金属垫圈
阅读：709发布：2020-05-12
专利汇可以提供金属垫圈专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且一种包含压纹的金属 垫圈 ，该压纹在高达约1000°F的运行 温度 下呈现出基本上全功能的恢复和残留应 力 ，且该压纹由经过 冷轧 的金属片材制成，该金属片材的压纹经加工硬化，而无需采用任何后压纹 热处理 来硬化该材料。所述材料还可以在压纹之前先进行沉积硬化热处理。该垫圈材料由 合金 组成，该合金具有按重量计：大于18％的镍，大于14％的铬，0.1-10％的从由钼、 钛 、 钒 、 铝 、钴、铌、钽及 铜 构成的组中选出至少一个元素和大体上余量的 铁 及附带的杂质，该合金经冷轧硬化，无需采用压纹后热处理来硬化该材料。，下面是金属垫圈专利的具体信息内容。
1.一种金属垫圈，包括由合金制成的具有至少一个压纹密封珠缘的垫圈片，所述合金组成为，按重量计：24.00-27.00％的镍，13.5-16.00％的铬，1.00-1.50％的钼，0-1.00％的硅，0-2.00％的锰，1.90-2.30％的钛，0-0.35％的铝，0.10-0.50％的钒，0.003-0.010％的硼，0-0.08％的碳以及余量的铁；所述垫圈片具有变形的微观结构，所述变形的微观结构是无须进行热处理的冷轧微观结构。
2.根据权利要求1所述的垫圈，其特征在于，所述冷轧微观结构的变形程度随冷轧变形量的百分比而变化。
3.根据权利要求2所述的垫圈，其特征在于，所述冷轧变形量的百分比的范围为
10％-70％。
4.根据权利要求3所述的垫圈，其特征在于，所述冷轧变形量的百分比的范围为
30-40％。
5.根据权利要求2所述的垫圈，其特征在于，所述变形的微观结构被沉淀硬化形成变形且沉淀硬化的微观结构，其中，该变形且沉淀硬化的微观结构的硬度大于所述变形的微观结构的硬度。
金属垫圈
[0001] 相关申请的交叉引用
技术领域
背景技术
[0004] 在包括汽油和柴油燃料发动机在内的内燃机的适度高温垫圈中应用压纹金属是众所周知的。例如，通过冷轧充分硬化的301不锈钢垫圈(301FH SS)可接受在高达约800°F的温度下工作，但在高于约1000°F的温度下会丧失其强度，且在高于约1000°F的温度下，压纹产生受热凝结，无法完全恢复至其于使用过程中的有效的密封状态，从而丧失其有效密封接合处的能力。然而，即使在低于1000°F的温度下，随着温度从室温升至约
1000°F，301 FH SS和例如309FH CR和316Ti等其他不锈钢的性能相应成比例地降低，而且通常在800°F温度之上其性能下降的速率加快，如图1所示，该图1举例描绘了温度对恢复压纹高度的影响。由于给定垫圈设计的性能的逐渐下降，即使在约230-550°F适当温度下其性能的逐渐下降，会导致垫圈承载降低至会损害密封的点，故而应力松弛显得很重要。通常，通过在该垫圈设计中结合附加垫圈层以实现所需垫圈高度和密封性能，来解决这种性能下降的问题。垫圈所受的温度影响和限制令其在欲密封的接合处会经历大量的热能或动态机械运动的密封应用中，例如在需承受振动的接合处，特别是那些同时经历较大的温度变化的接合处，产生恶化。这种状况频繁发生于带凸缘的元件与相配合的接合件，特别是另一带凸缘的接合件，相接合的各种接合处。在与内燃机相关的密封应用中，这样的实例包括确定汽缸盖垫圈结构、排气管夹、进气歧管和涡轮增压器中冷器中的接合处。
1000°F，301 FH SS和例如309FH CR和316Ti等其他不锈钢的性能相应成比例地降低，而且通常在800°F温度之上其性能下降的速率加快，如图1所示，该图1举例描绘了温度对恢复压纹高度的影响。由于给定垫圈设计的性能的逐渐下降，即使在约230-550°F适当温度下其性能的逐渐下降，会导致垫圈承载降低至会损害密封的点，故而应力松弛显得很重要。通常，通过在该垫圈设计中结合附加垫圈层以实现所需垫圈高度和密封性能，来解决这种性能下降的问题。垫圈所受的温度影响和限制令其在欲密封的接合处会经历大量的热能或动态机械运动的密封应用中，例如在需承受振动的接合处，特别是那些同时经历较大的温度变化的接合处，产生恶化。这种状况频繁发生于带凸缘的元件与相配合的接合件，特别是另一带凸缘的接合件，相接合的各种接合处。在与内燃机相关的密封应用中，这样的实例包括确定汽缸盖垫圈结构、排气管夹、进气歧管和涡轮增压器中冷器中的接合处。
