CN108277417B - 一种Al-B-Co-Mn轻型低热膨胀合金及其制备方法 - Google Patents

一种Al-B-Co-Mn轻型低热膨胀合金及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种Al‑B‑Co‑Mn轻型低热膨胀合金及其制备方法，其结构通式为Alx(B0.4Co0.3Mn0.3)100‑x，其中x＝10～20整数，优选的合金组成为Al10B36Co27Mn27、Al15B34Co25.5Mn25.5、Al20B32Co24Mn24。本发明提供的合金主体结构简单，元素组成特性要求明确，成分设计简洁。合金制备的工艺过程要求具体、简洁，操作简单。本发明获得的低膨胀合金中约50％的成分为B和Al元素，降低了合金的总体质量，属于轻型低膨胀合金，应用领域较广。

Description

一种Al-B-Co-Mn轻型低热膨胀合金及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种低热膨胀合金及制备工艺，属于特殊合金材料技术领域。
背景技术
低热膨胀合金是法国物理学家Guillaume在1898年发现的Fe65Ni35(成分为原子百分比)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；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。
分析低热膨胀合金的成分，人们不难发现，低热膨胀合金具有特定的成分比例，即明显的点成分特征，如典型的低热膨胀合金Fe65Ni35。对低热膨胀合金的研究表明，低热膨胀合金与一般合金比较所具有的反常特性，明显的依赖于面心立方结构与体心立方结构的竞争，这说明低热膨胀合金应存在某种明显的结构特征。
低热膨胀合金自从19世纪被发现以来，人们就被它巨大的工业应用潜力和所蕴含的丰富的物理内容所吸引，使得低热膨胀合金在种类、性能和应用等方面都得到了极大的发展，广泛用作精密仪器的材料。在电子器件中也有应用，如用于早期的彩色电视机中阴极射线管的遮光板，微波和激光仪器的谐振腔等。低热膨胀合金加上另一种正常金属所做成的各种类型的双金属也有普遍的应用。随着科技发展对材料性能要求的不断提高，轻质合金的应用越来越来广泛，而具有低热膨胀性能的轻质合金也受到更多的关注。因此，研究轻质低热膨胀合金，对在特定温度下低热膨胀合金应用有重要意义。
发明内容
为弥补现有技术空白，本发明提供一种轻质低热膨胀合金及制备方法，该合金在环境温度低于130℃以下热膨胀变化几乎为零，可以作为此温度范围内的低热膨胀合金使用，由于成分中B和Al的含量占46-52％(原子百分比)，使合金的总体质量大大降低，可以作为轻型低热膨胀合金使用。
本发明采用如下技术方案：一种轻型低热膨胀合金，其结构通式为Alx(B0.4Co0.3Mn0.3)100-x，其中x＝10～20整数。
优选的，所述的轻型低热膨胀合金为Al10B36Co27Mn27、Al15B34Co25.5Mn25.5、Al20B32Co24Mn24。
本发明同时请求保护上述合金的制备方法，具体包括以下步骤：
1、按照比例将高纯度B和Mn放入真空非自耗电极电弧炉中，放置顺序从上到下依次为2/3Mn、B、1/3Mn；用氩气做为保护气体，在100A熔炼电流、5A磁搅拌电流作用下熔10～15min，得到BMn母合金；所述的2/3Mn(或1/3Mn)表示占Mn总原子百分比的三分之二(或三分之一)的Mn。
2、按照比例将高纯度Al、Co与制备好的BMn母合一起放入真空非自耗电极电弧炉中，放置顺序从上到下依次为Al、Co、BMn；惰气保护下，在100A熔炼电流、5A磁搅拌电流作用下熔炼10～15min，得到金属块体；
3、用丙酮清洗熔炼后的金属块体；然后封入真空度为10-1Pa的石英管中，在550℃的条件下保温36h，自然冷却；即得到轻型低热膨胀合金。
进一步的，所述的Al、B、Co、Mn的纯度均在99.999％以上。
本发明通过改变添加元素Al的含量，制备不同的Alx(B0.4Co0.3Mn0.3)100-x轻型低热膨胀合金，对该合金的热膨胀性能进行测试，当温度大于130℃以上时，三种合金成分热膨胀变化都随温度增加而增加，在室温至130℃以下时，热膨胀变化随温度的增加缓慢增加或热膨胀变化几乎为零，其表现出优异的低热膨胀性能。
本发明的有益效果有：
1、合金主体结构简单，元素组成特性要求明确，成分设计简洁。
2、合金制备的工艺过程要求具体、简洁，操作简单。
3、本发明获得的低膨胀合金中约50％的成分为B和Al元素，降低了合金的总体质量，属于轻型低膨胀合金，应用领域较广。
附图说明
图1为Al10B36Co27Mn27、Al15B34Co25.5Mn25.5、Al20B32Co24Mn24三种合金成分的热膨胀曲线图。
具体实施方式
下面通过具体实施例详述本发明，但不限制本发明的保护范围。如无特殊说明，本发明所采用的实验方法均为常规方法，所用实验器材、材料、试剂等均可从化学公司购买。
