殷钢是很经典的金属材料之一，它的基本化学组成是36%Ni和64%Fe。本文研究的目的是将殷钢合金丝的强度提高到1300MPa以上（包铝后强度为1080MPa以上），进而绞合成导线，应用于电力工程，用它代替普通钢芯导线。殷钢电缆芯具有低膨胀和高强度的双重特性，使用殷钢电缆，既可以避免普通钢芯导线因温度升高膨胀带来的输电线变长现象，又能满足原有线路对导线张力和铁塔结构强度的要求，架线不用改变原有铁塔等基础设施，可以大幅度降低工程成本，经济效益潜力巨大。

　　殷钢电缆芯的特点及技术要求

　　1）抗拉强度不小于1080MPa。作为电缆的承重结构单元，铝包殷钢线的抗拉强度是最基本的要求，该指标需要通过相应的强化手段来实现。

　　2）电导率不低于13.8%IACS（国际退火铜标准单位）。导电是电缆的基本功能，殷钢电缆芯由61%IACS的铝和2%IACS的殷钢组成时，一根殷钢电缆的最低包铝厚度所占截面积不能低于电

　　缆截面的20%。

　　研制的主要内容

　　工艺流程。强度是衡量材料抵抗变形的能力的技术指标，通过工艺途径，提高材料强度是金属材料领域重要研究课题。目前，提高合金的强度主要采取固溶强化、沉淀强化、细晶强化和形变强化等措施。本文在提高殷钢强度方面主要采用沉淀强化和形变强化2种措施。

　　1）沉淀强化。该措施是很多材料中广泛应用的强化途径，碳化物具有硬脆特性，析出沉淀的碳化物成为第二相强化质点，能够阻碍位错运动而起到强化作用。

　　2）形变强化。通过冷加工达到强化目的也是最常用的强化手段，在一定压缩率范围内，冷加工使得合金的内部组织改变，造成了晶粒中位错密度的增加，位错移动更加困难，因而合金形变遇到的抗力也就随之而增大，达到提高合金丝强度的目的。

　　成分控制。普通殷钢的化学成分主要为Fe64Ni36，不添加其他成分。其主要化学成分（%）为C≤0.05；Si≤0.3；Mn≤0.60；P≤0.02；S≤0.02；Ni：35—37。

　　但是该成分的合金强度较低，通过冷加工后的强度也低于900MPa，远低于产品的要求，需要在成分组成中添加碳元素作为强化元素。按照金属材料强化理论，在奥氏体的Fe—Ni合金中，在镍原子周围的铁原子和碳原子形成类似渗碳体Fe3C的配位原子组态，使合金的硬度增大，在塑性变形过程中更有效的产生加工硬化。虽然游离的碳可改变合金的晶格常数，对膨胀系数带来不利影响，在合金中加入微量的铌（含量小于0.3%）形成富铌的颗粒，可固定游离的碳，从而降低合金的膨胀系数，这种颗粒弥散分布在晶界与晶内，也有利于合金强度的提高。

　　通过添加上述合金成分，就能在后续的生产加工过程中形成碳化物和析出相，为合金的强化奠定基础。

　　冶炼过程的任务主要有控制组成元素的含量、有害元素的含量、气体的含量及控制夹杂物水平，且要促进钢水成分的均匀，本文研制时采用“三相电渣+电渣重熔”双电渣法冶炼。三相有衬电渣炉冶炼时，双联工艺冶炼的钢锭表面光滑，圆钢锭直径约为φ150mm，无须锻造加工就可以直接加热轧制。

　　热轧工艺。为了验证加入碳元素后的殷钢基体组织，本文选用了X射线衍射分析殷钢样品，试验选用钴靶，采用旋转衍射和平面衍射两种方式，确定该Fe—Ni合金的组织为奥氏体组织。

　　加热制度。设计加热制度，要研究相关殷钢样品高温时的性能，殷钢加工性能随温度变化较大。殷钢的塑性与温度关系曲线呈波浪形。具体如下：

　　1）在800℃左右时，热加工性能最差，是塑性指标的最差点。因此，殷钢在800℃附近的升温速度应缓慢，以使其均匀加热，升温速度控制在15℃／min。

　　2）在800—1100℃时，随着温度的提高，塑性急剧上升，升温速度控制在30℃／min。

　　3）在超过1150℃之后，塑性指标的增加已不太明显，为了减少高温氧化，保温温度应为1150℃左右，不宜太高。

　　由于合金的导热系数低，应采用较长的加热时间，钢锭的加热时间为2.0—2.5h，保证钢锭的内外温度一致性。

　　变形制度。延伸系数的分配遵循先大后小的基本原则。在粗轧道次的延伸较高，有利于随后的热加工过程；在后续轧制中，中轧机组仍处于高温阶段，塑性好，变形抗力小，延伸系数应稍大于平均延伸系数；在精轧道次的延伸系数应小于平均延伸系数，呈逐步递减的趋势。

