CN115725895B - 一种抗拉强度≥1600MPa的低膨胀Fe-Ni因瓦合金线材及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
一种抗拉强度≥1600MPa的低膨胀Fe‑Ni因瓦合金线材，其成分质量百分比为：C 0.21～0.50％，0＜Si≤0.70％，Mn 0.20～0.60％，P≤0.02％，S≤0.02％，Ni 35.5～40.0％，Cr 0.7～1.4％，W 1.5～2.6％，Nb 0.20～0.35％，Mo≤0.50％，V≤0.20％，余量为Fe和其它不可避免杂，且同时需满足如下关系：C＝0～0.1+0.1(Mo+W)+0.12Cr+0.05(Nb+V)；Mo+V≤0.50％；2.5％≤Cr+W+Nb+Mo+V≤4％。本发明因瓦合金线材是在Fe‑Ni36合金的基础上，通过添加C、Cr、W、Nb等元素，依靠固溶强化、沉淀强化、细晶强化和形变强化等几方面的协同效应，使线材获得超高强度的同时，具有较低的线膨胀系数，抗拉强度≥1600MPa，20～230℃线膨胀系数≤3.0×10‑6/℃，230～290℃线膨胀系数≤10.8×10‑6/℃，完全可以替代目前工业化应用的倍容量导线用线材。
Description
技术领域
本发明属于因瓦合金线材制造领域，涉及一种抗拉强度≥1600MPa的低膨胀Fe-Ni因瓦合金线材及其制造方法。
背景技术
近年来，高强度低膨胀Fe-Ni因瓦合金线材已在电力传输行业中得到大规模的工业化应用，但随着电力行业对输电线强度性能指标要求的不断提升，使得人们对高强度因瓦合金的研究越来越重视。
提高Fe-Ni因瓦合金强度的途径主要有两种方法：
一是沉淀强化，就是通过向合金中加入合金元素，使其在一定条件下析出细小弥散分布的第二相颗粒，诸如碳化物或金属间化合物等第二相颗粒，通过第二相析出的沉淀强化从而提高合金的强度，但是合金元素的添加往往伴随着膨胀系数的增加。
二是形变强化，即通过冷拉变形，使合金中产生大量的位错和亚结构，这种方法不但可使合金的强度得到进一步提升，同时还可使膨胀系数降低。
日本专利JP63-56289，主要采用添加C、Cr、Mo元素，依靠形成Cr和Mo的碳化物来强化，同时添加一定量Co使合金的膨胀系数进一步降低，但Co的添加会导致合金成本明显增加。该合金抗拉强度达到了1300MPa以上，同时室温～300℃的平均线热膨胀系数α≤3.3×10-6/℃。
中国专利CN1743490A，通过添加C、W、V等强碳化物形成元素来达到提高合金强度的目的，该合金的抗拉强度达到1300MPa以上，20～240℃时的平均线热膨胀系数α≤2.5×10-6/℃，20～290℃平均线热膨胀系数α≤4.5×10-6/℃。
日本专利JP2003082439(A)，主要是在合金中添加C、Mo、V元素，依靠形成Mo和V的碳化物来达到提高合金强度的目的。该合金20～230℃的平均线热膨胀系数α≤3.7×10-6/℃，230～290℃平均线热膨胀系数α≤10.8×10-6/℃，抗拉强度≥1300MPa，但该合金20～230℃的平均线热膨胀系数相对偏高。
发明内容
本发明的目的在于提供一种抗拉强度≥1600MPa的低膨胀Fe-Ni因瓦合金线材及其制造方法，使线材获得超高强度的同时，具有较低的线膨胀系数。所述线材的抗拉强度≥1600MPa，20～230℃线膨胀系数≤3.0×10-6/℃，230～290℃线膨胀系数≤10.8×10-6/℃，完全可以替代目前工业化应用的倍容量导线用线材；同时，避免了Co等贵金属元素的添加，降低了合金成本。
为达到上述目的，本发明的技术方案如下：
一种抗拉强度≥1600MPa的低膨胀Fe-Ni因瓦合金线材，其化学成分质量百分含量为：C：0.21～0.50％，0＜Si≤0.70％，Mn：0.20～0.60％，P≤0.02％，S≤0.02％，Ni：35.5～40.0％，Cr：0.7～1.4％，W：1.5～2.6％，Nb：0.20～0.35％，Mo≤0.50％，V≤0.20％，余量为Fe和其它不可避免杂质，其它不可避免杂质总含量低于0.05％，且需满足如下关系：
C＝0～0.1+0.1(Mo+W)+0.12Cr+0.05(Nb+V)；
Mo+V≤0.50％；
2.5％≤Cr+W+Nb+Mo+V≤4％。
