一种具有优良焊接性能的FeNi殷瓦合金的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于低膨胀合金领域，主要涉及一种焊接性能优良的殷瓦合金，具体地说， 涉及一种新型的抗焊接热裂纹的低膨胀殷瓦合金。
【背景技术】
[0002] 殷瓦合金是由法国人Guillaume于1893年发明的，其主要成分是Ni含量为36% 的Fe-Ni合金，该合金的膨胀系数非常低，其20~100°C膨胀系数为彡1. 5X10-6/°C，由于 合金具有极低的膨胀系数，该合金被命名为INVAR合金。由于殷瓦合金具有低膨胀系数的 特点，该合金首先在电子、仪表领域得到广泛应用。近年来，殷瓦合金在大型高精度刻录机、 碳纤维结构件模具、低温容器等领域有了新的应用需求，与电子、仪表领域应用相比，这些 应用领域往往是大型组件，需要焊接，但经典的殷瓦合金焊接性能较差，存在热裂倾向。
[0003] 表1相关典型钢种的化学成分（wt % )
[0005] 表2相关典型钢种的性能
[0007] 由表1和表2可见，现有技术中的典型殷瓦合金具有优良的低膨胀性能，但 对焊接性能都没有提出要求，在实际使用过程中，典型成分殷瓦合金在焊接大型组件 时容易产生焊接热裂纹以及二次加热热裂纹，焊接裂纹发生在焊接熔合线区以及热影 响区，尤其是，在第二道焊接时，热应力将导致热影响区发生微裂纹。T.0gawas([J]. Weld，1986, 65(8) :213S~226S.)对此进行了深入研究，通过焊接工艺改进和采用抗热裂 焊丝，可改善合金的热裂纹倾向，但当要求高的生产效率时，高热量焊接方法必须被采用， 这时合金的热裂纹倾向很难避免。因此，从本质上改善合金的焊接性能十分必要。公开号 为JP11061341A名为"焊接性能优异的铁镍殷瓦合金〃的日本专利，其成分特征为：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种Ca彡0· 010 %、Mg彡0· 010 %、 Ti 彡 0· 10、Zr 彡 0· 20%，基体为 Fe，（S+1/50+1/2P)彡 0· 0045 和（Ca+2Mg+l. 5Ti+0. 8Zr)/ (S+20)彡land < 0. 025 %，优选地< 0. 019 %。该专利的技术思路主要为降低有害物质在晶 界的析出，以及通过添加元素，防止低熔点物质在晶界析出，从而达到改善合金焊接性能的 目的。该发明在一定条件下，对改善合金的焊接性能是有作用的，但该技术有一定局限性， 过分控制低S、P等杂质含量还会增加制造成本。倪加明等在"殷瓦薄板高速激光焊接的热 裂纹敏感性"（中国激光，April，2011，V〇1. 38, No. 4) -文中得出以下结论：以往研究认为， 凝固最后阶段合金杂质S，P偏聚而形成低熔点的液态薄膜在拉伸应力下将导致热裂纹，然 而，对接焊缝中心是树枝晶，并未发现低熔点共晶组织，热裂的主要原因是树枝晶凝固终 了阶段，液态薄膜残留，焊接残余应力将使得液态薄膜开裂。按照凝固理论，液态薄膜的最 后凝固桥接通常需要一定过冷度，如果过冷度未达到，液态薄膜将继续存在。如前所述， 殷瓦合金单相奥氏体焊缝呈现明显中心线，在焊接残余拉伸应力作用下，容易导致液态薄 膜开裂，形成热裂纹。JP11061341A发明的合金对改进焊接性能的方法主要是降低晶界低 熔点物质，但对影响合金成分度的元素碳未作控制要求，合金的成分过冷度方面并未改进， 这表明，该发明对改善焊接热裂有作用，但不能在根本上解决问题。
【发明内容】
[0008] 本发明的目的在于提供一种低膨胀铁镍殷瓦合金，该合金具有完全奥氏体组织， 即从初始凝固至_196°C均为稳定的奥氏体组织。该合金具有良好的焊接性能、低膨胀特性 以及良好的机械性能。能够满足大型高精度刻录机、碳纤维结构件模具、低温容器等领域使 用环境。该合金尤其在抗焊接热裂纹方面性能优异。
[0009] 为了实现上述目的，本发明的技术方案如下：
[0010] -种具有优良焊接性能的FeNi殷瓦合金，所述合金的成分由以下列元素组成，以 质量百分含量计：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%，余量为 Fe 和不可避免的杂质。
[0011] 以下将本发明合金成分的设计进行说明：
[0012] Ni :铁镍殷瓦合金中的基体元素，铁镍殷瓦合金在含镍量36%左右范围，膨胀系 数最低，偏离一定范围，合金的膨胀系数以很陡峭的斜率上升，将合金的镍含量控制在一定 范围，可以确保合金具有低膨胀特性。镍还具有很好的相稳定性作用，镍含量偏低时，在超 低温下可能会形成马氏体相，一旦发生马氏体相变，殷瓦合金的膨胀系数会出现急剧升高， 力学性能也会发生急剧变化。Ni还是改善合金低温力学性能的主要元素。
[0013] 为了达到本发明的技术效果将Ni控制在31. 0~38. 0%之间是必须的，超出此范 围，合金的膨胀系数将不能满足要求。