发明内容
[0005] 本发明提供一种性价比较高的解决方案，以为运行温度高达约1000°F的适度高温压纹金属垫圈应用提供低成本的解决方案。
[0006] 在本发明的一方面，提供一种包含压纹的金属垫圈，该压纹在高达约1000°F的运行温度下呈现出基本上全功能的恢复和残留应力，且该压纹由经过冷轧的金属片材制成，该金属片材的压纹经加工硬化具有充分的运行强度，而无需采用任何后压纹热处理来硬化该材料。
[0007] 根据本发明的另一方面，所述垫圈由沉淀硬化型铁-镍-铬合金制成，该合金先经冷轧硬化，再经沉淀硬化热处理沉淀硬化，接着压制形成并加工硬化所述压纹，在此之后无需采用压纹后热处理来硬化该材料。
[0008] 根据本发明的又一方面，对应所述冷轧/加工硬化压纹处理且无需采用后压纹热处理来进一步硬化的任何铁-镍-铬合金均可被预期应用于制造该类型的垫圈。
[0009] 根据本发明的又一方面，对应先经冷轧加工硬化、再经线圈形式的沉淀硬化、接着进行压纹处理而无需采用压纹后热处理来硬化的任何合金均可被预期应用于制造该类型的垫圈。
[0010] 根据本发明的又一方面，可将具有至少一个由合金制成的压纹密封珠缘的垫圈片预期用作本发明的垫圈，所述合金包含，按重量计：大于18％的镍，大于14％的铬，0.1-10％的从由钼、钛、钒、铝、钴、铌、钽及铜构成的组中选出至少一个元素以及大体上余量的铁，所述垫圈片具有变形的加工硬化的微观结构。
[0011] 根据本发明的又一方面，可将具有至少一个由铁-镍-铬合金合金制成的压纹密封珠缘的垫圈片预期用作本发明的垫圈，所述合金包含，按重量计：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，0-0.8％的碳，0-0.015％的硫，0-0.03％的磷，0-0.4％的氮以及大体上余量的铁。
[0012] 根据本发明的又一方面，可将具有铁-镍-铬合金合金的垫圈片预期用作本发明的垫圈，所述合金包含，按重量计：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，0-1.0％的钴，4.75-5.5％的铌或钽的总量，0-0.08％的碳，0-0.015％的硫，0-0.015％的磷以及大体上余量的铁。
[0013] 根据本发明的又一方面，本发明包括制造压纹金属垫圈的方法，该方法包括下列步骤：形成铁-镍-铬合金的退火片；使所述退火片产生变形以形成具有变形的微观结构的变形片；以及由所述变形片形成具有至少一个压纹密封珠缘的垫圈；在高达约1000°F的运行温度下，所述压纹密封珠缘在完全夹紧、密封的接合处有效的密封，具有大于临界残留应力的残留应力。
[0014] 根据本发明的又一方面，本发明的铁-镍-铬合金垫圈片可被涂覆耐热涂层。该耐热涂层可包括化学剥落蛭石、高温有机树脂、辅助的无机树脂以及片状填料。
[0016] 为了更清楚地说明本发明的上述和其他特征及优点，以下结合当前较佳实施例以及附图对本发明进行详细描述，其中：
[0017] 图1是几种现有金属垫圈合金在夹压试验中的压纹恢复高度随温度变化的曲线图；
[0018] 图2是根据本发明示范性的实施例制造的垫圈的平面图；
[0019] 图3是图2中的垫圈位于接合处的部分的放大局部剖视图；
[0020] 图4是本发明的几种合金在夹压试验中的压纹恢复高度随温度变化的曲线图；
[0021] 图5是本发明的几种合金在恒负载夹压试验中的压纹恢复高度随温度变化的曲线图；
具体实施方式
