一種熱塑性優(yōu)良的Fe-36Ni因瓦合金材料及其制備方法
【專利摘要】一種熱塑性優(yōu)良的Fe?36Ni因瓦合金材料及其制備方法，化學(xué)成分質(zhì)量百分比：C≤0.05%，Si≤0.3%，P≤0.02%，S≤0.02%，Mn：0.15~0.45%，N ≤ 0.007%，Ni 35%~37%，T[O] 0.002～0.01%，Ti 0.035~0.1%，B 0.003~0.015%，余量為Fe及不可避免的雜質(zhì)。其制備方法為：（1）冶煉；（2）鑄造；（3）保護(hù)氣氛下將鑄錠在3小時(shí)內(nèi)升溫至1200℃，保溫2小時(shí)后開鍛，變形量為75%，終鍛溫度大于1050℃；（4）將鍛造試樣進(jìn)行熱處理得到最終因瓦合金材料。本發(fā)明可提高合金熱塑性，避免軋制過程中產(chǎn)生開裂問題。
【專利說明】
-種熱塑性優(yōu)良的Fe-36N i因瓦合金材料及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001 ]本發(fā)明屬于鋼鐵冶金領(lǐng)域，具體設(shè)及一種熱塑性優(yōu)良的Fe-36Ni因瓦合金材料及 其制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 在-200~200°C范圍內(nèi)，因瓦合金是一種熱膨脹系數(shù)很低，隨外部溫度的變化熱膨 脹系數(shù)幾乎不變的特種合金，具有反常的力學(xué)和磁性能。因其優(yōu)異的低膨脹特性，它最初主 要用來制造精密儀器、儀表中要求尺寸不變的零件，如標(biāo)準(zhǔn)量具、大地測(cè)量尺等。它最初主 要用來制造精密儀器、儀表中要求尺寸不變的零件，如標(biāo)準(zhǔn)量具、大地測(cè)量尺等。隨著科技 及應(yīng)用范圍的擴(kuò)展，如海洋長(zhǎng)途運(yùn)輸?shù)囊夯烊粴鈨?chǔ)罐、特殊傳輸電纜、大型電子望遠(yuǎn)鏡的 基座定位裝置、宇航工業(yè)適用的因瓦合金模具、液氨儲(chǔ)罐等，合金產(chǎn)品應(yīng)用領(lǐng)域已從傳統(tǒng)精 密儀器行業(yè)向電子工業(yè)和特殊結(jié)構(gòu)材料行業(yè)拓展，需求量越來越大。
[0003] 因瓦合金為單相奧氏體組織合金，在凝固過程中沒有相變的產(chǎn)生，粗大的柱狀晶 容易形成，粗大的柱狀晶會(huì)加劇連鑄巧的裂紋敏感性，惡化其熱塑性；因瓦合金對(duì)S偏析非 常敏感，S是易偏析元素，偏聚在晶界惡化合金的熱塑性。合金熱塑性差致使合金在熱加工 過程中開裂現(xiàn)象嚴(yán)重，產(chǎn)品質(zhì)量不穩(wěn)定、生產(chǎn)成本高、成材率和生產(chǎn)效率低導(dǎo)致供需矛盾突 出，運(yùn)嚴(yán)重地制約著該產(chǎn)品的廣泛使用W及大量生產(chǎn)。因此，提供一種熱塑性優(yōu)良的Fe-36M因瓦合金材料及其制備方法，W提高因瓦合金的生產(chǎn)效率，降低因瓦合金生產(chǎn)成本，成 為人們迫切關(guān)注的問題。
[0004] 目前，關(guān)于因瓦合金的專利中，大多數(shù)主要集中在其高強(qiáng)度、低膨脹性能等研究方 面。專利CN 1114366 A公開了一種高強(qiáng)度超因瓦合金及其生產(chǎn)方法，合金的化學(xué)成分組成 為：CO.03~0.5%,Mn<0.6%,Ni31.0~31.5%，Co3~5%，NbO. 5~0.5%，余量為鐵及不可避免的雜 質(zhì)元素。合金采用真空感應(yīng)爐或非真空感應(yīng)爐冶煉，經(jīng)熱加工后，進(jìn)行輕度冷變形和酸洗， 再冷加工成帶材或鋼絲。專利CN 1400330 A公開了一種高強(qiáng)度低膨脹的合金結(jié)構(gòu)鋼材料， C為0.51 ~2.50〇/〇，Ni為32.0~45.0〇/〇，V為 1.21~3.0〇/〇，Cr為0.5~5.0〇/〇，Si < 0.6〇/〇，Mn < 2.0〇/〇，Cu < 5.0〇/〇，Mg < 0.2〇/〇，Ca < 0.1〇/〇，Re < 0.2〇/〇，Mo、W、Nb Jr任意一種或兩種之和兩種 W 上之和應(yīng)該 在0.5%~5.0%之間，其余為鐵。