Тепловые и упругие свойства прецизионных сплавов

Молотилов Б.В. (ред.)

Металлургия, 1986 г.

ТЕНДЕНЦИИ И ПЕРСПЕКТИВЫ СОЗДАНИЯ НОВЫХ ПРЕЦИЗИОННЫХ СПЛАВОВ С ОСОБЫМИ СВОЙСТВАМИ УПРУГОСТИ

Развитие приборостроения и систем автоматики, где традиционно широко попользуются упругие сплавы, в последние два десятилетия пошло по пути более широкого и разнообразного использования различных первичных чувствительных элементов и устройств на базе радиоэлектроники. Предполагалось, что это приведет к значительному вытеснение упругих чувствительных систем, заводных пружин и, в первую очередь, упругих чувствительных элементов новейшими разработками, в которых заложены такие компоненты, как индуктивные и лазерные датчики перемещения, пьезокристаллические датчики для измерения давления, механотронные и другие электронные чувствительные измерительные устройства. Однако, как показал опыт, внедрение новых разработок не привело к отказу от использования упругих металлических материалов для создания первичных датчиков давления, перемещения, ускорения и т.д. Более того, прецизионные упругие материалы стали широко применять в медицинской технике (вживаемые электроды для стимуляции внутренних органов человека, несущие элементы каркаса искусственных клапанов сердца, шовные материалы для соединения кровеносных сосудов и живых тканей) в цветном телевидении (ультразвуковые линии задержки из элинварных сплавов в блоке формирования цветного изображения, компенсационные пружинные фиксаторы, используемые при изготовлении экрана кинескопа, и др.).

В свою очередь, применение более чувствительных преобразователей вместе с упругими чувствительными элементами повлекло за собой пересмотр требований к свойствам упругих материалов. Наряду с традиционно определяемыми свойствами упругости, прочности и пластичности все чаще к прецизионным упругим сплавам предъявляют требования по механичеокому гистерезису, температурному коэффициенту модуля упругости или частоты, звукопроводности и добротности сплава для ультразвуковых колебательных систем, вакуумной плотности при малой толщине разделяющей стенки. Кроме того, повысились требования по временной стабильности характеристик упругости, немагнитности, по точности геометрии полуфабрикатов из упругих сплавов, по коррозионной стойкости в различных агрессивных средах при изменении температуры от 4,2 до 1000 К.

Можно сказать, что упругие сплавы становятся все более прецизионными. К примеру укажем, что используемые в колебательных ультразвуковых системах элитарные сплавы 42НХТЮ и 44НХГ в результате

применения последних достижений металлургической технологий успешно конкурируют с монокристаллами кварца, кристаллами сцециально выращенных соединений, специальными сортами стекол.

Процесс совершенствования технологии изготовления прецизионных пружинных сплавов в условиях возрастающих требований по различным рабочим параметрам привел к тому, что существует множество сплавов с особыми упругими свойствами. Часть из них обладает очень близкими между собой свойствами. Такое дублирование усложняет работу не только металлургов, выпускающих сплавы, но и конструкторов и технологов, использующих их в изделиях. Унификация таких сплавов после хорошо проведенных всесторонних сравнительных испытаний - одна из важных задач металловедов, конструкторов и технологов, работающих с упругими сплавами.

Основное направление дальнейшего развития пружинных материалов на этой основе - создание новых более коррозионностойких сплавов вследствие увеличения до 17-25 % Cr и дополнительного легирования пассивирующими и поверхностно-активными элементами. Среди перспективных в этой области задач наибольший интерес и актуальность представляет создание сплавов для упругих элементов, работающих в контакте с соляной, концентрированной серной кислотах, в средах с высоким содержанием углекислого газа и сероводорода.

Все большую актуальность приобретает направление повышения эксплуатационных характеристик пружинных сплавов вследствие применения низкотемпературной термомеханической обработки (НТМО), двойного старения и создания мелкозернистой структуры [5], а также структуры высокодисперсного прерывистого распада. При этом достигается повышение основной эксплуатационной характеристики пружинных сплавов - предела упругости - более чем в 1,5 раза.

