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Invar36因瓦合金4J36殷鋼電纜芯的研制
發布人：上海艾荔艾金屬材料有限公司www.jshcn.cn
更新時間：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
?????? 殷鋼是很經典的金屬材料之一，它的基本化學組成是36%Ni和64%Fe。本文研究的目的是將殷鋼合金絲的強度提高到1300MPa以上（包鋁后強度為1080MPa以上），進而絞合成導線，應用于電力工程，用它代替普通鋼芯導線。殷鋼電纜芯具有低膨脹和高強度的雙重特性，使用殷鋼電纜，既可以避免普通鋼芯導線因溫度升高膨脹帶來的輸電線變長現象，又能滿足原有線路對導線張力和鐵塔結構強度的要求，架線不用改變原有鐵塔等基礎設施，可以大幅度降低工程成本，經濟效益潛力巨大。
????殷鋼電纜芯的特點及技術要求
????1）抗拉強度不小于1080MPa。作為電纜的承重結構單元，鋁包殷鋼線的抗拉強度是最基本的要求，該指標需要通過相應的強化手段來實現。
????2）電導率不低于13.8%IACS（國際退火銅標準單位）。導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，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%。
????研制的主要內容
????工藝流程。強度是衡量材料抵抗變形的能力的技術指標，通過工藝途徑，提高材料強度是金屬材料領域重要研究課題。目前，提高合金的強度主要采取固溶強化、沉淀強化、細晶強化和形變強化等措施。本文在提高殷鋼強度方面主要采用沉淀強化和形變強化2種措施。
????1）沉淀強化。該措施是很多材料中廣泛應用的強化途徑，碳化物具有硬脆特性，析出沉淀的碳化物成為第二相強化質點，能夠阻礙位錯運動而起到強化作用。
????2）形變強化。通過冷加工達到強化目的也是最常用的強化手段，在一定壓縮率范圍內，冷加工使得合金的內部組織改變，造成了晶粒中位錯密度的增加，位錯移動更加困難，因而合金形變遇到的抗力也就隨之而增大，達到提高合金絲強度的目的。
????成分控制。普通殷鋼的化學成分主要為Fe64Ni36，不添加其他成分。其主要化學成分（%）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度較低，通過冷加工后的強度也低于900MPa，遠低于產品的要求，需要在成分組成中添加碳元素作為強化元素。按照金屬材料強化理論，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，使合金的硬度增大，在塑性變形過程中更有效的產生加工硬化。雖然游離的碳可改變合金的晶格常數，對膨脹系數帶來不利影響，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，這種顆粒彌散分布在晶界與晶內，也有利于合金強度的提高。
????通過添加上述合金成分，就能在后續的生產加工過程中形成碳化物和析出相，為合金的強化奠定基礎。
????冶煉過程的任務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，且要促進鋼水成分的均勻，本文研制時采用“三相電渣+電渣重熔”雙電渣法冶煉。三相有襯電渣爐冶煉時，雙聯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，試驗選用鈷靶，采用旋轉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。設計加熱制度，要研究相關殷鋼樣品高溫時的性能，殷鋼加工性能隨溫度變化較大。殷鋼的塑性與溫度關系曲線呈波浪形。具體如下：
????1）在800℃左右時，熱加工性能最差，是塑性指標的最差點。因此，殷鋼在800℃附近的升溫速度應緩慢，以使其均勻加熱，升溫速度控制在15℃／min。
????2）在800—1100℃時，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，塑性指標的增加已不太明顯，為了減少高溫氧化，保溫溫度應為1150℃左右，不宜太高。
????由于合金的導熱系數低，應采用較長的加熱時間，鋼錠的加熱時間為2.0—2.5h，保證鋼錠的內外溫度一致性。
????變形制度。延伸系數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；在后續軋制中，中軋機組仍處于高溫階段，塑性好，變形抗力小，延伸系數應稍大于平均延伸系數；在精軋道次的延伸系數應小于平均延伸系數，呈逐步遞減的趨勢。
????根據設備的能力與工藝條件，采用“以軋代鍛”方式，在三輥軋機將冶煉鋼錠開坯，再在高速線材軋機上軋制出盤條。雖然變形道次多，壓縮比大，過程中的應力和應變不均勻，工藝過程和參數復雜，但尺寸公差小、表面質量好、產品質量穩定及生產效率高。
????拉拔工藝。從盤條到成品絲的變形，為了獲得較好的絲織構，總壓縮率超過了85%，中間還需要進行包鋁，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行時效處理，并不會降低鋼絲的強度，而使斷后延伸率提高到8%以上，改善后續拉拔條件。
????拉拔前要進行固溶處理，隨著固溶溫度的升高，合金的晶粒會逐漸長大，強度也是隨著退火溫度的升高而下降。試驗表明，840℃固溶處理時，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。現為φ8.7mm規格盤條，按照后續生產條件設計，應該拉拔至5.0mm的半成品。可以得出總延伸系數μ為3.0276，一般平均道次壓縮率為28%左右，即延伸系數為1.4左右，那么道次數N為：
????N=[ln3.0276/ln1.4]=3
????從盤條至半成品分配的三道拉拔工序為：φ8.7mm—φ7.2mm—φ5.8mm—φ5.0mm
????拉伸強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，通過以上圖表計算或實測強度為1060MPa左右，可滿足后續進料的強度要求（不小于1050MPa）。
????時效處理。由于冷拔變形后，在殷鋼的基體上會顯著提高位錯密度，為析出提供有利的位置，從而促進了時效過程的順利進行，本文選擇了粗拔冷變形后再進行時效的工藝。
????在時效溫度為550℃，時效時間3h左右時殷鋼中析出物碳化鈮的分布較濃密，形成的組織見圖3。
????時效主要起到以下兩個作用：碳化物析出后，能提高后續冷加工過程的硬化率；提高材料的塑性，有利于進一步拉拔。
????時效后的殷鋼需要包鋁，采用CONFROM連續擠壓法，該方法是英國原子能局斯普林菲爾德研究所發明的，生產鋁包殷鋼絲的核心設備是連續擠壓包覆機。
????鋁包殷鋼絲的拉拔。鋁包鋼絲屬于雙金
????屬復合材料，帶有較厚的包覆鋁層，芯線為高強度殷鋼線，外層與芯部的2種金屬強度的差別達到了5倍以上，因而，普通的拉拔生產難以進行。為保證較軟的鋁層和較硬的殷鋼芯能同時等比例拉伸，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行拉拔拉絲粉既阻止了鋁層拉拔時往后移動，又保證了拉拔時鋁包鋼線坯整體同步向前延伸，即實現了鋁／鋼的同步。
????與粗拔的過程類似，通過多次的拉拔試驗測試強度數據或者繪制強度曲線，得出強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
????細拔過程的壓縮率在65%左右，實際測試強度為1100MPa，符合成品標準。通過總延伸系數和平均延伸系數的相互關系計算，將鋁包鋼的拔絲工藝配模設計為五道，∮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來絞制成殷鋼電纜芯，盤卷狀態交貨。
????綜上所述，各項應用測試通過了權威機構的檢測，如絞線疲勞特性試驗、單線高溫軟化試驗、應力應變曲線試驗、載流量試驗、高溫拉斷力試驗、膨脹系數試驗、長期耐熱性試驗及弧垂特性試驗，完全達到了電纜芯的標準產品的性能指標達到了用戶的驗收標準，形成了批量供貨能力。強度、扭轉數據、導電率外形尺寸、表面質量、伸長率、纏繞性能等全部合格。
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