CN100447275C - 一种高强度因瓦合金及其合金线材的生产方法 - Google Patents

Abstract

一种高强度因瓦合金及其合金线材的生产方法，其特征在于：以Fe-36Ni合金为基，添加W、V、C元素，具体成分(重量%)是0.15～0.40C，Si≤0.60，Mn≤0.8，P≤0.025，S≤0.02，34.0～42.0Ni，Co≤3.5，Cr≤0.5，Cu≤0.2，1.5～5.0W，0.3～1.2V，Mo≤0.5，其余为Fe和不可避免杂质；且W/V≥1.5，C＝0.9～1.3(0.033W+0.2V)。上述合金线材的生产方法是：(1)采用常规工艺，将合金钢锭加工成圆棒，再加工成Φ10～15mm的盘条；(2)采用特殊的二次冷加工变形及热处理工艺：第一次、二次的冷拉变形量20～70%、55～95%，冷加工变形后进行450～750℃热处理。实施本发明生产的因瓦合金线材成品，保持了常规Fe-36Ni因瓦合金的低膨胀特性(20～240℃时，α≤2.5×10-6/℃；20～290℃时，α≤4.5×10-6/℃)和扭转特性(扭转值≥40)，获得令人满意的高强度(≥1300MPa)效果，经济效益显著。

Description

一种高强度因瓦合金及其合金线材的生产方法

技术领域

本发明涉及低膨胀因瓦合金的成分设计及其制造方法，尤其是指高强度因瓦合金线材的制造方法。

背景技术

因瓦合金属于特殊合金，Fe-36Ni因瓦合金(4J36合金)是常见的因瓦合金，自1893年发明以来，因其非常低的膨胀系数(膨胀系数与合金材料、使用温度密切相关：合金材料不同，膨胀系数不同；同一种合金材料，使用温度高，平均膨胀系数α也较高。Fe-36Ni因瓦合金的膨胀系数非常低，只有普通材料的1/5～1/10。对4J36合金而言，GBn 110-87标准规定：20～100℃时，α≤1.5×10^-6/℃；一般来说，实物的α推荐值是：20～100℃时，α＝0.8×10-6/℃，20～200℃时，α＝2.0×10^-6/℃，20～300℃时，α＝5.1×10^-6/℃)而闻名于世，但它的强度很低(约为400～500MPa)，限制了其使用范围，故普通的Fe-36Ni因瓦合金常用于非结构件的应用，如标准尺。

因瓦合金线材是因瓦合金的主要品种之一，常规Fe-36Ni因瓦合金(4J36合金)线材的制备方法是：(1)成分符合标准的合金钢锭，经锻压机锻造(或轧钢机初轧)开坯，成合金圆棒；(2)经轧钢机热加工轧制变形，成合金盘条，酸洗处理；(3)合金盘条第一次冷加工变形(一次冷拉)后，900～1050℃热处理(4J36合金室温组织是单相的奥氏体组织，冷拉后的900～1050℃热处理，可使冷变形组织再结晶，便于合金的第二次冷加工变形)；(4)合金盘条第二次冷加工变形(二次冷拉)，成冷拉成品。

近年来，膨胀系数小而强度高的因瓦合金(主要特点有二：一是膨胀系数小，20～100℃时，α≤1.5×10^-6/℃，或20～300℃时，α≤5.1×10^-6/℃；二是强度高，大于1000MPa)制造，因其结构件用途(具备独特的物理和力学性能而使其具有特殊的用途)而日益受到关注，如电力工业中，采用膨胀系数小、强度高的因瓦合金材料制造输电线中铝绞线钢芯，一方面，输电线具有低松弛度(膨胀系数只有普通材料的1/5～1/10)的优点，在230℃高温运行时输电线的弧垂小(弧垂是输电线的下垂高度。膨胀系数小，弧垂小；强度高，可使材料的重量轻，材料自重的弧垂也小)，大大降低了架设输电线的铁塔的高度和密度；另一方面，可使输电容量成倍提高(膨胀系数较小，高温运行弧垂较小，与相同尺寸的其他材料相比，输电容量高)。

