專利名稱：一種鐵鎳基高彈性合金及其毛細管和毛細管的制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及合金材料領(lǐng)域，具體地說，本發(fā)明涉及一種鐵鎳基高彈性合金及其毛 細管和毛細管的制造方法。
背景技術(shù)：
一般來說，我們將直徑《2mm、壁厚《0.3nun (《①2X0.30mm)的管材，稱之為毛 細管。隨著社會科學技術(shù)的進步，毛細管的用途越來越多，對毛細管的性能(力學性 能)要求也越來越高，其性能與其材料、制造有密切關(guān)系。經(jīng)檢索發(fā)現(xiàn)，國內(nèi)有以下一些具有較優(yōu)良力學性能的毛細管.-北京航空材料研究所用貴金屬AuAgPt合金制作的①0. 61X0. 19mm毛細管，其力 學性能6 b《350Mpa。上海鋼鐵研究所用3J1彈性合金制造毛細管。所謂彈性合金是一種精密合金，它 可分為高彈性合金和恒彈性合金。高彈性合金是一種具有特殊機械物理性能的金屬功 能材料，可用于特殊用途,如用該合金制作的毛細管材，可廣泛用于制作航空航天、精 密機械和精密儀器儀表等中的彈性元件。目前應(yīng)用的高彈性合金主要有鐵基、銅基、 鐵鎳基和鈷基等幾大類，3J1合金是NiCrALTi系合金，屬于鐵鎳基，它是國家標準 YB/T5256-1993,其化學成分見表1，用其制作的O 1. 0X0. 16mm毛細管，其力學性能 為，抗拉強度6 b=980Mpa、延伸率55=5%。且無屈服強度6 。.2.、彈性模量E、成型性 "B"值的性能要求。表1國家標準YB/T5256-1993規(guī)定的合金3J1化學成分(wt%)合金元素CMnSiPsNiCrTiAlFe合金3J10.05《 1.00《 0.80《 o扁《 0.02034.5/ 36.511.5/ 13.02.70/ 3.201.00/ 1,80余的無縫毛細管，技術(shù)要點是(1)采用單真空冶煉技術(shù)。(2)毛細管荒管經(jīng)電接觸加熱1150 1200'C固溶處理后，經(jīng)酸洗、在小于60%冷加工變形 率及500 650'C時效熱處理的加工工藝制造。3J1制作的毛細管成材率在5 8%。該技術(shù)存在的不足是(1)采用單真空冶煉的方法不利于消除合金中的氣體和夾 雜含量，對毛細管材的加工和性能都將產(chǎn)生不利影響。(2)荒管組織中的夾雜物和沉 淀相等在電接觸加熱過中受溫度和冷卻速度影響，難以充分溶解獲得良好的單相固溶體，增加后續(xù)毛細管材冷加工的困難。(3)冷加工時的加工硬化速率快使得毛細管材 加工難，且會出現(xiàn)易開裂、管形控制難等問題。航空發(fā)動機的特殊彈性元件，需要高性能的毛細管，該高性能毛細管的力學性能 要求是抗拉強度6b達到》1340Mpa、屈服強度6 0. 2》800Mpa、延伸率85》9.0%、 彈性模量E》180Gpa，同時提出了成型性"B"值在0. 4 0. 5mm之間的特殊要求(在 彈性變形范圍內(nèi)，正應(yīng)力與相應(yīng)正應(yīng)變之比稱之為彈性模量，用字母E表示。當毛細 管用來制作特殊彈性元件時，需要做成矩形狀態(tài)，這樣就有一個彈性恢復(fù)的力，這個 力使得矩形要變形，將這個變形程度控制在一個范圍內(nèi)進行考量，稱之為成型性"B" 值。)。該毛細管的其他尺寸要求是00.75X0.1mm公差土0.01mm,成型性"B"值 公差土0.002mm。而目前，國內(nèi)現(xiàn)有的毛細管均不能達到該高性能。為了解決以上問題，本發(fā)明者通過研究，在已有的3J1合金的基礎(chǔ)上，添加合金 強化、細化晶粒和強化合金組織等元素，設(shè)計出了一種鐵鎳基高彈性合金，該合金經(jīng) 加工制成毛細管，完全能滿足市場對特殊彈性元件的使用要求，從而完成了本發(fā)明。