CN107866647A - 一种Fe‑Ni因瓦合金焊丝及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种Fe‑Ni因瓦合金焊丝，其化学成分重量配比为：C：0.04～0.10％；Si：≤0.25％；Mn：0.2～0.4％；P≤0.08％；S≤0.003％；Ni：35～38％；Cr：0.2～0.5％；V：0.08～0.15％；其余为Fe和不可避免的杂质，杂质元素的总量低于0.05wt％。本发明还提供了该Fe‑Ni因瓦合金焊丝的制备方法，包括冶炼、模铸、轧制、固溶处理和冷拔工艺生产。本发明通过提高C含量，并适当添加Cr、V等元素，依靠碳化物强化和固溶强化，使熔敷金属的强韧性获得提高，并保证获得较低的膨胀性能，其制造成本低，焊接工艺性能优良，应用广泛。

Description

一种Fe-Ni因瓦合金焊丝及其制造方法

技术领域

本发明涉及焊丝生产领域，具体涉及一种合金焊丝以及其生产方法。

背景技术

Fe-Ni36因瓦合金因其具有良好的膨胀性能得到了广泛重视和应用，有“金属之王”之称，在精密仪器上有无可比拟的优势。比如，在精密激光、光学测量***和波导管中作结构元件，在显微镜，天文望远镜中作巨大透镜的支撑***。在特殊结构材料领域还应用于液化石油气储气罐、长距离电力传输线、天线形变控制设备、大型飞机复合材料的模具等。Fe-Ni36因瓦合金因其独特的性能在不同领域发挥着重要的作用。近年来，随着国家环保要求的提升，作为清洁能源的液化天然气(LNG)的需求越来越大，因此对LNG运输船的需求也在逐年增加，Fe-Ni36因瓦合金因具有优良的低温膨胀和力学性能，成为LNG运输船舶制造的首选材料。2008年以来，我国制造的LNG船的殷瓦合金材料全部进口。LNG船用焊丝对焊接性能有特殊要求，国内一直依靠进口。为了降低制造成本，实现LNG船用焊丝国产化，研制LNG船用焊丝势在必行。

通过查新检索到镍基焊丝中与本发明相近的专利共有2个。

专利文献CN101249591公开了一种镍基焊丝及其制造工艺，该材料的主要成分为：0.047％C，0.26％Si，2.67％Mn，0.020％P，0.006％S，73.0％Ni，19.51％Cr，0.28％Ti，2.66％Nb，1.48％Fe，0.064Cu％。该发明材料具有良好的综合机械性能，但Cr、Ni、Nb等贵重元素含量很高，成本较高，适用于镍基高温合金材料的焊接。

专利文献CN103084753公开了一种镍铁精密合金焊丝，其主要化学成分为：0.1-0.2％C，0.2-0.3％Si，0.4-0.5％Mn，35-37％Ni，0.4-0.5％Ti，1.0-1.2％Nb，该发明焊丝可以提高焊缝的抗拉强度，保证焊缝金属的韧性和低膨胀性能，可应用于镍铁系精密合金材料的焊接领域，但是合金中贵重元素Nb的含量较高，成本较高。

上述专利文献和本发明的成分比较见表1所示。

表1原有专利钢和本发明钢的化学成分对比(wt％)

发明内容

因此，本发明要解决的技术问题是，提供一种低成本且焊接性能优良的Fe-Ni因瓦合金焊丝。本发明要解决的另一个技术问题是，提供该合金焊丝的生产方法。

本发明的技术方案是，一种Fe-Ni因瓦合金焊丝，其化学成分重量配比为：C：0.04～0.10％；Si：≤0.25％；Mn：0.2～0.4％；P≤0.08％；S≤0.003％；Ni：35～38％；Cr：0.2～0.5％；V：0.08～0.15％；

其余为Fe和不可避免的杂质，杂质元素的总量低于0.05wt％。

根据本发明的一种Fe-Ni因瓦合金焊丝，优选的是，上述成分中，V和C的含量比例为：1.2＜V/C＜3.75。

本发明的合金钢选择化学成分范围的原因如下：

C：可提高焊缝的熔敷金属强度，并且可以改善焊接时焊缝金属的流动性，从而改善焊缝的成型。过高的C含量会降低材料的韧性，使材料的膨胀系数提高。优选C含量为0.04～0.10％。

