Инвары

Афанасьев В.К. и др.

СГИУ — Новокузнецк, 2006 г.

4.2 Ферромагнитные сплавы

Ферромагнитные сплавы составляют большую часть номенклатуры промышленных сплавов. Они включают сплавы с минимальным, низким и средним КЛР.

Условия получения заданного теплового расширения в данной группе материалов связаны с инварным эффектом. Сплавы на основе системы Fe - Ni в области составов от 36 до 60 % Ni в зависимости от концентрации могут иметь КЛР от 1 · 10^-6 К^-1 до 11,5 · 10^-6 К^-1. Аномалия свойств, связанная с инварным эффектом, используется для разработки сплавов с заданным КЛР.

Железоникелевые сплавы в широкой области концентраций и температур образуют твердый раствор на основе гранецентрированной кубической решетки γ-фазы (см. рисунок 6). Только в сплавах, содержащих менее 34 % Ni, при низких температурах могут иметь место превращения γ -фазы в объемноцентрированную кубическую решетку α-фазы. В сплавах железа с содержанием более 34 % Ni вплоть до 4,2 К γ—>а - превращения не происходит. Однако при пластической деформации температура начала фазового превращения значительно возрастает, граница начала превращения смещается к сплаву, содержащему около 38 % Ni. Небольшие добавки легирующих элементов или примеси также значительно смещают температуру начала мартенситного превращения. Поэтому в практике промышленного производства сплавов с заданным КЛР часто используют способ стабилизации структуры посредством дополнительного легирования.

4.2.1 Сплавы с минимальным температурным коэффициентом

линейного расширения

Сплавы с минимальным КЛР непосредственно связаны с инварной аномалией. Температурная зависимость КЛР для широко применяемого инвара 36Н имеет необычный вид. Ранее на рисунке 16 была приведена кривая а(Т) для сплава 36Н. Кривая имеет три экстремума: два минимума при 26 и 270 К и один максимум при 120 К. Из рисунка также видно, что аномалия свойств исчезает при температурах выше точки Кюри (Т_с = 550 К). Можно заметить, что второй минимум на кривой а(Т) приходится на температуру, равную Т_с/2. Легирование инвара небольшими добавками заметно повышает КЛР, что можно проследить по кривым рисунка 18. Легирование сплава 36Н кобальтом вместо никеля перемещает минимум КЛР с 273 К на интервал комнатных температур. Так был получен суперинвар - сплав на основе железа, содержащий 32 % Ni и 4 % Со (X. Масумото, 1931 г.). Этот сплав имеет КЛР порядка 5 · 10^-6 К^-1.

Наша промышленность выпускает целую серию сплавов с минимальным температурным коэффициентом линейного расширения. В зависимости от химического состава и технологии выплавки они имеют следующие обозначения: 36Н, 36Н-ВИ, 32НКД, 32НК-ВИ, 32НК-ЭЛ, 36НХ, 35НКТ, 35НКГ, 39Н, 36НГ6, 36НГТ. Эти сплавы имеют средний КЛР в интервале температур 20-100 °С ниже 3,5 · 10^-6 К^-1. Химический состав сплавов и нормируемые значения КЛР приведены в таблице 6, а сортамент сплавов с минимальным КЛР, которые производят в промышленном масштабе, приведен в таблице 7.

Легирование. Сплавы на основе системы Fe-Ni инварного класса содержат от 30 до 40 % никеля. Для получения определенного сочетания тепловых, упругих и технологических свойств эти сплавы легируют хромом, кобальтом, медью, титаном и марганцем.

Сплавы с минимальным тепловым расширением характеризуются сравнительно крутой зависимостью температуры Кюри и КЛР от концентрации основных элементов. Введение в инвар небольших добавок меди, хрома, молибдена и других элементов вместо железа приводит к повышению КЛР (см. рисунок 18). Все легирующие добавки, за исключением кобальта и меди, сужают температурный интервал инварности, определяемый температурой Кюри и температурой γ—> а - превращения при охлаждении до температур ниже комнатных.

