Сплавы (36Н, 36Н-ВИ, 36НХ, 32НКД, 32НК-ВИ, 35НКТ, 39Н, 54К9Х) с минимальными температурными коэффициентами линейного расширения

Сплавы (36Н, 36Н-ВИ, 36НХ, 32НКД, 32НК-ВИ, 35НКТ, 39Н, 54К9Х) с минимальными температурными коэффициентами линейного расширения.

Общая характеристика. Сплавы 36Н, 36Н-ВИ, 36НХ, 32НКД, 32НК-ВИ, 35НКТ, 39Н, 54К9Х имеют ТКЛР (температурный коэффициент линейного расширения) ниже 3,5·10–6 град–1 при верхнем пределе температурного интервала не выше 100°С.

Сплавы на основе системы Fe—Ni инварного состава содержат 30—40% Ni. Для получения определенных сочетаний тепловых, механических и технологических свойств их легируют хромом, кобальтом, медью, титаном и марганцем.

Для сплавов этой группы характерны резкая зависимость значения температуры Кюри и величины ТКЛР от концентрации основных элементов (см. рис. 297 и рис. 301), различных примесей и легирующих элементов (рис. 307). 

 

Увеличение температурного коэффициента линейного расширения сплава инварного состава при легировании

Введение в инварные сплавы меди, хрома и других элементов, за исключением кобальта и палладия (до определенных концентраций), приводит к повышению ТКЛР. При этом нужно учитывать влияние элементов на температурный интервал инварности, определяемый температурой Кюри при нагреве и температурой γàα-перехода при охлаждении до температур ниже комнатных. Состав и свойства сплавов см. в табл. 174—178.

Химический состав сплавов с минимальным ТКЛР

Сортамент сплавов с минимальным ТКЛР

Сортамент сплавов с минимальным ТКЛР

Сортамент сплавов с минимальным ТКЛР

Нормируемые значения температурного коэффициента линейного расширения сплавов

Нормируемые механические свойства сплавов 35HКT, 36НХ, 39Н

Физические свойства сплавов с минимальным ТКЛР

Область применения. В точном приборостроении для различных деталей измерительных приборов, в метрологии, в геодезии, в качестве составляющих термобиметаллов, для базисных устройств газовых лазеров, трубопроводов для криогенных жидкостей и т. п. Выбор сплава производится с учетом его ТКЛР, механических свойств, устойчивости к фазовым превращениям в интервале рабочих температур и нагрузок.

Основные технологические данные. Сплавы можно подвергать горячей и холодной обработке давлением, резке, сварке и пайке.

Сплавы 36Н, 36НХ, 36Н-ВИ, 32НКД и 39Н не упрочняются в результате термической обработки, прочность их возрастает после наклепа. Упрочняется термической обработкой дисперсионно твердеющий сплав 35НКТ (после закалки и отпуска, закалки с последующей деформацией и отпуском, а также специального отжига). Термическая обработка, включающая закалку, а также наклеп сильно снижают величину ТКЛР всех сплавов этой подгруппы (табл. 179).

Механические свойства сплавов с минимальным ТКЛР

Термическая обработка (табл. 180). Закалка с 850±20°С (после выдержки 30 мин) и отпуск при 315°С, который несколько повышает ТКЛР, частично снимая закалочные напряжения.

Температурные коэффициенты линейного расширения сплавов после различной термической обработки

Температурные коэффициенты линейного расширения сплавов после различной термической обработки

Для термической обработки деталей включают старение при 95°С, 48 ч для улучшения стабильности размеров деталей. Эти изменения не фиксируются обычными оптико-механическими методами контроля из-за их малой величины (десятые доли микрона на 1 метр длины в год).

В ряде случаев режимы термической обработки, включающие закалку, неприемлемы из-за сложности формы изделий или из-за высоких требований к стабильности размеров. Тогда применяется отжиг (850—870°С, выдержка 30 мин, охлаждение со скоростью 50—40 град/ч или нормализация 850—870°С, 30 мин + отпуск, 315°С).

Перед закалкой рекомендуется проводить черновую обработку деталей, а после закалки — основную механическую обработку с оставлением минимального припуска на доводку. В тех случаях, когда деталь имеет большую разнотолщинность по всей длине, черновую обработку целесообразно прекращать при толщине детали, по возможности одинаковой по всей длине. Это обеспечивает получение равномерных напряжений по всей длине детали во время закалки и уменьшает различие в величине ТКЛР в разных участках детали. Если изготовление детали включает операции механической обработки, нарушающие жесткость ее формы, то отпуск следует производить при 315°С непосредственно после закалки для снятия закалочных напряжений, а затем после основной механической обработки с минимальным припуском (0,5 мм на сторону). После доводки размеров деталь подвергают старению при 95°С в течение 48 ч для стабилизации размеров во времени. Для деталей сложной конфигурации следует неоднократно проводить отпуск при 315°С для снятия напряжений, чередуя его с механической обработкой. Для обеспечения высокой стабильности иногда приходится отказываться от закалки, заменяя ее нормализацией или отжигом, что приводит к увеличению коэффициента теплового расширения. В таких случаях рекомендуется применять вместо сплава 36Н сплав 36Н-ВИ (инвар вакуумной выплавки) и вместо сплава марки 32НКД сплав 32НК-ВИ (суперинвар вакуумной выплавки). Сплавы этих марок обладают более стабильными характеристиками и имеют более низкое значение ТКЛР.

