CN101558179A - 金属衬垫及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

一种由合适的铁镍铬合金制成的金属衬垫，包括至少一个凸起，所述凸起在温度高于1000华氏度时，包括1100－1600华氏度或更高的范围，具有基本上完全的功能性恢复，并且此衬垫是由通过冷轧或冷轧与沉淀硬化相结合的加工硬化或强化的片材制成，而不需要任何用来进一步硬化材料的凸起后热处理。合适的铁镍铬合金包括如下重量比的成分：18％以上的镍；14％以上的铬；0.1－10％的从钼，钛，钒，铝，钴，铌，钽和铜所组成的组中选取的至少一种元素，以及大体上余量的铁，所述衬垫具有变形的微观结构。

Description

金属衬垫及其制造方法
相关申请的交叉引用
[0001]本申请要求美国临时专利申请序列号60/822,897及60/894,078，相应的申请日为2006年8月18日及2007年3月9日，其通过整体引入被合并入本申请。
技术背景
1.技术领域
[0002]本发明大体上涉及金属衬垫。具体地说，本发明大体上涉及一种由高温合金制成的凸起金属衬垫，更具体的说是一种适用于工作温度高于1100华氏度，由高温铁镍铬合金制成的凸起金属衬垫。
2.背景技术
[0003]众所周知，在需要液密的内燃机包括柴油机，的高温夹紧连结处采用凸起的金属衬垫，例如汽缸盖衬床盖衬片和排气衬垫。这些凸起可以根据需要密封燃油流道的不同来制成各种形状和大小，包括全凸起和半凸起。但是对于全凸起的通常包含一个大体的圆弧，此圆弧是衬垫厚度T的函数衬垫，圆弧的宽度大约为衬垫厚度的10-20倍，高度为衬垫厚度的0.5-2.5倍。
[0004]很多金属脱胎片材，包括很多种类的合金钢和不锈钢都已用于制成凸起的金属衬垫。例如通过冷轧方式硬化后的301型号的不锈钢(301 FH SS)已经多次成功应用于工作温度多达800-900华氏度的衬垫。然而，当工作温度超过大约1000华氏度时，这种材料很容易出现蠕变，应力松弛及其他高温现象，以至于损失了大部分强度致使凸起产生热固定型，不能维持或者在松紧后不能恢复原凸起提供可靠的密封的足够的高度。因为其不具备有效及可操作地完全密封多个夹紧接合处的能力，或者因为如果采用此种材料就需要更多层衬垫来经济或可靠的提供必需的密封高度以可操作的密封接合处，所以301 FH SS不适合作为此应用的衬垫材料。
[0005]正如在已公开的专利申请EP1429057 A1中所述，316 Ti型号的不锈钢合金与301 FH SS型号材质相比在某种程度上具有改良的高温强度及其他属性，包括高度复原属性，使其适合用于做某种高温的凸起金属衬垫材料。这种材料在工作温度略高于800-900华氏度时性能良好，但是当工作温度超过大约1000华氏度时，同样也损失了足够的强度。此时的凸起也出现了热固，也不能恢复足够的最初的凸起高度而提供如上所述的可操作性密封。
[0006]由于内燃机持续运用新技术来改善燃烧过程以实现降低废气排放，提高燃油效率等等，在这些发动机里夹紧连接处及用于发动机内的凸起金属衬垫的工作温度会持续提高，基于经济，性能或者其他方面考虑，那些曾经很好应用为衬垫的材料，例如不同种类的不锈钢，包括301 FH SS和316 Ti，对于特定应用不再是理想的或者合适的衬垫。图1显示了目前作为衬垫材料的不同不锈钢合金的高度复原性能。随着高度复原性能的减弱，尤其是在温度超过1000华氏度时，必须通过增加衬垫层数来实现可操作密封。
[0007]例如，至少在现代船用柴油机中的设计，为了取消水套的冷却，趋于隔离排气系统(例如排气管，下水管，消音器)，因此排气管和发动机组之间连接处及相关金属衬垫的工作温度，就会上升到高于那些能够被301 FH或者316 Ti不锈钢有效密封的工作温度。
[0008]另一个例子就是，其他柴油机的设计中，使一部分排气再循环进入燃烧室，以实现降低排放，这就增加额外的热元件及需要密封接合处，以使发动机和发动机控制系统能够正常运转。在很多应用中，在排气管附近的衬垫的温度超过了1100华氏度，能够达到1400到1600华氏度甚者更高，这就使传统的301 FH SS和316 Ti不再适合用作此衬垫材料了。
[0009]已经成功应用在温度超过1000华氏度的一种衬垫材料是Inconel718，在这些应用中，垫片被加工成形且在退火(例如，固溶退火)状态中形成凸起，提高足够的延展性来进行这些工序而材料不会裂开。凸起形成之后的在温度1200-1350华氏度进行的沉淀硬化热处理增加了衬垫的硬度和强度，使垫片及凸起具有足够的强度以适应工作温度超过1000华氏度的应用。虽然从性能方面上其是合适的，但这种材料要比301 FH SS昂贵得多，同时还需要凸起后(post embossment)热处理，更是增加了衬垫的成本和加工的复杂性。