[0025] 垫圈10包括至少一个金属层12。该金属层12由金属片材制成，该金属片材经冲压或采用其他方式成形为具有至少一个流体输送开口14。然而，易知，垫圈10可具有任意数量的流体输送开口，许多实施例会具有多个这样的开口。金属层12还可包括附加开口16，以收容可用于将垫圈10夹紧于第一元件20和第二元件22之间例如由该垫圈10密封的排气歧管(图未示)和气缸体(图未示)之间的紧固件或其他夹紧装置(图未示)，从而形成密封接合。图3所示的是处于未夹紧状态的第一接合件20和第二接合件22以及垫圈
10，这些元件位于即将被夹紧之前的各自的位置。
10，这些元件位于即将被夹紧之前的各自的位置。
[0026] 至少一个金属层12可由适合的铁-镍-铬合金制成，包括某些沉淀硬化型合金。所选铁-镍-铬合金的金属片材经冷轧加工硬化，从而产生室温下至少1000MPa范围内的拉伸强度以及尽可能大、至少为5％，特别是5-25％，优选的是5-10％，以及最优选地是
6-9％的延伸。金属片材必须具有足够的柔软性和延伸性，以便从片状物或卷状物上切除并加工形成文中所述的所需开口和压纹，反之亦然，通过滚压、冲压、挤压和其他加工方法的各种组合形成压纹垫圈，而不会令材料发生裂化，同时，金属片材也需要具有足够的拉伸强度，以便起到垫圈的作用并在高达约1000°F的高温下保持足够的强度，从而能够持续为安装于高温工作条件下的接合处提供密封。当金属片材由沉淀硬化型铁-镍-铬合金组成时，该材料也可在冷轧之后进行沉淀硬化，从而进一步通过适当的沉淀硬化热处理提高垫圈10的高温性能。
6-9％的延伸。金属片材必须具有足够的柔软性和延伸性，以便从片状物或卷状物上切除并加工形成文中所述的所需开口和压纹，反之亦然，通过滚压、冲压、挤压和其他加工方法的各种组合形成压纹垫圈，而不会令材料发生裂化，同时，金属片材也需要具有足够的拉伸强度，以便起到垫圈的作用并在高达约1000°F的高温下保持足够的强度，从而能够持续为安装于高温工作条件下的接合处提供密封。当金属片材由沉淀硬化型铁-镍-铬合金组成时，该材料也可在冷轧之后进行沉淀硬化，从而进一步通过适当的沉淀硬化热处理提高垫圈10的高温性能。
[0027] 在进行冷轧及任何的沉淀硬化热处理之后，将片材下料进垫圈中，以形成上述各种开口。在该下料操作过程中，或者在下料之前或之后进行的独立操作中，压印该坯料以产生围绕至少一个开口14的至少一个密封压纹或珠缘18。压纹18可为完整的压纹，典型地为圆弧或其他弯曲部分，或者半压纹，其中，半压纹状况是典型地通过采用一系列互补半径或圆弧或其他弯曲部分令部分片材表面相对其他部分凸起。珠缘18包括结合进垫圈片中的弹性件，该弹性件产生作用于各接合件20、22表面上的力，足以密封流体开口。在该步骤中，虽然本发明并不排除产生足以为片材提供附加机械强度的变形，特别是在最接近压纹的区域，但压纹步骤中的冷加工和变形不会令金属片上包含压纹18的部分增加任何明显的附加强度。由优选冷轧铁-镍-铬合金材料制成的垫圈10会具有密封珠缘18，当所述垫圈被夹紧在当运行温度高达约1000°F的工作负载下，其将在使用寿命中，保持足够的弹性来提供作用于密封接合处表面的足够的密封应力，从而保持充分密封。本发明的垫圈10的这一特征可通过将垫圈10其运行状态下一个延长的期间内进行夹压测试，在垫圈整个生命周期中，处于其所应用的指定内燃机应用中时典型的温度、共同负载、环境和其他条件下，或者满足内燃机质量标准所需的条件下，即高达约1000°F的温度下，看所述垫圈10呈现的样子。特别是，在暴露于低于约1000°F的运行条件中时，其恢复垫圈高度不会产生不合要求的减少。在许多情况下，本发明垫圈10的恢复垫圈高度产生很少的或者不可察觉的减少，如图4和图5中所示合金所呈现，但无论如何，其在这些运行条件下的恢复垫圈高度都会高于0.0025英寸，特别是在进行如文中所述的测试时。恢复垫圈高度方面的改进表示：由于度范围内所述合金改良的抗蠕变性能，因此垫圈中，特别是压纹中，这些合金比包括301FH、309FH CR以及316Ti不锈钢在内的现有垫圈材料具有更大的残留应力，基本上是全部的残留应力。
