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成分与热处理对4J36因瓦合金(殷钢Invar Steel铁镍合金)力学和物理性能的影响

发布人:上海艾荔艾金属材料有限公司www.shailiai.com 更新时间:2015-04-16
为了提高因瓦合金的强度,已开发出了Fe-Ni-C、Fe-Ni-Mn-C、Fe-Ni-Co等因瓦合金体系。与因瓦合金相对应的国内牌号为4J36合金,含35.0%~37.0%Ni,余为Fe。4J36合金具有热膨胀系数小、良好的尺寸稳定性和容易消磁等特点,因而在航空航天、军事武器、微波通讯、彩电荫罩以及石油运输容器等行业中得到了广泛应用。
  含镍36%的Fe-Ni合金具有很低的膨胀系数,因其尺寸几乎不随温度变化而被称为因瓦合金。因瓦合金的强度和硬度不高,抗拉强度一般<500MPa。为了提高因瓦合金的强度,已开发出了Fe-Ni-C、Fe-Ni-Mn-C、Fe-Ni-Co等因瓦合金体系。元素添加量增加虽能提高机体合金的强度,但合金的膨胀性能也随之增大。因此,通过元素调整获得因瓦合金强度的同时,也要兼顾低膨胀系数这一指标。此外,该类合金只有在热处理后才能发挥其性能优势。
与因瓦合金相对应的国内牌号为4J36合金,含35.0%~37.0%Ni,余为Fe。4J36合金具有热膨胀系数小、良好的尺寸稳定性和容易消磁等特点,因而在航空航天、军事武器、微波通讯、彩电荫罩以及石油运输容器等行业中得到了广泛应用,成为21世纪倍受人们关注的合金之一,并在应用中得到了不断的发展。为此,针对国内某特殊行业用4J36合金的成分及性能要求,通过研究成分与热处理过程中退火温度的选择对合金性能的影响,为特殊工况环境用4J36合金成分及热处理工艺的优化提供依据。
表1  试验合金的化学成分(质量分数,%)
合金
C
Si
Mn
P
S
Ni
Fe
技术条件
≤0.05
≤0.3
≤0.6
≤0.02
≤0.02
35.0-37.0
余量
No.1
0.001
0.065
0.10
0.0032
0.006
36.17
余量
No.2
0.003
0.089
0.30
0.0032
0.006
36.17
余量
No.3
0.007
0.082
0.41
0.0035
0.007
36.49
余量
 
试验合金采用10kg真空感应炉熔炼,通过添加具有梯度含量的C和Mn冶炼三炉合金,锭重5kg,成分如表1所示。将得到的铸锭热锻至Φ15mm的棒料,在锻棒上取样制成拉伸试样,在MTS万能试验机上测试合金室温拉伸性能。将锻棒在850℃条件下进行退火软化处理后机加工成Φ4mm×25mm膨胀测试试样和Φ4.5mm×150mm弹性模量测试试样。热膨胀系数测试在DP-49光学三角差示膨胀仪上进行,弹性模量测试在DT-1弹性综合测量仪上进行。将优选成分的合金锻棒在箱式电阻炉中进行退火热处理,退火温度为820、880、940和1000℃,保温时间为1h,空冷。在经不同热处理后的合金棒料上沿纵向截取金相试样,用OLYMPUS GX71光学显微镜对试样进行组织观察。测定试样显微硬度选用HXS-1000A型数显显微维氏硬度计。试验结果如下:
(1)4J36合金中添加C、Si、Mn总量的增加可使合金的弹性模量、强度和硬度增加,但会使线膨胀系数(20~100℃)显著增大,因此通过增加C、Si、Mn含量来获得高弹性模量、高强度和硬度的同时,为满足线膨胀系数的指标要求,应将合金中∑(C+Si+Mn)控制在0.65%以下。
(2)4J36合金锻态及退火处理后的组织均为单一的等轴晶奥氏体,退火处理后的组织均匀性得到改善。随退火温度升高,奥氏体晶粒逐渐长大并发生了明显粗化,合金拉伸断口呈现典型的韧性断裂形貌。
(3)随着退火温度的升高,试验合金的抗拉强度和硬度明显下降,伸长率先显著上升后略有降低。合金在820~880℃范围进行退火时经历了回复及完全再结晶,组织均匀性的明显改善,伸长率显著提高。通过对比分析可知,4J36合金在820~850℃范围内进行退火处理,具有最佳的综合力学性能。

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