Дисперсионно-твердеющие сплавы (36НХТЮ, 36НХТЮМ5, 36НХТЮМ8, 40НКХТЮМ, 40ХНЮ-ВИ, 47ХНМ, 55БТЮ, 67КН5Б, 70НХБМЮ, 75НХТЮБ)

Дисперсионно-твердеющие сплавы (36НХТЮ, 36НХТЮМ5, 36НХТЮМ8, 40НКХТЮМ, 40ХНЮ-ВИ, 47ХНМ, 55БТЮ, 67КН5Б, 70НХБМЮ, 75НХТЮБ).

Общая характеристика. Сплавы этой группы обладают высокими упругими свойствами, сохраняющимися при повышенных температурах (до 250—550°С), малыми упругими несовершенствами (гистерезис, упругое последействие), прямолинейным изменением модуля упругости в интервале температур 20—600°С, немагнитностью, коррозионной стойкостью в различных агрессивных средах и в условиях морского и тропического климата. Они упрочняются после закалки и старения или после закалки, холодной пластической деформации и старения. Для этих сплавов характерна высокая пластичность после закалки, что позволяет изготавливать из них упругие элементы весьма сложной формы.

Химический состав и сортамент сплавов приведены в табл. 202, 203.

 

Химический состав дисперсионно-твердеющих сплавов, %

Сортамент дисперсионно-твердеющих сплавов

Сортамент дисперсионно-твердеющих сплавов

Нормируемые механические свойства сплавов приведены в табл. 204.

Нормируемые механические свойства дисперсионно-твердеющих сплавов в упрочненном состоянии

Нормируемые механические свойства дисперсионно-твердеющих сплавов в упрочненном состоянии

Физико-механические свойства сплавов приведены в табл. 205.

Механические и физические свойства дисперсионно-твердеющих сплавов

Механические и физические свойства дисперсионно-твердеющих сплавов

Назначение — упругие чувствительные элементы — мембраны, сильфоны, трубки Бурдона, анероидные коробки, витые, цилиндрические и плоские пружины, пружины контактов (токоведущие сплавы), сетки и рамы кинескопов цветного телевидения, упругие детали электровакуумных приборов, немагнитные метизные изделия, подшипники, иглы для шприцев.

Основные технологические данные. Сплавы можно подвергать обработке давлением и резке, а также прокатке до микронных толщин. Для улучшения технологических свойств сплавов при холодной деформации и механической обработке следует производить предварительную закалку (950—1250°С) в воде. Термическую обработку изделий рекомендуется проводить в вакууме или защитной атмосфере. Сплавы хорошо поддаются сварке и пайке. Травление заготовок, ленты, проволоки осуществляют в кислотных и щелочных ваннах. Для повышения чистоты поверхности изделие после упрочнения и термофиксации подвергают электрополировке.

Сплавы на основе системы Fe—Ni—Cr

Сплавы 36НХТЮ (ЭИ702), 36НХТЮМ5 (ЭП51), 36НХТЮМ8 (ЭП52). Кривые упрочнения предварительно закаленных по оптимальному режиму сплавов в зависимости от температуры старения приведены на рис. 349.

Механические свойства сплавов при различных температурах старения (выдержка 4 ч)

Прочность и твердость сплавов зависят от температуры предварительной закалки (рис. 350).

Механические свойства сплавов 36НХТЮ, 36НХТЮМ5 и 36НХТЮМ8 в зависимости от температуры старении

Низкотемпературная закалка дает более высокие значения пределов прочности, упругости и твердости при последующем старении. Оптимальная температура закалки для сплава 36НХТЮ 900—950°С; для 36НХТЮМ5 и 36НХТЮМ8 980—1050°С.

Термомеханическая обработка (закалка + деформация + отпуск) повышает упругие и прочностные свойства сплавов. Чем выше степень предварительной деформации, тем выше уровень прочности после старения.

На рис. 351 дано изменение предела прочности сплава 36НХТЮМ5 в зависимости от степени деформации, температуры отпуска и толщины листа.

Предел прочности сплава ЭП51 после деформации и отпуска при температурах 600; 650 и 700°С

Для всех сплавов этой группы характер изменения прочности аналогичен. На рис. 352 приведены диаграммы рекристаллизации сплавов 36НХТЮ и 36НХТЮМ8.

