因瓦合金(jīn)的特性分(fèn)析及應用(yòng)前景(jǐng)
點擊量:1055 發布時間(jiān):2016-11-04 作者:快猫视频APP下载安装(上海(hǎi))增材製(zhì)造技術有限公司
1896年法國物理學家C.E.Guialme發現了一種奇妙的合金,這種合金在磁性溫度即居裏點附近熱膨脹(zhàng)係數顯著減少,出現所謂反常熱膨脹現象(負反常),從而可以在室溫附近很(hěn)寬的(de)溫度範圍內,獲得很小的甚至接近(jìn)零的膨脹係數,這種合金的組成是64%的(de)Fe和36%的Ni,呈麵心裏方結構,其牌號為(wéi)Dilaton 36/4J36,它的中文名字叫殷鋼,英文名字叫因瓦合金(invar),意思是體積不變。這個卓越的合金對科學進步的貢獻如此之大,致使其發現者法國人C.E.Guilaume為此(cǐ)獲得(dé)1920年的諾貝爾(ěr)獎,在曆史上他(tā)是第一位也是唯一的科學家因(yīn)一項冶金學成果而獲此殊榮。
一、因瓦效(xiào)應
因(yīn)瓦合(hé)金(jīn)(德鎳 Dilaton36)自從十九世紀被發現以來,人們就被它的(de)巨大的工業應用潛力和(hé)所(suǒ)蘊含的豐富的物理內(nèi)容所吸引,因瓦效(xiào)應的研究不僅是闡(chǎn)明金屬及其(qí)合金、化合物磁性起源的重要途徑,而且在精密(mì)儀器儀表、微波通訊、石油運輸容器以及高科技產品等領域有廣泛的實際作用(yòng),因而(ér)因瓦合金是許多冶金材料學家力於開拓的新材料(liào)領域(yù),其機理也是凝聚態物理學家尚待解決(jué)的難題。一般來說,絕大多數(shù)金屬和合金都是(shì)在受熱時體積膨(péng)脹,冷(lěng)卻時體積收縮,它們的熱膨脹係數呈線性增大,但是(shì)元素周期表中的鐵、鎳、鈷等過渡族元素組成的某些合金,由於它們的鐵磁性,在一定的溫度範圍內(nèi),熱膨脹(zhàng)不符合正常的膨脹規律,具有因瓦(wǎ)效應的反常(cháng)熱(rè)膨脹。例如,因瓦合金(Invar)在(zài)居裏點以上的熱膨脹與一般合金相似,但(dàn)在居裏點以下形成反常熱膨脹,為了搞清因瓦合金的機理,科(kē)學家們(men)作了大量的實驗(yàn),試驗表明,它的機理與化學成分及磁性有關,它在一定範(fàn)圍的線膨脹係(xì)數是由低膨(péng)脹和(hé)高膨脹兩部分組成,含鎳量在一定範圍內的增減會引起鐵、鎳合金線膨脹係數的急劇變化。當含有32%-36%的鎳合金具有(yǒu)很(hěn)低的線膨(péng)脹係數,一般平均(jun1)膨脹係數(shù)為ã=1.5×10-6 /℃,當含Ni量達到36%時,因瓦(wǎ)合金(jīn)熱膨脹係數最低,達到a=1.8×10-6 /℃,從而可獲(huò)得低到接近零值(zhí)甚至負值的熱膨脹係數。該合金在居裏溫(wēn)度以上(230℃),失去了磁性,膨脹係數變大,而在居裏點(diǎn)Tc附近熱脹係數比正常(cháng)的係數(shù)小,出現所謂的“負反常”現象(xiàng)。為什麽因瓦合金會隨(suí)化學成分及磁性(xìng)的變化會出現“負反常”的熱膨脹係數(shù)?科學家根據試驗結(jié)果,在理論方麵對其進行(háng)了廣泛的研究,研究表明因瓦效應主要是在具有麵心裏方的γ-Fe中出現,在γ相和α相的相界,當α相為零時就出(chū)現因瓦效應,像這樣(yàng)關於(yú)隻在γ-Fe係(xì)合金中出現因瓦效應的原因(yīn),目前有(yǒu)各種解釋,但是大多數人認為,有兩種:
