一種低膨脹磁屏蔽合金及其制備方法
【專利摘要】本發(fā)明屬于精密合金領(lǐng)域，特別涉及一種用于光纖環(huán)圈骨架的低膨脹磁屏蔽合金及其制備方法。該合金的化學(xué)成分按重量％為：Ni32.0～35.2，Co3.0～3.5，Mn0.10～0.25，Si≤0.15，Cu≤0.02，C≤0.01，P≤0.01，S≤0.01，余量為Fe；該低膨脹磁屏蔽合金通過如下步驟制備：高純度原料準(zhǔn)備→成分配比→真空感應(yīng)爐冶煉和真空自耗重熔→鍛造加工→取樣→熱處理→性能測試。熱處理制度為：高純氫氣保護，隨爐升溫至970±10℃，保溫2.5～3h，以200～250℃/h降溫至550±10℃，快冷至300℃以下出爐。本發(fā)明與現(xiàn)有的低膨脹合金4J32相比，在保持低膨脹特性的前提下，具有較高的初始磁導(dǎo)率，使合金兼具低膨脹性能和磁屏蔽性能兩大優(yōu)點。即：在-45～+75℃溫度范圍內(nèi)，合金的膨脹系數(shù)在1.0×10-6/℃以下；初始磁導(dǎo)率高于1.5mH/m。
【專利說明】一種低膨脹磁屏蔽合金及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于精密合金領(lǐng)域，特別涉及一種用于制作光纖環(huán)圈骨架的低膨脹磁屏蔽合金及其制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]與傳統(tǒng)的機械裝置相比，光纖裝置具有結(jié)構(gòu)簡單、重量輕、響應(yīng)快、壽命長等優(yōu)點。一方面，為克服溫度變化對光纖裝置精度的不利影響，要求制作光纖環(huán)圈骨架的材料具有與光纖相一致的低的線膨脹系數(shù)；另一方面，為降低磁場對光的法拉第效應(yīng)，要求光纖處于低磁場環(huán)境中。這樣一來，為進一步提高光纖裝置的精度，光纖環(huán)圈骨架材料需兼具低膨脹系數(shù)和較高的磁性能。
[0003]金屬的線膨脹系數(shù)一般在4.45~39X10_6/°C范圍內(nèi)，大部分純金屬的線膨脹系數(shù)與其熔點成反比。Fe、N1、Co所組成的合金，由于因瓦效應(yīng)，在居里點以下的溫度范圍內(nèi)有反常的熱膨脹特性，具有較低的線膨脹系數(shù)。Ni含量為36%的純凈4J36合金的線膨脹系數(shù)可低至0.6X 10_6/°C。但若Ni含量偏離這一含量，便會導(dǎo)致線膨脹系數(shù)急劇增大。含F(xiàn)e62.2%, Ni33%, Co4.5%的4J32合金有較低的線膨脹系數(shù)，通過進一步調(diào)整微量元素Cu的百分比，可使該合金的膨脹系數(shù)低至0.12X 10_6/°C，但此合金初始導(dǎo)磁率一般僅為
0.4mH/m,磁屏蔽性能較差。
[0004]在Fe-Ni系合金中，Ni含量在74%~80%附近的高導(dǎo)磁坡莫合金的初始磁導(dǎo)率最大可大于100mH/m，有很好的磁屏蔽性能。而此合金卻不具備因瓦效應(yīng)，線膨脹系數(shù)很高，約11X10_6/°C，低膨脹性差。高磁導(dǎo)率坡莫合金雖然用于磁屏蔽器件的效果較好，但因其膨脹系數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于光纖材料，而不能直接作為光纖環(huán)圈骨架材料使用。目前尚未發(fā)現(xiàn)能有效降低高導(dǎo)磁坡莫合金線膨脹系數(shù)的方法。
