3J1(3J01)弹性合金
一、3J1概述
3J1合金是铁-镍-铬系奥氏体沉淀强化型高弹性合金。
固溶处理后具有良好的塑性，硬度低，易加工成型。
经固溶或冷应变后时效处理，获得高的力学性能和弹性性能。
该类合金具有较高的强度、高的弹性模量，较小的弹性后效和滞后、弱磁性、良好的耐蚀性和热稳定性等特点，能在较高的温度、较大的应力或腐蚀性介质条件下工作。
3J1可在250℃以下工作。
该类合金也能在低温（如近-200℃）下使用。
1.1 3J1材料牌号 3J1(Ni36CrTiAl)。
1.2 3J1相近牌号 ЭИ702,36HXTЮ(俄罗斯)。
1.3 3J1材料的技术标准 3J1合金的技术标准YB/T 5256—1993《弹性元件用合金3J1和3J53技术条件》。
1.4 3J1化学成分 见表1-2。
表1-2%
C | Mn | Si | P | S | Ni | Cr | Mo | Ti | Al | Fe |
≤0.05 | ≤1.00 | ≤0.80 | ≤0.020 | ≤0.020 | 34.5～36.5 | 11.5～13.0 | - | 2.70～3.20 | 1.00～1.80 | 余量 |
1.5 3J1热处理制度 见表1-3。
1.6 3J1品种规格与供应状态 见表1-4。
表1-3
品种或要求 | 热处理制度 |
带材 | 920～950℃固溶＋650～750℃，时效2～4h，空冷或炉冷 |
冷应变＋600～700℃，时效2～4h，空冷或炉冷 | |
丝材 | 冷应变＋500～700℃，时效2～4h，空冷或炉冷 |
棒材 | 冷应变＋650～750℃，时效2～4h，空冷或炉冷 |
热轧（锻）材 | 950～980℃固溶＋700～750℃，时效≥4h，空冷或炉冷 |
表1-4mm
品种和状态 | 冷轧带材 | 冷拉丝材 | 冷拉磨光棒材 | 热轧圆球 | 锻材 | 热轧扁材 |
厚度和直径（边长） | 0.05～3.5 | 0.10～6.0 | 3.0～30.0 | 6.0～25.0 | >5～100 | 4.0～13 |
宽度 | 50～250 | - | - | - | - | - |
长度 | - | - | - | ≤500 | ≤300 | ≥300 |
1.7 3J1熔炼与铸造工艺 合金采用真空感应炉熔炼或真空感应炉熔炼加真空自耗炉重熔。
1.8 3J1应用概况与特殊要求 该类合金是20世纪60年代的老牌号，国内生产与应用多年。
主要用于制造各种航空用弹性敏感元件及耐硝酸或其他腐蚀介质的零件，如膜盒、膜片、波纹管、传送杆、挡板和其他弹性结构件等。
二、3J1物理及化学性能
2.1 3J1热性能
2.1.1 3J1线膨胀系数 该组合金在固溶加时效状态下，其平均线膨胀系数(20～100℃)=(12.0～14.0)×10-6℃-1。
2.2 3J1密度 冷应变加时效状态合金的密度ρ=8.0g/cm3[1,4]。
2.3 3J1电性能 在冷变形＋时效状态下ρ=1.02μΩ·m[3]。
2.4 3J1磁性能 固溶加时效状态的3J1合金，其磁化率χm=(12.5～205)×10-11[4,5]。
2.5 3J1化学性能 该合金对硝酸、磷酸、氢氧化钠、含硫石油、燃料油和润滑油等腐蚀介质，以及在海洋和热带气候条件下，具有较好的耐腐蚀性。
三、3J1力学性能
3.1 3J1技术标准规定的性能
3.1.1 3J1交货状态合金材的力学性能 见表3-1。
表3-1
状态和品种 | (δ或d)/mm | σb/MPa | δ/% |
固溶态带材 冷拉丝材 | 0.20～0.50 0.20～3.0 | ≤981 ≥981 | ≥20 - |
3.1.2 3J1交货状态合金材经时效处理后的力学性能 见表3-2。
表3-2
状态和品种 | (δ或d)/mm | σb/MPa | σP0.2/MPa | δ/% |
冷轧＋时效带材 固溶＋时效带材 冷拉＋时效带材 冷拉＋时效带材 热锻（轧）材固溶＋时效 | 0.20～2.50 0.20～1.00 0.50～5.0 3.0～18.0 6.0～25.0 | ≥1373 ≥1177 ≥1471 ≥1373 ≥1177 | ≥981 ≥735 - - - | ≥5 ≥8 ≥5 ≥5 ≥10 |
注：厚度>0.10mm的带材和d>0.20mm的丝材，其抗拉强度也应符合表中要求；规定非比例伸长应力σPO.2值适用于厚度大于0.50mm的带材。
