一種高強度因瓦合金及其合金線材的生產方法
2023-06-01 22:08:31
專利名稱：一種高強度因瓦合金及其合金線材的生產方法
技術領域：
本發明涉及低膨脹因瓦合金的成分設計及其製造方法，尤其是指高強度因瓦合金線材的製造方法。
背景技術：
因瓦合金屬於特殊合金，Fe-36Ni因瓦合金(4J36合金)是常見的因瓦合金，自1893年發明以來，因其非常低的膨脹係數(膨脹係數與合金材料、使用溫度密切相關合金材料不同，膨脹係數不同；同一種合金材料，使用溫度高，平均膨脹係數α也較高。Fe-36Ni因瓦合金的膨脹係數非常低，只有普通材料的1/5～1/10。對4J36合金而言，GBn 110-87標準規定20～100℃時，α≤1.5×10-6/℃；一般來說，實物的α推薦值是20～100℃時，α＝0.8×10-6/℃，20～200℃時，α＝2.0×10-6/℃，20～300℃時，α＝5.1×10-6/℃)而聞名於世，但它的強度很低(約為400～500MPa)，限制了其使用範圍，故普通的Fe-36Ni因瓦合金常用於非結構件的應用，如標準尺。
因瓦合金線材是因瓦合金的主要品種之一，常規Fe-36Ni因瓦合金(4J36合金)線材的製備方法是(1)成分符合標準的合金鋼錠，經鍛壓機鍛造(或軋鋼機初軋)開坯，成合金圓棒；(2)經軋鋼機熱加工軋制變形，成合金盤條，酸洗處理；(3)合金盤條第一次冷加工變形(一次冷拉)後，900～1050℃熱處理(4J36合金室溫組織是單相的奧氏體組織，冷拉後的900～1050℃熱處理，可使冷變形組織再結晶，便於合金的第二次冷加工變形)；(4)合金盤條第二次冷加工變形(二次冷拉)，成冷拉成品。
近年來，膨脹係數小而強度高的因瓦合金(主要特點有二一是膨脹係數小，20～100℃時，α≤1.5×10-6/℃，或20～300℃時，α≤5.1×10-6/℃；二是強度高，大於1000MPa)製造，因其結構件用途(具備獨特的物理和力學性能而使其具有特殊的用途)而日益受到關注，如電力工業中，採用膨脹係數小、強度高的因瓦合金材料製造輸電線中鋁絞線鋼芯，一方面，輸電線具有低鬆弛度(膨脹係數只有普通材料的1/5～1/10)的優點，在230℃高溫運行時輸電線的弧垂小(弧垂是輸電線的下垂高度。膨脹係數小，弧垂小；強度高，可使材料的重量輕，材料自重的弧垂也小)，大大降低了架設輸電線的鐵塔的高度和密度；另一方面，可使輸電容量成倍提高(膨脹係數較小，高溫運行弧垂較小，與相同尺寸的其他材料相比，輸電容量高)。
目前，製造高強度因瓦合金的途徑主要有三種(1)第一種是以Fe-36Ni合金為基礎，通過添加Be，利用Ni3Be金屬間化合物強化機制實現合金的強化，該方法的優點是強化效果好(抗拉強度≥1500MPa)，缺點是合金的膨脹係數較高(20～100℃，α＝3.5～4×10-6/℃)，且合金的馬氏體相變點高，不適於在低溫下使用，更嚴重的是添加的Be元素有劇毒，對環保不利。(2)第二種方法是以Fe-36Ni合金為基，通過添加碳和碳化物形成元素實現提高合金強度的目的，通常採用添加C和V使合金中析出碳化釩，依靠這種析出強化來提高合金的強度，但是在只添加V的情況下，VC析出物容易變成粗大顆粒，不能達到充分高強度化，一般強度小於1100Mpa；(3)第三種方法(日本大同特殊鋼株式會社的PCT專利申請，國際公開號WO 03/025239A1)與第二種方法基本相似，以Fe-36Ni合金為基，通過添加碳和碳化物形成元素實現提高合金強度的目的，同時添加C和Mo、V的方法抑制碳化物粗大化，有效地提高合的強度和扭轉特性(抗拉強度≥1300MPa，扭轉值≥20)，其缺點是同時添加Mo、V的合金膨脹係數偏高，20～230℃和230～290℃溫度範圍，其平均線膨脹係數分別為≤3.7×10-6/℃和≤10.8×10-6/℃。
