CN105039850A - 高强度低膨胀的热轧因瓦合金 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高强度低膨胀的热轧因瓦合金，其成分的重量百分含量为：C0.1%～0.4%、Ni34%～42%、Mo1.5%～5.5%、N0.002%～0.03%、Al0.015%～0.04%、S≤0.005%、P≤0.005%；下述成分中的一种或几种：Nb0.01%～0.4%、V？0.05%～0.55%、Ti0.02%～0.2%；其余为Fe及不可避免杂质。本合金严格控制S、P元素含量，通过有效地提高合金中的氮含量，并适当加入Nb、V、Ti、Mo等元素，在保证合金低热膨胀系数的前提下，利用氮化物和碳化物复合弥散析出，增强奥氏体热轧态基体的抗拉强度，为进一步研制冷拔因瓦合金线材等产品提供优质基材。本合金在奥氏体基体上弥散分布着NbN、TiN、VN、VC、Mo₂C、NbC等细微颗粒，有效地提升了抗拉强度、降低了膨胀系数，具有生产成本低、操作工艺简单、节约合金原料等特点。

Description

高强度低膨胀的热轧因瓦合金

技术领域

本发明涉及一种合金，尤其是一种高强度低膨胀的热轧因瓦合金。

背景技术

含镍质量分数为36%的铁镍合金(又称因瓦合金)，低于居里温度可展示出极低的热膨胀系数，在精密仪器、电子工业、航空航天等领域具有巨大的应用价值，是制作显示器荫罩、热双金属片、玻璃密封引丝、微波谐振腔、精密激光部件、液态天然气和液态氧储罐等产品的关键材料。

需要指出的是，《YB/T5241-2005低膨胀铁镍、铁镍钴合金》标准中规定4J36范畴内的合金成分(重量%)为：C≤0.05%、Ni35～37%、Mn0.2～0.6%、Si≤0.3%、S≤0.02%、P≤0.02%，其余为Fe和不可避免杂质。依靠这种化学成分生产出来的4J36合金，室温下的抗拉强度不足500MPa，长期以来只能作为功能材料使用，难以适合新形势下承担结构材料作用的性能要求。

为了提高因瓦合金的强度指标，目前最为通行的做法是向合金中同时加入碳和碳化物形成元素，利用碳化物析出强化，实现强度性能的提升。而另一方面，向合金中添加金属间化合物形成元素，如Ti和Al等，利用金属间化合物Nb₃Al、Nb₃Ti对基体的强化作用，提高合金的强度。

中国专利公开说明书CN1275630A公开了一种高强度低膨胀合金钢，其化学成分质量百分比为：C0.15～0.35%，Mn0.1～0.6%，Si0.15～0.6%，Ni32～40%，Mo0.3～0.95%，B0.003～0.15%，Zr0.005～0.01%，其余为Fe。其利用Mo₂C的析出强化及B对晶界的强化作用，可使该合金抗拉强度达到1100MPa以上，25～250℃范围内的线膨胀系数α≤1.2×10^-6/℃。

中国专利公开说明书CN100447275C公开了一种高强度因瓦合金及其合金线材的生产方法，其化学成分质量百分比为：C0.15～0.4%，Si≤0.6%，Mn≤0.8%，P≤0.025%，S≤0.02%，Ni34.0～42.0%，Co≤3.5%，Cr≤0.5%，Cu≤0.2%，W1.5～5.0%，V0.3～1.2%，Mo≤0.5%，其余为Fe和不可避免杂质。使用该成分的因瓦合金，充分利用W、V和Mo的微细碳化物，如WC、W₂C、VC、Mo₂C等，对奥氏体基体的析出强化作用，再经冷拔工艺加工成丝材后，其强度可达1200MPa以上。

中国专利公告说明书CN102888557B公开了一种高强度低膨胀系数合金线材及其制造方法，其化学成分质量百分比为：C≤0.05%，Si≤0.5%，Mn≤0.6%，Ni36.0～42.0%，Ti1.5～3.0%，Al0.3～1.0%，Co≤4.5%，RE≤0.1%或B≤0.02%或Ca≤0.02%。该化学成分的因瓦合金，经拉拔处理制成一定直径的线材，充分利用Ni₃(Ti,Al)相对奥氏体基体的弥散强化作用，可使线材的抗拉强度大于等于1500MPa，同时，20～100℃温度范围内的平均线膨胀系数α≤3.5×10^-6/℃。

