Сплавы с заданным температурным коэффициентом линейного расширения
Поможем в ✍️ написании учебной работы
Поможем с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой

К этой группе материалов относят сплавы системы Fe – Ni. При больших содержаниях никеля в сплавах образуется непрерывный ряд твердых растворов с ГЦК решеткой (см. рис. 9.8). Температурный коэффициент линейного расширения твердых растворов в функции состава изменяется сложно (рис. 10.8), что дает возможность создавать сплавы с малым температурным коэффициентом линейного расширения – инварные сплавы.

Заниженное значение температурного коэффициента линейного расширения в инварных сплавах имеет ферромагнитную природу и объясняется большой магнитострикцией парапроцесса.

Во всех ферромагнитных материалах, кроме сплавов инварного типа, намагниченность в области парапроцесса с ростом поля практически не меняется (рис. 10.9, штриховая линия). В сплавах инварного типа намагниченность в этой области увеличивается (сплошная линия) в результате дополнительной ориентации спиновых моментов электронов, несколько разориентированных тепловым движением, и вызывает большие магнитострикционные явления.

Магнитострикция – изменение размеров ферромагнетика при его намагничивании. В области технического намагничивания (Н  Нs) магнитострикция носит линейный характер, в области парапроцесса (Н  Нs) – объемный.

Такие же явления возникают под влиянием внутреннего магнитного поля ферромагнетика (рис. 10.10): в отсутствие внешнего поля форма и размер домена искажены магнитострикцией. Истинные размеры выявляются лишь при нагреве до температур выше температуры точки Кюри (t  θ), когда устраняются все магнитострикционные деформации в связи с переходом в парамагнитное состояние. Истинные размеры показаны на рис. 10.10 в виде квадрата. При охлаждении до температур ниже точки Кюри (t  θ) линейная магнитострикция искажает форму домена, вытягивая его в направлении вектора самопроизвольной намагниченности (превращая квадрат прямоугольник). Объемная магнитострикция увеличивает размеры домена ( прямоугольника).

В кристаллах ферромагнетика, исключая сплавы инварного типа, магнитострикция, возникшая из-за внутреннего поля, не обнаруживается, так как объемная магнитострикция в них мала, а линейная – компенсируетсядеформмацией доменов в различных направлениях. В сплавах же инварного типа размеры ферромагнетика оказываются увеличенными, так как в них велика объемная составляющая магнитострикции.

Температурный коэффициент линейного расширения для ферромагнетиков в общем виде определяется формулой

α = α0 - ,

где α0 - нормальный коэффициент линейного расширения, зависящий от энергии связи атомов; - ферромагнитная составляющая коэффициента линейного расширения, обусловленная объемной магнитострикцией парапроцесса. Изменение размеров детали из инварного сплава при нагреве, описываемое формулой

А1 = А0(1 + α t ), показано схематично на рис. 10.11. нормальная составляющая размера А0, определяемая энергией связи атомов, растет вследствие уменьшения энергии при нагреве. Этот рост компенсируется уменьшением магнитострикции, так как при нагреве уменьшается намагниченность ферромагнетика из-за тепловых колебаний атомов.

В результате размер А при нагреве до температуры точки Кюри увеличивается незначительно, а для некоторых инварных сплавов даже уменьшается, т.е. коэффициент линейного расширения имеет отрицательное значение.

Так, сплав, содержащий 54%Co, 9%Cr и 37%Fe, в интервале температур 20 – 70  имеет α = -1,2 10-6К-1. Этот сплав из-за высокого содержания хрома имеет хорошие антикоррозионные свойства.

При нагревании выше температуры точки Кюри ферромагнитная составляющая коэффициента теплового расширения исчезает вследствие перехода сплава в парамагнитное состояние, и коэффициент α резко возрастает. Это объясняет аномально заниженные значения коэффициента у инварных сплавов.

В инварных железоникелевых сплавах, содержащих 29 – 45%Ni, обнаружена ферромагнитная аномалия коэффициента α. Минимальное значение коэффициента α в интервале 0 – 100  имеет сплав Fe + 36%Ni. При более высоких температурах этот минимум наблюдается в сплавах с большим содержанием никеля.

Сплав 36Н, называемый инваром, - основной представитель сплавов с минимальным коэффициентом α. Минимальное значение коэффициента α в области температур 20 – 25 , а так же хорошие механические, технологические и антикоррозионные свойства позволили использовать инвар как конструкционный материал для деталей приборов, от которых требуется постоянство размеров при изменении температуры в условиях эксплуатации.

Значения коэффициента α зависят от содержания примесей (особенно углерода) и технологии термической обработки сплава.

Углерод в процессе термической обработки образует пересыщенные твердые растворы внедрения. В процессе эксплуатации из-за выделения углерода значения коэффициента α изменяются. Это связано с изменением параметра кристаллической решетки и магнитострикции парапроцесса, поэтому содержание углерода в сплаве должно быть минимальным (не более 0,5%). Минимальное значение коэффициента α у инвара достигается после закалки от 830 , в процессе которой все примеси переходят в твердый раствор. Отпуск при 315  в течение 1 ч приводит к выделению мелкодисперсных избыточных фаз; последующее старение при 95  в течение 48 ч снимает все остаточные напряжения, возникающие в процессе технологической обработки деталей, и стабилизирует значение коэффициента α.

Свойства инвара дополнительно улучшают легированием кобальтом и медью. Сплав такого типа, называют суперинвар, имеет еще более низкое значение α (табл. 10.5).

Таблица 10.5. Температурный коэффициент линейного расширения сплавов инварного типа (ГОСТ 10994-74)
 

 

 

Особую группу составляют сплавы для пайки и сварки со стеклом. Составы этих сплавов подобраны таким образом, чтобы коэффициент α сплава соответствовал коэффициенту α материала, с которым производится соединение, во всем интервале температур, вплоть до размягчения стекла. Это обеспечивает сохранение спая при нагреве и охлаждении (в процессе изготовления и в условиях эксплуатации) и получение герметичного соединения.

Помимо этого основного требования к сплаву выдвигается требование в отношении пластичности и хорошей обрабатываемости давлением.

Основной представитель этой группы – сплав 29НК (ковар) имеет такой же коэффициент α, как термостойкое стекло, вольфрам и молибден. В этом сплаве часть никеля заменена кобальтом, что повышает температуру точки Кюри и расширяет область его применения до 420 . При тех же температурах начинается размягчение термостойкого стекла.

Сплав пластичен и хорошо обрабатывается давлением, поэтому он заменил менее пластичные сплавы и нежаростойкие вольфрам и молибден в электровакуумном производстве.

 

Сплав 47НД (платинит) относится к группе сплавов, имеющих такой же коэффициент α, как платина и нетермостойкие стекла. Его используют для сварки и пайки с такими стеклами в электровакуумной промышленности. Вследствие высокого содержания никеля сплав имеет высокую температуру точки Кюри.

Для пайки с керамикой применяют сплав 33НК, являющийся аналогом ковара, но с повышенным содержанием никеля. Для такой пайки не требуется очень точного совпадения коэффициентов α, упрощает технологию изготовления этого сплава. В качестве терморегулятора в приборостроении используют биметаллические пластинки, сваренные из двух материалов с различным значением коэффициента α. Для этих целей обычно используют инвар 36Н, имеющий минимальное значение коэффициента α, и сплав с 25%Ni, у которого коэффициент α очень большой (20 10-6 -1). При нагреве пластинка биметалла сильно искривляется и замыкает (либо размыкает) электрическую цепь.

 


Дата: 2019-02-18, просмотров: 1781.