一種耐熱緊固件用鋼的制作方法
【技術領域】
[0001] 本發明屬于緊固件用鋼技術領域，特別是提供了 一種耐熱緊固件用鋼，是一種經 濟型耐熱緊固件用鋼；適用于制作較高耐熱等級的緊固件。
【背景技術】
[0002] 耐熱緊固件大量應用于發動機排氣裝置，如發動機與排氣歧管、排氣歧管與渦輪 增壓器的連接等。隨著能源與排放法規對內燃機工作強度要求的逐步提高，耐熱緊固件將 承受更高的溫度載荷，特別是大功率發動機，其渦前排氣溫度高達720°c或以上，要求緊固 件能承受較高的溫度，高溫工作時組織、性能穩定性好。
[0003] 耐熱緊固件用材料通常有2種，一種為馬氏體耐熱鋼，如40Crl0Si2Mo等，該類鋼 目前用于中等負荷的耐熱緊固件，其優點是成本較低，但缺點是耐熱溫度較低、強度級別較 低；第二種材料是沉淀強化型奧氏體耐熱材料，如國標的GH2132和日標的SUH660,二者的 強度級別較高，但其含鎳量較高，添加固溶強化元素鉬及析出強化元素釩，故制造成本偏 高，當服役溫度較高時，二者強度、硬度下降明顯，且隨著服役時間的延長，會發生組織退 化，即主要強化相Y'[化學式為Ni3(Ti，Al)]不穩定一一發生粗化或轉變為硬化作用小的 n相（Ni3Ti)，并且逐漸失去和基體的共格關系，對位錯運動的阻礙作用逐漸減弱，導致材 料的高溫強度、硬度進一步降低，難以滿足高負荷發動機耐熱緊固件的可靠性要求。
【發明內容】
[0004] 本發明的目的在于提供一種耐熱緊固件用鋼，與現有技術相比制造成本較低、高 溫組織、性能穩定性好，具備較高的服役溫度，高溫服役時組織、性能穩定。
[0005] 本發明所提出的耐高溫緊固件用鋼，化學成分質量百分數為：C:0. 03-0. 08% ; Si ：0. 05-0. 1%；Mn ：1. 0-2. 0%；Cr:10. 5-13. 0%；Ni:20. 0-23. 5%；Nb ：0. 〇-〇. 8 % ；Ti ： 2.0-3.5% ;A1 :0.2-0.5%，B:0.001-0.01%，Zr:0.001-0. 10%，余量為 Fe。
[0006] 本發明通過化學成分的調整，即：適當降低Ni含量（如表1所示，將Ni含量從 SUH660 與 GH2132 的 24. 0 ~27. 0 % 降低到 20. 0 ~23. 5 % )，降低 Cr 含量（SUH660 與 GH2132Cr含量為13. 5-16. 0%，本發明為10. 5~13. 0% )，調整Al、Ti配比，當服役溫度較 高時添加少量Nb元素，添加微量的B和Zr，促成組織上的"三增一減"，即增加y '相質量分 數、減小析出尺寸、增加析出相穩定性（析出相Ni3(Ti，Al，Nb)的穩定性高于Ni3(Ti，Al))， 并增強晶界與位錯穩定性，從而提高材料組織與性能的熱穩定性，將材料的服役溫度從 SUH660 與 GH2132 的 650°C提高到 700°C左右。
[0007] 除服役溫度和熱穩定性提高外，從表1所示的化學成分對比表還可以看出，本發 明所提出材料的主要合金元素Cr、Ni含量區間低于SUH660和GH2132且無重疊；SUH660和 GH2132均添加Mo、V，本合金不添加這兩種元素；本發明合金添加微量的硼與鋯元素，當要 求服役溫度較高時添加少量Nb元素。
[0008] 表1本發明材料與現有技術材料成分對比（wt % )
[0009]
[0010] 本發明經濟型耐熱緊固件用鋼的成分設計，是在考慮到現有材料在服役溫度提 高后組織、性能穩定性差，長期服役時強化相聚集長大，與基體脫離共格關系的不足之后， 通過調整鎳、鉻含量及調整Al、Ti、Nb配比，并添加一定量的B與Zr，增加和細化y '，析 出Y "相，強化析出相的穩定性、強化晶界、穩定位錯等措施來提高本發明耐熱緊固件用 鋼的力學性能，從而達到改善本發明材料的高溫力學性能和高溫組織穩定性的目的。因 此，我們在成分設計中加入10. 5-13.0%的鉻元素，是保證本發明材料在高溫環境中工作 時，具備良好的抗氧化和耐腐蝕性能且不影響材料的組織穩定性，本發明合金成分中Cr 10. 5-13. 0%，可滿足該類材料的耐高溫和抗腐蝕性要求。
[0011] 鎳和錳是奧氏體的形成元素，部分的鎳與鈦和鋁可形成y '、y"相，因此在本發明 合金的成分設計時，主要是考慮采用Y '和Y "相來強化合金基體，保證合金的高溫強度和 高溫硬度，因此在本合金成分中Ni20. 0-23. 5% ;由于錳是奧氏體形成元素，過量的Mn會降 低材料的抗高溫氧化和耐腐蝕效果，所以不宜多加，在本發明合金成分中Mn為1. 0-2. 0%。
[0012] 鋁和鈦的加入是為了與鎳形成Y '和Y "相，A1和Ti加入量對y '和y "析出 量有影響，Al/Ti比對y '和y "相的強化作用有影響，熱加工工藝和熱處理制度對y '和 Y "析出量、析出尺寸都有明顯的影響。本合金成分中加入Ti:2. 0-3. 5%;A1:0. 2-0. 5%。
[0013] 當要求產品的服役溫度較高時，在本發明合金成分中添加少量的鈮元素。Nb是強 碳化物形成的元素，Nb進入y '和y "相中可使y '和y "相得到強化和穩定化，對該材 料的高溫強度、高溫硬度有明顯的貢獻，因此當要求產品的服役溫度較高時鈮元素的加入 量為最高0.8%。
