CN105132823B - 含Cr高强度定膨胀合金 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种含Cr高强度定膨胀合金，该合金的各组分的重量百分含量为：C≤0.08；Si≤0.40；Mn≤1.0；S≤0.010；P≤0.010；Ni：35.0～38.0；Cr：0.8～2.5；Nb≤1.0；Co：0.5～1.5；余量为Fe。该合金具有高的室温机械强度和动态弹性模量，应用于有特殊要求的精密仪器设备及有此要求的其他精密仪器设备。

Description

含Cr高强度定膨胀合金

技术领域

本发明涉及一种金属材料，特别涉及一种含Cr高强度定膨胀合金。

背景技术

定膨胀合金的主要特点是在一定的温度范围内，具有与玻璃或陶瓷等被封接材料相接近的膨胀系数，从而可以达到匹配(或非匹配)封接的效果。因此，也可以称为封接合金。它广泛地应用于电子管、晶体管和集成电路中作引线和结构材料。所谓匹配封接是指在封接温度至室温范围内，合金与被封接材料的膨胀系数之差异小于10％，若两者的膨胀系数差异过大，容易产生大的内应力，导致“炸裂”漏气。

目前定膨胀合金主要合金牌号有：

1.Fe-Ni系定膨胀合金

典型牌号有：4J42合金。该合金含Ni42％，余Fe，是封接合金中用了最大的一种合金。在不同温度范围内，其平均线膨胀系数为(5～10)×10^-6/℃。

2.Fe-Ni-Co系定膨胀合金

典型牌号有：4J29合金。该合金含Ni 29％，Co17％，余Fe。该合金在较宽的温度范围(-80～450℃)内膨胀系数与硬玻璃的膨胀系数接近。其典型平均线膨胀系数为(4～6)×10^-6/℃。

3.Fe-Cr系定膨胀合金

典型牌号有：4J28合金。该合金含Ni28％，余Fe。其典型平均线膨胀系数为10×10^-6/℃。

4.Fe-Ni-Cr系定膨胀合金

典型牌号有：4J6、4J47、4J48、4J49合金。该系列合金含Ni41-48％，余Fe。其典型平均线膨胀系数为(8～10)×10^-6/℃。

总体上讲，目前的定膨胀合金，在使用温度范围内，典型的平均线膨胀系数为(4～10)×10^-6/℃。

随着高精度、高性能要求的精密设备的研制，需要一种平均线膨胀系数α_20-5℃、α_20-100℃和α_20-200℃均在(1.9～3.0)×10^-6/℃范围内的新型极窄范围的定膨胀合金。同时该合金必须满足高的力学性能要求：室温屈服强度R_p0.2≥280MPa，动态法弹性模量E≥140GPa。

目前还没有满足上述性能的合金。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术的不足，提供一种平均线膨胀系数α_20-50℃、α_20-100℃和α_20-200℃均在(1.9～3.0)×10^-6/℃范围内的定膨胀合金，该合金具有高的室温机械强度和动态法弹性模量，应用于有特殊要求的精密仪器设备及有此要求的其他精密仪器设备。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

含Cr高强度定膨胀合金，其各组分的重量百分含量为：C≤0.08；Si≤0.40；Mn≤1.0；S≤0.010；P≤0.010；Ni：35.0～38.0；Cr：0.8～2.5；Nb≤1.0；Co：0.5～1.5；余量为Fe。

较好的技术方案是，该合金的各组分的重量百分含量为：C：0.03；Si：0.10；Mn：0.60；S≤0.010；P≤0.010；Ni：35.0；Cr：2.5；Nb：0.8；Co：0.8；余量为Fe。

较好的技术方案是，该合金的各组分的重量百分含量为：C：0.05；Si：0.20；Mn：0.50；S≤0.010；P≤0.010；Ni：35.0；Cr：1.0；Nb：0.8；Co：1.0；余量为Fe。

本发明所述合金在Fe-Ni合金的基础上，根据合金元素对膨胀性能影响的关系，设计的以含Ni、Co、Nb等主要元素的Fe-Ni合金，通过Cr、Al等合金元素进行性能优化，成功并稳定化制备出的一种平均线膨胀系数α_20-50℃、α_20-100℃和α_20-200℃均在(1.9～3.0)×10^-6/℃范围内的新型极窄范围的定膨胀合金。

本发明所述合金适用于要求平均线膨胀系数α_20-50℃、α_20-100℃和α_20-200℃均在(1.9～3.0)×10^-6/℃范围内的精密仪器设备及有此膨胀性能要求的其他封接材料。合金交付一般为固溶退火态，使用态为零件稳定化处理态。