發明內容
本發明開發一種高強度因瓦合金及其合金線材的生產方法，其特點是首先是因瓦合金的成分設計，它是以Fe-36Ni合金為基，添加特定成分的W、V、C元素，有效利用C、W、V元素對因瓦合金的強化作用；其次，採用常規生產工藝，將合金鋼錠加工成合金圓棒，再加工成合金盤條；最後，採用特殊的二次冷加工變形及熱處理工藝，保持常規Fe-36Ni因瓦合金的低膨脹特性和扭轉特性，將合金強度提升到較高水平；最終，使因瓦合金線材的產品性能達到強度指標、膨脹特性、扭轉特性的和諧統一膨脹係數低(20～240℃時，α≤2.5×10-6/℃；20～290℃時，α≤4.5×10-6/℃)、扭轉特性好(扭轉值≥40)、合金強度高(≥1300MPa)。滿足了市場對高強度、低膨脹性的因瓦合金線材的應用需求。
本發明開發的一種高強度因瓦合金，其特徵在於是以Fe-36Ni合金為基，添加W、V、C元素；合金的化學元素成分(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，其餘為Fe和不可避免雜質；且W/V≥1.5，C＝0.9～1.3(0.033W+0.2V)。
上述高強度因瓦合金的成分中，可以添加Mo、Co二種元素的1～2種Mo≤3.0％，Co≤3.5％，以降低合金的膨脹係數。
上述高強度因瓦合金的成分中，還可以添加Mg、B、Ca、Ce、La五種元素中的1～2種，加入元素的含量≤0.01％，以改善合金的熱加工性能。
上述高強度因瓦合金的成分中，在添加Mo、Co二種元素的1～2種時，可以同時添加Mg、B、Ca、Ce、La五種元素中的1～2種。
在本發明中通過在合金裡添加C和V、W，使其析出各自碳化物，由此獲得高強度的目標，在不添加W，只單獨加V的情況下，會析出碳化釩，但這種析出物容易變成粗大粒子，不能達到充分高強度化。如果同時添加W和V，則析出MC、M2C或M6C型細微的碳化物，抑制碳化物變成粗大粒子，從而能有效地提高低膨脹因瓦合金的強度。為了利用W和V的碳化物充分實現高強度化，規定添加比必須滿足W/V≥1.5，如果不能滿足，則會出現粗大的碳化物。
為了實現合金高強度和優良扭轉特性的目的，對C的加入量必須進行規定，碳的加入量應滿足C＝0.9～1.3(0.033W+0.2V)，在滿足上述規定的前提下就能保證W、V碳化物析出充分，避免游離碳產生。如果合金中存在游離碳，而且達到一定數量時，合金線材扭轉時變形就會集中在局部位置，由此產生「簡單脆斷」現象。與此相反，如果用W和V固定合金中游離碳，就能很好的防止這種現象。
下面就本發明中化學成分的添加量以及限定理由詳述如下C0.15～0.40％。C是析出碳化物所必需的元素，為獲得足夠的高強度，C的最低限≥0.15％是必要的，但C過高會造成游離碳的出現，應將C限制在0.40％以下。
Si≤0.60％。Si雖然是有效的脫氧劑，但Si會增大膨脹係數而且對扭轉特性不利，最好是越低越好，將上限規定為0.60％。
Mn≤0.8％。Mn是鋼的脫氧劑，還可與S結合以MnS的形態將S固定下來，對熱加工性能的提高有利，但對膨脹係數和扭轉特性不利，應越低越好，將其規定為≤1.0％。
P≤0.025％。由於P在晶界處偏析造成韌性下降，希望越低越好，由於Fe、Ni原料中P都較低，P的上限定為0.025％。
S≤0.020％。S會使熱加工性能下降，因此希望降低它，將其上限規定為0.020％。
Cu≤0.50％。Cu有助於提高強度，但添加過量會使熱加工性能變差，熱膨脹係數增加，規定其上限為0.5％。
