CN114752846A - 一种高强度因瓦合金线材及其制备方法 - Google Patents

一种高强度因瓦合金线材及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了高强度因瓦合金线材及其制备方法，通过涉及合金成分，添加C、Cr、V等元素来提高合金的强度，各元素含量满足如下公式：C％＝0.05Cr％+0.2V％、0.6≤V/Cr≤1.8，再施以一定的热处理工艺及冷拉工艺，依靠沉淀强化和形变强化协同效应，使合金线材达到高强度低膨胀性能，其性能指标可达：抗拉强度≥1350MPa，20℃～230℃线膨胀系数≤3.0×10‑6/℃，230℃～290℃线膨胀系数≤10×10‑6/℃，完全可以替代目前工业化应用的低松弛传输导线用线材。

Description

一种高强度因瓦合金线材及其制备方法
技术领域
本发明涉及冶金行业中的因瓦合金领域，特别涉及一种高强度因瓦合金线材及其制备方法。
背景技术
近年来，线膨胀系数小且强度高的结构材料日益得到关注。目前制造这种材料的途径有三种：一种方法是在普通Fe-Ni因瓦合金基础上，通过添加Be、Ti、Al等，靠析出Ni3Be和Ni3(AL,Ti)等金属间化合物强化机制来生产，该方法的优点是强化效果好，抗拉强度可达1500MPa以上，缺点是合金的膨胀系数较高，20℃～100℃的膨胀系数可达3.5～4×10-6/℃；第二种方法是在普通Fe-Ni因瓦合金基础上，通过添加C和碳化物形成元素，靠析出碳化物来达到提高合金强度的目的，目前通过同时添加多种碳化物形成元素诸如Cr、Mo、V、W等的方法，合金的抗拉强度可达1300MPa以上，但是多种合金元素的添加往往也伴随着膨胀系数的增加；第三种方法是靠形变强化，通过冷变形，使合金中产生大量的位错和亚结构，不但使合金的强度得到提高，同时还降低了合金的膨胀系数；但是上述的三种方法仅靠其中一种强化方式很难达到预期目的。
现有技术也有类似的研究，比如申请号200510029930.0公开了一种高强度因瓦合金及其合金线材的生产方法，通过添加C、W、V、Co元素(参见表1)，形成W、V弥散型碳化物，使线材抗拉强度≥1300MPa，同时保持了常规Fe-36Ni因瓦合金的低膨胀特性(20～240℃时，α≤2.5×10-6/℃；20～290℃时，α≤4.5×10-6/℃)，但是该合金中W含量较高，热加工性能较差；又如日本专利JP2003082439(A)通过添加C、Mo、V元素(参见表1)，形成Mo、V弥散型碳化物，使合金线材抗拉强度≥1300MPa；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/℃，但是该方法由于添加Mo、V导致合金的膨胀系数偏高。
表1现有技术中因瓦合金的成分及含量(wt％)
Figure BDA0002888609970000021
鉴于上述情况，如何在Fe-36Ni因瓦合金的基础上开发出一种线膨胀系数小且强度高的结构材料，仍然是目前亟待解决的问题。
发明内容
针对现有技术中存在的缺陷，本发明目的是提供一种高强度因瓦合金线材及其制备方法，在Fe-36Ni因瓦合金化学成分基础上，通过添加C、Cr、V等元素，通过热处理工艺使其在基体中析出均匀细小弥散的碳化物，达到强化的目的，然后再通过冷拉变形，依靠形变强化，使线材强度进一步提升，采用碳化物强化和形变强化双重作用，在获得高强度的同时降低膨胀系数。
为了实现上述目的，本发明采用如下的技术方案:
本发明的第一方面提供一种高强度因瓦合金线材，包括按质量百分比计的以下成分:C:0.20～0.45％、Si≤0.60％、Mn：0.20～0.60％、P≤0.02％、S≤0.02％、Ni：33～40％、Cr：0.5～1.6％、V：0.5～1.5％、Co≤5.0％，余量为铁和不可避免的杂质。
优选地，C:0.23～0.38％、Ni：33～38％、Cr：0.6～1.6％、V：1.0～1.5％、Co≤3.0％，不可避免的杂质的总量低于0.05wt％。
优选地，所述高强度因瓦合金线材中各成分满足以下公式：
C％＝0.05Cr％+0.2V％；和/或
0.6≤V/Cr≤1.8。
优选地，所述高强度因瓦合金线材中，Co％+Ni％的含量在35～38％。
优选地，所述高强度因瓦合金线材的抗拉强度≥1350MPa，20～230℃线膨胀系数≤3.0×10-6/℃，230℃～290℃线膨胀系数≤10×10-6/℃。
本发明第二方面提供一种高强度因瓦合金线材的制备方法，根据本发明第一方面所述的成分配比原料，制成钢锭或连铸坯，再经热轧成盘条，所述盘条依次经固溶热处理、时效热处理、冷加工后制备而成。
优选地，所述固溶热处理过程中，固溶热处理温度为1000～1150℃。
优选地，所述时效热处理过程中，时效热处理温度为550～780℃。
优选地，所述冷加工过程中，控制变形量≥70％。
