具有高延展性和低膨胀系数的铁－镍合金

摘要

在室温和－200℃之间的温度范围内具有高延展性和膨胀系数＜5×10

说明书

本发明涉及在低温范围内具有高延展性和低膨胀系数的固溶强化 的铁-镍合金。

JP-A 60221193公开了一种以下组成的铁-镍合金(重量％)：

C    ＜0.2％

S    ＜0.006％

Ni   35-37％

Mn   1-3％

Si   ＜0.1％

Ti   0.2-0.5％

P    ＜0.02％

Fe   余量和生产条件下的杂质。

该合金可以用作Ni36合金的焊接填料。

DE-T 69125684提到一种以下组成的合金(以重量％计)：

C    0.1-0.35％

S    0-0.05％

Cr   0-2％

Ni   31-45％

Mn   0-2.5％

Si   0-1％

Al   0-0.5％

Ti   0-0.75％

Nb   0.1-4％

P    0-0.05％

Fe   余量和生产条件下的杂质。

文中描述了一种具有低膨胀系数的焊缝金属。

属于该现有技术的合金由于其化学组成的原因非强制地在低温范 围，例如室温和最低-165℃之间也可使用，因此需要对化学组成进行 相应改进。

如果用市场上常见的同类或类似的焊接填料来焊接含有36％Ni (Ni36)的铁合金，则与焊接工艺无关，该焊接连接体具有比母材金属 更低的强度。在0℃以上的温度范围内的大部分应用中，这不是根本 性缺点，因为力学性质仅起次要作用。与之相比，热膨胀系数在该铁- 镍合金情况下众所周知特别小。

本发明主题的目的是，为低温应用，尤其是在≤-165℃的范围内 的应用，提供一种合金，其除了具有较小的热膨胀系数外还具有良好 的力学性质，此外，所述合金还应是可良好焊接的。

该目的一方面通过一种在室温和-200℃之间的温度范围内具有 高延展性和膨胀系数＜5×10^-6/K的固溶强化的铁-镍合金实现，该铁- 镍合金由以下组成(重量％)：

C         0.005-0.05％

S         ＜0.02％

Cr        1-2％

Ni        35-38％

Mn        0.3-1.5％

Si        ＜0.5％

∑Mo+W    1.0-3.5％

Ti        0.2-1.0％

Nb        0.2-1.0％

P         ＜0.02％

Co        1.0-4.0％

Fe       余量和生产条件下的杂质。

该目的还通过一种在室温和-200℃之间的温度范围内具有高延 展性和膨胀系数＜5×10^-6/K的固溶强化的铁-镍合金而实现，该铁-镍 合金由以下组成(重量％)：

C    0.005-0.05％

S    ＜0.02％

Cr   1-2％

Ni   35-38％

Mn   0.3-1.5％

Si   ＜0.5％

Al   0.8-2.0％

Ti   0.2-1.0％

Nb   0.2-1.0％

P    ＜0.02％

Co   1.0-4.0％

Fe   余量和生产条件下的杂质。

根据并列权利要求1和2的本发明主题的有利改进方案分别在从 属权利要求中提及。

因此，本发明主题提供两种彼此独立的，但是在低温范围内基本 起相同作用的合金，它们的主要区别在于，第一种合金使用Mo+W(变 化方案1)，第二种合金使用Al(变化方案2)，这两种合金所使用的 其它组成保持大致相同。

