CN101168818A

CN101168818A - 一种Fe-36Ni为基的合金线材及其制造方法

Info

Publication number: CN101168818A
Application number: CNA2006101174434A
Authority: CN
Inventors: 陆建生; 倪和勇; 黄剑; 沈黎明; 汤飞
Original assignee: Baoshan Iron and Steel Co Ltd
Current assignee: Baowu Special Metallurgy Co Ltd
Priority date: 2006-10-23
Filing date: 2006-10-23
Publication date: 2008-04-30
Anticipated expiration: 2026-10-23
Also published as: CN100535164C

Abstract

一种Fe－36Ni为基的合金线材，其特征在于，其成分重量百分比为：C：0.15～0.40；Si≤0.59；Mn≤0.60；P≤0.025；S≤0.02；Ni：34.0～40.0；Co≤3.5；Cr≤0.49；Mo：1.5～4.0；Nb：0.3～1.0；其余为Fe和不可避免杂质。该Fe－36Ni为基的合金线材的制造方法，具体包括如下步骤：将本发明的合金成分钢锭经锻造、热轧轧制成盘条；热轧盘条进行1000～1150℃的固溶热处理；在20～75％变形量范围内进行冷加工；经450～750℃范围内进行回复热处理；实施≥55％变形量的冷加工。

Description

一种Fe-36Ni为基的合金线材及其制造方法

技术领域

本发明涉及一种具有高强度和优异扭转特性且膨胀系数低的Fe-36Ni为基的合金线材及其制造方法。

背景技术

Fe-36Ni因瓦合金自1893年发明以来，因其膨胀系数非常低而闻名于世，其在20～100℃和20～300℃时，膨胀系数分别为≤1.5×10^-6/℃和≤5.1×10^-6/℃，由于该合金具有极低的膨胀系数(只有普通材料的1/5～1/10)而具有特殊的用途，例如，可用于制造输电导线中铝绞线钢芯，可使输电线具有低松弛度的优点，在高温运行时输电导线的弧垂小，可使输电容量成倍提高，并可降低铁塔的高度和密度。但普通因瓦合金的强度很低，约为400～500MPa，使其在低膨胀结构件中的使用受到了限制。

从相关专利和文献看，提高因瓦合金强度的主要方法是以Fe-36Ni合金为基通过添加碳和碳化物形成元素来实现提高合金强度的目的，例如：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，其塑性、扭转特性较差。

CN 1039438公开了“高强度超因瓦合金及其生产方法”，添加C和Nb使FeNi因瓦合金的抗张强度≥1150Mpa，该发明未对合金的扭转特性加以说明。

JP2003082439则公开了一种将C、Mo、V联合添加，化学成分为C：0.20～0.40wt％，Si≤0.8wt％，Mn≤1.0wt％，P≤0.050wt％，Mo1.5～6.0wt％，V0.05～1.0wt％，Mo/V≥1.0wt％，且(0.3Mo+V)≥4C，其余为铁和不可避免的杂质)形成弥散型碳化物，该合金在20～230℃时的平均线热膨胀系数≤3.7×10-6，230～290℃平均线热膨胀系数≤10.8×10-6，抗张强度≥1300MPa，但合金的扭转值较低。因此，用于制造倍容量导线的高强度、高扭转因瓦合金的研究开发是十分重要的。

发明内容

本发明的目的在于提供一种Fe-36Ni为基的合金线材，该合金线材的强度和扭转特性与现有技术相比大大提高。

本发明的另一目的在于提供一种Fe-36Ni为基的合金线材的制造方法。

为达上述目的，本发明提供了一种Fe-36Ni为基的合金线材，其成分重量百分比为：C：0.15～0.40；Si≤0.59；Mn≤0.60；P≤0.025；S≤0.02；Ni：34.0～40.0；Co≤3.5；Cr≤0.49；Mo：1.5～4.0；Nb：0.3～1.0；其余为Fe和不可避免杂质。

其中，Mo∶Nb≥1.5∶1。C＝0.7～1.3(0.063Mo+0.2Nb)。

所述的Fe-36Ni为基的合金线材，还包括一种或两种下列元素，其成分重量百分比为：Al：≤0.1；Mg：≤0.01；B：≤0.01；Ca：≤0.02；稀土金属：≤0.10。