(1)在fcc合金中,Fe具有高自旋和低自旋兩種不同的能(néng)態,高自旋態使鐵磁性穩定並使合金的體積膨脹。這樣從居裏溫度以上的溫度區逐(zhú)漸降低過程中(zhōng)Fe從低自旋向高自旋能態過渡,使合金體積逐漸膨(péng)脹。但是,隨著溫度的降低,晶格振動減弱,合金體積也同時縮小,這個效(xiào)應與Fe的磁性膨脹之間發生竟爭,結果使實(shí)際體積變化減小,產生正的自發(fā)體積磁(cí)致伸縮,使因瓦合(hé)金在居裏(lǐ)點附近出(chū)現所謂的“負反常”。
(2)invar合金的費米能級位於d能帶低能態密度附近,從而在鐵磁性極化的同時(shí),電子動能的增長(zhǎng)比普通合金大得多,能帶寬度減小(能態密度(dù)提高),使之力圖減少動能的增長,而能帶寬度的減(jiǎn)小相當於晶格膨脹,即磁性膨脹,其結果和上述(1)一樣(yàng),由於晶格膨(péng)脹與(yǔ)晶格振動相競爭,於(yú)是出現低膨脹特性。考察以上兩種見解,可以發現,invar效(xiào)應是由Fcc立方Fe基(jī)合金的鐵磁性的能態所具有的一種特(tè)性引起的,這是上(shàng)述兩種解釋都包含的共同概念。根據這個概(gài)念,可以設(shè)計其它因瓦合金。
二、因瓦合金(jīn)的特性(xìng)
因瓦合金(德鎳 Dilaton36)屬於鐵基高鎳(niè)合金,通(tōng)常含(hán)有32%-36%的鎳,還含有少量的S、P、C等元素,其餘(yú)為60%左右的Fe,由於(yú)鎳為擴大(dà)奧(ào)氏體(tǐ)元素,故高鎳使奧氏體(tǐ)轉為馬氏體(tǐ)的相變降至室溫以下,-100~-120℃,因而經退火後,因瓦(wǎ)合金在室溫及室溫以下一定溫度範(fàn)圍內,均具有麵心晶(jīng)格結構(gòu)的奧(ào)氏體組織,也是鎳溶於γ-Fe中形成的固溶體,因而因瓦合金具有以(yǐ)下(xià)性能(néng)。
1.膨脹係數小
因瓦合金也叫不脹鋼,其平均膨脹係數一般為1.5×10-6℃,含鎳在36%是達到1.8 ×10-8℃,且在室溫-80℃—+100℃時均不發生變化。
2.強度、硬(yìng)度不高
因瓦合金含碳量小於0.05%,硬度和強(qiáng)度不高(gāo),抗拉強度(dù)在517Mpa左(zuǒ)右(yòu),屈服強(qiáng)度在276Mpa左右,維氏硬度在160左右(yòu),一般可以(yǐ)通過冷變形來提高(gāo)強度,在強度提高的同時仍具(jù)有良好的塑性。
3.導熱係數低
因瓦合金的導熱係數為0.026~0.032cal/cm•sec•℃,僅為45鋼導熱(rè)係數的1/3-1/4。
4.塑性、韌性高
因瓦(wǎ)合金的延伸率和斷麵收縮率以及衝擊韌(rèn)性(xìng)都很高,延伸(shēn)率δ= 25-35%,衝擊韌(rèn)性αK=18-33公斤米/厘米2。
5.其(qí)它性能
由(yóu)於因(yīn)瓦合金含(hán)鎳較高,提高了鋼的淬透(tòu)性和可淬性(xìng),提(tí)高了(le)鋼的耐氣性,耐蝕性和耐(nài)磨性。
