專利名稱：一種高強(qiáng)度低膨脹系數(shù)合金線材及其制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種合金及其制造方法，尤其涉及一種合金線材及其制造方法。
背景技術(shù)：
因瓦合金Fe_36Ni，化學(xué)成分為C 彡 O. 05 %，Si 彡 O. 20 %，P 彡 O. 020 %，S彡O. 020 %, Ni 35. 7 37. O %, Mn 0. 20 O. 60 %，其余為Fe和不可避免的雜質(zhì)，是一種低膨脹系數(shù)合金，其在20 100°C和20 300°C溫度范圍內(nèi)，膨脹系數(shù)分別為(1.5X10_6/°C和彡5. 1X10_6/°C。由于非常低的膨脹系數(shù)，因瓦合金得到了廣泛的應(yīng)用。例如，可用于制造標(biāo)準(zhǔn)尺、液化天然氣船船艙內(nèi)壁、碳纖維復(fù)合材料模具等。但是普通因瓦合金的強(qiáng)度很低，約為400 500MPa，這限制了其在低膨脹結(jié)構(gòu)件中的使用。目前提高因瓦合金強(qiáng)度的主要方法是以Fe_36Ni合金為基體，通過添加碳和碳化 物形成元素實(shí)現(xiàn)提高合金強(qiáng)度的目的。例如，添加C和V使合金中析出碳化釩，依靠這種析出強(qiáng)化來提高合金的強(qiáng)度。但是在只添加V的情況下，因瓦合金的強(qiáng)度一般小于llOOMPa，而且塑性和扭轉(zhuǎn)特性均較差。公開號為CN1114366，
公開日為1996年I月3日，名稱為“高強(qiáng)度超因瓦合金及其生產(chǎn)方法”的中國專利文獻(xiàn)，通過添加C和Nb，使FeNi因瓦合金的抗拉強(qiáng)度彡1150MPa。公開號為JP2003082439，
公開日為2003年3月19日，名稱為“具有良好強(qiáng)度和扭轉(zhuǎn)特性的低膨脹合金線材及其制造方法”(INVAR ALLOY WIRE HAVING EXCELLENT STRENGTHAND TWISTING PROPERTY, ANDPRODUCTI ON METHOD THEREFOR)的日本專利文獻(xiàn)公開了一種低膨脹合金線材，其化學(xué)成分為C :0· 20 0. 40%，Si彡0. 8%，Mn彡I. 0%，P彡0. 050%，Mo :1. 5 6. 0%,V 0. 05 I. 0%,Mo/V 彡 I. O 且(0. 3Mo+V)彡 4C，其余為 Fe 和不可避免的雜質(zhì))，該技術(shù)方案采用C、Mo、V聯(lián)合添加，形成彌散型碳化物。該合金在20 230°C內(nèi)的平均線熱膨脹系數(shù)< 3. 7X10-6/°C;在230 290°C內(nèi)平均線熱膨脹系數(shù)< 10. 8 X 1(T6/°C，抗拉強(qiáng)度彡1300MPa。公開號為CN1743490,
公開日為2006年3月8日，名稱為“一種高強(qiáng)度因瓦合金及其合金線材的生產(chǎn)方法”的中國專利文獻(xiàn)，采用復(fù)合碳化物強(qiáng)化的方法，在保持了常規(guī)Fe-36Ni因瓦合金的低膨脹特性(在20 240°C內(nèi)，α彡2. 5 X 1(T7°C ;在20 290°C內(nèi)，α彡4· 5Χ 10_6/°C )和扭轉(zhuǎn)特性(扭轉(zhuǎn)值彡40)，同時使得合金線材的強(qiáng)度達(dá)到了 1300MPa。綜上所述，現(xiàn)有高強(qiáng)度因瓦合金線材的強(qiáng)度一般在1300MPa左右。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種高強(qiáng)度低膨脹系數(shù)合金線材以及其制造方法，旨在在保持較低的膨脹系數(shù)的同時，較之現(xiàn)有同類合金線材，提高本發(fā)明所述的合金線材的強(qiáng)度，從而提高合金線材的使用性能，擴(kuò)大其使用范圍。