在Fe-36Ni因瓦合金中添加C和Mo、Nb，使其产生固溶强化和碳化物强化，由此获得高强度的目标。Mo和Nb需同时添加，同时添加Mo和Nb，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，因为Mo能强烈地偏聚在NbC和基体的界面，从而阻止Nb原子自基体中向NbC颗粒中扩散，这样即使在较高温度回火，也能保持细小的析出相尺寸，从而带来合金强度的增加，同时合金线材的塑性和扭转特性都达到较高水平，即使不采取特殊的加工手段合金线材的扭转值(100d)，很容易达到80次以上，且扭转值的离散性小。为了利用Mo和Nb的碳化物充分实现高强度化，规定添加比为Mo/Nb≥1.5，如果不能满足该比例，则容易出现粗大的碳化物。

为了实现合金高强度和优良扭转特性的目的，C的加入量应满足C＝0.7～1.3(0.063Mo+0.2Nb)，在满足上述规定的前提下就能保证Mo和Nb碳化物析出充分，避免游离碳产生。如果合金中C的加入量大于上述条件的上限，则会使合金中存在游离碳，而且达到一定数量时，合金线材的塑性和扭转特性就会变坏。与此相反，如果用Mo和Nb固定合金中游离碳，就能很好的防止这种现象。但是如果合金中C的加入量小于上述条件的下限，Mo和Nb碳化物析出将不充分，合金的强度将达不到本发明的要求。

在本发明中，可以在上述成分中添加Al、Mg、B、Ca、稀土金属中的一种或二种元素，Al和稀土金属的含量应≤0.1％、Mg、B、Ca≤0.02％。

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：0.15～0.40wt％

C是析出碳化物所必需的元素，C的最低限≥0.15％是必要的，以足够数量的碳化物析出，从而显著提高合金的加工硬化性能；但C过高会造成游离碳的出现，并使合金的膨胀系数上升，应将C限制在0.40％以下。

Si≤0.59wt％

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0.59％。

Mn≤0.60wt％

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≤0.6wt％。

P≤0.025wt％

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≤0.02wt％

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％。

Ni：34.0～40.0wt％

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。

Nb：0.3～1.0wt％

Nb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1.0％。

Cr≤0.49wt％

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0.49％。

Mo≤1.5～4.0wt％

Mo作为微细的M₂C或M₆C型碳化物形成元素，可增大合金的加工硬化率，并能保证NbC以细小的析出相尺寸析出，将其下限规定为1.5％；但Mo的加入量过高导致膨胀系数增大，因而将其上限规定为4.0％。

Mo/Nb≥1.5

通过Mo和Nb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Mo和Nb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＝0.7～1.3(0.063Mo+0.2Nb)

为了获得合金充分的高强度以及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≤3.5wt％

用于替代部分镍，当希望获得较低的膨胀系数时，可以添加适当量，但应相应减少Ni的加入量。

Al和稀土金属的含量应≤0.10％，Mg≤0.01％。、B≤0.01％。、Ca≤0.02％

Al、Ca、Mg、B、稀土是为脱氧添加的元素，有助于提高钢的热加工性能，但过度加入也是不利的。

本发明的低膨胀高强度合金线材的制备方法如下：将本发明的合金成分钢锭经锻造、热轧轧制成盘条；热轧盘条进行1000～1150℃的固溶热处理；在20～75％变形量范围内进行冷加工；经450～750℃范围内进行回复热处理；实施≥55％变形量的冷加工。生产出的合金线材的抗拉强度≥1300MPa，膨胀系数≤3.0×10-6/℃(20～230℃)，≤10.0×10-6/℃(230～300℃)。

其中，热轧盘条进行1000～1150℃的固溶热处理是为了保证Mo和Nb的碳化物充分溶解，使合金线材冷拉以后在进行回复热处理时碳化物细微析出，有利于合金加工硬化率、扭转特性、韧性的提高，固溶热处理也可在热轧盘条冷拉后进行，但固溶热处理是生产过程中必须进行的步骤。

