Прецизионные сплавы

Молотилов Б.В. (ред.).

Металлургия, 1974 г.

СПЛАВЫ С ЗАДАННЫМИ ТЕМПЕРАТУРНЫМИ КОЭФФИЦИЕНТАМИ ТЕПЛОВОГО РАСШИРЕНИЯ

Прецизионные сплавы с заданными температурными коэффициентами линейного расширения (ТКЛР) представлены большой группой сплавов, поставляемой металлургической промышленностью по ГОСТ 14080—68, 14081—68, 14082—68 и по техническим условиям.

Основными параметрами, характеризующими эти сплавы, являются значения ТКЛР, регламентированные в определенных интервалах температур в зависимости от условий применения сплавов.

Развитие новой техники, в том числе квантовой электроники, радиотехники, криогенной промышленности, связано, в частности, с разработкой и применением новых прецизионных сплавов, имеющих особые тепловые свойства в комплексе с другими характеристиками.

В метрологии, криогенной, радиоэлектронной технике и геодезии используют сплавы со значением ТКЛР порядка 10^-6 град^-1 и ниже. Величины ТКЛР, близкие к нулевому значению, необходимы для обеспечения высокой точности измерительного инструмента, создания стабильных эталонов длины, газовых лазеров, а также сооружения безкомпенсационных трубопроводов для перекачки ожиженных газов.

Подавляющее большинство конструкций электровакуумных, газоразрядных и полупроводниковых приборов имеет спаи металла с неорганическим диэлектриком (например, стеклом, керамикой, слюдой), к которым предъявляются высокие требования в части вакуумной плотности. Многие изоляторы и полупроводники имеют ТКЛР ниже, чем ТКЛР обычных металлов и сплавов. Чтобы получить герметичные спаи стекла, керамики или полупроводников со сплавами, необходимо иметь соответствие ТКЛР для соединяемой пары в технологическом и эксплуатационном интервалах температур. Допустимые различия в значениях ТКЛР соединяемых материалов должны быть не более 6-10^-7 град^-1; они зависят от конструкции спая, свойств окисной пленки, качества спая, пластичности материала.

В случае большого различия теплового расширения сплава и неорганического диэлектрика возникающие напряжения приводят к образованию трещин в спаях и к потере герметичности в процессе работы узла прибора.

В современном производстве терморегуляторов и в специальной автоматике широко используют термобиметаллы для изготовления элементов, чувствительных к изменению температуры. Одной (пассивной) составляющей термобиметаллов являются сплавы с ТКЛР, близким к нулю, другой (активной) —сплавы с очень высокими значениями ТКЛР. Биметаллы подробно описаны в главе VIII.

Для обеспечения заданных значений ТКЛР в узких пределах, регламентированных ГОСТами и техническими условиями на поставку сплавов, а также особо высоких требований к качеству поверхности готовой продукции, осуществляется прецизионная технология их производства. Эта технология включает выплавку сплавов из чистых шихтовых материалов, в основном в высокочастотных индукционных открытых или вакуумных печах, отделку поверхности полуфабрикатов, термическую обработку в водородных или в вакуумных печах.

ТАБЛИЦА 173. КЛАССИФИКАЦИЯ СПЛАВОВ С. ЗАДАННЫМИ ТЕМПЕРАТУРНЫМИ КОЭФФИЦИЕНТАМИ

ЛИНЕЙНОГО РАСШИРЕНИЯ

Примечание. Для группы ферромагнитных сплавов значения а ограничены интервалом температур от 20° С до температуры перегиба дилатометрической кривой (Т_п). Выше Т_п, соответствующей температуре Кюри, тепловое расширение резко возрастает.

Сплавы отличаются достаточной прочностью и высокой пластичностью. Это позволяет изготовлять из них продукцию в широком сортаменте, определяемом оборудованием металлургических заводов.

Большую часть номенклатуры составляют ферромагнитные сплавы, заданное тепловое расширение которых ограничено температурой Кюри, которая для большинства сплавов находится ниже 600° С. К другой группе относятся немагнитные сплавы. Заданное расширение этих сплавов обеспечивается в широком температурном интервале до 900° С в результате использования молибдена, циркония, вольфрама и других тугоплавких металлов. В этом случае ТКЛР определяется тепловым расширением исходных металлов и почти не отличается от средней аддитивной величины.

Классификация сплавов приведена в табл. 173. Принятая классификация сплавов с заданными ТКЛР проведена исходя из характеристик их магнитных свойств и значений ТКЛР (минимальные, низкие, средние и высокие). Сплавы первой группы обладают ферромагнитными свойствами, а сплавы второй группы — парамагнитные. Преобладающее число сплавов составляют двойные или сложнолегированные сплавы па железоникелевой основе. Такое положение прежде всего определяется наличием в системе Ре—№ области, в которой сплавы обладают резко выраженной аномалией теплового расширения и ряда других свойств.

Краткие сведения о концентрационной зависимости основных физических свойств и структурных особенностей сплавов системы Fe-Ni дают представление о возможных областях использования непосредственно двойных сплавов, а также малолегировапных сплавов на их основе.

Сплавы Fe-Ni в большой области концентраций образуют твердый раствор на основе у-фазы (рис. 297).

В области температур ниже 900° С со стороны составов с большим содержанием железа наблюдается фазовое превращение у->a, протекающее по мартенситной кинетике. Диаграмма метастабильного состояния для сплавов системы Fe-Ni в области инварных составов приведена на рис. 298. Кривые построены для сплава Fe-Ni с очень малым содержанием примесей, менее 0,01%.

В сплавах Fe—34% Ni до температуры 4,2° К не происходит превращение у->а (кривая М). Однако при пластической деформации (кривая М_я) температура начала фазового превращения значительно возрастает. Граница начала превращения при деформации смещается к сплаву, содержащему уже около 38% Ni. Напротив, температура перехода а->у при нагреве деформированного металла (кривая А_д) понижается по сравнению с температурой для сплава без деформации. Небольшие добавки легирующих элементов и примеси значительно смещают точку начала мартенситного превращения.

Кристаллическая структура у-твердого раствора представляет собой гранецентрированную кубическую решетку. В области составов до 34% Ni может происходить фазовое превращение г. ц. к. решетки у-фазы в о. ц. к. решетку а-фазы. Параметр кристаллической решетки у-фазы с уменьшением содержания никеля ниже 60% отклоняется от закона Вегарда в сторону больших значений параметра решетки (рис. 299). Наибольший параметр решетки имеет сплав с 39% Ni. Плотность сплавов с уменьшением содержания никеля падает, причем вблизи границы у->-а-превращения наблюдается аномальный ход кривой, как это показано на рис. 300.

Температурный коэффициент линейного расширения сплавов Fe-Ni с уменьшением содержания никеля ниже 60% (по массе) имеет аномальный ход. Полюс самого минимального расширения соответствует сплаву, содержащему 36% Ni. Этот сплав был назван инваром. Инварный эффект проявляется в интервале концентраций сплава вблизи 36% № как в сторону увеличения никеля, так и в сторону его уменьшения. На рис. 301 приведены кривые ТКЛР для всей системы сплавов.

В области сплавов от 36% до 60% Ni в зависимости от концентрации сплавы могут иметь ТКЛР от 1-10^-6 до 11,5-10^-6 град^-1, т. е. температурный коэффициент увеличивается более чем в 11 раз. Следовательно, эффект инварности распространяется на значительный интервал составов системы  Аномалия свойств, связанная с инварным эффектом, используется в промышленности для разработки сплавов с заданным температурным коэффициентом линейного расширения.