專利名稱：具有低熱膨脹的抗蠕變鐵鎳合金的制作方法
技術領域：
本發明涉及抗蠕變和低膨脹的鐵鎳合金，特別是用于生產屏幕蔭罩框架部件。
已知包含大約36％鎳的鐵基合金在20℃～100℃的溫度范圍內具有低的膨脹系數。因此，這些合金在不管溫度如何變化而要求恒定長度的場合例如精密儀器、手表、雙金屬已有數十年的應用。具有甚至在不適宜的光條件下的高分辨率、彩色保真度和對比度的計算機監視器和彩色電視機的發展以及特別是面向越來越平和更大的屏幕的發展導致用作蔭罩的鐵鎳材料的使用增加。在20℃～100℃的溫度范圍內，因為這是顯像管內最常見的溫度，軟化退火狀態含大約36％鎳的工業的鐵鎳合金的熱膨脹系數在1.2～1.8×10-6/K之間甚至更高，如在“Stahl-Eisen-Werkstoffblatt”(鋼鐵材料論文)(SEW-385，發表于1991)中闡述的。特別對于蔭罩，使用含大約36％鎳的先進材料，其可以獲得在20℃～100℃的溫度范圍內在0.6～1.2×10-6/K之間的低熱膨脹系數。
對于在中框架加有預應力的蔭罩，需要具有與至今使用的合金相比改進了蠕變抗力的低膨脹材料。蔭罩和蔭罩的框架部件在最高至大約580℃的溫度下承受所謂的黑化退火。在這里產生一黑色鐵氧化物層，通過它獲得好的視覺印象質量。
至今使用的含大約36％鎳的鐵基合金在如下試驗條件下獲得大約2.6％的蠕變抗力A80580℃，1小時，載荷138MPa。
在蔭罩垂直方向的原始應力通過垂直框架部件產生。因為迄今已使用含大約41％鎳的鐵鎳合金，因此這些合金作為如金屬玻璃密封或引線框架的材料已公知。技術特征如下在與前述含36％鎳的合金同樣的條件即580℃，1小時，載荷138MPa下測量，蠕變抗力A80大約0.5％。按照在20℃～100℃的溫度范圍內大約4.8×10-6/K的熱膨脹系數，使用這種合金制成的垂直框架部件與由含大約36％鎳的鐵鎳合金制成的蔭罩相比膨脹較大。
水平框架部件與蔭罩應具有相同的膨脹特征，以便水平框架部件和蔭罩使用相同的含36％鎳的鐵鎳合金。
象對于蔭罩，也對于框架部件，需要與至今使用的合金相比具有對最高到580℃的溫度下更好的蠕變抗力的材料。膨脹系數的溫度和尺寸依賴關系應大體相當于至今使用的材料。
還進一步知道在鐵鎳合金中加入合適的添加劑可以導致析出相產生。例如Ti和Al相互配合作為這樣的添加劑加入。γ(Ni3Ti/Ni3Al)相的形成提高了表觀屈服點和強度。
然而，Ti和Al元素總量太高會使熱膨脹系數太高。
由DE-C 29 40 532，已知一種在20℃～300℃的溫度范圍內具有線膨脹系數小于5×10-6/℃和20℃時表觀屈服點在350N/mm2以上的時效硬化鎳鐵鑄造合金，其含35-45重量％的鎳，少于4重量％的自由Ti，0-1重量％的Nb，1.5-2.5重量％的Co，其余為鐵和依賴于融化過程的雜質。該合金適合做機械的和熱的高應力機械部件，例如氣動壓力波機械的轉子。
按照如下方式優化抗蠕變和低膨脹鐵鎳合金是本發明的目的不再存在所述先有技術的缺點、可低成本制造和特別可作為蔭罩框架部件使用。
本目的可以通過抗蠕變和低膨脹鐵鎳合金獲得，其含(以重量％計)除了最多0.2％的C，最多0.3％的Mn，最多0.3％的Si外，Al含量在0.05～3.0％之間，Ti含量在0.1％～3.0％之間，≤1.0％Nb，還有Ni含量在39.0～45.0％之間，其余的為鐵和生產過程引入的雜質，以及具有在20℃～100℃的溫度范圍內熱膨脹系數＜6.0×10-6/K。
按照本發明的該合金的有利形式揭示在相關的附屬權項中。
驚奇地發現，當在所述鐵鎳合金中僅僅分別加入確定數量的Al和Ti時，在冷軋狀態下鐵鎳合金在580℃，負載138MPa下獲得所需的蠕變抗力的改善。
使用按照本發明的鐵鎳合金可以獲得作為使用材料特別是做蔭罩的垂直框架部件所要求的技術特征，該合金含Ni在39.0～45.0重量百分比之間。
優選的組成除鎳和鐵之外，主要是Al為1.0～2.5重量百分比和再有(以重量百分比計)最多0.02％的C以及，一旦有的話，最多0.1％Mn，最多0.1％的Si和很少量的與生產過程有關的雜質。按照本發明的合金在制造過程中表現出優良的加工性和不需要任何附加的工藝步驟。其進一步顯示對于與所述要求相應的熱特性的長期穩定性。