Коррозионная стойкость большинства сплавов инварного состава не является высокой. Сплавы 36Н, 32НКД, 32НК и особенно сплавы вакуумной выплавки после отжига и тщательной полировки слабо корродируют в воде и в атмосферных условиях. Сплав 54К9Х стоек против коррозии в морской воде, щелочах и аммиаке при 20, 40, 60°С, мало стоек в азотной кислоте при 20°С и не стоек в соляной и серной кислотах. Против коррозии в морской воде в полированном, отожженном состоянии стоек сплав З0НПд.

Технология соединения сплавов с минимальными ТКЛР с другими металлами и сплавами требует выполнения определенных условий. Для пайки используется припой ПСР-40. Сварка сплавов 36Н, 39Н и 36НХ производится в аргоне с использованием присадочной проволоки 36НГТ и 36НГ6. При сварке сплава 32НК-ВИ исключается применение сварочной проволоки, содержащей хром, титан и марганец, так как присутствие этих элементов увеличивает ТКЛР сварного шва. Качественные сварные конструкции из сплава суперинвар могут быть получены автоматической сваркой под флюсом АН-26 (32% SiO2, 3% МnО, 20% Аl2O3, 30% СаО, 17% MgO, до 1% Fе2О3, 24% CaF) с использованием в качестве присадки проволоки того же химического состава, что и основной металл.

Обработка резанием инварных сплавов. Токарная обработка: скорость — от 8 до 10 м/мин; глубина реза — от 4 до 5 мм; подача — от 0,8 до 1 мм/оборот. Фрезеровка: скорость 8—10 мм/мин. Сверление геликоидальным сверлом: скорость 7—8 мм/мин, подача — от 0,06 до 0,08 мм/оборот.

Структура — однофазный γ-твердый раствор (гранецентрированная кристаллическая решетка). При охлаждении до температур ниже комнатной в сплавах 32НК-ВИ и 32НКД возможен γàα-переход с увеличением объема. Температура γàα-перехода этих сплавов зависит от содержания никеля, кобальта и технологических добавок. Колебание химического состава сплавов в пределах, ограниченных ГОСТом, приводит к изменению температуры начала мартенситного превращения Мн от –80 до –140° С. Кроме того, температура начала мартенситного превращения зависит от величины зерна и напряжений. Сплав 35НКТ является дисперсионно-твердеющим.

Сплав 36Н

Сплав предназначен для деталей, элементов приборов и конструкций, работающих в интервале температур от –196 до 100°С. Сплав применяется для: а) штриховых мер длины, маятников точных часов в метрологии; б) проволок базисных мерных приборов, тонких металлических лент нивелирных реек в геодезии; в) для стержней и болтов термостатов, в качестве пассивной составляющей термобиметаллов. Температурная зависимость ТКЛР для сплава Fe с 36% Ni лабораторной вакуумно-индукционной выплавки (Шихтовыми материалами служили карбонильное железо, рафинированное водородом, и электролитический Ni. Содержание примесей в сплаве: 0,003% S, 0,002% Р, следы кремния и алюминия. Образцы сплавов были закалены в воде с 1000°С) приведена на рис. 308.

Температурная зависимость коэффициента линейного расширения α сплава Fe — 36% Ni

Сплавы на основе системы Fe—Ni, содержащие до 38% Ni, при деформации, вызванной растягивающим напряжением, претерпевают частичное γàα-превращение при 4,2°К. Для этих сплавов напряжение в 1 кг/мм2 повышает температуру начала мартенситного превращения Мн на 14 град. В сплаве инварного состава, содержащем технологические присадки марганца и кремния, дополнительным легированием 0,5% Cr удалось подавить мартенситное превращение под влиянием деформации, вплоть до 20°К. Легирование инвара 0,5% Cr вызывает сравнительно небольшое увеличение ТКЛР.

Сплав 36НХ

Сплав 36НХ является надежным конструкционным материалом с минимальным ТКЛР для криогенных устройств, работающих под нагрузкой при температурах до 20°К. Он имеет низкое значение ТКЛР в интервале температур от 60 до –269°С.

Сильная зависимость ТКЛР сплавов инварного состава от различного рода обработок (например, деформации, закалки, отжига) особенно четко проявляется в области низких температур. На рис. 309 приводятся кривые α = f(T) для сплава 36НХ.

Температурная зависимость коэффициента линейного расширения α сплава 36НХ после различной термической обработки

Кривые температурной зависимости ТКЛР в интервале от 4,2 до 300°К для различных режимов обработки имеют три характерных экстремума.