本发明所述因瓦合金线材的抗拉强度≥1600MPa，20～230℃线膨胀系数≤3.0×10-6/℃，230～290℃线膨胀系数≤10.8×10-6/℃。
在本发明所述合金线材成分设计中：
碳(C)：C是形成碳化物强化相所必需的元素。C含量过低，合金的强化效果不明显；C含量过高，又会形成大块状碳化物，使合金塑韧性变差。因此，合金中C元素的加入量应满足如下公式：C＝0～0.1+0.1(Mo+W)+0.12Cr+0.05(Nb+V)，且控制C含量在0.21～0.50％之间。
硅(Si)：Si元素加入合金中起到很好的脱氧作用，但同时会使材料的线膨胀系数提高，在保证钢水脱氧良好的情况下，尽量降低合金中的Si含量。因此，本发明中控制0＜Si≤0.70％。
锰(Mn)：Mn是有效的脱氧元素。为了保证钢具有良好的脱氧效果，合金中的Mn含量应控制在0.20％以上，但其含量偏高时会使合金的线膨胀系数升高，因此希望Mn含量控制在0.60％以下。因此，本发明中将Mn含量控制在0.20～0.60％之间。
镍(Ni)：Ni是保证合金具有单一奥氏体和低的线膨胀系数的必要元素。Ni含量过高或过低都会使线膨胀系数增加。因此，本发明中将Ni含量控制在35.5～40.0％之间。
铬(Cr)：Cr是中等强度碳化物形成元素，能有效提高合金强度，Cr含量过低，强化效果不明显；Cr含量过高，则容易形成粗大碳化物，恶化合金性能，尤其是Cr的碳化物容易聚集长大，因此，本发明将Cr含量控制在0.7～1.2％之间。
钨(W)：W是中等强度碳化物形成元素，W的添加能够显著提高合金的强度，因此，本发明将W含量控制在1.5～2.6％之间。
铌(Nb)：Nb元素在钢中主要起沉淀强化作用，适量的Nb可细化钢的晶粒，提高钢的强度和塑性，太高会显著降低钢的塑韧性。因此，本发明将Nb含量控制在0.20～0.35％之间。
钼(Mo)、钒(V)：都是碳化物形成元素，它们形成的碳化物，都起到沉淀强化和细化晶粒的作用，可提高合金的强度和塑性，但是含量高时，它们的碳化物在合金中容易呈聚集状分布析出，会显著降低合金的塑韧性。因此，本发明控制Mo+V≤0.5％。
P：是对韧性有害的元素，低熔点P的化合物会偏聚在晶界，导致晶界脆性增加，在热应力的作用下会形成微裂纹。因此，P含量应控制尽量低。本发明控制P≤0.020％。
S：是有害杂质元素，可以降低合金的塑韧性。S与Mn可形成低熔点的MnS偏聚在晶界，导致晶界脆化，在应力作用下形成沿晶裂纹。因此，希望合金中的S含量越低越好。本发明控制S≤0.020％。
本发明是在Fe-Ni36因瓦合金基础上，通过添加C、Cr、W、Nb等元素来达到合金强化的目的，Cr和W的碳化物能显著提高合金的强度，而Nb或V的碳化物在钢中弥散析出，能显著细化钢的晶粒度，使钢的强度进一步提升，通过不同类型碳化物的协同作用极大地提高合金的强度。
为了最大程度地发挥合金强化效应，必须要对加入的C含量进行严格控制，C含量需要满足关系式：C＝0～0.1+0.1(Mo+W)+0.12Cr+0.05(Nb+V)。按上述配比加入一定量的C具有两方面的作用，一方面，可以保证加入合金中的Cr、W、Nb、V等元素与C完全形成碳化物，充分发挥出碳化物的沉淀强化效应和细晶强化作用，有效地提高合金的强韧性。另一方面，固溶在合金中的C，不但能起到稳定线膨胀系数的作用，同时又能发挥C的固溶强化作用，从而进一步提高合金的强度。
另外，本发明通过添加C、Cr、W、Nb等元素来达到合金强化提高合金强度的同时，如果想使合金线膨胀系数保持在较低水平，就需要在合金中加入Mo、V进行强化，合金中的Cr、W、Nb三元素的含量应适当降低，否则膨胀性能难以满足要求，Cr、W、Nb、Mo、V的总量应控制在2.5～4.0％，如果小于2.5％，则无法获得预期的强度；如果超过4.0％，则难以满足膨胀特性。
本发明所述的抗拉强度≥1600MPa的低膨胀Fe-Ni因瓦合金线材的制造方法，包括如下步骤：
1)按照上述的成分冶炼、浇注成铸锭或连铸成铸坯；
2)将所述铸锭或铸坯热轧成盘条；
3)盘条在950～1100℃进行固溶热处理，再将固溶热处理后的盘条进行第一次冷拉；
4)第一次冷拉后的盘条在550～800℃范围内进行时效热处理，然后实施变形量≥70％的第二次冷拉变形。
优选的，步骤2)中，所述盘条直径为8～14mm。
优选的，步骤3)中，第一次冷拉后盘条直径为4～6.5mm。