[0028] 可通过在运行状态下，包括热循环中，长时期夹紧垫圈，来测试恢复垫圈高度，其中垫圈整个使用寿命中，于给定的内燃机应用中的运行状态或需要满足内燃机认证标准的条件下，也就是温度高达约1000°F，看所述垫圈10呈现的样子。在这些情况下承载的压纹垫圈应保持其在整个预期使用寿命内在压纹处的密封能力。热垫圈设计、发展、制造和测试领域中的普通技术人员易知，可采用大量方法和装置来测量珠缘设置(bead set)，所有的这些方法和装置一般均希望对垫圈能否在给定条件下使用而不会产生损坏进行测试，例如通过热定型令垫圈不能保持或恢复至其原始压纹高度，或者丧失其强度，使其在被夹紧时无法承受足够的载荷来密封所需流体传送通道。试验本身并不重要，重要的是垫圈在真实运行条件下工作的能力，在真实运行条件下垫圈将承受高达约1000°F的温度。一种适合的测试包括准备由适合的冷轧金属片材制成的测试垫圈，该测试垫圈具有一个开口和一个完整压纹，代表围绕所述开口的压纹或密封珠缘18。该测试垫圈外径为2.75英寸，内径为1.75英寸，材料厚度T为约0.010英寸。初始珠缘高度为1.5T，或者高出金属层本体顶面之上0.015英寸。采用5级螺栓，将该测试垫圈夹紧于两个1英寸厚压盘之间，其接缝载荷为1000PLI(磅/线性英寸)，然后在内燃机运行温度下加热17小时，拆卸，再重新测量本体之上的珠缘的高度。公认的工业标准是，最小恢复珠缘高度为本体顶面之上0.0025英寸，其可以在标准测试温度下令垫圈在其整个生命周期内都保持在足够的密封状态下，且珠缘基本上的所有功能性和操作性也相应恢复，以及垫圈内，特别是压纹中，维持基本上的所有残留应力。在最低限度上，从室温到约1000°F，这些合金与现有垫圈合金相比，均保留更高的应力。在800°F、1000°F、1400°F、1500°F和1600°F温度下，对由下表1中列举的4种合金沉淀硬化型高温合金制成的上述类型的测试垫圈进行测试，如图4和图5所示，发现，其均落入可接受的珠缘恢复标准中，所有采样的最终珠缘高度均为本体之上至少
0.0025英寸。特别是，与图1所示的现有合金相比，这些垫圈的恢复高度并没有产生不可接受的减少，并在低于1000°F的运行温度中呈现出基本上全部的残留应力。
0.0025英寸。特别是，与图1所示的现有合金相比，这些垫圈的恢复高度并没有产生不可接受的减少，并在低于1000°F的运行温度中呈现出基本上全部的残留应力。
[0029] 一般认为本发明适合的铁-镍-铬合金中一些可沉淀硬化的合金，同样受益于冷加工和沉淀硬化。同样地，本发明预期，在冷轧步骤之后，还可对片材进行线圈形式的沉淀硬化热处理，以令其具备上述所需强度和延伸性能。材料选择和热处理领域中的普通技术人员无需进行不适当的试验和创新，就可以理解：基于合金的特定组成和欲获得的所需最终性能，可进行沉淀硬化热处理循环，来实现该希望得到的最终结果。例如，本发明预期的、将在下文中进行详细描述的沉淀硬化型合金中部分合金可受益于冷轧后的沉淀硬化热处理循环，一般是在高于1000°F温度下处理8-15小时。适合的沉淀硬化型合金成分是具有添加剂的高镍、高铬合金，以便于进行沉淀硬化，例如文中将进一步进行说明的合金。
[0030] 表1
[0031]301FH 合金A 合金B 合金C 合金D
合金
对比
元素 wt％ wt％ wt％ wt％ wt％
C 0.03-0.15 0.08mx 0.020mx 0.08mx 0.08mx
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 0.09mx 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 bal bal bal bal bal
合金
对比
元素 wt％ wt％ wt％ wt％ wt％
C 0.03-0.15 0.08mx 0.020mx 0.08mx 0.08mx
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 0.09mx 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 bal bal bal bal bal
