CN113005364A - 压电致动器件、铁镍铬合金材料及其制备方法与应用 - Google Patents

Abstract

本申请属于合金材料技术领域，具体涉及压电致动器件、铁镍铬合金及其制备方法与应用，铁镍铬合金包括如下质量百分比的各组分：3％‑12％的Cr、35％‑50％的Ni、0.05％‑0.3％的Si以及0.2％‑0.5％的Mn，余量包括Fe。本申请通过协同配置镍、铬、硅以及锰等的质量百分比，能够在降低合金成本的同时，使得合金具有高硬度，良好的塑形和韧性，以及优异的耐腐蚀性。因此，本申请合金能够提高对脆性陶瓷的封装支撑效果，更好地满足压电陶瓷高频振动的使用需求。

Description

压电致动器件、铁镍铬合金材料及其制备方法与应用

技术领域

本申请涉及合金材料技术领域，具体涉及压电致动器件、铁镍铬合金材料及其制备方法与应用。

背景技术

瓷封合金被广泛用于电真空工业中，是制做大功率发射管，开关管、磁控管、显像管、集成电路、电子管、密封插头、密封继电器及超高频卫星和压电致动器等不可缺少的封接结构材料。

铁镍铬瓷封合金广泛应用于压电致动器件，是与陶瓷膨胀系数相匹配的一种密封结构的材料。目前铁镍铬瓷封合金硬度较低。

发明内容

本申请主要解决的技术问题是提供压电致动器件、铁镍铬合金及其制备方法与应用，来改善现有技术硬度较低等问题。

为解决上述技术问题，本申请采用的一个技术方案是：提供一种铁镍铬合金，包括如下质量百分比的各组分：3％-12％的Cr、35％-50％的Ni、0.05％-0.3％的Si以及0.2％-0.5％的Mn，余量包括Fe。

为解决上述技术问题，本申请采用的另一个技术方案是：提供一种铁镍铬合金的应用，用于与压电陶瓷元件封接。

为解决上述技术问题，本申请采用的另一个技术方案是：提供一种

压电致动器件，包括本申请铁镍铬合金所制成的合金基板以及陶瓷件，所述合金基板与所述陶瓷件封接。

为解决上述技术问题，本申请采用的另一个技术方案是：提供一种本申请铁镍铬合金的制备方法。

本申请的有益效果是：本申请通过设置铁镍铬合金中铬的质量百分比为3％-12％，镍的质量百分比为35％-50％，硅的质量百分比为0.05％-0.3％以及锰的质量百分比0.2％-0.5％，上述相对较高含量的铬能够使得合金在氧化中形成较为致密的Cr₂O₃膜，而上述较高含量的镍能够使得合金具有非常好的硬度和屈服强度，进而使得合金具有较好的韧性，而在含量为上述比例的镍和铬的基础上加入上述少量的锰，能够有效降低层错能，进而进一步改善塑性，利于提高合金加工性能，另外上述比例的硅能够进一步提高合金的屈服强度，而又不会导致合金的韧性下降，如此也可以进一步改善合金的加工性能。而且相对比利用钴等成本较高的金属来改善强度和加工性而言，本申请的方案通过协同配置镍、铬、硅以及锰等的质量百分比，能够在降低成本的同时，提高了合金的硬度和韧性，进而改善了对例如脆性陶瓷的封装支撑效果，从而满足了压电陶瓷高频振动的使用需求。

附图说明

图1是本申请铁镍铬合金应用在压电致动器件中的示意图。

图2是本申请铁镍铬合金实施例3的金相显微组织。

具体实施方式

下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本申请的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

本申请铁镍铬合金实施例描述的铁镍铬合金(如下简称合金)包括如下质量百分比的各组分：3％-12％的Cr、35％-50％的Ni、0.05％-0.3％的Si以及0.2％-0.5％的Mn，余量包括Fe。

上述相对较高含量的铬能够使得合金在氧化中形成较为致密的Cr₂O₃膜，而上述较高含量的镍能够使得合金具有非常好的硬度和屈服强度，进而使得合金具有较好的韧性，而在含量为上述比例的镍和铬的基础上加入上述少量的锰，能够有效降低层错能，进而进一步改善塑性，利于提高合金加工性能，另外上述比例的硅能够进一步提高合金的屈服强度和硬度，而又不会导致合金的韧性下降，如此也可以进一步改善合金的加工性能。而且相对比利用钴等成本较高的金属来改善强度和加工性而言，本申请的方案通过协同配置镍、铬、硅以及锰等的质量百分比，能够在降低成本的同时，提高了合金的硬度和韧性。

