為HRC 28～32。這里所述的固溶處理是指將材料升溫到固溶線以上的單相區，恒溫保持一段時間，使介入析出硬化的合金元素全部溶于材料基質中，而成為單一過飽和固溶體的熱處理工藝。固溶處理的目的主要是改善鋼和合金的塑性和韌性，為沉淀硬化處理作好準備等。
3、上述方案中，所述合金材料在制備后，經第一步950℃～1050℃恒溫1小時，再置于空氣中冷卻的固溶處理，和第二步450℃～550℃恒溫3小時，再置于空氣中冷卻的時效處理，材料硬度為HRC 37～43。這里所述的時效處理是指合金工件經固溶處理，冷塑性變形或鑄造、鍛造后，在較高的溫度放置或室溫保持，其性能，形狀，尺寸隨時間而變化的熱處理工藝。時效處理的目的，消除工件的內應力，穩定組織和尺寸，改善機械性能等。
4、上述方案中，所述合金材料在5重量％NaCl+95重量％H2O的鹽霧測試下，其耐蝕性不小于72小時。
5、本發明合金材料在融煉過程需要足夠攪拌使材料成份混合均勻，并加入適量的微量元素增加分散效果及合金化程度。
由于上述技術方案運用，本發明與現有技術相比具有下列優點和效果1、本發明合金材料由于具有較高密度(比重)的特性，特別適用于需較高密度(比重)或穩固重心的場合，作為機具和零部件全部或部分區域的材料。這種材料的應用范圍包含機構、零部件和組合件，如驅動飛輪盤、機具或物品底座、運動器材等諸如此類物品。
2、本發明合金材料在精煉后，經固溶化處理及時效析出處理可獲得較高的機械強度，其主要金相組織為馬氏體。
3、本發明合金材料具有耐腐蝕的特點，其耐腐蝕性與現有沉淀硬化型不銹鋼相同，適用于具有抗腐蝕性要求的環境場合。
4、本發明合金材料具有較好的成型性和焊接性，可以采用焊接、釬焊、嵌鉚合、膠合等固定連接方式與其它機構、機具或零部件結合，以達到高密度(比重)、低重心的穩定或慣性需求。
具體實施例方式
下面結合實施例對本發明作進一步描述為符合本發明合金高密度(比重)、高強度與耐腐蝕性的特性要求，發明人事先制作多種不同成分比例的合金試樣，并測試試樣的機械性質與市售沉淀硬化型不銹鋼相互對照，以此作為本合金開發的依據。
發明人經多次測試后共取出三種符合本合金要求條件的試樣(H1～H3)，并依據ASTM(美國材料與試驗協會)E8規范為標準，測試其機械性質，且以實測ASTM CB7CU-1沉淀硬化型不銹鋼作為對應比照，所得數據如表1、表2所示。
表1為H1～H3三種試樣合金材料的化學組份及含量(元素單位重量％)
表2為H1～H3三種試樣及現有沉淀硬化型不銹鋼的機械性能對比
注1、表2中H1～H3三種試樣均以鑄造方式制作；2、固溶條件1050℃/1hr空冷；3、時效條件480℃/3hr空冷。
實測后發現本發明合金其機械性質雖不及ASTM CB7CU-1沉淀硬化型不銹鋼，但其中試樣H1的強度測試可達ASTM CB7CU-1沉淀硬化型不銹鋼的93％～97％，延伸性也很好，耐蝕性同樣不亞于ASTM CB7CU-1沉淀硬化型不銹鋼，可作為最佳正式材料使用。
如表1、表2所示試樣加以歸納情形如下以1050℃恒溫1小時空冷的固溶處理后，H1硬度由HRC 29～34降低至HRC 28～32，H2硬度由HRC27.5～28.2降低至HRC 25.5～26.3，H3硬度由HRC 28～31增加至HRC31～33。再將固溶后的試樣經450℃～550℃恒溫3小時空冷的時效析出處理后，H1硬度增加至HRC37～43，H2硬度增加至HRC 33～36，H3硬度增加至HRC31～34。
由于三種試樣的成分差異為W(鎢)、Ni(鎳)Cr(鉻)與Cu(銅)的含量不同。其中鎳含量過高將使金相形成奧氏體組織，因此時效析出強化組織效果低；鎢含量的存在會使得合金組織中形成化合物并固溶于組織中，從而影響到合金強度的變化。