[0032] 非局限的，所需合金的成分可在该范围内，按重量计：＞18％的镍(Ni)，＞14％的铬(Cr)，0.1-10％的钼(Mo)、钛(Ti)、钒(V)、铝(Al)、钴(Co)、铌(Nb)、钽(Ta)或铜(Cu)中至少之一以及余量的铁(Fe)，允许存在的附带的杂质，以及其他对所需特性没有损害的添加剂。上述范围内，本发明适合的合金中特定实施例包括表1中概述的合金A-D，这些合金A-D将在下文中进行详细描述。
[0033] 合金A可被描述为包括，按重量计：18-22％的镍、18-22％的铬、0-0.75％的铜、0-1％的硅(Si)、0-1％的锰(Mn)、0-0.6％的钛、0-0.6％的铝、0-0.08％的碳(C)、0-0.015％的硫(S)以及基本上余量的铁。如上所述，只要最终得到的合金在高达约
1000°F的温度下，具有符合垫圈制造和安装的机械特性、垫圈高度的充分全恢复以及基本上全部的残留应力，则合金A还可包括其他合金添加剂。可参照图4，温度高达约1000°F时，合金A的恢复高度稍低于垫圈表面之上0.0025英寸，然而，如图1和图4所示，该性能好过301FH或316Ti，而且，在较高的温度下，包括高于约1100°F的温度，对性能的改进甚至更大。因此，针对合金A性能的稳定性以及所展示的超过301FH或316Ti性能的改进，合金A在高达约1000°F的温度下大体上展现全功能恢复和基本上全部的残留应力。虽然在进行文中所述的沉淀硬化热处理时合金A会产生一些沉淀硬化，但并不认为合金A是沉淀硬化型合金。因此，优选的，同时并不排他的，通过冷轧来对合金A的片材进行文中所述的处理，从而执行所需的冷加工，而并不接受沉淀硬化热处理。
1000°F的温度下，具有符合垫圈制造和安装的机械特性、垫圈高度的充分全恢复以及基本上全部的残留应力，则合金A还可包括其他合金添加剂。可参照图4，温度高达约1000°F时，合金A的恢复高度稍低于垫圈表面之上0.0025英寸，然而，如图1和图4所示，该性能好过301FH或316Ti，而且，在较高的温度下，包括高于约1100°F的温度，对性能的改进甚至更大。因此，针对合金A性能的稳定性以及所展示的超过301FH或316Ti性能的改进，合金A在高达约1000°F的温度下大体上展现全功能恢复和基本上全部的残留应力。虽然在进行文中所述的沉淀硬化热处理时合金A会产生一些沉淀硬化，但并不认为合金A是沉淀硬化型合金。因此，优选的，同时并不排他的，通过冷轧来对合金A的片材进行文中所述的处理，从而执行所需的冷加工，而并不接受沉淀硬化热处理。
[0034] 合金B可描述为包括，按重量计：26-28％的镍、20.5-23.0％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(P)、0.3-0.4％的氮(N)以及大体余量的铁。如上所述，只要最终得到的合金在高达约
1000°F的温度下，具有符合垫圈制造和安装的机械特性、垫圈高度的大体上全恢复以及基本上全部的残留应力，合金B还可包括其他合金添加剂。可参照图4，在高达约1000°F的温度下，合金B的恢复高度高于垫圈表面之上0.0025英寸。因此，在高达约1000°F的温度下，合金B展现出全功能恢复和基本上全部的残留应力。虽然在进行文中所述的沉淀硬化热处理时合金B会产生一些沉淀硬化，但并不认为合金B是沉淀硬化型合金。因此，优选的同时并不排他的，通过冷轧来对合金B的片材进行文中所述的处理，从而执行所需的冷加工，而并不接受沉淀硬化热处理。
1000°F的温度下，具有符合垫圈制造和安装的机械特性、垫圈高度的大体上全恢复以及基本上全部的残留应力，合金B还可包括其他合金添加剂。可参照图4，在高达约1000°F的温度下，合金B的恢复高度高于垫圈表面之上0.0025英寸。因此，在高达约1000°F的温度下，合金B展现出全功能恢复和基本上全部的残留应力。虽然在进行文中所述的沉淀硬化热处理时合金B会产生一些沉淀硬化，但并不认为合金B是沉淀硬化型合金。因此，优选的同时并不排他的，通过冷轧来对合金B的片材进行文中所述的处理，从而执行所需的冷加工，而并不接受沉淀硬化热处理。
