CN103084753B

CN103084753B - 一种镍铁精密合金焊丝

Info

Publication number: CN103084753B
Application number: CN201310025160.7A
Authority: CN
Inventors: 朱双春; 王宝森; 陆建生
Original assignee: Baoshan Iron and Steel Co Ltd
Current assignee: Baoshan Iron and Steel Co Ltd
Priority date: 2013-01-23
Filing date: 2013-01-23
Publication date: 2016-07-27
Anticipated expiration: 2033-01-23
Also published as: CN103084753A

Abstract

一种镍铁精密合金焊丝，其化学成分质量百分比为：C0.1～0.2％，Mn0.4～0.5％，Si0.2～0.3％，Ni35～37％，Ti0.4～0.5％，Nb1.0～1.2％，S≤0.005％，P≤0.01％，其余为Fe及不可避免杂质；其中，C/(Nb+Ti)＜0.2。本发明的镍铁精密合金焊丝采用Ni‑Fe合金系统，可以提高焊缝金属的抗拉强度，保证焊缝金属的韧性和低膨胀系数，其熔敷金属性能指标为：抗拉强度(R_m)≥480MPa，冲击韧性(A_KV2，20℃)50J/cm²，线膨胀系数(20～100℃)≤1.2×10^‑6/℃，可应用于镍铁系精密合金材料的焊接领域。

Description

一种镍铁精密合金焊丝

技术领域

本发明属于焊接材料领域，具体涉及一种镍铁精密合金焊丝，主要用于镍铁系精密合金材料的焊接。

背景技术

4J36合金是一种低膨胀系数精密合金，对应国外牌号是因瓦(INVAR)合金，具有非常低的膨胀系数。它的应用领域已从传统的精密量器具领域向电子工业和特殊结构材料领域拓展。4J36合金作为特殊结构材料使用的领域包括液化石油气储气罐、长距离电力传输线、大型飞机复合材料的模具等。

随着4J36合金应用领域的扩展，特别是飞机节能减排需求，开始大量采用复合材料制造飞机部件，而作为复合模具材料4J36的焊接应用有了更高的要求。但是，目前通用的做法是将4J36合金拉拔成焊丝进行焊接，由于没有材料轧制强化过程，同样成分所得熔敷金属为奥氏体铸态组织，具体参见图1，与母材相比强度偏低，不能达到4J36焊接的等强匹配原则，远远达不到4J36合金的焊接要求。

《YB/T5241-2005低膨胀铁镍、铁镍钴合金》标准中4J36范畴内的合金成分(重量％)为：C≤0.05％，Mn0.2～0.6％，Si≤0.3％，S≤0.02％，P≤0.02％，Ni35～37％，其余为Fe和不可避免杂质。

中国专利CN1743490A公开了一种高强度因瓦合金及其合金线材的生产方法，其以Fe-36Ni合金为基，添加W、V、C元素，具体成分(重量％)为：C0.15～0.4％，Si≤0.6％，Mn≤0.8％，P≤0.025％，S≤0.02％，Ni34.0～42.0％，Co≤3.5％，Cr≤0.5％，Cu≤0.2％，W1.5～5.0％，V0.3～1.2％，Mo≤0.5％，其余为Fe和不可避免杂质，不含有Ti和Nb。此种丝材通过配合相应的制造工艺，强度可达1200MPa以上，特别适用于电力工业中输电线应用。

中国专利CN1662669A公开了一种低热膨胀合金薄板及其制造方法，其成分(重量％)为：Ni35～37％，C0.01～0.07％，Si≤0.3％，Mn≤0.6％，P≤0.01％，S≤0.005％，N≤0.01％，Al≤0.1％，其余为Fe，不含有Ti和Nb，C含量极低。该薄板具有优良的耐冲击性和磁特性，适用于阴极射线显像管的荫罩。

