介绍因瓦合金.docx

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1、介绍因瓦合金目录1 .序言12 .物理性能23 .相关工程应用24 .缺点改进35 .国外研究现状36 .国内研究现状47 .因瓦合金在输电线路中的应用57.1. 铝包殷钢芯耐热铝合金绞线的发展57.2. 铝包殷钢芯耐热铝合金绞线性能特点68 .前景和展望69 .结语71 .序言因瓦合金也称为殷钢，是一种银铁合金，其成分为银36%,铁63.8%,碳 0.2%,它的热膨胀系数极低，能在很宽的温度范围内保持固定长度。含银36%左右的Fe-Ni合金由于具有很低的膨胀系数，因其尺寸几乎不随 温度变化而被称为因瓦合金(InVarAlIOy),也称为殷钢。因瓦合金是由法国冶金 物理学家GUilaUme在1

2、896年发现的。在Fe-Ni合金中，当Ni含量为36%时， 合金的室温膨胀系数最低，长度几乎不随温度变化而变化，室温至居里温度(T c 的平均线性热膨胀系数几乎接近于零。由此以经典因瓦合金Fe-36Ni为代表的 新一代低膨胀材料诞生，其反常的膨胀现象被称作因瓦效应。近年来，以因瓦合金为特点的开发研究不断深入，国内外已开发出多种因 瓦合金材料，使其应用领域和深度不断扩大。因瓦合金的应用已从传统的精密 仪器领域向电工导体、电子工业和特殊结构材料领域拓展。因瓦合金是一种单 相奥氏体组织合金，在作为低膨胀结构材料使用时，由于因瓦合金的强度普遍 较低，约500MPa,这严重限制了其大规模工业化应用。因此

3、，新一代高强度低 膨胀因瓦合金的开发成为当代各国学者的研究重点。2 .物理性能目前广泛使用的超因瓦合金有4J32和4J5两种牌号。主要有铁钻像三种元 素组成，其中大致含有3133%的Ni, 46%的Co,余量为Fe。由此可以看出 “超”体现在这46%的C。上。其中Fe以r相的形式存在。由此决定了超因 瓦合金以下几个方面的特殊物理性能。(1)线膨胀系数很小，在20到IooC温度范围内，其线膨胀系数是普通因瓦 合金的一半左右。(2)导热系数低。(3)塑性韧性好。(4)由于超因瓦合金含银量较高，提高了超因瓦合金的耐磨性。(5)抗氢环境脆性较好。3 .相关工程应用由于超因瓦合金的线膨胀系数很低，故传统

4、上将其用于制造精密仪器从而 避免温度变化所带来的测量误差。随着科技进步，超因瓦合金有了许多新的应 用。可用于制造谐振腔，显微镜天文望远镜的支撑系统。在航天航空、军事武 器、微波通讯、彩电阴罩以及石油运输容器上也有应用。综上所述，利用线膨 胀系数低的特点，可以将超因瓦合金用于制造各种精密仪器，在20Io(TC的温 度范围内，能保证其稳定性。但超因瓦合金也有缺陷：加工超因瓦合金，对刀 具的磨损较大，使加工困难。并且在切削过程中，由于摩擦产热，超因瓦合金 产生相变，使切削性能变得更差。另外，由于自身材质偏软，在工作、运输的 过程中可能会导致其表面刮擦，破坏，严重时将影响其实际工作。线膨胀系数 的温度

5、范围相比因瓦合金较窄，这和超因瓦合金的相不如因瓦稳定有关。以下是超因瓦合金的几个重要应用：L在航空领域。由于具有高强度和低膨胀等特性，超因瓦合金可以严格控制 发动机转动部件和静止部件间的间隙。提高能量输入与输出效率。高强度增加 了合金的强度密度比以降低飞机起飞重量。2.在航天领域。超因瓦合金具有比目前高温合金都要好的抗氢环境脆性，尤 其是抗大气高压氢脆性能，可用于火箭发动机中氢气环境下服役的构件。3,低温稳定材料中。FeNi32Co4在-273C下也能保障组织稳定性。这就在极 限的温度条件下，保证了测量的精度。作为低膨胀合金，都要求组织稳定性， 而这种超因瓦合金很好的适应了这一要求。4美国卡朋

