摘要：研究了熱處理溫度和保溫時間對4J42冷軋板組織及性能的影響規(guī)律,旨在為工業(yè)生產(chǎn)中合理制定Fe242%Ni(4J42)合金冷軋板的熱軋工藝提供實驗依據(jù)。結果表明,隨著熱處理溫度的升高和保溫時間的延長,4J42冷軋板晶粒長大,且晶內(nèi)孿晶現(xiàn)象越來越明顯;在1050℃保溫6min,樣品出現(xiàn)過燒現(xiàn)象。綜合金相檢驗、力學性能測定和現(xiàn)場技術要求,熱處理溫度為975℃、保溫時間為3～4min時最適合4J42合金退火后續(xù)的軋制生產(chǎn)。

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關鍵詞：Fe242%Ni(4J42)熱處理組織力學性能

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0引言

4J42合金屬于精密合金中的膨脹合金,含鎳量約為42%,其余主要為鐵,具有穩(wěn)定的低膨脹系數(shù)(常溫下平均膨脹系數(shù)為1.6×10-6/℃),在航空航天、精密儀器、電子行業(yè)有著廣泛的應用,其主要用途為生產(chǎn)杜美絲(Dumetwire)芯材。杜美絲自1913年問世以來一直是與鉑組玻璃進行封接的綜合性能最佳的專用金屬材料,廣泛應用于電光源、電子管及半導體器件等行業(yè),目前還沒有其它材料可以取代這種傳統(tǒng)的真空封接材料。雖然4J42市場需求巨大,但是國內(nèi)大部分廠家的產(chǎn)品質(zhì)量波動較大,使其在后續(xù)加工中出現(xiàn)塑性差、成材率低、覆銅后效果不理想等缺陷,從而導致國內(nèi)杜美絲的高端市場長期被國外廠家占領。退火處理是4J42生產(chǎn)過程中的一個重要工藝環(huán)節(jié),在很大程度上會對最終產(chǎn)品的質(zhì)量造成影響。但是目前尚無對4J42冷軋板退火處理工藝的系統(tǒng)研究,這直接影響了該產(chǎn)品退火工藝的科學性和合理性。本實驗系統(tǒng)研究了熱處理溫度和保溫時間對4J42冷軋板組織及性能的影響規(guī)律,旨在為工業(yè)生產(chǎn)中合理制定4J42合金冷軋板的熱軋工藝提供實驗依據(jù)。

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1實驗

1.1實驗材料

選用材料為工業(yè)生產(chǎn)的4J42冷軋板,板厚為2mm,其成分見表1(質(zhì)量分數(shù))。

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1.2實驗方法

熱處理溫度選擇900℃、975℃、1050℃,保溫時間選擇3min、4min、5min、6min。采用線切割方法切取金相試樣及室溫拉伸試樣,金相試樣為半徑10mm的圓試樣,拉伸試樣尺寸見圖1,每組工藝參數(shù)切取3片拉伸試樣,以保證檢測結果的可靠性。

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熱處理實驗在SX2-5-12箱式電阻爐中完成,對得到的金相試樣打磨、拋光后用4gCuSO4+20mL鹽酸+12mL硫酸+25mL水的混合溶液對其表面進行腐蝕,之后用尼康LV150型正立式金相顯微鏡對樣品的金相組織進行觀察并拍照。采用電子萬能試驗機CMT5305進行試樣的拉伸實驗。采用HBRVU2187.5型布洛維光學硬度計(載荷為980N)測試硬度,每個試樣測試5個點,然后求其平均值。加載持續(xù)時間為20s,壓頭類型為洛氏,淬火鋼球直徑為1.588mm。

2結果與討論

2.1組織觀察

圖2-圖5是經(jīng)不同工藝熱處理后的金相組織照片。由鐵鎳合金相圖可知,4J42合金為單相的奧氏體組織,不存在相變過程。

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從圖2可以看到,未經(jīng)熱處理的試樣內(nèi)部均為典型的軋制組織。從圖3(a)可以看到,經(jīng)900℃、3min的熱處理后,試樣內(nèi)部已經(jīng)全部為等軸晶,說明此時再結晶過程已完成。

從圖3-圖5還可以看到,在相同的熱處理溫度下,隨著保溫時間的延長,晶粒尺寸呈增大的趨勢;在相同的保溫時間下,隨著熱處理溫度的升高,晶粒尺寸同樣呈增大的趨勢。在所有經(jīng)熱處理試樣的金相照片中均能看到孿晶組織,隨著熱處理溫度的升高和時間的延長,孿晶組織所占的比例越來越大,且有部分晶粒內(nèi)的孿晶出現(xiàn)貫穿整個晶粒的現(xiàn)象。1050℃處理6min的試樣晶界不再清晰,分析原因,應該是由于熱處理溫度過高,產(chǎn)生過燒,奧氏體晶界發(fā)生晶界弱化所致,在實際工業(yè)生產(chǎn)中這種現(xiàn)象是一定要杜絕的。

