一种低热膨胀系数双相钢铁材料及其制备方法技术

本发明专利技术涉及合金材料技术领域，具体涉及一种低热膨胀系数双相钢铁材料及其制备方法，所述双相钢铁材料主相为钢铁材料，析出相为铁基负热膨胀相。制备方法为：将钢铁材料及所述铁基负热膨胀相所需合金元素作为原料加热至熔化得到熔液；利用感应电磁力充分搅拌所述熔液至均匀；将熔液浇铸到模具中进行电磁搅拌凝固得到钢样；将所得钢样依次进行退火处理、时效处理，即得所述双相钢铁材料，负热膨胀析出相均匀分布在钢铁主相中，在温度变化时负膨胀相的负热膨胀效应与钢铁主相的正热膨胀效应相抵消，表现出材料整体的低热膨胀系数，同时，钢铁主相保证了材料基本的强度、塑性和可加工性。性。性。

【技术实现步骤摘要】
一种低热膨胀系数双相钢铁材料及其制备方法


[0001]本专利技术涉及一种低热膨胀系数双相钢铁材料及其制备方法，属于合金材料


技术介绍

[0002]自然界中绝大多数材料都表现出“热胀冷缩”的现象。材料的这一特性使机械零件、结构件、电子元件等在不同温度服役时产生尺寸的不稳定。因热膨胀现象导致的材料的失效和寿命缩短是普遍存在的，控制材料的热膨胀是现代工业技术的迫切需求。例如，航空航天材料在近太阳和远太阳面的温差巨大，材料热膨胀系数的不匹配会有引起很大的内应力，从而产生微裂纹，使用寿命迅速减少，破坏结构；激光器的谐振腔，使用过程中发热，在尺寸发生微小变化时会极大的影响输出功率；波导器件在尺寸发生改变时会严重影响到信号的频率范围；在电子封装，微电子等精密系统中，元器件与封装材料的热膨胀系数不匹配会产生极大的错配应力，使其使用寿命缩短，功能失效。而低膨胀材料在保证材料具有高精密性的同时，极大的延长了材料的使用寿命，具有重要的应用价值。
[0003]目前常用的低热膨胀材料主要为Fe
‑
Ni因瓦合金，例如中国专利申请CN115717213A中公开了一种超低膨胀因瓦合金材料及其制备方法，所述超低热膨胀因瓦合金材料以Fe
‑
Ni、Fe
‑
Ni
‑
Co或Fe
‑
Co
‑
Cr基因瓦合金中的一种为基体，以一种负热膨胀相作为析出相。通过析出负热膨胀相，对因瓦合金基体进行改性，从而使最终的合金材料在较宽温区保持稳定零热膨胀性能。因瓦合金具有低热膨胀、高塑性等特点。但其强度较低，机械性能差，且不具备良好的切削性能。同时，因瓦合金的热膨胀系数接近于零，适合于对尺寸的温度稳定性要求极高的应用场景。而对于大多数的低膨胀材料应用场景，仅要求热膨胀系数的相互匹配。因瓦合金在该类场景下性能过剩，且成本不占优势。而另一些较为前沿的低热膨胀金属材料，往往属于金属间化合物范畴，该类材料数量较多，但往往呈现较强的脆性，不适合承受载荷。
[0004]钢铁材料作为应用最为广泛的金属材料之一，对于人类文明和社会发展都具有重要意义，其成熟的工业生产模式和优良的机械性能使其成为无法被替代的重要材料。而钢铁材料的热膨胀系数往往大于10ppm/℃，若将钢铁材料的热膨胀系数降低约50％，则能减少其受热时近一半的膨胀，具有重要的应用价值，但是钢材料中都含有碳及其他元素，这些元素的存在使钢材料更难于实现低热膨胀。

