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Invar36因瓦合金4J36殷鋼電纜芯的研制
發(fā)布人：上海艾荔艾金屬材料有限公司bt990.com.cn
更新時(shí)間：2015-06-30
Invar36因瓦合金、4J36殷鋼、Fe-Ni36、W. Nr.1.3912、Ni36、X1NiCrMoCu、N 25-20-7、UNSK93600、UNSK93601
?????? 殷鋼是很經(jīng)典的金屬材料之一，它的基本化學(xué)組成是36%Ni和64%Fe。本文研究的目的是將殷鋼合金絲的強(qiáng)度提高到1300MPa以上（包鋁后強(qiáng)度為1080MPa以上），進(jìn)而絞合成導(dǎo)線，應(yīng)用于電力工程，用它代替普通鋼芯導(dǎo)線。殷鋼電纜芯具有低膨脹和高強(qiáng)度的雙重特性，使用殷鋼電纜，既可以避免普通鋼芯導(dǎo)線因溫度升高膨脹帶來的輸電線變長現(xiàn)象，又能滿足原有線路對導(dǎo)線張力和鐵塔結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的要求，架線不用改變原有鐵塔等基礎(chǔ)設(shè)施，可以大幅度降低工程成本，經(jīng)濟(jì)效益潛力巨大。
????殷鋼電纜芯的特點(diǎn)及技術(shù)要求
????1）抗拉強(qiáng)度不小于1080MPa。作為電纜的承重結(jié)構(gòu)單元，鋁包殷鋼線的抗拉強(qiáng)度是最基本的要求，該指標(biāo)需要通過相應(yīng)的強(qiáng)化手段來實(shí)現(xiàn)。
????2）電導(dǎo)率不低于13.8%IACS（國際退火銅標(biāo)準(zhǔn)單位）。導(dǎo)電是電纜的基本功能，殷鋼電纜芯由61%IACS的鋁和2%IACS的殷鋼組成時(shí)，一根殷鋼電纜的最低包鋁厚度所占截面積不能低于電
????纜截面的20%。
????研制的主要內(nèi)容
????工藝流程。強(qiáng)度是衡量材料抵抗變形的能力的技術(shù)指標(biāo)，通過工藝途徑，提高材料強(qiáng)度是金屬材料領(lǐng)域重要研究課題。目前，提高合金的強(qiáng)度主要采取固溶強(qiáng)化、沉淀強(qiáng)化、細(xì)晶強(qiáng)化和形變強(qiáng)化等措施。本文在提高殷鋼強(qiáng)度方面主要采用沉淀強(qiáng)化和形變強(qiáng)化2種措施。
????1）沉淀強(qiáng)化。該措施是很多材料中廣泛應(yīng)用的強(qiáng)化途徑，碳化物具有硬脆特性，析出沉淀的碳化物成為第二相強(qiáng)化質(zhì)點(diǎn)，能夠阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)而起到強(qiáng)化作用。
????2）形變強(qiáng)化。通過冷加工達(dá)到強(qiáng)化目的也是最常用的強(qiáng)化手段，在一定壓縮率范圍內(nèi)，冷加工使得合金的內(nèi)部組織改變，造成了晶粒中位錯(cuò)密度的增加，位錯(cuò)移動(dòng)更加困難，因而合金形變遇到的抗力也就隨之而增大，達(dá)到提高合金絲強(qiáng)度的目的。
????成分控制。普通殷鋼的化學(xué)成分主要為Fe64Ni36，不添加其他成分。其主要化學(xué)成分（%）為C≤0.05；Si≤0.3；Mn≤0.60；P≤0.02；S≤0.02；Ni：35—37。