目前，制造高强度因瓦合金的途径主要有三种：(1)第一种是以Fe-36Ni合金为基础，通过添加Be，利用Ni3Be金属间化合物强化机制实现合金的强化，该方法的优点是强化效果好(抗拉强度≥1500MPa)，缺点是合金的膨胀系数较高(20～100℃，α＝3.5～4×10^-6/℃)，且合金的马氏体相变点高，不适于在低温下使用，更严重的是添加的Be元素有剧毒，对环保不利。(2)第二种方法是以Fe-36Ni合金为基，通过添加碳和碳化物形成元素实现提高合金强度的目的，通常采用添加C和V使合金中析出碳化钒，依靠这种析出强化来提高合金的强度，但是在只添加V的情况下，VC析出物容易变成粗大颗粒，不能达到充分高强度化，一般强度小于1100Mpa；(3)第三种方法(日本大同特殊钢株式会社的PCT专利申请，国际公开号：WO 03/025239 A1)与第二种方法基本相似，以Fe-36Ni合金为基，通过添加碳和碳化物形成元素实现提高合金强度的目的，同时添加C和Mo、V的方法抑制碳化物粗大化，有效地提高合的强度和扭转特性(抗拉强度≥1300MPa，扭转值≥20)，其缺点是：同时添加Mo、V的合金膨胀系数偏高，20～230℃和230～290℃温度范围，其平均线膨胀系数分别为≤3.7×10^-6/℃和≤10.8×10^-6/℃。

发明内容

本发明开发一种高强度因瓦合金及其合金线材的生产方法，其特点是：首先是因瓦合金的成分设计，它是以Fe-36Ni合金为基，添加特定成分的W、V、C元素，有效利用C、W、V元素对因瓦合金的强化作用；其次，采用常规生产工艺，将合金钢锭加工成合金圆棒，再加工成合金盘条；最后，采用特殊的二次冷加工变形及热处理工艺，保持常规Fe-36Ni因瓦合金的低膨胀特性和扭转特性，将合金强度提升到较高水平；最终，使因瓦合金线材的产品性能达到强度指标、膨胀特性、扭转特性的和谐统一：膨胀系数低(20～240℃时，α≤2.5×10^-6/℃；20～290℃时，α≤4.5×10^-6/℃)、扭转特性好(扭转值≥40)、合金强度高(≥1300MPa)。满足了市场对高强度、低膨胀性的因瓦合金线材的应用需求。

本发明开发的一种高强度因瓦合金，其特征在于：是以Fe-36Ni合金为基，添加W、V、C元素；合金的化学元素成分(重量％)是0.15～0.40C，Si≤0.60，Mn≤0.8，P≤0.025，S≤0.02，34.0～42.0Ni，Co≤3.5，Cr≤0.5，Cu≤0.2，1.5～5.0W，0.3～1.2V，Mo≤0.5，其余为Fe和不可避免杂质；且W/V≥1.5，C＝0.9～1.3(0.033W+0.2V)。

上述高强度因瓦合金的成分中，可以添加Mo、Co二种元素的1～2种：Mo≤0.5％，Co≤3.5％，以降低合金的膨胀系数。

上述高强度因瓦合金的成分中，还可以添加Mg、B、Ca、Ce、La五种元素中的1～2种，加入元素的含量≤0.01％，以改善合金的热加工性能。

上述高强度因瓦合金的成分中，在添加Mo、Co二种元素的1～2种时，可以同时添加Mg、B、Ca、Ce、La五种元素中的1～2种。

在本发明中通过在合金里添加C和V、W，使其析出各自碳化物，由此获得高强度的目标，在不添加W，只单独加V的情况下，会析出碳化钒，但这种析出物容易变成粗大粒子，不能达到充分高强度化。如果同时添加W和V，则析出MC、M₂C或M₆C型细微的碳化物，抑制碳化物变成粗大粒子，从而能有效地提高低膨胀因瓦合金的强度。为了利用W和V的碳化物充分实现高强度化，规定添加比必须满足W/V≥1.5，如果不能满足，则会出现粗大的碳化物。