[0014] 本發明合金中添加B和Zr元素，適量加入B、Zr能顯著提高合金的持久壽命，降低 蠕變速率，并顯著改善持久缺口敏感性，提高材料的塑性和加工性能，只加入其中一種時，B 的作用比Zr顯著，但同時加入B、Zr時合金的性能最好。加入過多的B，在晶界上易形成硬 而脆的化合物，會降低熱加工性和塑性。此外，B、Zr也減少C向晶界上偏析，增加了晶內碳 化物的數量，這可以提高合金的蠕變抗力。晶界上的B、Zr改變了界面能量，有利于改變晶 界上第二相的形態，使之更易于球化，提高晶界強度。硼元素的加入量為0. 001-0. 01%，鋯 元素的加入量為0.001-0. 10%。
[0015] 在本發明材料成分中，C能與Cr、Nb等元素形成碳化物，但對強度貢獻不大，因本 合金材料的強度主要是依靠y '和y "相的強化。c的提高會損害材料的塑性，所以在本 發明合金材料中c含量為0.03-0. 08%。
[0016] Fe在本發明材料中雖然定為余量，但鐵元素的含量在60%以上，提高鐵含量的目 的在于采用廉價鐵替代較貴的鎳，并與Ni形成比單純Ni基強度更高的固溶基體，因此本發 明采用高鐵節鎳的設計方案可以降低該材料的成本，同時保證該材料的高溫強度。
[0017] S、P為有害元素，S、P均要求低于0.02%。
[0018] Si元素雖然能提高材料的抗氧化性和抗腐蝕性，但對材料的塑性性能有不利的影 響，所以在本發明材料中應控制在〇. 05-0. 10%。
[0019] 本發明材料的制備與現有技術生產方法相似，優先采用在初煉鋼水加爐外精煉工 藝，經澆鑄、鍛造后再乳制成設定尺寸的半成品圓棒。乳后的坯料要進行固溶處理。
[0020] 采用本發明耐熱緊固件用鋼與現有技術材料相比較，具有在較高溫度服役時組 織、性能穩定性好，不添加固溶強化元素鉬及析出強化元素釩，鉻與鎳元素含量較低，因此 具有經濟性好的特點。
【具體實施方式】
[0021] 采用本發明所提出的耐熱緊固件用鋼成分設計方案，針對現有技術中的成熟產品 材料GH2132進行實施對比試驗。實施例及對比試驗材料采用25Kg真空感應爐冶煉，計冶 煉五爐，其中實施例四爐，參比材料GH2132 -爐。對比實施例材料的化學成分列于表2。鋼 錠均采用相同工藝進行鍛造開坯，待鍛成試棒、固溶、時效處理后，對試樣分別進行室溫和 高溫力學性能測試，其檢測結果分別列于表3、表4和表5中，實施例性能對比表中的數據表 明，本發明材料的綜合性能與GH2132和SUH660相當或略優于二者。
[0022] 在本發明實施例的對比表中，表2為本發明材料與現有技術材料GH2132的成分對 比。表3為本發明材料與現有技術材料GH2132的室溫性能對比。表4~6為本發明材料 與現有技術材料GH2132的高溫力學性能對比（650°C )。表7為本發明材料與現有技術材 料GH2132的高溫力學性能的比較（700°C )。在對比實施例中，序號1-4為本發明材料。序 號為GH2132合金是國內耐熱鋼棒的成熟材料。
[0023] 表2本發明合金材料與參比材料的成分對比（wt% )
[0024]
[0025] 表3本發明合金材料與現有技術材料性能對比（室溫）
[0026]
[0027] 表4本發明合金材料與現有技術材料性能對比（600°C )
[0028]
[0029] 表5本發明合金材料與現有技術材料性能對比（630°C )
[0030]
[0031]
[0032] 表6本發明合金材料與現有技術材料性能對比（650°C )
[0033]
[0034] 表7本發明合金材料與現有技術材料性能對比（700°C )
[0035]
【主權項】
1. 一種耐熱緊固件用鋼，其特征在于：成分質量百分比為：C :0.03-0.08 % ;Si : 0.05-0.1 % ；Mn :1.0-2.0 % ；Cr: 10. 5-13. 0 % ；Ni : 20. 0-23. 5 % ；Nb ：0.〇-〇. 8 % ；Ti ： 2.0-3.5% ;A1 :0.2-0. 5%，B:0. 001-0. 01%，Zr:0. 001-0. 10%，余量為 Fe。
【專利摘要】一種經濟型耐熱緊固件用鋼，屬于耐熱緊固件用鋼的制造領域。該材料的化學成分質量分數為：C：0.03-0.08％；Si：0.05‐0.1％；Mn：1.0-2.0％；Cr:10.5-13.0％；Ni:20.0-23.5％；Nb：0.0-0.8％；Ti：2.0-3.5％；Al：0.2-0.5％，B:0.001-0.01％,Zr:0.001-0.10％，余量為Fe。采用本發明經濟型耐熱緊固件用鋼與現有技術材料相比較，其制造成本較低、高溫組織、性能穩定，適用于制作較高耐溫等級的緊固件。
【IPC分類】C22C38/58, C22C38/54
【公開號】CN105132825
【申請號】CN201510601091
【發明人】李 權, 劉正東, 王立民, 楊鋼, 包漢生, 唐廣波, 程杰鋒, 趙吉慶, 何西扣
【申請人】鋼鐵研究總院
【公開日】2015年12月9日
【申請日】2015年9月18日