CN105861935A

CN105861935A - 一种热塑性优良的Fe-36Ni因瓦合金材料及其制备方法

Info

Publication number: CN105861935A
Application number: CN201610222074.9A
Authority: CN
Inventors: 于彦冲; 穆林; 王社斌
Original assignee: Taiyuan University of Technology
Current assignee: Shanxi Advanced Forming Intelligent Equipment Co ltd
Priority date: 2016-04-12
Filing date: 2016-04-12
Publication date: 2016-08-17
Anticipated expiration: 2036-04-12
Also published as: CN105861935B

Abstract

一种热塑性优良的Fe‑36Ni因瓦合金材料及其制备方法，化学成分质量百分比：C≤0.05%，Si≤0.3%，P≤0.02%，S≤0.02%，Mn：0.15~0.45%，N ≤ 0.007%，Ni 35%~37%，T[O] 0.002～0.01%，Ti 0.035~0.1%，B 0.003~0.015%，余量为Fe及不可避免的杂质。其制备方法为：（1）冶炼；（2）铸造；（3）保护气氛下将铸锭在3小时内升温至1200℃，保温2小时后开锻，变形量为75%，终锻温度大于1050℃；（4）将锻造试样进行热处理得到最终因瓦合金材料。本发明可提高合金热塑性，避免轧制过程中产生开裂问题。

Description

一种热塑性优良的Fe-36Ni因瓦合金材料及其制备方法

技术领域

本发明属于钢铁冶金领域，具体涉及一种热塑性优良的Fe-36Ni因瓦合金材料及其制备方法。

背景技术

在-200～200℃范围内，因瓦合金是一种热膨胀系数很低，随外部温度的变化热膨胀系数几乎不变的特种合金，具有反常的力学和磁性能。因其优异的低膨胀特性，它最初主要用来制造精密仪器、仪表中要求尺寸不变的零件，如标准量具、大地测量尺等。它最初主要用来制造精密仪器、仪表中要求尺寸不变的零件，如标准量具、大地测量尺等。随着科技及应用范围的扩展，如海洋长途运输的液化天然气储罐、特殊传输电缆、大型电子望远镜的基座定位装置、宇航工业适用的因瓦合金模具、液氢储罐等，合金产品应用领域已从传统精密仪器行业向电子工业和特殊结构材料行业拓展，需求量越来越大。

因瓦合金为单相奥氏体组织合金，在凝固过程中没有相变的产生，粗大的柱状晶容易形成，粗大的柱状晶会加剧连铸坯的裂纹敏感性，恶化其热塑性；因瓦合金对S偏析非常敏感，S是易偏析元素，偏聚在晶界恶化合金的热塑性。合金热塑性差致使合金在热加工过程中开裂现象严重，产品质量不稳定、生产成本高、成材率和生产效率低导致供需矛盾突出，这严重地制约着该产品的广泛使用以及大量生产。因此，提供一种热塑性优良的Fe-36Ni因瓦合金材料及其制备方法，以提高因瓦合金的生产效率，降低因瓦合金生产成本，成为人们迫切关注的问题。