Si：加入合金中起到了脱氧的作用，当Si以固溶态的形式存在时，可以提高基体的屈服强度，但会使材料的韧脆转变温度和膨胀系数提高，降低焊缝的冲击韧性，在保证钢水脱氧良好的情况下，尽量降低合金中的Si含量。优选Si≤0.25％。

Mn：既是脱氧元素又是强化元素。Mn是可以使合金的强度增加，而对韧性和塑性损害最小的元素。增加合金中的Mn含量，可使合金的强度增加，但其含量偏高时会损害其韧性。为此，优选Mn含量为0.2～0.4％。

Ni：因瓦合金中的主要元素，铁镍因瓦合金中Ni含量在36％左右时，膨胀系数最低，偏离一定范围，合金的膨胀系数会迅速增大。同时Ni还具有稳定奥氏体的左右，Ni含量偏低时，在低温下会发生马氏体相变，一旦发生马氏体相变，合金的膨胀系数会迅速增大，而且低温力学性能也急剧变差。优选Ni含量35～38％。

Cr：在合金中起固溶强化作用，固溶于基体，明显增加钢的强度，过量添加会显著提高合金的膨胀系数。本发明优选控制在0.2～0.5％。

V：钒是强碳化物形成元素，能固定合金中的游离C，使合金获得低的膨胀性能，同时V与C形成的碳化物，起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V太高会显著降低合金的塑韧性。另外，钒也是优良脱氧剂，V的添加可使合金中的氧含量降得更低，使合金的塑韧性进一步提高。合金中的V和C含量适当配比才能发挥最佳效果。本发明选择V含量控制在0.08～0.15％范围。

P：是对焊缝金属的低温韧性有害的元素，在焊接过程中低熔点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≤0.08％。

S：是有害杂质元素，可以降低合金的焊接性能和韧性。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，合金中的S含量越低越好。本发明控制S≤0.003％。

本发明合金成分设计的特点是：优选合金中的C含量在0.04～0.10％，在保证获得一定的强韧性配合的前提下，通过添加一定量的Cr、V等元素达到固溶强化和碳化物强化的目的，在保证低的膨胀系数同时使焊缝金属的强度进一步提高，同时形成的碳化物还可以阻止金属凝固时晶粒长大，起到细晶强韧化的目的。由于V是强碳化物形成元素，低碳合金中在Cr、V同时存在情况下，C与V优先结合形成碳化物，减少C与Cr结合的几率，保证了合金中Cr的固溶强化作用。为了达到理想的效果，合金中V的加入量需要满足1.2＜V/C＜3.75，这样可以保证合金中的固溶C数量尽可能少，而且可以保证合金中固溶一定数量Cr，起到固溶强化的作用。

本发明还提供了上述Fe-Ni因瓦合金焊丝的制造方法，包括冶炼、模铸、轧制、固溶处理和冷拔工艺生产，包括以下步骤：

(1)冶炼工艺：进行真空炉精炼时，在真空度达到66.7Pa以下时，要求真空处理时间≥15分钟，在抽真空结束后，采用底吹Ar搅拌处理，处理时间≥20分钟；

(2)模铸工艺：浇注温度控制在1480-1490℃；

(3)轧制工艺：在热轧工序中，钢锭加热温度控制在1150-1180℃；

(4)固溶工艺：冷拔前将合金坯料进行固溶处理，固溶处理工艺为950-1100℃，快冷；

(5)冷拔工艺：按常规工艺将盘条拉拔成成品焊丝。

模铸工艺中采用低温浇注，减少铸锭凝固偏析。轧制工艺中，进行高温均匀化处理，保温足够长时间，确保铸态组织中偏析的消除。固溶工艺中，保证合金处于软态，以利于冷拔加工成盘条。

根据本发明的Fe-Ni因瓦合金焊丝的制造方法，优选的是，所述轧制工艺中，开轧温度为1060-1110℃，终轧温度为820-920℃。为了提高合金的塑韧性，防止在热加工过程中产生开裂，对热加工条件应进行严格控制。

