本发明属于钢铁冶炼技术领域，涉及一种低膨胀合金材料及其制备方法，尤其是一种免热处理高强度低膨胀合金盘条。
背景技术：
含镍质量百分比为36％左右的铁镍合金(又称因瓦合金、低膨胀合金)，在低于居里温度可展示出极低的热膨胀系数α，在精密仪器、电子工业、航空航天等领域具有巨大的应用价值，是制作显示器荫罩、热双金属片、玻璃密封引丝、微波谐振腔、精密激光部件、液态天然气和液态氧储罐等产品的关键材料。
需要指出的是，《yb/t5241-2005低膨胀铁镍、铁镍钴合金》标准中规定的4j36是一种典型的低膨胀合金，4j36范畴内的化学成分以质量百分比包括：c≤0.05％，ni:35-37％，mn:0.2-0.6％，si≤0.3％，s≤0.02％，p≤0.02％，其余为fe和不可避免杂质。尽管按照该标准生产的4j36合金，能够满足低热膨胀系数α的要求，但其强度较低，室温下抗拉强度不足500mpa，长期只能作为功能材料使用，难以满足结构材料的性能要求。尤其是近年来，航空航天、电力行业、汽车领域对高强度低膨胀合金线材需求迫切，但传统的低膨胀合金(4j36)经冶炼、锻造、热轧出的盘条，其强度难以满足要求。
基于此，研究高强度低膨胀合金并制备满足产品使用要求的高强度低膨胀合金材料(尤其是线材)，越来越受到研究机构和企业的重视。
技术实现要素：
本发明的目的在于提供一种低膨胀合金材料及其制备方法，该低膨胀合金材料在满足低热膨胀系数α的同时，还具有高抗拉强度。
为实现上述目的之一，本发明一实施方式提供了一种低膨胀合金材料，其化学成分以质量百分比计包括：c:0.05％-0.15％，si:0.1-0.3％，mn:0.2-0.6％，s≤0.002％，p≤0.002％，o≤0.0015％，n≤0.0015％，ni:35-38％，mo+nb+w:1.2-6.0％，其余为fe和不可避免杂质；且其化学成分以质量百分比计满足c+si+mn≤0.85％，c/(mo+nb+w)≤0.06。
作为本发明一实施方式的进一步改进，所述低膨胀合金材料包含mo、nb、w中的至少两种。
作为本发明一实施方式的进一步改进，所述低膨胀合金材料的抗拉强度≥780mpa，且0-100℃温度范围内的热膨胀系数α≤2.0×10-6/℃。
作为本发明一实施方式的进一步改进，所述低膨胀合金材料为直径8-11mm的盘条。
为实现上述目的之一，本发明一实施方式还提供了所述低膨胀合金材料的制备方法，包括如下步骤：
按照目标化学成分进行钢水冶炼，将钢水浇铸成铸锭；
将铸锭进行电渣重熔，使重熔锭中s≤0.002％，p≤0.002％，o≤0.0015％，n≤0.0015％。
作为本发明一实施方式的进一步改进，按照目标化学成分经真空熔炼炉进行钢水真空冶炼。
作为本发明一实施方式的进一步改进，所述制备方法还包括步骤：将重熔锭进行高温锻造，加工成钢坯。
作为本发明一实施方式的进一步改进，所述钢坯为截面尺寸为120×120mm-150×150mm的方坯，优选为140×140mm的方坯。
作为本发明一实施方式的进一步改进，所述制备方法还包括步骤：钢坯经表面修磨后热轧成盘条。
作为本发明一实施方式的进一步改进，在热轧过程中，轧制温度为950-1000℃，吐丝温度为900-920℃，最高轧制速度为49-98m/s。
作为本发明一实施方式的进一步改进，所述制备方法还包括步骤：盘条在斯太尔摩冷却线上进行冷却，斯太尔摩冷却线的辊道速度为0.6-1.0m/s，全部保温罩打开，全部风机开启且风量为100％。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：在《yb/t5241-2005低膨胀铁镍、铁镍钴合金》标准中规定的典型低膨胀合金4j36基础上，适量增加c、mo、w、nb元素，并通过电渣重熔严格控制s、p、o、n含量，制得的所述低膨胀合金盘条，其抗拉强度≥780mpa，同时0-100℃温度范围内的热膨胀系数α≤2.0×10-6/℃，这样，能够满足后续冷镦、拉丝领域对高强度低膨胀合金盘条的性能要求，在进一步深加工为钢丝的过程中免除了现有的热处理工序，具有工艺流程简单、合金成本低的优势。