目前，关于因瓦合金的专利中，大多数主要集中在其高强度、低膨胀性能等研究方面。专利CN 1114366 A 公开了一种高强度超因瓦合金及其生产方法，合金的化学成分组成为：C0.03~0.5%，Mn＜0.6%，Ni31.0~31.5%，Co3~5%，Nb0.5~0.5%，余量为铁及不可避免的杂质元素。合金采用真空感应炉或非真空感应炉冶炼，经热加工后，进行轻度冷变形和酸洗，再冷加工成带材或钢丝。专利CN 1400330 A 公开了一种高强度低膨胀的合金结构钢材料，C为0.51~2.50%，Ni为32.0~45.0%，V为1.21~3.0%，Cr为0.5~5.0%，Si≤0.6%，Mn≤2.0%，Cu≤5.0%，Mg≤0.2%，Ca≤0.1%，Re≤0.2%，Mo、W、Nb、Zr任意一种或两种之和两种以上之和应该在0.5%~5.0%之间，其余为铁。专利CN1743490A公开了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。专利CN 102888557 A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。专利CN 104120338 A公开了一种改善精密合金Ni36 抗氧化性能的方法，包括电炉熔炼、AOD 精炼、LF炉精炼、连铸、板坯修磨工序，在LF 炉精炼工序中，精炼终点控制S≤0.001%，Al≥0.02%，然后加入以下复合添加剂中的一种：①Ti+Zr，含量范围 (0.02-0.10wt%)Ti+(0.02-0.05wt%)Zr；②稀土元素Ce+La，含量范围 (0.02-0.1wt%)Ce+(0.005-0.04wt%)La；在LF炉精炼中，确保Al ≥0.02wt%；炉渣中(MnO+FeO) ≤0.5wt%。专利CN 105039850 A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。专利CN 1048625851A公开了一种超低膨胀合金材料及其制备方法，所述超低膨胀合金材料的各组分和各组分的质量百分比为：C:0-0.05%；Ni:36-38%；Y:0.6%；余量为铁。其制备方法为将质量百分比为0-0.05%的C、36-38%的Ni、0.6%的Y、余量为铁的混合物加入熔炼炉内进行熔炼；将得到的金属液体进行铸造；在10小时内升温至1150摄氏度后开锻，使其变形量为80%，终锻温度为1050摄氏度；将锻造后的金属回炉至1250摄氏度后，再出炉水冷至常温；热处理后即制得超低膨胀合金材料。

然而，关于提高因瓦合金热塑性的专利报道则很少，仅有专利CN104999007A 公开了一种提高低膨胀合金锻造塑性的方法，其主要方法是在合金铸锭的表面采用耐高温封闭涂料涂刷，然后按照常规的生产进行后续加热、锻造，得到热塑性优良的因瓦合金。本发明合金材料通过向Fe-36Ni因瓦合金中复合添加热塑性改善元素Ti和B，并控制生产工艺来提高合金的热塑性，从而解决合金铸坯在轧制过程中容易开裂的问题。

发明内容

本发明的目的是在兼顾Fe-36Ni因瓦合金低膨胀性能的同时，开发出一种具有优良热塑性的因瓦合金材料及其制备方法，从而解决合金铸坯在轧制过程中的开裂问题，来降低生产成本，提高合金的生产效率及产品质量，并弥补我国高性能特种合金材料生产的不足。

为解决以上技术问题，本发明是通过下述技术方案实现的。

一种热塑性优良的Fe-36Ni因瓦合金材料，其特征在于合金各组分的质量百分比为：C≤0.05%，Si≤0.3%，P≤0.02%，S≤0.02%，Mn：0.15~0.45%，，N ≤ 0.007%，Ni 35%~37%，T[O] 0.002～0.01%，Ti 0.035~0.1%，B 0.003~0.015%，余量为Fe及其他不可避免的微量元素。

Ti和N含量的重量百分比满足如下关系式：

Ti/N≧5

所述热塑性优良的Fe-36Ni因瓦合金材料的制备方法，包含以下步骤：

步骤1，将原料（Fe、C、Si、P、S、Mn、N 、Ni）在真空感应炉进行熔炼，熔炼温度1500~1530℃；

步骤2，先添加Ti，精炼2min后再添加B，精炼1min，对熔液降温，待温度降至1450~1460℃，在真空条件下对熔液进行浇铸，得到直径70mm的圆柱铸锭；

步骤3，在保护气氛下将铸锭在3小时内升温至1200℃，保温2小时后开锻，锻造成直径为15mm的盘条，终锻温度大于1050℃。

步骤4，将锻造后试样进行分段热处理：840~900℃保温1小时，水冷；320~350℃保温1小时，水冷；90~100℃保温24小时，空冷至室温，制备得到最终Fe-36Ni因瓦合金材料。

所述保护气氛包括还原性气氛和中性气氛。

上述方案详述如下。

本发明通过向Fe-36N因瓦合金中复合添加热塑性改善元素Ti和B，并控制生产制造工艺来提高合金的热塑性，从而解决铸坯容易产生开裂的问题。本发明合金中所涉及主要添加元素Ti和B及主要工艺方法的作用认为如下。