中国专利公开说明书CN1400330A公开了高强度低膨胀的合金结构钢材料，其化学成分质量百分比为：C0.5～2.5%，Ni32～45%，V1.2～3.0%，Cr0.5～5.0%，Si≤0.6%，Mn≤2.0%，Cu≤5.0%，Mg≤0.2%，Ca≤0.01%，RE≤0.2%，Mo、W、Nb、Zr中的任意一种元素在0.5～5.0%，其余为Fe。该合金材料的抗拉强度大于1200MPa，但线膨胀系数偏大，α_20～100℃≥6.0×10^-6/℃。

中国专利公开说明书CN100535164C公开了一种Fe-36Ni为基的合金线材及其制造方法，其化学成分质量百分比为：C0.15～0.4%，Ni34～40%，Si≤0.6%，Mn≤0.6%，Mo1.5～4.0%，Nb0.3～1.0%，Co≤3.5%，Cr≤0.49%，P≤0.025%，S≤0.02%，Al≤0.1%，Mg≤0.01%，B≤0.01%，Ca≤0.02%，RE≤0.1%，其余为Fe和不可避免杂质。其利用Mo₂C和NbC对奥氏体基体的析出强化作用，该成分合金经冷拉拔处理后，可实现合金线材的抗拉强度大于1300MPa，线膨胀系数α_20～230℃≤3.0×10^-6/℃。

上述中国专利均采用析出强化结合特殊的制造工艺手段提高因瓦合金的强度，而且，所用的析出强化相要么是碳化物，要么是金属间化合物。存在单纯的碳化物相析出强化效果不足的问题，或者利用金属间化合物析出强化过程工艺控制复杂的问题。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种强化效果好、生产工艺简单的高强度低膨胀的热轧因瓦合金。

为解决上述技术问题，本发明成分的重量百分含量为：C0.1%～0.4%、Ni34%～42%、Mo1.5%～5.5%、N0.002%～0.03%、Al0.015%～0.04%、S≤0.005%、P≤0.005%；下述成分中的一种或几种：Nb0.01%～0.4%、V0.05%～0.55%、Ti0.02%～0.2%；其余为Fe及不可避免杂质。

优选的，所述成分含量中，Nb+V+Ti≤0.55%。

优选的，所述成分含量中，(Nb+V+Ti)/N≥3.0。

优选的，所述N含量为0.004%～0.02%。

优选的，所述Ni含量为38%～40wt%。

本发明的成分设计中：

C：C是析出碳化物强化相的必需元素，一方面碳含量过多，会提高整体合金的热膨胀系数，碳含量过低，强化效果不明显；另一方面，碳化物相的析出温度一般较氮化物低许多，碳含量过高，会减少氮化物析出相的数量，从而在合金基体中溶解过剩的氮，容易产生气孔，不利于力学性能的稳定。因此，碳含量最好控制在0.1～0.4%之间。

Ni：Ni是保证合金具有单一奥氏体基体和低膨胀性能的必需元素，Ni含量控制在34～42%的范围内，能使合金在添加强化元素的条件下保持低膨胀系数。

Mo：Mo是形成强碳化物析出相Mo₂C的重要元素，由于Mo₂C的形成能力较Nb、V、Ti的碳化物相差，为使Mo的强化作用得到充分体现，Mo的含量应控制在1.5～5.5%范围水平。

Nb、V、Ti：本发明中添加一定量的Nb、V、Ti，使之与碳在低温条件下形成相应的NbC、VC和TiC析出相，有效阻碍晶界迁移，达到细晶强化和碳化物强化作用；另外，未完全析出的Nb、V、Ti又与N在高温条件下形成相应的NbN、VN和TiN析出相，进一步阻碍奥氏体基体晶粒的长大，保持基体晶粒的细化状态。因为Nb、V、Ti的碳化物和氮化物析出相热膨胀系数远高于奥氏体基体，过多含量的Nb、V、Ti会造成合金的热膨胀系数增加；因此，Nb含量控制在0.01～0.4%，V含量控制在0.05～0.55%，Ti含量控制在0.02～0.2%。

N：N是形成氮化物析出相所必需的元素，N含量与Nb、V、Ti之间存在一定的比例关系，合金中N含量偏少，不能满足NbN、VN和TiN完全析出的需要，N含量过多，又容易造成气孔，引起力学性能不稳定，因此，N含量控制在N0.002～0.03%。

Al：Al是有效的脱氧剂，控制Al含量在0.015～0.04%，可以起到较好的脱氧作用，无需向合金中加入Mn、Si。因此，添加Al既能实现合金的脱氧目的，又可以避免Mn、Si对热膨胀系数的不利影响。

