一种低膨胀合金板材热处理方法

技术领域

本发明涉及不锈钢合金生产制造技术领域，具体涉及一种低膨胀合金板材热处理方法。

背景技术

低膨胀合金具有在使用温度区间线性热膨胀系数极低的特性，被广泛应用于精密仪器零部件、复合材料模具、热双金属低膨胀层、电子元器件封接材料以及LNG运输船等，是科技发展和国防军工的关键材料。目前应用于高端领域的低膨胀合金主要依赖进口，价格高昂，制约了相关行业的发展。低膨胀合金在使用过程中对线性热膨胀系数提出较高的要求，还需同时兼顾力学性能，并保证产品表面质量，因此热处理工艺的制定成为目前该合金国产化的重要难题。

申请号是201410162936.4的中国发明专利申请公开了一种低膨胀磁屏蔽合金及其制备方法，工艺步骤包括：高纯度原料准备→成分配比→真空感应炉冶炼和真空自耗重熔→锻造加工→取样→热处理→性能测试。其热处理制度是：高纯氢气保护，随炉升温至970±10℃，保温2.5～3h，以200～250℃/h降温至550±10℃，快冷至300℃以下出炉。

但是，低膨胀磁屏蔽合金与低膨胀合金的合金成分不同，低膨胀磁屏蔽合金的性能指标是膨胀系数和磁性能，而低膨胀合金的性能指标是膨胀系数和力学性能，因此，低膨胀磁屏蔽合金与低膨胀合金对热处理温度、时间和冷却速度的要求不同。此外，上述专利申请采用的是单次加热处理，这无法实现消除内应力、降低膨胀系数和使性能稳定的目的。

发明内容

本发明的目的在于提供一种低膨胀合金板材热处理方法。

为实现上述目的，本发明的一种低膨胀合金板材热处理方法的具体技术方案为：

一种低膨胀合金板材热处理方法，包括：

对低膨胀合金坯料进行热轧处理，终轧温度是800～900℃，得到热轧板；

将所述热轧板装入加热炉，以加热温度是800～850℃进行第一次热处理，冷却至200～250℃之后，以加热温度是300～350℃进行第二次热处理。

可选地，所述低膨胀合金坯料的厚度是120～400mm。

可选地，将所述热轧板装入加热炉的装炉温度是500～600℃。

可选地，所述热轧板的厚度H是5mm≤H＜20mm。

可选地，所述第一次热处理的保温时间是40分钟。

可选地，所述热轧板的厚度H是20mm≤H≤120mm。

可选地，所述第一次热处理的保温时间是2×H分钟。

可选地，所述第二次热处理的保温时间是10～12小时。

可选地，所述低膨胀合金坯料以重量百分比计包括：C≤0.015％，Si≤0.25％，Mn0.25％～0.45％，P≤0.005％，S≤0.003％，Ni 35.5％～36.5％，Mg≤0.005％，Zr≤0.01％，余量为Fe和不可避免的杂质。

一种采用上述的低膨胀合金板材热处理方法获得的低膨胀合金板材。

有上述技术方案可知，本发明的一种低膨胀合金板材热处理方法，至少具有如下有益效果：

本发明的低膨胀合金板材热处理方法能够实现较低的线性热膨胀系数，并可提升低膨胀合金板材的表面质量及力学性能，表面无裂纹、深坑、重皮等缺陷，并且力学性能优异。

本发明的低膨胀合金板材热处理方法针对不同厚度规格板材提供了适合的热处理工艺，可获得较低且稳定的线性热膨胀系数。并且，本发明的低膨胀合金板材热处理方法通过增加第二次热处理进一步消除残余应力，避免低膨胀合金板材在使用过程中产生形变。

具体实施方式

为了充分了解本发明的目的、特征及功效，通过下述具体实施方式，对本发明作详细说明。本发明的工艺方法除下述内容外，其余均采用本领域的常规方法或装置。下述名词术语除非另有说明，否则均具有本领域技术人员通常理解的含义。

为了使低膨胀合金板材在20～100℃区间具有极低且稳定的热膨胀系数，同时获得优异的力学性能，本发明的发明人从如下两个方面进行了深入研究：1)控制合金化学成分，降低杂质元素比例；2)采用两阶段热处理工艺，通过控制加热速度、保温时间和冷却方式获得理想组织性能。