????但是該成分的合金強(qiáng)度較低，通過冷加工后的強(qiáng)度也低于900MPa，遠(yuǎn)低于產(chǎn)品的要求，需要在成分組成中添加碳元素作為強(qiáng)化元素。按照金屬材料強(qiáng)化理論，在奧氏體的Fe—Ni合金中，在鎳原子周圍的鐵原子和碳原子形成類似滲碳體Fe3C的配位原子組態(tài)，使合金的硬度增大，在塑性變形過程中更有效的產(chǎn)生加工硬化。雖然游離的碳可改變合金的晶格常數(shù)，對膨脹系數(shù)帶來不利影響，在合金中加入微量的鈮（含量小于0.3%）形成富鈮的顆粒，可固定游離的碳，從而降低合金的膨脹系數(shù)，這種顆粒彌散分布在晶界與晶內(nèi)，也有利于合金強(qiáng)度的提高。
????通過添加上述合金成分，就能在后續(xù)的生產(chǎn)加工過程中形成碳化物和析出相，為合金的強(qiáng)化奠定基礎(chǔ)。
????冶煉過程的任務(wù)主要有控制組成元素的含量、有害元素的含量、氣體的含量及控制夾雜物水平，且要促進(jìn)鋼水成分的均勻，本文研制時(shí)采用“三相電渣+電渣重熔”雙電渣法冶煉。三相有襯電渣爐冶煉時(shí)，雙聯(lián)工藝冶煉的鋼錠表面光滑，圓鋼錠直徑約為φ150mm，無須鍛造加工就可以直接加熱軋制。
????熱軋工藝。為了驗(yàn)證加入碳元素后的殷鋼基體組織，本文選用了X射線衍射分析殷鋼樣品，試驗(yàn)選用鈷靶，采用旋轉(zhuǎn)衍射和平面衍射兩種方式，確定該Fe—Ni合金的組織為奧氏體組織。
????加熱制度。設(shè)計(jì)加熱制度，要研究相關(guān)殷鋼樣品高溫時(shí)的性能，殷鋼加工性能隨溫度變化較大。殷鋼的塑性與溫度關(guān)系曲線呈波浪形。具體如下：
????1）在800℃左右時(shí)，熱加工性能最差，是塑性指標(biāo)的最差點(diǎn)。因此，殷鋼在800℃附近的升溫速度應(yīng)緩慢，以使其均勻加熱，升溫速度控制在15℃／min。
????2）在800—1100℃時(shí)，隨著溫度的提高，塑性急劇上升，升溫速度控制在30℃／min。
????3）在超過1150℃之后，塑性指標(biāo)的增加已不太明顯，為了減少高溫氧化，保溫溫度應(yīng)為1150℃左右，不宜太高。
????由于合金的導(dǎo)熱系數(shù)低，應(yīng)采用較長的加熱時(shí)間，鋼錠的加熱時(shí)間為2.0—2.5h，保證鋼錠的內(nèi)外溫度一致性。
????變形制度。延伸系數(shù)的分配遵循先大后小的基本原則。在粗軋道次的延伸較高，有利于隨后的熱加工過程；在后續(xù)軋制中，中軋機(jī)組仍處于高溫階段，塑性好，變形抗力小，延伸系數(shù)應(yīng)稍大于平均延伸系數(shù)；在精軋道次的延伸系數(shù)應(yīng)小于平均延伸系數(shù)，呈逐步遞減的趨勢。
????根據(jù)設(shè)備的能力與工藝條件，采用“以軋代鍛”方式，在三輥軋機(jī)將冶煉鋼錠開坯，再在高速線材軋機(jī)上軋制出盤條。雖然變形道次多，壓縮比大，過程中的應(yīng)力和應(yīng)變不均勻，工藝過程和參數(shù)復(fù)雜，但尺寸公差小、表面質(zhì)量好、產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定及生產(chǎn)效率高。
????拉拔工藝。從盤條到成品絲的變形，為了獲得較好的絲織構(gòu)，總壓縮率超過了85%，中間還需要進(jìn)行包鋁，而包鋁對鋼絲表面的光潔度要求高，不能直接在盤條上包鋁，需借助拔絲工藝將盤條拉拔出鋼絲后將表面光潔度提高再包鋁，然后再拉拔成品。因此，需要分配2次變形，將盤條粗拔至半成品后進(jìn)行時(shí)效處理，并不會降低鋼絲的強(qiáng)度，而使斷后延伸率提高到8%以上，改善后續(xù)拉拔條件。
????拉拔前要進(jìn)行固溶處理，隨著固溶溫度的升高，合金的晶粒會逐漸長大，強(qiáng)度也是隨著退火溫度的升高而下降。試驗(yàn)表明，840℃固溶處理時(shí)，合金的顯微組織晶粒分布比較均勻，有利于下一步冷加工。
????粗拔工藝?，F(xiàn)為φ8.7mm規(guī)格盤條，按照后續(xù)生產(chǎn)條件設(shè)計(jì)，應(yīng)該拉拔至5.0mm的半成品?？梢缘贸隹傃由煜禂?shù)μ為3.0276，一般平均道次壓縮率為28%左右，即延伸系數(shù)為1.4左右，那么道次數(shù)N為：
