[发明专利]一种具有负膨胀特性的合金及其制造方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种具有负膨胀特性的金属材料及其制造方法。

背景技术

随着技术进步和制造水平的提高，仪器仪表的温度稳定性要求更高，对金属材料提出了膨胀系数更低甚至膨胀系数为负的要求。空间相机的分辨率很高，要求其金属支撑材料的膨胀系数尽可能低以保证相机焦距的稳定性；另外，相机光学系统采用微晶玻璃，其膨胀系数α_10～100℃＝-0.5～0×10^-6/℃，要求金属支撑材料的膨胀系数与微晶玻璃匹配，以减少热应力，保证镜头的结构稳定。在一些具有温度补偿功能的精密仪表中，关键的结构件需要其材料具有负膨胀特性，以满足设计要求。

目前广泛使用的低膨胀合金有FeNi36(4J36)和FeNi32Co4Cu(4J32)，它们都具有比较低的膨胀系数，FeNi36(4J36)合金α_{室温～100℃}≤1.2×10^-6/℃，FeNi36(4J32)合金α_{室温～100℃}≤1.0×10^-6/℃，某些实际测量值甚至达到0.5×10^-6/℃。但都为正的膨胀系数。一些金属氧化物具有负膨胀效应但不具备合金特性，无法满足要求。

发明内容

本发明的目的就是通过合金成分设计和必要的冶金手段制备出一种在使用温度范围内膨胀系数为负值的合金材料，以满足空间相机及某些精密仪器仪表对负膨胀系数材料的使用要求。

为达到上述目的，本发明的合金化学成分重量百分比为：

C≤0.01％，Si≤0.1％，Mn≤0.2％，Ni 31.5～33.0％，Co 2.5～4.5％，Nb0.1～0.3％，S＜0.005％，P＜0.02％，余Fe及不可避免的杂质元素。

合金采用感应炉冶炼。冶炼过程中要严格控制为除去对加工和膨胀性能有害的氧元素所加入的C含量，使钢中残留C含量低于0.01％。为进一步降低C对负膨胀系数的影响，合金中加入一定量的Nb，经过适当的热处理工艺在合金中形成NbC，从而减少游离C对膨胀系数的影响。成分范围及C等微量元素的控制是本发`明的实质性特点所在。

冶炼后的合金采用常规金属压延技术，加工中的软化温度为800～1150℃。合金可加工成锻件、棒材、丝材及带材。

经大变形量冷加工或淬火都有可能使合金的膨胀系数显著降低甚至为负，这是由于合金中产生残余应力的影响。这种“负膨胀”是不真实也是不可靠的，在使用过程中随应力的释放膨胀系数会增加。为获得均匀的组织结构和稳定的负膨胀系数，合金采用三步热处理工艺：

第一步，800～900℃保温1小时，水淬。

第二步，300～350℃保温1小时，随炉冷却。

第三步，90～100℃，8～48小时稳定化处理。

经上述技术方案制成的材料具有稳定的负膨胀系数，α_10～100℃＝-0.5～0×10^-6/℃。

本发明的贡献在于：通过合金成分的设计，获得较其它合金更显著的反常膨胀效应，将膨胀系数降低到了负值，在10～100℃温度范围膨胀系数为-0.5～0×10^-6/℃的合金；采用的三步热处理工艺，减少了材料加工中的残余应力、稳定了合金组织和膨胀系数。

该合金与微晶玻璃膨胀系数匹配可加工制作空间相机的支撑件，提高相机对地观测精度；由于其膨胀系数极低可广泛用于微波发射与接收、大地测量等标准量具、具有温度补偿功能的仪器仪表和传感器装置。

下面通过实施例具体说明本发明的技术方案。

实施例1：

合金的化学成分(wt％)为C 0.01％，Si 0.05％，Mn 0.18％，Ni 32.41％，Co3.59％，Nb0.28％，P＜0.02％，S0.003％，余Fe。合金在真空感应炉中冶炼，浇铸圆钢锭，并在1050℃温度下保温一小时，锻成φ100mm成品。然后进行热处理：先850℃保温1小时，水淬；然后加热到320℃保温1小时，随炉冷却；再经90℃、30小时稳定化处理。用线切割方法取膨胀试样，规格为φ4×25，用TMA膨胀仪测量合金膨胀系数。结果为：α_10～100℃＝-0.05×10^-6/℃。合金经-50℃×2小时冷冻处理后不出现马氏体，合金性能稳定。

实施例2：