Особенности влияния нагрева в азотистой среде на линейное расширение малоуглеродистой стали

Технические науки / 1. Металлургия

Д.т.н. Афанасьев В.К., Долгова С.В., Ващенко А.Ю., Лейс В.А.

Сибирский государственный индустриальный университет, Россия

Особенности влияния нагрева в азотистой среде на линейное расширение малоуглеродистой стали

До сих пор эталонами прецизионных сплавов различного назначения являются железо-никелевые. С 1896 года и по настоящие время проведено много исследований, основной задачей которых было выявление причин постоянно низких значений коэффициента линейного расширения (КЛР) при температурах испытания (t_исп) 50÷150 °С. Однако, констатируется факт, что секрет этого инварного эффекта до сих пор не выяснен.

Целью настоящей работы было установить возможность получения низких значений КЛР у малоуглеродистой стали без применения дорогих и тяжелых легирующих элементов (Ni, Cr, Co, Cu и др.)

С этой целью сталь с 0,2-0,23 % С подвергалась нагреву в CO(NH₂)₂. КЛР определялся с помощью фоторегистрирующего дифференциального дилатометра Шевенара.

1. Установлена принципиальная возможность получения низких значений КЛР при t_исп= 150 °С и при t_исп= 350 °С. После обработки при температурах 150÷350 °С КЛР снижается при t_исп= 250÷400 °С (рисунок 1). Это согласуется с тем, что в данном температурном интервале происходит более интенсивное взаимодействие водорода и азота в металле [1]. Наиболее низкие значения КЛР наблюдаются после нагрева при 500 °С, что обусловлено максимальной диффузионной подвижностью азота в металле при этой температуре [1]. В этом случае α достигает значений 2,6∙10^-6 град^-1 и -3,9∙10^-6 град^-1 при температурах испытания 150 °С и 350 °С соответственно. Такие значения характерны для высоколегированных прецизионных сплавов. Например, сплав Н30К13Д (30 % Ni – 13 % Co – 1 % Cu), используемых для изготовления вакуумноплотных спаев элементов радио- и электронной аппаратуры с тугоплавким стеклом 3С-9 и для отдельных видов спаев со стеклом 3С-11, имеет КЛР ~ 3÷6∙10^-6 град^-1 до температуры 340 °С. Полученные нами результаты в данном случае значительно превосходят инварные сплавы, являющиеся эталонами сплавов с низким КЛР. Аномалия при t_исп= 350 °С обнаружена на малоуглеродистой стали впервые. По всей вероятности, снижение КЛР связано с образованием соединений из элементов внедрения, тепловое расширение которых меньше чем у металла-основы, что подтверждается устранением обнаруженных аномалий при обработке при более высоких температурах (t_исп= 600 ÷ 700 °С).

2. Закалка с 1000 °С (τ = 5 мин) образцов, нагревавшихся в мочевине, уменьшает аномалию КЛР, но полностью ее не устраняет (рисунок 2).

3. Развитие аномалии линейного расширения в малоуглеродистой стали позволяет сделать предположение, что возможным основным механизмом расширения и сжатия веществ будет такой, в котором ведущая роль принадлежит водороду, азоту и кислороду, а остальные элементы – «носители их» [2].

Литература:

1. Королев М.Л. Азот как легирующий элемент в стали [Текст] / М.Л. Королев. – М.: Гос. Научно-техническое изд-во лит-ры по черной и цветной металлургии, 1961. – 163 с.

2. Афанасьев В.К. Водородная платформа периодической системы элементов [Текст] / В.К. Афанасьев // Металлургия машиностроения. – 2011. – №2. – С. 21-26.