　　根据设备的能力与工艺条件，采用“以轧代锻”方式，在三辊轧机将冶炼钢锭开坯，再在高速线材轧机上轧制出盘条。虽然变形道次多，压缩比大，过程中的应力和应变不均匀，工艺过程和参数复杂，但尺寸公差小、表面质量好、产品质量稳定及生产效率高。

　　拉拔工艺。从盘条到成品丝的变形，为了获得较好的丝织构，总压缩率超过了85%，中间还需要进行包铝，而包铝对钢丝表面的光洁度要求高，不能直接在盘条上包铝，需借助拔丝工艺将盘条拉拔出钢丝后将表面光洁度提高再包铝，然后再拉拔成品。因此，需要分配2次变形，将盘条粗拔至半成品后进行时效处理，并不会降低钢丝的强度，而使断后延伸率提高到8%以上，改善后续拉拔条件。

　　拉拔前要进行固溶处理，随着固溶温度的升高，合金的晶粒会逐渐长大，强度也是随着退火温度的升高而下降。试验表明，840℃固溶处理时，合金的显微组织晶粒分布比较均匀，有利于下一步冷加工。

　　粗拔工艺。现为φ8.7mm规格盘条，按照后续生产条件设计，应该拉拔至5.0mm的半成品。可以得出总延伸系数μ为3.0276，一般平均道次压缩率为28%左右，即延伸系数为1.4左右，那么道次数N为：

　　N=[ln3.0276/ln1.4]=3

　　从盘条至半成品分配的三道拉拔工序为：φ8.7mm—φ7.2mm—φ5.8mm—φ5.0mm

　　拉伸强度随着压缩率的增加而升高。    因此，粗拔过程的压缩率控制在67%左右，通过以上图表计算或实测强度为1060MPa左右，可满足后续进料的强度要求（不小于1050MPa）。

　　时效处理。由于冷拔变形后，在殷钢的基体上会显著提高位错密度，为析出提供有利的位置，从而促进了时效过程的顺利进行，本文选择了粗拔冷变形后再进行时效的工艺。

　　在时效温度为550℃，时效时间3h左右时殷钢中析出物碳化铌的分布较浓密，形成的组织见图3。

　　时效主要起到以下两个作用：碳化物析出后，能提高后续冷加工过程的硬化率；提高材料的塑性，有利于进一步拉拔。

　　时效后的殷钢需要包铝，采用CONFROM连续挤压法，该方法是英国原子能局斯普林菲尔德研究所发明的，生产铝包殷钢丝的核心设备是连续挤压包覆机。

　　铝包殷钢丝的拉拔。铝包钢丝属于双金

　　属复合材料，带有较厚的包覆铝层，芯线为高强度殷钢线，外层与芯部的2种金属强度的差别达到了5倍以上，因而，普通的拉拔生产难以进行。为保证较软的铝层和较硬的殷钢芯能同时等比例拉伸，必须要有同步变形的工艺采用组合压力模具及专用的拉丝粉进行拉拔拉丝粉既阻止了铝层拉拔时往后移动，又保证了拉拔时铝包钢线坯整体同步向前延伸，即实现了铝／钢的同步。

　　与粗拔的过程类似，通过多次的拉拔试验测试强度数据或者绘制强度曲线，得出强度和压缩率的拟合公式为：

　　σ=-0.0499δ2+6.4504δ+893.45

　　式中：δ为压缩率

　　细拔过程的压缩率在65%左右，实际测试强度为1100MPa，符合成品标准。通过总延伸系数和平均延伸系数的相互关系计算，将铝包钢的拔丝工艺配模设计为五道，∮5.6mm（半成品）—∮5.2mm—∮4.5mm—∮4.0mm—∮3.56mm—∮3.2mm（成品）。

　　最后，采用能退扭的行星式绞线机来绞制成殷钢电缆芯，盘卷状态交货。

　　综上所述，各项应用测试通过了权威机构的检测，如绞线疲劳特性试验、单线高温软化试验、应力应变曲线试验、载流量试验、高温拉断力试验、膨胀系数试验、长期耐热性试验及弧垂特性试验，完全达到了电缆芯的标准产品的性能指标达到了用户的验收标准，形成了批量供货能力。强度、扭转数据、导电率外形尺寸、表面质量、伸长率、缠绕性能等全部合格。