一種具有優(yōu)良焊接性能的FeNi殷瓦合金的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于低膨脹合金領(lǐng)域，主要涉及一種焊接性能優(yōu)良的殷瓦合金，具體地說， 涉及一種新型的抗焊接熱裂紋的低膨脹殷瓦合金。
【背景技術(shù)】
[0002] 殷瓦合金是由法國人Guillaume于1893年發(fā)明的，其主要成分是Ni含量為36% 的Fe-Ni合金，該合金的膨脹系數(shù)非常低，其20~100°C膨脹系數(shù)為彡1. 5X10-6/°C，由于 合金具有極低的膨脹系數(shù)，該合金被命名為INVAR合金。由于殷瓦合金具有低膨脹系數(shù)的 特點(diǎn)，該合金首先在電子、儀表領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。近年來，殷瓦合金在大型高精度刻錄機(jī)、 碳纖維結(jié)構(gòu)件模具、低溫容器等領(lǐng)域有了新的應(yīng)用需求，與電子、儀表領(lǐng)域應(yīng)用相比，這些 應(yīng)用領(lǐng)域往往是大型組件，需要焊接，但經(jīng)典的殷瓦合金焊接性能較差，存在熱裂傾向。
[0003] 表1相關(guān)典型鋼種的化學(xué)成分（wt % )
[0005] 表2相關(guān)典型鋼種的性能
[0007] 由表1和表2可見，現(xiàn)有技術(shù)中的典型殷瓦合金具有優(yōu)良的低膨脹性能，但 對焊接性能都沒有提出要求，在實(shí)際使用過程中，典型成分殷瓦合金在焊接大型組件 時(shí)容易產(chǎn)生焊接熱裂紋以及二次加熱熱裂紋，焊接裂紋發(fā)生在焊接熔合線區(qū)以及熱影 響區(qū)，尤其是，在第二道焊接時(shí)，熱應(yīng)力將導(dǎo)致熱影響區(qū)發(fā)生微裂紋。T.0gawas([J]. Weld，1986, 65(8) :213S~226S.)對此進(jìn)行了深入研究，通過焊接工藝改進(jìn)和采用抗熱裂 焊絲，可改善合金的熱裂紋傾向，但當(dāng)要求高的生產(chǎn)效率時(shí)，高熱量焊接方法必須被采用， 這時(shí)合金的熱裂紋傾向很難避免。因此，從本質(zhì)上改善合金的焊接性能十分必要。公開號(hào) 為JP11061341A名為"焊接性能優(yōu)異的鐵鎳殷瓦合金〃的日本專利，其成分特征為：Ni30~ 45%、S 彡 0· 0030%、P 彡 0· 0070%、0 彡 0· 0040%、A10. 006 ~0· 030%、N 彡 0· 0030%、 B0. 0002~0· 0005 %，至少含有下述成分中的一種Ca彡0· 010 %、Mg彡0· 010 %、 Ti 彡 0· 10、Zr 彡 0· 20%，基體為 Fe，（S+1/50+1/2P)彡 0· 0045 和（Ca+2Mg+l. 5Ti+0. 8Zr)/ (S+20)彡land < 0. 025 %，優(yōu)選地< 0. 019 %。該專利的技術(shù)思路主要為降低有害物質(zhì)在晶 界的析出，以及通過添加元素，防止低熔點(diǎn)物質(zhì)在晶界析出，從而達(dá)到改善合金焊接性能的 目的。該發(fā)明在一定條件下，對改善合金的焊接性能是有作用的，但該技術(shù)有一定局限性， 過分控制低S、P等雜質(zhì)含量還會(huì)增加制造成本。倪加明等在"殷瓦薄板高速激光焊接的熱 裂紋敏感性"（中國激光，April，2011，V〇1. 38, No. 4) -文中得出以下結(jié)論：以往研究認(rèn)為， 凝固最后階段合金雜質(zhì)S，P偏聚而形成低熔點(diǎn)的液態(tài)薄膜在拉伸應(yīng)力下將導(dǎo)致熱裂紋，然 而，對接焊縫中心是樹枝晶，并未發(fā)現(xiàn)低熔點(diǎn)共晶組織，熱裂的主要原因是樹枝晶凝固終 了階段，液態(tài)薄膜殘留，焊接殘余應(yīng)力將使得液態(tài)薄膜開裂。按照凝固理論，液態(tài)薄膜的最 后凝固橋接通常需要一定過冷度，如果過冷度未達(dá)到，液態(tài)薄膜將繼續(xù)存在。如前所述， 殷瓦合金單相奧氏體焊縫呈現(xiàn)明顯中心線，在焊接殘余拉伸應(yīng)力作用下，容易導(dǎo)致液態(tài)薄 膜開裂，形成熱裂紋。