根据本发明的合金优选可用作焊接填料，用于在直至-196℃以下 的低温范围使用，尤其是用于具有低热膨胀系数的铁-镍-母材金属。

特别有利的是，所述焊缝金属的低温强度值设计为高于Ni-含量 介于32和42％之间的二元铁-镍合金的低温强度值。

本发明的合金可以通过与具有低膨胀系数的基于铁-镍合金的母 材金属进行MSG焊、WIG焊或等离子焊而引进机械连接 (Wirkverbindung)。

本发明的合金一种特别的应用情况是在管线构建领域，尤其是在 经受≤-160℃的低温的管线领域。这尤其涉及输送液化气的管线。

变化方案1特别有利的组成如下所示：

C         0.01-0.04％

S         ＜0.01％

Cr        1.0-1.8％

Ni        35.5-37.5％

Mn        0.5-1.3％

Si        最多0.3％

∑Mo+W    1.5-3.0％

Ti        0.4-0.8％

Nb        0.4-0.8％

P         ＜0.01％

Co        1.2-3.0％

Fe        余量和生产条件下的杂质。

为了进一步降低膨胀系数，建议如下的合金组成：

C         0.02-0.03％

S         ＜0.01％

Cr        1.2-1.8％

Ni        36-37％

Mn        0.8-1.3％

Si        最多0.3％

∑Mo+W    1.5-2.5％

Ti        0.4-0.7％

Nb        0.4-0.7％

P         ＜0.01％

Co        1.2-1.8％

Fe        余量和生产条件下的杂质。

最后，关于合金变化方案1，还可考虑对某些元素进行如下进一 步限定：

Mo  1.2-1.8％，尤其是＞1.5-＜1.8％

W  0.3-0.8％，尤其是0.4-0.7％

Co ＞1.4-1.7％。

变化方案2特别有利的组成如下所示：

C      0.01-0.04％

S      ＜0.01％

Cr     1.0-1.8％

Ni     35.5-37.5％

Mn     0.5-1.3％

Si     最多0.3％

Al     1.0-1.8％

Ti     0.4-0.8％

Nb     0.4-0.8％

P      ＜0.01％

Co     1.2-3.0％

Fe     余量和生产条件下的杂质。

为了进一步降低膨胀系数，建议如下的合金组成：

C      0.02-0.03％

S      ＜0.01％

Cr     1.2-1.8％

Ni     36-37％

Mn     0.8-1.3％

Si     最多0.3％

Al     1.0-1.5％

Ti     0.4-0.7％

Nb     0.4-0.7％

P      ＜0.01％

Co     1.2-1.8％

Fe     余量和生产条件下的杂质。

最后，关于合金变化方案2，还可考虑对某些元素进行如下进一 步限定：

Al     1.1-1.4％

Co    1.4-1.7％。

视两种变化方案的应用情况和组成的不同而定，可以在室温和温 度≤-165℃之间达到平均膨胀系数＜4.5×10^-6/K。

下表1展示对两种合金的试验批次(LB1110，LB1165以及LB1107) 的实测分析，其中试验批次LB1107要归入根据权利要求2的含Al 合金(变化方案2)。

  元素   LB1110   LB1165   LB1107   C   ＞0.022   0.002   ＞0.017   S   0.002   0.002   0.0014   N   0.001   0.003   0.001   Cr   ＞1.48   1.45   ＞1.45   Ni   35.76   36.06   36.11   Mn   ＞0.99   0.95   ＞1.0   Si   0.04   ＜0.01   0.01   Mo   ＞1.54   1.56   0.02   W   0.71   0.65   0.01   Ti   ＞0.45   0.54   0.49   Cu   0.01   0.01   0.01   Fe   R 56.831   56.15   R 57.5382   P   0.003   0.003   0.002   Al   ＞0.037   0.005   ＞1.27   Mg   0.0005   ＜0.001   0.0005   Ca   0.0005   ＜0.0002   0.0005   Zr   0.01   ＜0.001   0.01   Co   ＞1.53   1.54   ＞1.49   B   0.001   ＜0.001   0.001   Nb   0.55   0.46   0.53

由这些合金制成具有2.4mm直径的圆棒。

用所述棒以WIG-方法制备由Pernifer 36构成的板t＝5mm以 及焊缝金属试样的焊接连接体。实验室批次和焊接试样的分配 (Zuordnung)如下：

 填料   实验室批次   检验件   试样类型  变化方案2   LB1107   2813   焊接连接体  变化方案2   LB1107   2809   焊缝金属  变化方案1   LB1110   2757   焊接连接体  变化方案1   LB1165   2854   焊接连接体  变化方案1   LB1165   2828   焊缝金属

除了金相学研究外，还研究热膨胀行为和力学性质。

测定铸块LB1110和LB1107试样在-163℃和200℃之间的温度 范围内的平均热膨胀系数(CTE)。

对焊缝金属试样进行以下研究：

-缺口冲击加工，在-196℃下在焊缝金属中，在熔合线上和在 与熔合线距离分别为2mm和5mm的热影响区分别对三个试样进行

-焊缝金属的缺口冲击加工，在室温下对三个试样进行

-在-196℃和在室温下分别对两个焊缝金属试样进行拉伸试验。

对焊接连接体进行以下研究：

-弯曲试验，分别对焊缝底部(Wurzel)在拉伸方向和面层 (Decklage)在拉伸方向以弯曲半径2×d进行

-在室温和在-196℃的拉伸试验，分别用相对焊线呈横向的试样 焊层。

对平面拉伸试样进行焊接连接体的拉伸试验，对圆型试样进行焊 缝金属的拉伸试验。

结果

1.热膨胀行为：

相对所选温度，两种本发明的合金的平均热膨胀系数并列于表2 中。附图1表示在相对于参比温度25℃，在整个温度范围内的CTE曲 线。

  填料/批次   -165℃-25℃   25℃-100℃   25℃-200℃   变化方案2/LB1107   4.12×10^-6  6.02×10^-6  9.04×10^-6  变化方案1/LB1110   3.89×10^-6  4.56×10^-6  5.54×10^-6

