12. Стали и сплавы с особыми свойствами

2.13.1 Закономерности теплового расширения металлов и сплавов. Сплавы с заданным значением теплового расширения.

В приборостроении в ряде случаев требуются сплавы с самыми разнообразными свойствами, например сплавы с коэффициентом линейного расширения, равным коэффициенту линейного расширения стекла, или с коэффициентом, равным нулю, а также с весьма большим коэффициентом и т. д. Чтобы удовлетворить этим требованиям, для каждого конкретного случая применения изготавливают сплавы строго определенного состава. Их, как и магнитные и электротехнические сплавы, называют часто прецизионными сплавами.

Такое название обусловлено тем, что состав этих сплавов должен быть точным; разбег в колебании содержания легирующих элементов весьма небольшой, так как этим обеспечивается получение оптимальных свойств. Изготавливают прецизионные сплавы (кроме трансформаторного металла) в весьма малых количествах, способами, похожими на изготовление сплава лабораторными методами.

Коэффициент линейного расширения а возрастает с повышением температуры: , если .

Значения коэффициентов линейного расширении для некоторых металлов при разных температурах приведены в табл. 2.12.

Таблица 2.12

Коэффициент линейного расширения некоторых металлов

Металл	при температуре, ºС
	0	100	200	600	800
Железо	11,3	12,2	12,7	14,5	14,8
Медь	16,7	17,0	17,4	18,8	19,6
Алюминий	22,8	23,7	24,5	27,9	—
Никель	13,4	13,6	14,0	15,6	16,1
Кобальт	12,0	12,5	13,0	—	—
Платина	8,9	9,1	9,2	9,7	9,9

Введение в металл второго компонента вызывает изменение коэффициента линейного расширения, при этом:

а) если оба компонента образуют механическую смесь, то коэффициент линейного расширения изменяется аддитивно;

б) если компоненты образуют твердый раствор, то коэффициент линейного расширения изменяется по криволинейной зависимости, но внутри пределов, ограниченных значениями коэффициентов линейного расширения чистых компонентов.

Существуют, однако, две анормальные системы: Fe — Ni и Fe — Pt, в которых изменение коэффициента линейного расширения сплавов не подчиняется общим правилам.

Сплав с 36% Ni называется инваром (неизменный), и его можно считать практически нерасширяющимся. Этот сплав применяют во многих приборах для деталей, размеры которых не должны изменяться с изменением температуры. Следует иметь в виду, что малый коэффициент линейного расширения инвара сохраняется лишь в интервале от — 80 до + 100° С; выше и ниже этого интервала коэффициент расширения инвара резко возрастает.

Сплав с 42% Ni отличается тем, что имеет постоянный коэффициент линейного расширения (около ) в интервале от 20 до 200° С; вне этого интервала температур его коэффициент возрастает, т. е. сплав расширяется более интенсивно. Другими словами, для сплавов системы Fe—Ni существует интервал температур, в пределах которого коэффициент линейного расширения остается постоянным. Верхняя температура этого интервала тем выше, чем больше в сплаве содержание никеля.

В табл. 2.13 для различных инварных сплавов приведен химический состав и коэффициенты теплового расширения, регламентируемые техническими условиями.

Для инвара характерна некоторая нестабильность размеров во времени: вначале, после изготовления детали, ее размеры уменьшаются, а потом растут. Стабилизация размеров изделий достигается термической обработкой, снимающей остаточные напряжения, так как указанная размерная нестабильность есть результат релаксации этих напряжений, полученных при предыдущих обработках.

Таблица 2.13

Состав и тепловые свойства инварных сплавов

Название сплавов	Марка сплава	Содержание элементов, %		Тепловые свойства
		Ni	Co	коэффициент линейного расширения	Температурный интервал измерений, ° С
Инвар	Н36	36	—	1,5	20 – 100
Суперинвар	Н31К6	30-34	4 – 6	1,0	20 – 60
Платинит	Н48	48	—	9,0	20 – 300

В результате замены части никеля кобальтом получается сплав, так называемой суперинвар, с еще меньшим коэффициентом теплового расширения, чем простой инвар.

В результате замены никеля кобальтом получается сплав, называемый коваром, содержащий 29% Ni, 18% Со. Он предназначен для спайки с молибденовыми стеклами.

Сплав с 48% Ni имеет коэффициент линейного расширения, равный , т. е. такой же, как у стекла и платины. Этот сплав получил название платинита, и его применяют для пайки металла со стеклом