專利CN1743490A公開了一種高強(qiáng)度因瓦合金及其合金線材的 生產(chǎn)方法，其特征在于：WFe-36Ni合金為基，添加 W、V、C元素，具體成分(重量％ )是0.15~ 0. 40C，Si <0.60,Mn <0.8，P< 0.025，S< 0.02,:34.0~42.ONi ,Co <3.5,Cr <0.5,Cu <0.2， 1. 5~5. OW，0.3~I. 2V，Mo < 0.5,其余為Fe和不可避免雜質(zhì)；且W/V> I. 5, C = 0.9~I. 3 (0.033W+0.2V)。上述合金線材的生產(chǎn)方法是：（1)采用常規(guī)工藝，將合金鋼錠加工成圓棒， 再加工成(610~15mm的盤條；（2)采用特殊的二次冷加工變形及熱處理工藝:第一次、二次 的冷拉變形量20~70 %、55~95 %，冷加工變形后進(jìn)行450~750°C熱處理。專利CN 102888557 A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%;]?11<0.60%;化：36.0~42.0%;1'1:1.5~3.0%;八1:0.3~1.0%;余 量為化和其他不可避免的雜質(zhì)。專利CN 104120338 A公開了一種改善精密合金Ni36抗氧 化性能的方法，包括電爐烙煉、AOD精煉、LF爐精煉、連鑄、板巧修磨工序，在LF爐精煉工序 中，精煉終點(diǎn)控制S < 0.001%，A1 > 0.02%，然后加入W下復(fù)合添加劑中的一種:① Ti+Zr，含 量范圍（0.02-0.10wt%)Ti + (0.02-0.05wt%)Zr;②稀±元素 Ce+La，含量范圍（0.02-0. lwt〇/〇)Ce+(0.005-0.04wt〇/〇La;在LF爐精煉中，確保Al > 0.02wt〇/〇;爐渣中（MnO+化0) < 0.5wt%。專利CN 105039850 A公開了一種高強(qiáng)度低膨脹的熱社因瓦合金，其成分的重量百 分含量為：CO. 1%~0.4%、Ni34%~42%、Mol. 5%~5.5%、N0.002%~0.03%、A10.015%~0.04%、S < 0.005%、P < 0.005%;下述成分中的一種或幾種：Nb0.0 1% ~0.4%、V 0.05% ~0.550/0、 Ti0.0 2%~0.2%;其余為化及不可避免雜質(zhì)。專利CN 104862585IA公開了一種超低膨脹合金 材料及其制備方法，所述超低膨脹合金材料的各組分和各組分的質(zhì)量百分比為：。〇-0.05%;Ni : 36-38%;Y:0.6%;余量為鐵。其制備方法為將質(zhì)量百分比為0-0.05%的C、36-38%的 Ni、0.6%的Y、余量為鐵的混合物加入烙煉爐內(nèi)進(jìn)行烙煉;將得到的金屬液體進(jìn)行鑄造;在10 小時(shí)內(nèi)升溫至1150攝氏度后開鍛，使其變形量為80%，終鍛溫度為1050攝氏度;將鍛造后的 金屬回爐至1250攝氏度后，再出爐水冷至常溫;熱處理后即制得超低膨脹合金材料。
[0005] 然而，關(guān)于提高因瓦合金熱塑性的專利報(bào)道則很少，僅有專利CN104999007A公開 了一種提高低膨脹合金鍛造塑性的方法，其主要方法是在合金鑄錠的表面采用耐高溫封閉 涂料涂刷，然后按照常規(guī)的生產(chǎn)進(jìn)行后續(xù)加熱、鍛造，得到熱塑性優(yōu)良的因瓦合金。本發(fā)明 合金材料通過向化-36Ni因瓦合金中復(fù)合添加熱塑性改善元素 Ti和B，并控制生產(chǎn)工藝來提 高合金的熱塑性，從而解決合金鑄巧在社制過程中容易開裂的問題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明的目的是在兼顧Fe-36Ni因瓦合金低膨脹性能的同時(shí)，開發(fā)出一種具有優(yōu) 良熱塑性的因瓦合金材料及其制備方法，從而解決合金鑄巧在社制過程中的開裂問題，來 降低生產(chǎn)成本，提高合金的生產(chǎn)效率及產(chǎn)品質(zhì)量，并彌補(bǔ)我國(guó)高性能特種合金材料生產(chǎn)的 不足。