（1）Ti、B添加方法：原料在真空感应炉熔化后，先添加Ti，精炼2min后再添加B。Ti和B均是强烈的氮化物形成元素，两者极容易与N结合形成TiN和BN，为保证合金中有足够的固溶B来改善合金的热塑性，先添加Ti来固定N，防止N与固溶的B结合。

（2）Ti元素：Ti在本发明中既可作为非均质形核的元素，也作为热塑性改善元素。Ti添加到合金熔体中与残余的O结合生成大量细小弥散分布的Ti₂O₃颗粒，Ti₂O₃可以作为合金凝固过程中奥氏体的形核核心，细化合金的凝固组织，使晶粒的数目增加，晶界增多，这样会限制合金变形过程中滑移的进行，使得滑移不断改变方向，裂纹难以增加，从而降低了裂纹扩展率；晶界的面积增加，可以降低S在晶界的相对偏析量，强化晶界。Ti也可以与S结合形成TiS，降低S在晶界的偏析，强化晶界；Ti优先与钢中的N结合来形成TiN，因为后续要添加热塑性改善元素B，这样Ti可以优先固定N，来抑制BN的生成，增加合金中以固溶态存在的B来改善合金的热塑性。当Ti含量小于0.035%时，其改善热塑性的效果不明显；而Ti含量超过0.1%时，将显著增加合金的热膨胀系数。

（3）B元素：B是本发明中一种主要的热塑性改善元素。B在合金中扩散速率远远大于S的扩散速率，在合金的凝固过程中，固溶的B以更快的扩散速率优先于S在奥氏体晶界偏聚，这样就降低S在晶界的偏聚，从而提高合金的热塑性。当B含量低于0.003 %时，其改善合金热塑性的效果不明显；但当B含量在0.015%以上时，这时过量的B在晶界析出FeB，降低晶界的强度，会热化合金的热塑性，同时过量的B也会显著增加合金的热膨胀系数。

（4）Ti/N≧5：Ti/N数值主要反映本发明专利中固溶N被固定的程度。B是强烈的氮化物形成元素，易于N结合在晶界析出BN相，恶化合金的热塑性；当钢中有足够的Ti存在时，即Ti/N≧5，这时Ti可以固定所有N，避免在B添加后生成BN，从而使添加的B尽量以固溶的形式存在与因瓦合金中，起到有效改善合金热塑性的目的。

（5）冶炼及浇铸温度：熔炼温度为1500~1530℃，温度太高，合金元素烧损较多，致使原材料中添加元素的收得率不高；温度太低，熔体较粘，合金成分不够均匀；浇铸温度为1450~1460℃，温度＞1460℃，过热度较高，铸锭凝固组织细化的效果较差，温度＜1450℃，过热度较低，不利于合金浇铸过程的顺利进行。

（6）加热制度：铸锭在保护气氛下、在3小时内升温至1200℃，然后加热保温。保护气氛包括中性气氛或还原性气氛，因瓦合金缺少抗氧化性元素，晶间氧化严重，保护气氛可保证合金不被氧化，有效避免合金的晶间氧化，减少轧制过程中裂纹的产生。3小时内升温至1200℃，合金的导热能力较差，升温速度不宜过快。1200℃保温，可使晶粒在变形过程中有足够的再结晶驱动力，有利于再结晶过程的进行，减少轧制过程中裂纹的生成。

（7）终锻温度。终锻温度大于1050℃，可使晶粒在合金变形过程中始终处于再结晶的温度范围内，有利于再结晶过程的进行，减少轧制过程中裂纹的生成。

本发明具有以下积极效果：

1、本发明解决了Fe-36Ni因瓦合金热塑性较差的问题，有效减少了合金在锻造或者轧制过程中开裂的问题，从而显著降低生产成本、提高生产效率及产品质量。

2、本发明的制备方法，如能够实现高品质大规模生产，可扩大高品质特种合金的生产品种、并弥补我国高性能特种合金材料生产的不足。

具体实施方式

为了使本发明的技术方案及优点更加清楚，以下通过实施例对本发明进行进一步的叙述。另外，此处的具体实施例仅仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。相反，本发明涵盖任何由权利要求定义的在本发明范围上所做的代替和修改方法。

