CN101654764B

CN101654764B - 一种铁镍基高弹性合金及其毛细管和毛细管的制造方法

Info

Publication number: CN101654764B
Application number: CN2008100418962A
Authority: CN
Inventors: 王明海; 陆建生; 张甫飞; 袁卫昌
Original assignee: Baoshan Iron and Steel Co Ltd
Current assignee: Baosteel Special Steel Co Ltd
Priority date: 2008-08-20
Filing date: 2008-08-20
Publication date: 2012-07-18
Anticipated expiration: 2028-08-20
Also published as: CN101654764A

Abstract

本发明提供了一种铁镍基高弹性合金及用其制造毛细管的方法。所述铁镍基高弹性合金的化学成分包含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％、Nb：0.2～0.80wt％、Zr≤0.3wt％、Ce<0.1wt％，余量为Fe和不可避免的杂质。采用真空熔炼+真空自耗双真空熔炼技术、冷加工控制工艺技术制造出Φ0.75×0.1mm的高精度、高性能铁镍基高弹性毛细管，可满足市场特殊弹性元件的使用要求。

Description

一种铁镍基高弹性合金及其毛细管和毛细管的制造方法

技术领域

本发明涉及合金材料领域，具体地说，本发明涉及一种铁镍基高弹性合金及其毛细管和毛细管的制造方法。

背景技术

一般来说，我们将直径≤2mm、壁厚≤0.3mm(≤Φ2×0.30mm)的管材，称之为毛细管。随着社会科学技术的进步，毛细管的用途越来越多，对毛细管的性能(力学性能)要求也越来越高，其性能与其材料、制造有密切关系。

经检索发现，国内有以下一些具有较优良力学性能的毛细管：

北京航空材料研究所用贵金属AuAgPt合金制作的Φ0.61×0.19mm毛细管，其力学性能бb≤350Mpa。

上海钢铁研究所用3J1弹性合金制造毛细管。所谓弹性合金是一种精密合金，它可分为高弹性合金和恒弹性合金。高弹性合金是一种具有特殊机械物理性能的金属功能材料，可用于特殊用途，如用该合金制作的毛细管材，可广泛用于制作航空航天、精密机械和精密仪器仪表等中的弹性元件。目前应用的高弹性合金主要有铁基、铜基、铁镍基和钴基等几大类，3J1合金是NiCrALTi系合金，属于铁镍基，它是国家标准YB/T5256-1993，其化学成分见表1，用其制作的Φ1.0×0.16mm毛细管，其力学性能为，抗拉强度бb＝980Mpa、延伸率δ5＝5％。且无屈服强度б_0.2，、弹性模量E、成型性“B”值的性能要求。

表1 国家标准YB/T5256-1993规定的合金3J1化学成分(wt％)

合金元素

C

Mn

Si

P

S

Ni

Cr

Ti

A1

Fe

合金3J1

0.05

≤1.00

≤0.80

≤0.020

34.5/36.5

11.5/13.0

2.70/3.20

1.00/1.80

余量

现有3J1合金制造的无缝毛细管，技术要点是：(1)采用单真空冶炼技术。(2)毛细管荒管经电接触加热1150～1200℃固溶处理后，经酸洗、在小于60％冷加工变形率及500～650℃时效热处理的加工工艺制造。3J1制作的毛细管成材率在5～8％。

该技术存在的不足是：(1)采用单真空冶炼的方法不利于消除合金中的气体和夹杂含量，对毛细管材的加工和性能都将产生不利影响。(2)荒管组织中的夹杂物和沉淀相等在电接触加热过中受温度和冷却速度影响，难以充分溶解获得良好的单相固溶体，增加后续毛细管材冷加工的困难。(3)冷加工时的加工硬化速率快使得毛细管材加工难，且会出现易开裂、管形控制难等问题。

