因瓦合金研究现状

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      含镍 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（ InvarAlloy ），也称为殷钢。因瓦合金是由法国冶金物理学家 Guilaume 在 1896 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，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 。
1 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 α (20～300 ℃)<6.0×6.0×10^(-6) /℃ 。Thomas 等研究了 Fe-(38～45)Ni-(3～15)Cr-(0.1～1.0)Ti 系合金的性能，抗拉强度可达 1000MPa ，热膨胀系数为（ 8～10 ） ×10^(-6) /℃，并且加工性能也得到改善。美国卡彭特技术公司开发出一种 Fe-32Ni-5.5Co的铁镍合金，热膨胀系数极小（ α 室温 ≤0.1×10 ^(-6) /℃ ） 。
     日立金属在因瓦合金中添加了 0.1～0.5%C 和1.0～4.0%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 α＜3.2×10 ^(-6) /℃。三菱制钢在 Fe-32Ni-4Co 系合金中加入0.1%C 和 0.5%～3.0%Mo( 或 W ，或 W+Mo) ，所研制合金的抗拉强度 ＞1100MPa ， 热膨胀系数 α （ 20～400℃ ） ＞6.0×10^(-6) /℃ 。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 α（ 20～100℃ ） <2.0×10 ^(-6) /℃。Nakama 等研究发现，在 1150℃ 固溶处理、 800～1000℃ 进行高温变形以及随后的时效处理 ， 可 使 Fe-36.2Ni-10.1Co-5.2Cr-2.4Ti 因瓦合金的强度提升至 1400MPa 左右，而热膨胀系数并未发生明显变化。

2 国内研究现状
     对于因瓦合金， 国内研究机构与生产厂家紧跟国外相关研究的步伐，对因瓦合金进行了大量研究。陆建生等利用 Ni3（Ti，Al）金属间化合物析出相增强因瓦合金，通过二次冷拔加工，以及期间的一次时效处理，能得到抗拉强度大于 1500MPa 的因瓦合金线材；且在室温至 100℃ 范围内仍维持线膨胀系数小于 3.5×10 -6 /℃ 的优良性能。
      河北工业大学在因瓦合金 Fe-36Ni-0.3C 的基础上，首先借助 FactSage 热力学软件计算了分别添加适量 Ti 、 Nb 、 Mo 、 Cr 四种合金元素的殷钢平衡态显微组织，发现缓慢冷却后，它们分别有初生碳化物TiC 、 NbC 、 Mo2C 、 Mo6C 和 Cr23C6 生成， 其溶解温度范围分别为1200～1430 ℃ 、 1390～1430 ℃ 、700～900℃ 、 1020～1220℃ 和 700～1080℃ 。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：Mo 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%Ni 。原始试样经 950℃ 退火 3h 后组织为单一的 γ 相。经测试，原始冷拔态 Fe-Ni 丝室温下的热膨胀系数约 5.5×10^(-6) /℃，经 950℃×3h 处理的合金在室温附近热膨胀系数仅为 0.2×10^(-6) /℃ ，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℃ 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。

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3 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 70～90℃ ，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。
    3.1 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研制出低弧垂铝包殷钢芯耐热铝合金绞线，于 2004 年在 220kV 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 210～230℃ 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。

3.2 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 210～230℃ ，届时传输电流可达同截面钢芯铝绞线在 70℃ 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在高温下确保弧垂与相同外径的钢芯铝绞线基本相当 。由于殷钢芯外表面包覆铝，与外层铝合金线不存在电位差， 使导线抗腐蚀能力提高，可适用于各种环境，工作寿命达 40 年以上。

4 结语
    因瓦合金作为一种低膨胀合金材料被广泛的应用于众多领域， 其作为输电导线的芯线材料具有巨大的应用前景。但是， 目前由于因瓦合金的价格较高， 限制了其大面积应用。今后对于因瓦合金的研究， 在兼顾低膨胀性能和高强度的同时还应考虑低成本的问题，从而加快因瓦合金的应用步伐，尤其是其在输电线路中的推广与应用， 这对我国输电技术的发展具有重要意义。