Диаграммы рекристаллизации сплавов ЭИ702 и ЭП52

При производстве витых проволочных и ленточных пружин допускаемая степень холодной деформации 50—70%; для теплостойких пружин 30—35%. Прочностные и релаксационные характеристики сплавов 36НХТЮ, 36НХТЮМ5 и 36НХТЮМ8 при повышенных температурах даны на рис. 353.

Механические свойства сплавов 36НХТЮ, 36НХТЮМ5 и 36НХТЮМ8 при различных температурах испытаний и их релаксационная стойкость при 500°С

На рис. 354 приведена температурная зависимость механического гистерезиса и предела упругости сплавов в интервале температур от –196 до +500°С.

Зависимость предела упругости и механического гистерезиса сплавов ЭИ702 и ЭП52 от температуры испытания

Значения модуля нормальной упругости и модуля сдвига сплавов при различных температурах приведены в табл. 206, а свойства сплавов при температурах деформации — на рис. 355.

Значение модуля нормальной упругости Е (числитель) и модуля сдвига G (знаменатель) дисперсионно-твердеющих сплавов в зависимости от температуры

Температурная зависимость механических свойств сплавов ЭИ702, ЭП51 и ЭП52 при растяжении и кручении

Структура сплавов 36НХТЮ и 36НХТЮМ5 в закаленном состоянии представляет однофазный γ-раствор. В сплаве 36НХТЮМ8 сохраняются избыточные включения железо-молибденовой фазы. При старении из γ-твердого раствора выпадает дисперсная γ'-фаза. В сплавах 36НХТЮМ5 и 36НХТЮМ8 имеется фаза типа Лавеса Fe2Mo.

Сплав 36НХТЮ рекомендуется для упругих чувствительных элементов, применяемых до температуры 250°С, 36НХТЮМ5 — до 350°С, 36НХТЮМ8 — до 400°С.

Сплавы на основе системы Ni—Сr

Сплав 75НХТЮБ (ЭП601). Уровень прочности и предела упругости этого сплава несколько ниже, чем у других теплостойких пружинных сплавов на основе систем Fe—Ni—Сr и Ni—Сr (см. табл. 205), однако сплав отличается высокой стабильностью предела текучести при повышенных температурах (до 700°С) и обладает достаточно высокой релаксационной стойкостью при 500°С, (рис. 356, 357).

Температурная зависимость механических свойств сплава 75НХТЮБ

Релаксация напряжений при 500°С в сплаве 75НХТЮБ (лента) после обработки

Сплав упрочняется в процессе старения при выделении γ'-фазы типа Ni3(Ti, Al). Его можно применять в упругих элементах электровакуумных приборов (например, для рам фокусирующих сеток цветных кинескопов), работающих в условиях нагрева при невысоких нагрузках (до 40 кгс/мм2), и для пружин, работающих длительно при температурах до 500°С и кратковременно до 700°С.

Сплав 70НХБМЮ. Обладает высокими прочностными и упругими свойствами, теплостойкостью и коррозионной стойкостью в окислительных средах на основе концентрированной азотной кислоты. Упрочнение сплава происходит при выделении дисперсной γ'-фазы типа Ni3Nb, когерентно связанной с матрицей.

Механические и упругие свойства сплава при положительных и отрицательных температурах показаны на рис. 358. Релаксационные кривые приведены на рис. 359.

Механические и упругие свойства сплава 70НХБМЮ при различных температурах

Релаксация напряжений в сплаве 70НХБЮМ при различных температурах

Сплав обладает высокой релаксационной стойкостью при 500 и 550°С, и поэтому до этих температур его можно использовать в качестве упругих чувствительных элементов приборов. При более высоких температурах (600—650°С) сплав применяют для силовых упругих элементов (тарельчатых и других пружин). Предельная температура службы сплава 70НХБМЮ для витых цилиндрических пружин сжатия 700°С.

Холодная пластическая деформация, предшествующая старению, значительно повышает прочностные и упругие свойства сплава (рис. 360).

Механические и упругие свойства ленты сплава 70НХБМЮ в зависимости от степени холодной пластической деформации

Однако при этом снижается его пластичность, что затрудняет изготовление упругих элементов сложного профиля. Кроме того, при больших степенях обжатия (≥ 50%) снижается релаксационная стойкость сплава при температурах 550°С и выше. Поэтому для изготовления теплостойких упругих элементов рекомендуется применять листы и проволоку с умеренными обжатиями (20—30%) при холодной деформации.

Скорость коррозии в средах на основе концентрированной азотной кислоты при 25—50°С составляет 0,0002—0,0074 мм/год. Изготовление упругих элементов из сплава 70НХБМЮ осуществляется по технологии, принятой для сплавов на основе системы Fe—Ni—Cr (типа 36НХТЮ).