[0035] 一般认为合金A和B代表许多其他非沉淀硬化型的铁-镍-铬合金，这些合金通常可描述为那些具有，按重量计：＞18％的镍，＞14％的铬，0.1-10％的钼、钛、钒、铝、钴、铌、钽或铜中至少之一、余量的铁Fe以及附带的杂质，特别是当落在这些合金的组成范围的合金A和B具有，按重量计：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％的氮以及大体上余量的铁。一般认为，在高达约1000°F的温度下，这些合金呈现出至少大体上全功能恢复和基本上全部的残留应力。虽然在进行文中所述的沉淀硬化热处理时这些合金会产生一些沉淀硬化，但一般并不认为这些合金是沉淀硬化型合金。因此，优选的同时并不排他的，通过冷轧来对这些合金的片材进行文中所述的处理，从而执行所需的冷加工，而并不接受沉淀硬化热处理。
[0036] 合金C可描述为包括，按重量计：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(B)以及大体上余量的铁。如上所述，只要最终得到的合金在高达约
1000°F的温度下，具有符合垫圈制造和安装的机械特性、垫圈高度的大体上全恢复以及基本上全部的残留应力，合金C还可包括其他合金添加剂。可参照图4，在高于1000°F的温度下，合金C的恢复高度完全高于垫圈表面之上0.0025英寸。因此，在高达约1000°F的温度下，合金C呈现出全功能恢复和基本上全部的残留应力。合金C是是沉淀硬化型合金。因此，、优选的，在压纹成形之前，通过冷轧来对合金C的片材进行文中所述的处理，执行所需的冷加工，之后进行文中所述的附加的沉淀硬化热处理，同时并不排除单独进行冷轧处理。由于在沉淀硬化热处理之后这样的合金呈现出冷加工微观结构，因此，该热处理使得合金具有更高的强度，更多地弥补冷加工带来的任何减小量以及冷轧导致的相关强度增加，且合金在经沉淀硬化热处理之后呈现出冷加工的微观结构。
0.003-0.01％的硼(B)以及大体上余量的铁。如上所述，只要最终得到的合金在高达约
1000°F的温度下，具有符合垫圈制造和安装的机械特性、垫圈高度的大体上全恢复以及基本上全部的残留应力，合金C还可包括其他合金添加剂。可参照图4，在高于1000°F的温度下，合金C的恢复高度完全高于垫圈表面之上0.0025英寸。因此，在高达约1000°F的温度下，合金C呈现出全功能恢复和基本上全部的残留应力。合金C是是沉淀硬化型合金。因此，、优选的，在压纹成形之前，通过冷轧来对合金C的片材进行文中所述的处理，执行所需的冷加工，之后进行文中所述的附加的沉淀硬化热处理，同时并不排除单独进行冷轧处理。由于在沉淀硬化热处理之后这样的合金呈现出冷加工微观结构，因此，该热处理使得合金具有更高的强度，更多地弥补冷加工带来的任何减小量以及冷轧导致的相关强度增加，且合金在经沉淀硬化热处理之后呈现出冷加工的微观结构。
[0037] 如图4所示，通过合金D-1和合金D-2来举例说明合金D，分别表示不同温度的该材料。合金D可描述为包括，按重量计：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的％铌或钽的总量、0-0.08％的碳、0-0.015％的硫、0-0.015％的磷以及大体上余量的铁。如上所述，只要最终得到的合金在高达约
1000°F的温度下，具有符合垫圈制造和安装的机械特性、大体上全功能恢复以及基本上全部的残留应力，合金D还可包括其他合金添加剂。如图4所示，在高于1000°F的温度下，合金D的恢复高度完全高于垫圈表面之上0.0025英寸。因此，在高达约1000°F的温度下，合金D也展现出全功能恢复和基本上全部的残留应力。合金D是沉淀硬化型合金。因此，优选的，在压纹成形之前，通过冷轧来对合金D的片材进行文中所述的处理，执行所需的冷加工，之后进行文中所述的附加沉淀硬化热处理，同时并不排除单独进行冷轧处理。