本發(fā)明所述的合金線材采用金屬間化合物強(qiáng)化和冷變形強(qiáng)化的強(qiáng)化方式，在Fe-36Ni因瓦合金化學(xué)成分基礎(chǔ)上，通過有效的利用Ti、Al，并將其限制在適當(dāng)?shù)某煞址秶鷥?nèi)，采用合理的加工工藝，形成彌散分布的Ni3(Ti，Al)強(qiáng)化相，在確保合金線材具有低的熱膨脹系數(shù)的前提下，使得合金線材的抗拉強(qiáng)度達(dá)到1500MPa以上，有效地解決了因瓦合金線材強(qiáng)度低的問題。根據(jù)上述發(fā)明目的和發(fā)明構(gòu)思，本發(fā)明提供了一種高強(qiáng)度低膨脹系數(shù)合金線材，其基體為奧氏體，所述奧氏體基體上彌散分布著Ni3 (Ti，Al)，所述高強(qiáng)度低膨脹系數(shù)合金線材的各化學(xué)元素質(zhì)量百分配比為C ( O. 05% ；Si ( O. 50% ；Mn ( O. 60% ；Ni :36. 0 42. 0% ；Ti 1. 5 3. 0% ；A1 :0. 3 I. 0% ;余量為Fe和其他不可避免的雜質(zhì)。優(yōu)選地，所述的高強(qiáng)度低膨脹系數(shù)合金線材還包括Co :彡4.5wt%，且滿足Ni+Co為 39. O 44. 0wt%。優(yōu)選地，所述的高強(qiáng)度低膨脹系數(shù)合金線材還包括質(zhì)量百分配比為< O. 1%的稀土元素、質(zhì)量百分配比為彡O. 02%的B以及質(zhì)量百分配比為彡O. 02%的Ca中的一種或兩 種。本技術(shù)方案的化學(xué)成分設(shè)計原理如下本發(fā)明合金的強(qiáng)化相是彌散分布在奧氏體基體上的Ni3(Ti，Al)，C是析出碳化物所必需的元素，由于C和Ti、Al形成碳化物的溫度比析出Ni3(Ti，Al)的溫度低，因此，對于本技術(shù)方案來說過高的C含量會使Ti、Al先形成碳化物，從而使Ni3(Ti，Al)的析出數(shù)量減少，導(dǎo)致合金強(qiáng)化效果降低，且C過高還會造成合金的膨脹系數(shù)上升，所以應(yīng)將C限制在
O.05%以下。Si是有效的脫氧劑，但對于本技術(shù)方案來說，超過上限的Si會增大合金線材的膨脹系數(shù)。Mn是鋼的脫氧劑，還可與S結(jié)合，以MnS的形態(tài)將S固定下來，有利提高熱加工性能，但Mn元素對膨脹系數(shù)和扭轉(zhuǎn)特性不利，因此，將其規(guī)定為< O. 6%。Ni對確保合金線材的低膨脹性能是必需的，將Ni含量控制在36. O 42. 0%范圍內(nèi)，能使合金在添加強(qiáng)化元素的條件下保持因瓦特性，合金膨脹系數(shù)較低。本技術(shù)方案中，Ti和Al元素的添加主要是為了形成Ni3 (Ti，Al)金屬間化合物，以便經(jīng)過時效引起沉淀強(qiáng)化，Ti含量必須超過1.5%，才能產(chǎn)生Y'相的沉淀。含Ti量較高而含Al量極低的合金析出的相不穩(wěn)定，會逐步轉(zhuǎn)變成六方點(diǎn)陣的Jl-Ni3Ti, Jl-Ni3Ti會在晶界形成胞狀沉淀，降低合金的塑性。但Al含量較高時，會出現(xiàn)Ni2AlTi相，它有較大的聚集長大速度，不能作為沉淀強(qiáng)化相。Al在合金中的作用是穩(wěn)定Y，相的面心立方點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)，穩(wěn)定沉淀強(qiáng)化效果。然而Ti和Al加入鋼中會造成合金膨脹系數(shù)的上升。因此，為了在提高合金線材強(qiáng)度的同時還要保證低膨脹系數(shù)，發(fā)明人經(jīng)過大量試驗(yàn)確定了 Ti、Al的添加量，即Ti在I. 