Сплав 40НКХТЮМ. Упрочнение сплава в зависимости от температуры предварительной закалки и старения дано на рис. 361.

Механические свойства сплава 40НКХТЮМ в зависимости от температуры старения

Повышение температуры закалки приводит к понижению прочностных свойств сплава после старения. Значительное умягчение сплава происходит только после закалки свыше 1050°С (рис. 362) — в этом случае сплав легко штампуется.

Зависимость механических свойств отожженного и холоднодеформированного сплава 40НКХТЮМ от температуры закалки

Структура сплава после закалки состоит из однофазного γ-твердого раствора с остатками нерастворившейся у'-фазы. В упрочненном состоянии — γ-твердый раствор + γ'-фаза.

Высокая температура разупрочнения (около 800°С) позволяет использовать сплав для упругих чувствительных элементов, работающих при высоких давлениях и температурах до 550°С, а также для витых и плоских пружин — до температуры 700—750°С. Механические свойства, релаксационная стойкость сплава при повышенных температурах и температурная зависимость модуля упругости) сплава показаны на рис. 363 и 364.

Механические свойства и релаксационная стойкость сплава 40НКХТЮМ

Изменение модуля упругости сплава 40НКХТЮМ от температуры испытания

Коэффициент термического расширения сплава 40НКХТЮМ прямолинейно возрастает в интервале 20—700°С (рис. 365), что позволяет использовать сплав для металлокерамических вакуумплотных электровводов до температуры 600—800°С и для упругих элементов электронных приборов с высокой температурой откачки.

Коэффициент линейного расширения сплава 40НКХТЮМ в различных интервалах температур

Предварительная холодная пластическая деформация повышает прочностные свойства сплава после старения (рис. 366).

Влияние термомеханической обработки на механические свойства сплава 40НКХТЮМ

Сплав 40НКХТЮМ относится к труднодеформируемым сплавам с узким интервалом горячей деформации 1000—1180°С (рис. 367).

Механические свойства сплава 40НКХТЮМ в зависимости от температуры испытания

Сплавы на основе системы Сr—Ni

Сплав 47ХНМ. Отличается от сплавов типа 36НХТЮ на основе системы Fe—Ni—Сr значительно более высокой коррозионной стойкостью (в 10 и более раз) в окислительных средах на основе азотной кислоты.

Механические свойства сплава после умягчающей и упрочняющей термической обработки см. в табл. 204, 205. В закаленном состоянии сплав имеет аустенитную структуру и обладает высокой пластичностью. С повышением температуры закалки от 1100 до 1300°С прочность сплава уменьшается, а пластичность увеличивается (табл. 207).

Механические свойства сплава 47ХНМ (толщина ленты 0,3 мм)

Зависимость механических свойств ленты толщиной 0,7 мм от скорости охлаждения после нагрева при 1100—1250°С приведена в табл. 208.

Механические свойства сплава 47ХНМ в зависимости от скорости

Для получения максимальной пластичности, позволяющей изготавливать изделия методом штамповки и глубокой вытяжки, температура закалки сплава должна быть 1200—1250°С (охлаждение в воде). Нагрев выше 1250°С не рекомендуется, так как может вызвать частичное оплавление металла (температура плавления 1350°С). Нагрев ниже 1200°С, кроме потери пластичности, приводит к некоторому ухудшению свойств после отпуска.

Зависимость механических свойств сплава, закаленного с 1250°С, от температуры отпуска приведена на рис. 368. Максимальные значения прочности и твердости сплава получают после отпуска при 700—725°С в течение 5 ч (см. табл. 205).

Зависимость механических свойств предварительно закаленного с 1250°С сплава 47ХНМ от температуры старения

Кинетика упрочнения сплава при 700°С приведена на рис. 369. Пятичасовая выдержка полностью обеспечивает максимальное упрочнение сплава, происходящее благодаря распаду γ-фазы с образованием мелкодисперсной смеси высокохромистой α-фазы и γ'-фазы.

Зависимость прочности сплава 47ХНМ от продолжительности выдержки при старении (700°С)

На рис. 370 представлена температурная зависимость предела упругости и гистерезиса сплава.