[0007] 為解決W上技術(shù)問題，本發(fā)明是通過下述技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的。
[000引一種熱塑性優(yōu)良的Fe-36化因瓦合金材料，其特征在于合金各組分的質(zhì)量百分比 為：C<0.05o/o，Si<0.3o/o，P<0.02o/o，S<0.02o/o，Mn:0.15~0.45o/o，，N< 0.007o/o，Ni35o/o~37o/o， T[0] 0.002~0.01%，Ti 0.035~0.1%，B 0.003~0.015%，余量為化及其他不可避免的微量元 素。
[0009] Ti和N含量的重量百分比滿足如下關(guān)系式： Ti/N 含 5 所述熱塑性優(yōu)良的化-36Ni因瓦合金材料的制備方法，包含W下步驟： 步驟l，將原料(Fe、C、Si、P、S、Mn、N、Ni)在真空感應(yīng)爐進(jìn)行烙煉，烙煉溫度1500~1530 。。 步驟2，先添加 Ti，精煉2min后再添加 B，精煉Imin，對(duì)烙液降溫，待溫度降至1450~1460 °C，在真空條件下對(duì)烙液進(jìn)行誘鑄，得到直徑70mm的圓柱鑄錠； 步驟3,在保護(hù)氣氛下將鑄錠在3小時(shí)內(nèi)升溫至1200°C，保溫2小時(shí)后開鍛，鍛造成直徑 為15mm的盤條，終鍛溫度大于1050°C。
[0010] 步驟4，將鍛造后試樣進(jìn)行分段熱處理:840~900°C保溫I小時(shí)，水冷;320~350°C保 溫1小時(shí)，水冷;90~100°C保溫24小時(shí)，空冷至室溫，制備得到最終化-36Ni因瓦合金材料。
[0011] 所述保護(hù)氣氛包括還原性氣氛和中性氣氛。
[0012] 上述方案詳述如下。
[0013] 本發(fā)明通過向Fe-36N因瓦合金中復(fù)合添加熱塑性改善元素 Ti和B，并控制生產(chǎn)制 造工藝來提高合金的熱塑性，從而解決鑄巧容易產(chǎn)生開裂的問題。本發(fā)明合金中所設(shè)及主 要添加元素 Ti和B及主要工藝方法的作用認(rèn)為如下。
[0014] (OTi、B添加方法:原料在真空感應(yīng)爐烙化后，先添加 Ti,精煉2min后再添加 BsTi 和B均是強(qiáng)烈的氮化物形成元素，兩者極容易與N結(jié)合形成TiN和BN，為保證合金中有足夠的 固溶B來改善合金的熱塑性，先添加 Ti來固定N，防止N與固溶的B結(jié)合。
[0015] (2)Ti元素:Ti在本發(fā)明中既可作為非均質(zhì)形核的元素，也作為熱塑性改善元素。 Ti添加到合金烙體中與殘余的0結(jié)合生成大量細(xì)小彌散分布的Ti2〇3顆粒，Ti2化可W作為合 金凝固過程中奧氏體的形核核屯、，細(xì)化合金的凝固組織，使晶粒的數(shù)目增加，晶界增多，運(yùn) 樣會(huì)限制合金變形過程中滑移的進(jìn)行，使得滑移不斷改變方向，裂紋難W增加，從而降低了 裂紋擴(kuò)展率；晶界的面積增加，可W降低S在晶界的相對(duì)偏析量，強(qiáng)化晶界。Ti也可W與S結(jié) 合形成TiS,降低S在晶界的偏析，強(qiáng)化晶界;Ti優(yōu)先與鋼中的N結(jié)合來形成TiN,因?yàn)楹罄m(xù)要 添加熱塑性改善元素 B，運(yùn)樣Ti可W優(yōu)先固定N，來抑制BN的生成，增加合金中W固溶態(tài)存在 的B來改善合金的熱塑性。當(dāng)Ti含量小于0.035%時(shí)，其改善熱塑性的效果不明顯；而Ti含量 超過0.1%時(shí)，將顯著增加合金的熱膨脹系數(shù)。
[0016] (3化元素:B是本發(fā)明中一種主要的熱塑性改善元素。B在合金中擴(kuò)散速率遠(yuǎn)遠(yuǎn)大 于S的擴(kuò)散速率，在合金的凝固過程中，固溶的BW更快的擴(kuò)散速率優(yōu)先于S在奧氏體晶界偏 聚，運(yùn)樣就降低S在晶界的偏聚，從而提高合金的熱塑性。當(dāng)B含量低于0.003 %時(shí)，其改善合 金熱塑性的效果不明顯；但當(dāng)B含量在0.015% W上時(shí)，運(yùn)時(shí)過量的B在晶界析出化B，降低晶 界的強(qiáng)度，會(huì)熱化合金的熱塑性，同時(shí)過量的B也會(huì)顯著增加合金的熱膨脹系數(shù)。