[0010]因此，仍然需要一种改进的凸起衬垫，以及材料及其制造方法，用于工作温度超过301 FH SS和316Ti可应用的温度。
发明内容
[0011]本发明提供了一种低成本的技术方案，提供了一种可用于工作温度超过1000 F且适于商业用途的金属衬垫的材料。
[0012]在一个方面，本发明提供了一种带有凸起的铁镍铬合金的金属衬垫，所述凸起在温度高于1000华氏度时，具有基本上完全的功能性恢复。此衬垫是由金属片材冷轧制成，衬垫的凸起是由加工硬化，具有满额的可操作的强度，而不需要任何用来硬化材料的凸起后热处理，且至少一部分保持加工硬化的微观结构。
[0013]按照本发明的另一方面，衬垫由沉淀硬化的铁镍铬合金制成，此合金通过冷轧硬化的提高硬度，通过沉淀硬化热处理进行析出硬化，并凸起成型使凸起部分加工硬化。在此之后不需要用来硬化材料的凸起后热处理。
[0014]按照本发明的再一个方面，任何只需要通过冷轧实现了加工硬化凸起的过程，而不需要凸起后热处理来进一步硬化的铁镍铬合金材料正是本发明所预期的用来加工这种类衬垫的。
[0015]按照本发明的又再一个方面，任何需要通过冷轧而加工硬化，然后再进行线圈型沉淀硬化和凸起处理，而不需要凸起后热处理来进一步硬化的材料可用于制造这种衬垫。
[0016]按照本发明的又再一个方面，带有至少一个由合金制成的带有凸起密封珠的垫片可用于本发明的衬垫，所述合金包括重量比为18％以上的镍，14％以上的铬，0。1-10％的从钼，钛，钒，铝，钴，铌，钽和铜组成的组中选取的至少一种元素，以及余量的铁，使金属垫片具有变形的加工硬化微观结构。
[0017]按照本发明的又另一个方面，本发明的由铁镍镉合金制成的垫片至少含有一个凸起的密封珠，此合金的成分按照重量百分比为：18-28％的镍；18-23％的铬；0-8％的钼；0-1.5％的铜；0-1％的硅；0-3％的锰；0-0.6％的钛；0-0.6％的铝；0-0.08％的碳；0-0.015％的硫；0-0.03％的磷；0-0.4％氮；以及余量的铁，可用于本发明衬垫。
[0018]按照本发明的又另一个方面，具有铁镍镉合金的垫片可用于本发明的衬垫，该合金按照重量百分比为：24-55％的镍；13.5-21％的铬；1-3.3％的钼；0-0.15％的铜；0-1％的硅；0-2％的锰；0.65-2.3％的钛；0-0.8％的铝；0-0.5％的钒；0.001-0.01％的硼；0-1％的钴；0-5.5％的铌和钽的总合；0-0.08％的碳；0-0.015％的硫；0-0.015％的磷；以及余量的铁。
[0019]按照本发明的又另一个方面，本发明还包括了一种加工凸起金属衬垫的方法，包括如下步骤：成型退火后的铁镍铬合金片材，使所述退火的片材变形形成具有变形的微观结构的变形的片材，再将所述变形的片材成形为衬垫，所述衬垫具有至少一个凸起密封珠，所述凸起密封珠在超过1100华氐度的完全夹紧的密封连接处具有大体上完全的功能性回弹性能以实现可操作的密封。
[0020]按照本发明的又另一个方面，本发明的铁镍镉合金垫片上可以涂上一层耐热涂层。所述耐热涂层可以包括化学剥落的蛭石，一种高温有机树脂，辅助的无机树脂和片状的填充物。
附图说明
[0021]结合以下具体描述和附图，本发明的这些和其它特征和优点将会被更容易地理解，其中：
[0022]图1是现有技术中几种用做金属衬垫的合金经夹紧实验时，恢复凸起高度随着温度变化的曲线图；
[0023]图2是按照本发明的一个实施例制造的衬垫的平面图；
[0024]图3是图1的衬垫的一部分的局部放大剖视图；
[0025]图4是本发明的几种合金在经受夹紧实验中，恢复凸起高度随着温度变化的曲线图；
[0026]图5是本发明的几种合金在恒定载荷的夹紧的实验中恢复凸起高度随着温度变化的曲线图；
[0027]图6是本发明的垫片在200倍的显微镜下的截面样品的微观结构的照片；
[0028]图7发明的方法的流程图。
具体实施方式
[0029]图1和图2表明了根据本发明的具体实施方式制造的凸起金属衬垫10。单层或多层凸起金属衬垫均是可预期的，都将包括在此发明范围内。
[0030]衬垫10至少包含一层金属层12，金属层12是由金属片材冲压或者其他方式制成，成型为包含至少一个流体传输开口14。金属层12也可以包含额外的开口16，用于容纳紧固件(未显示)。例如螺栓等等，其用来将衬垫10夹紧在第一个连接零件32和第二个连接零件22之间衬垫，例如排气管(未显示)和发动机组(未显示)就是通过衬垫10来密封而形成的密封接头。图2显示了第一个连接零件20和第二个连接零件22及衬垫10在夹紧之前，各零件都在未夹紧状态的各自的位置。