根据本发明的Fe-Ni因瓦合金焊丝的制造方法，优选的是，所述冶炼工序中，造碱性渣，保证炉渣流动性良好和渣色变白；对钢水进行充分的炉外精炼，最大限度地去除合金中的有害元素、非金属夹杂物及气体，保证钢水的纯净度，有利于提高合金的韧性。

优选的是，所述快冷为风冷或水冷中的一种。

本发明的合金焊丝不但可以提高焊缝熔敷金属的强度和韧性，同时具有较低的线膨胀系数，焊接后熔敷金属的性能指标为：抗拉强度≥490MPa，屈服强度≥380MPa，冲击韧性≥60J，20℃-100℃线膨胀系数≤1.8×10^-6/℃，-180℃-0℃线膨胀系数≤1.8×10^-6/℃，完全可以替代进口LNG船用焊丝，而且合金成本较低，可广泛用于LNG船薄膜仓的焊接及飞机复合材料模具、电子元器件等制造领域的焊接。

本发明的有益效果是：

本发明与现有技术相比较，具有突出的特点和显著优点：

本发明钢采用在Fe-Ni36合金基础上，通过提高C含量，并适当添加Cr、V等合金元素，依靠碳化物强化和固溶强化，使熔敷金属的强韧性获得提高，并保证获得较低的膨胀性能，其制造成本低，焊接工艺性能优良，可用于LNG船薄膜仓的焊接及飞机复合材料模具、电子元器件等制造领域的焊接。

具体实施方式

根据本发明所设计的化学成分和生产方法生产了6炉合金焊丝，合金的具体成分如表2所示。采用熔化极气体保护焊的方法进行熔敷金属性能测试，熔敷金属的性能如表3所示。

表2本发明的合金钢的化学成分，wt％

钢号	C	Si	Mn	P	S	Ni	Cr	V
									A1	0.04	0.20	0.33	0.007	0.002	26.2	0.33	0.14
A2	0.08	0.25	0.40	0.006	0.002	37.6	0.45	0.11
									A3	0.09	0.22	0.29	0.008	0.001	38.0	0.40	0.13
A4	0.06	0.18	0.30	0.007	0.003	36.5	0.31	0.12
									A5	0.05	0.20	0.25	0.006	0.001	35.0	0.50	0.08
A6	0.10	0.19	0.20	0.005	0.001	36.2	0.21	0.15

表3试验钢的力学性能

本发明的制造方法，包括冶炼、模铸、轧制、固溶处理和冷拔工艺生产，包括以下步骤：

(1)冶炼工艺：进行真空炉精炼时，在真空度达到66.7Pa以下时，要求真空处理时间≥15分钟，在抽真空结束后，采用底吹Ar搅拌处理，处理时间≥20分钟；

(2)模铸工艺：浇注温度控制在1480-1490℃；

(3)轧制工艺：在热轧工序中，钢锭加热温度控制在1150-1180℃；

(4)固溶工艺：冷拔前将合金坯料进行固溶处理，固溶处理工艺为950-1100℃，快冷；

(5)冷拔工艺：按常规工艺将盘条拉拔成成品焊丝。

实施例1：

按上述冶炼方法制得化学成分为A1的钢水，在66.7Pa以下真空处理时间15分钟，真空处理结束后底吹Ar搅拌时间20分钟，浇注温度1480℃，浇注2.3吨钢锭，钢锭加热温度1180℃，保温3h，开轧温度1090℃，终轧温度870℃，轧制成品Φ5.5mm线材，在950℃固溶，保温2h后出炉水冷，按常规工艺冷拔成Φ1.2mm线材。

实施例2：

按上述冶炼方法制得化学成分为A2的钢水，在66.7Pa以下真空处理时间18分钟，真空处理结束后底吹Ar搅拌时间20分钟，浇注温度1485℃，浇注2.3吨钢锭，钢锭加热温度1150℃，保温3h，开轧温度1060℃，终轧温度820℃，轧制成品Φ5.5mm线材，在980℃固溶，保温2h后出炉水冷，按常规工艺冷拔成Φ1.2mm线材。

