Інварний сплав на основі системи залізо-нікель

Реферат: Інварний сплав на основі системи залізо-нікель містить нікель, вуглець, залізо, кобальт, ітрій або тербій. UA 92447 U (12) UA 92447 U UA 92447 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 Корисна модель належить до галузі металургії і може бути використана у виробництві інварних сплавів для криогенної техніки, метрології, геодезії та приладобудування. Інварний ефект оснований на досить малих значеннях коефіцієнту теплового розширення (далі - ТКЛР) сплавів в широкому діапазоні температур нижче температури магнітного переходу. Відомий сплав на основі заліза і нікелю (Гудремон Э. Специальные стали. - М.: Металлургия, 1966, - Т. 1, - С. 503), який містить, мас. %: нікель (Ni) 30,6 залізо (Fe) решта. Недоліками відомого сплаву є: високі та нестабільні значення ТКЛР; неможливість використання сплаву при температурах нижче кімнатної через протікання в цій області мартенситного    перетворення. Відомий інварний сплав на основі заліза і нікелю (Авторське свідоцтво СРСР № 751147, МПК С22С 38/08, опубл. 1978), який містить, мас. %: нікель (Ni) 23-32,8 вуглець (С) 0,02-0,36 залізо (Fe) решта. Наявність у складі сплаву вуглецю знижує температуру    перетворення та розширює температурний інтервал використання сплаву. Недоліком відомого сплаву є відносно високі значення ТКЛР, особливо в області низьких температур. За наявності у сплаві нікелю у кількості менше 28,0 мас. % інварний ефект не спостерігається через неможливість отримання необхідної для його проявлення магнітної структури. Найбільш близьким за технічною суттю та результатом, що досягається, до сплаву, що заявляється, є інварний сплав (Авторське свідоцтво СРСР № 1082856, МПК С22С 38/08, опубл.30.03.1984, Бюл. № 12), що має наступне співвідношення компонентів, мас. %: нікель (Ni) 28,0-31,0 вуглець (С) 0,4-1,5 залізо (Fe) решта. Наявність у складі сплаву більшої кількості вуглецю, порівняно з попереднім аналогом, ще більше знижує температуру    перетворення та розширює температурний інтервал використання сплаву. Недоліком відомого сплаву є відносно великий розкид значень ТКЛР в інтервалі значень 100-335 К. В основу корисної моделі поставлено задачу розробити інварний сплав на основі системи залізо-нікель шляхом додаткового введення до його складу кобальту, ітрію або тербію, за рахунок чого зберігається високий рівень мікротвердості сплаву з одночасним зниженням та стабілізацією значень ТКЛР в інтервалі 110-500 К. Поставлена задача вирішується тим, що в інварний сплав на основі системи залізо-нікель, що містить нікель, вуглець та залізо, згідно з корисною моделлю, додатково вводять кобальт, ітрій або тербій при наступному співвідношенні компонентів, мас. %: нікель (Ni) 28,0-33,0 вуглець(С) 0,3-1,5 кобальт (Co) 0,5-2,0 ітрій (Y) або тербій (Тb) 0,007-0,009 залізо (Fe) решта. За наявності у інварному сплаві нікелю у кількості менше 28,0 мас. %, введення до його складу вуглецю не забезпечить необхідний для прояву інварного ефекту ступінь магнітного впорядкування. Введення вуглецю у інварний сплав, який містить нікелю 28,0-33,0 мас. %, забезпечує появу неоднорідного магнітного порядку і від'ємний магнітний внесок у термічне розширення в широкому інтервалі температур, що обумовлено формуванням неоднорідного ближнього оточення атомів заліза атомами нікелю та впливу на електронну будову сусідніх атомів, тобто вуглець у твердому розчині сприяє