CN102888557A

CN102888557A - 一种高强度低膨胀系数合金线材及其制造方法

Info

Publication number: CN102888557A
Application number: CN2011102013002A
Authority: CN
Inventors: 陆建生
Original assignee: Baoshan Iron and Steel Co Ltd
Current assignee: Baowu Special Metallurgy Co Ltd
Priority date: 2011-07-18
Filing date: 2011-07-18
Publication date: 2013-01-23
Anticipated expiration: 2031-07-18
Also published as: CN102888557B

Abstract

本发明公开了一种高强度低膨胀系数合金线材，其基体为奥氏体，所述奥氏体基体上弥散分布着Ni₃(Ti，Al)，所述高强度低膨胀系数合金线材的各化学元素质量百分配比为：C≤0.05％；Si≤0.50％；Mn≤0.60％；Ni：36.0～42.0％；Ti：1.5～3.0％；Al：0.3～1.0％；余量为Fe和其他不可避免的杂质。相应地，本发明还公开了该高强度低膨胀系数合金线材的制造方法。本发明所述的高强度低膨胀系数合金线材的抗拉强度大于等于1500MPa，并且在20～100℃温度范围内，平均线膨胀系数小于等于3.5×10^-6/℃。

Description

一种高强度低膨胀系数合金线材及其制造方法

技术领域

本发明涉及一种合金及其制造方法，尤其涉及一种合金线材及其制造方法。

背景技术

因瓦合金Fe-36Ni，化学成分为：C≤0.05％，Si≤0.20％，P≤0.020％，S≤0.020％，Ni：35.7～37.0％，Mn：0.20～0.60％，其余为Fe和不可避免的杂质，是一种低膨胀系数合金，其在20～100℃和20～300℃温度范围内，膨胀系数分别为≤1.5×10^-6/℃和≤5.1×10^-6/℃。由于非常低的膨胀系数，因瓦合金得到了广泛的应用。例如，可用于制造标准尺、液化天然气船船舱内壁、碳纤维复合材料模具等。但是普通因瓦合金的强度很低，约为400～500MPa，这限制了其在低膨胀结构件中的使用。

目前提高因瓦合金强度的主要方法是以Fe-36Ni合金为基体，通过添加碳和碳化物形成元素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，因瓦合金的强度一般小于1100MPa，而且塑性和扭转特性均较差。

公开号为CN1114366，公开日为1996年1月3日，名称为“高强度超因瓦合金及其生产方法”的中国专利文献，通过添加C和Nb，使FeNi因瓦合金的抗拉强度≥1150MPa。

公开号为JP2003082439，公开日为2003年3月19日，名称为“具有良好强度和扭转特性的低膨胀合金线材及其制造方法”(INVAR ALLOY WIREHAVING EXCELLENT STRENGTH AND TWISTING PROPERTY，ANDPRODUCTION METHOD THEREFOR)的日本专利文献公开了一种低膨胀合金线材，其化学成分为：C：0.20～0.40％，Si≤0.8％，Mn≤1.0％，P≤0.050％，Mo：1.5～6.0％，V：0.05～1.0％，Mo/V≥1.0且(0.3Mo+V)≥4C，其余为Fe和不可避免的杂质)，该技术方案采用C、Mo、V联合添加，形成弥散型碳化物。该合金在20～230℃内的平均线热膨胀系数≤3.7×10^-6/℃；在230～290℃内平均线热膨胀系数≤10.8×10^-6/℃，抗拉强度≥1300MPa。

公开号为CN1743490，公开日为2006年3月8日，名称为“一种高强度因瓦合金及其合金线材的生产方法”的中国专利文献，采用复合碳化物强化的方法，在保持了常规Fe-36Ni因瓦合金的低膨胀特性(在20～240℃内，α≤2.5×10^-6/℃；在20～290℃内，α≤4.5×10^-6/℃)和扭转特性(扭转值≥40)，同时使得合金线材的强度达到了1300MPa。

综上所述，现有高强度因瓦合金线材的强度一般在1300MPa左右。

发明内容

本发明的目的是提供一种高强度低膨胀系数合金线材以及其制造方法，旨在在保持较低的膨胀系数的同时，较之现有同类合金线材，提高本发明所述的合金线材的强度，从而提高合金线材的使用性能，扩大其使用范围。

本发明所述的合金线材采用金属间化合物强化和冷变形强化的强化方式，在Fe-36Ni因瓦合金化学成分基础上，通过有效的利用Ti、Al，并将其限制在适当的成分范围内，采用合理的加工工艺，形成弥散分布的Ni₃(Ti，Al)强化相，在确保合金线材具有低的热膨胀系数的前提下，使得合金线材的抗拉强度达到1500MPa以上，有效地解决了因瓦合金线材强度低的问题。

