Аксенова
Светлана Израилевна
ГП «Завод им.
Малышева» (г. Харьков)
Стародубов
Сергей Юрьевич
Донбасский
государственный технический университет (г. Алчевск)
ВЛИЯНИЕ ЛЕГИРУЮЩИХ ЭЛЕМЕНТОВ
НА ТЕРМОУПРУГИЕ СВОЙСТВА ЭЛИНВАРОВ
Элинварные сплавы, используемые для
изготовления упругих элементов колебательных систем электромеханических
фильтров и датчиков частоты, должны обладать температурной стабильностью
частоты и сочетанием нулевого (близкого к нулевому) значения температурного
коэффициента частоты (ТКЧ) с высокой добротностью. Разработанные до настоящего
времени серийные элинварные сплавы не обеспечивали сочетания требуемых значений
ТКЧ и добротности [1]. Значительную нестабильность ТКЧ ферромагнитных элинваров
можно объяснить колебаниями химического состава, режимов термообработки и,
возможно, различным уровнем остаточных напряжений.
Например, как показано в работе [2], для
бинарных железоникелевых сплавов нулевые значения ТКЧ достигаются при
концентрации никеля 29 и 45%. Однако двухкомпонентные железоникелевые элинвары
не находят практического применения из-за высокой чувствительности ТКЧ к
содержанию никеля в сплаве. Поэтому для изготовления упругих элементов
колебательных систем электромеханических фильтров и датчиков частоты применяют
дисперсионно-твердеющие трехкомпонентные элинварные сплавы системы
железо-никель-хром.
В работе были изучены свойства двух
промышленных элинварных сплавов (44НХМТ и 46НХВИТЮ) с различным химическим
составом и способами получения оптимальной структуры, обеспечивающий
необходимый комплекс термоупругих свойств. Марочный химический состав сплавов
приведен в
табл. 1. Целью работы являлось изучение влияния концентрации основных легирующих
элементов (хрома, титана, алюминия и др.) на изменение в процессе отпуска
степени дисперсионного твердения.
Таблица 1 – Химический состав
промышленных элинварных сплавов
|
Сплав |
Содержание химических элементов, % |
||||||
|
Ni |
Cr |
Ti |
Al |
Mo |
W |
Re |
|
|
44НХМТ |
44,0–43,4 |
5,1–4,3 |
3,2–2,6 |
1,0–0,8 |
0,3–0,1 |
– |
– |
|
46НХВИТЮ |
46,6–45,6 |
3,3–2,7 |
3,1–2,7 |
1,1–0,6 |
– |
3,0–2,0 |
0,45–0,2 |
|
Примечание: Mn 0,2 – 0,4%; Si 0,1 – 0,4%; С £ 0,05%; S, Р £ 0,02%, |
|||||||
Известно, что для достижения
минимальных значений ТКЧ большинства современных элинваров решающее значение
имеет содержание никеля в твердом растворе [3]. Изменение концентрации
химических элементов в твердом растворе происходит в процессе дисперсионного
твердения, т.е. выделения из твердого раствора мелкодисперсных частиц интерметаллидных
фаз. В этом смысле наибольшее значение для формирования термоупругих свойств имеет
g`-фаза Ni3(Fe, Ti, Al). Выделяясь из твердого раствора в процессе дисперсионного
твердения по непрерывному (во всем объеме сплава) и прерывистому (по границам
зерен и дефектам структуры) механизмам, g`-фаза
обуславливает распад твердого раствора, изменяя содержание в нем никеля, титана
и других компонентов, и тем самым воздействуя на ТКЧ.
Согласно данным [4], g`-фаза
имеет следующий химический состав:
Ni = 76,0%; Fe = 4,0%; Ti = 15,4%;
Al = 4,6%,
а растворимость титана и алюминия составляет 2,0 и
0,5% соответственно.
Исходя из приведенных данных в работе был
исследован химический состав элинварных сплавов 44НХМТ и 46НХВИТЮ,
обеспечивающий максимальное выделение g`-фазы.
Исследования проводились на четырех промышленных плавках сплава 44НХМТ и пяти
промышленных плавках сплава 46НХВИТЮ. Содержание основных легирующих элементов
в исследованных плавках представлено в табл. 2.
Таблица 2 – Фактическое
содержание основных компонентов в
промышленных плавках элинварных сплавов
|
Номер плавки |
Сплав |
Содержание компонента, % |
|||||
|
Ni |
Cr |
Ti |
Al |
Mo |
W |
||
|
1 |
44НХМТ |
44,05 |
4,61 |
3,04 |
0,82 |
0,26 |
– |
|
2 |
44,0 |
4,71 |
3,02 |
0,82 |
0,27 |
– |
|
|
3 |
43,71 |
4,70 |
3,78 |
0,77 |
0,26 |
– |
|
|
4 |
43,72 |
4,57 |
3,78 |
0,71 |
0,26 |
– |
|
|
5 |
46НХВИТЮ |
47,0 |
3,5 |
2,9 |
1,0 |
– |
2,5 |
|
6 |
47,0 |
3,2 |
2,9 |
0,9 |
– |
3,0 |
|
|
7 |
47,0 |
3,5 |
2,9 |
1,0 |
– |
3,0 |
|
|
8 |
46,6 |
3,0 |
2,9 |
0,9 |
– |
3,0 |
|
|
9 |
46,4 |
3,0 |
2,9 |
0,9 |
– |
3,2 |
|
Учитывая, что химический состав твердого
раствора и количество выделенной из него g`-фазы
является основным фактором, определяющим значение ТКЧ, были исследованы
составы, обеспечивающие получение минимальных и положительных значений ТКЧ в
интервале температур отпуска от 550 до 750 ºС, т.е. до температуры
интенсивной коагуляции частиц g`-фазы и образования η-фазы. По известным методикам [5] определяли термоупругие
свойства образцов. Усредненные значения ТКЧ и добротности образцов из сплавов
различного химического состава приведены в табл. 3.