实施例1
本发明的制备过程包括：
1、选取纯度99.999％以上的B和Mn，将原子百分比34％B和25.5％Mn放入真空非自耗电极电弧炉中，放置顺序从上到下依次为2/3Mn(25.5％Mn的2/3)、B、1/3Mn(25.5％Mn的1/3)；用氩气做为保护气体，在100A熔炼电流、5A磁搅拌电流作用下熔10～15min，得到BMn母合金；
2、选取纯度99.999％以上的Al和Co，将原子百分比15％Al和25.5％Co与制备好的BMn母合金一起放入真空非自耗电极电弧炉中，放置顺序从上到下依次为Al、Co、BMn；用氩气做为保护气体，在100A熔炼电流、5A磁搅拌电流作用下熔炼10～15min。
3、用丙酮清洗熔炼后的金属块体；然后封入真空度为10-1Pa的石英管中，在550℃的条件下保温36h，自然冷却；即得到Al15B34Co25.5Mn25.5低热膨胀合金。
实施例2
1、选取纯度99.999％以上的B和Mn，将原子百分比36％B和27％Mn放入真空非自耗电极电弧炉中，放置顺序从上到下依次为2/3Mn、B、1/3Mn；用氩气做为保护气体，在100A熔炼电流、5A磁搅拌电流作用下熔10～15min，得到BMn母合金；
2、选取纯度99.999％以上的Al和Co，将原子百分比10％Al和27％Co与制备好的BMn母合金一起放入真空非自耗电极电弧炉中，放置顺序从上到下依次为Al、Co、BMn；用氩气做为保护气体，在100A熔炼电流、5A磁搅拌电流作用下熔炼10～15min。
3、用丙酮清洗熔炼后的金属块体；然后封入真空度为10-1Pa的石英管中，在550℃的条件下保温36h，自然冷却；即得到Al10B36Co27Mn27低热膨胀合金。
实施例3
1、选取纯度99.999％以上的B和Mn，将原子百分比32％B和24％Mn放入真空非自耗电极电弧炉中，放置顺序从上到下依次为2/3Mn、B、1/3Mn；用氩气做为保护气体，在100A熔炼电流、5A磁搅拌电流作用下熔10～15min，得到BMn母合金；
2、选取纯度99.999％以上的Al和Co，将原子百分比20％Al和24％Co与制备好的BMn母合金一起放入真空非自耗电极电弧炉中，放置顺序从上到下依次为Al、Co、BMn；用氩气做为保护气体，在100A熔炼电流、5A磁搅拌电流作用下熔炼10～15min。
3、用丙酮清洗熔炼后的金属块体；然后封入真空度为10-1Pa的石英管中，在550℃的条件下保温36h，自然冷却；即得到Al20B32Co24Mn24低热膨胀合金。
用热膨胀分析测试仪，对Al10B36Co27Mn27、Al15B34Co25.5Mn25.5、Al20B32Co24Mn24三种合金成分进行测试，如图1所示为三种合金成分热膨胀变化随温度增加的变化曲线。从测试的结果中发现当温度大于130℃以上时，三种合金成分热膨胀变化都随温度增加而增加，在室温至130℃以下时，成分为Al10B36Co27Mn27和Al20B32Co24Mn24的合金，其热膨胀变化随温度的增加缓慢增加；而成分为Al15B34Co25.5Mn25.5合金，其热膨胀变化随温度的增加不发生变化，热膨胀变化几乎为零。
以上所述，仅为本发明创造较佳的具体实施方式，但本发明创造的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明创造披露的技术范围内，根据本发明创造的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明创造的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种Al-B-Co-Mn轻型低热膨胀合金，其特征在于，结构通式为Al x (B0.4Co0.3Mn0.3)100-x ，其中x=10~20整数，x为原子百分比；该合金制备方法具体包括以下步骤：
（1）、按照比例将高纯度B和Mn放入真空非自耗电极电弧炉中，放置顺序从上到下依次为2/3Mn、B、1/3Mn；惰气保护，在100A熔炼电流、5A磁搅拌电流作用下熔10~15min，得到BMn母合金；
（2）、按照比例将高纯度Al、Co与制备好的BMn母合一起放入真空非自耗电极电弧炉中，放置顺序从上到下依次为Al、Co、BMn；惰气保护下，在100A熔炼电流、5A磁搅拌电流作用下熔炼10~15min，得到金属块体；
（3）、用丙酮清洗熔炼后的金属块体；然后封入真空度为10-1Pa的石英管中，在550℃的条件下保温36h，自然冷却；即得到轻型低热膨胀合金。
2.根据权利要求1所述的轻型低热膨胀合金，其特征在于，该合金为Al10B36Co27Mn27、Al15B34Co25.5Mn25.5、Al20B32Co24Mn24。
3.根据权利要求1所述的轻型低热膨胀合金，其特征在于，所述的Al、B、Co、Mn的纯度均在99.999%以上。
4.根据权利要求1所述的轻型低热膨胀合金，其特征在于，所述惰气为氩气。
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