5 3. 0%內(nèi)、Al在O. 3 I. 0%內(nèi)。本技術(shù)方案中，不可避免的雜質(zhì)主要是指P和S。由于P在晶界處偏析，造成韌性下降，希望越低越好。而S會使熱加工性能下降，因此也希望其含量越低越好。在本技術(shù)方案的優(yōu)選方案中，可以添加Co元素，同時控制Ni+Co的質(zhì)量百分配比含量在39. O 44. 0%。添加Co可以進(jìn)一步的降低合金線材的膨脹系數(shù)。在本技術(shù)方案的優(yōu)選方案中，可以添加Ca、B、稀土元素中的一種或兩種，其作為脫氧元素，有助于提高鋼的熱加工性能，但同時試驗(yàn)也證明，過度加入對本技術(shù)方案的實(shí)施效果是不利的。
相應(yīng)地，本發(fā)明還提供了上述高強(qiáng)度低膨脹系數(shù)合金線材的制造方法，其包括下列步驟(I)冶煉、澆鑄得到錠子；(2)將錠子鍛造為圓棒；(3)將圓棒熱軋軋制成盤條；(4)對所述盤條進(jìn)行第一次冷拉和固溶熱處理，所述固溶熱處理步驟可在第一次冷拉步驟前進(jìn)行，也可在完成了第一次冷拉后進(jìn)行，固溶熱處理溫度為1000 1150°C，第一次冷拉的變形量為20 75% ;(5)酸洗、剝皮；
(6)進(jìn)行時效熱處理，溫度為550 750°C ；(7)進(jìn)行變形量彡55%的第二次冷拉。本發(fā)明所述的制造方法中，將熱軋盤條進(jìn)行1000 1150°C的固溶熱處理是為了保證金屬間化合物和碳化物充分溶解，進(jìn)而使合金線材在進(jìn)行時效熱處理時，Ni3(Ti, Al)金屬間化合物細(xì)微析出，從而有利于提高合金加工的硬化率。本發(fā)明所述的制造方法中，第一次冷拉起預(yù)應(yīng)變作用，有利于后面時效熱處理過程中，在亞晶界析出細(xì)微且均勻的Ni3(Ti，Al)金屬間化合物。在第一次冷拉處理過程中，需要將變形量控制在適當(dāng)?shù)姆秶鷥?nèi)，如果變形量< 20%，則不能給予充分的預(yù)應(yīng)變；而如果變形量超過75%，則會導(dǎo)致合金的再結(jié)晶溫度下降，進(jìn)而導(dǎo)致合金線材難以獲得高的抗拉強(qiáng)度。本發(fā)明所述的制造方法中，進(jìn)行第二次冷拉處理并保證最低的變形量為是為55%，可以保證本技術(shù)方案所述的合金線材的抗拉強(qiáng)度大于1500MPa。優(yōu)選地，所述高強(qiáng)度低膨脹系數(shù)合金線材的制造方法的步驟出)中，時效熱處理溫度為600 700°C。在600 700°C溫度范圍內(nèi)進(jìn)行的時效熱處理是為了使Ni3(Ti，Al)金屬間化合物能夠從母相中更均勻地析出，從而進(jìn)一步提高合金的抗拉強(qiáng)度。本發(fā)明所述的高強(qiáng)度低膨脹系數(shù)合金線材通過采用上述技術(shù)方案，使得奧氏體基體上析出了彌散分布的Ni3(Ti，Al)金屬間化合物，從而使得合金線材在20 100°C溫度范圍內(nèi)，平均線膨脹系數(shù)為彡3. 5X10_6/°C的同時，抗拉強(qiáng)度彡1500MPa。
具體實(shí)施例方式實(shí)施例1-5以及對比例1-5按照下列步驟制造本發(fā)明所述的高強(qiáng)度低膨脹系數(shù)合金線材，各步驟的具體工藝參數(shù)參見表2 (I)用150Kg真空感應(yīng)爐熔煉，澆鑄得到135Kg錠子，其化學(xué)成分質(zhì)量百分配比如表I所示；(2)將錠子鍛造加工成直徑Φ 50mm圓棒；(3)將圓棒加熱到1050 1100°C軋成盤條,盤條直徑Φ IOmm ；(4)對盤條進(jìn)行第一次冷拉，變形量為20 75% ;(5)進(jìn)行固溶熱處理，溫度為1000 1150°C ；(6)酸洗、剝皮；
(7)進(jìn)行時效熱處理，溫度為600 700°C ；(8)進(jìn)行第二次冷拉，變形量彡55%。