Ni34.0～40.0％。Ni對確保低膨脹性能是必需的，在Ni含量34.0～40.0％範圍膨脹性能較低，為獲得更低膨脹性能，Ni+Co含量控制在37.0～39.0％範圍最佳。
W1.5～5.0％。W作為微細的MC、M2C或M8C7型碳化物析出，使合金的強度和扭轉特性提高，為確保強度最低值，W的加入量最低限定為1.5％。W加入如過高則會使膨脹係數增加，因此將6.0％作為上限。
V0.3～1.2％。V與W一樣作為MC、M8C7型碳化物析出，能使強度和扭轉特性提高，其下限為0.3％，但過量添加則會生成粗大的碳化物，使扭轉特性和韌性變差，因此規定其上限為1.2％。
Cr≤0.5％。Cr也是碳化物形成元素，能有效提高強度，但會增大膨脹係數，因而將上限規定為0.5％。
Mo≤0.5％。Mo與W一樣作為微細的MC、M2C或M8C7型碳化物形成元素，但Mo的加入量會導致成本上升和膨脹係數增大，因而將其上限規定為0.5％。
W/V≥1.5。通過W和V的平衡加入，能形成理想的微細碳化物析出，從而獲得高的強度和韌性。如果滿足公式，能取得V和W成分平衡的MC或M8C7型碳化物，公式數值增大，會形成M2C，這些碳化物對強度和扭轉特性都是有效的析出物，如果公式＜1.5則難以獲得高的強度，希望控制在≥2.0。
C＝0.9～1.3(0.033W+0.2V)。為了獲得穩定的扭轉特性和良好韌性，必須滿足該公式，如果C加入過度則會導致游離碳的存在，過低則不能充分高強度化。
Co≤3.5％。由於Co會導致成本上升，一般情況下不添加，但當希望獲得較低的膨脹係數時，可以添加，但應相應減少Ni的加入量。
Mg、B、Ca、Ce、La≤0.010％。Ca、Mg、B、稀土是有助於提高鋼的熱加工的元素，因此希望加入，但過度加入也是不利的，因此將其上限規定為0.010％。
上述高強度因瓦合金線材的生產方法，其特徵在於(1)採用常規生產工藝，將合金鋼錠加工成合金坯，再將合金坯加工成合金盤條；(2)採用特殊的二次冷加工變形及熱處理工藝，保持常規Fe-36Ni因瓦合金的低膨脹特性和扭轉特性，將合金強度提升到較高水平；最終，使因瓦合金線材的產品性能達到強度指標、膨脹特性、扭轉特性的和諧統一膨脹係數低(20～240℃時，α≤2.5×10-6/℃；20～290℃時，α≤4.5×10-6/℃)、扭轉特性好(扭轉值≥40)、合金強度高(≥1300MPa)。
(1)採用常規生產工藝，將合金鋼錠加工成40～240mm的合金坯(合金坯可以是圓棒，也可以是方坯)，再將合金坯加工成φ10～15mm的合金盤條(A)採用常規冶煉生產工藝，冶煉出以Fe-36Ni合金為基，添加W、V、C元素的上述高強度因瓦合金，並澆鑄成合金鋼錠；(B)採用常規的熱加工變形生產工藝，將成分符合標準的合金鋼錠，經鍛壓機鍛造或軋鋼機初軋開坯，加工成40～240mm的合金坯；(C)採用常規的熱加工變形生產工藝，經軋鋼機熱加工軋制變形，將合金坯加工成φ10～15mm的合金盤條；
(2)採用特殊的二次冷加工變形及熱處理工藝，保持常規Fe-36Ni因瓦合金的低膨脹特性和扭轉特性，將合金強度提升到較高水平(A)採用冷拉工藝，對合金盤條第一次冷加工變形(第一次冷加工變形是起預應變作用，有利於後面熱處理過程中析出細微且均勻的碳化物)，變形量20～70％(變形量≤20％，不能給予充分的預應變，而如果超過70％的變形量時，則在進行下一道次熱處理時，難以獲得高的強度)；第一次冷加工變形後，合金冷拉件進行450～750℃熱處理(450～750℃溫度範圍內進行的熱處理是為了使W和V的碳化物在母相中均勻析出，通過這種析出來提高合金的強度，同時可使基體的位錯密度下降，確保適當的扭轉特性。