JP11061341A發(fā)明的合金對改進(jìn)焊接性能的方法主要是降低晶界低 熔點(diǎn)物質(zhì)，但對影響合金成分度的元素碳未作控制要求，合金的成分過冷度方面并未改進(jìn)， 這表明，該發(fā)明對改善焊接熱裂有作用，但不能在根本上解決問題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008] 本發(fā)明的目的在于提供一種低膨脹鐵鎳殷瓦合金，該合金具有完全奧氏體組織， 即從初始凝固至_196°C均為穩(wěn)定的奧氏體組織。該合金具有良好的焊接性能、低膨脹特性 以及良好的機(jī)械性能。能夠滿足大型高精度刻錄機(jī)、碳纖維結(jié)構(gòu)件模具、低溫容器等領(lǐng)域使 用環(huán)境。該合金尤其在抗焊接熱裂紋方面性能優(yōu)異。
[0009] 為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案如下：
[0010] -種具有優(yōu)良焊接性能的FeNi殷瓦合金，所述合金的成分由以下列元素組成，以 質(zhì)量百分含量計(jì)：C0. 04 ~0· 15%、SiO. 1 ~0· 5%、ΜηΟ· 10 ~0· 5%、Ca0.00 1 ~0· 015%、 Ni31. 0 ~38. 0%，P < 0. 008%、S < 0. 005%、C〇 < 4. 0%，余量為 Fe 和不可避免的雜質(zhì)。
[0011] 以下將本發(fā)明合金成分的設(shè)計(jì)進(jìn)行說明：
[0012] Ni :鐵鎳殷瓦合金中的基體元素，鐵鎳殷瓦合金在含鎳量36%左右范圍，膨脹系 數(shù)最低，偏離一定范圍，合金的膨脹系數(shù)以很陡峭的斜率上升，將合金的鎳含量控制在一定 范圍，可以確保合金具有低膨脹特性。鎳還具有很好的相穩(wěn)定性作用，鎳含量偏低時(shí)，在超 低溫下可能會(huì)形成馬氏體相，一旦發(fā)生馬氏體相變，殷瓦合金的膨脹系數(shù)會(huì)出現(xiàn)急劇升高， 力學(xué)性能也會(huì)發(fā)生急劇變化。Ni還是改善合金低溫力學(xué)性能的主要元素。
[0013] 為了達(dá)到本發(fā)明的技術(shù)效果將Ni控制在31. 0~38. 0%之間是必須的，超出此范 圍，合金的膨脹系數(shù)將不能滿足要求。
[0014] C :在鐵鎳殷瓦合金中通常以間隙原子的形式存在，當(dāng)合金中存在碳化物形成元素 時(shí)，也會(huì)以碳化物形式存在，由于合金中嚴(yán)格控制碳化物形成元素的殘留，本發(fā)明合金C主 要以間隙原子的形式存在。C能夠增加鐵鎳殷瓦合金的固、液相溫度差，也就是，增加 C含 量，固、液相線張開程度增大，溶質(zhì)平衡分配系數(shù)K0減小，合金的成分過冷度增加，焊接終 了階段液態(tài)薄膜的最后凝固橋接需要一定的過冷度，合金成分過冷度的增加，有利于焊接 終了階段液態(tài)薄膜的快速凝固，從而避免熱裂紋的產(chǎn)生。例如，合金中C從0. 02%增加到 0. 08%，固、液相線溫度差從9°C增加到25°C，有利于合金凝固時(shí)成分過冷度的增加。
[0015] 碳還具有一定的強(qiáng)化作用，但是，過高的碳含量會(huì)使材料的膨脹系數(shù)升高。
[0016] 為了達(dá)到本發(fā)明的技術(shù)效果將C控制在0. 04~0. 15%之間是必須的，超出此范 圍，合金的焊接性能和膨脹系數(shù)至少有一項(xiàng)將不能滿足要求。
[0017] P :是有害的雜質(zhì)元素，在焊接過程中低熔點(diǎn)P的化合物在最后凝固的液態(tài)薄膜區(qū) 偏聚，在熱應(yīng)力的作用下會(huì)導(dǎo)致開裂，形成熱裂紋。另外，P在晶界偏聚，會(huì)導(dǎo)致晶界脆性增 加，在熱應(yīng)力作用下，形成晶界微裂紋。P控制越低越好，但過分控制低的P含量將增加制造 成本，將P控制在< 0. 008,可有效控制上述情況的發(fā)生。
[0018] S :是對焊接性能及其有害的元素，S在結(jié)晶過程中與Μη形成低熔點(diǎn)MnS，在焊接過 程中在最后凝固的液態(tài)薄膜區(qū)以及晶界偏聚，導(dǎo)致最后凝固的液態(tài)薄膜凝固速度降低，液 態(tài)薄膜較長時(shí)間保持，當(dāng)存在較大拉伸應(yīng)力時(shí)，產(chǎn)生熱裂紋。MnS在晶界析出時(shí)，導(dǎo)致晶界脆 化，在熱應(yīng)力作用下產(chǎn)生沿晶界裂紋。S控制越低越好，但過分控制低的S含量將增加制造 成本，將S控制在< 0. 005,可有效控制上述情況的發(fā)生。
