Високоякостна инварова сплав
Високоякостната инварова сплав съдържа следните компоненти, тегл.%: Никел 25,0 - 48,0; кобалт 2,0 - 20,0; въглерод 0,01 - 0,4; титан 0,05 - 4,0; молибден 0,02 - 5,0; ванадий 0,01 - 3,0; останалото е желязо, когато са изпълнени следните зависимости: % никел / % кобалт = 2,4 - 24; % титан + % молибден / % въглерод = 7 - 52; % никел + % кобалт / % титан + % молибден + % ванадий = 9 - 20. Техническият резултат от изобретението е да се получат ниски стойности на температурния коефициент на линейно разширение (по-малко от 3 10 -6 K -1 ) в температурния диапазон от 77 до 600 K и да се повиши нивото на якостни свойства. 1 табл.
Изобретението се отнася до металургията, по-специално до разработването на високоякостни инварови сплави с минимална стойност на температурния коефициент на линейно разширение (TCLE) под 2,510 -6 K -1. Такива сплави могат да се използват в приборостроенето, авиацията и криогенното инженерство, както и за създаване на високоякостни конструкции, които не променят размерите си при промяна на температурата от 77 до 600 K (-196 - +327 o C).
Известна инварна сплав H36 на базата на желязо, съдържаща, тегл.%: Никел - 36 Желязо - Оставащо (Прецизни сплави. Справочник, М., 1966, том 1, стр. 503).
Недостатъкът на тази сплав е ниското ниво на механични свойства (якост под 560 MPa).
Известна инварова сплав на базата на желязо и никел, съдържаща тегл.%: Никел - 28-31 Въглерод - 0,4 -1,5 Желязо - Останалото (AS N 4082856, MKI C 22 C 38/08, 1983 г.).
За тази сплав, след закаляване от високи температури (над 1260 o C), могат да се постигнат ниски (на нивото на сплавта H36) стойности на TCLE (0,5-1,5) 10 -6 deg -1 в температурния диапазон 100-335 K (-173 - +52 o C). Горните сплави обаче имат ниско ниво на якостни свойства (при 600 MPa; 0,2 = 250MPa). Много е трудно да се извърши термична и деформационна обработка на такива сплави на конвенционално металургично оборудване. Това се дължи на факта, че закаляването и коването трябва да се извършват при високи температури (над 1260 o C). Трудно е да се деформират тези материали в студено състояние, тъй като те имат ниска пластичност.
Известна инварова сплав, съдържаща тегл.%: Никел - 30-50 Кобалт - До 20 Хром - До 20 Ниобий - 2,5-6 Въглерод - До 0,1 Манган - До 1 Силиций - До 0,5 Молибден - До 3,0 Титан - 1-3 Алуминий - 0,1-20 Ванадий - До 0,1 Цирконий - До 0,1 Хафний - До 2 Бор - 0,03 Желязо - Останалите (патент на САЩ 3705827, 1972, NKCh 148-142, C 21 D 1/18; C 21 D 7/14).
За тази сплав, след закаляване от 900 - 1100 o C (1173 -1373 K) и отгряване при 600 - 800 o C (873 - 1073 K), стойностите на LTEC (3-6) 10 -6 K -1 могат да бъдат постигнати в температурния диапазон 315-510 o C (588-783 K). Въпреки това, намаленото ниво на стойностите на CLTE е доста високо. Тези сплави не попадат в минималния клас на термично разширение (-6 K -1).
Известна инварова сплав, съдържаща тегл.%: Никел - 41-41,5 Берилий - 0,85 - 0,95 Желязо - Остатък В същото време % никел/% берилий = 43-47.
(Патент България N 2000350, MKI C 22 C 38/08, 1993).
За тази сплав могат да се постигнат свойства с висока якост (0,2 = 1200 MPa; b = 1300 MPa), като същевременно се поддържат ниски стойности на коефициента на термично разширение (TCLE = 2,4 10 -6 K -1 ) в температурния диапазон (-60 - +60 o C). Основният недостатък на тази сплав е наличието на силно токсичен и опасен за околната среда берилий. Тази сплав принадлежи към 3-та група на токсичност. Топенето на такава сплав е трудно, тъй като изисква специално оборудване и специални методи.топене и дезактивация на топилно оборудване.
Най-близка по техническа същност и постигнат резултат е инварна сплав, съдържаща тегловни %: Въглерод - 0,001-0,1 Никел - 34-50 Титан - 0,5-3,0> Желязо - Останало (Патент България N 2023739, MKI C 22 C 38/12, 1994 г., прототип).