[0014] C :在铁镍殷瓦合金中通常以间隙原子的形式存在，当合金中存在碳化物形成元素 时，也会以碳化物形式存在，由于合金中严格控制碳化物形成元素的残留，本发明合金C主 要以间隙原子的形式存在。C能够增加铁镍殷瓦合金的固、液相温度差，也就是，增加 C含 量，固、液相线张开程度增大，溶质平衡分配系数K0减小，合金的成分过冷度增加，焊接终 了阶段液态薄膜的最后凝固桥接需要一定的过冷度，合金成分过冷度的增加，有利于焊接 终了阶段液态薄膜的快速凝固，从而避免热裂纹的产生。例如，合金中C从0. 02%增加到 0. 08%，固、液相线温度差从9°C增加到25°C，有利于合金凝固时成分过冷度的增加。
[0015] 碳还具有一定的强化作用，但是，过高的碳含量会使材料的膨胀系数升高。
[0016] 为了达到本发明的技术效果将C控制在0. 04~0. 15%之间是必须的，超出此范 围，合金的焊接性能和膨胀系数至少有一项将不能满足要求。
[0017] P :是有害的杂质元素，在焊接过程中低熔点P的化合物在最后凝固的液态薄膜区 偏聚，在热应力的作用下会导致开裂，形成热裂纹。另外，P在晶界偏聚，会导致晶界脆性增 加，在热应力作用下，形成晶界微裂纹。P控制越低越好，但过分控制低的P含量将增加制造 成本，将P控制在< 0. 008,可有效控制上述情况的发生。
[0018] S :是对焊接性能及其有害的元素，S在结晶过程中与Μη形成低熔点MnS，在焊接过 程中在最后凝固的液态薄膜区以及晶界偏聚，导致最后凝固的液态薄膜凝固速度降低，液 态薄膜较长时间保持，当存在较大拉伸应力时，产生热裂纹。MnS在晶界析出时，导致晶界脆 化，在热应力作用下产生沿晶界裂纹。S控制越低越好，但过分控制低的S含量将增加制造 成本，将S控制在< 0. 005,可有效控制上述情况的发生。
[0019] Ca :Ca在冶炼过程中是一种强脱氧剂，可有效降低冶金熔体中的氧。Ca与S结合 形成CaS，在冶炼过程中具有脱S作用，在凝固过程中Ca与S首先结合形成CaS，阻止了低 熔点MnS的形成，可有效提高合金的焊接性能。当合金中Ca < 0. 001 %时，将不能阻止低熔 点MnS的形成，当合金中Ca > 0. 015%时，将降低合金热塑性，不利于合金成形加工，因此， 发明合金将Ca控制在0. 001-0. 015%。
[0020] Si :是有效的脱氧剂，但Si会增大膨胀系数，最好是越低越好，该元素冶炼过程中 常有残留，因此，适当选择其含量很重要。将Si控制在0. 1~0. 5%范围。
[0021] Μη:对热加工性能的提高有利，但对膨胀系数不利，应越低越好，该元素冶炼过程 中常有残留，将其规定为〇. 1~0.5%。
[0022] Co :与Ni有相似作用，适量加入有利于降低合金膨胀系数。但Co的价格较高，将 Co成分范围控制在< 4.0。
[0023] -种制备本发明所述的FeNi殷瓦合金的方法，包括如下步骤：冶炼、锻造、热轧、 冷轧、热处理。
[0024] 作为优选方案，所述冶炼的方式为真空感应炉冶炼或电弧炉加炉外精炼的方式精 炼，所述冶炼或精炼的温度均为1560~1620°C。
[0025] 作为优选方案，所述锻造的温度为1100~1250°C。
[0026] 作为优选方案，所述热轧的温度为1050~1200°C。
[0027] 作为优选方案，所述冷轧的工艺参数为：压下率40~95%。
[0028] 作为优选方案，所述热处理的温度为800~1200°C。
[0029] 本发明在成分设计上的主要思路是提高合金的成分过冷度，以及降低杂质S，P偏 聚而形成低熔点物质，这样使材料既有抵抗因杂质S，P偏聚而形成低熔点的液态薄膜在拉 伸应力下导致热裂纹的能力，又由于材料具有高成分过冷度，使焊接末期液态薄膜快速凝 固，从而提高合金的抗焊接热裂能力。与此同时，在成分设计时，还要将合金成分控制在一 定范围，确保合金具有优良的低膨胀性能。
[0030] 本发明设计的铁镍殷瓦合金，具有膨胀系数小，低温力学性能优良等特点，特别是 合金具有抗焊接热裂纹的特点。适用于制造需要焊接加工的零部件，特别适用于制作低温 低膨胀部件
[0031] 与相关典型钢种相比，本发明的主要特点是添加碳，以增加合金固液相线的开口 度，增加结晶过程中的成分过冷度，使合金在焊接凝固末端液膜快速凝固，液膜迅速变薄， 直至消失，从而避免应张应力导致的液膜开裂现象发生，阻止焊接热裂纹的产生。
[0032] 与现有合金相比，本发明具有以下有益效果：
[0033] 为了改善合金的焊接性能，在Fe_Ni36合金基础上进行了成分调整，通过增加碳 含量，使固液相线温度区间增加，增加了成分过冷度，有利于合金焊接凝固最后阶段液态薄 膜凝固，从而避免焊接应力导致的热裂产生。另一方面，通过控制硫、磷含量，以及钙微量添 加，减少了焊接凝固最后阶段液态薄膜中和晶界低熔点杂质，避免了焊接热裂的产生。发明 合金改善了合金的焊接性能，适用于制作大型焊接构件。
【附图说明】
[0034] 图1为本发明得到的合金的焊接热裂纹评价金相照片。
【具体实施方式】
[0035] 下面对实施例进行说明：
[0036] 实施例1
[0037] -、按照表3的元素含量进行配料，用真空感应炉冶炼，精炼温