一种高强度低膨胀系数因瓦合金及其制造方法

技术领域

本发明属于合金材料领域，涉及一种因瓦合金及其制备方法，尤其涉及一种铸造工艺中具有高强度低膨胀系数的因瓦合金铸件及其制备方法。

背景技术

当温度发生变化时，大多数物体都会发生体积变化，即热膨胀或热收缩。这种体积变化是由于材料内部分子的热运动引起的。因瓦合金是一种低膨胀系数材料，它的热膨胀系数只有普通钢的1/10左右。因瓦合金中的镍元素是一种扩大奥氏体元素，使因瓦合金在室温下具有面心晶格结构的奥氏体组织，这种奥氏体组织在一定温度范围内具有低膨胀性，所以因瓦合金的热膨胀系数非常稳定。这意味着在温度变化时，因瓦合金形状和尺寸不易随温度变化而变化，可以保持较强稳定性，这种性能对于精密仪器和机械的结构精度和稳定性至关重要。但由于因瓦合金含碳量≤0.05％，抗拉强度517～590Mpa，屈服强度276～380Mpa，维氏硬度在160MPa左右，整体强度不高，限制了因瓦合金的应用。因此，在保留因特合金低膨胀性的同时，提高其力学性能成为当前研究的重要课题。

熔模精密铸造是因瓦合金成形的主要生产工艺，可生产出复杂形状铸件，并具有精度高、生产效率高、成本低和绿色无污染等优点。在熔模精密铸造工艺中，型壳是影响铸件质量的关键因素之一。因瓦合金的凝固收缩较大，易产生内部应力集中，进而出现热裂纹，影响铸件质量。为解决这一问题，需制备具有高强度、低膨胀系数和良好退让性的陶瓷型壳。

综上，发明一种具有高强度、低膨胀系数且在熔模精密铸造中铸件无热裂纹的因瓦合金及其制造方法，对于因瓦合金未来的发展应用具有重要意义。

发明内容

针对目前因瓦合金具有低膨胀系数，但强度不高、铸件易产生热裂纹，影响其发展应用等问题，本发明提供一种高强度低膨胀系数因瓦合金及其制造方法。

为实现上述发明目的，本发明采用如下技术方案：

如本发明的一个方面，提供一种高强度低膨胀系数因瓦合金，成分比例为：

Mo：0.5～1.5；Cr：0.5～1.5；Y:0.5；S≤0.005；P≤0.005；C≤0.05；

Si≤0.03；Mn：0.01～0.02；Ni：35.0～37.0，余量为Fe。

本发明的有益效果为：本发明中，因瓦合金成分中严格控制杂质元素S、P含量，纯净度高；并且通过添加Mo、Cr和Y元素，可起到第二相强化和细晶强化左右，有效提高合金力学性能。

如本发明的一实施方式，所述高强度低膨胀系数因瓦合金Mo与Cr元素的添加比例为1:1。

如本发明的另一个方面，提供了一种高强度低膨胀系数因瓦合金的制造方法，包括：刚玉粉料制备；型壳面层制备；型壳加固层制备；型壳脱蜡与焙烧；熔炼与浇注；

其中，所述刚玉粉料通过喷雾造粒的方式制备，氧化铝粉料成分比例为：1～1.5％硅微粉，1～1.5％氧化锆，0～0.5％滑石，余量氧化铝粉。氧化铝浆料成分比例为上述氧化铝粉及10～15％聚乙烯醇水溶液，0.1～0.3％消泡剂，0.5～2.5润滑剂，0.2～1.0％分散剂，经喷雾造粒制备的粉末尺寸为50～80μm。

本发明的有益效果为：本发明中，因瓦合金制得的刚玉粉料(50-80μm)，粉料颗粒级配比合理；且通过喷雾造粒工艺，粒度的均匀性和稳定性得到改善，获得的因特合金具有优良的力学性能。