航空发动机的特殊弹性元件，需要高性能的毛细管，该高性能毛细管的力学性能要求是：抗拉强度бb达到≥1340Mpa、屈服强度б0.2≥800Mpa、延伸率δ5≥9.0％、弹性模量E≥180Gpa，同时提出了成型性“B”值在0.4～0.5mm之间的特殊要求(在弹性变形范围内，正应力与相应正应变之比称之为弹性模量，用字母E表示。当毛细管用来制作特殊弹性元件时，需要做成矩形状态，这样就有一个弹性恢复的力，这个力使得矩形要变形，将这个变形程度控制在一个范围内进行考量，称之为成型性“B”值。)。该毛细管的其他尺寸要求是：Φ0.75×0.1mm公差±0.01mm，成型性“B”值公差±0.002mm。而目前，国内现有的毛细管均不能达到该高性能。

为了解决以上问题，本发明者通过研究，在已有的3J1合金的基础上，添加合金强化、细化晶粒和强化合金组织等元素，设计出了一种铁镍基高弹性合金，该合金经加工制成毛细管，完全能满足市场对特殊弹性元件的使用要求，从而完成了本发明。

本发明的第一个目的在于提供一种铁镍基高弹性合金。

本发明的第二个目的在于提供用所述铁镍基高弹性合金制造的毛细管。

本发明的第三个目的在于提供所述毛细管的制造方法。

发明内容

本发明的第一个方面提供一种铁镍基高弹性合金，所述铁镍基高弹性合金的化学成分包含：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％，余量为Fe和不可避免的杂质。

根据本发明所述的铁镍基高弹性合金，所述铁镍基高弹性合金的化学成分中还包括：Nb：0.2～0.80wt％、Zr≤0.3wt％、Ce<0.1wt％。

本发明铁镍基高弹性合金是在Ni36CrALTi合金基础上调整合金强化、细化晶粒和强化合金组织等元素形成的。Ni、Cr、Al、Ti是形成铁镍基高弹性合金的基本元素。Mo是本发明合金的固溶强化元素，添加Mo除了可使部分Mo溶于奥氏体中强化固溶体外，还会出现新的强化相(Fe，Ni，Cr)₂(Mo，Ti)和Fe₂Mo相，Mo的加入还会使γ’相更加稳定。由于含Mo相的存在阻碍了晶粒的长大，所以加Mo后合金加热至1200℃才出现明显的晶粒长大倾向。Mo的加入产生了如下一些有益的结果：1)提高了合金时效强化效果；2)提高了合金的机械和物理性能；3)提高了合金抗松弛稳定性。添加细化晶粒的Nb、Zr、Ce元素，可改善合金加工性能、强化合金组织，控制极低S、P等杂质含量，有利于组织纯净、大大改善毛细管材的加工性能、提高合金的强韧性，它们的作用在于在原有时效强化的基础上增加细化晶粒组织强化和晶界强化。

本发明的第二个方面提供一种毛细管，该毛细管是以铁镍基高弹性合金制造而成，所述铁镍基高弹性合金的化学成分包含：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％，余量为Fe和不可避免的杂质；进一步，所述铁镍基高弹性合金的化学成分中还包括：Nb：0.2～0.80wt％、Zr≤0.3wt％、Ce<0.1wt％。

本发明的第三个方面提供用所述铁镍基高弹性合金制造毛细管的方法，该方法包括以下步骤：

(1)采用真空熔炼之后再真空自耗熔炼下述成分的铁镍基高弹性合金；

所述铁镍基高弹性合金的化学成分包含：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％，余量为Fe和不可避免的杂质；

