Материалы с особыми тепловыми свойствами

Студент должен

Знать:

• Основные характеристики материалов с особыми тепловыми свойствами;

• Свойства материалов с особыми тепловыми свойствами

Сплавы прецизионные с особыми физическими свойствами (по ГОСТ 10994—74)

К прецизионным сплавам относятся высоколегированные сплавы с заданными физическими и физико-механическими свойствами, требующие узких пределов массовых долей элементов в химическом составе, специальной технологии выплавки и специальной обработки.

Детали из прецизионных сплавов играют существенную роль в приборах и автоматических устройствах. Они служат источником, усилителем или фильтром основного сигнала, приводя в действие всю систему и определяя надежность ее работы. От качества этих сплавов зависит качество и надежность приборов, автоматических устройств в радиоэлектронике, вычислительной технике, электротехнике и других важнейших отраслях техники, определяющих научно-технический прогресс.

Сплавы с заданным температурным коэффициентом линейного расширения (ТКЛР) благодаря малому значению ТКЛР в некотором интервале температур сохраняют постоянными свои линейные размеры, а следовательно, и объем.

В зависимости от величины ТКЛР сплавы делятся на три группы:

1) сплавы с минимальным, близким к нулю, ТКЛР;

2) сплавы с низким ТКЛР;

3) сплавы со средним ТКЛР.

Сплавы с минимальным ТКЛР применяют для изготовления деталей высокоточных приборов, аппаратов и устройств, измерительных инструментов, эталонов длины и других изделий, требующих стабильности размеров в интервале климатических изменений температур.

Сплавы данной группы пластичны, хорошо обрабаты­ваются резанием, свариваются, паяются.

Для изделий с высокой стабильностью размеров в интервале температур от минус 60 до плюс 100°С применяются сплавы с ТКЛР, близким к нулю,—36Н (инвар) и 32НКД (суперинвар). Для конструкций и трубопроводов, работающих при низких температурах, применяются сплавы 36НХ и 39Н, структура и свойства которых стабильны до температуры жидкого гелия.

Рассмотренные сплавы не упрочняются термообработкой, их прочность возрастает после наклепа. Упрочняется термообработкой дисперсионно-твердеющий сплав 35НКТ после закалки и отпуска, закалки с последующей деформацией и отпуском, а также специального отжига.

Термическая обработка изделий из сплавов данной группы производится для минимального значения ТКЛР и стабилизации размеров.

Сплавы с низким и средним ТКЛР. Сплавы этих групп предназначены для вакуумноплотных соединений с неорганическими диэлектриками — стеклом, керамикой, слюдой, искусственным сапфиром и т. д. Указанные сплавы в интервале рабочих температур от —70 до + 550°С имеют ТКЛР, близкий или равный по величине ТКЛР соединяемых с ними диэлектриков.

Из сплавов данных групп наиболее широко известен сплав 29НК (ковар). Он имеет такой же ТКЛР, как и термостойкое стекло. В коваре часть никеля заменена кобальтом, который повышает точку Кюри и расширяет область применения сплава до 420°С. Сплав хорошо спаивается со стеклом, так как оксидный слой достаточно прочно связан с основным металлом и хорошо смачивается расплавленным стеклом.

Ковар технологичен, хорошо обрабатывается давлением и резанием и поэтому широко применяется в электровакуумном производстве.

Для сплавов 47НД, 47НД-ВИ, 52Н, 52Н-ВИ, применяемых также в качестве магнитных материалов для герметизированных магнитоуправляемых контактов, дополнительно к ТКЛР нормируется также индукция насыщения (не менее 1,4—1,5 Тл) и коэрцитивная сила (не менее 16 А/м).

Сплав 58Н-ВИ (инвар стабиль) имеет ТКЛР, близкий к ТКЛР стали и чугуна. У сплава должна быть высокая стабильность размеров и ТКЛР во времени, так как его применяют для изготовления штриховых мер (отсчетных шкал), встраиваемых в координатно-расточные станки высокой точности.

Прецизионные сплавы с заданными свойствами упругости обладают высокими упругими свойствами в сочетании с другими специальными свойствами (повышенной прочностью и коррозионной стойкостью, немагнитностью, заданным значением модуля нормальной упругости (Е) и температурным коэффициентом модуля упругости (β_у)).

По способу упрочнения и физико-механическим свойствам сплавы с заданными свойствами упругости можно условно разделить на три группы:

1) дисперсионно-твердеющие коррозионно-стойкие сплавы на основе никеля (97НЛ, 68НХВКТЮ) и на основе систем Fe — Ni — Сr (36НХТЮ, 36НХТЮ5М, 36НХТЮ8М) и Fe —Сr —Ni (17ХНГТ), упрочняющиеся в результате закалки и старения или закалки, холодной пластической деформации и старения;

2) деформационно-твердеющие коррозионно-стойкие сплавы на основе системы Со — Сr — Ni (40КХНМ и 40КНХМВТЮ), упрочняющиеся только в результате закалки, холодной пластической деформации и старения;

3) сплавы с температурно-стабильным модулем упругости (элинвары) на основе систем Fe — Ni — Сr (42НХТЮ, 42НХТЮА, 44НХТЮ) и Fe — Ni — Со (43НКТЮ).