[0031]至少一层的金属层12可以是由合适的铁镍铬合金制成，包括某些沉淀硬化合金。所选择的铁镍铬合金片材通过冷轧来加工硬化材料使其在室温下具有至少1000Mpa范围的抗张强度，且尽可能大的延展，至少5％，优选的在5-25％之间，更优选的是5-10％，最优选的是6-9％。金属片材必须具有足够的柔软性和延展性，以允许从一片或一卷上剪下期望的衬垫，并处理形成必须的开口和所述的凸起。或者反之亦然。通过轧制，冲压，挤压及其他熟知的加工方法的多种组合，在材料不裂开的情况下，成型出凸起衬垫同时也給予衬垫充分的抗张强度，在温度超过1000华氏度维持了足够的强度以至于使衬垫在高温的工作条件下，能够持续实现连接处的密封。当金属片材包含沉淀硬化的铁镍铬合金时，所述材料在冷轧后应用一种适当的沉淀硬化热处理进行沉淀硬化以进一步提高衬垫10的高温属性。
[0032]在冷轧及其他沉淀硬化热处理之后，片状材料可以落料成衬垫而成型出前述的不同开口。在落料过程中，或者在落料前或者落料后的一个单独的操作过程中，坯料被凸起加工，围绕至少一个开口14产生至少一个密封凸起或密封珠18。凸起18可以是个全凸起，典型的是圆弧或其他曲线部，或者是半凸起，在此片状表面的一部分相对其他部分凸出来，典型的通过一系列互余(complementary)半径或者圆弧或者其他曲线。凸起18包括一个与衬垫成为一个整体的弹力元件衬垫，该弹力元件在连接元件的20，22表面上施加足以实现流体开口的密封的压力。在凸起的步骤中冷作硬化及变形并没有增加大量额外的强度给金属薄板中包括凸起18的部分，虽然此发明并没有排除足以提供额外机械强度于片状材料的变形，尤其是在此步骤中临近凸起的区域。衬垫10是由优选的冷轧铁镍铬合金材料制成，带有密封珠18，当其被夹紧在超过1000华氏度的工作温度的工作负载下，在衬垫的使用寿命期间将保持足够弹性以在密封结合面处提供足够的密封压力，以致保持足够的密封。本发明的衬垫10已通过在工作条件下夹紧进行测试，在一持续时间内，温度，节点荷载，环境及其他条件都是模拟衬垫10在给定的发动机实际应用所承受的典型条件，或者满足发动机质量标准需要的条件，也就是指起点温度超过1000华氏度，包括温度上升到1400华氏度，甚至温度超过1600华氏度。在这些条件下的凸起金属衬垫10应当在它的预期使用寿命内始终保持它的密封能力。耐热衬垫技术领域的人熟知可以有很多种测量保持弹性的方法，具有测试衬垫是否能够在给定的温度，节点荷载，环境及其他条件下成功通过测试的公知常识。实验本身的具体细节并不重要，重要的是，在衬垫的工作温度会超过1000华氏度，也可能达到1400华氏度以上，甚至达到或超过1600华氏度这样代表了发动机工作条件的实验条件下，衬垫展示了衬垫在密封连接处的密封性能。
[0033]一种合适的测试方法就是包括用合适的冷轧金属片材制成的测试垫圈，其带有开口和开口周围的全凸起，典型的如凸起或密封珠18。垫圈的外直径为2.75英寸，内径为1.75英寸，材料的厚度T大约为0.010英寸。密封珠起点高度为1.5倍衬垫厚度，或者高出金属层的顶面0.015英寸。衬垫被夹紧在两个1英寸厚的压盘上，两个压盘用5级的螺钉1000PLI(每英寸磅数)连接载荷固定，然后加热到发动机典型的工作温度17个小时后停止加温，重新测量衬垫上密封珠的高度。可接受的工业标准：最低的密封珠恢复高度高出衬垫的最高面0.0025英寸认为是可以在衬垫的使用寿命内及测量测试温度保持足够的密封，且符合基本的完全实用的或可操作的密封珠恢复性能。最小密封珠恢复高度的这种性能标准被认为目标性能标准。然而，因为它直接关系和影响着衬垫的设计，超过这个最小密封珠恢复高度的复原的性能是非常渴望和有用的。例如，衬垫材料的性能的提高可以导致密封珠的恢复高度大于这里描述的最小高度，这就可以在设计时减少衬垫层数。衬垫层数的减少通常可以传导为降低成本或提高衬垫的可靠性，或者同时实现这两点。由于应用额外的衬垫层可能会导致衬垫的失效概率的增大，因为多层衬垫中的任何一个存在瑕疵都有可能导致衬垫的失效的概率的加大。如图4所示，在下表中显示的由五种合金制成的衬垫在不同温度下包括1000华氏度，1200华氏度，1400华氏度，1500华氏度及1600华氏度下做的试验，可以发现全部都在可接受标准的密封珠的恢复范围内，除了合金A外所有样品的最终的密封珠高度都满足或者超出了至少高出衬垫主体最高面0.0025英寸的目标性能，而合金A显示的性能也非常接近目标性能，由于如下所述原因，合金A也包含在本发明的垫片材料。本发明的片材都显示出超过了包括图1所示的现有技术的片材的改进的性能。除了合金A以外，他们显示了在温度超过1000华氏度，包括超过1100华氏度时凸起具有充分的回弹性。接下来会进步阐述合金A显示了足够的充分的功能性回弹。