本发明主要通过添加C、N、Nb、V、Ti、Mo元素，利用不同温度下析出的NbC、VC、TiC和Mo₂C，以及NbN、VN和TiN达到细晶强化和弥散强化作用，提高合金的抗拉强度。利用碳化物和氮化物复合析出强化奥氏体基体，并适当提高合金中的Ni含量，既能够对奥氏体基体起到强化作用，又可以控制合金的热膨胀系数保持在较小的水平，这样，无需向合金中添加抑制热膨胀系数增大的元素Co。此外，氮化物的强化效果要明显好于碳化物，因此，本发明采用的氮化物析出强化方法，无需向合金中添加W、Cr等其它碳化物形成元素。

采用上述技术方案所产生的有益效果在于：本发明在Fe-36Ni因瓦合金化学成分的基础上，严格控制S、P元素含量，通过有效地提高合金中的氮含量，并适当加入Nb、V、Ti、Mo等元素，在保证合金低热膨胀系数的前提下，利用氮化物和碳化物复合弥散析出，增强奥氏体热轧态基体的抗拉强度，为进一步研制冷拔因瓦合金线材等产品提供优质基材。本发明基体为奥氏体，所述奥氏体基体上弥散分布着NbN、TiN、VN、VC、Mo₂C、NbC等细微颗粒，有效地提升了其抗拉强度、降低了膨胀系数，具有生产成本低、操作工艺简单、节约合金原料等特点。

本发明利用碳化物和氮化物复合析出强化奥氏体基体，既避免了单纯的碳化物相析出强化效果不足的问题，又避免了利用金属间化合物析出强化过程工艺控制复杂的问题；同时，通过调控Ni元素的含量，而无需向合金中添加过多的Co元素。本发明既节约了合金原料，又简化了工艺流程和生产成本。本发明的抗拉强度(Rm)超过900MPa，屈服强度(Rp0.2)超过750MPa，延伸率(A80)超过17%，线膨胀系数α_{-100～100℃}小于2.5×10^-6/℃，为制备冷拔倍容量导线线芯产品提供了优选的基材，为开发飞机复合材料模具奠定基础。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

图1是本发明的拉伸曲线图。

具体实施方式

实施例1－10：本高强度低膨胀的热轧因瓦合金采用下述的成分配比生产而成。

本热轧因瓦合金经真空感应炉熔炼、浇铸成锭、一次性轧制成测试尺寸要求的热轧材；采用表1所示的成分配比，并以4J36合金作为对比例。所述实施例和对比例样品均在氩气保护环境下浇铸成铸锭，浇铸温度为1550℃，再将铸锭在1200℃下固溶处理1.5h，初轧温度为1150℃，终轧温度为960℃。有所不同的是，对比例和实施例1、2、6的样品热轧后直接水冷室温；实施例3、4、7的样品热轧直接水冷至400℃，然后空冷至室温；实施例5、8、9、10的样品热轧直接水冷至400℃，再加热至700℃保温1h，空冷至室温。各实施例样品和对比例样品的力学性能和热膨胀性能数据见表2。

表1：各实施例中热轧因瓦合金的化学成分（wt%）

表1中，其余为Fe及不可避免杂质。

表2：各实施例样品和对比例样品的力学性能和热膨胀性能数据

由表2可知，本热轧因瓦合金不但具有较好的抗拉强度(≥900MPa)，良好的延伸率(≥16%)；同时，展示出较低的热膨胀系数(≤3.0×10^-6/℃)。尽管热膨胀系数较对比例有明显的增大（与其他金属比较，仍属于低膨胀性能），但合金的强度指标获得大幅度提升，力学性能获得明显改善。进一步地，由图1中所示的实施例1、实施例3、实施例5和对比例的拉伸曲线图也可以直观看出，本技术在改善传统因瓦合金强度方面的突出实施效果。

Claims (5)

1.一种高强度低膨胀的热轧因瓦合金，其特征在于，其成分的重量百分含量为：C0.1%～0.4%、Ni34%～42%、Mo1.5%～5.5%、N0.002%～0.03%、Al0.015%～0.04%、S≤0.005%、P≤0.005%；下述成分中的一种或几种：Nb0.01%～0.4%、V0.05%～0.55%、Ti0.02%～0.2%；其余为Fe及不可避免杂质。

2.根据权利要求1所述的高强度低膨胀的热轧因瓦合金，其特征在于：所述成分含量中，Nb+V+Ti≤0.55%。

3.根据权利要求1所述的高强度低膨胀的热轧因瓦合金，其特征在于：所述成分含量中，(Nb+V+Ti)/N≥3.0。

4.根据权利要求1所述的高强度低膨胀的热轧因瓦合金，其特征在于：所述N含量为0.004%～0.02%。

5.根据权利要求1－4任意一项所述的高强度低膨胀的热轧因瓦合金，其特征在于：所述Ni含量为38%～40wt%。