1.合金的化学成分

合金的化学成分范围(重量百分比，％)见表1。合金的化学成分以FeNi36合金和低膨胀合金Ni32Co4Cu(4J32)为基础，为合金的组织结构提供了关键的保障，考虑了合金的加工性能，同时还保证了合金具有较高的强度。

本发明所述合金具有以下优点：

(1)FeNi36合金具有较低的膨胀系数，室温附件的平均线膨胀系数约为1.5×10^-6/℃。根据Ni元素对该系合金平均线膨胀系数的影响关系，通过提高Ni的含量，可以提高合金的平均线膨胀系数；

(2)通过控制合金的杂质元素，例如S、P等，提高合金的纯净度，有利于保证合金性能的稳定性；

(3)少量的Si的添加，对合金的膨胀性能影响不大，但能使合金的居里点下降；

(4)微C含量；以及加入少量的Nb，是为确保合金具有一定的耐蚀性能；

(5)加入适量的C、Ti、Mn，使合金的膨胀系数提高。但是C元素除对合金的膨胀系数有较大影响外，会使合金制品尺寸的稳定性变差，因此，在保证合金的热加工性的前提下，适当控制合金中的C、Si、Mn元素。

(6)Cr元素的作用是降低Ni的同时提高合金的平均线膨胀系数，并提供一定的耐腐蚀性能。

表1合金的化学成分范围 单位：wt％

2.室温力学性能

合金固溶态的室温力学性能见表2。

表2合金固溶+稳定化态的室温力学性能

3.密度

合金的密度为8.1g/cm³。

4.弹性模量

合金的室温弹性模量E≥140GPa。

本发明所述含Cr高强度定膨胀合金的制备方法，有以下步骤：

a)熔炼

按表1所述的重量百分比称取各组份，合金采用真空感应熔炼，在进行真空感应熔炼时，采用二次精炼工艺：

第一次精炼

向炉内投入底料：Fe、Nb、Co、Cr和Ni，在温度高于1600℃，真空度控制优于10Pa的条件下熔炼，按0.6～0.8min/kg的时间熔炼；

第二次精炼

第二次精炼采用低温短时精炼，向炉内投入其余合金元素，加料后进行充分的机械及电磁搅拌，在温度高于1550℃以上，按0.4～0.6min/kg的时间熔炼，待合金熔化完全之后，控制真空度优于5Pa，充氩气保护，静置钢水，调温至1480℃，然后进行快速浇注；

再经过电渣重熔，重熔时采用CaF₂-CaO₂-Al₂O₃三元渣系(公开号：CN 102127652A)；

重熔温度在1700℃左右，重熔速度约为0.6～1.0Kg/min，控制渣池的深度为100～150mm，根据结晶器规格的不同调整电流和电压，以确保重熔过程的稳定，熔炼完毕前须进行热补缩4～6次，最后获得合金钢锭；

b)锻造

合金热锻造温度为850～1120℃、保温时间为60～120分钟(依据钢锭大小确定保温时间：φ160mm以下钢锭保温60分钟，φ160mm以上钢锭保温120分钟)；

c)固溶处理

合金的固溶退火处理制度为保温温度700～900℃、保温时间60～120分钟、水冷：φ160mm以下钢锭保温60分钟，φ160mm以上钢锭保温120分钟；合金交货状态一般为固溶态，使用状态为稳定化处理态。

本发明所述含Cr高强度定膨胀合金的有益效果是，与现有同类型最高性能合金相比，本发明所述合金不仅具有良好的力学性能，尤其是具有满足特定需求的热膨胀性能，填补了定膨胀合金在这一区域的空白，并能够解决一些其它合金无法解决或解决不好的问题，从而促进相关行业的技术进步和产业发展，其经济效益和社会效益是显著的。

说明书附图

图1为实施例1制备的合金的平均线膨胀系数测试结果。

具体实施方式

下面对本发明作进一步的说明，但并不因此将本发明限制在所述的实施例范围之中。

实施例1：

高强度定膨胀合金，其化学成分按重量百分比计为：C：0.03；Si：0.10；Mn：0.60；Ni：35.0；Cr：2.5；Nb：0.8；Co：0.8；余量为Fe；

上述新型高强度定膨胀合金的制备方法，包括以下步骤：

a)熔炼

按其化学成分的重量百分比称取各组份，合金采用真空感应熔炼，在进行真空感应熔炼时，采用二次精炼工艺，第一次精炼温度略高、时间稍长；

第一次精炼

向炉内投入底料：Fe、Nb、Co、Ni、Cr，在温度高于1600℃，真空度控制15～25Pa的条件下熔炼，按0.6min/kg的时间熔炼；

第二次精炼

第二次精炼采用低温短时精炼，向炉内投入C、Si、Mn，加料后进行充分的机械及电磁搅拌，在温度高于1550℃以上，按0.5min/kg的时间熔炼，精炼末期真空度控制3Pa；