Тази сплав, съгласно описанието на патента, има висока якост = 1220 MPa, като същевременно поддържа нисък коефициент на топлинно разширение (0,3 - 3,0) 10 -6 K -1 в температурния диапазон 20 - 600 o C (293 - 873 K). Недостатъкът на тази сплав е, че може да се използва при температури над стайната температура (над 20 o C).
Задачата, към която е насочено изобретението, е да се получи високоякостна инварова сплав с нисък коефициент на термично разширение в температурния диапазон - 196 - +323 o C (77-600 K). С добре познатите инварови сплави, защитени с патент N 2023739, настоящото изобретение решава проблема за разширяване на диапазона на работните температури, както и разширяване на арсенала от технически средства за специфична цел, т.е. създаване на инварна сплав с нов, неизвестен досега химичен състав с даден набор от свойства.
Същността на изобретението се състои в това, че високоякостната инварова сплав съдържа следните компоненти, тегл.%: 0,01 - 3,0 желязо - останалото, когато са изпълнени следните зависимости: % никел / % кобалт = 2,4; % никел + % кобалт / % титан + % молибден + % ванадий = 9 -20; % титан + % молибден / % въглерод = 7-52.
В сравнение с прототипа предложената сплав има допълнително въведениекобалт и ванадий, нов брой компоненти, включени в състава, както и три зависимости между количеството на никел и кобалт; никел, кобалт, титан, молибден и ванадий; титан, молибден и въглерод.
Молибденът се въвежда за намаляване на преобладаващото утаяване на частици от втвърдяваща се фаза по границите на зърната, което води до увеличаване на якостта на удар, както и за образуване на сложни карбиди (Mo, V) C. Максималното количество молибден, необходимо за тази цел, е не повече от 5%. Когато съдържанието на молибден в сплавта е по-малко от 0,02%, ефектът му върху свойствата практически липсва.
Съотношението на съдържанието на никел към кобалт трябва да бъде 2,4 - 24. Определя се от концентрацията на електрони на атом, необходима за формирането на инварови свойства.
Съотношението на общото съдържание на никел и кобалт към общото съдържание на титан, молибден и ванадий трябва да бъде 9 - 20, а съотношението на общото съдържание на титан и молибден към съдържанието на въглерод трябва да бъде 7 - 52; определя се от количеството ванадий, молибден, титан и въглерод, което е необходимо за образуването на втвърдяващи се карбидни фази. Когато съотношението на компонентите е по-малко от посоченото, стимулът за образуване на укрепващи фази ще бъде незначителен, което няма да позволи да се постигне забележимо втвърдяване. При по-високо съотношение на компонентите топлинното разширение ще се увеличи, което няма да позволи получаването на сплави с минимална стойност на CLTE (по-малко от 310 -6 K -1).
Само комбинацията от всички тези функции дава решение на проблема. В резултат на това сплавта има нисък TCLE (по-малко от 310 -6 K -1 ) в температурния диапазон от 77 до 600 K (- 196 - +327 o C) и повишено ниво на якостни свойства.
Горните отличителни черти от прототипа определятсъответствие на заявеното изобретение с критерия "новост".
За всяка отличителна черта беше направено търсене на известни решения с подобни характеристики, които изпълняват подобна функция в научната и техническата литература и патентната документация. Липсата на такива решения показва съответствието на предложеното изобретение с критерия "изобретателско ниво".
ПРИМЕР Топенето на сплав се извършва в индукционна пещ. Коването се извършва при температури от 1000 - 1100 o C. След това се извършва закаляване във вода от 1000 o C. Втвърдяващата обработка се извършва при температури от 500 - 800 o C. Стойностите на TCLE се определят с помощта на кварцов дилатометър с чувствителност от 1 μm / mm. Съставът на сплавта и резултатите от измерването са показани в таблица 1.
Предложените инварови сплави могат да се използват в криогенна технология, прецизна апаратура, лазерна технология и метрология. Използването на предложените инварови сплави в горните области дава възможност да се удвои точността и стабилността на устройствата при циклични температурни промени. Наличието на такива сплави дава възможност за създаване на нови конструкции, които изискват високоякостни материали с минимална стойност на температурния коефициент на линейно разширение в широк температурен диапазон.
Инварова сплав с висока якост, съдържаща никел, въглерод, титан, молибден и желязо, характеризираща се с това, че съдържа допълнително кобалт и ванадий в следното съотношение на компонентите, тегл.%: Никел - 25,0 - 48,0 Кобалт - 2,0 - 20,0 либден - 0,02 - 5,0 Ванадий - 0,01 - 3 .0 Желязо - Останалите , когато са изпълнени следните зависимости: % никел/% кобалт = 2,4 - 24; % титан + % молибден/% въглерод = 7 - 52; % никел + % кобалт/% титан +% молибден + % ванадий = 9 - 20.