[0005]美國Carpenter Technology公司已為美國Litton公司研制和開發(fā)了兼有低膨脹系數(shù)和磁屏蔽性能的復(fù)合材料。由于國外在此方面對中國進行技術(shù)和產(chǎn)品出口限制，國內(nèi)研發(fā)單位仍通常使用硬質(zhì)鋁合金加工光纖骨架。雖然鋁合金光纖骨架具有導(dǎo)熱快、重量輕等優(yōu)點，但卻不能很好地與光纖匹配，也不具有磁屏蔽功能。因而只有再配以高導(dǎo)磁合金(如坡莫合金)外罩，達到磁屏蔽目的。
[0006]當(dāng)前，盡管已有國內(nèi)研發(fā)單位試用低膨脹系數(shù)的4J32合金作為光纖環(huán)圈骨架，再配以坡莫合金外罩，實現(xiàn)與光纖膨脹系數(shù)匹配和磁屏蔽效果，改善了綜合性能。但由于光纖裝置重量和空間的限制，采用兼有磁屏蔽性能的低膨脹材料制作光纖骨架是一個最理想的選擇。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]本發(fā)明的一個目的在于，提供一種具有良好的低線膨脹系數(shù)和高磁性能組合的低膨脹磁屏蔽合金，以滿足光纖環(huán)圈骨架材料的綜合需求。
[0008]本發(fā)明的另一個目的在于，提供了上述低膨脹磁屏蔽合金的制備方法。[0009]為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案如下:
[0010]一種用于光纖環(huán)圈骨架的低膨脹磁屏蔽合金，該合金的化學(xué)成分按重量％為:Ν?32.0 ~35.2，Co3.0 ~3.5,Mn0.10 ~0.25, Si ( 0.15, Cu ( 0.02, C ^ 0.01,P ^ 0.01，S≤0.01，余量為Fe;
[0011]該低膨脹磁屏蔽合金通過如下步驟制備:高純度原料準(zhǔn)備一成分配比一真空感應(yīng)爐冶煉和真空自耗重熔一鍛造加工一取樣一熱處理一性能測試。
[0012]所述熱處理制度為:高純氫氣保護，隨爐升溫至970±10°C，保溫2.5~3h，以200~250°C /h降溫至550±10°C，快冷至300°C以下出爐。
[0013]該合金的化學(xué)成分按重量％為:Ni32.09~35.19，Co3.01~3.43, Mn0.13~
0.21，Si0.015 ~0.150，Cu0.0052 ~0.0140，C0.0022 ~0.0044，P0.0030 ~0.0055，S0.0030 ~0.0040，余量為 Fe。
[0014]該合金在-45~+75°C溫度范圍內(nèi)，具有以下低膨脹性能和磁屏蔽性能的組合:膨脹系數(shù)≤1.0X 10_6/°C，初始磁導(dǎo)率≥1.5mH/m。
[0015]所述高純度原料為純度大于99.0 %的原材料。
[0016]一種用于所述的光纖環(huán)圈骨架的低膨脹磁屏蔽合金的制備方法，該合金的化學(xué)成分按重量％為:Ni32. 0 ~35.2，Co3.0 ~3.5，Mn0.10 ~0.25，Si ( 0.15，Cu ( 0.02，C ≤ 0.01，P ≤ 0.01，S≤ 0.01，余量為 Fe ；
[0017]該低膨脹磁屏蔽合金通過如下步驟制備:高純度原料準(zhǔn)備一成分配比一真空感應(yīng)爐冶煉和真空自耗重熔一鍛造加工一取樣一熱處理一性能測試。
[0018]在真空感應(yīng)冶煉和真空自耗重爐熔煉合金中，真空度大于0.2Pa。
[0019]熱處理制度為:高純氫氣保護，隨爐升溫至970±10°C，保溫2.5~3h，以200~2500C /h降溫至550±10°C，快冷至300°C以下出爐。