Термическая обработка. Средний температурный коэффициент а_ср инварных сплавов в интервале от -100 до +300°С после различных режимов термической обработки приведен в таблице 8. Видно, что наиболее низкие и стабильные значения КЛР до 100°С сплавы приобретают после закалки с отпуском.

Ранее было показано, что инварные сплавы как ни один из других классов материалов подвержены воздействию различного рода обработок на КЛР (см. рисунок 23). Чем большему воздействию подвержена кристаллическая структура, тем сильнее проявляется инварная аномалия. В таблице 9 приведены механические свойства инваров после термической обработки.

При анализе данных таблицы можно заметить, что механические свойства инваров слабо зависят от режимов термической обработки, за исключением дисперсионно-твердеющего сплава 35НКТ. Временное сопротивление, предел текучести и твердость сплава 35НКТ после медленного охлаждения с 750 °С возрастают более чем в 2 раза. В этом случае упрочнение связано с выделением дисперсной фазы типа TiNi.

Таким образом, сплавы данной группы не упрочняются в результате термической обработки (кроме сплава 35НКТ), прочность их возрастает после наклепа.

Для получения оптимальных физических характеристик, в частности, минимального значения КЛР, сплавы этой группы подвергают термической обработке. Воздействие пластической деформации и последующих режимов термической обработки на КЛР можно проследить на сплаве 36НХ (см. рисунок 29). Наиболее низкий КЛР достигается после пластической деформации, тогда как в результате термической обработки а. возрастает. Наибольшее значение а получается после длительного отжига при 600 °С и медленного охлаждения.

Значение КЛР и стабильность его во времени для сплавов этой группы в значительной мере зависят от режимов термообработки. Режим термообработки выбирают в зависимости от требований, предъявляемых к готовым изделиям. С учетом снятия внутренних напряжений и сохранения стабильности геометрических размеров изделий из инваров рекомендована трехстадийная термическая обработка:

а) для получения минимального ТКЛР -закалка с 850 ± 20 °С (после 30 мин выдержки) в воду;

б) для получения стабильного ТКЛР во времени после закалки проводят отпуск при 315 °С в течение 1 ч; при этом несколько повышается ТКЛР и частично снимаются закалочные напряжения;

в) для повышения стабильности размеров деталей метрологических изделий, которые не фиксируются обычными оптико-механическими методами контроля из-за их малой величины (десятые доли микрона на 1 м длины в год) проводят старение при 95 °С в течение 48 ч после закалки с 850 °С и отпуска при 315 °С.

Термическую обработку деталей сложной формы из инваров необходимо проводить, чередуя ее с механической обработкой. В этом случае закалку деталей проводят после черновой обработки, стараясь оставить минимальный припуск на доводку. При сильной разнотолщинности отдельных частей деталей под закалку готовят промежуточную заготовку, стараясь придать ей одинаковую толщину отдельных частей. После основной механической обработки путем резания проводят отпуск при 315 °С. Этот отпуск необходимо повторять несколько раз в процессе изготовления в случае деталей с наличием в конструкции мест слабых по жесткости. Старение при 95 °С в течение 48 ч является окончательной стадией термической обработки, которая проводится после доводки размеров деталей.

Коррозионная стойкость большинства сплавов инварного состава невысока, однако после отжига и тщательной полировки коррозионная стойкость в воде и в атмосферных условиях значительно повышается.

Технология соединения сплавов с минимальными значениями КЛР с другими металлами и сплавами требует выполнения определенных условий. Технологические операции при соединении деталей из инварных сплавов с другими металлами необходимо производить с учетом значений КЛР и фазового состава. Сплавы 36Н, 36НХ и 39Н являются технологичными металлами в отношении сварки. Сварка этих сплавов производится в аргоне с использованием присадочной проволоки из сплавов 36НГТ и 36НГ6. При сварке сплава 32НК- ВИ исключается применение сварочной проволоки, содержащей хром, титан и марганец, т.к. присутствие этих элементов увеличивает КЛР сварного шва.

