專利名稱：沉淀硬化型耐熱鋼的制作方法
技術領域：
本發明涉及沉淀硬化型耐熱鋼，其最適合作為諸如各種內燃機、汽車用發動機、汽輪機、熱交換器和加熱爐等要求耐熱性的部件，尤其是最適合作為耐熱螺栓用材料。
背景技術：
近年來，由于各種熱カ發動機的高效率化和高輸出化，燃燒溫度、排氣溫度或蒸汽溫度上升的趨勢有所提高，與此對應的是，增強耐熱鋼的強度特性的需求也有所提高。作為用于前述耐熱應用的耐熱鋼，對于在高達700°C的溫度下的應用，迄今已經頻繁地使用JISSUH660，其為Y’沉淀型鐵基超合金。然而，隨著各種熱カ發動機的高效率化和高輸出化，人們擔心其強度不足。另外，SUH660涉及這樣的問題由于長時間的使用引起η相 (Ni3Ti)沉淀，這造成強度和延展性降低。此外，SUH660含有大量昂貴的鎳，所以它涉及到成本變高的問題。順便指出，作為與本發明相關的現有技術，可以列舉在下述專利文獻I和2中所公開的那些。專利文獻I披露了關于“耐熱螺栓”的發明。專利文獻I所披露的發明的目的在于，通過對化學成分的混合和加工方法進行最優化，即使應用冷加工時仍可以抑制在后續エ序中在高溫高壓下Π相的沉淀，從而獲得具有優異弛豫特性的耐熱螺栓。然而，專利文獻I沒有提及本發明的特征，即，通過積極地摻入Mn，使得冷加工后的時效硬化量増加；以及通過規定Ni和Mn的總量及其比值，改善冷加工性和高溫強度之間的平衡。專利文獻2披露了關于“耐熱不銹鋼”的發明。專利文獻2的發明的目的在于，通過控制Y’相和Π相的沉淀量和形態，提供了在高溫區的彈簧高溫拉伸強度以及耐高溫永久變形性優異的耐熱高強度不銹鋼。然而，專利文獻2沒有提及本發明的特征，即，減少Ni的量以實現降低成本，同時通過規定Ni和Mn的總量及其比值，改善冷加工性和高溫強度之間的平衡。專利文獻I JP-A-2OOl-I58M3專利文獻2 JP-A-2000-10995
發明內容
在上述情況下進行了本發明，并且本發明的目的在于提供一種沉淀硬化型耐熱鋼，所述耐熱鋼與SUH660相比Ni含量較低并且成本低廉，從強度方面考慮也比SUH660的強度高，并且H相的沉淀受到抑制。gp，本發明提供以下項目。I. 一種沉淀硬化型耐熱鋼，以質量％計，包含O. 005%至 O. 2%的 C、不超過2%的Si、I. 6%至 5%的 Mn、
大于或等于15%且小于20%的Ni、10%至 20% 的 Cr、大于2%且至多為4%的Ti、O. 1%至 2%的 Al、以及O. 001%至 O. 02% 的 B，其余為Fe和不可避免的雜質，其中Ni的量和Mn的量的比值(Ni/Mn)為3至10，其中Ni和Mn的總量(Ni+Mn)為大于或等于18%且小于25%，并且
其中Ti的量和Al的量的比值(Ti/Al)為2至20。2.根據上述項目I所述的沉淀硬化型耐熱鋼，以質量％計，還包含下列物質中的
至少ー者不超過5%的Cu，以及不超過O. 05% 的 N。3.根據上述項目I或2所述的沉淀硬化型耐熱鋼，以質量％計，還包含下列物質中的至少ー者不超過O. 03%的Mg，以及不超過O. 03% 的 Ca。4.根據上述項目I至3中任意一項所述的沉淀硬化型耐熱鋼，以質量％計，還包含下列物質中的至少ー種不超過2%的Mo，不超過2%的V，以及不超過2%的Nb。5.根據上述項目I至4中任意一項所述的沉淀硬化型耐熱鋼，其是這樣獲得的在固溶熱處理后，以5%至80%的加工率進行冷加工以成形，之后進行時效處理。Mn起到穩定奧氏體的作用，另外還降低堆垛層錯能并提高冷加工后的躍遷密度。因此，Mn在冷加工后的時效處理過程中起到増加Y’相的沉淀位點的作用。與此相對應，在本發明中，通過提高Mn的量而將基體(奧氏體)固溶硬化；并且在Y ’相沉淀后，即使基體中Ni的量降低，由于溶解有Mn因而保持了基體的強度。