这里热轧制成盘条后的首次冷加工是起预应变作用，有利于后面回复热处理过程中在亚晶界析出细微且均匀的碳化物。在冷加工过程中，变形量≤20％，不能给予充分的预应变，而如果超过75％的变形量时，则合金的再结晶温度下降，导致在进行下一道次热处理后，难以获得高的强度。

450～750℃温度范围内进行的回复热处理是为了使Mo和Nb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。

随后进行的冷加工是为确保必要的强度而进行的，此时最低的加工变形量应≥55％，由此可获得抗拉强度大于1300MPa的高强度低膨胀合金线材。

本发明与现有技术相比，在具有优良扭转特性和高强度的同时，获得更低的膨胀系数：抗拉强度≥1300MPa，扭转值(100d)≥80次，合金的膨胀系数较低，其20～230℃和230～290℃温度范围平均线膨胀系数分别为≤3.0×10-6/℃和≤10.0×10-6/℃。满足倍容量导线的应用要求。

具体实施方式

下面通过具体实施例来说明本发明。

表1为本发明实施例1～5以及对比例1～5的化学成分及性能工艺参数表。

表1

C＝A(0.063Mo+0.2Nb)，系数A＝0.7～1.3时材料综合性能优良。

冷拉1是指盘条固溶处理后进行的第一次冷拉，冷拉2是指盘条经过第一次冷拉和时效热处理后进行的第二次冷拉。

用150Kg真空感应炉熔炼，浇铸得到135Kg锭子。将合金钢锭加热到1180℃锻造加工成直径

圆棒。将圆棒加热到1050～1100℃轧成盘条，盘条直径Φ12。

实施例1

C：0.24wt％；Si：0.26wt％；Mn：0.60wt％；P：0.01wt％；S：0.02wt％；Ni：38.34wt％；Cr：0.49wt％；Mo：1.52wt％；Nb：1.0wt％；Mo/Nb＝1.52；Ca：0.02wt％。

如表1，将热轧盘条进行1000℃的固溶热处理，对盘条进行冷加工，首先，对75％变形量范围内的盘条进行冷拉加工，进行第一次冷拉，在460℃的温度下进行热处理，接着酸洗、剥皮；

对55％变形量范围内的盘条进行冷拉加工，进行第二次冷拉，然后在460温度下进行热处理，在冷拉成品上取样，抗拉强度1350MPa，扭转值(100d)为153次，合金的膨胀系数较低，其20～230℃和230～290℃温度范围平均线膨胀系数分别为≤2.19×10-6/℃和≤4.59×10-6/℃。满足倍容量导线的应用要求。

实施例2～5的具体步骤同实施例1，在此不再一一累述。

从上述实施例可看出，本发明的合金线材能得到良好的抗拉强度，均≥1300MPa，扭转特性及低膨胀性能优异。与此相反，C、Mo、Nb、Mo/Nb、C＝0.7～1.3(0.063W+0.2V)的值不能满足本发明条件的比较例子合金，其抗拉强度、扭转特性至少有一项得不到满足。

Claims

1.一种Fe-36Ni为基的合金线材，其特征在于，其成分重量百分比为：

C：0.15～0.40；

Si≤0.59；

Mn≤0.60；

P≤0.025；

S≤0.02；

Ni：34.0～40.0；

Co≤3.5；

Cr≤0.49；

Mo：1.5～4.0；

Nb：0.3～1.0；

其余为Fe和不可避免杂质。

2.如权利要求1所述的Fe-36Ni为基的合金线材，其特征在于：Mo∶Nb≥1.5∶1。

3.如权利要求1所述的Fe-36Ni为基的合金线材，其特征在于：C＝0.7～1.3(0.063Mo+0.2Nb)。

4.如权利要求1所述的Fe-36Ni为基的合金线材，其特征在于，还包括一种或两种下列元素，其成分重量百分比为：

Al：≤0.1；

Mg：≤0.01；

B：≤0.01；

Ca：≤0.02；

稀土金属：≤0.10。

5.如权利要求1所述的Fe-36Ni为基的合金线材的制造方法，具体包括如下步骤：将本发明的合金成分钢锭经锻造、热轧轧制成盘条；热轧盘条进行1000～1150℃的固溶热处理；在20～75％变形量范围内进行冷加工；经450～750℃范围内进行回复热处理；实施≥55％变形量的冷加工。