表I.(余量為Fe)
[004權(quán)利要求
1.一種高強(qiáng)度低膨脹系數(shù)合金線材，其基體為奧氏體，其特征在于，所述奧氏體基體上彌散分布著Ni3(Ti，Al)，所述高強(qiáng)度低膨脹系數(shù)合金線材的各化學(xué)元素質(zhì)量百分配比為C ≤ O. 05% ；Si ( O. 50% ；Mn ( O. 60% ；Ni 36. O 42. 0% ；Ti 1. 5 3. 0% ;Al 0. 3 I. 0% ; 余量為Fe和其他不可避免的雜質(zhì)。
2.如權(quán)利要求I所述的高強(qiáng)度低膨脹系數(shù)合金線材，其特征在于，還包括Co(4. 5wt %，且滿足 Ni+Co 為 39. O 44. Owt %。
3.如權(quán)利要求I或2所述高強(qiáng)度低膨脹系數(shù)合金線材，其特征在于，還包括質(zhì)量百分配比為< O. 1%的稀土元素、質(zhì)量百分配比為< O. 02%的B以及質(zhì)量百分配比為< O. 02%的Ca中的一種或兩種。
4.如權(quán)利要求I或2所述的高強(qiáng)度低膨脹系數(shù)合金線材的制造方法，其特征在于，包括下列步驟 (1)冶煉、燒鑄得到錠子； (2)將錠子鍛造為圓棒； (3)將圓棒熱軋軋制成盤條； (4)對所述盤條進(jìn)行第一次冷拉和固溶熱處理，所述固溶熱處理步驟可在第一次冷拉步驟前進(jìn)行，也可在完成了第一次冷拉后進(jìn)行，固溶熱處理溫度為1000 1150°C，第一次冷拉的變形量為20 75% ; (5)酸洗、剝皮； (6)進(jìn)行時效熱處理，溫度為550 750°C； (7)進(jìn)行第二次冷拉，變形量>55%。
5.如權(quán)利要求4所述的高強(qiáng)度低膨脹系數(shù)合金線材的制造方法，其特征在于，所述步驟(6)中，時效熱處理溫度為600 700°C。
6.如權(quán)利要求3所述的高強(qiáng)度低膨脹系數(shù)合金線材的制造方法，其特征在于，包括下列步驟 (1)冶煉、燒鑄得到錠子； (2)將錠子鍛造為圓棒； (3)將圓棒熱軋軋制成盤條； (4)對所述盤條進(jìn)行第一次冷拉和固溶熱處理，所述固溶熱處理步驟可在第一次冷拉步驟前進(jìn)行，也可在完成了第一次冷拉后進(jìn)行，固溶熱處理溫度為1000 1150°C，第一次冷拉的變形量為20 75% ; (5)酸洗、剝皮； (6)進(jìn)行時效熱處理，溫度為550 750°C； (7)進(jìn)行第二次冷拉，變形量>55%。
7.如權(quán)利要求6所述的高強(qiáng)度低膨脹系數(shù)合金線材的制造方法，其特征在于，所述步驟(6 )中，時效熱處理溫度為600 700°C。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種高強(qiáng)度低膨脹系數(shù)合金線材，其基體為奧氏體，所述奧氏體基體上彌散分布著Ni3(Ti，Al)，所述高強(qiáng)度低膨脹系數(shù)合金線材的各化學(xué)元素質(zhì)量百分配比為C≤0.05％；Si≤0.50％；Mn≤0.60％；Ni36.0～42.0％；Ti1.5～3.0％；Al0.3～1.0％；余量為Fe和其他不可避免的雜質(zhì)。相應(yīng)地，本發(fā)明還公開了該高強(qiáng)度低膨脹系數(shù)合金線材的制造方法。本發(fā)明所述的高強(qiáng)度低膨脹系數(shù)合金線材的抗拉強(qiáng)度大于等于1500MPa，并且在20～100℃溫度范圍內(nèi)，平均線膨脹系數(shù)小于等于3.5×10-6/℃。
文檔編號C21D8/06GK102888557SQ201110201300
公開日2013年1月23日 申請日期2011年7月18日 優(yōu)先權(quán)日2011年7月18日
發(fā)明者陸建生 申請人:寶山鋼鐵股份有限公司