Изменение пределов упругости и гистерезиса сплава 47ХНМ в зависимости от температуры испытаний

Модуль упругости сплава при увеличении температуры от 20 до 500° С прямолинейно уменьшается от 23700 до 19400 кгс/мм2. Сплав применяется в качестве упругих и упругочувствительных элементов, а также как коррозионностойкий материал. Скорость коррозии сплава в кипящей азотной кислоте в зависимости от температуры отпуска приведена на рис. 371.

Скорость коррозии сплава 47ХНМ в кипящей концентрированной азотной кислоте в зависимости от температуры старения

Скорость коррозии в 65%-ной HNО3 после старения при 700°С оценивается 4—5-м баллом по 10-балльной шкале стойкости, что соответствует группе стойких материалов. В умягченном состоянии (после закалки от 1200—1250°С) скорость коррозии сплава значительно меньше (3—4 балла). Механические свойства сплава в зависимости от температуры испытания приведены на рис. 372. Температура нагрева металла перед горячей деформацией 1200—1250°С.

Механические свойства сплава 47ХНМ в зависимости от температуры испытаний

Сплав 40ХНЮ-ВИ. Механические свойства и твердость сплава приведены в табл. 204, 205. Уровень механических свойств сплава 40ХНЮ-ВИ после деформационного и дисперсионного твердения практически одинаков.

В закаленном состоянии сплав имеет аустенитную структуру и обладает высокой пластичностью. С повышением температуры закалки от 1150 до 1250°С прочность сплава падает, а пластичность возрастает. Зависимость твердости и механических свойств закаленного сплава от температуры отпуска приведена на рис. 373, 374.

Зависимость твердости закаленного сплава 40ХНЮ-ВИ от температуры старения

Зависимость механических свойств закаленного сплава 40ХНЮ-ВИ от температуры старения

Оптимальной термической обработке (закалка с 1150°С + отпуск при 500°С, 5 ч) подвергают детали, которые должны иметь высокую твердость и прочность (например, приборные подшипники, режущие инструменты, детали передаточных механизмов). Кинетика упрочнения сплава в процессе старения при 600°С приведена на рис. 375.

Зависимость твердости закаленного сплава 40ХНЮ-ВИ от продолжительности выдержки при старении (600°С)

Упрочнение сплава при старении происходит благодаря распаду γ-фазы с выделением α- и γ'-фаз (Ni3Al) с гранецентрированной кубической решеткой, когерентно связанной с матрицей.

На рис. 376 приведена зависимость твердости холоднотянутой проволоки диаметром 0,5 мм (обжатие 80—90%) от температуры отпуска.

Зависимость твердости холоднотянутой проволоки диаметром 0,5 мм сплава 40ХНЮ-ВИ от температуры старения

Керны приборов обрабатывают при 500—550°С в течение 5 ч, что соответствует максимальной твердости HRC 64—67. Твердость механические свойства упрочненного сплава при повышенных температурах приведены на рис. 377.

Механические свойства и твердость сплава 40ХНЮ-ВИ при повышенных температурах

Модуль упругости сплава составляет при 20°С 22800 кгс/мм2, а при 500°С 20150 кгс/мм2. Сплав 40ХНЮ-ВИ имеет высокую коррозионную стойкость во влажной среде и в условиях тропического и морского климата.

Сплав на основе системы Со—Ni

Сплав 67КН5Б. Токоведущий сплав обладает достаточно низким электросопротивлением (0,28—0,34 (Ом·мм2)/м) и высокой релаксационной стойкостью при 400—450°С.

В закаленном с 1000—1050°С состоянии сплав имеет структуру γ-твердого раствора и обладает высокой пластичностью (относительное удлинение 35—40%). Упрочнение сплава при старении происходит благодаря выделению из твердого раствора мелкодисперсной фазы (Co, Ni)3Nb с гранецентрированной кристаллической решеткой, когерентно связанной с матрицей. Наивысшая прочность и упругость достигаются при температуре 600—650°С в течение 5 ч. При более высоких температурах отпуска когерентность теряется, гранецентрированная кристаллическая фаза переходит в равновесную фазу с гексагональной плотноупакованной решеткой, что приводит к разупрочнению сплава и падению упругих свойств.

Предел прочности и электросопротивление сплава 67КН5Б при разной термообработке показаны на рис. 378.

Предел прочности и удельное электросопротивление сплава 67КН5Б в зависимости от температуры закалки и старения

Холодная деформация перед отпуском способствует повышению прочностных и упругих свойств сплава. При одинаковой степени деформации прочность проволоки на 18—20% выше прочности ленты. Предел прочности и электросопротивление проволоки диаметром 0,3 мм и ленты толщиной 0,30 мм в зависимости от температуры и времени старения показаны на рис. 379 и 380.

