CN116479337A - 一种高强度因瓦合金盘条及其制备方法 - Google Patents

一种高强度因瓦合金盘条及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种高强度因瓦合金盘条，包含以下重量百分比的组分：C：0.18～0.30％；Mn：0.15～0.50％；Si：≤0.30％；Ni：35.0～38.0％；Cu：0.10～0.60％，还包括一种或者多种强化元素，重量百分比为：Mo：1.40～2.00％；Nb：0.05～0.60％；V：0.80～1.20％。本发明因瓦合金盘条的制备工艺，包括如下步骤：成分设计、配料、熔炼、刨面、均匀化处理、热锻、热轧、热轧盘条，通过细晶强化的技术路径，包括调整热煅、热轧的工艺参数制备得到盘条，可将现晶粒尺寸从9.5μm降低到1.7μm，为因瓦合金的性能强化提供了优良的中间产品。

Description

一种高强度因瓦合金盘条及其制备方法
技术领域
本发明属于特种材料冶炼技术领域，涉及一种高强度因瓦合金盘条及其制备方法。
背景技术
因瓦合金由于其极低的热膨胀性能而引起了更多领域的重视，如大容量柔性输电/特高压输电线缆、超高功率充电设备、电子仪器、自动控制及航空航天等。以倍容量导电线缆为代表的高端芯材、以及精密电阻合金，不仅要求材料具有较低的热膨胀率，还要求在使用条件下具有较高的强度性能。
倍容量导电线缆的核心技术在于采用因瓦合金线材作为芯材，因其具有较低的热膨胀性能，使导线具有耐高温、高温弧垂特性好、使用寿命长等特点，在长距离特高压输电线缆建设时，可大幅减少铁塔投资，据测算可使线路建设每公里成本节约5万元左右，具有巨大的经济效益和社会价值。
但随着电网对倍容量线缆输电容量、线缆力学性能、电学性能更高的要求，但对因瓦合金而言，材料的强度和低膨胀性能是一对矛盾的性能，现有的一些专利技术，通过添加固溶型元素形成固溶强化或形成金属间化合物及碳化物的沉淀强化，在提升因瓦合金强度的同时，难以降低材料的热膨胀系数。而对于应用在倍容量导线的因瓦合金线材而言，因其特殊的使用场景及后续拉拔加工流程，只有采用细晶强化的技术路径，通过调整和控制成分设计、加工工艺优化，并综合控制晶粒尺寸，才有可能实现大幅提升其线材强度的同时，还能保证较低的热膨胀系数。并且由于其平均晶粒尺寸小，为后续芯材或者线材的性能提升提供良好的基础。本发明采用细晶强化方法，主要通过加入碳化物形成元素，控制热轧步骤中的温度、轧制速度、冷却速度，使得晶粒组织细化，获得均匀稳定、平均粒径达到2μm以下的盘条，为后续改善因瓦合金线材的性能提供了一种较好的盘条作为中间品。
发明内容
本发明的主要提供包含一种或者多种强化元素的因瓦合金材料，采用细晶强化的方法，通过加入碳化物形成元素，控制热轧步骤中的温度、轧制速度、冷却速度等，使得晶粒组织细化，在提高材料的强度同时，兼顾了较低的热膨胀系数。
本发明的技术方案为，提供一种包含一种或者多种固化或强化元素的因瓦合金材料，进一步地，所述固化和强化元素包括Nb、Mo、V、Cu等，尤其是Cu的加入，能够提高盘条的性能，其中，Cu的重量百分比为：0.10～0.60％，优选的，Cu的重量百分比为：0.30～0.50％。Cu和Mo、Nb、V相似，都具有固溶强化以及析出强化的效果，但是需要综合考察复合添加成本、对热膨胀系数的影响、对盘条拉拔的影响、对芯材导电率的影响。本发明发现，在合适范围内多添加Cu，效果比单独添加某一种元素对晶粒细化和综合性能更好。
本发明的高强度因瓦合金，包含以下重量百分比的组分：C：0.18～0.30％；Mn：0.15～0.50％；Si：≤0.30％；Ni：35.0～38.0％；Cu：0.10～0.60％，还包括一种或者多种强化元素，选自以下重量百分比的组分：Mo：1.40～2.00％；Nb：0.05～0.60％；V：0.80～1.20％；此外，余量为Fe和不可避免的杂质。
