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