Механические свойства и удельное электросопротивление сплава 67КН5Б (проволока диаметром 0,3 мм) в зависимости от степени деформации, температура отпуска и выдержки при отпуске 30 мин, 1 ч

Механические свойства и удельное электросопротивление ленточных образцов толщиной 0,30 мм сплава 67КН5Б (степень деформации 40%) в зависимости от температуры старения

Из сплава 67КН5Б можно получать проволоку и ленту микронных размеров, допускается холодная деформация с обжатиями до 90%. В деформированном состоянии сплав допускает штамповку и навивку пружин. Наиболее благоприятное сочетание низкого электросопротивления с достаточно высокой релаксационной стойкостью при 400—450°С сплав имеет после холодной деформации с обжатием 35—40% и старения при 650°С в течение 1 ч (рис. 381).

Релаксация напряжений в сплаве 67КН5Б при различных температурах

Падение напряжений при 400°С за 100 ч составляет 4—9%, при 450°С 12%. Повышение степени деформации до 70% ухудшает релаксационную стойкость. Кривые упругого последействия сплава приведены на рис. 382.

Упругое последействие сплава 67КН5Б при различных напряжениях

Сплав коррозионностоек, хорошо смачивается ртутью.

Температурный коэффициент электросопротивления в интервал 20—500°С составляет 2,8·10–3 1/°С. Магнитные свойства сплава приведены в табл. 209.

Магнитные свойства сплава 67КН5Б

Сплав применяют для токоведущих упругих элементов, контактных пружин, в частности для электромагнитных и ртутных реле.

Сплав на основе системы Nb—Ti

Сплав 55БТЮ. Предназначается для пружин ответственного назначения, которые наряду с высокими упругими свойствами, теплостойкостью и коррозионной стойкостью должны обладать сочетанием немагнитности и малого изменения модуля упругости при нагреве.

В закаленном или нормализованном состояниях сплав характеризуется структурой β-твердого раствора с объемно-центрированной кристаллической решеткой и имеет относительное удлинение ≥25%. Упрочнение сплава при старении происходит благодаря выделению из β-твердого раствора мелкодисперсной когерентной фазы (Nb, Ti)3Аl.

Наивысшая прочность и упругость сплава достигаются после старения при 650°С в течение 8—10 ч после закалки или нормализации и 1 ч после холодной деформации.

Термическая обработка сплава при температурах выше 400°С должна проводиться в вакууме 1·10–4 мм рт. ст. или защитной атмосфере. Обычно умягчающую термическую обработку проводят в вакууме с остаточным давлением не более 1·10–4 мм рт. ст. при 1000°С, 1 ч с охлаждением в контейнере на воздухе. Механические свойства сплава 55БТЮ после нормализации и холоднодеформированного в зависимости от температуры старения приведены в табл. 210 и 211 соответственно.

Зависимость механических свойств сплава 55БТЮ (после нормализации) от температуры и времени выдержки при старении

Зависимость механических свойств от температуры отпуска холоднодеформированного сплава 55БТЮ

Оптимальное сочетание прочности и пластичности для нормализованного состояния достигается после старения при 650°С в течение 8—10 ч, а наклепанного — при 725°С в течение 1 ч.

Предел упругости при различных температурах (от минус 200 до 400°С) представлен на рис. 383. Падение напряжения при 400°С за 50 ч составляет 8,5—10%, при 500°С 25—28% (рис. 384).

Температурная зависимость предела упругости сплава 55БТЮ

Релаксация напряжений в сплаве 55БТЮ при 400 и 500°С

Характерными особенностями сплава 55БТЮ являются низкий модуль упругости и его высокая стабильность при нагреве до 600°С, низкий гистерезис (0,2—0,25%) и малое упругое последействие (рис. 385).

Упругое последействие сплава 55БТЮ при напряжении 80 кг/мм2

Температурный коэффициент модуля упругости сплава 55БТЮ в 2,5 раза ниже, чем у немагнитных пружинных сплавов, и составляет (70—90)·10–6 1/°С. Коррозионная стойкость сплава приведена в табл. 212.

Коррозионная стойкость сплава 55БТЮ

 

Принятые обозначения и пересчетные значения для ряда единиц измерения

Принятые обозначения

Принятые обозначения

Принятые обозначения

Принятые обозначения

Пересчетные значения для ряда единиц измерения