可选地，Cr的质量百分数为4％-10％。可选地，Ni的质量百分比为38％-48％。

通过配置铬的质量百分数为4％-10％能够进一步改善合金的抗氧化性能，提高合金的使用寿命，而且在上述基础上配置镍的质量百分比为38％-48％，能够进一步提高合金的抗腐蚀性能和加工性能。

可选地，Cr的质量百分比为5％-8％。可选地，Ni的质量百分比为40％-45％。通过配置铬的质量百分比为5％-8％，镍的质量百分比为40％-45％，能够进一步地合金的硬度和韧性，以及加工性能等。

可选地，Si的质量百分比为0.1％-0.2％。可选地，Mn的质量百分比为0.3％-0.4％。通过进一步配置硅的质量百分比为0.1％-0.2％，能够配合铬和镍进一步提高合金的屈服强度，也不会产生固溶强化而使得合金的塑性加强，通过进一步配置锰的质量百分比为0.3％-0.4％，进一步提高合金的加工性能。

其中，余量还至少包括质量百分比≤0.01％的C、质量百分比≤0.01％的P以及质量百分比≤0.01％的S。除铁之外的其他余量成分一般为杂质元素，含量过高会使得合金的硬度和韧性等性能变坏。通过配置杂质成分包括质量百分比≤0.01％的C、质量百分比≤0.01％的P以及质量百分比≤0.01％的S，能够较好地减少杂质成分对合金的材料性能的影响，进而较大程度保证合金的硬度和韧性。

本实施例描述的合金能够应用于与压电陶瓷件的封接，也即对压电陶瓷件进行封装连接，此为本实施例合金的其中一种用途。具体地，本实施例描述的合金可以作为与陶瓷膨胀系数相匹配的一种密封结构的材料，用于与压电陶瓷件的封接。

本实施例描述的铁镍铬合金用于制作真空器件中的合金基板。关于压电致动器件的描述可以参见下述本申请合金器件实施例的描述。

如图1所示，本申请合金器件实施例描述的压电致动器件至少包括合金基板10和陶瓷件20。其中，合金基板10包括边框部100、弹性连接部101和振动部102。其中，振动部102通过弹性连接部101连接设置于合金基板10的中部。

合金基板10用于与陶瓷件20封接。陶瓷件30通过耐高温胶封装在振动部102上。陶瓷件为压电陶瓷。

本申请的合金设置了质量百分比为3％-12％的铬，质量百分比为35％-50％的镍，质量百分比为0.05％-0.3％的硅以及质量百分比0.2％-0.5％的锰。合金中相对较高含量的铬，能够使得合金在氧化过程中形成较为致密的Cr₂O₃保护膜，较高含量的镍，能够使得合金具有非常好的硬度和屈服强度。且合金中加入少量的锰，能够有效降低层错能，进而进一步改善塑性，加入少量的硅能够进一步提高合金的屈服强度，而又不会导致合金的韧性下降。即通过协同配置镍、铬、硅以及锰等的质量百分比，能够在降低成本的同时，提高了合金的硬度和韧性，进而改善了对例如脆性陶瓷的封装支撑效果，从而满足了压电陶瓷高频振动的使用需求。

上述本申请铁镍铬合金实施例以及本申请压电致动器件实施例中描述的铁镍铬合金的制备方法可以参见下述本申请的详细描述。

本申请铁镍铬合金的制备方法实施例描述的制备方法可以包括如下步骤：

准备好包括相应比例的镍、纯铁、铬铁以及锰在内的原材料进行真空熔炼，并进一步进行电渣重熔精炼，形成钢坯。

(1)按比例制备好原材料，例如准备好35wt.％的镍、3wt.％的铬、0.05wt.％的硅、0.20wt.％的锰、61.75wt.％的铁加入真空感应炉内熔炼，待原材料全部熔融以后进行精炼。按该比例的原材料熔炼的试样为实施例1。总共设置5个不同比例原材料的实施例，其中，实施例1至实施例5的原材料成分如表1所示：