为了实现合金高强度和优良扭转特性的目的，对C的加入量必须进行规定，碳的加入量应满足C＝0.9～1.3(0.033W+0.2V)，在满足上述规定的前提下就能保证W、V碳化物析出充分，避免游离碳产生。如果合金中存在游离碳，而且达到一定数量时，合金线材扭转时变形就会集中在局部位置，由此产生“简单脆断”现象。与此相反，如果用W和V固定合金中游离碳，就能很好的防止这种现象。

下面就本发明中化学成分的添加量以及限定理由详述如下：

C：0.15～0.40％。C是析出碳化物所必需的元素，为获得足够的高强度，C的最低限≥0.15％是必要的，但C过高会造成游离碳的出现，应将C限制在0.40％以下。

Si≤0.60％。Si虽然是有效的脱氧剂，但Si会增大膨胀系数而且对扭转特性不利，最好是越低越好，将上限规定为0.60％。

Mn≤0.8％。Mn是钢的脱氧剂，还可与S结合以MnS的形态将S固定下来，对热加工性能的提高有利，但对膨胀系数和扭转特性不利，应越低越好，将其规定为≤1.0％。

P≤0.025％。由于P在晶界处偏析造成韧性下降，希望越低越好，由于Fe、Ni原料中P都较低，P的上限定为0.025％。

S≤0.020％。S会使热加工性能下降，因此希望降低它，将其上限规定为0.020％。

Cu≤0.50％。Cu有助于提高强度，但添加过量会使热加工性能变差，热膨胀系数增加，规定其上限为0.5％。

Ni：34.0～40.0％。Ni对确保低膨胀性能是必需的，在Ni含量34.0～40.0％范围膨胀性能较低，为获得更低膨胀性能，Ni+Co含量控制在37.0～39.0％范围最佳。

W：1.5～5.0％。W作为微细的MC、M2C或M8C7型碳化物析出，使合金的强度和扭转特性提高，为确保强度最低值，W的加入量最低限定为1.5％。W加入如过高则会使膨胀系数增加，因此将6.0％作为上限。

V：0.3～1.2％。V与W一样作为MC、M8C7型碳化物析出，能使强度和扭转特性提高，其下限为0.3％，但过量添加则会生成粗大的碳化物，使扭转特性和韧性变差，因此规定其上限为1.2％。

Cr≤0.5％。Cr也是碳化物形成元素，能有效提高强度，但会增大膨胀系数，因而将上限规定为0.5％。

Mo≤0.5％。Mo与W一样作为微细的MC、M₂C或M₈C₇型碳化物形成元素，但Mo的加入量会导致成本上升和膨胀系数增大，因而将其上限规定为0.5％。

W/V≥1.5。通过W和V的平衡加入，能形成理想的微细碳化物析出，从而获得高的强度和韧性。如果满足公式，能取得V和W成分平衡的MC或M8C7型碳化物，公式数值增大，会形成M2C，这些碳化物对强度和扭转特性都是有效的析出物，如果公式＜1.5则难以获得高的强度，希望控制在≥2.0。

C＝0.9～1.3(0.033W+0.2V)。为了获得稳定的扭转特性和良好韧性，必须满足该公式，如果C加入过度则会导致游离碳的存在，过低则不能充分高强度化。

Co≤3.5％。由于Co会导致成本上升，一般情况下不添加，但当希望获得较低的膨胀系数时，可以添加，但应相应减少Ni的加入量。

Mg、B、Ca、Ce、La≤0.010％。Ca、Mg、B、稀土是有助于提高钢的热加工的元素，因此希望加入，但过度加入也是不利的，因此将其上限规定为0.010％。

上述高强度因瓦合金线材的生产方法，其特征在于：(1)采用常规生产工艺，将合金钢锭加工成合金坯，再将合金坯加工成合金盘条；(2)采用特殊的二次冷加工变形及热处理工艺，保持常规Fe-36Ni因瓦合金的低膨胀特性和扭转特性，将合金强度提升到较高水平；最终，使因瓦合金线材的产品性能达到强度指标、膨胀特性、扭转特性的和谐统一：膨胀系数低(20～240℃时，α≤2.5×10^-6/℃；20～290℃时，α≤4.5×10^-6/℃)、扭转特性好(扭转值≥40)、合金强度高(≥1300MPa)。