表2：列出所研究的合金在所选温度下的平均热膨胀系数。

在低温范围内，CTE明显低于5×10^-6/K。

通过将母体金属混入焊缝金属中，由此可以认为，WIG-或等离子- 焊接连接体的焊缝金属中平均膨胀系数更小。

图1.在-165℃至200℃范围内的温度下的平均热膨胀系数图，参 比温度为25℃。

2.力学性质

低温下高断裂韧性是对于低温应用选择母体金属Ni36的重要标 准。因此，重要的是在焊缝金属或焊接连接体中也达到高韧性水平。

在填料温度为-196℃的情况下检测焊缝金属、熔合线以及与熔合 线的距离为2mm和5mm的热影响区。距离熔合线5mm的缺口冲击韧 性的值代表母体金属，因为这里焊接的热影响是可忽略的。

缺口焊层焊缝金属也在室温下检测。

断裂韧性原则上具有高水平。比较这些值表明，变化方案2的焊 缝金属(2809)的韧性低于母体金属的韧性仅约30％，变化方案1的焊 缝金属(2828)的韧性还要高些。在熔合线以及甚至在热影响区都没有 观察到断裂。主要结果示于表3中。

与具有匹配的热膨胀系数的其它已知焊接填料的WIG-焊接结果 相比，这些焊缝金属的延展性非常高。

  -196℃   变化方案2，LB1107，试样2808   变化方案1，LB1165，试样2828   SG   61J       62J       55J   153J/cm²  155J/cm²  138J/cm²  平均：59J/148J/cm²  72J         67J         70J   186.4J/cm²  173.4J/cm²  182.5J/cm²  平均：70J/174J/cm²  SL   85J       87J       82J   213J/cm²  218J/cm²  205J/cm²  平均：85J/212J/cm²  249J      228J      241J   311J/cm²  285J/cm²  301J/cm²  平均：239J/299J/cm²  SL+2mm   100J      100J      92J   250J/cm²  250J/cm²  230J/cm²  平均：97J/243J/cm²  254J      231J      250J   317J/cm²  289J/cm²  313J/cm²  平均：245J/306J/cm²  SL+5mm   93J       96J       90J   233J/cm²  240J/cm²  225J/cm²  平均：93J/233J/cm²  246J      225J      228J   307J/cm²  281J/cm²  284J/cm²  平均：233J/291J/cm²  RT   SG   72J       81J       71J   180J/cm²  205J/cm²  178J/cm²  平均：75J/187J/cm²  82J       80J       74J   212J/cm²  205J/cm²  189J/cm²  平均：79J/197J/cm²

表3：所检测的焊接连接体的缺口冲击加工和-韧性。

圆型拉伸试验和平面拉伸试验：

对焊缝金属试样的圆型拉伸试验的结果示于表4中。这里尤其要 注意在室温下测定的强度值，因为强度随温度的降低而升高，因此在 室温下满足的强度要求在低温下也总是满足的。

试样2809的屈服点超过母体金属的屈服点100MPa以上，焊缝金 属2828的屈服点大致低350MPa。

  RT   变化方案2，   试样2809   变化方案1，   试样2828   母体金属Ni36，   典型值   R_p0.2[MPa]   R_m[MPa]   A₅  387  385   524  531   28   27   351   486   26   270   450   30   -196℃   R_p0.2[MPa]   R_m[MPa]   A₅  648  661   859  864   30   34   596  585   831  853   26   33   550   850   30

表4：对焊缝金属进行圆型拉伸试验的结果。为了比较，对比母 体金属Ni36的典型值。

LB1107的焊缝金属的低温强度值，尤其是屈服点同样明显超过 母体金属的值。

高膨胀值证明直至很低温度下焊接填料的延展性。

本发明填料的重要特征在于，焊接连接体的断裂层在室温下从焊 缝金属转移到母体金属中。对焊接连接体进行的平面拉伸试验表明， 该目标可靠地实现了。由于试样在母体金属中断裂，所测量的强度也 相当准确地相应于母体金属的强度。

在低温下断裂出现在焊缝金属中，然而处于非常接近母体金属的 强度的水平，这完全不同于焊接连接体的强度明显较低的用同类焊接 填料的焊接。

  RT   变化方案2，   试样2813   变化方案1，   试样2854   R_p0.2[MPa]   R_m[MPa]   A₅  断裂层   278  283  276   452  450  444   34   33   33   GW   GW   GW   270  278  279   437  446  441   36   32   34   GW   GW   GW   -196℃   R_p0.2[MPa]   R_m[MPa]   A₅  断裂层   588  581  611   822  820  819   22   23   23   SG   SG   SG   542  554  589   830  813  835   23   23   23   SG   SG   SG

表5：对焊接连接体进行平面拉伸试验的结果。

弯曲试验：

所有弯曲试样(面层或底部在拉伸下)均可以弯曲到弯曲角为180 °而没有裂纹。

金相学研究：

为了检查马氏体稳定性，将焊缝金属试样冷却到-196℃一小时， 随后蚀刻在马氏体上。不能找到马氏体。这也证实了纵向膨胀系数的 测量，其温度曲线几乎没有异常。