Дисперсионно-твердеющие коррозионно-стойкие сплавы обладают повышенными прочностными и упругими свойствами, теплостойкостью, коррозионной стойкостью в атмосферных условиях и ряде агрессивных сред. Из них изготавливают упругие чувствительные элементы и детали приборов, работающих в агрессивных средах и в широком диапазоне температур.

Деформационно-твердеющие сплавы на основе систе­мы Со — Cr — Ni имеют очень высокую прочность, высокую усталостную прочность, твердость, износостойкость и коррозионную стойкость. Они немагнитны. Основное назначение сплавов — заводные пружины различных механизмов, керны электроизмерительных приборов, хирургические детали. Сплавы упрочняют термомеханической обработкой, включающей закалку, холодную пластическую деформацию с большой степенью обжатия и старение. Основное упрочнение сплавов происходит в процессе холодной пластической деформации.

Сплавы с температурно-стабильным модулем упругости (элинвары). Элинвары — сплавы на основе систем Fe — Ni — Cr и Fe — Ni — Co, обладающие температурно-стабильным модулем упругости при 100—350°С, имеющие повышенные прочностные и упругие свойства. Указанные сплавы ферромагнитны. Они сохраняют низкий температурный коэффициент модуля упругости до температуры магнитного превращения — точки Кюри. Элинвары применяются для упругих чувствительных элементов прецизионных приборов, волосковых спиралей часовых механизмов и других изделий, от которых требуются высокие упругие свойства, не зависящие от температуры.

Прецизионные сплавы с заданным электрическим сопротивлением обладают необходимым сочетанием электрических и других свойств. Они подразделяются на две группы:

1) сплавы с высоким электрическим сопротивлением;

2) сплавы с заданным температурным коэффициентом электрического сопротивления.

Сплавы с высоким электрическим сопротивлением применяются для электронагревательных элементов печей с предельной рабочей температурой 950—1350°С, бытовых приборов, электрических аппаратов теплового действия, элементов сопротивления.

Так как сплавы данной группы длительно работают на воздухе при высоких температурах, то наряду с высоким удельным электросопротивлением, они должны обладать высокой жаростойкостью (окалиностойкостью) и достаточной жаропрочностью.

Важнейшими эксплуатационными характеристиками сплавов данной группы являются предельная рабочая температура и величина удельного электрического сопротивления.

Наиболее широко для электронагревателей печей, бытовых приборов и электрических аппаратов теплового действия, работающих при высоких температурах (950— 1350°С), применяются сплавы на основе систем Ni — Сr (Х20Н80, Х20Н80-Н, Х15Н60-Н и др.) и Fe — Сr — А1 (Х15Ю5, Х23Ю5 и др.).

Недостаток нихромов — высокое содержание дефицитного никеля. Высокое удельное электрическое сопротивление имеют и сплавы на основе Fe — Сr — А1. Они дешевле нихромов, но уступают им по жаростойкости и технологичности. При медленном охлаждении ниже 500°С или выдержке в интервале 450—500°С сплавы на основе системы Fe — Сr — А1 охрупчиваются (так называемая«хрупкость 475»). Для устранения хрупкости применяется закалка с 750—860°С с охлаждением в воде. При высоких температурах (выше 1100—1200°С) сплавы на основе системы Fe — Сr — А1 имеют низкое сопротивление ползучести, что приводит к провисанию нагревателей под собственным весом. Для предотвращения провисания необходимо располагать нагреватели на опорах по всей их длине.

Сплавы прецизионные с высоким электрическим со­противлением выпускают в виде холоднотянутой прово­локи, холоднокатаной и плющеной ленты, круглых калиброванных (холодно- и теплотянутых) сплавов, сортового проката (горячекатаного круглого сечения и теплокатаного квадратного сечения) по ГОСТ 12766.1 —77 — 12766.5—77.

Сплавы с заданным электросопротивлением используются для электроизмерительных приборов и резисторов. Помимо высокого удельного электросопротивления, от них требуется высокая стабильность значения удельного электросопротивления во времени и низкий температурный коэффициент электрического сопротивления достигается после стабилизирующей термообработки — отпуска. Так, сплав марки Н80ХЮД-ВИ на основе системы Ni — Сr, имеющий низкий температурный коэффи­циент электрического сопротивления и высокое удельное электрическое сопротивление, подвергается следующей термообработке: закалке с 1000—1050 °С и отпуску при 450—550 "С с выдержкой 2—5 ч. Он применяется для малогабаритных прецизионных резисторов.

Для непрецизионных резисторов неответственного назначения, соединителей в изделиях электронной техники и для ответственных деталей внутри вакуумных приборов, применяются нихромы марок Х20Н80-ВИ и Х15Н60-ВИ. Эти сплавы имеют температурный коэффициент электрического сопротивления в интервале температур от -60 до 100 °С.

Сплав на основе системы Ni — Fe — Со марки Н50К10 обладает высоким постоянным температурным коэффициентом электрического сопротивления до 5,5 ·10^-3К^-1` в интервале температур от 20 до 500 °С. Он применяется для термодатчиков и термочувствительных элементов.