本發(fā)明的第一個目的在于提供一種鐵鎳基高彈性合金。本發(fā)明的第二個目的在于提供用所述鐵鎳基高彈性合金制造的毛細管。本發(fā)明的第三個目的在于提供所述毛細管的制造方法。發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的第一個方面提供一種鐵鎳基高彈性合金，所述鐵鎳基高彈性合金的化學 成分包含C: 0.02-0.05wt%、 Mn: 0.3~1.2wt%、 Si<0.8wt%、 P<0.02wt%、 S<0.008wt%、 Ni: 34.50~36.50wt%、 Cr: 11.00~13.50wt%、 Ti: 2.50~3.20wt%、 Al: 1.0~1.9wt%、 Mo: 3.5~5.5wt%，余量為Fe和不可避免的雜質(zhì)。根據(jù)本發(fā)明所述的鐵鎳基高彈性合金，所述鐵鎳基高彈性合金的化學成分中還包 括Nb: 0.2~0.80wt%、 Zr《0.3wt%、 Ce<0.1wt%。本發(fā)明鐵鎳基高彈性合金是在Ni36CrALTi合金基礎(chǔ)上調(diào)整合金強化、細化晶粒和強化合金組織等元素形成的。Ni、 Cr、 Al、 Ti是形成鐵鎳基高彈性合金的基本元素。 Mo是本發(fā)明合金的固溶強化元素，添加Mo除了可使部分Mo溶于奧氏體中強化固溶體 外，還會出現(xiàn)新的強化相(Fe，Ni，Cr) 2 (Mo，Ti)和Fe2Mo相，Mo的加入還會使Y，相 更加穩(wěn)定。由于含Mo相的存在阻礙了晶粒的長大，所以加Mo后合金加熱至1200'C才 出現(xiàn)明顯的晶粒長大傾向。Mo的加入產(chǎn)生了如下一些有益的結(jié)果1)提高了合金時 效強化效果；2)提高了合金的機械和物理性能；3)提高了合金抗松弛穩(wěn)定性。添加 細化晶粒的Nb、 Zr、 Ce元素，可改善合金加工性能、強化合金組織，控制極低S、 P 等雜質(zhì)含量，有利于組織純凈、大大改善毛細管材的加工性能、提高合金的強韌性， 它們的作用在于在原有時效強化的基礎(chǔ)上增加細化晶粒組織強化和晶界強化。本發(fā)明的第二個方面提供一種毛細管，該毛細管是以鐵鎳基高彈性合金制造而成， 所述鐵鎳基高彈性合金的化學成分包含C: 0.02~0.05wt%、 Mn: 0.3~1.2wt%、 Si<0.8wt%、 P<0.02wt%、 S<0.008wt%、 Ni: 34.50~36.50wt%、 Cr: 11.00~13.50wt%、 Ti: 2.50~3.20wt%、 Al: 1.0~1.9wt%、 Mo: 3.5~5.5wt%，余量為Fe和不可避免的雜質(zhì)； 進一步，所述鐵鎳基高彈性合金的化學成分中還包括Nb: 0.2~0.80wt%、 Zr《0.3wt%、 Ce<0,lwt%。本發(fā)明的第三個方面提供用所述鐵鎳基高彈性合金制造毛細管的方法，該方法包括以下步驟(1) 采用真空熔煉之后再真空自耗熔煉下述成分的鐵鎳基高彈性合金； 所述鐵鎳基高彈性合金的化學成分包含C: 0.02~0.05wt%、 Mn: 0.3~1.2wt%、Si<0.8wt%、 P<0.02wt%、 S<0.008wt%、 Ni: 34.50~36.50wt%、 Cr: 11.00-13,50wt%、 Ti: 2.50~3.20wt%、 Al: 1.0~1.9wt%、 Mo: 3.5~5.5wt%,余量為Fe和不可避免的雜質(zhì)；(2) 熔煉之后，在連續(xù)爐經(jīng)過1100 1150'C固溶熱處理；(3) 經(jīng)16~20個冷軋道次冷軋；(4) 在還原性氣氛或高真空中進行時效熱處理。 