(2)熔炼之后，在连续炉经过1100～1150℃固溶热处理；

(3)经16～20个冷轧道次冷轧；

(4)在还原性气氛或高真空中进行时效热处理。

在一个优选实施方式中：在所述步骤(3)中，前6～7个冷轧道次的冷加工变形量为55～65％，后10～13个冷轧道次的冷加工变形量为10～25％。

在一个优选实施方式中：在所述步骤(4)中，时效热处理的温度为500～650℃，保温2～5小时。

下面，对上述制造方法的工艺过程作详细叙述。

第一步：真空熔炼+真空自耗熔炼技术

高弹性合金毛细管材的性能和加工要求低的S、P、N、H、O等有害元素含量，要求S<0.008wt％、P<0.02wt％、H、O<10PPm、N<20PPm。S、P含量可以通过选择高质量原材料得到保证，现有单真空熔炼技术制备合金，对于N、H、O气体含量控制，除H含量可控制在10PPm以下外，0<20PPm，N<50PPm，均不能达到要求。纯净的合金组织是决定铁镍基高弹性合金毛细管的性能和加工技术的关键步骤之一，即气体和夹杂含量对合金毛细管加工和性能具有一定影响。本发明采用真空熔炼+真空自耗双真空熔炼技术进一步降低N、H、O气体和杂质如氧化物、氮化物、硫化物等含量，真空自耗钢锭去除帽口、剥皮，合金组织得到净化后进行热冷加工。

第二步：固溶热处理技术

现有的合金毛细管材采用电接触方式进行固溶热处理，存在着加热温度不均匀，加热温度控制精度差等缺点，使得毛细管材经固溶热处理后组织不均匀，在后续的冷加工过程中毛细管材易产生开裂、裂纹等现象。本发明制作的毛细管采用连续炉固溶热处理，保证合金在连续炉经过1100～1150℃固溶处理时充分溶解，获得良好的单相固溶体，解决了毛细管材在后续冷加工过程中易产生开裂、裂纹等问题。

第三步：冷加工工艺技术

经过连续炉固溶热处理后的毛细管材坯采用小轧机经过16～20个冷轧道次冷轧出成品毛细管材，冷加工变形量平均为60～80％，而现有的合金毛细管材采用的冷加工变形量一般为55％。本发明在冷加工时采用先大变形量后多道次小变形量的冷轧工艺技术，即不是将总冷加工变形量均匀的分配到16～20个冷轧道次，而是采用前面6～7个冷轧道次压下量达到冷加工变形量55～65％，后10～13个冷轧道次的冷加工变形量采用10～25％的压下量递减法技术。这种冷轧工艺技术可以十分有效的解决由于加工硬化速率快，使得高强度毛细管材在加工过程中易产生开裂、裂纹等问题。

第四步：时效热处理

冷轧成品的毛细管材需要通过时效热处理来进一步提高合金性能，满足使用要求。毛细管材的时效热处理在还原性气氛或高真空中进行，以防毛细管材表面氧化，

本发明的有益效果为：

1、在已有的3J1合金(铁镍基高弹性合金，NiCrALTi系弹性合金)的基础上，添加合金强化、细化晶粒和强化合金组织等元素，提高了毛细管材的机械与物理性能。

2、采用真空熔炼+真空自耗双真空冶炼工艺净化合金组织，采用连续炉退火的方法及独特的冷拉工艺等独有技术，解决合金冷加工中的变形抗力大、毛细管材加工中易出现裂纹及开裂、管型控制难的技术难题。

3、本发明制作的毛细管成材率高，达15～20％；毛细管的管型得到了很好的控制；毛细管的表面光洁度得到了提高。

4、采用本发明铁镍基高弹性合金制造出Φ0.75×0.1±0.01mm的高性能毛细管，其抗拉强度σ_b＝1351～1542Mpa、屈服强度σ_0.2＝1105～1232Mpa、延伸率δ₅＝9.0～13.6％、弹性模量E＝203.5～210.6Gpa，同时满足了成型性“B”值在0.4～0.5mm之间的特殊要求，满足市场特殊弹性元件的使用要求。