优选地，所述高强度因瓦合金线材的抗拉强度≥1350MPa，20～230℃线膨胀系数≤3.0×10-6/℃，230℃～290℃线膨胀系数≤10×10-6/℃。
本发明的高强度因瓦合金线材的成分设计的原则如下:
(1)本发明合金成分设计的特点是：本发明是在Fe-Ni36因瓦合金基础上，通过添加C、Cr、V等元素来提高合金的强度。为了最大程度地发挥强化效应，合金元素的加入量按C％＝0.05Cr％+0.2V％配比控制，同时满足0.6≤V/Cr≤1.8，再施以一定的热处理工艺及冷拉工艺，依靠沉淀强化和形变强化协同效应，使合金线材达到高强度低膨胀性能，其性能指标可达：抗拉强度≥1350MPa，20℃～230℃线膨胀系数≤3.0×10-6/℃，230℃～290℃线膨胀系数≤10×10-6/℃，完全可以替代目前工业化应用的低松弛传输导线用线材；
(2)各成分选择范围原因：
C：碳化物沉淀强化所必须的元素；C含量低，析出的碳化物数量少，达不到理想的强化效果；碳含量过高，膨胀系数增加。因此，为了控制合金中有效的碳含量，合金中C的加入量为0.23～0.38wt％，优选按下式控制：C％＝0.05Cr％+0.2V％。
Si：不但起到脱氧的作用，又可以提高基体的强度，但添加大量Si会增加膨胀系数，因此Si含量限制在≤0.60wt％以下。
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，同时会使合金的膨胀系数升高，Mn含量过低，合金脱氧效果不好；因此控制Mn含量为0.20～0.60％。
Ni：Ni是实现低膨胀特性的主要元素，普通Fe-Ni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；当合金中加入一定量的合金元素时，要获得较低的膨胀系数，合金中的Ni含量要适当增加。本发明合金中Ni和Co同时添加，将合金的Ni和Co含量控制在一定范围，可以确保合金具有较低膨胀系数。因此本发明控制Ni含量33～38％。
Co：具有与Ni相似作用，Co与Ni结合使用可以减少线性膨胀系数，加入Co可相应减少Ni的含量，适量加入有利于降低合金膨胀系数，但Co与Ni相比，更易在冷加工中发生马氏体相变，故其含量被限定在3.0％以下，当Co和Ni复合添加时，Ni应≥33％，Co≤3％，在优选方案中Co+Ni应为35～38％。
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；因此本发明Cr含量控制在0.6～1.6％范围。
V：钒是强碳化物形成元素，V与C形成的碳化物析出和聚集长大速度低，碳化物的颗粒更倾向于细小弥散分布，使沉淀强化和细化晶粒作用更强，可极大提高合金的强度和塑性，因此本发明通过添加较多的V量，来提高合金的强韧性，但是V太高又会显著降低合金的塑韧性；本发明选择V含量控制在1.0～1.5％范围；在本发明的优选方案中，V和Cr的加入量按0.6≤V/Cr≤1.8控制。
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％。
与现有技术相比，本发明的有益效果为:
1.本发明的高强度因瓦合金线材及其制备方法，在Fe-36Ni因瓦合金化学成分基础上，通过添加C、Cr、V等元素，通过热处理工艺使其在基体中析出均匀细小弥散的碳化物，达到强化的目的，然后再通过冷拉工艺，依靠形变强化，使线材强度进一步提升，采用碳化物强化和形变强化双重作用，在获得高强度的同时降低膨胀系数；
2.本发明的高强度因瓦合金线材及其制备方法，通过添加C、Cr、V等元素来提高合金的强度；为了最大程度地发挥强化效应，合金元素的加入量按C％＝0.05Cr％+0.2V％配比控制，同时满足0.6≤V/Cr≤1.8，再施以一定的热处理工艺及冷拉工艺，依靠沉淀强化和形变强化协同效应，使合金线材达到高强度低膨胀性能，其性能指标可达：抗拉强度≥1350MPa，20℃～230℃线膨胀系数≤3.0×10-6/℃，230℃～290℃线膨胀系数≤10×10-6/℃，完全可以替代目前工业化应用的低松弛传输导线用线材。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。
本发明所提供的高强度因瓦合金线材，包括按质量百分比计的以下成分:C:0.20～0.45％、Si≤0.60％、Mn：0.20～0.60％、P≤0.02％、S≤0.02％、Ni：33～40％、Cr：0.5～1.6％、V：0.5～1.5％、Co≤5.0％，余量为铁和不可避免的杂质；在进一步优选方案中，该高强度因瓦合金线材包括按质量百分比计的以下成分:C:0.23～0.38％、Si≤0.60％、Mn：0.20～0.60％、P≤0.02％、S≤0.02％、Ni：33～38％、Cr：0.6～1.6％、V：1.0～1.5％、Co≤3.0％，余量为铁和不可避免的杂质，所述不可避免的杂质的总量低于0.05wt％，在此基础上，各成分满足以下公式：C％＝0.05Cr％+0.2V％；和/或0.6≤V/Cr≤1.8。除此之外，该高强度因瓦合金线材中Co％+Ni％的含量在35～38％。