一般而言Cr(鉻)含量影響合金材的耐蝕性，鉻含量增加有助于提高合金材的耐蝕性，但由表2結果發現鉻含量過高也會使合金材機械性質下降。
而降低C(碳)含量雖能提高耐蝕性，但碳含量下降至一定程度即會帶來冶煉技術上的困難，因而碳含量應控制于≤0.09％較佳。
Ni(鎳)含量影響合金材料的韌性，但鎳含量過高時易使得金相組織形成奧氏體相，并造成機械性質下降。
Cu(銅)為析出強化元素，但須配合Ni(鎳)、Cr(鉻)含量加以調配。銅含量增加可使材料于時效析出處理后強度更佳。但如果和鎳、鉻含量調配不當時，將使得合金材料形成奧氏體組織，反而造成機械性質下降。
W(鎢)為密度(比重)控制元素，鎢的含量直接影響本發明合金主要目的即高密度(比重)。但鎢元素添加過高有均勻分散性不良并容易產生偏析現象，基于此考慮，鎢元素含量應控制于8wt％～12wt％最佳。
本發明合金經950℃～1050℃恒溫1小時空冷的固溶處理后，可使組織較為均勻，其金相組織主要呈現馬氏體，并有一些殘留鎢化合物等析出物，根據使用需求可再施以450℃～550℃持溫3小時空冷的時效處理，可得更高強度及硬度。
針對本發明合金特別補充說明如下本發明所提供的具有較高密度沉淀硬化型不銹鋼，其用途不僅局限于本說明書背景部份所述的機構或組合件使用(如驅動飛輪盤、機具底座或底盤、運動器材..等)，若其它機具或物品在設計時有高密度、高強度及耐蝕性考慮時，均屬本發明的申請范圍內。
權利要求
1.一種具有較高密度的沉淀硬化型不銹鋼，其特征在于，該合金材料的組份及含量如下0.01～0.09重量％；硅 0.2～0.6重量％；錳 0.05～0.5重量％；磷 0.0001～0.03重量％；硫 0.0001～0.03重量％；鉻 11～14重量％；鎳 5～9重量％；銅 1.5～2.5重量％；鈮 0.01～0.1重量％；鎢 8～12重量％；鐵 余量；所述合金材料的密度為8.1～8.4g/cm3，金相組織為馬氏體。
2.根據權利要求1所述的不銹鋼，其特征在于該合金材料的組份及含量如下碳 0.04重量％；硅 0.33重量％；錳 0.37重量％；磷 0.008重量％；硫 0.008重量％；鉻 12.54重量％；鎳 5.68重量％；銅 1.98重量％；鈮 0.01重量％；鎢 10.1重量％；鐵 余量。
3.根據權利要求1或2所述的不銹鋼，其特征在于所述合金材料經950℃～1050℃恒溫1小時，再置于空氣中冷卻的固溶處理后，硬度為HRC 28～32。
4.根據權利要求1或2所述的不銹鋼，其特征在于所述合金材料經第一步950℃～1050℃恒溫1小時，再置于空氣中冷卻的固溶處理，和第二步450℃～550℃恒溫3小時，再置于空氣中冷卻的時效處理后，硬度為HRC 37～43。
5.根據權利要求1或2所述的不銹鋼，其特征在于所述合金材料在5重量％NaCl+95重量％H2O的鹽霧測試下，其耐蝕性不小于72小時。
全文摘要
一種具有較高密度的沉淀硬化型不銹鋼，其特征在于，材料組份及含量如下碳0.01～0.09重量％；硅0.2～0.6重量％；錳0.05～0.5重量％；磷0.0001～0.03重量％；硫0.0001～0.03重量％；鉻11～14重量％；鎳4～7重量％；銅1.5～2.5重量％；鈮0.01～0.1重量％；鎢8～12重量％；鐵余量，材料密度為8.1～8.4g/cm
文檔編號C21D1/26GK101092677SQ20071002411
公開日2007年12月26日 申請日期2007年7月17日 優先權日2007年7月17日
發明者陳晴祺 申請人:陳晴祺