Технология обработки резанием инваров мало отличается от технологии механической обработки аустенитных сталей с устойчивой к превращениям γ-фазой. Конкретные рекомендации по токарной, фрезерной обработке и сверлению приведены в справочнике «Прецизионные сплавы» [6].

Микроструктура инваров - однофазный γ - твердый раствор. При охлаждении до температуры ниже комнатной в сплавах 32НК-ВИ и 32НКД возможен γ^α - переход с увеличением объема. Температура γ^α - перехода этих сплавов зависит от содержания никеля, кобальта и технологических добавок. Колебание химического состава сплавов в пределах, ограниченных ГОСТом, приводит к изменению температуры начала мартенситного превращения от -80°С до -140°С. Кроме того, температура начала мартенситного превращения зависит от величины зерна и напряжений.

Сплав 36Н применяют в точном приборостроении для изготовления деталей приборов и конструкций, работающих в интервале температур от -196 до 100 °С. Из сплава 36Н изготавливают штриховые меры длины в метрологии, маятники хронометров в часовом производстве, нивелирные рейки в геодезии, стержни и болты термостатов и пассивные составляющие термобиметаллов.

Сплавы на основе системы Fe-Ni, содержащие до 38 % Ni, при пластической деформации, вызванной растягивающими напряжениями, претерпевают частичное γ->α-превращение в области низких температур. Для этих сплавов напряжение в 10 Па повышает температуру превращения на 14°С. Температура начала мартенситного превращения у сплава 36Н в процессе деформации находится вблизи -140 °С. В сплаве инварного состава, содержащего технологические добавки марганца и кремния, путем дополнительного легирования хромом в количестве 0,5 % удалось подавить мартенситное превращение под влиянием деформации вплоть до -230 °С.

Сплав 36Н-ВИ отличается от сплава 36Н меньшим содержанием углерода и неизбежных примесей, более низким КЛР. Этот сплав предназначен для изготовления штриховых мер первого разряда, деталей с полированной поверхностью или сложной формы, используемых в отожженном состоянии. Температурная зависимость КЛР для сплава 36Н-ВИ приведена на рисунке 16. Физические и механические свойства сплава аналогичны сплаву 36Н.

Изменение размеров деталей из инвара наблюдается не только при нагреве и охлаждении, но и при комнатной температуре в течение длительного времени. Изменения длины протекают во времени по затухающей кривой. Они измеряются в микронах и долях микронов на один метр в год.

Стабильность линейных размеров деталей, изготовленных из сплава 36Н-ВИ А.И. Захаров с сотрудниками проверяли в течение нескольких лет (таблица 11). В ходе эксперимента было установлено, что за 12 лет однометровый жезл из этого сплава увеличил свою длину на 25 мкм, причем за первый год - на 8 мкм, а на 12-ом году после его изготовления длина при комнатной температуре.

Сплав 32НК-ВИ. Отличается небольшим содержанием углерода и газов. Имеет меньшую загрязненность неметаллическими включениями и более низкий КЛР, чем 32НК. Используют в приборостроении и метрологии для изготовления деталей с полированной поверхностью, в частности, для штриховых мер длины. Кроме того, из этого сплава изготавливают детали сложной конструкции, которые нельзя подвергать закалке с целью получения низкого КЛР.

Сплав 32НК-ЭЛ. Получают электроннолучевой выплавкой. Сплав является особо чистым по примесям и газам. Благодаря высокой чистоте вероятность появления на полированной поверхности металла дефектов от неметаллических включений мала. В области комнатных температур он имеет истинный КЛР, близкий к нулевому значению. На рисунке 31 приведена кривая температурной зависимости КЛР, определенного из удлинений с температурным интервалом 20°. Из рисунка видно, что коэффициент линейного расширения ниже 50 °С не превышает 0,2 · 10^-6 К^-1, а в интервале от 0 до 20 °С меньше 0,01 • 10^-6 К^-1. Сплав предназначен для изготовления деталей приборов, в которых требуется обеспечить высокую геометрическую стабильность между заданными базами. Может быть использован для изготовления штриховых мер длины, на которые наносятся риски для автоматического отсчета длин.