6、特公司开发出一种叫做carpenter superinvar32-5的超因瓦 合金，并且已经将其用于离子谐振腔。这种合金不仅具有超因瓦合金膨胀系数 低的特点，它的热质量也很高，可以有效的提高激光器的工作性能。这是一种 固溶态合金，在-55-95范围内热膨胀系数比较低。5.计时装置。将超因瓦合金用于计时装置的摆杆，使温度对其的影响降至最 小。计时装置需要很高的精度，超因瓦合金可以将其提高到一个很高的水准。4 .缺点改进L为了克服超因瓦合金难加工的特点，我们可以采用合理选用刀具的方法根 据超因瓦合金的切削特点。要求刀具材料应具备耐热性好、耐磨性高、与工件 材料的亲和作用小等特点。因此一般采用高速钢

7、和硬质合金。除此之外，在实 际应用中发现，采用涂层刀具亦能获得较好的加工质量。2 .日本山阳特殊钢公司开发出的“InvarH3”，是一种具有很高强度的新 型因瓦合金。将其用于高压输电线芯线，同时具有很好的抗扭转性能。这种合 金启发我们可以通过对超因瓦合金的成分进一步改造使其提高自身强度，满足 生产和运输的需要。3 .加工成本高、难度大是制约低膨胀因瓦合金模具在复合材料成形应用中的 一个主要因素。哈尔滨工业大学通过对因瓦合金成分进行微量调整，对因瓦合 金在大气下的熔炼工艺、铸造工艺进行了试验研究。进一步实验，获得了机械 性能好，膨胀系数低，空隙率低的因瓦合金模具，这一结果也提醒着我们改变 超因瓦

8、合金成分以及制造工艺，需要不断的摸索和重复试验。5 .国外研究现状自从因瓦合金被发明以来，由于其具有因瓦效应等特性，成为研究与应用 的热点。美国、日本、俄罗斯等国外的研究机构及生产厂家均对因瓦合金进行 了大量研究，极大促进了殷钢材料及相关产品的性能提升与应用。美国Mason等在Fe-36Ni合金中加入了 1%4%Ti,抗拉强度达800MPa, 弹性极限达350MPa,线性热膨胀系数Q (20300)v6.0X6.0Xl(r6/。 ThomaS等研究了 Fe-(3845)Ni-(315)Cr-(ULO)Ti系合金的性能，抗拉强 度可达IOOOMPa,热膨胀系数为(8IO)Xl(T6/。，并且加工

9、性能也得到改善。 美国卡彭特技术公司开发出一种Fe-32Ni-5.5Co的铁银合金,热膨胀系数极小(。 室温 W(UXl(T6/。0)。日立金属在因瓦合金中添加了 0.10.5%C和LO4.0%Mo,通过时效处理 后析出碳化物Mo2C,该合金的抗拉强度1000MPa,膨胀系数。1100MPa,热膨胀系数 (20400C)6.0 10-6Co日本研究学者VinOgradoV研究了超细晶粒(UFG)Fe-36%Ni因瓦合金 的力学行为和疲劳寿命，通过等通道转角挤压(ECAP)实现了力学性能的显著提 高，与常规晶粒尺寸的普通因瓦合金相比，屈服应力和疲劳极限分别提高了 3 倍和2倍。俄罗斯的材料研究者

10、也十分关注高强度因瓦合金的研究，并做了相关的研 究工作。俄罗斯中央黑色冶金科学研究院进行了 V改善Fe-Ni-C系合金物理和力 学性能的研究，结果表明，V可有效提高因瓦合金强度和稳定其热膨胀系数，该 合金经冷变形处理后的抗拉强度达1300 MPa、热膨胀系数a (20100C Mo2C Mo6C和Cr23C6生成，其溶解温度范围分别为12001430、13901430、 700900、10201220和7001080。在此基础上，通过实验发现添加 合金元素Ti、Nb、Mo、Cr后，材料中均有第二相生成，并且晶粒得到细化。 添加上述元素后，钢的轧态力学性能都有所提高，但与此同时，材料的膨胀系 数