表1实施例1至实施例5的原材料成分

熔炼过程中需加入具有保护性的气体进行脱气，例如加入氩气做保护气体。其中，熔炼时真空感应炉的真空度范围为0.5-10MPa，如熔炼时真空感应炉的真空度为1.5MPa，熔炼时间大于或等于1h，如熔炼时间为1.5h，且真空熔炼制备得到的合金需取出至少一个地方的试样检测其组分。例如，取出实施例1的中间部分和边缘部分两个不同地方的试样检测其组分。将取出来的试样制备成金相样品，利用检测工具，如SEM-EDS仪器，检测其成分是否符合要求。本申请在熔炼后取出实施例1合金的中间部分，其成分如表2所示，取出实施例1合金的边缘部分，其成分如表3所示。

表2实施例1中间部分的成分

表3实施例1边缘部分的成分

为提高钢锭的纯净度和均匀性，可以对真空熔炼得到的铁镍铬合金电渣重熔精炼。

将所述钢坯进行刨面处理，以去除所述钢坯的表面氧化皮，并进行热轧处理形成相应厚度的钢带。

(2)刨面。

用刨床将钢坯表面氧化皮去除，钢坯单边的刨下量为5～8mm。

对经过刨面处理后的钢坯进行热轧处理，使钢坯形成相应厚度的钢带。

(3)热轧。

热轧温度为1080℃±5℃，轧制次数为8-12次，热轧形成的不锈钢合金钢带的厚度为2.7±0.1mm。热轧过程中应避免出现翘头、浪形及镰刀弯等现象，钢带表面避免出现卷形不良，结疤辊印，边裂及翘皮等，且使钢带的厚度保持均匀。

为了去除热轧后的钢带表面的氧化皮，需要对材料进行酸洗。酸洗的试剂为盐酸与硝酸，盐酸与硝酸的质量分数为25％，酸与硝酸的体积比为3：7，酸洗时间为1-25min，例如酸洗时间为5min、10min、15min或20min，酸洗后再进行水洗，以此去除钢带表面残留的酸液。酸洗的次数不做限制，直到得到符合要求的钢带表面即可停止酸洗，如酸洗三次后进行下一个工艺流程。

将钢带进行至少一次连续预设处理，所述连续预设处理至少包括依次进行的冷轧处理以及退火处理。

(4)连续预设处理。

热轧得到的材料，其内部残余应力较大，表面粗糙度较大，材料尺寸控制精确度较低，为了使材料的性能、表面粗糙度和尺寸达到瓷封合金的使用标准，需要对材料进行连续预设处理。

连续预设处理至少包括依次进行的冷轧处理以及退火处理。连续预设处理的次数不做限制，例如连续预设处理的次数为3次。其中，第一次连续预设处理过程中，酸洗后的不锈钢合金钢带通过2.7→2.3→2.0的冷轧道次，最终形成的不锈钢合金钢带厚度为2.0±0.03mm，退火温度为1050℃(±5℃)，升温速度为1.2℃/min，退火时间为1h-10h之间的任一时间段，例如可以为1h-3h时间段中的1.5h、1h-5h时间段中的2.5h、1h-8h时间段中的4h、2h-4h时间段中的3.5h或5h-10h时间段中的7.5h、6h-9h时间段中的8.5h等。可选地，对退火后的不锈钢合金钢带进行水抛处理，能够确保带材表面的平整度及光滑度，方便后续与陶瓷平面封装。

第二次连续预设处理过程中，经过第一次连续预设处理后的不锈钢合金钢带通过2.0→1.65→1.5的冷轧道次，最终形成的不锈钢合金钢带厚度为1.5±0.02mm，退火温度为1020℃(±5℃)，升温速度为1.5℃/min，退火时间为1h-10h之间的任一时间段，例如可以为1h-3h时间段中的1.5h、1h-5h时间段中的2.5h、1h-8h时间段中的4h、2h-4h时间段中的3.5h或5h-10h时间段中的7.5h、6h-9h时间段中的8.5h等。可选地，对退火后的不锈钢合金钢带进行水抛处理，能够确保带材表面的平整度及光滑度，方便后续与陶瓷平面封装。

第三次连续预设处理过程中，经过第二次连续预设处理后的不锈钢合金钢带通过1.5→1.0→0.6的冷轧道次，最终形成的不锈钢合金钢带厚度为0.6±0.015mm，退火温度为1020℃(±5℃)，升温速度为2℃/min，退火时间为1h-10h之间的任一时间段，例如可以为1h-3h时间段中的1.5h、1h-5h时间段中的2.5h、1h-8h时间段中的4h、2h-4h时间段中的3.5h或5h-10h时间段中的7.5h、6h-9h时间段中的8.5h等。可选地，对退火后的不锈钢合金钢带进行水抛处理，能够确保带材表面的平整度及光滑度，方便后续与陶瓷平面封装。

