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因瓦合金的特性分析及应用前景

日期: 2016-11-04
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1896年法国物理学家C.E.Guialme发现了一种奇妙的合金,这种合金在磁性温度即居里点附近热膨胀系数显著减少,出现所谓反常热膨胀现象(负反常),从而可以在室温附近很宽的温度范围内,获得很小的甚至接近零的膨胀系数,这种合金的组成是64%Fe36%Ni,呈面心里方结构,其牌号为Dilaton 36/4J36,它的中文名字叫殷钢,英文名字叫因瓦合金(invar),意思是体积不变。这个卓越的合金对科学进步的贡献如此之大,致使其发现者法国人C.E.Guilaume为此获得1920年的诺贝尔奖,在历史上他是第一位也是唯一的科学家因一项冶金学成果而获此殊荣。

一、因瓦效应

因瓦合金(德镍 Dilaton36)自从十九世纪被发现以来,人们就被它的巨大的工业应用潜力和所蕴含的丰富的物理内容所吸引,因瓦效应的研究不仅是阐明金属及其合金、化合物磁性起源的重要途径,而且在精密仪器仪表、微波通讯、石油运输容器以及高科技产品等领域有广泛的实际作用,因而因瓦合金是许多冶金材料学家力于开拓的新材料领域,其机理也是凝聚态物理学家尚待解决的难题。一般来说,绝大多数金属和合金都是在受热时体积膨胀,冷却时体积收缩,它们的热膨胀系数呈线性增大,但是元素周期表中的铁、镍、钴等过渡族元素组成的某些合金,由于它们的铁磁性,在一定的温度范围内,热膨胀不符合正常的膨胀规律,具有因瓦效应的反常热膨胀。例如,因瓦合金(Invar)在居里点以上的热膨胀与一般合金相似,但在居里点以下形成反常热膨胀,为了搞清因瓦合金的机理,科学家们作了大量的实验,试验表明,它的机理与化学成分及磁性有关,它在一定范围的线膨胀系数是由低膨胀和高膨胀两部分组成,含镍量在一定范围内的增减会引起铁、镍合金线膨胀系数的急剧变化。当含有32%-36%的镍合金具有很低的线膨胀系数,一般平均膨胀系数为ã=1.5×10-6 /,当含Ni量达到36%时,因瓦合金热膨胀系数最低,达到a=1.8×10-6 /,从而可获得低到接近零值甚至负值的热膨胀系数。该合金在居里温度以上(230),失去了磁性,膨胀系数变大,而在居里点Tc附近热胀系数比正常的系数小,出现所谓的“负反常”现象。为什么因瓦合金会随化学成分及磁性的变化会出现“负反常”的热膨胀系数?科学家根据试验结果,在理论方面对其进行了广泛的研究,研究表明因瓦效应主要是在具有面心里方的γ-Fe中出现,在γ相和α相的相界,当α相为零时就出现因瓦效应,像这样关于只在γ-Fe系合金中出现因瓦效应的原因,目前有各种解释,但是大多数人认为,有两种:

1)在fcc合金中,Fe具有高自旋和低自旋两种不同的能态,高自旋态使铁磁性稳定并使合金的体积膨胀。这样从居里温度以上的温度区逐渐降低过程中Fe从低自旋向高自旋能态过渡,使合金体积逐渐膨胀。但是,随着温度的降低,晶格振动减弱,合金体积也同时缩小,这个效应与Fe的磁性膨胀之间发生竟争,结果使实际体积变化减小,产生正的自发体积磁致伸缩,使因瓦合金在居里点附近出现所谓的“负反常”。

2invar合金的费米能级位于d能带低能态密度附近,从而在铁磁性极化的同时,电子动能的增长比普通合金大得多,能带宽度减小(能态密度提高),使之力图减少动能的增长,而能带宽度的减小相当于晶格膨胀,即磁性膨胀,其结果和上述(1)一样,由于晶格膨胀与晶格振动相竞争,于是出现低膨胀特性。考察以上两种见解,可以发现,invar效应是由Fcc立方Fe基合金的铁磁性的能态所具有的一种特性引起的,这是上述两种解释都包含的共同概念。根据这个概念,可以设计其它因瓦合金。

二、因瓦合金的特性

因瓦合金(德镍 Dilaton36)属于铁基高镍合金,通常含有32%-36%的镍,还含有少量的SPC等元素,其余为60%左右的Fe,由于镍为扩大奥氏体元素,故高镍使奥氏体转为马氏体的相变降至室温以下,-100~-120℃,因而经退火后,因瓦合金在室温及室温以下一定温度范围内,均具有面心晶格结构的奥氏体组织,也是镍溶于γ-Fe中形成的固溶体,因而因瓦合金具有以下性能。