中国专利CN1275630A公开了一种高强度低膨胀合金钢，其化学成分(重量％)为：C0.15～0.35％，Ni32～40％，Mo0.3～0.95％，Mn0.1～0.6％，Si0.15～0.6％，B0.003～0.15％，Zr0.005～0.01％，其余为Fe，不含有Ti、Nb。该合金钢具有极低的线膨胀系数，25～250℃线膨胀系数也仅在1.2×10^-6/℃左右，同样适用于作为输电线中高容量、低垂度的钢芯。

上述中国专利均是通过成分和制造工艺的调整使其具有超高强度，或是具有超低线膨胀系数，或者其它功能特性，以适应各自特定的应用场合，但是，都没有从焊接角度来考虑材料的应用性。

发明内容

本发明的目的是提供一种镍铁精密合金焊丝，可以提高焊缝金属的抗拉强度，保证焊缝金属的韧性和低膨胀系数，其熔敷金属性能指标为：抗拉强度(R_m)≥480MPa，冲击韧性(A_KV2，20℃)≥50J/cm²，线膨胀系数(20～100℃)≤1.2×10^-6/℃。

为达到上述目的，本发明的技术方案是：

本发明采用Ni-Fe合金系统，在严格控制S、P元素含量的基础上，提高C含量，并适当加入Ti、Nb，通过这些元素形成的强化作用提高焊缝金属抗拉强度，保证韧性和低膨胀系数。

具体地，一种镍铁精密合金焊丝，其化学成分质量百分比为：C0.1～0.2％，Mn0.4～0.5％，Si0.2～0.3％，Ni35～37％，Ti0.4～0.5％，Nb1.0～1.2％，S≤0.005％，P≤0.01％，其余为Fe及不可避免杂质；其中，C/(Nb+Ti)＜0.2。

本发明的成分设计中：

C：是金属强化元素之一，通过提高C含量，一方面能够提高焊缝金属的强度，另一方面能够改善镍铁系焊缝金属的流动性，提高焊缝金属的浸润性。但是，过高的C含量会降低焊缝的韧性，同时，会引起线膨胀系数的升高，因此，为了在焊缝强度以及韧性和线膨胀系数之间达到一个平衡，将C含量控制在0.1～0.2％。

Mn：保证焊缝金属具有一定的强度，同时，Mn可与S和O生成MnS和MnO，具有脱硫和脱氧的作用，降低由S引起的热裂现象，因此，焊丝成分必须要含一定量的Mn。但是，Mn含量过高会引起焊缝变脆，韧性变差，因此，结合合金设计原则综合考虑，将Mn含量控制在0.4～0.5％。

Si：是焊丝中的脱氧元素。由于Mn单独脱氧，生成的MnO密度较大，不易从熔池中浮出，因此，焊丝必须要添加一定的Si元素，与Mn联合脱氧生成SiO₂和MnO复合硅酸盐(MnO·SiO₂)，在熔池中能凝聚成大块熔渣而浮出，达到良好的脱氧效果。但是，随着Si含量的增大，容易生成低熔点共晶物导致焊接热裂纹的产生，为防止Si的低熔点共晶物的产生，必须要控制Si含量在0.2～0.3％。

Ti、Nb：本发明加入一定的Ti、Nb，与C形成相应的Nb、Ti碳化物而阻碍晶界迁移，达到细晶强化和碳化物强化作用。但是，过多的Ti、Nb含量会导致焊缝的韧性大幅度下降，因此，将Ti含量控制在0.4～0.5％，Nb含量控制在1.0～1.2％。

本发明主要通过C、Nb、Ti元素来达到提高焊丝的抗拉强度，保证焊缝金属具有低膨胀系数的目的。本发明通过增加4J36合金体系中C含量来提高焊缝金属强度，但是，随着C含量的增大，合金的线膨胀系数也会急剧增大。本发明研究发现，当C与其它元素形成碳化物时，能够降低合金中固溶C含量，从而能够降低由于C含量的增大而引起的线膨胀系数的增长。因此，本发明将C含量控制在0.1～0.2％，另一方面，为了能够使绝大多数C元素以碳化物的形态存在，减少固溶C含量，Nb+Ti的添加含量需要满足C/(Nb+Ti)＜0.2。