[0017] (4)Ti/N含5:Ti/N數(shù)值主要反映本發(fā)明專利中固溶N被固定的程度。B是強(qiáng)烈的氮 化物形成元素，易于N結(jié)合在晶界析出BN相，惡化合金的熱塑性；當(dāng)鋼中有足夠的Ti存在時(shí)， 即Ti/N含5,運(yùn)時(shí)Ti可W固定所有N，避免在B添加后生成BN，從而使添加的B盡量W固溶的形 式存在與因瓦合金中，起到有效改善合金熱塑性的目的。
[0018] (5)冶煉及誘鑄溫度:烙煉溫度為1500~1530°C，溫度太高，合金元素?zé)龘p較多，致 使原材料中添加元素的收得率不高;溫度太低，烙體較粘，合金成分不夠均勻;誘鑄溫度為 1450~1460°C，溫度> 1460°C，過熱度較高，鑄錠凝固組織細(xì)化的效果較差，溫度< 1450°C， 過熱度較低，不利于合金誘鑄過程的順利進(jìn)行。
[0019] (6)加熱制度:鑄錠在保護(hù)氣氛下、在3小時(shí)內(nèi)升溫至1200°C，然后加熱保溫。保護(hù) 氣氛包括中性氣氛或還原性氣氛，因瓦合金缺少抗氧化性元素，晶間氧化嚴(yán)重，保護(hù)氣氛可 保證合金不被氧化，有效避免合金的晶間氧化，減少社制過程中裂紋的產(chǎn)生。3小時(shí)內(nèi)升溫 至1200°C，合金的導(dǎo)熱能力較差，升溫速度不宜過快。1200°C保溫，可使晶粒在變形過程中 有足夠的再結(jié)晶驅(qū)動(dòng)力，有利于再結(jié)晶過程的進(jìn)行，減少社制過程中裂紋的生成。
[0020] (7)終鍛溫度。終鍛溫度大于1050°C，可使晶粒在合金變形過程中始終處于再結(jié)晶 的溫度范圍內(nèi)，有利于再結(jié)晶過程的進(jìn)行，減少社制過程中裂紋的生成。
[0021] 本發(fā)明具有W下積極效果： 1、本發(fā)明解決了 Fe-36Ni因瓦合金熱塑性較差的問題，有效減少了合金在鍛造或者社 制過程中開裂的問題，從而顯著降低生產(chǎn)成本、提高生產(chǎn)效率及產(chǎn)品質(zhì)量。
[0022] 2、本發(fā)明的制備方法，如能夠?qū)崿F(xiàn)高品質(zhì)大規(guī)模生產(chǎn)，可擴(kuò)大高品質(zhì)特種合金的 生產(chǎn)品種、并彌補(bǔ)我國(guó)高性能特種合金材料生產(chǎn)的不足。
【具體實(shí)施方式】
[0023] 為了使本發(fā)明的技術(shù)方案及優(yōu)點(diǎn)更加清楚，W下通過實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步 的敘述。另外，此處的具體實(shí)施例僅僅用于解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。相反，本發(fā)明 涵蓋任何由權(quán)利要求定義的在本發(fā)明范圍上所做的代替和修改方法。
[0024] 在真空感應(yīng)爐冶煉所需成分的Fe-36Ni因瓦合金材料，烙煉溫度為1500~1530°C， 先添加適量Ti,精煉2min后，再添加適量B，精煉Imin，對(duì)烙液降溫，待溫度降至1450~1460 °C，在真空條件下對(duì)烙液進(jìn)行誘鑄，得到直徑70mm的圓柱鑄錠。在保護(hù)氣氛下將鑄錠在3小 時(shí)內(nèi)升溫至1200°C，保溫2小時(shí)后開鍛，鍛造成直徑為15mm的盤條，終鍛溫度大于1050°C。將 鍛造后的試樣進(jìn)行熱塑性實(shí)驗(yàn)，試驗(yàn)溫度區(qū)間為900~1200°C，試驗(yàn)溫度間隔50°C;試驗(yàn)過 程首先將試樣加熱到1350°C保溫5min，然后W3°C/秒的冷卻速度冷卻至各試驗(yàn)溫度，保溫 Imin后Wo. 01/秒的應(yīng)變速率進(jìn)行拉伸，最后測(cè)定并計(jì)算各拉伸斷口的斷面收縮率。將鍛造 后試樣進(jìn)行分段熱處理，先840~900°C保溫1小時(shí)，水冷，然后320~350°C保溫1小時(shí)，水冷，然 后90~100°C保溫24小時(shí)，空冷至室溫，則制備得到最終Fe-36Ni因瓦合金材料。表1是Fe-36Ni因瓦合金的化學(xué)成分，表2是化-36Ni因瓦合金不同試驗(yàn)溫度時(shí)的斷面收縮率情況。表3 為化-36Ni因瓦合金25~100°C之間的平均熱膨脹系數(shù)。