[0034]可以确定，本发明的某些合适的沉淀硬化铁镍铬合金可能得益于冷作硬化和沉淀硬化的综合作用。同样地，本发明可预期，在冷轧步骤之后，片材可以线圈形式进行沉淀硬化的热处理，以加强上述期望的硬度和延展性。无须过多的试验或发现，本领域技术人员都知道，根据合金中的特定成分以及想要达到的最终属性，选择材料和热处理，可以通过沉淀硬化热处理过程达到想要的结果。例如，通过本发明和下面的详细描述中，某些沉淀硬化合金可得益于冷轧之后沉淀硬化热处理周期，通常温度都在1000华氏度以上持续大约8-15个小时。合适的沉淀硬化合金混合物成分是高镍高铬合金，可更加有利于实现沉淀硬化，在此都将进一步阐述。
表1
  合金   301FH   合金A   合金B   合金C   合金D
  元素   重量百分比   重量百分比   重量百分比   重量百分比   重量百分比
  C   0.03-0.15   0.08mx   0.020mx   0.80mx   0.80mx
  Mn   2.00mx   1.00mx   3.00mx   2.00mx   0.35mx
  S   0.030mx   0.015mx   0.01mx   0.015mx
  P   0.045mx   0.03mx   0.015mx
  Si   1.00mx   1.00mx   0.05mx   1.00mx   0.35mx
  Cr   16.00-18.00   18-22   20.5-23.0   13.5-16.00   17.00-21.00
  Ni   6.00-8.00   18-22   26.0-28.0   24.00-27.00   50.00-55.00＊
  Mo   0.80mx   6.50-8.00   1.00-1.50   2.80-3.30
  N   0.90mx   0.30-0.40
  Ti   0.60mx   1.90-2.30   0.65-1.15
  V   0.10-0.50
  Al   0.60mx   0.35mx   0.35-0.80
  B   0.003-0.010   0.001-0.006
  Co   1.00mx
  Nb+Ta   4.75-5.50
  Cu   0.75mx   0.50-1.50   0.15mx
Fe 余量   余量   余量   余量   余量
[0035]然而不限于此，理想的合金成分重量百分比可以在这个范围：18％以上的镍，14％以上的铬，0.1-10％的从钼，钛，钒，铝，钴，铌，钽或铜所组成的组中选取的至少一种元素，以及余量的铁，同时附带的杂质及其他添加物并不减损想要的属性，本发明在上述范围内合适的合金的特定的样品，包括在表1中总结和如下所述的合金A-D。
[0036]合金A成分重量百分比：18-22％的镍；18-22％的铬；0-0.75％的铜；0-1％的硅；0-1％的锰；0-0.6％的钛；0-0.6％的铝；0-0.08％的碳；0-0.015％的硫；以及余量的铁。如上所述，合金A可以包括其他合金添加物，只要最终的合金的加工属性符合衬垫的加工和装配工艺，以及在温度高于1100华氏度时衬垫高度基本上完全恢复。如图4所示，在温度高于1000华氏度时，合金A的恢复高度超过衬垫表面的高度稍微低于0.0025英寸，然而，从图1和图4也可以看出，这种性能也要好于301FH和316Ti，在更高温度区域，包括1100华氏度以上，性能提高更显著。所以，考虑到合金A性能稳定方面和比301FH和316Ti性能的提高，当温度超过1100华氏度，包括1200华氏度以上，合金A大体上显示了全功能性的回弹性。虽然如果采用按照此处所述沉淀硬化热处理方法可能会出现一些沉淀硬化，合金A不认为是沉淀硬化合金。因此，尽管不排除，此处所述合金A的片材最好进行冷轧来达到想要的冷作硬化而不进行沉淀硬化热处理。
[0037]合金B成分的重量百分比为：26-28％的镍；20.5-23％的铬；6.5-8％的钼；0.5-1.5％的铜；0-0.05％的硅；0-3％的锰；0-0.020％的碳；0-0.01％的硫，0-0.03％的磷；0.3-0.4％的氮；以及余量的铁。如上所述，合金B可以包括其他合金添加物，只要最终的合金的加工属性符合衬垫的加工和装配工艺，以及在温度高于1100华氏度时衬垫高度基本上完全恢复。从图4可以看出，在温度高于1000华氏度时，合金B的恢复高度超过衬垫表面的高度大于0.0025英寸，因此，当温度超过1100华氏度，包括1200华氏度以上，合金B大体上显示了全功能性的回弹性。虽然如果采用按照此处所述沉淀硬化热处理方法可能会出现一些沉淀硬化，合金B不认为是沉淀硬化合金。因此，尽管不排除，此处所述合金B的片材最好进行冷轧来达到想要的冷作硬化而无须进行沉淀硬化热处理。