在真空感应炉冶炼所需成分的Fe-36Ni因瓦合金材料，熔炼温度为1500~1530℃，先添加适量Ti，精炼2min后，再添加适量B，精炼1min，对熔液降温，待温度降至1450~1460℃，在真空条件下对熔液进行浇铸，得到直径70mm的圆柱铸锭。在保护气氛下将铸锭在3小时内升温至1200℃，保温2小时后开锻，锻造成直径为15mm的盘条，终锻温度大于1050℃。将锻造后的试样进行热塑性实验，试验温度区间为900～1200℃，试验温度间隔50℃；试验过程首先将试样加热到1350℃保温5min，然后以3℃/秒的冷却速度冷却至各试验温度，保温1min后以0.01/秒的应变速率进行拉伸，最后测定并计算各拉伸断口的断面收缩率。将锻造后试样进行分段热处理，先840~900℃保温1小时，水冷，然后320~350℃保温1小时，水冷，然后90~100℃保温24小时，空冷至室温，则制备得到最终Fe-36Ni因瓦合金材料。表1是Fe-36Ni因瓦合金的化学成分，表2是Fe-36Ni因瓦合金不同试验温度时的断面收缩率情况。表3为Fe-36Ni因瓦合金25~100℃之间的平均热膨胀系数。

由比较例和本发明例1～4可知：比较例1的因瓦合金中无热塑性改善元素Ti和B，在900~1000℃温度之间，合金断面收缩率小于60%，热塑性较差；在1050~1200℃温度之间，断面收缩率较好，但热塑性普遍在70~80%之间。对比比较例1，发明例1～4合金具有优良的热塑性，在试验温度900～1200℃温度之间，合金断面收缩率均在80%以上。

比较例的因瓦合金在25~100℃之间的平均热膨胀系数α为0.875×10^-6/℃；发明例1～4的因瓦合金随着Ti和B元素含量的增加，在25~100℃之间的平均热膨胀系数α逐渐增加，分别为0.903×10^-6/℃、0.925×10^-6/℃、0.950×10^-6/℃和0.986×10^-6/℃，但α值均小于1.0×10^-6/℃。根据因瓦合金的生产要求，25~100℃的平均热膨胀系数α≤1.0×10^-6/℃，由此可见，发明例1～4合金的平均热膨胀系数α满足生产要求。

表 1 Fe-36Ni 因瓦合金的化学成分（ wt% ）

表 2 Fe-36Ni 因瓦合金不同试验温度时的断面收缩率（ % ）

表 3 Fe-36Ni 因瓦合金在 25~100 ℃之间的平均热膨胀系数

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Claims

1.一种热塑性优良的Fe-36Ni因瓦合金材料，其特征在于其化学组分的质量百分比为：C≤0.05%，Si≤0.3%，P≤0.02%，S≤0.02%，Mn：0.15~0.45%，N ≤ 0.007%，Ni 35%~37%，T[O] ：0.002～0.01%，Ti ：0.035~0.1%，B： 0.003~0.015%，余量为Fe及不可避免的微量元素；所述Ti和N含量的重量百分比满足如下关系式：Ti/N≥5。

2.根据权利要求1所述的一种热塑性优良的Fe-36Ni因瓦合金材料，其特征是它的制备方法包含以下步骤：

步骤1，将原料Fe、C、Si、P、S、Mn、N 、Ni在真空感应炉进行熔炼，熔炼温度1500~1530℃；

步骤3，在保护气氛下将铸锭在3小时内升温至1200℃，保温2小时后开锻，锻造成直径为15mm的盘条，终锻温度大于1050℃；

3.根据权利要求2所述一种热塑性优良的Fe-36Ni因瓦合金材料，其特征在于所述保护气氛包括还原性气氛和中性气氛。