1000°F的温度下，具有符合垫圈制造和安装的机械特性、大体上全功能恢复以及基本上全部的残留应力，合金D还可包括其他合金添加剂。如图4所示，在高于1000°F的温度下，合金D的恢复高度完全高于垫圈表面之上0.0025英寸。因此，在高达约1000°F的温度下，合金D也展现出全功能恢复和基本上全部的残留应力。合金D是沉淀硬化型合金。因此，优选的，在压纹成形之前，通过冷轧来对合金D的片材进行文中所述的处理，执行所需的冷加工，之后进行文中所述的附加沉淀硬化热处理，同时并不排除单独进行冷轧处理。
[0038] 一般认为合金C和D代表许多其他非沉淀硬化型的铁-镍-铬合金，这些合金通常可描述为那些具有，按重量计：＞18％的镍，＞14％的铬，0.1-10％的钼、钛、钒、铝、钴、铌、钽或铜中至少之一、余量的铁Fe以及附带杂质，特别是当落在这些合金的组成范围的合金A和B具有，按重量计：24-55％的镍、13.5-21％的铬、1-3.3％的钼、0-.15％的铜、0-1％的硅、0-2％的锰、0.65-2.3％的钛、0-0.8％的铝、0-.5％的钒、0.001-0.01％的硼、0-1％的钴、0-5.5％的铌或钽的总量、0-0.08％的碳、0-0.015％的硫、0-0.015％的磷以及大体上余量的铁。一般认为，在高达约1000°F的温度下，这些合金呈现出全功能恢复和基本上全部的残留应力。虽然沉淀硬化的效力可基于上述合金组成产生变化，但一般认为这些合金是沉淀硬化型合金。因此，优选的在压纹成形之前，通过冷轧来对合金D的片材进行文中所述的处理，执行所需的冷加工，之后进行文中所述的附加沉淀硬化热处理，同时并不排除单独进行冷轧处理。
[0039] 图5提供本发明铁-镍-铬合金垫圈所呈现的全功能恢复的附加证据。对上述合金A-D的测试样本进行高温、恒负载测试，在所示温度下将其固定在测试夹具中，该夹具适于保持类似其初始负载的恒负载。由于该恒负载特征，这是对本发明的合金的恢复特征进行的比以上所述以及图5中所呈现的测试更为严格的测试。由此可见，在更为严格的测试条件下，该合金在高达1000°F的温度下同样呈现出全功能恢复和基本上全部的残留应力。
[0040] 与该材料的预冷轧和压纹状态相比，冷轧或压纹得到的密封珠缘或压纹18是加工硬化的，这是由金属片珠缘的方向性晶粒结构证实的，大致如图6所示。微观结构证实，本发明合金的微观结构随冷加工硬化程度的不同而不同，例如，冷加工之后沉淀硬化的合金所呈现出的方向性晶粒结构少于没有沉淀硬化的合金。但是，本发明的合金应该呈现出残留冷加工和未压纹后热处理的微观结构证据。
[0041] 一旦形成珠缘18，优选对至少一个金属层12不进行热处理或者进一步地加工，但是在特定的情况下，可对珠缘18进行进一步硬化，例如通过执行任何附加的沉淀硬化热处理。无论如何，在适合情况下对垫圈10进行任何后压纹热处理或其他处理，以保留冷加工或沉淀硬化中至少一部分或上述两者，与保持文中所述的拉伸强度、柔软性和高温恢复性能一致。换句话说，在形成珠缘18时，珠缘18达到其最终强度和硬度，且一旦珠缘18成形，即无需再做什么来改变或者强化这些强度或硬度，包括后压纹热处理。
[0042] 参考图7，本发明的压纹垫圈可通过一方法制成，该方法包括如下步骤：形成铁-镍-铬合金退火片；使该退火片变形以形成具有变形的微观结构的变形片；以及，由该变形片形成具有至少一个压纹密封珠缘的垫圈；该压纹密封珠缘在高达约1000°F的温度下，在其完全夹紧、密封的接合处有效的密封，且具有大体上全功能恢复和基本上全部的残留应力。当然，本方法会包括形成适合的铁-镍-铬垫圈材料熔化物的步骤100。然后，通过连续铸造固化成板或者固化成铸坯，在中间步骤中形成该合金的熔化物。随后，通过热轧步骤200，将该板或坯成形为该材料的一个或多个连续卷材。一般，经热轧的材料的厚度在约0.18-0.25英寸范围内。而后，通常对该经热轧的材料进行除锈步骤300，以去除热轧带来的氧化和其他表面杂质。接下来，通常对除锈后的材料进行冷轧步骤400，使其达到中间厚度，从而避免过度硬化材料令其在后续的垫圈处理中变得太脆弱。在该步骤之后一般进行包括中间退火500的步骤，以去除通过冷轧进行的冷加工的显著部分。一般将冷轧步骤400和中间退火步骤500重复至少一次，以获得垫圈片材料所需尺寸或初始厚度。一旦达到其所需尺寸，即将本发明的片材进行冷轧600得到所需垫片厚度T。优选地，将垫片冷轧