精炼完成之后，向炉内通入氩气保护，静置钢水10分钟，待钢水温度控制在1480℃时，进行快速浇注；

再经过电渣重熔，重熔时采用CaF₂-CaO-Al₂O₃三元渣系，重熔温度在1700℃左右，重熔速度约为0.6Kg/min，适当控制渣池的深度为140mm、电流3.5±0.5KA和电压45±2V，以确保重熔过程的稳定，重熔完毕前须进行热补缩5次，最后获得合金锭；

b)锻造

合金坯料为φ90mm钢锭，合金热锻造温度为850～1120℃、保温时间为80分钟；热轧温度为1100～1120℃、保温时间为60分钟；

c)固溶处理

合金在热加工后必须适时进行固溶处理以获取所需的组织结构，固溶处理制度为保温温度800℃、保温时间60分钟、水冷。

生产的合金棒，经车削去皮后制成合金棒材，应用于精密仪器支撑件。合金样品经稳定化热处理以后进行测试，稳定化处理制度为：310℃×4h+98℃×48h。

所得样品经测试，各项性能测试值见表3：

表3实施例1样品各项性能测试值

其平均线膨胀系数测试结果如图1所示。

实施例2：

高强度定膨胀合金，其化学成分按重量百分比计为：C：0.05；Si：0.20；Mn：0.50；Ni：37.5；Cr：1.0；Nb：0.8；Co：1.0；余量为Fe，生产的合金锭，经热加工、冷加工成合金材，应用于密封件。

制备方法同实施例1。所得样品经测试，各项性能测试值见表4：

表4实施例1样品各项性能测试值

虽然描述了本发明的实施方式，但本领域的普通技术人员可以在所附权利要求的范围内做出各种变形或修改。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (3)

1.一种含Cr高强度定膨胀合金，其特征在于，该合金的各组分的重量百分含量为：C≤0.08；Si≤0.40；Mn≤1.0；S≤0.010；P≤0.010；Ni：35.0～38.0；Cr：0.8～2.5；Nb≤1.0；Co：0.5～1.5；余量为Fe；该合金的平均线膨胀系数α_20-50℃、α_20-100℃和α_20-200℃为（1.9～3.0）×10^-6/℃，采用以下方法制得：

a）熔炼

按上述的重量百分比称取各组份，合金采用真空感应熔炼，在进行真空感应熔炼时，采用二次精炼工艺：

第一次精炼

向炉内投入底料：Fe、Nb、Co、Cr和Ni，在温度高于1600℃，真空度控制优于10Pa的条件下熔炼，按0.6～0.8min/kg的时间熔炼；

第二次精炼

第二次精炼采用低温短时精炼，向炉内投入其余合金元素，加料后进行充分的机械及电磁搅拌，在温度高于1550℃以上，按0.4～0.6min/kg的时间熔炼，待合金熔化完全之后，控制真空度优于5Pa，充氩气保护，静置钢水，调温至1480℃，然后进行快速浇注；

再经过电渣重熔，重熔时采用CaF₂-CaO₂-Al₂O₃三元渣系；

重熔温度在1700℃，重熔速度为0.6～1.0Kg/min，控制渣池的深度为100～150mm，根据结晶器规格的不同调整电流和电压,以确保重熔过程的稳定，熔炼完毕前须进行热补缩4～6次，最后获得合金钢锭；

b）锻造

合金热锻造温度为850～1120℃、保温时间为60～120分钟；

c）固溶处理

合金的固溶退火处理制度为保温温度700～900℃、保温时间60～120分钟、水冷：φ160mm以下钢锭保温60分钟，φ160mm以上钢锭保温120分钟；

d) 稳定化热处理，其热处理制度为：310℃×4h+98℃×48h。

2.根据权利要求1所述的合金，其特征在于，该合金的各组分的重量百分含量为：C：0.03；Si：0.10；Mn：0.60；S≤0.010；P≤0.010；Ni：35.0；Cr：2.5；Nb：0.8；Co：0.8；余量为Fe。

3.根据权利要求1所述的合金，其特征在于，该合金的各组分的重量百分含量为：C：0.05；Si：0.20；Mn：0.50；S≤0.010；P≤0.010；Ni：35.0；Cr：1.0；Nb：0.8；Co：1.0；余量为Fe。