在一個優(yōu)選實施方式中在所述步驟(3)中，前6~7個冷軋道次的冷加工變形量為55~65%，后10~13個冷軋道次的冷加工變形量為10~25%。在一個優(yōu)選實施方式中在所述步驟(4)中，時效熱處理的溫度為500 650'C， 保溫2~5小時。下面，對上述制造方法的工藝過程作詳細敘述。第一步真空熔煉+真空自耗熔煉技術(shù)高彈性合金毛細管材的性能和加工要求低的S、 P、 N、 H、 0等有害元素含量，要求S<0.008wt%、 P〈0.02wt呢、H、 O<10PPm、 N<20PPm。 S、 P含量可以通過選 擇高質(zhì)量原材料得到保證，現(xiàn)有單真空熔煉技術(shù)制備合金，對于N、 H、 O氣體含量控 制，除H含量可控制在lOPPm以下外，0<20PPm， N<50PPm，均不能達到要求。純凈 的合金組織是決定鐵鎳基高彈性合金毛細管的性能和加工技術(shù)的關(guān)鍵步驟之一，即氣 體和夾雜含量對合金毛細管加工和性能具有一定影響。本發(fā)明采用真空熔煉+真空自耗 雙真空熔煉技術(shù)進一步降低N、 H、 0氣體和雜質(zhì)如氧化物、氮化物、硫化物等含量， 真空自耗鋼錠去除帽口、剝皮，合金組織得到凈化后進行熱冷加工。 第二步固溶熱處理技術(shù)現(xiàn)有的合金毛細管材采用電接觸方式進行固溶熱處理，存在著加熱溫度不均勻， 加熱溫度控制精度差等缺點，使得毛細管材經(jīng)固溶熱處理后組織不均勻，在后續(xù)的冷 加工過程中毛細管材易產(chǎn)生開裂、裂紋等現(xiàn)象。本發(fā)明制作的毛細管采用連續(xù)爐固溶 熱處理，保證合金在連續(xù)爐經(jīng)過1UK) 115(TC固溶處理時充分溶解，獲得良好的單相 固溶體，解決了毛細管材在后續(xù)冷加工過程中易產(chǎn)生開裂、裂紋等問題。第三步冷加工工藝技術(shù)經(jīng)過連續(xù)爐固溶熱處理后的毛細管材坯采用小軋機經(jīng)過16 20個冷軋道次冷軋 出成品毛細管材，冷加工變形量平均為60 80%，而現(xiàn)有的合金毛細管材采用的冷加 工變形量一般為55%。本發(fā)明在冷加工時采用先大變形量后多道次小變形量的冷軋工 藝技術(shù)，即不是將總冷加工變形量均勻的分配到16 20個冷軋道次，而是采用前面6 7個冷軋道次壓下量達到冷加工變形量55 65%，后10 13個冷軋道次的冷加工變形 量采用10 25%的壓下量遞減法技術(shù)。這種冷軋工藝技術(shù)可以十分有效的解決由于加 工硬化速率快，使得高強度毛細管材在加工過程中易產(chǎn)生開裂、裂紋等問題。第四步時效熱處理冷軋成品的毛細管材需要通過時效熱處理來進一步提高合金性能，滿足使用要求。 毛細管材的時效熱處理在還原性氣氛或高真空中進行，以防毛細管材表面氧化，本發(fā)明的有益效果為1、 在已有的3J1合金(鐵鎳基高彈性合金，NiCrALTi系彈性合金)的基礎(chǔ)上， 添加合金強化、細化晶粒和強化合金組織等元素，提高了毛細管材的機械與物理性能。2、 采用真空熔煉+真空自耗雙真空冶煉工藝凈化合金組織，采用連續(xù)爐退火的方 法及獨特的冷拉工藝等獨有技術(shù)，解決合金冷加工中的變形抗力大、毛細管材加工中 易出現(xiàn)裂紋及開裂、管型控制難的技術(shù)難題。細管的管型得到了很好的控 制；毛細管的表面光潔度得到了提高。4、 采用本發(fā)明鐵鎳基高彈性合金制造出OO. 75X0.1±0. Olmra的高性能毛細管， 其抗拉強度<v=1351~1542Mpa、屈服強度a0.2=l 105-1232 Mpa、延伸率55=9.0~13.6%、 彈性模量￡=203.5~210.60 2，同時滿足了成型性"B"值在0.4 0.5mm之間的特殊要 求，滿足市場特殊彈性元件的使用要求。