具体实施方式
以下将结合具体实施方式对本发明进行详细的描述，但这些实施方式并不限制本发明，本领域的普通技术人员根据这些实施方式所做的反应条件、反应物或原料用量上的变换均包含在本发明的保护范围内。
本发明一实施方式提供了一种低膨胀合金材料，该材料优选为直径8-11mm的盘条，后文中以低膨胀合金盘条对本发明的低膨胀合金材料予以说明。当然不限于此，所述低膨胀合金材料可以以坯料、其它线材、板材等方式予以实施。
所述低膨胀合金盘条在化学成分上满足《yb/t5241-2005低膨胀铁镍、铁镍钴合金》标准中规定的4j36范畴，在本发明中，其优化为化学成分以质量百分比计包括：c:0.05-0.15％，si:0.1-0.3％，mn:0.2-0.6％，s≤0.002％，p≤0.002％，o≤0.0015％，n≤0.0015％，ni:35-38％，mo+nb+w:1.2-6.0％，其余为fe和不可避免杂质；且其化学成分以质量百分比计满足c+si+mn≤0.85％，c/(mo+nb+w)≤0.06。
所述低膨胀合金盘条的抗拉强度≥780mpa，同时0-100℃温度范围内的热膨胀系数α≤2.0×10-6/℃，这样，能够满足后续冷镦、拉丝领域对高强度低膨胀合金盘条的性能要求，在进一步深加工为钢丝的过程中免除了现有的热处理工序，具有工艺流程简单、合金成本低的优势。
优选地，所述低膨胀合金盘条包含mo、nb、w的至少其二，也即添加mo、nb、w中的两种或三种。
结合本申请发明人在研究中的发现，关于本发明的各个化学元素的设计原理说明如下：
c：c添加能够一定程度提高合金的强度，但若碳含量过多，容易形成碳化物，会提高合金盘条的热膨胀系数。在保证避免形成过量碳化物，又能使c达到一定固溶强化效果，研究发现，碳含量的范围为0.05-0.15％时效果较佳；
si：si是有效的脱氧剂，但过高si对合金的低膨胀性能不利，经研究si含量的范围为0.1-0.3％；
mn：mn是合金的脱氧剂，还可与s结合以mns的形态将s固定下来，对热加工性能的提高有利，但过高mn同样会增大合金的热膨胀系数，经研究mn含量范围为0.2-0.6％；
同时，c、si、mn三者的总量增加会导致合金中高自旋状态fe原子的数量降低，削弱合金随温度升高时高自旋态转化为低自旋态时的体积收缩量，导致热膨胀系数增加，因此，(c+si+mn)的质量百分比上限应限定为0.85％；
s、p：s、p是合金中的有害元素，两种元素均易在晶界处偏析从而影响合金性能，经研究发现，将s、p二者各自质量百分比降低至0.002％及以下时，将提升合金材料性能；
o、n：o、n是合金中的气相元素，两种元素在合金中不是以间隙原子形式固溶在基体中，就是以氧化物、氮化物形式析出，两种形式均对合金的低热膨胀性能不利，且o元素还易造成合金的晶界氧化现象，对强度及高温稳定性均不利，而经研究发现，将s、p二者各自质量百分比降低至0.002％及以下时，将明显改善这些问题；
ni：ni是保证合金具有单一奥氏体基体和低膨胀性能的必须元素，ni含量控制在：35.0-38.0％，能够保证在添加一定量固溶元素后，依然保持较低的热膨胀系数；
mo、nb、w：mo、nb、w均为顺磁性元素，质量磁化系数均为正值，且单质元素本身具有较低的膨胀系数，因此适量添加不会造成热膨胀系数增加过多，同时在合金基体的固溶度以内添加，能够达到固溶强化和细晶强化的目的，但当添加过量时，这些元素易和碳元素结合形成碳化物，使热膨胀系数迅速增大，mo、nb、w的质量百分比之和为：1.2-6.0％，并且进一步地，mo、nb、w作为固溶强化元素添加三者中的任意两种或三种；