按照本發明，合金E1，由于其Al含量而可以時效硬化，在580℃的試驗溫度、138MPa的負載1小時下，與一般按照先有技術含41％Ni的常規T2鐵鎳合金相比，獲得A80＝0.17％蠕變抗力的明顯的改善。
本發明的目的優選可用于如下制品-恒溫裝置用雙金屬的無源組件-激光技術的組件-引線框架-金屬玻璃密封-屏幕和監視器蔭罩的框架部件-電子槍特別是電視管的結構部件-制造、儲藏和運輸液化氣的組件按照本發明的E1合金和與先有技術相應的T1和T2合金在580℃的試驗溫度、施加或不施加載荷的熱拉伸試驗中確定的機械特征以及磁矯頑場強度和熱膨脹系數的特性對比列于表1。合金 E1E2T1T2580℃熱拉伸試驗殘余變形屈服應力RP0.005(N/mm2) 369 261 189RP0.2(N/mm2)574 206 322 312屈服強度Rm(N/mm2) 613 566 381 411斷裂延伸率4.3 186.4 7.5A80(％)蠕變抗力(138N/mm2載荷)A80(580℃1小時)(％) 0.17 0.06 2.61 0.54矯頑磁場強度HC(580℃/15分鐘)(A/m)433 424 405HC(580℃/1小時)(A/m) 327 154 170熱膨脹系數(從20℃至試驗溫度T，以10-6/K計)T(℃)50 4.784.110.634.98100 4.813.991.264.88150 4.833.951.764.62200 4.954.042.454.49250 5.094.283.694.42300 5.745.155.474.52350 6.946.387.015.18400 8.017.498.286.31450 8.929.439.347.28500 9.609.2210.23 8.14550 10.30 9.8910.98 8.91600 11.09 10.47 11.61 9.69表1按照本發明的合金E1對比與先有技術相應的T1和T2，由熱拉伸試驗確定的機械特征如殘余變形屈服應力、屈服強度、580℃的斷裂延伸率，以及580℃138MPa負荷1小時下的蠕變抗力、矯頑磁場強度和熱膨脹系數。試樣由1.4mm冷軋帶制備。
就E2合金而論，試樣在試驗之前是軟化退火和時效硬化的(蠕變抗力試驗時載荷為200MPa)。
按照本發明合金E1連同與先有技術相應的合金T1和T2的矯頑磁場強度HC在580℃15分鐘熱處理之后幾乎相同。580℃1小時熱處理后，按照本發明合金E1矯頑磁場強度HC對于用作蔭罩框架部件的材料是足夠低的。
就按照本發明的合金E1而論，在20℃～100℃溫度范圍的熱膨脹系數大約為4.8×10-6/K，因此可以滿足用作垂直框架部件材料的要求。按照本發明的合金E1的膨脹系數的溫度依賴性和與先有技術相關的合金T2的膨脹系數的溫度依賴性相似。示于

圖1，籍此可以看出合金E1和T2的膨脹系數在270℃～320℃之間與合金T1的膨脹系數交叉，以至于低鎳含量合金的熱膨脹系數在交叉溫度以下小于高鎳含量合金的熱膨脹系數。在交叉溫度以上，情形相反。熱膨脹系數的拐點溫度大致相當于相應合金的居里點溫度TC。
圖1按照本發明合金E1和E2以及與先有技術相應的合金T1和T2的膨脹系數的溫度依賴性按照本發明的合金E1和E2的示例化學成分對比與先有技術相應的合金T1和T2的化學成分列于表2。