技术实现思路

[0005]本专利技术针对现有技术存在的不足，提供一种低热膨胀系数双相钢铁材料及其制备方法，所述双相钢铁材料由商用成品钢材与若干负热膨胀相生成原料熔炼而成，所述负热膨胀相在一定温度范围内表现出“热缩冷胀”行为，称其为NTE(Negative Thermal Expansion)相；所述双相钢铁材料具有较低的热膨胀系数，且具有良好的强度、塑性以及可加工性能。
[0006]本专利技术解决上述技术问题的技术方案如下：一种低热膨胀系数双相钢铁材料，所述的双相钢铁材料主相为钢铁材料，析出相为铁基负热膨胀相。
[0007]进一步的，所述双相钢铁材料中铁基负热膨胀相的质量分数不大于50％。
[0008]进一步的，所述的钢铁材料为碳素钢、低合金钢或工业纯铁。
[0009]进一步的，所述铁基负热膨胀相为：La(Fe1‑
x
(Co1‑
y
Si
y
)
x
)
13
、(Zr
x
Nb1‑
x
)Fe2、(Hf
x
Nb1‑
x
)Fe2、(Hf
x
Ta1‑
x
)Fe2、La(Fe1‑
x
Si
x
)
13
、La(Fe1‑
x
Al
x
)
13
、(Sc
x
Ti1‑
x
)Fe2、(Hf
x
Ti1‑
x
)Fe2、Fe
40+z+w
Mn
30
‑
z
Ga
30
‑
w
、R2Fe
17
或R2Fe
14
B，其中R为稀土元素，0<x<1，0<y<1，0<z<30，0<w<30。
[0010]优选的，所述铁基负热膨胀相为：La(Fe,Co,Si)
13
、Zr
0.7
Nb
0.3
Fe2、Hf
0.85
Nb
0.15
Fe2、Hf
0.85
Ta
0.15
Fe2、LaFe
11.5
Si
1.5
、LaFe
11.5
Al
1.5
、Sc
0.55
Ti
0.45
Fe2、Hf
0.6
Ti
0.4
Fe2、Fe
43
Mn
28
Ga
29
、R2Fe
17
或R2Fe
14
B，其中R为稀土元素。
[0011]进一步的，所述双相钢铁材料在
‑
50℃～50℃的温度范围内，热膨胀系数<6ppm/℃。
[0012]本专利技术还公开了所述低热膨胀系数双相钢铁材料的制备方法，所述的制备方法为：
[0013]S1、将钢铁材料及所述铁基负热膨胀相所需合金元素作为原料，将原料加热至熔化得到均匀熔液；
[0014]S2、将熔液浇铸到模具中进行电磁搅拌凝固得到钢样；
[0015]S3、将所得钢样在惰性气体保护氛围下进行退火处理；
[0016]S4、退火处理后的钢样在惰性气体保护氛围下进行时效处理，即得所述低热膨胀系数双相钢铁材料。
[0017]进一步的，步骤S1中，原料加热至熔化后得到熔液，利用感应电磁力充分搅拌所述熔液至均匀；
[0018]步骤S2中，凝固过程中电磁搅拌方式为轴向旋转型搅拌，电磁搅拌电流为80
‑
120A。
[0019]进一步的，步骤S3中，退火温度采用阶梯式设计，第一次退火：先在NTE相平衡温度下进行退火，NTE相形成并稳定后进行第二次退火：在钢铁相平衡温度下完成退火；
[0020]第一次退火时间为24
‑
120h；第二次退火时间为12h以内。
[0021]进一步的，第一次退火后，进行第一次热轧处理再进行第二次退火；第二次退火处理完成后对钢样进行第二次热轧处理再进行时效处理，第一次和第二次热轧处理温度本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种低热膨胀系数双相钢铁材料，其特征在于，所述双相钢铁材料的主相为钢铁材料，析出相为铁基负热膨胀相。2.根据权利要求1所述一种低热膨胀系数双相钢铁材料，其特征在于，所述双相钢铁材料中铁基负热膨胀相的质量分数不大于50％。3.根据权利要求1所述一种低热膨胀系数双相钢铁材料，其特征在于，所述的钢铁材料为碳素钢、低合金钢或工业纯铁，所述铁基负热膨胀相为La(Fe1‑
x
(Co1‑
y
Si
y
)
x
)
13
、(Zr
x
Nb1‑
x
)Fe2、(Hf
x
Nb1‑
x
)Fe2、(Hf
x
Ta1‑
x
)Fe2、La(Fe1‑
x
Si
x
)
13
、La(Fe1‑
x
Al
x
)
13
、(Sc
x
Ti1‑
x
)Fe2、(Hf
x
Ti1‑
x
)Fe2、Fe
40+z+w
Mn
30
‑
z
Ga
30
‑
w
、R2Fe
17
或R2Fe
14
B，其中R为稀土元素，0<x<1，0<y<1，0<z<30，0<w<30。4.根据权利要求1所述一种低热膨胀系数双相钢铁材料，其特征在于，所述双相钢铁材料在
‑
50℃～50℃的温度范围内，热膨胀系数<6ppm/℃。5.一种根据权利要求1
‑<...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈骏，鲁浩，宋玉柱，周畅，施耐克，
申请(专利权)人：北京科技大学，
类型：发明
国别省市：