另外，如前所述，本发明中mo、nb、w的添加为固溶强化作用，从而使盘条无需热处理就能达到较高的强度，而经研究c与mo、nb、w的关系还需满足：c/(mo+nb+w)≤0.06，从而抑制合金中碳化物的形成。
以下将以具体实施例和对比例对本发明的低膨胀合金盘条的性能进行做进一步说明。其中，序号1-4的4个实施例按照本发明设计的化学成分实施的盘条样品，序号5-8的4个对比例是不满足本发明设计的化学成分实施的盘条样品，各实施例和对比例的化学成分如表1所示。
[表1]
由表1可以看出：序号1-4的4个实施例符合本发明的所述低膨胀合金材料的化学成分；序号5-8的4个对比例不符合本发明的所述低膨胀合金材料的化学成分，具体地，对比例5中mo、w、nb的质量百分比之和低于1.2％，对比例6中mo、w、nb的质量百分比之和高于6％，对比例7中c、si、mn的质量百分比之和高于0.85％，对比例8中c/(mo+nb+w)＞0.06。
经测定，各实施例及对比例的样品力学性能及热膨胀性能如表2所示。
[表2]
由表2可以看出：实施例1-4的盘条样品的抗拉强度≥780mpa，同时0-100℃温度范围内的热膨胀系数α≤2.0×10-6/℃；而对比例5虽然能保持较低的热膨胀系数，但抗拉强度仅为680mpa；对比例6、7、8中虽然抗拉强度≥780mpa，但其0-100℃温度范围内的热膨胀系数α过高。
进一步地，在本发明一实施方式中，提供一种所述低膨胀合金盘条的制备方法，所述制备方法包括如下步骤：
按照目标化学成分进行钢水冶炼，将钢水浇铸成铸锭；其中，具体可按照目标化学成分经真空熔炼炉进行钢水真空冶炼；
将铸锭进行电渣重熔，使重熔锭中s≤0.002％，p≤0.002％，o≤0.0015％，n≤0.0015％。
这样，本发明一实施方式的制备方法，化学成分在《yb/t5241-2005低膨胀铁镍、铁镍钴合金》标准中规定的典型4j36低膨胀合金基础上，适量增加c、mo、w、nb元素，并通过电渣重熔严格控制s、p、o、n含量，制得的低膨胀合金盘条的抗拉强度≥780mpa，同时0-100℃温度范围内的热膨胀系数α≤2.0×10-6/℃，这样，能够满足后续冷镦、拉丝领域对高强度低膨胀合金盘条的性能要求，在进一步深加工为钢丝的过程中免除了现有的热处理工序，具有工艺流程简单、合金成本低的优势。
进一步地，所述制备方法还包括步骤：将重熔锭进行高温锻造，加工成钢坯，其中，所述钢坯优选为截面尺寸为120×120mm-150×150mm的方坯，进一步优选为140×140mm的方坯，当然不限于此。
进一步地，所述制备方法还包括步骤：所述钢坯经表面修磨后热轧成盘条，其中，在热轧过程中，轧制温度为950℃-1000℃，吐丝温度为900-920℃，最高轧制速度为49-98m/s。通过控制轧制温度、吐丝温度和最高轧制速度，可以进一步提高制得的盘条的力学性能。
进一步地，所述制备方法还包括步骤：盘条在斯太尔摩冷却线上进行冷却，斯太尔摩冷却线的辊道速度为0.6-1.0m/s，全部保温罩打开，全部风机开启且风量为100％。
与现有技术相比，本发明一实施方式的有益效果在于：在《yb/t5241-2005低膨胀铁镍、铁镍钴合金》标准中规定的典型4j36低膨胀合金基础上，适量增加c、mo、w、nb元素，并通过电渣重熔严格控制s、p、o、n含量，制得的低膨胀合金盘条的抗拉强度≥780mpa，同时0-100℃温度范围内的热膨胀系数α≤2.0×10-6/℃，这样，能够满足后续冷镦、拉丝领域对高强度低膨胀合金盘条的性能要求，在进一步深加工为钢丝的过程中免除了现有的热处理工序，具有工艺流程简单、合金成本低的优势。