具体实施方式

以下用实施例对本发明作更详细的描述。这些实施例仅仅是对本发明最佳实施方式的描述，并不对本发明的范围有任何限制。

实施例1

按表2所示的化学成分冶炼钢水，熔炼采用30Kg真空炉，在主成份完全熔化后，在Ar保护下，加入Si、Mn、Nb、Zr、Ce等元素，精炼20分钟后，出钢浇注成2根Φ55mm的圆棒，去帽口剥皮后真空自耗成Φ100mm的钢锭，钢锭剥皮后热锻成Φ75×Lmm管坯，剥皮后打孔成Φ60×6.5×Lmm荒管。经热处理，酸洗后冷轧成Φ8.2×0.8×Lmm的毛细管坯材。然后在连续炉经过1100～1150℃固溶热处理，再采用小轧机经17个冷轧道次冷轧加工，前7个冷轧道次的冷加工变形量为60～65％，后10个冷轧道次的冷加工变形量为10～25％，制作成Φ0.75×0.1±0.01mm的毛细管，最后在还原性气氛或高真空中经500～550℃，保温3小时的时效热处理。

实施例2

除了采用小轧机经20个冷轧道次冷轧加工，前7个冷轧道次的冷加工变形量为60～65％，后13个冷轧道次的冷加工变形量为15～25％，制作成Φ0.79×0.1±0.01mm的毛细管，时效热处理的温度为550～600℃，保温4小时之外，其余实施方式同实施例1。

实施例3

除了采用小轧机经18个冷轧道次冷轧加工，前7个冷轧道次的冷加工变形量为55～60％，后11个冷轧道次的冷加工变形量为10～20％，时效热处理的温度为550～600℃，保温3小时之外，其余实施方式同实施例1。

实施例4

除了采用小轧机经16个冷轧道次冷轧加工，前6个冷轧道次的冷加工变形量为55～65％，后10个冷轧道次的冷加工变形量为15～20％，时效热处理的温度为600～650℃，保温3小时之外，其余实施方式同实施例1。

表2本发明实施例1-4铁镍基高弹性合金的化学成分(wt％)

合金元素	C	Mn	Si	P	S	Ni	Cr	Ti	A1	Mo	Nb	Zr	Ce	Fe
															实施例1	0.032	0.45	0.52	0.009	0.0068	34.58	11.62	2.82	1.15	3.61	0.28	0.15	0.08	余量
实施例2	0.038	0.52	<0.61	0.01	0.0071	35.12	11.22	2.72	1.31	3.95	0.43	0.22	0.075	余量
															实施例3	0.036	0.64	<0.65	0.010	0.0080	35.68	12.45	2.83	1.52	5.42	0.75	0.24	0.067	余量
实施例4	0.040	0.55	<0.01	0.069	0.0069	35.69	13.25	2.71	1.61	4.36	0.33	0.28	0.063	余量

试验例1

采用特殊的高强毛细管材测试夹具对本发明实施例1-2制得的毛细管进行力学性能测试，测试结果见表3。

表3本发明实施例1-2制得的毛细管的力学性能及物理性能

Claims

1.一种铁镍基高弹性合金，其特征在于，所述铁镍基高弹性合金的化学成分包含：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％、Nb：0.2～0.80wt％、Zr：0.15～0.3wt％、Ce：0.063～0.1wt％，余量为Fe和不可避免的杂质。

2.一种毛细管，系铁镍基高弹性合金制造，其特征在于，所述铁镍基高弹性合金的化学成分包含：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％、Nb：0.2～0.80wt％、Zr：0.15～0.3wt％、Ce：0.063～0.1wt％，余量为Fe和不可避免的杂质。

3.一种用铁镍基高弹性合金制造毛细管的方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

所述铁镍基高弹性合金的化学成分包含：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％、Nb：0.2～0.80wt％、Zr：0.15～0.3wt％、Ce：0.063～0.1wt％，余量为Fe和不可避免的杂质；

(2)熔炼之后，在连续炉经过1100～1150℃固溶热处理；

(3)经17～20个冷轧道次冷轧，其中，前7个冷轧道次的冷加工变形量为55～65％，后10～13个冷轧道次的冷加工变形量为10～25％；

(4)在还原性气氛或高真空中进行时效热处理。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，在所述步骤(4)中，时效热处理的温度为500～650℃，保温2～5小时。