прояву інварного ефекту. При вмісті вуглецю менше 0,3 мас. % ТКЛР інварного сплаву, що заявляється, зростає. Натомість значне пересичення сплаву вуглецем (понад 1,5 мас. %) призводить до графітизації, що обумовлено зниженням розчинності вуглецю у γ - залізі через наявність нікелю у сплаві. Наявність у складі інварного сплаву кобальту впливає на магнітну підсистему сплаву та розподіл атомів вуглецю у твердому розчині. Вміст кобальту у кількості більше 2,0 мас. % спричиняє графітизацію вуглецю, що зменшує рівень характеристик міцності сплаву. 1 UA 92447 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 В процесі виплавляння сплаву, що заявляється, на границях зерен утворюється оксид вуглецю (CO), наслідком чого є зниження вмісту вільного вуглецю у сплаві. Для усунення цього недоліку та з метою розкислення розплаву до складу інварного сплаву вводять ітрій або тербій у кількості 0,007-0,009 мас. %. Крім того, оксиди ітрію або тербію є центрами кристалізації, а також сприяють подрібненню зерен сплаву, гальмуючи їх ріст в процесі наступного високотемпературного відпалу, внаслідок чого підвищується рівень характеристик міцності, додатково до твердорозчинного зміцнення сплаву вуглецем. Крім того, парамагнітний ітрій, як і феромагнітний тербій покращує магнітні властивості сплавів на основі заліза. Ближнє атомне неоднорідне впорядкування в ГЦК залізо-нікелевих сплавах супроводжується магнітним впорядкуванням, і, відповідно, завдяки одночасному введенню до складу сплаву вуглецю, кобальту та ітрію у заявлених кількостях формується магнітна структура, властива інварному сплаву з більшим вмістом нікелю, ніж у сплаві, який заявляється, що є важливим для прояву інварного ефекту. Запропонований сплав випробовували наступним чином. Серію сплавів виготовляли у вакуумній індукційній печі. Значення ТКЛР одержаних сплавів (таблиця 1) визначали дилатометричним методом з використанням кварцового дилатометру за методикою, що описана у роботі (Надутов В.М., Свистунов Є.А. Вплив вуглецю на термічне розширення ГЦК Fe-Ni сплавів // Металофізика та новітні технології. - т. 24, вип. 12, 2002. - С. 1639-1649), калібрування дилатометру проводили на еталонах довжини, зразках чистих елементів Fe, Ni та інварного сплаву Fe-36 мас. % Ni. Початкову довжину зразків вимірювали з 6 -1 похибкою ±0,005 мм. Розрахунок значень ТКЛР проводили з точністю ±0,3-10- K . Результати вимірювань наведено в таблиці 1. Наведені в таблиці 1 результати вимірювань значення ТКЛР, свідчать, що введення у інварний сплав вуглецю у кількості 1,18 мас. % (сплав 203) зменшує величину ТКЛР на 50-70 % в діапазоні температур 110-500 К, порівняно зі сплавом Fe-29,2 мас. % Ni (сплав 202), особливо після проходження у ньому мартенситного перетворення, тобто сприяє прояву інварних властивостей сплаву 203. Додавання до складу сплаву 0,5 мас. % кобальту (сплав 208) зменшує значення ТКЛР в діапазоні 200-500 К на 9-20 %, порівняно зі сплавом 203. Збільшення концентрації кобальту у сплаві до 1,0 мас. % (сплав 308) призводить до зменшення значень ТКЛР на 4-27 % у інтервалі 110-500 К, порівняно зі сплавом 208. Введення до складу сплаву 0,009 мас. % ітрію (сплав 304 Y) ще більше знижує значення ТКЛР в інтервалі 300-400 К, які залишаються на низькому рівні і при 110-200 K (див. таблицю 1), тобто інварні властивості сплаву сплав 304 Y є кращими, порівняно зі сплавами 202, 203 та 208. Інварні властивості і при додаванні