Сплавы с заданным температурным коэффициентом линейного 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, часто называют прецизионными сплавами.

Сплавами с заданным температурным коэффициентом линейного расширения (ТКЛР) называются сплавы, сохраняющие в некотором интервале температур практически постоянным свой объем, то есть имеющие малый коэффициент температурного линейного расширения. Такое ано­мальное поведение сплавов объясняется тем, что при изменении темпера­туры в них возникают магнитные превращения, сопровождающиеся объемными изменениями, компенсирующими термическое расширение, обусловленное тепловыми колебаниями атомов. К ним относят сплавы на основе Fe - Ni (ГОСТ 10994-74), имеющие аустенитную структуру, что обеспечивает получение низкого коэффициента линейного расширения.

Сплавы можно разделить на три группы: с минимальным ТКЛР-36Н (35-37 % Ni), 36НХ, 39Н; с низким ТКЛР-29НК (28,5-29,5 % Ni, 17-18 % Со), 30НКД, 38НКД; со средним ТКЛР-47НД (46-48 % Ni, 4,5-5,5 % Си), 47НЗХ.47НХР.

Для деталей с высокой стабильностью размеров в интервале темпе­ратур -60...+100°С выбирают сплавы с ТКЛР, близким к нулю (типа ин­вар), например, сплав 36Н, применяемый в приборах для деталей, размеры которых не должны изменяться с изменением температуры. Для деталей и труб в криогенной технике применяют сплавы 39Н и 36НХ, структура и свойства которых стабильны до температуры жидкого гелия. Для нагру­женных деталей высокоточных приборов, а также для точных пружин применяют сплав 35НКТ.

Свойства инвара дополнительно улучшают легированием кобальтом, который частично заменяет никель и медь. Сплав такого типа, называемый суперинвар (32НКД), имеет еще более низкий коэффициент линейного расширения.

Сплавы с низким и средним ТКЛР предназначены для вакуумно-плотных соединений со стеклом, керамикой в радиоэлектронной аппаратуре. Из этой группы сплавов наиболее широко применяют в промышленности сплав 29НК (ковар), который хорошо обрабатывается резанием, сваривается и штампуется.

Для сплавов 47НД и 52Н, применяемых для герметизированных управляемых контактов (герконов), кроме ТКЛР, нормируются и характе­ристики магнитных свойств.

В качестве терморегулятора в приборостроении используют термобиметаллы — спаянные пластины двух различных металлов или сплавов с резко разнородными коэффициентами линейного расширения. Они ис­пользуются при изготовлении термобиметаллических элементов электри­ческих аппаратов дистанционного управления (реле и регуляторов).

Формирование структур литых материалов. Литейные технологии

Р асплав чистого металла при охлаждении ниже равновесной температуры плавления (затвердевания) Т_пл . кристаллизуется, т.е. затвердевает с образованием кристаллической структуры.

Процесс кристаллизации вызван стремлением системы к минимуму свободной энергии. Термодинамический потенциал, характеризующий свободную энергию, при ТТ_пл у твердой фазы меньше, чем у жидкой.

Для развития кристаллизации необходимо переохлаждение металла ниже температуры плавления Т.

Снижение свободной энергии системы при переохлаждении Т, равное G_v= G_ж  G_тв, является термодинамическим стимулом – движущей силой процесса кристаллизации. Чем сильнее переохлаждении и, следовательно, больше G_v, тем активнее идет процесс кристаллизации.

К ристаллизация сплава начинается ниже температуры ликвидусаТ_L.

При фазовом переходе жтв выделяется тепло кристаллизации, которое полностью или частично компенсирует теплоотвод при охлаждении. Соответственно, кристаллизация чистых металлов происходит при постоянной температуре, а образование твердых растворов у сплавов замедляет скорость снижения температуры, что отражается на кривой охлаждения в виде перегиба. Изменения наклона кривой охлаждения вледствие фазовых переходов являются основой термографического анализа кристаллизации.

Кристаллизация происходит путем образования в жидкости центров кристаллизации (зародышей) и дальнейшего роста тех зародышей, которые имеют размеры больше критических: R_кр= , где  - поверхностное натяжение на границе раздела жидкость – твердая фаза, Т_пл и Q_пл − температура и теплота плавления, Т − переохлаждение..

Более мелкие зародыши неустойчивы, они растворяются в жидкой фазе.

Критический размер зародыша обратно пропорционален переохлаждению Т, т.е. чем сильнее переохлаждение, тем более мелкие зародыши становятся способны к росту. Следовательно, при более глубоком переохлаждении жизнеспособных зародышей становится больше, из каждого образуется кристаллит или зерно. В результате затвердевший при большем переохлаждении сплав имеет мелкозернистую структуру, которая характеризуется лучшими механическими свойствами.

Самопроизвольное (гомогенное) образование зародыша происходит только в очень чистых однородных веществах. В расплавах реальных сплавов всегда присутствуют случайные мелкие твердые частицы, некоторые из них даже при сравнительно небольшом переохлаждении могут служить готовыми зародышами кристаллизации. Таким образом в технических сплавах обычно происходит гетерогенное зарождение. Гетерогенным зарождением можно управлять, специально вводя в расплав определенное вещество – модификатор, а сам процесс обработки модификатором жидкого расплава непосредственно перед кристаллизацией называется модифицированием. Результатом модифицирования является множественное зарождение способных к росту центров кристаллизации, а, следовательно, образуется мелкозернистая структура затвердевшего сплава.