具體實施方式
以下用實施例對本發(fā)明作更詳細的描述。這些實施例僅僅是對本發(fā)明最佳實施方 式的描述，并不對本發(fā)明的范圍有任何限制。 實施例1按表2所示的化學成分冶煉鋼水，熔煉采用30Kg真空爐，在主成份完全熔化后， 在Ar保護下，加入Si、 Mn、 Nb、 Zr、 Ce等元素，精煉20分鐘后，出鋼澆注成2根 cD55mm的圓棒，去帽口剝皮后真空自耗成①100mm的鋼錠，鋼錠剝皮后熱鍛成O 75XLmm管坯，剝皮后打孔成O60X6.5XLram荒管。經(jīng)熱處理，酸洗后冷軋成O 8.2X0.8XLmm的毛細管坯材。然后在連續(xù)爐經(jīng)過1100 115(TC固溶熱處理，再采用小 軋機經(jīng)17個冷軋道次冷軋加工，前7個冷軋道次的冷加工變形量為60~65%,后10 個冷軋道次的冷加工變形量為10~25%，制作成O0.75X0. l土0.01mm的毛細管，最后 在還原性氣氛或高真空中經(jīng)500 550°C ，保溫3小時的時效熱處理。實施例2除了采用小軋機經(jīng)20個冷軋道次冷軋加工，前7個冷軋道次的冷加工變形量為 60~65%，后13個冷軋道次的冷加工變形量為15-25%，制作成OO. 79X0. 1±0. Olram 的毛細管，時效熱處理的溫度為550~600°C，保溫4小時之外，其余實施方式同實施 例l。實施例3除了采用小軋機經(jīng)18個冷軋道次冷軋加工，前7個冷軋道次的冷加工變形量為 55~60%，后11個冷軋道次的冷加工變形量為10~20%，時效熱處理的溫度為550-600 'C，保溫3小時之外，其余實施方式同實施例l。除了采用小軋機經(jīng)16個冷軋道次冷軋加工，前6個冷軋道次的冷加工變形量為 55~65%，后IO個冷軋道次的冷加工變形量為15~20%，時效熱處理的溫度為600-650 °C,保溫3小時之外，其余實施方式同實施例l。表2本發(fā)明實施例l-4鐵鎳基高彈性合金的化學成分(wt%)13龍 元素CMnSipSCrTiAlMoNbZrCeF c實施 例lo.啦0.450.52o細0.006834.5811.622.82U53.610.280.150.08余 量實施 例2歸80.52< 0.610.010.007135.1211.222.721.3i3.950.430.220.075余 量實施 例30.0360.64< 0.65o細0.008035.6812.452.831.525.420.750.240.067余 量實施 例40廁0.55< 0.010.0690馬935.6913.252-711.614.360.330.280.063余 量試驗例1采用特殊的高強毛細管材測試夾具對本發(fā)明實施例1-2制得的毛細管進行力學性 能測試，測試結(jié)果見表3。表3本發(fā)明實施例1-2制得的毛細管的力學性能及物理性能最大載荷 (N)抗拉強度o b (MPa)斷時延伸率* (最大載荷)ft)屈服強度 (MPa〉彈性模量E成型性 "B"值實施例135515429. 251112210.60.453 *544147511.351226203.60. 461549l娜10.921232205.8O.柳629143912.631197206.30.45862114219. 33認202.50.457實施例 243413889. 931112200,40.457431簡9. 08m199.50. 449617141112. 631160199. 10. 4674431351U.871121200.80.4582 :475139213. 49U05199.90. 460權(quán)利要求