优选的，所述高强度因瓦合金，包含以下重量百分比的组分：C：0.20～0.28％；Mn：0.25～0.40％；Si：≤0.20％；Ni：36.0～37.8％；Cu：0.30～0.50％，还包括一种或者多种强化元素，选自以下重量百分比的组分：Mo：1.60～1.80％；Nb：0.10～0.30％；V：0.90～0.98％；此外，余量为Fe和不可避免的杂质。
优选的，本发明还提供了一种因瓦合金，包含以下重量百分比的组分：C：0.20～0.28％；Mn：0.25～0.40％；Si：≤0.20％；Ni：36.0～37.8％；V：0.90～0.98％；Cu：0.30～0.50％；余量为Fe和不可避免的杂质。
进一步地，本发明还提供了一种因瓦合金，包含以下重量百分比的组分：C：0.24％；Mn：0.31％；Si：0.17％；Ni：37.5％；V：0.96％；Cu：0.32％；余量为Fe和不可避免的杂质。
优选的，本发明还提供了一种因瓦合金，包含以下重量百分比的组分：C：0.20～0.28％；Mn：0.25～0.40％；Si：≤0.20％；Ni：36.0～37.8％；Mo：1.60～1.80％；Cu：0.30～0.50％；余量为Fe和不可避免的杂质。
进一步地，本发明还提供了一种因瓦合金，包含以下重量百分比的组分：C：0.23％；Mn：0.30％；Si：0.13％；Ni：37.1％；Mo：1.7％；Cu：0.5％；余量为Fe和不可避免的杂质。
本发明还提供了因瓦合金盘条的制备工艺，主要采用真空感应电炉熔炼制备因瓦合金方锭，对方锭进行刨面后进行热锻，再通过热轧制备因瓦合金热轧盘条。具体包括如下步骤：成分设计、配料、熔炼、刨面、均匀化处理、热锻、热轧、热轧、得到热轧盘条。
优选的，本发明因瓦合金盘条的制备工艺，包括如下步骤：
S1、成分设计；
S2、配料；
S3、熔炼：采用真空感应炉熔炼成方锭，并切去头尾具有明显缩孔部位；
S4、刨面：采用刨床对侧面进行刨面处理除去表面缩孔、氧化皮等缺陷，减小表面缺陷对后续热锻及热轧工艺的影响；
S5、均匀化处理：热锻前应将铸锭放于炉中加热2～5小时，以均匀化组织；
S6、热锻：在1100～1200℃范围内进行热锻，为防止热锻过程中材料出现裂纹，在热锻过程中若温度降低至900℃以下应当重新回炉加热，热锻后应对表面进行修磨，除去表面氧化膜，直至无明显缺陷方可进行下一步热轧阶段；
S7、热轧：在再结晶温度以上对金属进行轧制；
S8得到热轧盘条。
进一步的，所述S5均匀化处理中，加热时间为2小时；
进一步的，所述S6热锻中，热锻温度为1170～1190℃；
进一步的，所述S7热轧中，通过热轧保证合金在变形过程中能发生完全再结晶；初轧温度：1000～1150℃，终轧温度：950～1050℃；最高轧制速度≤80m/s，轧后冷却速度0.15～0.35℃/s；
进一步的，所述S7热轧中，初轧温度：1050～1100℃，终轧温度：980～1030℃；最高轧制速度≤68m/s，轧后冷却速度0.22℃/s；
进一步的，所述S7热轧中，初轧温度：1060℃，终轧温度：1000℃；最高轧制速度≤68m/s，轧后冷却速度0.22℃/s。
进一步地，所述S8热轧盘尺寸为优选为/>
本发明的成分设计，兼顾考虑力学性能和热膨胀系数两个方面。选择适量Cu作为因瓦合金的强化元素的作用：①Cu元素添加在因瓦合金中，能够有效提高合金的居里温度，扩大合金使用的耐热温度范围，并降低在耐热温度范围内的热膨胀系数；②作为电缆导电芯材用的因瓦合金，添加Cu元素，能够进一步提升改善电缆的导电性能；③Cu元素能够替代一部分起固溶强化作用的Ag、Mo等元素，并能够使盘条在后续拉拔过程中析出一定量的纳米析出相，从而在降低合金原料成本的前提下提升合金的强度。虽然现有技术中已采用不同的强化元素用于降低热膨胀系数，但是不同元素的组合搭配、不同元素的百分比搭配对于兼顾力学性能和热膨胀系数是本领域的难点，尤其是将不同成分设计适应于合适的制备工艺。