Анализ экспериментальных данных позволяет
сделать ряд следующих обобщений. Повышенное содержание хрома, характерное для
сплава 44НХМТ, резко снижает ТКЧ и не всегда обеспечивает получение его
положительного значения. Добавки рения, вольфрама и снижение содержания хрома
позволяет ослабить чувствительность сплава к термической обработке и колебаниям
содержания никеля, титана и алюминия. Однако проведенные исследования по
улучшению свойств сплава 44НХМТ не дали результатов, полностью удовлетворяющих
требованиям к упругим элементам колебательных систем (высокая добротность в
сочетании со значениями ТКЧ, близкими к нулю). Так, минимальные величины ТКЧ
были достигнуты на плавке №2, однако добротность образцов из этой плавки не
превышала 12 000 единиц.
Таблица 3 – Термоупругие свойства промышленных
плавок
|
Номер плавки |
ТКЧ×10–6 ºС–1 |
Добротность, Q×103 |
Режим |
|||
|
+25…+55 ºС |
–60…+25 ºС |
+25…+85 ºС |
температура, ºС |
время, τ,
час. |
||
|
1 |
–1,0 |
+5,0 |
–4,0 |
25…32 |
550 |
2 |
|
2 |
–0,5 |
+2,0 |
–2,0 |
8…12 |
550 |
1 |
|
3 |
+0,5 |
+5,0 |
–6,0 |
26…43 |
670 |
2 |
|
4 |
+0,2 |
+2,5 |
–0,5 |
28…35 |
590 |
2 |
|
5 |
–2,0 |
–3,0 |
–2,5 |
19…24 |
650 |
4 |
|
6 |
–1,5 |
–2,0 |
–3,0 |
20…25 |
650 |
4 |
|
7 |
–8,5 |
–10,5 |
–11,0 |
30…37 |
650 |
4 |
|
8 |
+0,5 |
–1,0 |
–0,5 |
44…66 |
600 |
1,5 |
|
9 |
+0,5 |
–1,0 |
+1,0 |
40…50 |
580 |
4 |
Для плавки №5 (сплав 46НХВИТЮ) несмотря на
низкое содержание хрома и введение в состав вольфрама и рения не удалось
подобрать оптимальные режимы обработки. Несмотря на то, что ТКЧ плавки №5 не
превышал
–3×10–6 ºС–1, добротность составила всего лишь
19 000 – 24 000 единиц. Увеличение содержание вольфрама с 2,5 до 3,0%
(плавка №7) позволило повысить добротность образцов с 24 000 до
37 000 единиц, но ТКЧ при этом снизился до –11,0×10–6
ºС–1. Для повышения ТКЧ в плавке №6 было снижено содержание
хрома до 3,2%. Такое сочетание легирующих элементов позволило получить
требуемое сочетание ТКЧ и добротности (табл. 3).
Дальнейшее уменьшение содержания хрома и
никеля в сплаве 46НХВИТЮ позволило добиться оптимального сочетания термоупругих
свойств (плавки 8 и 9): ТКЧ в пределах ±2×10–6 ºС–1
при добротности более 40 000 единиц.
Таким образом, установлен характер влияния
содержания основных легирующих элементов на элинварные свойства
дисперсионно-твердеющих элинваров. Однако для изучения количественных
показателей влияния и получения соответствующих математических моделей
необходимы дальнейшие экспериментальные исследования.
ПЕРЕЧЕНЬ ССЫЛОК
1. Прецизионные сплавы. Справочник / под
ред. Б.В. Молотилова. – М.: Металлургия, 1974. – 448 с.
2. Белов К.П. Упругие, тепловые и
электрические явления в ферромагнетиках / К.П. Белов. – М.: ГИТЛ, 1957. – 279
с.
3.
Satio H. Elinvar-type alloys. I Ferromagnetic Elinvar-type alloys // Rhys. and appl.
invar alloy. Invar alloys/ – Tokio. – 1978. P. 550–594.
4. Смирнова А.В.
Электронно-микроскопическое исследование структурных превращений в сплаве
Н36ХТЮ / Металловедение и термическая обработка металлов. – 1963. – №11. – С.
4-8.
5. Лившиц Б.Г. Физические свойства
металлов и сплавов / Б.Г. Лившиц, В.С. Крапошин, Я.Л. Липецкий. – М.:
Металлургия, 1980. – 320 с., ил.