(1)采用常规生产工艺，将合金钢锭加工成40～240mm的合金坯(合金坯可以是圆棒，也可以是方坯)，再将合金坯加工成φ10～15mm的合金盘条：

(A)采用常规冶炼生产工艺，冶炼出以Fe-36Ni合金为基，添加W、V、C元素的上述高强度因瓦合金，并浇铸成合金钢锭；

(B)采用常规的热加工变形生产工艺，将成分符合标准的合金钢锭，经锻压机锻造或轧钢机初轧开坯，加工成40～240mm的合金坯；

(C)采用常规的热加工变形生产工艺，经轧钢机热加工轧制变形，将合金坯加工成φ10～15mm的合金盘条；

(2)采用特殊的二次冷加工变形及热处理工艺，保持常规Fe-36Ni因瓦合金的低膨胀特性和扭转特性，将合金强度提升到较高水平：

(A)采用冷拉工艺，对合金盘条第一次冷加工变形(第一次冷加工变形是起预应变作用，有利于后面热处理过程中析出细微且均匀的碳化物)，变形量20～70％(变形量≤20％，不能给予充分的预应变，而如果超过70％的变形量时，则在进行下一道次热处理时，难以获得高的强度)；第一次冷加工变形后，合金冷拉件进行450～750℃热处理(450～750℃温度范围内进行的热处理是为了使W和V的碳化物在母相中均匀析出，通过这种析出来提高合金的强度，同时可使基体的位错密度下降，确保适当的扭转特性。热处理温度＜450℃，合金的碳化物析出不充分，不能使合金线材获得高强度，基体的位错密度下降较少，合金的第二次冷加工变形较困难，不利于扭转特性的稳定；温度＞750℃，会使合金的碳化物粗大，同时基体会产生部分再结晶现象，合金第二次冷加工变形过程中强化效果较差，不能实现本发明的强度指标＝；

(B)采用冷拉工艺，对合金冷拉件进行第二次冷加工变形(第二次冷加工变形是为确保必要的强度而进行的，最低的加工量应≥55％)，变形量55～95％；生产出膨胀系数低(20～240℃时，α≤2.5×10^-6/℃；20～290℃时，α≤4.5×10^-6/℃)、扭转特性好(扭转值≥40)、抗拉强度高(≥1300MPa)的合金线材。

和现有技术相比，本发明具有下列优点：

1、合金成分设计合理，强度高；

2、合金线材生产工艺简单，可操作性强、工艺稳定性高；

3、产品膨胀系数低、扭转特性好、抗拉强度高。

4、生产效率高，产品合格率高。

具体实施方案

某钢铁公司实施本发明专利，生产了5炉(1#、2#、3#、4#、5#)高强度因瓦合金线材，高强度因瓦合金的成分特征在于：是以Fe-36Ni合金为基，添加W、V、C元素；合金的化学元素成分(重量％)是0.15～0.40C，Si≤0.60，Mn≤0.8，P≤0.025，S≤0.02，34.0～42.0Ni，Co≤3.5，Cr≤0.5，Cu≤0.2，1.5～5.0W，0.3～1.2V，Mo≤0.5，其余为Fe和不可避免杂质；且W/V≥1.5，C＝0.9～1.3(0.033W+0.2V)。另外，试炼了5炉(6#、7#、8#、9#、10#)成分不完全符合本发明的比较合金5炉(6#、7#、8#、9#、10#)。

上述高强度因瓦合金线材的生产方法，其特征是(1)采用常规生产工艺，将合金钢锭加工成合金圆棒，再加工成合金盘条：(A)采用常规冶炼生产工艺，冶炼出以Fe-36Ni合金为基，添加W、V、C元素的上述高强度因瓦合金，并浇铸成合金钢锭；如用150Kg真空感应炉熔炼，浇铸得到135Kg锭子，合金化学成分见表1所示。(B)采用常规的热加工变形生产工艺(合金钢锭加热温度1180℃)，将成分符合标准的合金钢锭，经锻压机锻造或轧钢机初轧开坯，加工成φ50mm的合金坯；(C)采用常规的热加工变形生产工艺(加热温度1050～1100℃)，经轧钢机热加工轧制变形，将合金坯加工成φ12mm(φ10～15mm)的合金盘条；(2)采用特殊的二次冷加工变形及热处理工艺，保持常规Fe-36Ni因瓦合金的低膨胀特性和扭转特性，将合金强度提升到较高水平：(A)采用冷拉工艺，对合金盘条第一次冷加工变形，变形量35～50％(20～70％)；第一次冷加工变形后，合金冷拉件进行450～700℃热处理；(B)采用冷拉工艺，对合金冷拉件进行第二次冷加工变形，变形量55～85％(55～95％)；第二次冷加工变形后，接着进行酸洗、剥皮；生产出膨胀系数低(20～240℃时，α≤2.5×10^-6/℃；20～290℃时，α≤4.5×10^-6/℃)、扭转特性好(扭转值≥40)、抗拉强度高(≥1300MPa)的合金线材(冷加工变形参数及测试结果见表2)。