如本发明的一实施方式，所述型壳面层为喷雾造粒制备后的刚玉粉料与硅溶胶混均，粉液质量比为3:1～5:1，添加物成分比例为0.5％～1.5％尼龙纤维，0～0.05wt％润湿剂，0～0.05wt％消泡剂，撒砂的锆酸钙砂粒度为80～150目。

如本发明的一实施方式，所述型壳加固层成分比例为铝矾土粉料，硅溶胶粘结剂，粉液质量比控制在2:1～5:1，添加物为长度0.05～0.15mm直径为3～8μm的碳纤维，含量为1～3％，撒砂的铝矾土粒度为20～100目。

如本发明的一实施方式，所述型壳经过脱蜡与焙烧后，采用真空感应悬浮炉进行熔炼，将提纯好的工业纯铁、工业纯镍以一定比例的制成合金，在熔炼3次后浇注至准备好的型壳中，获得铸件。

如本发明的一实施方式，所述方法得到的合金为本发明提供的所述的因瓦合金。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以如这些附图获得其他的附图。

图1为本发明高强度低膨胀系数的因瓦合金制造方法的工艺流程图。

图2为本发明实施例1、实施例2、实施例3的铸件模型图。

图3为本发明实施例1因瓦合金铸件合金成分图。

图4为本发明实施例1因瓦合金铸件合金力学性能图。

图5为本发明实施例2因瓦合金铸件合金成分图。

图6为本发明实施例2因瓦合金铸件合金力学性能图。

图7为本发明实施例3因瓦合金铸件合金成分图。

图8为本发明实施例3因瓦合金铸件合金力学性能图。

具体实施方式

现在将参考附图更全面地描述示例实施方式。然而，示例实施方式能够以多种形式实施，且不应被理解为限于在此阐述的实施方式；相反，提供这些实施方式使得本发明将全面和完整，并将示例实施方式的构思全面地传达给本领域的技术人员。

实施例1

生产一种测试合金热裂倾向性的因瓦合金铸件，铸件模型如图2所示，该实施例实施步骤如下：

该实施例中，合金原料中各元素所占重量百分比为Mo：0.5；Cr：0.5；Y:0.5；S≤0.005；P≤0.005；C≤0.05；Si≤0.03；Mn：0.015；Ni：36，余量为Fe。

该实施例中，采用喷雾造粒的方法制得刚玉粉料。首先将氧化铝及1％的硅微粉、1.5％氧化锆、0.5％滑石，经混合球磨制得氧化铝粉料。喷雾造粒前，在氧化铝粉料中加入10％聚乙烯醇水溶液作为粘结剂，0.1％的消泡剂、0.5％的润滑剂，以及0.2％的分散剂；使用喷雾干燥造粒机制备，造粒好的粉料通过震动摘选后得到尺寸为50～80μm的粉末。

该实施例中，将喷雾造粒后的刚玉粉料(50～80μm)加入到硅溶胶粘结剂中混均，粉液质量比为4:1，并添加0.5％的尼龙纤维，0.02wt％润湿剂以及0.02wt％消泡剂，均匀搅拌4.5h，制备成面层涂料；将涂料涂挂在蜡模上，采用粒度为80目的锆酸钙砂进行撒砂，在24℃环境温度、55％的环境湿度下烘干12h，获得一层面层型壳，重复上述操作3次形成一定厚度的面层型壳。

该实施例中，将铝矾土粉料、碳纤维(长度为0.05～0.15mm，直径为3～8μm含量为1％)与硅溶胶均匀混合，粉液质量比控制在3:1；采用粒度为60目的铝矾土砂进行撒砂，并在24℃环境温度、40％的环境湿度下干燥24h，获得一层加固层型壳；重复上述操作10次形成一定厚度的加固层型壳。