熱處理溫度＜450℃，合金的碳化物析出不充分，不能使合金線材獲得高強度，基體的位錯密度下降較少，合金的第二次冷加工變形較困難，不利於扭轉特性的穩定；溫度＞750℃，會使合金的碳化物粗大，同時基體會產生部分再結晶現象，合金第二次冷加工變形過程中強化效果較差，不能實現本發明的強度指標＝；(B)採用冷拉工藝，對合金冷拉件進行第二次冷加工變形(第二次冷加工變形是為確保必要的強度而進行的，最低的加工量應≥55％)，變形量55～95％；生產出膨脹係數低(20～240℃時，α≤2.5×10-6/℃；20～290℃時，α≤4.5×10-6/℃)、扭轉特性好(扭轉值≥40)、抗拉強度高(≥1300MPa)的合金線材。
和現有技術相比，本發明具有下列優點1、合金成分設計合理，強度高；2、合金線材生產工藝簡單，可操作性強、工藝穩定性高；3、產品膨脹係數低、扭轉特性好、抗拉強度高。
4、生產效率高，產品合格率高。
具體實施方案某鋼鐵公司實施本發明專利，生產了5爐(1#、2#、3#、4#、5#)高強度因瓦合金線材，高強度因瓦合金的成分特徵在於是以Fe-36Ni合金為基，添加W、V、C元素；合金的化學元素成分(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，其餘為Fe和不可避免雜質；且W/V≥1.5，C＝0.9～1.3(0.033W+0.2V)。另外，試煉了5爐(6#、7#、8#、9#、10#)成分不完全符合本發明的比較合金5爐(6#、7#、8#、9#、10#)。
上述高強度因瓦合金線材的生產方法，其特徵是(1)採用常規生產工藝，將合金鋼錠加工成合金圓棒，再加工成合金盤條(A)採用常規冶煉生產工藝，冶煉出以Fe-36Ni合金為基，添加W、V、C元素的上述高強度因瓦合金，並澆鑄成合金鋼錠；如用150Kg真空感應爐熔煉，澆鑄得到135Kg錠子，合金化學成分見表1所示。(B)採用常規的熱加工變形生產工藝(合金鋼錠加熱溫度1180℃)，將成分符合標準的合金鋼錠，經鍛壓機鍛造或軋鋼機初軋開坯，加工成φ50mm的合金坯；(C)採用常規的熱加工變形生產工藝(加熱溫度1050～1100℃)，經軋鋼機熱加工軋制變形，將合金坯加工成φ12mm(φ10～15mm)的合金盤條；(2)採用特殊的二次冷加工變形及熱處理工藝，保持常規Fe-36Ni因瓦合金的低膨脹特性和扭轉特性，將合金強度提升到較高水平(A)採用冷拉工藝，對合金盤條第一次冷加工變形，變形量35～50％(20～70％)；第一次冷加工變形後，合金冷拉件進行450～700℃熱處理；(B)採用冷拉工藝，對合金冷拉件進行第二次冷加工變形，變形量55～85％(55～95％)；第二次冷加工變形後，接著進行酸洗、剝皮；生產出膨脹係數低(20～240℃時，α≤2.5×10-6/℃；20～290℃時，α≤4.5×10-6/℃)、扭轉特性好(扭轉值≥40)、抗拉強度高(≥1300MPa)的合金線材(冷加工變形參數及測試結果見表2)。
從表1、表2的結果可看出實施本發明生產的5爐(1#、2#、3#、4#、5#)高強度因瓦合金線材，能得到良好的抗拉強度(≥1300MPa)，扭轉特性及低膨脹性能優異，合格率100％。與此相反，C、W、V、W/V、C＝0.9～1.3(0.033W+0.2V)的值不能滿足本發明條件的5爐(6#、7#、8#、9#、10#)比較合金，其抗拉強度、扭轉特性至少有一項得不到滿足。
由此表明，在本發明中將合金的化學成分規定在申請範圍內是極重要的，但合金線材的生產方法也是重要的，使製造條件符合專利申請範圍，兩者結合，就能在確保合金具有優良扭轉特性和極低熱膨脹係數的同時，獲得令人滿意的高強度效果。滿足用戶要求和市場需要，經濟效益顯著。
高強度因瓦合金化學成分，％表1