1.膨胀系数小

因瓦合金也叫不胀钢,其平均膨胀系数一般为1.5×10-6℃,含镍在36%是达到1.8 ×10-8℃,且在室温-80℃—+100℃时均不发生变化。

2.强度、硬度不高

因瓦合金含碳量小于0.05%,硬度和强度不高,抗拉强度在517Mpa左右,屈服强度在276Mpa左右,维氏硬度在160左右,一般可以通过冷变形来提高强度,在强度提高的同时仍具有良好的塑性。

3.导热系数低

因瓦合金的导热系数为0.0260.032cal/cmsec•℃仅为45钢导热系数的1/3-1/4

4.塑性、韧性高

因瓦合金的延伸率和断面收缩率以及冲击韧性都很高,延伸率δ= 25-35%,冲击韧性αK=18-33公斤/厘米2

5.其它性能

由于因瓦合金含镍较高,提高了钢的淬透性和可淬性,提高了钢的耐气性,耐蚀性和耐磨性。

通过因瓦合金的化学成分、金相组织及机械、物理性能分析可知,因瓦合金的切削加工性与奥氏体不锈钢类似,但比奥氏体不锈钢还要难加工,故因瓦合金在加工中主要具有切削力大、切削温度高、刀具磨损快等特点,因而因瓦合金在加工过程中,出现软、粘和很大的塑性,切屑不易折断,增加了切屑和前到面的摩擦,加剧了刀具的磨损,这样不仅降低了刀具的耐用度,而且降低了工件的加工精度,因而在加工因瓦合金加工时,必须采用高性能的硬质合金涂层刀具和新的加工方法,才能使切削加工顺利进行,只要方法得当,就可使难加工的因瓦合金变得很容易加工,使因瓦合金由“难加工成变成易切削”是我们研究因瓦合金材料性能的宗旨,也是我们所要达到的目标。

三、因瓦合金的发展及应用前景

自从因瓦合金(德镍 Dilaton36)的发现,引起了世界各国科学家的重视和研究,使得因瓦合金无论是从种类还是从性能和应用上都得到了极大的提高。如1927年日本增本量首先研制出FeNiCoFeNiCr因瓦合金,1937年德国A..Kussmann研制出FePtFePd因瓦合金等;我国在五、六十年代也研制出4J324J36因瓦合金;经过将70年的发展,直到20世纪70年代,美国Inco公司研制出Incoloy903合金,才使低膨胀合金进入了高温用途领域,到80年代末期,才形成了现代低膨胀超合金系列。作为低膨胀合金都要求组织稳定性,一般要求在-60℃~-70℃下不发生马氏体相变。因为一发生这种相变,合金的膨胀系数会发生突变,导致应用出现故障,这是不允许的。可贵的是,FeNi36因瓦合金和FeNi32Co4超因瓦合金,在-273℃下也能保持组织稳定性,因而至今广泛应用的只有因瓦合金和超因瓦合金,近几年来在改进它们的质量,扩大使用范围,科学家们做了大量的研究工作,经过100多年的发展,因瓦合金仍然是被广泛应用的经久不衰的优质材料。

在因瓦合金问世的一百多年以来,取其低膨胀系数低这一特征的应用领域迅速扩大,用因瓦合金制造的精密仪器仪表、标准钟的摆杆、摆轮及钟表的游丝成为早期最重要的产品,在上世纪20年代用因瓦合金代替铂用作于玻璃封接的引丝,大大的降低了成本;到了五、六十年代,因瓦合金的用途继续扩大,主要用于无线电电子管、恒温器中作控温用的热双金属片、长度标尺、大地测量基线尺等;到了八九十年代,广泛用于微波技术、液态气体储容器、彩电的阴罩钢带、架空输电线芯材、湝振腔、激光准直仪腔体、三步重复光刻相机基板等。进入21世纪之后,随着航天技术的飞速发展,新的应用还包括用在航天遥感器、精密激光、光学测量系统和波导管中作结构件、显微镜、天文望远镜中巨大透镜的支撑系统和需要安装透镜的各种各样科学仪器中。

总之,随着因瓦合金不断应用于人造卫星、激光、环形激光陀螺仪和其他先进的高科技产品,有力地表明这些古老的材料正在帮助现代科学向更高水平迈进。

因瓦合金的特性分析及应用前景

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