该实施例中，型壳脱蜡采用红外脱蜡工艺，加热温度在260℃，型壳焙烧的升温速度控制在100℃/h，在1000℃保温4h，炉冷到100℃出炉备用。

该实施例中，采用真空感应悬浮炉进行熔炼，将配备好的工业纯铁、工业纯镍以及一定比例的中间合金原料放入铜坩埚内，用机械泵和罗茨泵抽真空，在5×10

实施例1结果表明获得的因瓦合金铸件抗拉强度、屈服强度和延伸率分别为630MPa、420MPa和4.5％，经热膨胀测试结果表明合金在25℃～300℃下的平均膨胀系数为1.4×10-6℃-1，铸件表面无明显裂纹。

该实施例中，获得的因瓦合金铸件合金成分如图3所示，力学性能如图4所示。

实施例2

生产一种测试合金热裂倾向性的因瓦合金铸件，如图2所示，该实施例实施步骤如下：

该实施例中，合金中各元素所占重量百分比为Mo：1.0；Cr：1.0；Y:0.5；S≤0.005；P≤0.005；C≤0.05；Si≤0.03；Mn：0.015；Ni：36，余量为Fe。

该实施例中，采用喷雾造粒的方法制得刚玉粉料。首先将氧化铝及1.25％的硅微粉、1.25％的氧化锆、0.5％的滑石，经混合球磨制得氧化铝粉料。喷雾造粒前，在氧化铝粉料中加入13％聚乙烯醇水溶液作为粘结剂，0.2％的消泡剂、1.5％的润滑剂，以及0.6％的分散剂；使用喷雾干燥造粒机制备粉体，造粒好的粉料通过震动摘选后得到尺寸为50～80μm的粉末。

该实施例中，将喷雾造粒后的刚玉粉料(50～80μm)加入到硅溶胶粘结剂中混均，粉液质量比为4:1。添加1％的尼龙纤维，0.03wt％润湿剂以及0.03wt％消泡剂，均匀搅拌4.5h，制备成面层涂料，并将涂料涂挂在蜡模上；采用粒度为100目的锆酸钙砂进行撒砂，在24℃环境温度、55％的环境湿度下烘干12h，获得一层面层型壳，重复上述操作3次形成一定厚度的面层型壳。

该实施例中，将铝矾土粉料、碳纤维(长度为0.05～0.15mm，直径为3～8μm，含量为2％)与硅溶胶均匀混合，粉液质量比控制在3:1；采用粒度为60目的铝矾土砂进行撒砂，并在24℃环境温度、40％的环境湿度下干燥24h，获得一层加固层型壳；重复上述操作10次形成一定厚度的加固层型壳。

该实施例中，型壳脱蜡采用红外脱蜡工艺，加热温度在260℃，型壳焙烧的升温速度控制在100℃/h，在1000℃保温4h，炉冷到100℃出炉备用。

该实施例中，采用真空感应悬浮炉进行熔炼，将配备好的工业纯铁、工业纯镍以及一定比例的中间合金原料放入铜坩埚内，用机械泵和罗茨泵抽真空，至5×10

实施例2结果表明获得的因瓦合金铸件抗拉强度、屈服强度和延伸率分别为645MPa、430MPa和以及5.5％，经热膨胀测试结果表明合金在25℃～300℃下的平均膨胀系数为1.6×10-6℃-1，膨胀系数上升明显，铸件表面无明显裂纹。

该实施例中，获得的因瓦合金铸件合金成分如图5所示，力学性能如图6所示。

实施例3

生产一种测试合金热裂倾向性的因瓦合金铸件，如图2所示，该实施例实施步骤如下：

该实施例中，合金中各元素所占重量百分比为Mo：1.5；Cr：1.5；Y:0.5；S≤0.005；P≤0.005；C≤0.05；Si≤0.03；Mn：0.015；Ni：36，余量为Fe。