该高强度因瓦合金线材的抗拉强度≥1350MPa，20～230℃线膨胀系数≤3.0×10-6/℃，230℃～290℃线膨胀系数≤10×10-6/℃。
上述的高强度因瓦合金线材的制备方法采用下述方法制备而成：首先根据上述高强度因瓦合金线材的成分配比得到原料，再采用常规工艺将原料制成钢锭或连铸坯，然后钢锭或连铸坯经热轧扎支撑盘条，热轧盘进行1000～1150℃的固溶热处理，再经550～780℃的时效热处理，之后采用变形量≥70％的冷加工，最终得到上述的高强度、低膨胀系数的因瓦合金线材。
其中热轧盘条进行1000～1150℃的固溶热处理是为了使合金中碳化物充分溶解，为后续的时效热处理做准备，保证碳化物均匀弥散析出，有利于合金加工硬化。在550～780℃范围内进行的时效热处理是为了使碳化物在基体中均匀析出，通过碳化物均匀弥散析出来提高合金的强度。随后进行的冷加工是为了进一步的形变强化而进行的，此时冷加工变形量应控制在≥70％以上，由此可获得抗拉强度大于1350MPa的高强度低膨胀合金线材。
下面结合具体例子进一步对本发明的高强度因瓦合金线材及其制备方法进行说明；
实施例1～5
实施例1～5根据上述高强度因瓦合金线材的成分含量配比原料，然后根据上述方法制备高强度因瓦合金线材，其制备过程中的工艺参数控制如表2所示；
表2实施例1～5的制备过程中的工艺参数
Figure BDA0002888609970000061
实施例1～5中制备的高强度因瓦合金线材的实测成分如表3所示，其性能如表4所示；
表3实施例1～5制备的高强度因瓦合金线材成分及含量(wt％)
Figure BDA0002888609970000062
Figure BDA0002888609970000071
表4实施例1～5制备的高强度因瓦合金线材的性能
Figure BDA0002888609970000072
结合实施例1～5和表4可知，通过添加C、Cr、V等元素来提高合金的强度；为了最大程度地发挥强化效应，合金元素的加入量按C％＝0.05Cr％+0.2V％配比控制，同时满足0.6≤V/Cr≤1.8，再施以一定的热处理工艺及冷拉工艺，依靠沉淀强化和形变强化协同效应，使合金线材达到高强度低膨胀性能，其性能指标可达：抗拉强度≥1350MPa，20℃～230℃线膨胀系数≤3.0×10-6/℃，230℃～290℃线膨胀系数≤10×10-6/℃，完全可以替代目前工业化应用的低松弛传输导线用线材。
综上所述，上述实施例仅用于说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (10)

1.一种高强度因瓦合金线材，其特征在于，包括按质量百分比计的以下成分:C:0.20～0.45％、Si≤0.60％、Mn：0.20～0.60％、P≤0.02％、S≤0.02％、Ni：33～40％、Cr：0.5～1.6％、V：0.5～1.5％、Co≤5.0％，余量为铁和不可避免的杂质。
2.如权利要求1所述的高强度因瓦合金线材，其特征在于，C:0.23～0.38％、Ni：33～38％、Cr：0.6～1.6％、V：1.0～1.5％、Co≤3.0％，不可避免的杂质的总量低于0.05wt％。
3.如权利要求2所述的高强度因瓦合金线材，其特征在于，所述高强度因瓦合金线材中各成分满足以下公式：
C％＝0.05Cr％+0.2V％；和/或
0.6≤V/Cr≤1.8。
4.如权利要求3所述的高强度因瓦合金线材，其特征在于，所述高强度因瓦合金线材中，Co％+Ni％的含量在35～38％。
5.如权利要求1～4任一项所述的高强度因瓦合金线材，其特征在于，所述高强度因瓦合金线材的抗拉强度≥1350MPa，20～230℃线膨胀系数≤3.0×10-6/℃，230℃～290℃线膨胀系数≤10×10-6/℃。
6.一种高强度因瓦合金线材的制备方法，其特征在于，根据权利要求1～4任一项所述的成分配比原料，制成钢锭或连铸坯，再经热轧成盘条，所述盘条依次经固溶热处理、时效热处理、冷加工后制备而成。
7.如权利要求6所述的制备方法，其特征在于，所述固溶热处理过程中，固溶热处理温度为1000～1150℃。
8.如权利要求6所述的制备方法，其特征在于，所述时效热处理过程中，时效热处理温度为550～780℃。
9.如权利要求6所述的制备方法，其特征在于，所述冷加工过程中，控制变形量≥70％。
10.如权利要求6所述的制备方法，其特征在于，所述高强度因瓦合金线材的抗拉强度≥1350MPa，20～230℃线膨胀系数≤3.0×10-6/℃，230℃-290℃线膨胀系数≤10×10-6/℃。
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