本发明的制备工艺，通过细晶强化的技术路径，包括均匀化处理、热煅和热轧中的工艺参数调整制备得到盘条，尤其是控制热轧步骤中的温度、轧制速度、冷却速度，使得晶粒组织细化，将现有的晶粒尺寸从9.5μm，最低可降低到1.7μm，为因瓦合金线材的性能优化提供了优良的中间产品。
本发明的技术效果：通过重量百分比为0.30～0.50％特定强化元素Cu，采用本发明的制备工艺，能够使得盘条平均粒径达到2μm以下、抗拉强度达到700MPa、显微硬度达到170HV以上、在200℃的热膨胀系数最低达2.50×10-6/K，采用该细晶强化的盘条作为中间品，对于倍容量导电线缆线材的制备以及应用具有巨大的经济效益和社会价值。
附图说明
图1因瓦合金热轧盘条制备工艺流程；
图2实施例1-3不同合金化因瓦合金热轧态的GRC图和晶粒尺寸；
图3实施例1-3不同合金化因瓦合金热轧盘条的显微维氏硬度；
图4实施例3与对比例1因瓦合金的晶粒尺寸对比。
具体实施方式
下面将结合实施例对本发明进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例，是对本发明的解释而不是限定。
实施例1
因瓦合金Invar_Nb_Mo盘条的制备工艺，包括如下步骤：
S1、成分设计，采用表1中实施例1的成分设计；
S2、配料；
S3、熔炼：本发明因瓦合金的采用真空感应炉熔炼成方锭，并切去头尾具有明显缩孔部位；
S4、刨面：采用刨床对侧面进行刨面处理除去表面缩孔、氧化皮等缺陷，减小表面缺陷对后续热锻及热轧工艺的影响；
S5、均匀化处理：热锻前应将铸锭放于炉中加热2小时，以均匀化组织；
S6、热锻：在1170～1190℃范围内进行热锻，为防止热锻过程中材料出现裂纹，在热锻过程中若温度降低至900℃以下应当重新回炉加热，热锻后应对表面进行修磨，除去表面氧化膜，直至无明显缺陷方可进行下一步热轧阶段；
S、热轧：热轧是指在再结晶温度以上对金属进行轧制，初轧温度为1060℃，终轧温度为1000℃；最高轧制速度≤68m/s，轧后冷却速度0.22℃/s；
S8、得到热轧盘条，盘条尺寸为
实施例2
一种因瓦合金Invar_V盘条的制备工艺，包括如下步骤：采用表1中实施例2的成分设计、配料、熔炼、刨面、均匀化处理、热锻、热轧、得到热轧盘条；其它工艺相同。
实施例3
一种因瓦合金Invar_V_Cu盘条的制备工艺，包括如下步骤：采用表1中实施例3的成分设计、配料、熔炼、刨面、均匀化处理、热锻、热轧、得到热轧盘条；其它工艺相同。
实施例4
一种因瓦合金盘条的制备工艺，包括如下步骤：采用表1中实施例4的成分设计、配料、熔炼、刨面、均匀化处理、热锻、热轧、得到热轧盘条；其它工艺相同。
实施例5
一种因瓦合金盘条的制备工艺，包括如下步骤：采用表1中实施例5的成分设计、配料、熔炼、刨面、均匀化处理、热锻、热轧、得到热轧盘条；其它工艺相同。,
实施例6
一种因瓦合金盘条的制备工艺，包括如下步骤：采用表1中实施例6的成分设计、配料、熔炼、刨面、均匀化处理、热锻、热轧、得到热轧盘条；其它工艺相同。
对比例1
采用专利CN 114807765 B中实施例2的成分设计作为对比例1，采用实施例3的制备工艺，其中，S7热轧中，初轧温度：1040℃，终轧温度：910℃；
S7热轧中，最高轧制速度≤88m/s，轧后冷却速度0.40℃/s；
S8得到的热轧盘条中，盘条尺寸为
实施例1-6以及对比例1的成分设计、性能参数见如下表1和表2。
表1实施例1-6以及对比例1的成分设计
成分标示 C Mn Si Ni Mo Nb V Cu Fe
实施例1 Invar_Nb_Mo 0.23 0.3 0.13 36.3 1.7 0.17 / / 余量
实施例2 Invar_V 0.25 0.32 0.17 37.4 / / 0.91 / 余量
实施例3 Invar_V_Cu 0.24 0.31 0.17 37.5 / / 0.96 0.32 余量
实施例4 Invar_V_Mo 0.24 0.3 0.13 36.5 1.7 / 0.93 余量