元素E1 E2 T1 T2(重量％)C 0.002 0.020 0.003 0.007S 0.00140.00060.00020.0030N 0.001 0.001 0.00250.002Cr0.01 0.06 0.03 0.03Ni42.95 42.2 36.15 40.80Mn0.01 0.12 0.24 0.55Si0.01 0.16 0.06 0.17Mo0.05 0.01Ti＜0.011.85 ＜0.010.005Nb 0.52 0.01 ＜0.01Cu0.020.05 0.04Fe余余63.3 58.30P 0.002 0.009 0.002 0.003Al1.88 0.13 0.007 0.002Mg0.0002 0.002 ＜0.001Pb ＜0.001 0.001 0.001Ca0.0007zr＜0.01＜0.01Co0.01 0.02 0.04 0.04O 0.001 0.002 0.002 0.002表2按照本發明的合金E1和E2的示例化學成分對比與先有技術相應的合金T1和T2的示例化學成分在下述表中描述了按照本發明合金E1化學成分的限量。元素E1(重量％)最小 最大C 0.2S 0.005Cr0.2Ni 39.0 45.0Mn0.3Si0.3Mo0.1Ti0.1Nb0.01Cu0.1FeR100.0P 0.005Al 0.1 3.0Mg0.005Zr0.10Co0.3O 0.001表3按照本發明合金E1化學成分的限量。
按照本發明合金的另一個實施例是變型E2。按照表4，優選的成分包含除39.0-45.0％的Ni外，還含有1.5-2.5％的Ti、0.05-0.3％的Al和0.2-1.0％Nb以及余量鐵和與生產過程有關的雜質。
在下述表中描述了按照本發明合金E2化學成分的限量。元素E2(重量％)最小 最大C 0.2S 0.005Cr0.2Ni 39.0 45.0Mn0.3Si0.3Mo0.3Al 0.05 0.3Nb 0.2 1.0Cu0.3FeR100.0P 0.01Ti 0.5 2.5Mg0.005Zr0.10Co0.5O 0.003表4按照本發明合金E2化學成分的限量。
首先合金E2在軟化退火狀態下改制成框架部件。然后在時效硬化狀態下(即750℃30分鐘)，它在580℃、載荷增加到200MPa、1小時的情形下在蠕變抗力試驗中滿足A80＜0.1％的高要求。機械、磁和熱膨脹特性值列于表1。按照本發明合金E1典型的成分由表2可知。
權利要求
1.抗蠕變和低膨脹鐵鎳合金，其含，以重量％計，除了最多0.2％的C，最多0.3％的Mn，最多0.3％的Si外，Al含量在0.05～3.0％之間，Ti含量在0.1％～3.0％之間，≤1.0％Nb，還有Ni含量在39.0～45.0％之間，其余的為鐵和與生產過程有關的雜質，以及具有在20℃～100℃的溫度范圍內熱膨脹系數＜6.0×10-6/K。
2.根據權利要求1的鐵鎳合金，其特征在于，以重量％計，C含量設置為最多0.02％以及Al含量在1.5～2.5％之間。
3.根據權利要求1的鐵鎳合金，其特征在于，以重量％計，C含量限制在最多0.02％以及Ti含量在1.5～2.5％之間。
4.根據權利要求1至3中任一項的鐵鎳合金，其特征在于，以重量％計，Mn含量限制在最多0.05％以及Si最多0.05％。
5.根據權利要求1至4中任一項的鐵鎳合金，其特征在于，以重量％計，加入Co≤0.5％。
6.根據權利要求1至5任一項的鐵鎳合金用作恒溫裝置用雙金屬的無源組件。
7.根據權利要求1至5任一項的鐵鎳合金用作制造、儲藏和運輸液化氣的組件。
8.根據權利要求1至5任一項的鐵鎳合金用作激光技術的組件。
9.根據權利要求1至5任一項的鐵鎳合金用作引線框架。
10.根據權利要求1至5任一項的鐵鎳合金用作金屬玻璃密封。
11.根據權利要求1至5任一項的鐵鎳合金用作屏幕或監視器蔭罩的框架部件。
12.根據權利要求1至5任一項的鐵鎳合金用作電子槍特別是電視管的結構部件。
全文摘要
本發明涉及抗蠕變和低膨脹鐵鎳合金,其含(以重量%計)除了最多0.2%的C,最多0.3%的Mn,最多0.3%的Si外,Al含量在0.05～3.0%之間,Ti含量在0.1%～3.0%之間,≤1.0%Nb,還有Ni含量在39.0～45.0%之間,其余的為鐵和與生產過程有關的雜質,以及具有在20℃～100℃的溫度范圍內線膨脹系數<6.0×10
文檔編號C22C38/00GK1357056SQ00809300
公開日2002年7月3日 申請日期2000年2月16日 優先權日1999年7月22日
發明者B·格爾曼, B·厄潘貝克, U·布里爾 申請人:克魯普德國聯合金屬制造有限公司