Более эффективным, но накладывающим ограничение по сортаменту является способ повышения эксплуатационных характеристик дисперсионнотвердеющих пружинных сплавов системы Fe-Ni - Grи Ni-Crпосредством получения микрокристаллической структуры, достигаемой закалкой из жидкого оостояния. Так, микрокристаллическая лента толщиной 30 - 40 мкм из сплава 36НХТЮ5М имеет σ_0>005  = 1550 МПа,   т.е. в 1,5 раза выше, чем аналогичная лента, полученная по обычной технологии и, что особенно важно, превосходит последнюю по релаксационной отойкости при 500 °С. Чрезвычайно высокое значение σ_0>005  = 22220 МПа было получено на микрокристаллической ленте из сложнолегироваиного сплава системы Ni-Co-Cr-Nb-Mo-Al cповышенным содержанием тугоплавких элементов, однако релаксационная стойкость ее находится на уровне ленты из сплава 70НХБМЮ, полученной по традиционной технологии. Имея достаточный запас пластичности для холодной пластической деформации (прокатки, штамповки, гибки и т.д.), такал лента представляет большой интереc как материал для упругих элементов тонких сечений, обладающий уникальным комплексом упругих и механических свойств, которые можно регулировать в широких пределах термической и термомеханической обработками.

Другим весьма перспективным направлением повышения эксплуатационных характеристик упругих элементов малых сечений является ионная имплантация. Проведенные эксперименты по имплантации тонколистовых (до 0,1 мм; образцов дисперсионнотвердеющих пружинных сплавов системы   Fe- Ni- Cr   и Ni- Cr  ионами  V и   B   показали повышение  релаксационной стойкости при изгибе на 20-50 %. Помимо этого, перед имплантацией открываются широкие перспективы в области создания слоистых коррозионностойких материалов методом ионного легирования поверхности пассивирующими и благородными элементами. В этом случае соотношение слоев не играет большой роли, поэтому указанный cпоcоб улучшения cвойств поверхности упругих материалов пригоден и для упругих элементов больших сечений.

Большой интерес для cоздания немагнитных высокопрочных и коррозионноcтойких сплавов в окислительных средах на основе концентрированной азотной кислоты представляет система   Ni- Cr с высоким содержанием   Cr  (35 - 50 %). Здесь наиболее перспективным направлением является создание дисперсионнотвердеющих сплавов с σ₀= 1200 МПа за счет дополнительного легирования.

Успехи в области специальных методов сварки и прокатки (сварке взрывом, холодном плакировании; позволяют развернуть разработки новых композитных прецизионных материалов, сочетающих разнородные и дополняющие друг друга служебные свойства, такие как высокая электропроводность и коррозионная стойкость, теплостойкость и эрозионная стойкость и др.

В области деформационнотве рдеющих пружинных материалов перспективным является направление создания экономнолегированных коррозионностойких сталей и сплавов системы Fe- Cr- Ni- (Mn) и  Mn-Cr  для силовых упругих элементов, заводных и рулонных пружин взамен традиционных сплавов на основе Co. С этой же точки зрения перспективным является направление создания немагнитных токоведущих пружинных материалов для контактов электрических соединений, стойких в морской воде и водяном тумане без покрытия благородными металлами и не содержащих токсичных элементов (взамен бронз и никельбериллиевых сплавов). Сложность задачи заключается в трудности сочетать в одном cплаве низкое электросопротивление, с одной стороны, и выcокие упругие и релаксационные характеристики, с другой. Однако ее решение позволило бы отказаться от покрытий, что дало бы большой экономический эффект.

Значительный научный и практический интерес предоcтавляет направление создания пружинных материалов с уникальными свойствами на основе тугоплавких элементов. Особое место здесь занимают сплавы на  основе Nb, обладающие редким сочетанием упругих характеристик (низким модулем упругости и его температурным коэффициентом) теплостойкости и коррозионной стойкости в окислительных и других средах.  На основе Nb   уже создан ряд высокотемпературных немагнитных элинваров [15,16],  однако работы в этом направлении нельзя считать полностью исчерпанными.