[0025] 由比較例和本發(fā)明例1~4可知：比較例1的因瓦合金中無(wú)熱塑性改善元素 Ti和B， 在900~1000°C溫度之間，合金斷面收縮率小于60%，熱塑性較差;在1050~1200°C溫度之間， 斷面收縮率較好，但熱塑性普遍在70~80%之間。對(duì)比比較例1，發(fā)明例1~4合金具有優(yōu)良的 熱塑性，在試驗(yàn)溫度900~1200°C溫度之間，合金斷面收縮率均在80%W上。
[0026] 比較例的因瓦合金在25~100°C之間的平均熱膨脹系數(shù)a為0.875 X °C ;發(fā)明例 1~4的因瓦合金隨著Ti和B元素含量的增加，在25~100°C之間的平均熱膨脹系數(shù)a逐漸增 加，分別為0.903 X l〇-*V°C、0.925 X l〇-6/°C、0.950 X l〇-*V°C和0.986 X l〇-*V°C，但a值均小 于1.0 X l〇-*V°C。根據(jù)因瓦合金的生產(chǎn)要求，25~100°C的平均熱膨脹系數(shù)a < 1.0 X l〇-*V°C， 由此可見，發(fā)明例I~4合金的平均熱膨脹系數(shù)a滿足生產(chǎn)要求。
[0027] 表1 Fe-36Ni因瓦合金的化學(xué)成分(wt%)
表3 Fe-36Ni因瓦合金在25~100°C之間的平均熱膨脹系數(shù)
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種熱塑性優(yōu)良的Fe-36Ni因瓦合金材料，其特征在于其化學(xué)組分的質(zhì)量百分比為： C<0.05%,Si <0.3%,P<0.02%,S<0.02%,Mn：0.15~0.45%,N < 0.007%,Ni 35%~37%,T[0] :0.002~0.01%，11:0.035~0.1%，8:0.003~0.015%，余量為？6及不可避免的微量元素 ；所 述Ti和Ν含量的重量百分比滿足如下關(guān)系式:Ti/N2 5。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種熱塑性優(yōu)良的Fe-36Ni因瓦合金材料，其特征是它的制備 方法包含以下步驟： 步驟1，將原料?6、(：、3丨、？、3、111川、附在真空感應(yīng)爐進(jìn)行熔煉，熔煉溫度1500~1530°(：; 步驟2，先添加 Ti，精煉2min后再添加 B，精煉lmin，對(duì)熔液降溫，待溫度降至1450~1460 °C，在真空條件下對(duì)熔液進(jìn)行澆鑄，得到直徑70mm的圓柱鑄錠； 步驟3,在保護(hù)氣氛下將鑄錠在3小時(shí)內(nèi)升溫至1200°C，保溫2小時(shí)后開鍛，鍛造成直徑 為15mm的盤條，終鍛溫度大于1050°C ; 步驟4,將鍛造后試樣進(jìn)行分段熱處理:840~900°C保溫1小時(shí)，水冷;320~350°C保溫1小 時(shí)，水冷;90~100 °C保溫24小時(shí)，空冷至室溫，制備得到最終Fe-36Ni因瓦合金材料。3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述一種熱塑性優(yōu)良的Fe-36Ni因瓦合金材料，其特征在于所述保護(hù) 氣氛包括還原性氣氛和中性氣氛。
【文檔編號(hào)】C22C38/14GK105861935SQ201610222074
【公開日】2016年8月17日
【申請(qǐng)日】2016年4月12日
【發(fā)明人】于彥沖, 穆林, 王社斌
【申請(qǐng)人】太原理工大學(xué)