根据上述发明目的和发明构思，本发明提供了一种高强度低膨胀系数合金线材，其基体为奥氏体，所述奥氏体基体上弥散分布着Ni₃(Ti，Al)，所述高强度低膨胀系数合金线材的各化学元素质量百分配比为：C≤0.05％；Si≤0.50％；Mn≤0.60％；Ni：36.0～42.0％；Ti：1.5～3.0％；Al：0.3～1.0％；余量为Fe和其他不可避免的杂质。

优选地，所述的高强度低膨胀系数合金线材还包括Co：≤4.5wt％，且满足Ni+Co为39.0～44.0wt％。

优选地，所述的高强度低膨胀系数合金线材还包括质量百分配比为≤0.1％的稀土元素、质量百分配比为≤0.02％的B以及质量百分配比为≤0.02％的Ca中的一种或两种。

本技术方案的化学成分设计原理如下：

本发明合金的强化相是弥散分布在奥氏体基体上的Ni₃(Ti，Al)，C是析出碳化物所必需的元素，由于C和Ti、Al形成碳化物的温度比析出Ni₃(Ti，Al)的温度低，因此，对于本技术方案来说过高的C含量会使Ti、Al先形成碳化物，从而使Ni₃(Ti，Al)的析出数量减少，导致合金强化效果降低，且C过高还会造成合金的膨胀系数上升，所以应将C限制在0.05％以下。

Si是有效的脱氧剂，但对于本技术方案来说，超过上限的Si会增大合金线材的膨胀系数。

Mn是钢的脱氧剂，还可与S结合，以MnS的形态将S固定下来，有利提高热加工性能，但Mn元素对膨胀系数和扭转特性不利，因此，将其规定为≤0.6％。

Ni对确保合金线材的低膨胀性能是必需的，将Ni含量控制在36.0～42.0％范围内，能使合金在添加强化元素的条件下保持因瓦特性，合金膨胀系数较低。

本技术方案中，Ti和Al元素的添加主要是为了形成Ni₃(Ti，Al)金属间化合物，以便经过时效引起沉淀强化，Ti含量必须超过1.5％，才能产生γ′相的沉淀。含Ti量较高而含Al量极低的合金析出的γ′相不稳定，会逐步转变成六方点阵的η-Ni₃Ti，η-Ni₃Ti会在晶界形成胞状沉淀，降低合金的塑性。但Al含量较高时，会出现Ni₂AlTi相，它有较大的聚集长大速度，不能作为沉淀强化相。Al在合金中的作用是稳定γ′相的面心立方点阵结构，稳定沉淀强化效果。然而Ti和Al加入钢中会造成合金膨胀系数的上升。因此，为了在提高合金线材强度的同时还要保证低膨胀系数，发明人经过大量试验确定了Ti、Al的添加量，即Ti在1.5～3.0％内、Al在0.3～1.0％内。

本技术方案中，不可避免的杂质主要是指P和S。由于P在晶界处偏析，造成韧性下降，希望越低越好。而S会使热加工性能下降，因此也希望其含量越低越好。

在本技术方案的优选方案中，可以添加Co元素，同时控制Ni+Co的质量百分配比含量在39.0～44.0％。添加Co可以进一步的降低合金线材的膨胀系数。

在本技术方案的优选方案中，可以添加Ca、B、稀土元素中的一种或两种，其作为脱氧元素，有助于提高钢的热加工性能，但同时试验也证明，过度加入对本技术方案的实施效果是不利的。

相应地，本发明还提供了上述高强度低膨胀系数合金线材的制造方法，其包括下列步骤：

(1)冶炼、浇铸得到锭子；

(2)将锭子锻造为圆棒；

(3)将圆棒热轧轧制成盘条；

(4)对所述盘条进行第一次冷拉和固溶热处理，所述固溶热处理步骤可在第一次冷拉步骤前进行，也可在完成了第一次冷拉后进行，固溶热处理温度为1000～1150℃，第一次冷拉的变形量为20～75％；

(5)酸洗、剥皮；

(6)进行时效热处理，温度为550～750℃；

(7)进行变形量≥55％的第二次冷拉。

本发明所述的制造方法中，将热轧盘条进行1000～1150℃的固溶热处理是为了保证金属间化合物和碳化物充分溶解，进而使合金线材在进行时效热处理时，Ni₃(Ti，Al)金属间化合物细微析出，从而有利于提高合金加工的硬化率。