从表1、表2的结果可看出：实施本发明生产的5炉(1#、2#、3#、4#、5#)高强度因瓦合金线材，能得到良好的抗拉强度(≥1300MPa)，扭转特性及低膨胀性能优异，合格率100％。与此相反，C、W、V、W/V、C＝0.9～1.3(0.033W+0.2V)的值不能满足本发明条件的5炉(6#、7#、8#、9#、10#)比较合金，其抗拉强度、扭转特性至少有一项得不到满足。

由此表明，在本发明中将合金的化学成分规定在申请范围内是极重要的，但合金线材的生产方法也是重要的，使制造条件符合专利申请范围，两者结合，就能在确保合金具有优良扭转特性和极低热膨胀系数的同时，获得令人满意的高强度效果。满足用户要求和市场需要，经济效益显著。

高强度因瓦合金化学成分，％    表1

注：含碳量C＝A(0.033W+0.2V)，A＝0.9～1.3能满足本发明。

冷加工变形参数及测试结果    表2

Claims (3)

1、一种高强度因瓦合金，其特征在于以Fe-36Ni合金为基，添加W、V、C元素；合金的化学元素成分(重量％)是：0.15～0.40C，Si≤0.60，Mn≤0.8，P≤0.025，S≤0.02，34.0～42.0Ni，Co≤3.5，Cr≤0.5，Cu≤0.2，1.5～5.0W，0.3～1.2V，Mo≤0.5，其余为Fe和不可避免杂质；且W/V≥1.5，C＝(0.9～1.3)×(0.033W+0.2V)。

2、根据权利要求1所述的一种高强度因瓦合金，其特征在于钢的成分中，添加Mg、B、Ca、Ce、La五种元素中的1～2种，加入元素的含量≤0.01％。

3、根据权利要求1或2所述高强度因瓦合金的线材生产方法，其特征在于：

第一阶段，采用常规生产工艺，将合金钢锭加工成合金坯，再加工成合金盘条；第二阶段，采用特殊的二次冷加工变形及热处理工艺；最终，使因瓦合金线材的产品性能同时达到：20～240℃时的膨胀系数α≤2.5×10^-6/℃、20～290℃时的膨胀系数α≤4.5×10^-6/℃、扭转值≥40、合金强度≥1300MPa；

第一阶段，采用常规生产工艺，将合金钢锭加工成40～240mm的合金坯，合金坯是圆棒或方坯，再将合金坯加工成φ10～15mm的合金盘条：

A、采用常规冶炼生产工艺，冶炼出以Fe-36Ni合金为基，添加W、V、C元素的上述高强度因瓦合金，并浇铸成合金钢锭；

B、采用常规的热加工变形生产工艺，将成分符合标准的合金钢锭，经锻压机锻造或轧钢机初轧开坯，加工成40～240mm的合金坯；

C、采用常规的热加工变形生产工艺，经轧钢机热加工轧制变形，将合金坯加工成φ10～15mm的合金盘条；

第二阶段，采用特殊的二次冷加工变形及热处理工艺，保持常规Fe-36Ni因瓦合金的低膨胀特性和扭转特性，将合金强度提升到较高水平：

A、采用冷拉工艺，对合金盘条进行第一次冷加工变形，变形量20～70％；第一次冷加工变形后，合金冷拉件进行450～750℃热处理；

B、采用冷拉工艺，对合金冷拉件进行第二次冷加工变形，变形量55～95％；生产出合金线材。