????N=[ln3.0276/ln1.4]=3
????從盤條至半成品分配的三道拉拔工序?yàn)椋害?.7mm—φ7.2mm—φ5.8mm—φ5.0mm
????拉伸強(qiáng)度隨著壓縮率的增加而升高。????因此，粗拔過程的壓縮率控制在67%左右，通過以上圖表計(jì)算或?qū)崪y強(qiáng)度為1060MPa左右，可滿足后續(xù)進(jìn)料的強(qiáng)度要求（不小于1050MPa）。
????時(shí)效處理。由于冷拔變形后，在殷鋼的基體上會顯著提高位錯(cuò)密度，為析出提供有利的位置，從而促進(jìn)了時(shí)效過程的順利進(jìn)行，本文選擇了粗拔冷變形后再進(jìn)行時(shí)效的工藝。
????在時(shí)效溫度為550℃，時(shí)效時(shí)間3h左右時(shí)殷鋼中析出物碳化鈮的分布較濃密，形成的組織見圖3。
????時(shí)效主要起到以下兩個(gè)作用：碳化物析出后，能提高后續(xù)冷加工過程的硬化率；提高材料的塑性，有利于進(jìn)一步拉拔。
????時(shí)效后的殷鋼需要包鋁，采用CONFROM連續(xù)擠壓法，該方法是英國原子能局斯普林菲爾德研究所發(fā)明的，生產(chǎn)鋁包殷鋼絲的核心設(shè)備是連續(xù)擠壓包覆機(jī)。
????鋁包殷鋼絲的拉拔。鋁包鋼絲屬于雙金
????屬復(fù)合材料，帶有較厚的包覆鋁層，芯線為高強(qiáng)度殷鋼線，外層與芯部的2種金屬強(qiáng)度的差別達(dá)到了5倍以上，因而，普通的拉拔生產(chǎn)難以進(jìn)行。為保證較軟的鋁層和較硬的殷鋼芯能同時(shí)等比例拉伸，必須要有同步變形的工藝采用組合壓力模具及專用的拉絲粉進(jìn)行拉拔拉絲粉既阻止了鋁層拉拔時(shí)往后移動(dòng)，又保證了拉拔時(shí)鋁包鋼線坯整體同步向前延伸，即實(shí)現(xiàn)了鋁／鋼的同步。
????與粗拔的過程類似，通過多次的拉拔試驗(yàn)測試強(qiáng)度數(shù)據(jù)或者繪制強(qiáng)度曲線，得出強(qiáng)度和壓縮率的擬合公式為：
????σ=-0.0499δ2+6.4504δ+893.45
????式中：δ為壓縮率
????細(xì)拔過程的壓縮率在65%左右，實(shí)際測試強(qiáng)度為1100MPa，符合成品標(biāo)準(zhǔn)。通過總延伸系數(shù)和平均延伸系數(shù)的相互關(guān)系計(jì)算，將鋁包鋼的拔絲工藝配模設(shè)計(jì)為五道，∮5.6mm（半成品）—∮5.2mm—∮4.5mm—∮4.0mm—∮3.56mm—∮3.2mm（成品）。
????最后，采用能退扭的行星式絞線機(jī)來絞制成殷鋼電纜芯，盤卷狀態(tài)交貨。
????綜上所述，各項(xiàng)應(yīng)用測試通過了權(quán)威機(jī)構(gòu)的檢測，如絞線疲勞特性試驗(yàn)、單線高溫軟化試驗(yàn)、應(yīng)力應(yīng)變曲線試驗(yàn)、載流量試驗(yàn)、高溫拉斷力試驗(yàn)、膨脹系數(shù)試驗(yàn)、長期耐熱性試驗(yàn)及弧垂特性試驗(yàn)，完全達(dá)到了電纜芯的標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品的性能指標(biāo)達(dá)到了用戶的驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)，形成了批量供貨能力。強(qiáng)度、扭轉(zhuǎn)數(shù)據(jù)、導(dǎo)電率外形尺寸、表面質(zhì)量、伸長率、纏繞性能等全部合格。
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