本發(fā)明屬于汽車耐高溫緊固件制造，具體涉及一種冷鐓用gh4080a合金材料、合金盤條及其制備方法和應用。

背景技術：

1、緊固件的一般生產工藝流程是：冶煉-軋制-熱處理-拉拔-冷鐓成型-搓絲(攻絲)-熱處理-表面處理等。其中冷鐓工藝為緊固件成型關鍵工序，通過模具很好地保證了緊固件的尺寸精度及表面光潔度，生產效率高，材料利用率高，適合自動化生產，廣泛地應用在標準緊固件的生產中。

2、耐高溫緊固件是由耐熱鋼、高溫合金生產的，適用于高溫環(huán)境工況的緊固件。其合金含量很高，故成型性能普遍較差，主要體現(xiàn)在零件開裂、零件表面損傷、模具破裂/斷裂、模具壽命低等問題。

3、對于耐700-800℃以上的高溫螺栓，材料都需采用鎳基高溫合金，為了方便進行冷鐓成型，一般選用固溶+時效強化型合金，通過固溶處理降低材料硬度，以便進行冷鐓，之后再通過時效處理，獲得更高的力學性能。

4、現(xiàn)有的gh4080a合金適用于800℃以下的高溫環(huán)境，是一種鎳基固溶時效型高溫合金。然而，在合金生產中發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過多次固溶+拉拔的線材后，合金硬度依然較高，仍在220hbw以上，甚至在260hbw以上。而冷鐓工藝要求材料硬度盡可能低，硬度最好在180hbw以下。這導致現(xiàn)有的gh4080a合金的冷成型性能較差，甚至無法冷成型緊固件。

技術實現(xiàn)思路

1、針對現(xiàn)有技術中存在的缺陷，本發(fā)明的目的在于提供一種冷鐓用gh4080a合金材料、合金盤條及其制備方法和應用。采用本發(fā)明提供的冷鐓用gh4080a合金材料制備的gh4080a合金盤條較現(xiàn)有的gh4080a合金盤條具有更低的硬度，能夠滿足冷墩成型的工藝要求，解決了現(xiàn)有的gh4080a合金材料的冷成型問題。

2、為達到以上目的，本發(fā)明第一方面提供了一種冷鐓用gh4080a合金材料，按質量百分比計，所述冷鐓用gh4080a合金材料的化學成分為：c：0.04％-0.10％，si≤0.80％，mn≤0.40％，p≤0.020％，s≤0.015％，cr：18.0％-21.0％，co≤2.0％，cu≤0.2％，fe≤1.5％，al：1.0％-1.8％，b≤0.008％，ti：1.8％-2.7％，zr：0.01％-0.20％，余量為ni。

3、本發(fā)明提供的冷鐓用gh4080a合金材料在現(xiàn)有gh4080a合金配方的基礎上，添加了zr元素，zr元素偏聚于晶界，能夠減少晶界缺陷，提高晶界結合力，強化晶界，提升材料的塑性，提高材料的成型性能。同時還可提高材料的高溫持久壽命，改善高溫持久塑性，消除缺口敏感性，從而提升耐高溫緊固件的性能。

4、本發(fā)明中，控制冷鐓用gh4080a合金材料中zr元素的添加量為0.01％-0.20％，優(yōu)選0.04％-0.07％。發(fā)明人研究發(fā)現(xiàn)，zr作為一種微量元素，其加入量不足，不能充分發(fā)揮作用；加入量過多，則可能生成微量元素化合物或者使晶界化合物呈薄膜狀包圍晶界，使力學性能降低，同時塑性也降低，成型性能差。

5、本發(fā)明第二方面提供了一種冷鐓用gh4080a合金盤條，其采用根據(jù)本發(fā)明第一方面所述的冷鐓用gh4080a合金材料制備而成。

6、本發(fā)明第三方面提供了一種冷鐓用gh4080a合金盤條的制備方法，所述方法包括如下步驟：

7、按化學成分要求，對原料進行冶煉處理，獲得冷鐓用gh4080a合金材料鑄錠；其中，按質量百分比計，所述冷鐓用gh4080a合金材料鑄錠的化學成分為：c：0.04％-0.10％，si≤0.80％，mn≤0.40％，p≤0.020％，s≤0.015％，cr：18.0％-21.0％，co≤2.0％，cu≤0.2％，fe≤1.5％，al：1.0％-1.8％，b≤0.008％，ti：1.8％-2.7％，zr：0.01％-0.20％，余量為ni；