该实施例中，采用喷雾造粒的方法制得刚玉粉料。首先将氧化铝及1.5％的硅微粉、1％的氧化锆、0.5％的滑石，经混合球磨制得氧化铝粉浆料。喷雾造粒前，在氧化铝粉浆料中加入15％聚乙烯醇水溶液作为粘结剂，0.3％的消泡剂、2.5％的润滑剂、以及1.0％的分散剂。使用喷雾干燥造粒机制备，造粒好的粉料通过震动摘选后得到尺寸为50～80μm的粉末。

该实施例中，将喷雾造粒后的刚玉粉料(50～80μm)加入到硅溶胶粘结剂中混均，粉液质量比为4:1。添加1.5％的尼龙纤维，0.05wt％润湿剂以及0.05wt％消泡剂，均匀搅拌4.5h，制备成面层涂料；将涂料涂挂在蜡模上，采用粒度为120目的锆酸钙砂进行撒砂；并在24℃环境温度、55％的环境湿度下烘干12h，获得一层面层型壳，重复上述操作3次形成一定厚度的面层型壳。

该实施例中，将铝矾土粉料、碳纤维(长度为0.05～0.15mm，直径为3～8μm含量为3％)与硅溶胶均匀混合，粉液质量比控制在3:1；采用粒度为60目的铝矾土砂进行撒砂，并在24℃环境温度、40％的环境湿度下干燥24h，获得一层加固层型壳；重复上述操作10次形成一定厚度的加固层型壳。

该实施例中，型壳脱蜡采用红外脱蜡工艺，加热温度在260℃，型壳焙烧的升温速度控制在100℃/h，在1000℃保温4h，炉冷到100℃出炉备用。

该实施例中，采用真空感应悬浮炉进行熔炼，将配备好的工业纯铁、工业纯镍以及一定比例的中间合金原料放入铜坩埚内，用机械泵和罗茨泵抽真空，至5×10

实施例3结果表明获得的因瓦合金铸件抗拉强度、屈服强度和延伸率分别为650MPa、445MPa和4.5％，经热膨胀测试结果表明合金在25℃～300℃下的平均膨胀系数为1.8×10-6℃-1，铸件表面无明显裂纹。

该实施例中，获得的因瓦合金铸件合金成分如图7所示，力学性能如图8所示。

在具体技术中，仅选用本发明的高强度低膨胀因特合金制备方法，获得的因特合金铸件仍保持较低的热膨胀系数，铸件表面无明显裂纹。

由上述技术方案可知，本发明高强度低膨胀系数因瓦合金及其制造方法的优点和积极效果在于：

(1)本发明中提供的因瓦合金成分与YB/T5241中4J36相比，添加了Mo、Cr和Y元素，可起到第二相强化和细晶强化左右，有效提高合金力学性能。

(2)本发明中提供的因瓦合金与YB/T5241中4J36合金相比，成分波动小，杂质元素S、P含量极低。再经真空感应悬浮熔炼后，合金成分纯净度更高。同时，合金杂质含量降低对其热膨胀性影响也降到了最低。

(3)本发明中制备陶瓷型壳面层成分为喷雾造粒制得的刚玉粉料(50～80μm)，粉料颗粒级配比合理，且喷雾造粒工艺使刚玉粉料有很好的均匀性和稳定性。型壳面层制备中的添加物可以提高粉末性能，例如添加的尼龙纤维可降低型壳的残余强度，提高型壳的退让性。经过撒砂后面层型壳强度和抗剥落能力提高，具有高导热系数和低膨胀性等优点。

(4)本发明中在型壳加固层中添加了1～3％的碳纤维，提高了型壳的强度，减少了型壳层数，提高了型壳退让性，避免因瓦合金铸件出现热裂纹和其他缺陷。

本发明所属技术领域的普通技术人员应当理解，上述具体实施方式部分中所示出的具体成分和工艺过程仅仅为示例性的，而非限制性的。而且，本发明所属技术领域的普通技术人员可对以上所述所示的各种技术特征按照各种可能的方式进行组合以构成新的技术方案，或者进行其它改动，而都属于本发明保护的范围之内。