在上述发明构思的基础之上，本发明提供了一种低膨胀合金板材热处理方法，包括：

对低膨胀合金坯料进行热轧处理，终轧温度是800～900℃，得到热轧板；

将热轧板装入加热炉，以加热温度是800～850℃进行第一次热处理，冷却至200～250℃之后，以加热温度是300～350℃进行第二次热处理。

作为一种优选的实施方案，本发明的低膨胀合金板材热处理方法包括如下步骤：

(1)准备坯料

本发明的热处理方法针对的是低膨胀合金板坯，其元素组成(wt％)是：

C≤0.015％，Si≤0.25％，Mn 0.25％～0.45％，P≤0.005％，S≤0.003％，Ni35.5％～36.5％，Mg≤0.005％，Zr≤0.01％，余量为Fe和不可避免的杂质。

合金的化学成分对膨胀系数有较大影响，在本发明的低膨胀合金中，除主元素Si、Mn、Ni、Fe外，其余元素的加入均会增大膨胀系数，并会引起轧制开裂等问题。因此本发明严格限制了杂质元素(如C、P、S等)含量。

铸锭的冶炼工艺路线可以采用“感应炉+电渣重熔”或“电炉或转炉+炉外精炼”。得到的铸锭经轧制或锻造开坯获得初轧坯或锻坯，作为坯料。具体的冶炼工艺以及轧制或锻造工艺可以参考现有技术中的相关方案，此处不做赘述。

优选地，坯料的厚度规格为120～400mm。

优选地，对坯料表面进行修磨，以确保坯料表面无裂纹等缺陷。

(2)热轧处理

将坯料送入轧机中进行轧制，终轧温度控制在800～900℃范围内，轧制完毕后出炉空冷至室温，得到的热轧板的厚度(H)规格为5～120mm。

轧制道次为10～16次，具体的道次数可以由本领域技术人员根据坯料厚度和成品厚度进行合理选择。当坯料厚度小于200mm时，道次压下量不超过15mm。总压下率不低于70％。

发明人研究发现，轧制工艺中轧制道次、道次压下量的合理安排能够防止轧制过程坯料翘曲过大导致无法咬入，终轧温度800～900℃是为了避免温度过低导致的板型问题。总压下率不低于70％是为了控制再结晶晶粒尺寸，保证产品力学性能。

(3)第一次热处理

将热轧板送入加热炉进行第一次热处理。热轧板的装炉温度为500～600℃(例如，500℃、510℃、520℃、530℃、540℃、550℃、560℃、570℃、580℃、590℃或600℃等)，以不超过300℃/h的加热速度升温至800～850℃(例如，800℃、810℃、820℃、830℃、840℃或850℃等)，进行第一次热处理。

根据热轧板的厚度H确定第一次热处理的保温时间。如果热轧板的厚度H是5mm≤H＜20mm，保温时间为40分钟；如果热轧板的厚度H是20mm≤H≤120mm，保温时间为(2×H)分钟。第一次热处理之后，热轧板出炉以240～300℃/h(例如，240℃/h、260℃/h、280℃/h、300℃/h等)的冷却速度冷却至200～250℃(200℃、210℃、220℃、230℃、240℃或250℃等)。

发明人研究发现，在进行第一次热处理时，采用本发明的装炉温度和加热速度，能够保证板材充分均匀加热，并且避免产生热裂纹。加热时间根据板材厚度决定，一方面保证板材充分再结晶，另一方面防止晶粒过度长大导致性能下降。采用240～300℃/h的冷却速度，能够防止直接淬火产生较大的内应力。

(4)第二次热处理

将经过第一次热处理的板材热装炉，以300～350℃/h(例如，300℃/h、310℃/h、320℃/h、330℃/h、340℃/h或350℃/h等)的升温速度升温至300～350℃(例如，300℃、310℃、320℃、330℃、340℃或350℃等)，进行第二次热处理，保温10～12小时，出炉后以300～350℃/h(例如，300℃/h、310℃/h、320℃/h、330℃/h、340℃/h或350℃/h等)的冷却速度冷却至室温。

发明人研究发现，在进行第二次热处理时，直接200～250℃装炉，能够节省能源和时间，无需降至室温再进行升温。升温时控制速度为300～350℃/h，能够保证板材温度均匀性。较长时间的保温可显著消除板材内应力，避免内应力对膨胀系数的影响，保证力学性能和膨胀系数的稳定性。

为了使低膨胀合金板材具有较低的线性热膨胀系数以及优异的力学性能和表面质量，本发明的发明人综合考量了低膨胀合金板材热处理过程，从而提出了上述的热处理方法。在该热处理方法中，热轧处理、第一次热处理和第二次热处理作为一个整体，相互配合、共同作用，从而确保了得到的低膨胀合金板材具有较低的线性热膨胀系数以及优异的力学性能和表面质量。具体如下：