本发明的镍铁精密合金焊丝的化学成分与《YB/T5241-2005低膨胀铁镍、铁镍钴合金》标准4J36范畴内的合金成分相比(具体参见表1)，两者在主要合金体系元素C含量范围上具有显著差别，另外，本发明添加了Ti、Nb元素。

表1 单位：重量百分比

本发明的有益效果：

本发明采用Ni-Fe合金系统，在严格控制S、P元素含量的基础上，提高C含量，并加入Ti、Nb，形成大量的Nb、Ti碳化物而阻碍晶界迁移，达到细晶强化和碳化物强化作用，其熔敷金属典型金相组织为奥氏体铸态组织析出大量的碳化物，该熔敷金属不仅具有很高的抗拉强度，同时具有很理想的韧性和膨胀性能，焊接工艺性能良好，符合飞机复合材料模具的焊接制造要求。

本发明焊丝可以应用于镍铁系精密合金材料中的焊接，其熔敷金属性能指标如下：屈服强度(R_p0.2)≥350MPa，抗拉强度(R_m)≥480MPa，冲击韧性(A_KV2，20℃)≥50J/cm²，延伸率(A)≥20％，线膨胀系数(20～100℃)≤1.2×10^-6/℃。

附图说明

图1为4J36合金拉拔成焊丝所得熔敷金属的金相组织；

图2为本发明实施例1熔敷金属的金相组织。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步说明。

按照本发明提出的成分范围，经过冶炼、轧制、拉拔等工序制造5种镍基合金焊丝，其成分见表2，焊丝的直径为1.2mm。

采用熔化极气体保护焊的方法进行熔敷金属性能测试，焊接保护气体为80％Ar+20％He，气体流量为20L/min，焊接电流240～260A，焊接电压27～29V，焊接速度300mm/min，控制层间温度≤120℃，所得熔敷金属加热到840℃保温1小时后水淬，得到相应的熔敷金属性能见表3。其中，线膨胀系数测定试样完成机加工后还进行加热到350℃保温1小时空冷的热处理。

表2 单位：重量百分比

实施例	C	Mn	Si	S	P	Ni	Ti	Nb	Fe
										1	0.15	0.50	0.24	0.002	0.006	36.16	0.43	1.14	余量
2	0.12	0.43	0.25	0.003	0.007	35.56	0.45	1.12	余量
										3	0.18	0.48	0.26	0.002	0.006	36.20	0.49	1.18	余量
4	0.16	0.47	0.22	0.002	0.006	36.82	0.42	1.15	余量
										5	0.14	0.49	0.29	0.002	0.007	35.34	0.44	1.16	余量

表3

由表3可知，本发明镍铁精密合金焊丝的熔敷金属具有很高的抗拉强度和韧性，以及低线膨胀系数，具体性能指标为：屈服强度(R_p0.2)≥350MPa，抗拉强度(R_m)≥480MPa，冲击韧性(A_KV2，20℃)50J/cm²，延伸率(A)≥20％，线膨胀系数(20～100℃)≤1.2×10^-6/℃，完全满足4J36合金焊接的要求。

本发明的镍铁系精密合金焊丝可以用于4J36等精密合金的焊接，并且由图2可以看出，本发明镍铁系精密合金焊丝的熔敷金属为奥氏体铸态组织析出大量的碳化物，其能够与母材形成等强焊缝金属，并具有低的线膨胀系数，在飞机复合材料的模具制造领域具有一定的应用前景。

Claims

1.一种镍铁精密合金焊丝，其化学成分质量百分比为：C 0.1～0.18％，Mn0.4～0.5％，Si 0.2～0.3％，Ni 35～37％，Ti 0.4～0.5％，Nb 1.12～1.2％，S≤0.005％，P≤0.01％，其余为Fe及不可避免杂质；其中，C/(Nb+Ti)＜0.2；

其熔敷金属的性能指标为：抗拉强度(R_m)≥480MPa，20℃冲击韧性A_KV2≥50J/cm²，20～100℃线膨胀系数≤1.2×10^-6/℃。