实施例5 Invar_Nb_V 0.25 0.32 0.17 37.2 / 0.16 0.94 / 余量
实施例6 Invar_Mo_Cu 0.23 0.3 0.13 37.1 1.7 / 0.5 余量
对比例1 Invar_V_Cu 0.25 0.303 0.15 37.5 0.90 0.35 余量
表2实施例1-6以及对比例1的性能参数
效果例1不同因瓦合金热轧态的GRC图和晶粒尺寸
检测不同合金化因瓦合金的GRC图(GrainsInRandomColors，GRC)，实施例1-3的GRC图如图2所示；实施例1-6平均晶粒尺寸如表2所示。
结果：
如表2所示，相较于其他不含Cu的实施例，包含Cu元素的因瓦合金实施例3Invar_V_Cu以及实施例6Invar_Mo_Cu的平均晶粒尺寸最小，达到2μm以下。从图2中可以看出，三种合金的热轧态组织均具有较为规则的等轴晶，相较于Invar_Nb_Mo合金而言，Invar_V和Invar_V_Cu合金的热轧态组织具有明显的细小晶粒。Invar_Nb_Mo合金具有较大尺寸的晶粒，平均晶粒尺寸为9.5μm，Invar_V合金晶粒尺寸为2.8μm，而Invar_V_Cu合金的晶粒尺寸较Invar_V合金尺寸更小，平均晶粒尺寸为1.7μm。Invar_V和Invar_V_Cu合金在基体中存在大量析出相，相较于Invar_Nb_Mo合金含量明显增多。由于基体中析出大量第二相粒子，在再结晶过程中钉扎晶界，减少晶界迁移速率，从而形成较小的再结晶晶粒，因此，Invar_V和Invar_V_Cu合金具有较小的晶粒。
效果例2不同因瓦合金的力学性能
对实施例1-3因瓦合金的热轧盘条进行拉伸性能测试，合金热轧态组织的维氏显微硬度如图3所示；实施例1-6热轧态组织的屈服强度、抗拉强度如表2所示。结果：如表2所示，Invar_V合金和Invar_V_Cu合金具有较为接近的抗拉强度，Invar_V_Cu合金的抗拉强度最高，达到726MPa。与Invar_Nb_Mo合金相比，Invar_V_Cu其抗拉强度提升了45MPa。相较于其他不含Cu的实施例，包含Cu元素的因瓦合金实施例3Invar_V_Cu以及实施例6Invar_Mo_Cu的抗拉强度明显更高，达到700MPa以上。
显微硬度如图3所示，Invar_Nb_Mo合金的显微硬度最低，平均值为170HV，而Invar_V合金和Invar_V_Cu合金略有提升，对应的显微硬度的平均值分别为177HV和179HV。力学性能的提升主要是由于热轧过程中的第二相的大量析出。可见，实施例3的Invar_V_Cu合金具有最高的显微硬度。
效果例3不同因瓦合金的热膨胀性能
实施例1-6因瓦合金热轧盘条在室温-200℃、室温-300℃的热膨胀系数如表2所示。
结果：如表2所示，实施例1-6合金在300℃的热膨胀系数较为接近，Invar_V_Cu合金的热膨胀系数最低，为4.51×10-6/K；Invar_Nb_Mo合金的热膨胀系数最高，为4.95×10-6/K。三种合金在200℃平均热膨胀系数相对于300℃平均热膨胀系数更低，实施例1-6的合金处于2.62×10-6/K至3.88×10-6/K之间，Invar_V_Cu合金在200℃具有最低的热膨胀系数，为2.50×10-6/K。在上述两种温度条件下，实施例1-6的热膨胀系数均低于对比例1。可见，包含Cu元素的因瓦合金实施例兼具更低的热膨胀系数。
效果例4实施例3与对比例1的工艺参数、平均粒径对比热轧过程中初轧温度和终轧温度等热加工参数以及热轧过程中析出的第二相等均影响热轧过程的动态再结晶过程，从而影响最终的热轧盘条的晶粒尺寸。工艺参数对比如表3所示，平均粒径GRC图对比如图4所示。
表3实施例3和对比例1的盘条工艺对比
结果：如表3所示，通过设置不同的终轧温度、最高轧制速度、轧后冷却速度，对比发现上述工艺对晶粒尺寸有显著影响。如图4所示，对比例1的晶粒尺寸为9.76μm，且晶粒大小不均匀，而实施例3采用的终轧温度、最高轧制速度、轧后冷却速度，能够获得均匀稳定、平均粒径为1.7μm因瓦合金盘条，保证晶粒的效果，为盘条工艺的进一步开发提供良好基础。盘条作为因瓦合金的中间品，具有均匀小的粒径、较低热膨胀系数，能够为芯材、线材的开发、性能改善提供良好的基础。