[0038]已确定合金A和合金B是多种其他非沉淀硬化的铁镍铬合金的代表，所述合金一般来说具有如下重量百分比，18％以上的镍，14％以上的铬，0.1 to10％的从钼，钛，钒，铝，钴，铌，钽，铜中选取的至少一种元素，及余量的铁和附带的杂质。优选的，这些合金在如下组成范围内，按其重量的百分比为：18-28％的镍；18-23％的铬；0-8％的钼；0-1.5％的铜；0-1％的硅；0-3％的锰；0-0.6％的钛；0-0.6％的铝；0-0.08％的碳；0-0.015％的硫；0-0.03％的磷；0-0.4％的氮；以及余量的铁。确定的，当温度超过1100华氏度，包括1200华氏度以上时，这些合金显示了大体上完全恢复性能。虽然如果采用按照此处所述沉淀硬化热处理方法可能会出现一些沉淀硬化，这些合金一般不认为是沉淀硬化合金。因此，尽管不排除，此处所述合金的片材最好通过冷轧来达到想要的冷作硬化而无须进行沉淀硬化热处理。
[0039]合金C成分的重量百分比为24-27％的镍；13.5-16％的铬；1-1.5％的钼；0-1％的硅；0-2％的锰；0-0.08％的碳；1.9-2.3％的钛；0.1-0.5％的钒；0-0.35％的铝；0.003-0.01％的硼；以及余量的铁。如上所述，合金C可以包括其他合金添加物，只要最终的合金的加工属性符合衬垫的加工和装配工艺，以及在温度高于1100华氏度时衬垫高度的基本上完全恢复。从图4可以看出，在温度超过1000华氏度时，合金C的恢复高度超过衬垫表面的高度远大于0.0025英寸，因此，当温度超过1100华氏度，包括1500华氏度以上，合金C也显示了大体上的全功能性的恢复。合金C是沉淀硬化合金，因此，尽管不排除只进行冷轧，但所述合金C的片材进行冷轧满足想要的在冷作硬化，接着在所述冲压凸起之前进行额外的沉淀硬化热处理。由于沉淀硬化热处理之后合金显示出冷作硬化的微观结构，所述热处理提高了这些合金的强度和补偿了冷作硬化中的任何缺损以及与冷轧引起的有关强度增强的损失。
[0040]如图4所示的合金D，合金D-1和合金D-2分别代表了这种材料不同的热属性。所述合金D包括重量百分比为50-55％的镍；17-21％的铬；2.8-3.3％的钼；0-0.15％的铜；0-0.35％的硅；0-0.35％的锰；0.65-1.15％的钛；0.35-0.8％的铝；0.001-0.006％的硼；0-1％的钴；4.75-5.5％铌和钽的总合；0-0.08％的碳；0-0.015％的硫；0-0.015％的磷；以及余量的铁。如上所述，合金D可以包括其他合金添加物，只要最终的合金的加工属性符合衬垫的加工和装配工艺，以及在温度高于1100华氏度，包括1600华氏度以上时，衬垫高度大体上全功能性恢复。从图4可以看出，在温度超过1000华氏度时，合金D的恢复高度超过衬垫表面的高度远大于0.0025英寸，因此，当温度超过1100华氏度，包括1600华氏度以上，合金D显示了大体的全功能性的恢复。合金D是沉淀硬化合金，因此，尽管不排除只是进行冷轧，但所述合金D的片材最好进行冷轧满足想要的冷作硬化，接着在所述冲压凸起之前进行额外的沉淀硬化热处理。
[0041]毫无疑问，合金C和合金D是多种其他沉淀硬化的铁镍铬合金的代表，所述铁镍铬合金一般来说包括，按照重量百分比为：18％以上的镍，14％以上的铬，0.1 to 10％的钼，钛，钒，铝，钴，铌，钽，铜中选取的至少一种元素，及余量的铁和附带杂质。优选的，这些合金的组分在如下范围内，按照重量的百分比为：24-55％的镍；13.5-21％的铬；1-3.3％的钼；0-0.15％的铜；0-1％的硅；0-2％的锰；0.65-2.3％的钛；0-0.8％的铝；0-0.5％的钒；0.001-0.01％的硼；0-1％的钴；0-5.5％的铌和钽的总合；0-0.08％的碳；0-0.015％的硫；0-0.015％的磷；以及基本上余量的铁。确定的，当温度超过1100华氏度，包括至少1500华氏度，对于合金D温度甚至超过了1600华氏度，这些合金显示了基本的全功能性的恢复。这些合金通常都被认为是沉淀硬化合金，虽然硬化合金的效应可能会随着上述合金成分的不同而不同。因此，尽管不排除只是进行冷轧，但所述合金D的片材最好进行冷轧满足想要的冷作硬化，接着在所述冲压凸起之前进行额外的沉淀硬化热处理。