тербію у кількості 0,008 мас. % в сплав, який містить вуглець у кількості 1,22 мас. % (сплав 304 Тb). Встановлено, що сплави 308 Y та 308 Тb, у хімічному складі яких одночасно наявні вуглець, кобальт, ітрій або тербій мають найменші та стабільні значення ТКЛР в діапазоні 110-500 К і, відповідно, найкращі інварні властивості з поміж всіх розглянутих вище сплавів (див. таблицю 1). Для перевірки впливу хімічного складу виплавлених інварних сплавів на рівень характеристик міцності було проведено вимірювання мікротвердості сплавів при кімнатній температурі. Результати експериментів наведено в таблиці 2. Сплав Fe-29,2 мас. % Ni (сплав 202), який не містить у своєму складі вуглецю, має низьку мікротвердість на рівні 0,878 ГПа (див. табл. 2). Додавання до складу сплаву 1,18 мас. % вуглецю (сплав 203) підвищує мікротвердість вдвічі, порівняно зі сплавом 202. Аналізуючи отримані дані, слід відмітити наступну закономірність. Введення у інварний сплав, що містить вуглець і кобальт, ітрію (сплав 308 Y) або тербію (сплав 308 Тb) призводить до незначного зменшення мікротвердості сплаву, порівняно із інварними сплавами, що не містять кобальту (сплав 304 Y, сплав 304 Тb). Водночас, показники мікротвердості цих сплавів залишаються стабільно високими (див. табл. 2). Таким чином показано, що інварний сплав, який заявляється, має стабільно низькі та середні значення коефіцієнту термічного розширення в діапазоні 110-500 К та високий рівень мікротвердості. Промислове виробництво запропонованого сплаву може бути здійснено на металургійному заводі чи у приватній компанії, яка спеціалізується на випуску металургійної продукції. 55 2 UA 92447 U Таблиця 1 Хімічний склад зливків інварних сплавів та температурний коефіцієнт лінійного розширення в інтервалі температур 110-500 К Температурний коефіцієнт лінійного розширення,   10 6 K 1 Температура випробувань 200 К 300 К 380 К 400 К 12,51 8,80 10,49 10,68 10,78* 15,26* 15,76* 1,36 3,49 6,94 8,88 1,04 1,90 3,88 4,56 1,25 2,70 6,00 7,15 0,49 1,43 4,35 5,89 500 К 11,32 17,77* 15,83 14,69 15,22 14,59 0,70 0,81 1,22 2,41 2,62 12,92 0,89 1,14 2,13 4,18 4,97 15,71 0,80 0,70 1,31 3,02 3,17 13,11 Хімічний склад зливку сплаву, мас. % (позначення зливку сплаву) Fe-29,2Ni (202) Fe-30,1Ni-1,18C (203) Fe-30,0-1,37C-0,009Y (304 Y) Fe-30,3Ni-0,5Co-1,22C (208) Fe-30,1-1,0Co-1,05C (308) Fe-30,1Ni-1,0Co-1,03C-0,007Y (308 Y) Fe-30,3Ni-1,22C-0,008Tb (304 Tb) Fe-30,1Ni-1,06Co-1,05C-0,009Tb (308 Tb) *після мартенситного перетворення 110 K 1,85 0,75 0,84 0,94 0,91 Таблиця 2 Мікротвердість зливків інварних сплавів при 293 К Хімічний склад зливку сплаву, мас. % (позначення зливку сплаву) Fe-29,2Ni (202) Fe-30,1Ni-1,18C (203) Fe-30,0-1,37C-0,009Y (304 Y) Fe-30,3Ni-0,5Co-1,22C (208) Fe-30,1-1,0Co-1,05C (308) Fe-30,1Ni-1,0Co-1,03C-0,007Y (308 Y) Fe-30,3Ni-1,22C-0,008Tb (304 Tb) Fe-30,1Ni-1,06Co-1,05C-0,009Tb (308 Tb) Мікротвердість, Hμ, ГПа 0,878 1,880 1,586 1,770 1,676 1,576 1,685 1,637 ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ 5 Інварний сплав на основі системи залізо-нікель, що містить нікель, вуглець та залізо, який відрізняється тим, що він додатково містить кобальт, ітрій або тербій, при наступному співвідношенні компонентів, мас. %: нікель (Ni) 28,0-33,0 вуглець (C) 0,3-1,5 кобальт (Co) 0,5-2,0 ітрій (Y) або тербій (Тb) 0,007-0,009 залізо (Fe) решта. Комп’ютерна верстка І. Мироненко Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 3