[0019] Ca :Ca在冶煉過程中是一種強(qiáng)脫氧劑，可有效降低冶金熔體中的氧。Ca與S結(jié)合 形成CaS，在冶煉過程中具有脫S作用，在凝固過程中Ca與S首先結(jié)合形成CaS，阻止了低 熔點(diǎn)MnS的形成，可有效提高合金的焊接性能。當(dāng)合金中Ca < 0. 001 %時(shí)，將不能阻止低熔 點(diǎn)MnS的形成，當(dāng)合金中Ca > 0. 015%時(shí)，將降低合金熱塑性，不利于合金成形加工，因此， 發(fā)明合金將Ca控制在0. 001-0. 015%。
[0020] Si :是有效的脫氧劑，但Si會(huì)增大膨脹系數(shù)，最好是越低越好，該元素冶煉過程中 常有殘留，因此，適當(dāng)選擇其含量很重要。將Si控制在0. 1~0. 5%范圍。
[0021] Μη:對熱加工性能的提高有利，但對膨脹系數(shù)不利，應(yīng)越低越好，該元素冶煉過程 中常有殘留，將其規(guī)定為〇. 1~0.5%。
[0022] Co :與Ni有相似作用，適量加入有利于降低合金膨脹系數(shù)。但Co的價(jià)格較高，將 Co成分范圍控制在< 4.0。
[0023] -種制備本發(fā)明所述的FeNi殷瓦合金的方法，包括如下步驟：冶煉、鍛造、熱軋、 冷軋、熱處理。
[0024] 作為優(yōu)選方案，所述冶煉的方式為真空感應(yīng)爐冶煉或電弧爐加爐外精煉的方式精 煉，所述冶煉或精煉的溫度均為1560~1620°C。
[0025] 作為優(yōu)選方案，所述鍛造的溫度為1100~1250°C。
[0026] 作為優(yōu)選方案，所述熱軋的溫度為1050~1200°C。
[0027] 作為優(yōu)選方案，所述冷軋的工藝參數(shù)為：壓下率40~95%。
[0028] 作為優(yōu)選方案，所述熱處理的溫度為800~1200°C。
[0029] 本發(fā)明在成分設(shè)計(jì)上的主要思路是提高合金的成分過冷度，以及降低雜質(zhì)S，P偏 聚而形成低熔點(diǎn)物質(zhì)，這樣使材料既有抵抗因雜質(zhì)S，P偏聚而形成低熔點(diǎn)的液態(tài)薄膜在拉 伸應(yīng)力下導(dǎo)致熱裂紋的能力，又由于材料具有高成分過冷度，使焊接末期液態(tài)薄膜快速凝 固，從而提高合金的抗焊接熱裂能力。與此同時(shí)，在成分設(shè)計(jì)時(shí)，還要將合金成分控制在一 定范圍，確保合金具有優(yōu)良的低膨脹性能。
[0030] 本發(fā)明設(shè)計(jì)的鐵鎳殷瓦合金，具有膨脹系數(shù)小，低溫力學(xué)性能優(yōu)良等特點(diǎn)，特別是 合金具有抗焊接熱裂紋的特點(diǎn)。適用于制造需要焊接加工的零部件，特別適用于制作低溫 低膨脹部件
[0031] 與相關(guān)典型鋼種相比，本發(fā)明的主要特點(diǎn)是添加碳，以增加合金固液相線的開口 度，增加結(jié)晶過程中的成分過冷度，使合金在焊接凝固末端液膜快速凝固，液膜迅速變薄， 直至消失，從而避免應(yīng)張應(yīng)力導(dǎo)致的液膜開裂現(xiàn)象發(fā)生，阻止焊接熱裂紋的產(chǎn)生。
[0032] 與現(xiàn)有合金相比，本發(fā)明具有以下有益效果：
[0033] 為了改善合金的焊接性能，在Fe_Ni36合金基礎(chǔ)上進(jìn)行了成分調(diào)整，通過增加碳 含量，使固液相線溫度區(qū)間增加，增加了成分過冷度，有利于合金焊接凝固最后階段液態(tài)薄 膜凝固，從而避免焊接應(yīng)力導(dǎo)致的熱裂產(chǎn)生。另一方面，通過控制硫、磷含量，以及鈣微量添 加，減少了焊接凝固最后階段液態(tài)薄膜中和晶界低熔點(diǎn)雜質(zhì)，避免了焊接熱裂的產(chǎn)生。發(fā)明 合金改善了合金的焊接性能，適用于制作大型焊接構(gòu)件。
【附圖說明】
[0034] 圖1為本發(fā)明得到的合金的焊接熱裂紋評價(jià)金相照片。
【具體實(shí)施方式】
[0035] 下面對實(shí)施例進(jìn)行說明：
[0036] 實(shí)施例1
[0037] -、按照表3的元素含量進(jìn)行配料，用真空感應(yīng)爐冶煉，精煉溫