[0042]图5提供了额外的证据证明本发明的铁镍铬合金衬垫展现的全功能性恢复。如上所述，合金A-D的试验样本都承受了高温，恒载荷测试，在此他们被置于适于维持与上述固定装置的初始载荷相似的恒定载荷的试验固定装置的所示的温度下。由于恒载荷的关系，这是比如图5所述和报告的测试更为严格的合金恢复能力的测试。由此可以看出，所述合金在更严格的测试条件下仍具有完全的功能性恢复。
[0043]作为冷轧和凸起工序的结果，密封珠或凸起18被加工硬化，其可通过金属片密封珠与冷轧前和凸起前的状态相比具有定向的颗粒结构证明，如图6所示。然而本发明的合金的微观结构也可以根据在微观结构上显示的冷作硬化程度的不同而变化，例如，通过将合金在冷作硬化之后进行沉淀硬化，展现出比那些没有经过沉淀硬化的合金具有较少的定向颗粒结构。但是本发明的合金应该显示出残余冷作硬化以及无须凸起后热处理(post-embossmentheat treatment)的微观结构特征。
[0044]密封珠18一旦被成形，优选的，至少一个金属层12没有被热处理或其他加工，但在某种意义上，特别的，其将进一步硬化密封珠18，例如进行任何额外的沉淀硬化热处理。尽管对衬垫10的任何凸起后热处理或其他加工，是在一定条件下进行的，以保留至少部分的冷作硬化和沉淀硬化中的至少一种，适于维持抗张强度，延展性和所述的高温回弹性能。也就是说，密封珠18是在密封珠成形时得到最终强度和硬度，一旦密封珠成形后不再对其进行任何改变或者进一步加强，包括凸起后热处理。
[0045]参考图7，本发明的凸起衬垫可由包括如下步骤的方法制成：成型退火后的铁镍铬合金片材，使所述退火的片材变形形成具有变形的微观结构的变形的片材，再将所述变形的片材成形为具有至少一个凸起密封珠的衬垫，衬垫所述凸起密封珠在超过1100华氐度的完全夹紧的密封连接处具有大体上完全的功能性回弹性能以实现可操作的密封。当然该方法包括使合适的铁镍铬衬垫材料熔化的步骤100。熔化的合金将在一个中间步骤通过连续浇注固化成一个厚片或铸坯。然后厚片或铸坯通过一个热轧步骤200成型为一个或多个连续的卷状材料。热轧过的材料的厚度范围一般在0.18-0.25英寸之间。接下来热轧过的材料一般将经历一个除锈步骤300，以去除热轧产生的氧化层或其他表面杂质。除锈后的材料一般再经过一个冷轧步骤400，形成一个中间厚度，以避免过度材料过度硬化使其过于脆弱也不利于下一工序的加工。在这个步骤之后，一般进行包括中间退火的步骤500，以去除大部分由冷轧引起的冷作硬化。冷轧400和中间退火500一般至少重复一次，以获得垫片期望的规格或初始厚度。当达到期望的规格时，本发明的片材再进行冷轧600以获得理想的衬垫厚度T。优选的，厚度T经过冷轧600，其数值大概减至退火的初始材料的原厚度的10-70％，更优选的，减厚冷轧的量约为原厚度的30-40％。因此，变形步骤可包括冷轧600退火片材，以产生冷轧过的具有一定程度变形的微观结构，该变形程度随减厚的百分比与所述的最小值和范围的关系而变化。
[0046]本发明的方法还可选的包括一个沉淀硬化热处理步骤700，由此通过冷轧步骤600变形的微观结构也被沉淀硬化。对于特定的合金，所述变形的且沉淀硬化的微观结构具有比所述的变形的微观结构更高的硬度。沉淀硬化热处理可以在约为1200-1350温度范围内进行。
[0047]接下来，冷轧过的铁镍铬合金材料，或可选的冷轧且沉淀硬化的合金材料，进行如下所述的凸起步骤800，以形成至少一个凸起。
[0048]本发明的方法还可包括涂层步骤900，在衬垫上涂上一层耐热衬垫涂层以产生涂层衬垫。所述耐热衬垫涂层(未示出)可以包括化学剥落的蛭石，其中至少90％重量比的所述蛭石的厚度小于或等于30微米，且所有尺寸都不超过1毫米；一种高温有机树脂，其至少可耐受300摄氏度高温；辅助的无机树脂和薄片状的填充物，如美国专利7135519中所述。令人惊奇的是，这种衬垫涂层材料也适用于超过本发明的衬垫工作温度范围的更高的工作温度。
[0049]本发明提供了一种用于衬垫或者衬垫上部分提高密封性能的涂层，其中所述的涂层包含化学的剥落的蛭石的片状微粒，所述微粒总重的90％的厚度不超过30微米，所有尺寸都不超过1毫米，微粒占涂层总重的10-90％，涂层还包括10-50％重量比的有机聚合物粘结剂，其可耐受至少300摄氏度的温度。
[0050]为实现本发明的目的，一个聚合物有机粘合剂可用于耐受某种温度的高温，当这种粘合剂制成1mm或更薄的薄膜，然后加热至室温持续24小时，其不会分解或者分解后至少残留薄膜的20％重量比的残留物。