Для характеристики ТКЛР сплава после различных обработок принято при различных температурах несколько значений α:

1) αmin1 — минимальный ТКЛР на кривой α = f(T) в области низких температур 25—30°К;

2) αmin2 — минимальный ТКЛР на кривой α = f(T) в интервале 250—270°К;

3) αmах — максимальный ТКЛР на кривой α = f(T) в интервале 120—150°К;

4) α300 — ТКЛР при комнатной температуре;

5) α20–300 — средний ТКЛР для интервала 20—300°К.

Значения этих величин для различных видов обработок приведены в табл. 181. Самый низкий ТКЛР сплав имеет в пластически деформированном состоянии, тогда как в результате термических обработок α возрастает. Наибольшее значение α получается в результате длительного отжига при температуре 600°С и медленного охлаждения (см. рис. 309).

Splavy min temp koeff lin rassh 11

Сплав 39Н

Сплав 39Н с малым ТКЛР до 300°С предназначен для трубопроводов и конструкций, работающих в интервале температур от 200—300 до –269°С. ТКЛР сплава 39Н близок к ТКЛР графита.

Сплав 36Н-ВИ

Сплав отличается от сплава 36Н меньшим содержанием углерода и газов и более низким значением ТКЛР. Он предназначен для штриховых мер первого разряда, для деталей с полированной поверхностью или деталей сложной формы, используемых в отожженном состоянии.

Изменение размеров деталей из инвара наблюдается не только при нагреве и охлаждении, но и при комнатной температуре в течение длительного времени. Изменения длины протекают во времени по затухающей кривой. Они измеряются в микронах и долях микронов на один метр в год, и это имеет значение для метрологических работ. За 5 лет хранения однометрового жезла из сплава 36Н-ВИ при 20°С изменения длины составили:

Splavy min temp koeff lin rassh 12

В течение 4 месяцев длина жезла стабилизировалась и за последующие 5 лет увеличение длины составило в год около 0,3 мкм на 1 метр.

Сплав 32НКД

Сплав имеет особо малый ТКЛР в области температур от 20 до 100°С и от 20 до –60°С. Он применяется для тех же деталей и элементов аппаратуры, что и сплав 36Н, в тех случаях, когда необходимо еще большее постоянство размеров деталей при колебании температуры.

Сплав 32НК-ВИ

Сплав отличается от сплава 32НКД меньшим содержанием углерода и газов. Имеет меньшую загрязненность неметаллическими включениями и более низкое значение ТКЛР. Сплав предназначен для изделий с полированной поверхностью, в частности для штриховых мер длины, деталей сложной формы, которые нельзя подвергать закалке для получения более низкого ТКЛР.

Сплав 35НКТ

Дисперсионно твердеющий сплав 35НКТ повышенной прочности с малым температурным коэффициентом расширения от +100 до –100°С предназначен для деталей приборов, которые должны сохранять свои размеры при колебании температур в интервале от 100 до –100°С и при этом иметь повышенную твердость и прочность, а также чистоту поверхности высокого класса.

Сплав 36НГТ

Сплав предназначен для использования в качестве присадки при сварке сплава 36Н в среде аргона.

Сплав 36НГ6

Сплав предназначен для изготовления электродов для ручной электродуговой сварки.

Сплав З0НПд

Сплав имеет температурный интервал постоянства минимального ТКЛР до 200°С.

Сплав 54К9Х

Сплав отличается наиболее высокой коррозионной стойкостью по сравнению с другими инварными сплавами. Его следует применять в отожженном состоянии, так как под влиянием напряжений (после закалки или деформации) в нем происходит γàα-превращение ниже температуры –70°С. Образование α-фазы вызывает резкое увеличение температурного коэффициента линейного расширения.

Зависимости относительного изменения электросопротивления и модуля упругости от температуры для сплавов 36Н, 32НКД, 35НКТ приведены на рис. 310, 311.

Температурная зависимость относительного электросопротивления сплавов 35НКТ, 36Н, 32НКД

Температурная зависимость модуля нормальной упругости сплавов

Температурная зависимость теплопроводности и электросопротивления дана на рис. 312, 313.

Температурная зависимость теплопроводности сплава 36Н

Температурная зависимость удельного электросопротивления сплава 36Н

Теплопроводность и намагниченность насыщения в поле 2000 Э сплава 32НК (суперинвар) при 20, –20 и –70°С приведены ниже:

Splavy min temp koeff lin rassh 17

При охлаждении сплава ниже –100°С происходит необратимое изменение намагниченности в связи с частичным γàα-превращением мартенситного характера (рис. 314).

Микроструктура сплава 32НК-ВИ

Механические свойства сплавов 36Н и 35НКТ при нагреве до 800°С и охлаждении до –196°С приведены на рис. 315, 316. Образцы испытывали после нормируемой термической обработки.

Температурная зависимость механических свойств сплава 36Н

Температурная зависимость механических свойств сплава 35НКТ

 

Принятые обозначения и пересчетные значения для ряда единиц измерения

Принятые обозначения

Принятые обозначения

Принятые обозначения

Принятые обозначения

Пересчетные значения для ряда единиц измерения