Металлы и сплавы с особыми свойствами

Сплавы с особыми тепловыми и упругими свойствами

Для ряда отраслей машиностроения и приборостроения необходимо применение материалов со строго регламентированными значениями в определенных температурных интервалах эксплуатации таких физических свойств, как температурные коэффициенты линейного расширения а (ТКЛР) и модуля нормальной упругости р (ТКМУ). Эти коэффициенты определяют характер изменения размеров детали и модуля упругости сплава при нагреве.

Сплавы с регламентируемым температурным коэффициентом линейного расширения. Основным представителем сплавов с минимальным ТКЛР является инвар — сплав 36Н. Инвар имеет самые низкие значения а в интервале температур от -100… + 100 °C. Высокий уровень механических свойств и технологичности инвара позволяет использовать его в качестве конструкционного материала для деталей, от которых требуется постоянство размеров при меняющихся температурных условиях эксплуатации. Из инвара изготавливают жесткозакрепленные трубопроводы сложной пространственной формы, перекачивающие сжиженные газы в криогенных установках. Малая величина ТКЛР позволяет уменьшить напряжения в трубопроводах и предотвратить возможность их разрушения. Отпадает необходимость установки сильфонных узлов для компенсации деформации, что упрощает конструкцию и делает ее более надежной.

Для обеспечения минимально возможного ТКЛР и наибольшей стабильности размеров содержание углерода в сплавах инварного состава не должно превышать 0,05%. Более высокое содержание углерода приводит к изменению параметров кристаллической решетки и магнитострикции парапроцесса. Для спаев со стеклом повышенное содержание углерода приводит к выделению диоксида углерода С0₂ в процессе впаивания и образованию газовых пузырей в стекле.

В табл. 1.9 приведены составы и свойства сплавов с регламентированными значениями ТКЛР, нашедших наибольшее применение.

Значение ТКЛР сплавов, а зависит от предварительной обработки. Минимальное значение коэффициента а инвара достигается после закалки от 830 °C, в результате которой примеси переходят в твердый раствор, и отпуска при 315 °C. Холодная деформация также способствует снижению ТКЛР. В результате комбинации обеих обработок, а становится почти равным нулю.

Замена части никеля равным количеством кобальта и легирование малыми добавками меди позволяют дополнительно снизить ТКЛР инвара. Такой сплав называют суперинваром.

В электровакуумных газоразрядных и полупроводниковых приборах широко используют спаи металлов с такими диэлектриками, как стекло и керамика. Для обеспечения герметичности и вакуумной плотности спаев необходимо соответствие ТКЛР материалов соединяемой пары в эксплуатационном интервале температур. Во избежание появлений напряжений и трещин значение ТКЛР сплава должно быть максимально приближено к ТКЛР диэлектрика и строго регламентировано. Для определения пригодности спаев металлов со стеклом используют чувствительный ме;

Таблица 1.9.

Состав и свойства сплавов Fe—Ni с регламентированным ТКЛР (ГОСТ 10 994−74)

тод — измерение в поляризованном свете упругих напряжений, имеющихся в спае.

Состав сплавов для пайки и сварки со стеклом подбирают таким образом, чтобы ТКЛР стекла и металла были близки во всем интервале температур вплоть до размягчения стекла. Ковар применяют для соединения с термостойкими стеклами, а платинит — с обычными легкоплавкими стеклами, применяемыми в электровакуумной промышленности.

Стали с определенным тепловым расширением служат также для изготовления термобиметаллов, когда слой с низким тепловым расширением («пассивный слой») путем прокатки надежно соединяют с другим слоем, обладающим более высоким тепловым расширением («активный слой»). Биметаллические пластины используют в качестве терморегулятора в приборостроении. Нагрев такой пластины приводит к ее искривлению, позволяющему замкнуть электрическую цепь.

Основным свойством термобиметаллов является термочувствительность, т. е. способность изгибаться при изменении температуры. В качестве пассивной составляющей обычно применяют инвар 36Н с ТКЛР, а = 1,5 • 10^_6 К¹, а в качестве активной — применяют сплавы Fe—Ni с, а = 20- 10~⁶ К'¹, содержащие 8…27% Ni, дополнительно легированные Сг, Мп, Мо.

Сплавы с постоянным модулем упругости. Сплавы с заданными свойствами упругости, помимо низких значений ТКМУ, должны обладать высоким сопротивлением малым пластическим деформациям и релаксационной стойкостью в условиях статического и циклического нагружения.

У чистого железоникелевого сплава даже при небольших колебаниях концентрации никеля, неизбежных в сталеплавильном производстве, уровень ТКМУ становится нестабильным и претерпевает значительные изменения.

Легирование хромом повышает стабильность сплава. Элинвар, содержащий 36% Ni и 12% Сг, характеризуется такими же значениями ТКМУ, как и чистый сплав Fe—Ni. Однако он имеет более низкие механические свойства, которые нельзя улучшить термической обработкой из-за стабильности аустенитной структуры. Кроме того, температура Кюри этого сплава составляет около 100 °C, что ограничивает температурный интервал его применения.

Для повышения температуры Кюри в элинварах увеличивают концентрацию никеля, а для улучшения механических свойств элинвары дополнительно легируют титаном, алюминием или бериллием и подвергают двойной закалке при 900…950°С в воду и старению при 600…700 °С в течение 4 ч (табл. 1.10).

После первой закалки элинварные сплавы сохраняют высокую пластичность. Относительное удлинение сплава 42НХТЮ составляет не менее 30%, сплава 44НХТЮ — не менее 20%. В этом состоянии они могут подвергаться штамповке и механической обработке.

При повторной закалке избыточные фазы растворяются в аустените, а при старении из твердого раствора происходит выделение упрочняющих дисперсных фаз (FeNi)₃(TiAl), Ni₃Ti. К наибольшему упрочнению приводит сочетание низкотемпературной термомеханической обработки с последующим старением.

Элинварные дисперсионно-твердеюшие сплавы типа 42НХТЮ, 44НХТЮ применяют для изготовления упругих чувствительных элементов прецизионных приборов: расходомеров, регуляторов скорости и датчиков линейных ускорений, динамометров электронных весов, волосковых спиралей часовых механизмов.

Сплав 30Н25КТЮ относят к элинварам с наиболее высокой температурой точки Кюри (470 °С). Благодаря этому он сохраняет температурную стабильность упругих свойств и релаксационной стойкости вплоть до 400 °C. Сплав рекомендуют применять после низкотемпературной термомеханической обработки с последующей закалкой и старением. Учитывая большое влияние предшествующей обработки на свойства стали, конкретный режим де;

Таблица 1.10.

Состав и свойства элинварных сплавов (ГОСТ 10 994—74)

Окончание табл. 1.10

* Данный сплав содержит 25,5…26,5% Со.

формации и термической обработки подбирают для каждой партии сплава в зависимости от заданных механических свойств. Высокий запас пластичности в горячем и холодном состоянии позволяет изготавливать изделия сложной формы.