[0051]这种涂层提高了凸起衬垫的密封能力，使其所承受的高温超过1600华氏度，例如内燃机的排气管。根据本发明，优选的涂层厚度小于100微米，更优选的小于80微米，最优选的是介于50-75微米之间。
[0052]显然地，根据以上教导，本发明的许多修正和变化都是可能的。因此，应当理解，在所附权利要求的范围内，本发明可以上述具体描述之外的其它方式实施。

Claims (31)

1.一种金属衬垫，包括：由合金制成的具有至少一处凸起的密封珠的衬垫，所述合金包括重量百分比为：18％以上的镍；14％以上的铬；0.1-10％的从钼，钛，钒，铝，钴，铌，钽和铜所组成的组中选取的至少一种元素，以及大体上余量的铁，所述衬垫具有变形的微观结构。
2.根据权利要求1所述的衬垫，其中所述变形的微观结构是冷轧的微观结构，具有随着冷轧减厚的百分比的关系而改变的一定程度的变形。
3.根据权利要求3所述的衬垫，其中所述冷轧减厚的百分比范围为10-70％。
4.根据权利要求4所述的衬垫，其中所述冷轧减厚的百分比范围为30-40％。
5.根据权利要求2所述的衬垫，其中所述的变形的微观结构，进一步包含变形且沉淀硬化的微观结构，其中所述的变形且沉淀硬化的微观结构的硬度要比所述的变形的微观结构的硬度高。
6.根据权利要求1所述的衬垫，其中所述合金包括，重量百分比为：18-28％的镍；18-23％的铬；0-8％的钼；0-1.5％的铜；0-1％的硅；0-3％的锰；0-0.6％的钛；0-0.6％的铝；0-0.08％的碳；0-0.015％的硫；0-0.03％的磷；0-0.4％的氮；以及余量的铁。
7.根据权利要求6所述的衬垫，其中所述合金包括，重量百分比为：18-22％的镍；18-22％的铬；0-0.75％的铜；0-1％的硅；0-1％的锰；0-0.6％的钛；0-0.6％的铝；0-0.08％的碳；0-0.015％的硫；以及余量的铁。
8.根据权利要求6所述的衬垫，其中所述合金包括，重量百分比为：26-28％的镍；20.5-23％的铬；6.5-8％的钼；0.5-1.5％的铜；0-0.05％的硅；0-3％的锰；0-0.020％的碳；0-0.01％的硫；0-0.03％的磷；0.3-0.4％的氮；以及余量的铁。
9.根据权利要求1所述的衬垫，其中所述合金包括，重量百分比为：24-55％的镍；13.5-21％的铬；1-3.3％的钼；0-0.15％的铜；0-1％的硅；0-2％的锰；0.65-2.3％的钛；0-0.8％的铝；0-0.5％的钒；0.001-0.01％的硼；0-1％的钴；0-5.5％的铌和钽的总合；0-0.08％的碳；0-0.015％的硫；0-0.015％的磷；以及余量的铁。
10.根据权利要求9所述的衬垫，其中所述合金包括，重量百分比为：24-27％的镍；13.5-16％的铬；1-1.5％的钼；0-1％的硅；0-2％的锰；1.90-2.30％的钛；0-0.35％的铝；0.1-0.5％的钒；0.003-0.01％的硼；0-0.08％的碳；以及余量的铁。
11.根据权利要求9要求所述的衬垫，其中所述合金包括，重量百分比为：50-55％的镍；17-21％的铬；2.8-3.3％的钼；0-0.15％的铜；0-0.35％的硅；0-0.35％的锰；0.65-1.15％的钛；0.35-0.8％的铝；0.001-0.006％的硼；0-1％的钴；4.75-5.5％铌和钽的总合；0-0.08％的碳；0-0.015％的硫；0-0.015％的磷；以及余量的铁。
12.一种金属衬垫，包含：由铁镍铬合金制成的带有至少一个凸起的密封珠的垫片，所述的凸起密封珠在温度超过1100华氏度时，在一个完全压紧的，密封接合处，具有大体上全功能性恢复以实现可操作性密封。
13.根据权利要求12所述的衬垫，其中所述的铁镍铬合金包括，重量百分比为：18％以上的镍；13.5％以上的铬；0.1-10％的从钼，钛，钒，铝，钴，铌，钽和铜所组成的组中选择至少一种元素，以及余量的铁。
14.根据权利要求13所述的衬垫，其中所述的铁镍铬合金包括，重量百分比为：18-28％的镍；18-23％的铬；0-8％的钼；0-1.5％的铜；0-1％的硅；0-3％的锰；0-0.6％的钛；0-0.6％的铝；0-0.08％的碳；0-0.015％的硫；0-0.03％的磷；0-0.4％的氮；以及余量的铁，所述的凸起密封珠在温度超过1200华氏度时，在完全压紧的，密封接合处，具有大体上全功能性恢复以实现可操作性密封。
15.根据权利要求13所述的衬垫，其中所述的铁镍铬合金包括，重量百分比为：24-55％的镍；13.5-21％的铬；1-3.3％的钼；0-0.15％的铜；0-1％的硅；0-2％的锰；0.65-2.3％的钛；0-0.8％的铝；0-0.5％的钒；0.001-0.01％的硼；0-1％的钴；0-5.5％的铌和钽的总合；0-0.08％的碳；0-0.015％的硫；0-0.015％的磷；以及余量的铁，上述的凸起密封珠在温度超过1500华氏度时，在完全压紧的，密封接合处，具有大体上全功能性恢复以实现可操作性密封。