实施例3：

按上述冶炼方法制得化学成分为A3的钢水，在66.7Pa以下真空处理时间15分钟，真空处理结束后底吹Ar搅拌时间22分钟，浇注温度1190℃，浇注2.3吨钢锭，钢锭加热温度1160℃，保温3h，开轧温度1090℃，终轧温度850℃，轧制成品Φ5.5mm线材，在1100℃固溶，保温2h后出炉水冷，按常规工艺冷拔成Φ1.2mm线材。

实施例4：

按上述冶炼方法制得化学成分为A4的钢水，在66.7Pa以下真空处理时间15分钟，真空处理结束后底吹Ar搅拌时间22分钟，浇注温度1486℃，浇注2.3吨钢锭，钢锭加热温度1170℃，保温3h，开轧温度1100℃，终轧温度860℃，轧制成品Φ5.5mm线材，在960℃固溶，保温2h后出炉水冷，按常规工艺冷拔成Φ1.2mm线材。

实施例5：

按上述冶炼方法制得化学成分为A5的钢水，在66.7Pa以下真空处理时间17分钟，真空处理结束后底吹Ar搅拌时间21分钟，浇注温度1488℃，浇注2.3吨钢锭，钢锭加热温度1180℃，保温3h，开轧温度1110℃，终轧温度920℃，轧制成品Φ5.5mm线材，在1000℃固溶，保温2h后出炉水冷，按常规工艺冷拔成Φ1.2mm线材。

实施例6：

按上述冶炼方法制得化学成分为A6的钢水，在66.7Pa以下真空处理时间15分钟，真空处理结束后底吹Ar搅拌时间20分钟，浇注温度1486℃，浇注2.3吨钢锭，钢锭加热温度1180℃，保温3h，开轧温度1070℃，终轧温度830℃，轧制成品Φ5.5mm线材，在950℃固溶，保温2h后出炉水冷，按常规工艺冷拔成Φ1.2mm线材。

本发明的Fe-Ni因瓦合金焊丝具有优良的强韧性及低的膨胀系数，且制造成本较低，可用于LNG船薄膜仓的焊接及飞机复合材料模具、电子元器件等制造领域的焊接，具有广泛的应用前景。

Claims (6)

1.一种Fe-Ni因瓦合金焊丝，其特征在于：其化学成分重量配比为：C：0.04～0.10％；Si：≤0.25％；Mn：0.2～0.4％；P≤0.08％；S≤0.003％；Ni：35～38％；Cr：0.2～0.5％；V：0.08～0.15％；

其余为Fe和不可避免的杂质，杂质元素的总量低于0.05wt％。

2.根据权利要求1所述的一种Fe-Ni因瓦合金焊丝，其特征在于：上述成分中，V和C的含量比例为：1.2＜V/C＜3.75。

3.权利要求1所述Fe-Ni因瓦合金焊丝的制造方法，包括冶炼、模铸、轧制、固溶处理和冷拔工艺生产，其特征在于：包括以下步骤：

(1)冶炼工艺：进行真空炉精炼时，在真空度达到66.7Pa以下时，要求真空处理时间≥15分钟，在抽真空结束后，采用底吹Ar搅拌处理，处理时间≥20分钟；

(2)模铸工艺：浇注温度控制在1480-1490℃；

(3)轧制工艺：在热轧工序中，钢锭加热温度控制在1150-1180℃；

(4)固溶工艺：冷拔前将合金坯料进行固溶处理，固溶处理工艺为950-1100℃，快冷；

(5)冷拔工艺：按常规工艺将盘条拉拔成成品焊丝。

4.根据权利要求3所述的Fe-Ni因瓦合金焊丝的制造方法，其特征在于：所述轧制工艺中，开轧温度为1060-1110℃，终轧温度为820-920℃。

5.根据权利要求3所述的Fe-Ni因瓦合金焊丝的制造方法，其特征在于：所述冶炼工序中，造碱性渣，保证炉渣流动性良好和渣色变白；对钢水进行充分的炉外精炼，最大限度地去除合金中的有害元素、非金属夹杂物及气体，保证钢水的纯净度，有利于提高合金的韧性。

6.根据权利要求3所述的Fe-Ni因瓦合金焊丝的制造方法，其特征在于：所述快冷为风冷或水冷中的一种。