3.2 3J1室温及各种温度下的力学性能 不同状态的合金室温力学性能见表3-3。
3.3 3J1持久和蠕变性能
3.4 3J1疲劳性能
3.5 3J1弹性性能 见表3-4。
表3-3
状态 | 带材试样厚度/mm | σb/MPa | δ/% | HV |
920～950℃,以1.3℃/min速度水套冷却 | 0.10～0.20 | 588～735 | 20～27 | 150～190 |
920～950℃,以1.3℃/min速度水套冷却＋720℃，时效2h | 0.10～0.20 | 1275～1295 | 14～16 | 350～390 |
60%～65%冷应变 | 0.10～0.20 | 1280～1304 | 4～6 | - |
60%～65%冷应变＋650℃，时效2h | 0.10～0.20 | 1471～1600 | 6～7 | 400～480 |
表3-4
状态 | E/GPa | G/GPa | βE/10-6℃-1 |
固溶＋时效 冷应变＋时效 | 176～196 186～206 | 77～78 76～78 | －200～250 －200～350 |
四、3J1组织结构
4.1 3J1相变温度 合金在900℃以上（达920～980℃）固溶处理后，为单相奥氏体组织。
固溶或经冷应变后时效处理，约在500℃，从奥氏体中开始析出γ′[(Ni,Fe)3(Al,Ti)]沉淀强化相，600℃以上析出迅速，650～750℃析出量达最大值（含钼的合金温度偏上限）。
在750℃以上析出相开始溶解，900℃以上溶解完毕。
4.2 3J1时间-温度-组织转变曲线
4.3 3J1合金组织结构 使用状态的合金基本组织为；奥氏体基体加γ′[(Ni,Fe)3(Al,Ti)]型强化相，并含有少量的碳化物和Fe2Mo拉氏相（含Mo合金）。
五、3J1工艺性能与要求
5.1 3J1成形性能 合金的热应变温度，为350～1140℃，进行锻、轧等热加工，其加工性能良好。
固溶处理后，合金塑性良好，可冷应变加工制成薄带和细丝，或用冲压、挤压等方法制成形状复杂的弹性元件。
厚度0.20～1.00mm的3J1合金软态带材的杯突值不小于8.5mm。
冷拉丝材弯曲、缠绕性能良好。
5.2 3J1焊接性能 合金在固溶状态下比在时效状态下有更好的焊接性能，可进行点焊、缝焊、氩弧焊、电子束焊，以及铜、银基硬钎焊。
在时效处理后，点焊、缝焊性能较差。
在合金表面镀镍后可进行低温锡、铅软钎焊。
合金在固溶状态下焊接，焊后时效处理。
在时效后焊接，应注意不要使零件温度超过时效温度，以免降低合金性能。
5.3 3J1零件热处理工艺 为防止合金表面氧化，成品热处理宜在真空或保护气氛条件下进行。
固溶处理：固溶温度对合金的加工性能和时效处理后的性能影响较大。
温度低于900℃固溶时，合金为两相组织；超过1100℃后，将引起晶粒长大，而且不均匀。
含钼的合金热稳定性较高，可适当提高固溶温度。
固溶温度根据合金成分、品种和不同性能要求等因素合理选择（见1.5），一般在保证完全固溶条件下，应尽量选择较低的温度。
经不同温度固溶处理的3J1合金，其强度与时效温度的关系见图5-1，从图可见，随固溶温度的升高，时效后的强度下降。
时效处理：合金经时效处理后获得高的力学性能和弹性性能。
应根据时效前的合金品种、状态和使用性能等因素合理选择时效处理制度（见1.5）。
固溶处理后的时效，随时效温度的提高强化效果增强。
3J1在660～700℃达到时效强化的峰值；含钼的合金在达到时效强化的峰值，温度继续升高，强化效果很快降低。
见图5-2。
经应变形后的合金时效，亦称硬时效。
因冷应变促进时效析出过程，提高时效强化效果。
冷应变使合金的时效强化峰值温度向低温方向移动。
冷应变率越大，时效温度也越偏低。
较合适的冷应变率一般为50%～70%。
合金经一定的冷应变加工，并在稍低的温度下时效，对减少弹性滞后和后时效有利[6]。
5.4 3J1表面处理工艺 合金热处理后的氧化皮，可采用碱浸-酸洗联合操作方法清除。
液温度不宜超过500℃。
酸液采用“三酸”水溶液，在50～80℃温度下进行。
酸洗后可用稀硝酸水溶液短时间漂白，最后用石灰水中和零件表面的残酸。
5.5 3J1切削加工与磨削性能 固溶状态的合金硬度较低，易于切削等各种机加工。
冷应变状态和时效状态的合金也能进行机加工，但较难。
零件一般在固溶状态加工成毛坯，时效处理后再精加工到要求尺寸。
合金的磨削性能良好。