本发明所述的制造方法中，第一次冷拉起预应变作用，有利于后面时效热处理过程中，在亚晶界析出细微且均匀的Ni₃(Ti，Al)金属间化合物。在第一次冷拉处理过程中，需要将变形量控制在适当的范围内，如果变形量≤20％，则不能给予充分的预应变；而如果变形量超过75％，则会导致合金的再结晶温度下降，进而导致合金线材难以获得高的抗拉强度。

本发明所述的制造方法中，进行第二次冷拉处理并保证最低的变形量为是为55％，可以保证本技术方案所述的合金线材的抗拉强度大于1500MPa。

优选地，所述高强度低膨胀系数合金线材的制造方法的步骤(6)中，时效热处理温度为600～700℃。在600～700℃温度范围内进行的时效热处理是为了使Ni₃(Ti，Al)金属间化合物能够从母相中更均匀地析出，从而进一步提高合金的抗拉强度。

本发明所述的高强度低膨胀系数合金线材通过采用上述技术方案，使得奥氏体基体上析出了弥散分布的Ni₃(Ti，Al)金属间化合物，从而使得合金线材在20～100℃温度范围内，平均线膨胀系数为≤3.5×10^-6/℃的同时，抗拉强度≥1500MPa。

具体实施方式

实施例1-5以及对比例1-5

按照下列步骤制造本发明所述的高强度低膨胀系数合金线材，各步骤的具体工艺参数参见表2：

(1)用150Kg真空感应炉熔炼，浇铸得到135Kg锭子，其化学成分质量百分配比如表1所示；

(2)将锭子锻造加工成直径φ50mm圆棒；

(3)将圆棒加热到1050～1100℃轧成盘条，盘条直径φ10mm；

(4)对盘条进行第一次冷拉，变形量为20～75％；

(5)进行固溶热处理，温度为1000～1150℃；

(6)酸洗、剥皮；

(7)进行时效热处理，温度为600～700℃；

(8)进行第二次冷拉，变形量≥55％。

表1.(余量为Fe)

发明人在本案实施例1-5和对比例1-5的最终成品上取样，进行抗拉强度、热膨胀系数测试，测试结果见表2。

表2.

从表2可以看出，采用本发明所述的技术方案制造得到的合金线材，兼顾具有很好的抗拉强度(≥1500MPa)和低膨胀系数(≤3.5×10^-6/℃)。对比例所涉及的合金线材由于未全部满足本技术方案所限定的条件，则其抗拉强度或膨胀系数至少有一项无法达到本技术方案的实施效果。

要注意的是，以上列举的仅为本发明的具体实施例，显然本发明不限于以上实施例，随之有着许多的类似变化。本领域的技术人员如果从本发明公开的内容直接导出或联想到的所有变形，均应属于本发明的保护范围。

Claims

1.一种高强度低膨胀系数合金线材，其基体为奥氏体，其特征在于，所述奥氏体基体上弥散分布着Ni₃(Ti，Al)，所述高强度低膨胀系数合金线材的各化学元素质量百分配比为：

C≤0.05％；

Si≤0.50％；

Mn≤0.60％；

Ni：36.0～42.0％；

Ti：1.5～3.0％；

Al：0.3～1.0％；

余量为Fe和其他不可避免的杂质。

2.如权利要求1所述的高强度低膨胀系数合金线材，其特征在于，还包括Co：≤4.5wt％，且满足Ni+Co为39.0～44.0wt％。

3.如权利要求1或2所述高强度低膨胀系数合金线材，其特征在于，还包括质量百分配比为≤0.1％的稀土元素、质量百分配比为≤0.02％的B以及质量百分配比为≤0.02％的Ca中的一种或两种。

4.如权利要求1或2所述的高强度低膨胀系数合金线材的制造方法，其特征在于，包括下列步骤：

(1)冶炼、浇铸得到锭子；

(2)将锭子锻造为圆棒；

(3)将圆棒热轧轧制成盘条；

(5)酸洗、剥皮；

(6)进行时效热处理，温度为550～750℃；

(7)进行第二次冷拉，变形量≥55％。

5.如权利要求4所述的高强度低膨胀系数合金线材的制造方法，其特征在于，所述步骤(6)中，时效热处理温度为600～700℃。

6.如权利要求3所述的高强度低膨胀系数合金线材的制造方法，其特征在于，包括下列步骤：

(1)冶炼、浇铸得到锭子；

(2)将锭子锻造为圆棒；

(3)将圆棒热轧轧制成盘条；

(5)酸洗、剥皮；

(6)进行时效热处理，温度为550～750℃；

(7)进行第二次冷拉，变形量≥55％。

7.如权利要求6所述的高强度低膨胀系数合金线材的制造方法，其特征在于，所述步骤(6)中，时效热处理温度为600～700℃。