1、一種鐵鎳基高彈性合金，其特征在于，所述鐵鎳基高彈性合金的化學成分包含C0.02～0.05wt％、Mn0.3～1.2wt％、Si＜0.8wt％、P＜0.02wt％、S＜0.008wt％、Ni34.50～36.50wt％、Cr11.00～13.50wt％、Ti2.50～3.20wt％、Al1.0～1.9wt％、Mo3.5～5.5wt％，余量為Fe和不可避免的雜質(zhì)。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的鐵鎳基高彈性合金，其特征在于，所述鐵鎳基高彈性合 金的化學成分中還包括Nb: 0.2~0.80wt%、 Zr《0.3wt%、 Ce<0.1wt%。
3、 一種毛細管，系鐵鎳基高彈性合金制造，其特征在于，所述鐵鎳基高彈性合金 的化學成分包含C: 0.02~0,05wt%、 Mn: 0.3~1.2wt%、 Si<0.8wt%、 P<0.02wt%、 S<0.008wt%、 Ni: 34.50~36.50wt%、 Cr: 11.00~13.50wt%、 Ti: 2.50~3.20wt%、 Al: 1.0~1.9wt%、 Mo: 3.5~5.5wt%，余量為Fe和不可避免的雜質(zhì)。
4、 根據(jù)權(quán)利要求3所述的毛細管，其特征在于，所述鐵鎳基高彈性合金的化學[ 分中還包括Nb: 0.2~0.80wt%、 Zr《0.3wt%、 Ce<0.1wt%。
5、 一種用鐵鎳基高彈性合金制造毛細管的方法，其特征在于，所述方法包括以下步驟(1) 采用真空熔煉之后再真空自耗熔煉下述成分的鐵鎳基高彈性合金； 所述鐵鎳基高彈性合金的化學成分包含C: 0.02~0.05wt%、 Mn: 0.3~1.2wt%、Si<0.8wt%、 P<0.02wt%、 S<0.008wt%、 Ni: 34.50~36.50wt%、 Cr: 11.00~13.50wt%、 Ti: 2.50~3.20wt%、 Al: 1.0~1.9wt%、 Mo: 3.5~5.5wt%，余量為Fe和不可避免的雜質(zhì)(2) 熔煉之后，在連續(xù)爐經(jīng)過1100 1150'C固溶熱處理；(3) 經(jīng)16~20個冷軋道次冷軋；(4) 在還原性氣氛或高真空中進行時效熱處理。
6、 根據(jù)權(quán)利要求5所述的方法，其特征在于，在所述步驟(3)中，前6~7個冷 軋道次的冷加工變形量為55~65%，后10~13個冷軋道次的冷加工變形量為10~25%。
7、 根據(jù)權(quán)利要求5所述的方法，其特征在于，在所述步驟(4)中，時效熱處理 的溫度為500 650。C，保溫2~5小時。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種鐵鎳基高彈性合金及用其制造毛細管的方法。所述鐵鎳基高彈性合金的化學成分包含C0.02～0.05wt％、Mn0.3～1.2wt％、Si＜0.8wt％、P＜0.02wt％、S＜0.008wt％、Ni34.50～36.50wt％、Cr11.00～13.50wt％、Ti2.50～3.20wt％、Al1.0～1.9wt％、Mo3.5～5.5wt％、Nb0.2～0.80wt％、Zr≤0.3wt％、Ce＜0.1wt％，余量為Fe和不可避免的雜質(zhì)。采用真空熔煉+真空自耗雙真空熔煉技術(shù)、冷加工控制工藝技術(shù)制造出Φ0.75×0.1mm的高精度、高性能鐵鎳基高彈性毛細管，可滿足市場特殊彈性元件的使用要求。
文檔編號C22C38/50GK101654764SQ20081004189
公開日2010年2月24日 申請日期2008年8月20日 優(yōu)先權(quán)日2008年8月20日
發(fā)明者張甫飛, 王明海, 袁衛(wèi)昌, 陸建生 申請人:寶山鋼鐵股份有限公司