結果，根據本發明，盡管Ni含量低，但是耐熱鋼的強度(高溫強度)仍大大增強。本發明中，Ti也為Y ’相的組成成分。在這種意義上，當Ti含量增加時，耐熱鋼可被高度硬化。另ー方面，當Ti含量被過度提高吋，η相往往容易沉淀。即，在使用耐熱鋼時Π相沉淀，導致性能劣化。因此，在本發明中，通過適當地規定Ti和Al的比值從而抑制η相沉淀，由此形成若干年都幾乎不發生變化的材料。根據上述內容，迄今已經廣泛使用的SUH660中Ni的量大，為24%至27%。另ー方面，在本發明中，Ni的量降低至大于或等于15%且小于20%，從而設法做到了降低成本。然而，Ni為能穩定奧氏體的元素。因此，如果僅使得Ni的量減少，則奧氏體變得不穩定。然后，根據本發明，提高了同樣作為奧氏體穩定元素的Mn的含量，由此通過提高Mn含量來彌補Ni量的減少。接下來，對本發明中各種化學成分的添加以及添加量被限制的原因進行如下說明。這里，在一個實施方案中，根據本發明的沉淀硬化型耐熱鋼包含必需元素(C、Si、Mn、Ni、Cr、Ti、Al和B，其量如下所述)，其余為Fe和不可避免的雜質。所述鋼材還可包含可選元素(Cu、N、Mg、Ca、Mo、V和Nb，其量如下所述)。在另ー個實施方案中，根據本發明的沉淀硬化型耐熱鋼基本上由必需元素和任選地可選元素所組成，其余為Fe和不可避免的雜質。在又另ー實施方案中，根據本發明的沉淀硬化型耐熱鋼由必需元素和任選地可選元素組成，其余為Fe和不可避免的雜質。C :0. 005%至 O. 2%
C為這樣ー種元素當其與Cr和Ti結合以形成碳化物吋，能有效提高基體的高溫強度。為此，有必要摻入O. 005%或更高的C。然而，當摻入過多C時，碳化物的形成量變得太高，耐蝕性劣化，并且合金的韌性降低。因此C含量的上限設定為0.2%。Si:不超過 2%Si在合金的熔煉和精煉過程中有效地作為脫氧劑，并且合適量的Si提高了抗氧化性。因而可摻入Si。然而，當摻入大量的Si時，合金的韌性劣化，并且可加工性削弱。因此，Si含量設定為不超過2%。Mn : I · 6 % 至 5 %與Ni類似，Mn為形成奧氏體的元素，并能提高合金的耐熱性。當Mn含量小于I. 6%時，延展性和冷加工后的高溫強度降低。因而Mn含量的下限設定為1.6%。Mn含量的下限優選為1.8%。當Mn的摻入量超過5%時,作為硬化相的Y ’相Ni3 (Al, Ti)的形成受到阻礙,并且高溫強度降低。因而Mn含量的上限設定為5%。Mn含量的上限優選為3%。Ni :大于或等于15%且小于20%與Mn類似，Ni為形成奧氏體的元素，并能提高合金的耐熱性和耐腐蝕性。另外，Ni為在形成作為硬化相的Y ’相Ni3(Al，Ti)時確保高溫強度的重要元素。當Ni含量小于15%時，奧氏體不能穩定，并且合金的高溫強度降低。因而Ni含量的下限設定為15%。Ni含量的下限優選為17%。當Ni的摻入量為20%或更高時，成本變高。因而Ni含量的上限設定為小于20%。Ni含量的上限優選為19%。Cr: 10% 至 20%Cr為確保合金的耐高溫氧化性和耐腐蝕性的必需元素。為此有必要摻入10%或更高含量的Cr。然而，當Cr的摻入量超過20%吋，σ相沉淀，從而不僅合金的韌性降低，高溫強度也降低。因而Cr含量的上限設定為20%。Ti :大于2%并且至多為4%類似于Al，Ti為形成Y ’相的元素，當其與Ni結合時能有效提高高溫強度。然而，當Ti的含量不大于2%時，由Y’相沉淀所引起的硬化能力降低，并且不能保證足夠的高溫強度。因而Ti含量的下限設定為大于2%。另ー方面，當過多摻入Ti時，合金的可加工性削弱，η相=Ni3Ti容易沉淀，并且合金的高溫強度和延展性劣化。因而Ti含量的上限設定為4%。Al :0.1%至 2%Al為當與Ni結合時形成Y ’相Ni3 (Al，Ti)的最重要元素，并且當Al的含量太低吋，Y ’相的沉淀變得不充分，并且不能保證高溫強度。