11、都有所增大。王超等以Mo元素对4J36的合金化制取具有低膨胀系数、高强度的合金， 通过熔炼、锻打成型及热处理等制备工艺，在化学分析、金相和电镜扫描、晶 粒度、显微硬度以及膨胀系数检测基础上，依据磁致伸缩理论和细晶强化理论 分析其机理。结果表明：M。合金化提高了基体强度，并且使基体保持低的膨胀 系数。本文研究了高温退火对冷拔Fe-Ni合金丝微观组织、热膨胀系数的影响，该 合金含约61.0wt%Fe和36.2wt%Nio原始试样经950退火3h后组织为单一 的Y相。经测试，原始冷拔态Fe-Ni丝室温下的热膨胀系数约5.5X10-6/。，经 950 3h处理的合金在室温附近热膨胀系数仅为0.2 10

12、-6C,表现出几乎 为零的热膨胀率。研究认为，原始合金室温热膨胀系数高的原因在于大量位错 的存在促进了溶质原子的偏聚并形成Cottrell气团，抑制了磁畴的翻转。而在 950。C退火可有效降低位错密度或降低固溶原子含量，限制了 Cottrell气团的形 成，因此获得了低的室温热膨胀系数。7 .因瓦合金在输电线路中的应用目前，输电导线均采用铝导体材质，由于铝导体的材质特性决定了导线的 传输能力有限，线路的运行输送容量取决于导体耐受温度的能力。由于电网安 全限制，通常的钢芯铝绞线长期使用时的温度只能达到7090,输送容量受 到影响。当输电走廊受到限制时，需采用增容导线增大电力的输送容量，满足 用电

13、需求。由于因瓦合金膨胀系数低，因瓦合金线材可替代普通钢芯，与耐热 铝合金线绞制成导线，被称为铝包殷钢芯耐热铝合金绞线，能长期在高温下运 行，且导线强度增加、弧垂减小。7.1. 铝包殷钢芯耐热铝合金绞线的发展20世纪80年代初，铝包殷钢芯耐热铝合金绞线诞生于日本。其后，美国、 欧洲及韩国对其商业运行作了大量的试验，例如日本JPS公司、韩国LG公司从 20世纪80年代就开始大范围将其投入商业运行，仅仅日本东京电力公司就已 经投入铝包殷钢芯耐热铝合金绞线近4000km用于改善日趋紧张的电力网络。我国导线研究机构及生产厂家对铝包殷钢芯耐热铝合金绞线进行了研究与 生产。2003年，国网辽宁省电力有限公司

14、研制出低弧垂铝包殷钢芯耐热铝合金 绞线，于2004年在22OkV北耿线路全线应用，运行至今效果很好。而后国内 一些线缆生产厂家陆续对该类型产品进行了研制与开发，并在部分输电线路进 行了应用。目前，国内外导线生产厂家开发出了耐热温度为210230C的铝包 殷钢芯耐热铝合金绞线，应用于增容改造输电线路中。但是目前我国铝包殷钢 芯耐热铝合金绞线价格较高，尚未得到大面的的推广应用。7. 2.铝包殷钢芯耐热铝合金绞线性能特点铝包殷钢芯耐热铝合金绞线的技术特点是在“同等外径、同等弧垂”下， 可达到“倍容”传输能力，它具有载流量大、弧垂低和寿命长等优点。铝包殷 钢芯耐热铝合金绞线的长期运行温度可达210230oC,届时传输电流可达同截 面钢芯铝绞线在70。C时载流量的2倍以上；在运行过程中，作用在铝合金线部 分的张力随温度的升高而减少，达到迁移点温度后，导线的张力转移到铝包殷 钢芯，此时绞线的线膨胀系数即为铝包殷钢芯的线膨胀系数。铝包殷钢芯耐热 铝合金绞线可