16.根据权利要求13所述的衬垫，其中所述的铁镍铬合金包括，重量百分比为：50-55％的镍；17-21％的铬；2.8-3.3％的钼；0-0.15％的铜；0-0.35％的硅；0-0.35％的锰；0.65-1.15％的钛；0.35-0.8％的铝；0.001-0.006％的硼；0-1％的钴；4.75-5.5％铌和钽的总合；0-0.08％的碳；0-0.015％的硫；0-0.015％的磷；以及余量的铁；所述的凸起密封珠在温度超过1600华氏度时，在完全压紧的，密封接合处，具有大体上全功能性恢复以实现可操作性密封。
17.根据权利要求12所述的衬垫，进一步包括一种耐热涂层。
18.根据权利要求17所述的衬垫，其中所述的耐热涂层包含：化学的剥落的蛭石，其至少占重量90％的蛭石厚度小于或等于30微米，且所有尺寸都不大于1毫米；至少能够承受300摄氏度的高温有机树脂；辅助的无机树脂；及薄片状的填充物。
19.一种加工凸起衬垫的方法，包括以下步骤：成形退火之后的铁镍铬合金薄片，使所述退火处理后的金属薄片成形为具有变形的微观结构片材，将所述变形的片材成型为具有至少一个凸起密封珠的衬垫，所述的凸起密封珠在温度超过1100华氏度时，在完全压紧的，密封接合处，具有大体上全功能性恢复以实现可操作性密封。
20.根据权利要求19所述的方法，其中所述变形步骤包括冷轧退火后的薄板使其产生冷轧微观结构，具有随着冷轧减厚的百分比的关系而改变的一定程度的变形。
21.根据权利要求20所述的方法，其中所述冷轧减厚百分比的范围为10-70％。
22.根据权利要求21所述，其中所述冷轧减厚百分比的范围为30-40％。
23.根据权利要求20所述的方法，其中所述的变形步骤产生了一定程度上的变形足以使所述变形的薄片在轧制方向至少具有5％的抗张伸展率。
24.根据权利要求23所述的方法，其中所述的变形步骤产生了一定程度上的变形足以使所述变形的薄片在轧制方向具有大约5-10％的抗张伸展率。
25.根据权利要求19所述的方法，其中所述的铁镍铬合金包括，重量百分比为：18％以上的镍；14％以上的铬；0.1-10％的从钼，钛，钒，铝，钴，铌，钽和铜所组成的组中选择至少一种元素，以及余量的铁，所述的凸起密封珠在温度超过1200华氏度时，在完全压紧的，密封接合处，具有大体下上功能性恢复以实现可操作性密封。
26.根据权利要求25所述的方法，其中所述合金包括，重量百分比为：24-55％的镍；13.5-21％的铬；1-3.3％的钼；0-0.15％的铜；0-1％的硅；0-2％的锰；0.65-2.3％的钛；0-0.8％的铝；0-0.5％的钒；0.001-0.01％的硼；0-1％的钴；0-5.5％的铌和钽的总合；0-0.08％的碳；0-0.015％的硫；0-0.015％的磷；以及余量的铁，上述的凸起密封珠在温度超过1500华氏度时，在完全压紧的，密封接合处，具有大体上全功能性恢复以实现可操作性密封。
27.根据权利要求26所述的方法，其中所述合金包括，重量百分比为：50-55％的镍；17-21％的铬；2.8-3.3％的钼；0-0.15％的铜；0-0.35％的硅；0-0.35％的锰；0.65-1.15％的钛；0.35-0.8％的铝；0.001-0.006％的硼；0-1％的钴；4.75-5.5％铌和钽的总合；0-0.08％的碳；0-0.015％的硫；0-0.015％的磷；以及余量的铁；所述的凸起密封珠在温度超过1600华氏度时，在完全压紧的，密封接合处，具有大体上全功能性恢复以实现可操作性密封。
28.根据权利要求19所述的方法，进一步包括一个沉淀硬化热处理步骤，其中所述的变形微观结构进一步包括变形的且沉淀硬化的微观结构，其中所述的变形且沉淀硬化的微观结构的硬度要比上述的变形微观结构的硬度高。
29.根据权利要求28所述的方法，其中所述的沉淀硬化热处理是在1200-1350华氏度的温度范围内进行的。
30.根据权利要求19所述的方法，进一步包括在所述衬垫涂敷一层耐热材料的涂层的步骤。
31.根据权利要求30所述的方法，其中所述的耐热涂层，包含化学剥落蛭石，至少占重量的90％的蛭石厚度小于或等于30微米，且所有尺寸都不大于1毫米；至少能够承受300摄氏度的温度的高温有机树脂；辅助的无机树脂；以及薄片状的填充物。
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