為此，Al含量的下限設定為O. 1%。Al含量的下限優選為O. 2%，更優選為大于O. 5%。另ー方面，當過度摻入Al時，合金的可加工性削弱。因而Al含量的上限設定為2%。Al含量的上限優選設定為小于I %。B :0· 001%至 O. 02%B在晶界處偏析從而使晶界硬化，并改善合金的熱加工性。因而可在本發明的合金 中摻入B。然而，當B的含量為O. 001%或更高時才獲得了前述效果。另ー方面，當B的摻入量超過O. 02%時，熱加工性反而削弱。因而B含量的上限設定為O. 02%。Ni/Mn :3 至 10當Ni的量和Mn的量的比值(Ni/Mn)小于3吋，作為硬化相的Y ’相的沉淀變得不充分，并且高溫強度降低。因而Ni/Mn比值的下限設定為3。Ni/Mn比值的下限優選為7。當Ni/Mn的比值超過10吋，延展性和冷加工后的高溫強度降低。因而Ni/Mn比值的上限設定為10。Ni/Mn比值的上限優選為9。Ni+Mn :大于或等于18%且小于25%Ni和Mn都是形成作為基材的奧氏體的元素，并能提高高溫強度。當Ni和Mn的總量(Ni+Mn)小于18%時，不能使奧氏體穩定，也不能獲得充分的高溫強度。因而Ni和Mn的總量(Ni+Mn)的下限設定為18%。Ni和Mn的總量(Ni+Mn)的下限優選為20%。當Ni和Mn的總量(Ni+Mn)為25%或更高時，合金的可加工性削弱，并且由于奧氏體的過度穩定，強度降低。因而Ni和Mn的總量(Ni+Mn)的上限設定為小于25%。Ni和Mn的總量(Ni+Mn)的上限優選為23%。Ti/Al 2 至 20當Ti的量和Al的量的比值(Ti/Al)小于2吋，Y ’相和基體之間的錯配度降低并且高溫強度降低。因而Ti/Al比值的下限設定為2。Ti/Al比值的下限優選為3。當Ti/Al的比值超過20時，合金的可加工性劣化，長期使用過程中引起η相沉淀，并且延展性劣化。因而Ti/Al比值的上限設定為20。Ti/Al比值的上限優選為11，并且更優選為7。Cu:不超過 5%Cu具有在高溫下增強氧化物膜的附著性的作用，從而增強抗氧化性。因而可以在合金中摻入Cu。然而，甚至當摻入超過5%的大量Cu吋，不僅抗氧化性沒有增強，而且合金的熱加工性還發生劣化。因而Cu含量的上限設定為5%。N:不超過 O. 05%N能穩定奧氏體并能提高高溫強度。因而可在本發明的合金中摻入N。然而，當N的摻入量超過O. 05%時，可加工性顯著削弱。因而N含量的上限設定為O. 05%。Mg:不超過 O. 03 %、Ca:不超過 O. 03%Mg和Ca在合金鑄模時均具有脫氧或脫硫作用。因而可在合金中摻入Mg和Ca中的至少ー者。但是，當過量摻入Mg和Ca中的任意ー者時，熱加工性降低。因而Mg和Ca的含量上限均設定為O. 03%。Mo :不超過2%、V :不超過2%、Nb :不超過2%Mo、V和Nb都是通過固溶硬化來提高合金的高溫強度的元素。因而可在本發明的合金中摻入Mo、V和Nb中的至少ー者。
然而，當Mo、V和Nb中任意一者的摻入量超過2%時，不僅成本升高，而且可加工性削弱。因而Mo、V和Nb的含量上限均設定為2°ん在這方面，關于本發明鋼材中所包含的每種元素，根據ー個實施方案，鋼材中各元素的最小量為如表I-I中概括的研制鋼材實施例中所用的最小非零含量。根據另ー實施方案，鋼材中各元素的最大量為如表I-I中概括的研制鋼材實施例中所用的最大量。