8、對所述鑄錠進行擴散退火、開坯及軋制處理，獲得gh4080a合金盤條；

9、對所述gh4080a合金盤條進行第一次固溶、拉拔、第二次固溶處理以及后處理，獲得所述冷鐓用gh4080a合金盤條。

10、本發(fā)明中，在冶煉完成后，對鑄錠進行擴散退火處理。

11、本發(fā)明中，在冶煉完成后采用擴散退火處理。由于高溫合金中存在大量的合金元素，在鑄造后會存在較嚴重的成分偏析，故需要進行擴散退火處理，改善成分偏析及組織均勻性。

12、在一些優(yōu)選的實施方式中，所述擴散退火在1100-1200℃的溫度下進行，保溫時間為100-150h。在一些更優(yōu)選的實施方式中，所述擴散退火在1190℃的溫度下進行，保溫時間為120h。

13、本發(fā)明中，由于高溫下原子擴散加快，有利于擴散退火效果，縮短時間，但溫度過高可能會惡化性能，局部元素偏聚的區(qū)域可能出現(xiàn)晶界熔化、氧化，出現(xiàn)過熱過燒現(xiàn)象，而且使得材料塑性降低。因此，本發(fā)明中，將擴散退火溫度和時間限定在上述范圍內。

14、在一些優(yōu)選的實施方式中，所述第一次固溶處理的溫度為1000-1100℃，保溫時間為0.5-1h。在一些更優(yōu)選的實施方式中，所述第一次固溶處理的溫度為1050-1080℃。

15、發(fā)明人研究發(fā)現(xiàn)，第一次固溶處理時，溫度超過1100℃，會出現(xiàn)晶粒粗化現(xiàn)象，在后續(xù)工藝中無法修復，最終導致耐高溫緊固件晶粒粗大，材料塑性差、強度也低。溫度過低會影響固溶效果，固溶硬度不夠低，材料成型性能差。因此，本發(fā)明中，將第一次固溶處理的溫度限定在上述范圍內。

16、在一些優(yōu)選的實施方式中，所述制備方法還包括：在第一次固溶處理之后、拉拔處理之前，進行快速冷卻處理，冷卻速度≥10℃/s；

17、在第二次固溶處理之后、后處理之前，進行快速冷卻處理，冷卻速度≥10℃/s。

18、本發(fā)明中，可采用水冷或油冷的方式來進行快速冷卻處理。當采用水冷方式時，冷卻速度可以為60-80℃/s。當采用油冷方式時，冷卻速度可以為20-30℃/s。

19、本發(fā)明中，在第一次固溶處理和第二次固溶處理后均進行快速冷卻處理。這是因為：gh4080a屬于固溶+時效型高溫合金，通過固溶工藝將γ′、碳化物相等大部分析出物溶解進基體，形成單相γ奧氏體組織，最后通過時效工藝析出細小均勻的γ′、碳化物相，大幅提升高溫合金的強度。由于gh4080a的γ′相和碳化物相在500-1000℃之間會析出，γ′相的析出峰在700℃左右，碳化物相析出峰在850℃左右。正常情況下，gh4080a固溶后的冷卻過程中，γ′相和碳化物相會析出，導致固溶后硬度≥250hbw；而通過固溶后快速冷卻的方式，抑制γ′相和碳化物相的析出，固溶后的硬度很低，能夠提升材料的冷鐓(冷成型)性能。若冷卻速度過低，固溶后盤條硬度很高，材料成型性能很差。