本发明合金在成分设计的基础上，在950～1100℃进行固溶热处理，使碳化物在合金中充分弥散析出，形成细小弥散的碳化物。再通过冷拉变形，并控制第二次冷拉变形量≥70％，使合金产生一定量的形变强化，通过形变强化使合金线材强度得到进一步提升，同时使合金的线膨胀系数降低。所得因瓦合金的性能指标为：抗拉强度≥1600MPa，20～230℃线膨胀系数≤3.0×10-6/℃，230～290℃线膨胀系数≤10.8×10-6/℃，完全可以替代目前工业化应用的倍容量导线用线材。
本发明的有益效果：
本发明因瓦合金线材是在Fe-Ni36合金的基础上，通过添加C、Cr、W、Nb等元素，进一步，通过控制C含量，实现碳化物的完全析出，充分发挥出碳化物的沉淀强化效应和细晶强化作用，使合金的强度获得大幅度提高。同时，严格控制Cr、W、Nb、Mo、V的总量，保证合金在获得较高强度的同时能够获得较低的线膨胀系数。另外，本发明还考虑了合金的综合经济效益，在最大程度发挥了合金的强化效应的同时，避免了Co等贵金属元素的添加，使合金成本较低。
本发明合金在成分设计的基础上，进一步采用固溶热处理，使碳化物在合金中充分弥散析出，形成细小弥散的碳化物，再通过冷拉变形，通过形变强化使合金线材强度得到进一步提升，同时使合金的线膨胀系数降低。所得因瓦合金的性能指标为：抗拉强度≥1600MPa，20～230℃线膨胀系数≤3.0×10-6/℃，230～290℃线膨胀系数≤10.8×10-6/℃，综合性能优良，可用于替代现有的倍容量传输导线，同时强度的提升可促进导线向轻量化发展，应用前景非常广阔。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步说明，然而该解释和说明并不对本发明的技术方案构成不当限定。
表1为本发明实施例成分配比，表2为本发明实施例的工艺参数，表3为本发明实施例制备得到的因瓦合金线材性能。
由表3可知，采用本发明所述成分制备得到的因瓦合金线材具有超高强度和较低的线膨胀系数，其抗拉强度≥1600MPa，20～230℃线膨胀系数≤3.0×10-6/℃，230～290℃线膨胀系数≤10.8×10-6/℃，完全可以替代目前工业化应用的倍容量导线用线材。
Claims (4)
1.一种抗拉强度≥1600MPa的低膨胀Fe-Ni因瓦合金线材，其化学成分质量百分比为：C：0.21～0.50％，0＜Si≤0.70％，Mn：0.20～0.60％，P≤0.02％，S≤0.02％，Ni：35.5～40.0％，Cr：0.7～1.4％，W：1.5～2.6％，Nb：0.20～0.35％，Mo≤0.50％，V≤0.20％，余量为Fe和其它不可避免杂质，其它不可避免杂质总含量低于0.05％，且同时需满足如下关系：
C＝0～0.1+0.1(Mo+W)+0.12Cr+0.05(Nb+V)；
Mo+V≤0.50％；
2.5％≤Cr+W+Nb+Mo+V≤4％；
所述因瓦合金线材的抗拉强度≥1600MPa，20～230℃线膨胀系数≤3.0×10-6/℃，230～290℃线膨胀系数≤10.8×10-6/℃。
2.根据权利要求1所述的抗拉强度≥1600MPa的低膨胀Fe-Ni因瓦合金线材的制造方法，其包括如下步骤：
1)按照权利要求1所述的成分冶炼、浇注成铸锭或连铸成铸坯；
2)将所述铸锭或铸坯热轧成盘条；
3)盘条在950～1100℃进行固溶热处理，再将固溶热处理后的盘条进行第一次冷拉；
4)第一次冷拉后的盘条在550～800℃范围内进行时效热处理，然后实施变形量≥70％的第二次冷拉变形。
3.根据权利要求2所述的抗拉强度≥1600MPa的低膨胀Fe-Ni因瓦合金线材的制造方法，其特征在于，步骤2)中，所述盘条直径为8～14mm。
4.根据权利要求2或3所述的抗拉强度≥1600MPa的低膨胀Fe-Ni因瓦合金线材的制造方法，其特征在于，步骤3)中，第一次冷拉后盘条直径为4～6.5mm。
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Legal Events
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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