具體實施例方式以下對本發明的實施方案進行詳細說明。通過高頻感應爐鑄造50kg的、具有表I-I和I-II中所示化學組成的各合金，并且對所得的各鑄錠進行熱鍛造，以制造直徑為20mm的棒材。在1，000°C下將該棒材加熱I小時，然后在水冷卻條件下進行固溶熱處理。對如此制得的材料進行拉伸試驗，觀測微結構并評價冷加工性。(I)拉伸試驗將經過前述固溶熱處理的材料在不施加冷加工的情況下在700°C下加熱16小時，然后在空氣冷卻的條件下進行時效處理。另外，對經過前述固溶熱處理的材料按照面積減少率為30%的條件進行冷加工，然后在700°C下加熱16小時，之后在空氣冷卻條件下進行時效處理。分別將這些材料在650°C下進行拉伸試驗。根據JIS G0567進行拉伸試驗。(II)微結構在進行前述固溶熱處理之后，將所述材料在650°C下加熱20天，在空氣冷卻的條件下進行時效處理，然后通過掃描電子顯微鏡在放大倍數為5，000倍下觀測微結構，從而檢測是否發生n相沉淀。以如下方式進行評價將沒有發現η相沉淀的情況記為“Α”，而將發現η相沉淀的情況記為“B”。(III)冷加工性從已經經過前述固溶熱處理的材料上切下直徑為6mm且高度為9mm的試樣，并在加工率為60%的條件下對該試樣進行壓制試驗，然后觀察是否出現裂紋，從而評價冷加工性。這里，按照如下方式來評價冷加工性將沒有發現任何裂紋的情況記為“A”，而出現裂紋的情況記為“B”。I-權利要求
1. 一種沉淀硬化型耐熱鋼，以質量％計，包含 0.005%至 O. 2%的 C、 不超過2%的Si、 1.6%至 5%的 Mn、 大于或等于15%且小于20%的Ni、 10%至 20%的 Cr、 大于2%且至多為4%的Ti、 O.1%至2%的Al、以及 O.001%至 O. 02%的 B, 其余為Fe和不可避免的雜質， 其中Ni的量和Mn的量的比值(Ni/Mn)為3至10， 其中Ni和Mn的總量(Ni+Mn)為大于或等于18%且小于25%，并且 其中Ti的量和Al的量的比值(Ti/Al)為2至20。
2.根據權利要求I所述的沉淀硬化型耐熱鋼，以質量％計，還包含下列物質中的至少一者 不超過5%的Cu，以及 不超過O. 05%的N0
3.根據權利要求I所述的沉淀硬化型耐熱鋼，以質量％計，還包含下列物質中的至少一者 不超過O. 03%的Mg，以及 不超過O. 03%的Ca。
4.根據權利要求2所述的沉淀硬化型耐熱鋼，以質量％計，還包含下列物質中的至少一者 不超過O. 03%的Mg，以及 不超過O. 03%的Ca。
5.根據權利要求I所述的沉淀硬化型耐熱鋼，以質量％計，還包含下列物質中的至少一者 不超過2%的Mo， 不超過2%的V，以及 不超過2%的Nb。
6.根據權利要求2所述的沉淀硬化型耐熱鋼，以質量％計，還包含下列物質中的至少一者 不超過2%的Mo， 不超過2%的V，以及 不超過2%的Nb。
7.根據權利要求3所述的沉淀硬化型耐熱鋼，以質量％計，還包含下列物質中的至少一者 不超過2%的Mo， 不超過2%的V，以及不超過2%的Nb。
8.根據權利要求4所述的沉淀硬化型耐熱鋼，以質量％計，還包含下列物質中的至少一者 不超過2%的Mo， 不超過2%的V，以及 不超過2%的Nb。
9.根據權利要求I至8中任意一項所述的沉淀硬化型耐熱鋼，其是這樣獲得的在固溶熱處理后，以5%至80%的加工率進行冷加工以成形，之后進行時效處理。
全文摘要
本發明涉及一種沉淀硬化型耐熱鋼，以質量％計，包含0.005％至0.2％的C、不超過2％的Si、1.6％至5％的Mn、大于或等于15％且小于20％的Ni、10％至20％的Cr、大于2％并且至多為4％的Ti、0.1％至2％的Al、以及0.001％至0.02％的B，其余為Fe和不可避免的雜質，其中Ni的量和Mn的量的比值(Ni/Mn)為3至10，Ni和Mn的總量(Ni+Mn)為大于或等于18％且小于25％，并且Ti的量和Al的量的比值(Ti/Al)為2至20。
文檔編號C21D8/00GK102691016SQ20121007661
公開日2012年9月26日 申請日期2012年3月21日 優先權日2011年3月21日
發明者今泉薰, 神谷尚秀 申請人:大同特殊鋼株式會社