显然，上述实施例仅是为清楚地说明本发明的举例，而并非对实施方案的限定，由所述实施方案所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之中。

Claims (10)

1.一种高强度的因瓦合金盘条，包含以下重量百分比的组分：C：0.18～0.30％；Mn：0.15～0.50％；Si：≤0.30％；Ni：35.0～38.0％；Cu：0.10～0.60％；还包括一种或者多种强化元素，重量百分比为：Mo：1.40～2.00％；Nb：0.05～0.60％；V：0.80～1.20％；此外，余量为Fe和不可避免的杂质。
2.如权利要求1所述的因瓦合金盘条，包含以下重量百分比的组分：C：0.20～0.28％；Mn：0.25～0.40％；Si：≤0.20％；Ni：36.0～37.8％；Cu：0.30～0.50％，还包括一种或者多种强化元素，选自以下重量百分比的组分：Mo：1.60～1.80％；Nb：0.10～0.30％；V：0.90～0.98％；此外，余量为Fe和不可避免的杂质。
3.如权利要求2所述的因瓦合金盘条，其特征在于，包含以下重量百分比的组分：C：0.20～0.28％；Mn：0.25～0.40％；Si：≤0.20％；Ni：36.0～37.8％；V：0.90～0.98％；Cu：0.30～0.50％；余量为Fe和不可避免的杂质。
4.如权利要求3所述的因瓦合金盘条，其特征在于，包含以下重量百分比的组分：C：0.24％；Mn：0.31％；Si：0.17％；Ni：37.5％；V：0.96％；Cu：0.32％；余量为Fe和不可避免的杂质。
5.如权利要求2所述的因瓦合金盘条，其特征在于，包含以下重量百分比的组分：C：0.20～0.28％；Mn：0.25～0.40％；Si：≤0.20％；Ni：36.0～37.8％；Mo：1.60～1.80％；Cu：0.30～0.50％；余量为Fe和不可避免的杂质。
6.如权利要求5所述的因瓦合金盘条，其特征在于，包含以下重量百分比的组分：C：0.23％；Mn：0.30％；Si：0.13％；Ni：37.1％；Mo：1.7％；Cu：0.5％；余量为Fe和不可避免的杂质。
7.如权利要求1所述的因瓦合金盘条的制备工艺，包括如下步骤：成分设计、配料、熔炼、刨面、均匀化处理、热锻、热轧、得到热轧盘条。
8.如权利要求7所述的因瓦合金盘条的制备工艺，包括如下步骤：
S1、成分设计；
S2、配料；
S3、熔炼：采用真空感应炉熔炼成方锭，并切去头尾具有明显缩孔部位；
S4、刨面：采用刨床对侧面进行刨面处理除去表面缩孔、氧化皮等缺陷，减小表面缺陷对后续热锻及热轧工艺的影响；
S5、均匀化处理：热锻前应将铸锭放于炉中加热2～5小时，以均匀化组织；
S6、热锻：在1100～1200℃范围内进行热锻，为防止热锻过程中材料出现裂纹，在热锻过程中若温度降低至900℃以下应当重新回炉加热，热锻后应对表面进行修磨，除去表面氧化膜，直至无明显缺陷方可进行下一步热轧阶段；
S7、热轧：在再结晶温度以上对金属进行轧制；
S8、得到热轧盘条。
9.如权利要求8所述的因瓦合金盘条的制备工艺，其特征在于，所述S7热轧中，通过热轧保证合金在变形过程中能发生完全再结晶；初轧温度：1000～1150℃，终轧温度：950～1050℃，最高轧制速度≤80m/s，轧后冷却速度0.15～0.35℃/s；优选的，所述S7热轧中，初轧温度：1050～1100℃，终轧温度：980～1030℃，最高轧制速度≤68m/s，轧后后冷却速度0.22℃/s。
10.一种高强度因瓦合金盘条，采用如权利要求7-9任一项所述的制备工艺制成。
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