首先，轧制过程对轧制参数进行控制，通过总压下率和轧制道次控制形变储能，从而影响再结晶组织；通过终轧温度和道次变形量控制板形，保证生产过程连续。

其次，前期通过成分和轧制过程控制，可获得较为稳定的轧态组织。第一次热处理主要目的为再结晶退火，通过在高于再结晶温度进行一定时间的保温，使得组织完全转变为再结晶组织。此步要注意装炉温度和加热温度，避免炉温过高或加热过快导致材料表面产生热裂纹。同时为获得优异的力学性能，加热时间需根据板厚进行调整，从而获得期望的晶粒度。保温结束后需控制冷却速度，避免急冷导致的内应力。

再次，第二次热处理可在板材降至200～250℃后直接升温，加快生产节奏。这次热处理的主要目的是消除前期生产过程中材料存在的内应力，因此需在低温保温较长时间。经此步热处理后的材料热膨胀系数近一步降低。膨胀系数和力学性能同板均匀性近一步提升。

实施例

下面通过实施例的方式进一步说明本发明，但并不因此将本发明限制在所述的实施例范围之中。下列实施例中未注明具体条件的实验方法，按照常规方法和条件，或按照商品说明书选择。

下述各实施例中采用的初轧坯或锻坯是申请人上游生产线按常规方法制备。

下述各实施例中采用的检测方法如下：

屈服强度：GB/T 228.1金属材料拉伸试验第1部分：室温试验方法

抗拉强度：GB/T 228.1金属材料拉伸试验第1部分：室温试验方法

伸长率：GB/T 228.1金属材料拉伸试验第1部分：室温试验方法

硬度(HRB)：GB/T 230.1金属材料洛氏硬度试验第1部分：试验方法(A、B、C、D、E、F、G、H、K、N、T标尺)

线性热膨胀系数：GB/T 4339金属材料热膨胀特征参数的测定

实施例1

(1)初轧坯厚度为150mm，化学成分如下：

(2)将初轧坯送入轧机中进行轧制，热轧终轧温度为840℃，热轧板厚度为6mm，热轧后空冷至室温。

(3)将热轧板送入加热炉进行第一次热处理。热轧板的装炉温度为550℃，第一次热处理加热温度为810℃，进行第一次热处理，保温时间为40min，出炉后以280℃/h的冷却速度冷却至220℃。

(4)板材热装炉，以300℃/h的升温速度升温至330℃，保温12h，出炉后以320℃/h的冷却速度冷却至室温。

经检测，该板材屈服强度245MPa，抗拉强度435MPa，伸长率43％，硬度(HRB)为66，67，69。线性热膨胀系数为0.89×10

实施例2

(1)初轧坯厚度为200mm，化学成分如下：

(2)将初轧坯送入轧机中进行轧制，热轧终轧温度为840℃，热轧板厚度为20mm，热轧后空冷至室温。

(3)将热轧板送入加热炉进行第一次热处理。热轧板的装炉温度为560℃，以不超过300℃/h的加热速度升温至840℃，进行第一次热处理，保温时间为40min，出炉后以240℃/h的冷却速度冷却至250℃。

(4)板材热装炉，以350℃/h的升温速度升温至310℃，保温12h，出炉后以300℃/h的冷却速度冷却至室温。

经检测，该板材屈服强度254MPa，抗拉强度462MPa，伸长率41％，硬度(HRB)为68，67，68。线性热膨胀系数为0.92×10

实施例3

(1)锻坯厚度为350mm，化学成分如下：

(2)将初轧坯送入轧机中进行轧制，热轧终轧温度为860℃，热轧板厚度为80mm，热轧后空冷至室温。

(3)将热轧板送入加热炉进行第一次热处理。热轧板的装炉温度为570℃，以不超过300℃/h的加热速度升温至850℃，进行第一次热处理，保温时间为160min，出炉后以300℃/h的冷却速度冷却至250℃。

(4)板材热装炉，以330℃/h的升温速度升温至350℃，保温12h，出炉后以350℃/h的冷却速度冷却至室温。

经检测，该板材屈服强度235MPa，抗拉强度431MPa，伸长率45％，硬度(HRB)为62，61，63。线性热膨胀系数为0.97×10

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的替代、修饰、组合、改变、简化等，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。