不同次数连续预设处理中退火的工艺参数也可以相同，例如，第一次、第二次和第三次连续预设处理均采用退火温度为1020℃(±5℃)，升温速度为2℃/min，退火时间为1h-10h之间任一时间段的工艺流程。

对经过连续预设处理后的不锈钢合金钢带进行精切，使其尺寸进一步符合瓷封材料的要求，最后对其进行包装。

按照上述方法制备的铁镍铬合金材料的硬度为230-250HV30，20-300℃之间的热膨胀系数为6.7～9.0*10^-6/℃。其中，实施例1至实施例5合金的组分与硬度，以及20-300℃之间的热膨胀系数表如表4所示。

表4实施例1至实施例5合金的组分与硬度，以及20-300℃之间的热膨胀系数

由表4可知，在镍的质量百分为35％-50％范围内，随着镍含量的增加，合金的硬度呈现先增加后减少的规律，在镍的质量百分数为45％时，合金硬度值达到最高。由表4可知，本申请合金硬度范围为230-250HV30，而现有的瓷封合金的硬度值仅为120-180HV30。本申请通过协同配置镍、铬、硅以及锰等的质量百分比，能够在降低成本的同时，提高合金的硬度。

图2为硬度值最高的实施例3在500倍的放大倍数下的金相显微组织。从图2可知合金中至少生成了网状的铁素体。其中，铁素体具有良好的塑性与韧性，能够提高合金的塑性和韧性。

本申请通过在合金中加入相对较高含量的铬，能够使得合金在氧化中形成较为致密的Cr₂O₃保护膜，较高含量的镍能够使得合金具有非常好的硬度和屈服强度。且合金中加入少量的锰，能够有效降低层错能，进而进一步改善塑性，加入少量的硅能够进一步提高合金的屈服强度，而又不会导致合金的韧性下降。即本申请通过协同配置镍、铬、硅以及锰等的质量百分比，能够在降低合金成本的同时，使得合金具有高硬度，良好的塑形和韧性，以及优异的耐腐蚀性。本申请的合金能够更好地满足压电陶瓷高频振动的使用需求。

以上述依据本发明的理想实施例为启示，通过上述的说明内容，相关工作人员完全可以在不偏离本项发明技术思想的范围内，进行多样的变更以及修改。本项发明的技术性范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定其技术性范围。

Claims (10)

1.一种铁镍铬合金，其特征在于，包括如下质量百分比的各组分：3％-12％的Cr、35％-50％的Ni、0.05％-0.3％的Si以及0.2％-0.5％的Mn，余量包括Fe。

2.根据权利要求1所述的铁镍铬合金，其特征在于，所述Cr的质量百分比进一步为4％-10％、所述Ni的质量百分比进一步为38％-48％。

3.根据权利要求2所述的铁镍铬合金，其特征在于，所述Cr的质量百分比进一步为5％-8％，所述Ni的质量百分比为进一步40％-45％。

4.根据权利要求1-3任一项所述的铁镍铬合金，其特征在于，所述Si的质量百分比进一步为0.1％-0.2％，所述Mn的质量百分比进一步为0.3％-0.4％。

5.如权利要求1所述的铁镍铬合金，其特征在于：所述余量还至少包括≤0.01％的C、≤0.01％的P以及≤0.01％的S。

6.一种如权利要求1-5任一项所述的合金的应用，用于与压电陶瓷件封接。

7.一种压电致动器件，其特征在于，包括：如权利要求1-5任一项所述的铁镍铬合金所制成的合金基板以及陶瓷件，所述合金基板与所述陶瓷件封接。

8.根据权利要求7所述的压电致动器件，其特征在于，所述合金基板包括边框部、振动部及弹性连接部，所述振动部通过所述弹性连接部连接设置于所述合金基板的中部，所述陶瓷件通过耐高温胶封装在所述振动部上。

9.根据权利要求7所述的压电致动器件，其特征在于，所述陶瓷件为压电陶瓷。

10.一种如权利要求1-5任一项所述的铁镍铬合金的制备方法，其特征在于，包括：

准备好包括相应比例的镍、纯铁、铬铁以及锰在内的原材料进行真空熔炼，并进一步进行电渣重熔精炼，形成钢坯；

将所述钢坯进行刨面处理，以去除所述钢坯的表面氧化皮，并进行热轧处理形成相应厚度的钢带；

将钢带进行至少一次连续预设处理，所述连续预设处理至少包括依次进行的冷轧处理以及退火处理。

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