600至厚度T，其值为退火初始材料的原始厚度的约10-70％，更优选地，冷轧减少量为原始厚度的约30-40％的减少量。因此，变形步骤可包括将退火片进行冷轧600来产生冷轧微观结构，该微观结构的变形程度随具有此处所描述的最小值和范围的冷轧减少量的百分比的变化而变化。
600至厚度T，其值为退火初始材料的原始厚度的约10-70％，更优选地，冷轧减少量为原始厚度的约30-40％的减少量。因此，变形步骤可包括将退火片进行冷轧600来产生冷轧微观结构，该微观结构的变形程度随具有此处所描述的最小值和范围的冷轧减少量的百分比的变化而变化。
[0043] 本发明方法可选择性地包括提供沉淀硬化热处理的步骤700，令经冷轧步骤600变形的微观结构也被沉淀硬化。对于给定合金而言，变形且经沉淀硬化的微观结构的硬度大于变形的微观结构的硬度。沉淀硬化热处理可在约1200-1350°F的温度下进行。
[0044] 随后，对经冷轧的铁-镍-铬合金材料，或者可选地，对经冷轧和沉淀硬化的合金材料，进行文中所述的压纹步骤800，以形成至少一个压纹。
[0045] 本发明的方法还可选择性地包括采用耐热垫圈涂层涂覆垫圈的步骤900，以生成涂层垫圈。所述垫圈涂层(图未示)可包含化学剥落蛭石，其中至少重量百分比为90％的蛭石的厚度小于或等于30微米，且没有尺寸大于1毫米的蛭石；耐热至少达到300摄氏度的高温有机树脂；辅助的无机树脂；以及片状填料，如美国专利第7,135,519号中所述。令人惊讶的是，该垫圈涂层材料同样适用于本发明垫圈10更高的运行温度范围中。
[0046] 本发明为垫圈或垫圈的一部分提供密封增强型涂层，其中，该涂层包含化学膨胀蛭石的片状颗粒，这些颗粒中，至少重量百分比为90％的颗粒的厚度不超过30微米，且没有尺寸大于1毫米的蛭石，这些颗粒形成重量百分比为10-90％的涂层，该涂层还包含重量百分比为50-10％、耐热至少达到300摄氏度的有机聚合物粘合剂。
[0047] 为实现该目的，如果当有机聚合物粘合剂成形为厚度为1mm或小于1mm的薄膜并在大气中加热24小时，并没有分解或者分解留下重量百分比为至少20％的薄膜，则认为该有机聚合物粘合剂耐热至特定温度。
[0048] 该类型的涂层提高了使用过程中承受高达1000°F的温度的压纹垫圈的密封能力，例如内燃机的排气垫圈。优选根据本发明的涂层的厚度小于100微米，更优选小于80微米，最优选为50-75微米。
[0049] 在压纹之前，片材呈现出与众不同的经加工硬化、冷轧的微观结构，其中，延伸的晶粒方向平行于冷轧的方向。经该附加压纹步骤后，密封珠缘18进一步被加工硬化，同样可呈现出与密封珠缘18的压纹步骤所产生的变形有关的附加晶粒方向。取决于有关冷轧方向的压纹方向，密封珠缘的微观结构可呈现冷轧方向上的附加晶粒方向或者与压纹方向而非冷轧方向有关的方向。无论如何，与材料的预冷轧或压纹状态相比，密封珠缘18会进一步呈现定向的晶粒方向，或者冶金学领域众所周知的该材料的增加变形的其他证据。在冷轧之后经过沉淀硬化热处理的那些材料可呈现出较少的定向晶粒结构，但与垫圈10其他部分的微观结构相比，基于与压纹的密封珠缘18相关的变形的微观结构的证据，应该不必要后压纹热处理。
[0050] 一旦形成密封珠缘18，至少一个金属层12不进行热处理或者进一步以适合进一步硬化密封珠缘18的方式进行加工。换句话说，密封珠缘18在形成时达得其最终的强度和硬度，并且一旦密封珠缘18形成，则不做什么来改变以进一步强化他们，包括后压纹热处理。
[0051] 与采用现有金属垫圈材料制造的金属垫圈相比，本发明的优点在于恢复垫圈高度上的改进使得本发明的垫圈可采用较少的层来实现同样的密封效果。
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