[0020]因線膨脹系數(shù)主要取決于合金成分，在Fe-Ni系合金中，通常Ni含量在32%~36%時，才呈現(xiàn)因瓦效應(yīng)，具有低的線膨脹系數(shù)。若Ni含量偏離這一范圍，便會導(dǎo)致線膨脹系數(shù)急劇增大。研究發(fā)現(xiàn)，除Co、微量Cu元素外，C、P、S、N、Cr、Mn、Ti等元素均使合金的線膨脹系數(shù)增加。其中C對合金線膨脹系數(shù)的影響最為顯著，少量的Si對合金線膨脹系數(shù)影響不大。因此，在保證合金加工性能的前提下應(yīng)盡量降低合金中S1、Mn、C等元素的含量。
[0021]本發(fā)明是以低膨脹Fe-N1-Co系合金4J32為基礎(chǔ)，通過調(diào)整化學(xué)成分、控制雜質(zhì)含量、特別是優(yōu)化熱處理工藝，研制出新型的兼具低膨脹系數(shù)和較高磁性能的低膨脹磁屏蔽
I=1-Wl O
[0022]與低膨脹合金4J32的化學(xué)組成成分相比，為提高磁性能，增加了 Ni含量，適當(dāng)?shù)卣{(diào)低了 Co、Mn的含量，同時對S1、Cu以及C、P、S等進行了嚴(yán)格的限量。
[0023]與標(biāo)準(zhǔn)的4J32熱處理制度相比，本發(fā)明提高了熱處理溫度，增加了保溫時間，取消了水淬和再加工后的低溫回火。
[0024]該低膨脹磁屏蔽合金通過如下步驟制備:高純度原料準(zhǔn)備一成分配比一真空感應(yīng)爐冶煉和真空自耗重熔一鍛造加工一取樣一熱處理一性能測試。
[0025]1、合金制備
[0026]為保證合金的低膨脹系數(shù)，必須嚴(yán)格控制合金中雜質(zhì)元素的含量。材料采用純度大于99.0%的原材料，并對主要原料純鐵通過真空感應(yīng)進一步提純。合金冶煉過程采用真空感應(yīng)加真空自耗雙真空熔煉工藝，真空度優(yōu)于0.2Pa。熔煉過程中要嚴(yán)格控制合金元素的燒損量，控制精煉溫度和時間，做到準(zhǔn)確控制成分、充分脫氣、充分浮渣，盡可能減少C、P、S雜質(zhì)的含量，實際合金成分中，上述元素均控制在0.01%以下。保證熱加工的前提下，合理控制Mn、Si含量，實驗中Mn含量控制在0.25%，Si含量控制在0.15%以下，性能較好。
[0027]2、熱處理工藝優(yōu)化
[0028]由于合金呈現(xiàn)最小線膨脹系數(shù)(830°C水淬+低溫回火)和最佳磁性能(高溫1180°C回火并控制冷速)的熱處理工藝完全不同。必須在合金成分、雜質(zhì)含量等方面保證合金具有最小的線膨脹系數(shù)的前提下，采用高溫回火工藝，最終制出高性能指標(biāo)要求的低膨脹磁屏蔽合金。
[0029]為此，我們進行了從820°C~1180°C多種熱處理工藝研究，篩選出了最佳熱處理制度。經(jīng)多輪的熱處理實驗，最終確定熱處理制度為:高純氫氣保護，隨爐升溫至970±10°C，保溫2.5~3h，以200~250°C /h降溫至550±10°C，快冷至300°C以下出爐，以此熱處理制度得到的材料綜合性能最優(yōu)。
[0030]本發(fā)明的有益效果在于:
[0031]本發(fā)明與現(xiàn)有的低膨脹合金4J32相比，在保持低膨脹特性的前提下，具有較高的初始磁導(dǎo)率，使合金兼 具低膨脹性能和磁屏蔽性能兩大優(yōu)點。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0032]圖1為本發(fā)明實施例1經(jīng)不同溫度熱處理后的合金在-45~+75°C溫度范圍內(nèi)的線膨脹系數(shù)和初始磁導(dǎo)率。
【具體實施方式】