通過因瓦(wǎ)合金的化學成分、金相組織及機械、物理性能分析可(kě)知,因(yīn)瓦合金的切削加工性與(yǔ)奧氏體不鏽鋼類似,但比奧氏體不鏽(xiù)鋼還要難加工,故因瓦合金在加工中主要具有切削(xuē)力(lì)大、切(qiē)削溫度高、刀具磨損快等特(tè)點(diǎn),因而因瓦合金在加工過程中,出現軟、粘和很大的塑(sù)性,切屑不易折斷,增加了切屑和前到麵的摩擦,加劇了(le)刀具的磨損,這樣不僅(jǐn)降低了刀具的(de)耐用度,而且降低(dī)了工件的加工精度,因而在加(jiā)工因瓦合金加工時,必須(xū)采用高性能(néng)的(de)硬質合金塗層刀具(jù)和新(xīn)的加工方法(fǎ),才能使切削加工順利進行,隻要方法得當,就可使難加(jiā)工的因瓦合金變得很容(róng)易加工,使因瓦(wǎ)合金由“難(nán)加工成變成易切削”是我們研究因瓦合金材料性(xìng)能的宗旨(zhǐ),也是我們所要達到(dào)的目標。
三、因瓦合金的發展及應用前景
自從因瓦合金(德鎳 Dilaton36)的發現,引起了世界各國科學家的重視和研(yán)究,使得因(yīn)瓦合金無論是從種類還是從性能和應用上都得到了極大的提高。如1927年日本增本(běn)量首先(xiān)研製出Fe—Ni—Co和Fe—Ni—Cr因瓦合金,1937年德國A..Kussmann研製出Fe—Pt和Fe—Pd因瓦(wǎ)合金(jīn)等;我國在五、六十年代也研製出4J32和4J36因瓦合金;經過將70年的發展,直到20世紀70年代(dài),美國Inco公司研製出Incoloy903合金,才使低膨脹合金進入了高溫用途領域,到80年代末期(qī),才形成了現代低膨脹(zhàng)超合金係列。作為低膨脹合金都要求組織穩定性(xìng),一般要求在-60℃~-70℃下(xià)不發生馬(mǎ)氏體相變。因為一(yī)發生這種相(xiàng)變,合金的膨脹係數會發(fā)生突變(biàn),導致應用(yòng)出現故障,這是不允許的(de)。可貴的是,FeNi36因瓦合(hé)金和FeNi32Co4超(chāo)因瓦合金,在(zài)-273℃下也能保持組織穩定性,因而至今廣泛應用的隻有(yǒu)因瓦合金和超因瓦合金,近幾(jǐ)年來在改(gǎi)進它們的質量,擴大使用範圍,科學家們做了大量的研究工作,經(jīng)過100多年的(de)發展,因瓦合金仍然是被廣泛應用的(de)經久不衰的優質材料。
在因瓦(wǎ)合金問世的一百多年以來,取其低膨脹係數(shù)低這一特征的應用領域迅速擴大,用因瓦合金製造的精密儀器儀表、標準鍾的擺杆、擺輪及鍾表的遊絲成(chéng)為早期最重要的產品,在上(shàng)世紀20年代用因瓦合金代替鉑用作於玻(bō)璃封接的引絲,大大的降低了成(chéng)本;到了五、六十年(nián)代,因瓦合金(jīn)的用途繼續擴大,主要用(yòng)於無線電電子管、恒溫(wēn)器中(zhōng)作控溫用的(de)熱雙金屬片、長度(dù)標尺、大地測量基線尺等;到了八九十年代,廣泛用(yòng)於微(wēi)波技(jì)術、液(yè)態氣體(tǐ)儲(chǔ)容器、彩電的陰罩鋼帶、架空輸(shū)電線芯材、湝振腔、激光準直儀(yí)腔體、三步重複(fù)光刻相機基板等。進入21世紀之(zhī)後,隨著航天技(jì)術的飛速發展,新的(de)應用還包(bāo)括用在航天(tiān)遙感器、精密激光(guāng)、光學測量係統和波導管中(zhōng)作結構件、顯微鏡、天(tiān)文望遠鏡中巨大透鏡的支撐係統和需要(yào)安裝透鏡的各(gè)種各樣科學儀器中。
總之,隨著因(yīn)瓦合金不斷應用於人造衛星、激光、環形激光陀螺儀和其他先進的高科技產品,有力(lì)地表明這些古老的材料正在幫助現代科(kē)學向更高水平邁進。