含鎳36%的Fe-Ni合金具有很低的膨脹系數(shù),因其尺寸幾乎不隨溫度變化而被稱為因瓦合金。因瓦合金的強(qiáng)度和硬度不高,抗拉強(qiáng)度一般<500MPa。為了提高因瓦合金的強(qiáng)度,已開發(fā)出了Fe-Ni-C、Fe-Ni-Mn-C、Fe-Ni-Co等因瓦合金體系。元素添加量增加雖能提高機(jī)體合金的強(qiáng)度,但合金的膨脹性能也隨之增大。因此,通過元素調(diào)整獲得因瓦合金強(qiáng)度的同時(shí),也要兼顧低膨脹系數(shù)這一指標(biāo)。此外,該類合金只有在熱處理后才能發(fā)揮其性能優(yōu)勢(shì)。
與因瓦合金相對(duì)應(yīng)的國(guó)內(nèi)牌號(hào)為4J36合金,含35.0%~37.0%Ni,余為Fe。4J36合金具有熱膨脹系數(shù)小、良好的尺寸穩(wěn)定性和容易消磁等特點(diǎn),因而在航空航天、軍事武器、微波通訊、彩電蔭罩以及石油運(yùn)輸容器等行業(yè)中得到了廣泛應(yīng)用,成為21世紀(jì)倍受人們關(guān)注的合金之一,并在應(yīng)用中得到了不斷的發(fā)展。為此,針對(duì)國(guó)內(nèi)某特殊行業(yè)用4J36合金的成分及性能要求,通過研究成分與熱處理過程中退火溫度的選擇對(duì)合金性能的影響,為特殊工況環(huán)境用4J36合金成分及熱處理工藝的優(yōu)化提供依據(jù)。
表1 試驗(yàn)合金的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù),%)
合金
|
C
|
Si
|
Mn
|
P
|
S
|
Ni
|
Fe
|
技術(shù)條件
|
≤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
|
試驗(yàn)合金采用10kg真空感應(yīng)爐熔煉,通過添加具有梯度含量的C和Mn冶煉三爐合金,錠重5kg,成分如表1所示。將得到的鑄錠熱鍛至Φ15mm的棒料,在鍛棒上取樣制成拉伸試樣,在MTS萬能試驗(yàn)機(jī)上測(cè)試合金室溫拉伸性能。將鍛棒在850℃條件下進(jìn)行退火軟化處理后機(jī)加工成Φ4mm×25mm膨脹測(cè)試試樣和Φ4.5mm×150mm彈性模量測(cè)試試樣。熱膨脹系數(shù)測(cè)試在DP-49光學(xué)三角差示膨脹儀上進(jìn)行,彈性模量測(cè)試在DT-1彈性綜合測(cè)量?jī)x上進(jìn)行。將優(yōu)選成分的合金鍛棒在箱式電阻爐中進(jìn)行退火熱處理,退火溫度為820、880、940和1000℃,保溫時(shí)間為1h,空冷。在經(jīng)不同熱處理后的合金棒料上沿縱向截取金相試樣,用OLYMPUS GX71光學(xué)顯微鏡對(duì)試樣進(jìn)行組織觀察。測(cè)定試樣顯微硬度選用HXS-1000A型數(shù)顯顯微維氏硬度計(jì)。試驗(yàn)結(jié)果如下:
(1)4J36合金中添加C、Si、Mn總量的增加可使合金的彈性模量、強(qiáng)度和硬度增加,但會(huì)使線膨脹系數(shù)(20~100℃)顯著增大,因此通過增加C、Si、Mn含量來獲得高彈性模量、高強(qiáng)度和硬度的同時(shí),為滿足線膨脹系數(shù)的指標(biāo)要求,應(yīng)將合金中∑(C+Si+Mn)控制在0.65%以下。
(2)4J36合金鍛態(tài)及退火處理后的組織均為單一的等軸晶奧氏體,退火處理后的組織均勻性得到改善。隨退火溫度升高,奧氏體晶粒逐漸長(zhǎng)大并發(fā)生了明顯粗化,合金拉伸斷口呈現(xiàn)典型的韌性斷裂形貌。
(3)隨著退火溫度的升高,試驗(yàn)合金的抗拉強(qiáng)度和硬度明顯下降,伸長(zhǎng)率先顯著上升后略有降低。合金在820~880℃范圍進(jìn)行退火時(shí)經(jīng)歷了回復(fù)及完全再結(jié)晶,組織均勻性的明顯改善,伸長(zhǎng)率顯著提高。通過對(duì)比分析可知,4J36合金在820~850℃范圍內(nèi)進(jìn)行退火處理,具有******的綜合力學(xué)性能。