[0033]下面結(jié)合附圖和實施例，對本發(fā)明的【具體實施方式】作進一步詳細(xì)描述。
[0034]本發(fā)明的用于制作光纖環(huán)圈骨架的低膨脹磁屏蔽合金的具體工藝步驟如下:
[0035]a)用200kg真空感應(yīng)爐提純純Fe，去除其中的氣體和C、S、P等雜質(zhì)，經(jīng)磨光去除金屬N1、Co和Fe的表面氧化層；
[0036]b)采用25kg真空感應(yīng)爐和自耗電弧爐熔煉合金，真空度優(yōu)于0.2Pa，熔煉過程中嚴(yán)格控制主合金元素的成分，熔煉后合金的實際成分列于表1 ;
[0037]表1熔煉合金的化學(xué)成分(wt% )
[0038]
【權(quán)利要求】
1.一種用于光纖環(huán)圈骨架的低膨脹磁屏蔽合金，其特征在于: 該合金的化學(xué)成分按重量％為:Ni32.0~35.2，Co3.0~3.5，Mn0.10~0.25，Si ≤ 0.15，Cu ≤ 0.02，C ≤ 0.01，P ≤ 0.01，S ≤ 0.01，余量為 Fe ； 該低膨脹磁屏蔽合金通過如下步驟制備:高純度原料準(zhǔn)備一成分配比一真空感應(yīng)爐冶煉和真空自耗重溶一鍛造加工一取樣一熱處理一性能測試。
2.如權(quán)利要求1所述的低膨脹磁屏蔽合金，其特征在于: 所述熱處理制度為:高純氫氣保護，隨爐升溫至970±10°C，保溫2.5~3h，以200~2500C /h降溫至550±10°C，快冷至300°C以下出爐。
3.如權(quán)利要求1所述的低膨脹磁屏蔽合金，其特征在于: 該合金的化學(xué)成分按重量％為:Ni32.09~35.19，Co3.01~3.43，Mn0.13~0.21，Si0.015 ~0.150，Cu0.0052 ~0.0140，C0.0022 ~0.0044，P0.0030 ~0.0055，S0.0030 ~.0.0040，余量為 Fe。
4.如權(quán)利要求1所述的低膨脹磁屏蔽合金，其特征在于: 該合金在-45~+75°C溫度范圍內(nèi)，具有以下低膨脹性能和磁屏蔽性能的組合:膨脹系數(shù)≤1.0X 10_6/°C，初始磁導(dǎo)率≤1.5mH/m。
5.如權(quán)利要求1所述的低膨脹磁屏蔽合金，其特征在于: 所述高純度原料為純度大于99.0%的原材料。
6.一種用于如權(quán)利要求1所述的光纖環(huán)圈骨架的低膨脹磁屏蔽合金的制備方法，其特征在于: 該合金的化學(xué)成分按重量％為:Ni32.0~35.2，Co3.0~3.5，Mn0.10~0.25，Si ≤0.15，Cu ≤ 0.02，C v 0.01，P ≤ 0.01，S ≤ 0.01，余量為 Fe ； 該低膨脹磁屏蔽合金通過如下步驟制備:高純度原料準(zhǔn)備一成分配比一真空感應(yīng)爐冶煉和真空自耗重溶一鍛造加工一取樣一熱處理一性能測試。
7.如權(quán)利要求6所述的低膨脹磁屏蔽合金的制備方法，其特征在于: 在真空感應(yīng)冶煉和真空自耗重爐熔煉合金中，真空度大于0.2Pa。
8.如權(quán)利要求6所述的低膨脹磁屏蔽合金的制備方法，其特征在于: 熱處理制度為:高純氫氣保護，隨爐升溫至970± 10°C，保溫2.5~3h，以200~250°C /h降溫至550± 10°C，快冷至300°C以下出爐。
【文檔編號】C21D1/74GK103924153SQ201410162936
【公開日】2014年7月16日 申請日期:2014年4月22日 優(yōu)先權(quán)日:2014年4月22日
【發(fā)明者】朱弢, 楊鋒, 張建福, 張敬霖, 盧鳳雙, 張建生, 于一鵬, 朱熠 申請人:鋼鐵研究總院