注含碳量C＝A(0.033W+0.2V)，A＝0.9～1.3能滿足本發明。
冷加工變形參數及測試結果表2
權利要求
1.一種高強度因瓦合金，其特徵在於以Fe-36Ni合金為基，添加W、V、C元素；合金的化學元素成分(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，其餘為Fe和不可避免雜質；且W/V≥1.5，C＝0.9～1.3(0.033W+0.2V)。
2.根據權利要求1所述的一種高強度因瓦合，其特徵在於鋼的成分中，可以添加Mo、Co二種元素的1～2種Mo≤3.0％，Co≤3.5％。
3.根據權利要求1所述的一種高強度因瓦合，其特徵在於鋼的成分中，還可以添加Mg、B、Ca、Ce、La五種元素中的1～2種，加入元素的含量≤0.01％。
4.根據權利要求1所述的一種高強度因瓦合，其特徵在於鋼的成分中，在添加Mo、Co二種元素的1～2種時，可以同時添加Mg、B、Ca、Ce、La五種元素中的1～2種。
5.上述高強度因瓦合金線材的生產方法，其特徵在於(1)採用常規生產工藝，將合金鋼錠加工成合金坯，再加工成合金盤條；(2)採用特殊的二次冷加工變形及熱處理工藝；最終，使因瓦合金線材的產品性能達到膨脹係數低(20～240℃時，α≤2.5×10-6/℃；20～290℃時，α≤4.5×10-6/℃)、扭轉特性好(扭轉值≥40)、合金強度高(≥1300MPa)(1)採用常規生產工藝，將合金鋼錠加工成40～240mm的合金坯，合金坯可以是圓棒，也可以是方坯，再將合金坯加工成φ10～15mm的合金盤條(A)採用常規冶煉生產工藝，冶煉出以Fe-36Ni合金為基，添加W、V、C元素的上述高強度因瓦合金，並澆鑄成合金鋼錠；(B)採用常規的熱加工變形生產工藝，將成分符合標準的合金鋼錠，經鍛壓機鍛造或軋鋼機初軋開坯，加工成40～240mm的合金坯；(C)採用常規的熱加工變形生產工藝，經軋鋼機熱加工軋制變形，將合金坯加工成φ10～15mm的合金盤條；(2)採用特殊的二次冷加工變形及熱處理工藝，保持常規Fe-36Ni因瓦合金的低膨脹特性和扭轉特性，將合金強度提升到較高水平(A)採用冷拉工藝，對合金盤條進行第一次冷加工變形，變形量20～70％；第一次冷加工變形後，合金冷拉件進行450～750℃熱處理；(B)採用冷拉工藝，對合金冷拉件進行第二次冷加工變形，變形量55～95％；生產出合金線材。
全文摘要
一種高強度因瓦合金及其合金線材的生產方法，其特徵在於以Fe－36Ni合金為基，添加W、V、C元素，具體成分(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，其餘為Fe和不可避免雜質；且W/V≥1.5，C＝0.9～1.3(0.033W+0.2V)。上述合金線材的生產方法是(1)採用常規工藝，將合金鋼錠加工成圓棒，再加工成φ10～15mm的盤條；(2)採用特殊的二次冷加工變形及熱處理工藝第一次、二次的冷拉變形量20～70％、55～95％，冷加工變形後進行450～750℃熱處理。實施本發明生產的因瓦合金線材成品，保持了常規Fe－36Ni因瓦合金的低膨脹特性(20～240℃時，a≤2.5×10－6/℃；20～290℃時，a≤4.5×10－6/℃)和扭轉特性(扭轉值≥40)，獲得令人滿意的高強度(≥1300MPa)效果，經濟效益顯著。
文檔編號B21C1/00GK1743490SQ200510029930
公開日2006年3月8日 申請日期2005年9月23日 優先權日2005年9月23日
發明者陸建生, 陳新建, 黃劍, 毛彭齡, 倪和勇, 沈黎明, 湯飛, 趙連歧, 馮祝華, 謝書鴻 申請人:寶山鋼鐵股份有限公司, 江蘇中天科技股份有限公司