20、在一些優(yōu)選的實施方式中，所述快速冷卻處理可采用水冷或油冷方式。

21、在一些優(yōu)選的實施方式中，在所述拉拔處理中，控制拉拔減面率為20％-35％。

22、本發(fā)明中，在第一次固溶處理之后，進行拉拔處理，將熱軋料拉成接近成品的規(guī)格，改善熱軋料的圓度、表面質量。拉拔處理中，通過控制拉拔減面率，使盤條均勻變形，晶粒破碎，當在隨后的第二次固溶處理中發(fā)生再結晶時，可以避免晶粒粗化，出現(xiàn)大晶粒，晶粒的均勻性更好。一方面細化均勻的晶粒，可以改善成品緊固件的性能，另一方面晶粒粗大，會導致成型后緊固件表面出現(xiàn)橘皮現(xiàn)象。

23、在一些優(yōu)選的實施方式中，所述第二次固溶處理的溫度為1000-1100℃，優(yōu)選為1050-1080℃，dv值為25-35mm*m/min。本發(fā)明中，d為線材直徑(mm)，v為線材退火速度(m/min)，dv值等于線材直徑*線材退火速度。dv值太大，盤條在爐子中的停留時間不夠，固溶不充分，所得盤條硬度較高，材料成型性能差；dv值太小，影響生產效率，而且晶粒粗大，材料塑性差，強度也低。

24、本發(fā)明中，在第二次固溶處理過程中，通過控制溫度和dv值，能夠避免長時間加熱導致的晶粒粗化。因為晶粒粗化后，會導致成品耐高溫緊固件的晶粒粗大。一方面會導致成型時緊固件表面出現(xiàn)橘皮，另一方面，會降低緊固件的強度且降低成型性能。

25、本發(fā)明中，對所述盤卷進行后處理的方法包括鍍銅和精整處理。

26、在一些優(yōu)選的實施方式中，所述精整處理包括：將鍍銅后的盤條浸入皂化液，之后進行冷拔處理，冷拔變形量為2％-5％。

27、在成型時，材料直接與模具接觸，在批量生產時，會導致材料和模具表面容易磨損，影響模具壽命，造成材料表面損傷(劃傷等)。增加表面鍍銅、皂化都是為了隔開材料與模具的接觸，增加成型時的潤滑，減少材料和模具的磨損，提升成型性能。

28、本發(fā)明中，控制冷拔變形量為2％-5％。冷拔變形量過大，會導致材料硬度升高較多，不利于成型。冷拔變形量過小，可能沒有效果。冷拔處理還可提升鍍銅層的附著效果。

29、本發(fā)明中，通過精整處理，能夠消除材料的屈服平臺，提高材料的冷鐓成型性能，而且避免了冷鐓成型的“表面橘皮”缺陷，同時因為包辛格效應，降低了材料壓縮的屈服應力，減少成型的鐓鍛力(降低成型難度、提升冷鐓性能)，提升模具壽命。

30、在一些優(yōu)選的實施方式中，所述冷鐓用gh4080a合金盤條的硬度≤180hbw，優(yōu)選為150-180hbw；抗拉強度≤900mpa，表面質量良好，表面潤滑條件好，冷鐓性能優(yōu)良。

31、本發(fā)明第四方面提供了一種根據(jù)本發(fā)明第一方面所述的冷鐓用gh4080a合金材料或根據(jù)本發(fā)明第二方面所述的冷鐓用gh4080a合金盤條或根據(jù)本發(fā)明第三方面所述方法制備得到的冷鐓用gh4080a合金盤條在冷鐓成型耐高溫緊固件中的應用。

32、將本發(fā)明制備得到的gh4080a合金盤條制成螺栓后，經(jīng)時效處理(700℃*16h)，所得螺栓的室溫抗拉強度≥1200mpa，800℃抗拉強度≥600mpa，耐高溫性能優(yōu)良。

33、與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明的有益效果在于：

34、本發(fā)明從化學成分和制備工藝的角度，降低了材料強度/硬度，提升材料塑性，使難以變形的鎳基合金更適宜冷墩成型，解決了耐高溫緊固件(如螺栓、螺母)大規(guī)模生產的難題。本發(fā)明制得的冷鐓用gh4080a合金盤條具有更低的硬度和良好的塑性，且由該合金盤條制得的螺栓耐高溫性能優(yōu)良，室溫強度、高溫強度和塑性均較優(yōu)。