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3.2熱處理工藝對力學性能的影響

在實際工業(yè)生產(chǎn)中,板帶的力學性能對現(xiàn)場軋制起著至關重要的作用。為此,考察了不同熱處理溫度、不同保溫時間獲得樣品的力學性能,拉伸實驗每組參數(shù)取3個試樣進行測試,并剔除拉伸過程中出現(xiàn)異常斷裂試樣的數(shù)據(jù),硬度實驗中每個試樣進行5～10次打點測試,然后取合理數(shù)據(jù)的平均值。圖6-圖8為不同熱處理溫度時抗拉強度、延伸率及硬度隨保溫時間變化的曲線。

未經(jīng)熱處理的冷帶4J42合金的原始抗拉強度為758.9MPa,延伸率為9.3%,洛氏硬度為98.2。由于其抗拉強度及硬度過高、延伸率過低,故要對其進行退火熱處理以便后續(xù)的軋制。從圖6-圖8可以看出,經(jīng)熱處理后,4J42合金的抗拉強度、延伸率及硬度值均發(fā)生了明顯變化,抗拉強度和硬度值明顯下降,而延伸率明顯增大。

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從圖6可以看到,在不同熱處理溫度及保溫時間時,隨著熱處理溫度的升高及保溫時間的延長,4J42合金的抗拉強度均呈下降趨勢。當熱處理溫度為900℃時,隨著保溫時間的延長,抗拉強度先明顯下降,至保溫時間為5min時,再延長保溫時間,抗拉強度不再發(fā)生變化;當熱處理溫度為1050℃時,抗拉強度的變化規(guī)律與900℃時基本相同;而當熱處理溫度為975℃時,隨著保溫時間的延長,4J42合金的抗拉強度一直呈下降趨勢,且當保溫時間延長至6min時,抗拉強度的下降速率變大。

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從圖7可以看到,當熱處理溫度為900℃、保溫時間為3min和4min時,4J42合金的延伸率變化不大,但當保溫時間超過4min以后,延伸率明顯增大,從4min時的39.0%上升到5min時的40.1%,最后到6min時的41.0%,上升幅度達5.1%。同時從圖7還可以看到,在不同保溫時間下,熱處理溫度為975℃時4J42合金的延伸率均要高于熱處理溫度為1050℃的延伸率,表明熱處理溫度從900℃升高到1050℃,4J42合金的延伸率先增大后減小。

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從圖8可以看到,當熱處理溫度為900℃時,隨著熱處理時間的延長,4J42合金的硬度值呈下降趨勢,但變化不大,從3min時的78.3降低為6min時的76.4,下降幅度為2.4%;當熱處理溫度為975℃時,樣品的硬度也基本呈下降趨勢,但中間有小的波動,從3min時的76.4降低為6min時的73.1,下降幅度為4.3%;當熱處理溫度為1050℃時,隨著保溫時間的延長,4J42合金的硬度先降低,到保溫時間為4min時最小而后又升高,當保溫時間為5min時,再延長保溫時間,硬度值變化不大。結合之前的金相組織分析,當熱處理溫度為1050℃時,晶粒尺寸明顯增加,晶內(nèi)孿晶組分增多,并有較多的孿晶貫穿整個晶粒,至保溫時間為6min時又出現(xiàn)過燒現(xiàn)象,這些應該是導致硬度出現(xiàn)此規(guī)律的原因,表明該熱處理溫度過高,不再適合現(xiàn)場軋制。

鑒于現(xiàn)場軋制要求退火后4J42合金的抗拉強度控制在約490MPa,硬度值在76以下,綜合本實驗結果發(fā)現(xiàn),熱處理溫度為975℃、保溫時間為3～4min時最適合退火后續(xù)的軋制生產(chǎn)。

3結論

(1)?熱處理溫度為900℃、975℃、1050℃,保溫時間為3min、4min、5min、6min時,4J42合金的抗拉強度隨熱處理溫度的升高和保溫時間的延長而呈下降趨勢。

(2)?隨著熱處理溫度的升高,4J42合金的延伸率先增大后減小;當熱處理溫度為900℃、保溫時間超過4min時,4J42合金的延伸率開始明顯增大,從4min時的39.0%上升到5min時的40.1%,最后到6min時的41.0%,上升幅度達5.1%。

(3)?當熱處理溫度為900℃和975℃時,隨著熱處理時間的延長,4J42合金的硬度值呈下降趨勢。當熱處理溫度為1050℃時,隨著保溫時間的延長,4J42合金的硬度先降低,到保溫時間為4min時又升高,再延長保溫時間,硬度值變化不大。這主要是由于熱處理溫度過高,隨著保溫時間的延長,樣品出現(xiàn)了過燒現(xiàn)象。

(4)?結合現(xiàn)場技術要求,熱處理溫度為975℃、保溫時間為3～4min時最適合退火后續(xù)的軋制生產(chǎn)。