НЕФЕРРОМАГНИТНЫЙ ИНВАРНЫЙ СПЛАВ И ИЗДЕЛИЕ, ВЫПОЛНЕННОЕ ИЗ НЕГО (ИХ ВАРИАНТЫ) Российский патент 1997 года по МПК C22C14/00 C22C27/02 

Изобретение относится к металлургии, конкретно к разработке неферромагнитных сплавов с минимальным тепловым расширением (температурный коэффициент линейного расширения ТКЛР ниже 3•10^-6 K^-1). Подобные сплавы необходимы для создания нерасширяющихся конструкций, работающих в магнитных полях, а также в изделиях, для которых недопустимо искажение магнитных полей. Такие материалы важны для приборостроения, вычислительной техники, метрологии, авиационной и космической техники.

Известен инварный сплав H36 на основе железа и никеля (Прецизионные сплавы. Справочник. М. 1984, с. 212-258), содержащий, мас.

Никель 36
Железо Остальное
Недостатком данного сплава является высокая величина намагниченности 0,8 Tл, высокая температура Кюри (250^oC) и большое значение магнитострикции (20•10^-6) в магнитном поле 80 Э.

Известен неферромагнитный сплав, содержащий титан (типа 93ЦТ) с пониженным температурным коэффициентом линейного расширения ТКЛР (6-7)•10^-6 K^-1, содержащий, мас.

Титан 6-8
Цирконий Остальное [1]
Этот сплав, выбранный в качестве прототипа, является неферромагнитным, коррозионностоек и имеет высокую пластичность (δ до 20%).

Недостатком данного сплава является сравнительно высокое значение коэффициента термического расширения, что не позволяет использовать его в конструкциях с минимальным тепловым расширением (<3•10^-6 K^-1). Недостатком сплава является также то, что интервал температур с низким ТКЛР (т.е. диапазон рабочих температур) у этого сплава недостаточно велик (от -100 до 150^oC). Кроме того, известный сплав имеет высокий удельный вес (6,4 г/см³).

Известны изделия (например, полупроводникове держатели в записывающей электронным пучком аппаратуры), изготовленные из неферромагнитного инварного сплава, содержащего,мас. железо 3,0-7,0, марганец 0,2-1,5, лантан 0,001-1,0, хром остальное [2]
Для этого сплава после деформационно-термической обработки в вакууме (<10^-4 мм рт.ст.) при 1250-1300^oC, резки образцов и закалки от 1100^oC в вакууме могут быть получены сравнительно низкие значения ТКЛР (<4•10^-6 K^-1) в диапазоне температур 0-40^oC. Вышеуказанный сплав имеет существенные недостатки:
узкий интервал температур, в котором обеспечивается пониженное значение ТКЛР (0-40^oC). При температурах ниже 0^oC и выше 40^oC сплав теряет инварные свойства. В связи с этим он не может использоваться при работе в общепринятом диапазоне климатических температур от -60 до 80^oC;
крайне низкую пластичность ( e <0,5%). Деформационная обработка для получения заданных изделий не может осуществляться при температурах, близких к комнатной;
сплав очень нетехнологичен. Выплавка и передел требуют специального дорогостоящего термического и деформационного оборудования. Выплавку и передел необходимо осуществлять в условиях высокого вакуума (<10^-4 мм рт.ст.) при повышенных температурах (выше 1250^oC);
шихтовые материалы должны обладать повышенной частотой, особенно в отношении содержания кислорода;
к недостаткам сплава следует также отнести сравнительно высокий удельный вес 7,2 г/см³.

Изделия, изготовленные из этого сплава, не могут использоваться (разрушаются) при работе в условиях повышенных нагрузок, особенно динамических.

Задача, на решение которой направлено изобретение, заключается в создании неферромагнитных коррозионно-стойких инварных сплавов и изделий из них, сочетающих минимальное значение температурного коэффициента линейного расширения (ниже 3•10^-6 K^-1), широкий интервал температур с низким ТКЛР (от -150 до 200^oC), высокую пластичность (d до 20%) и пониженный удельный вес.

Техническим результатом изобретения является понижение минимального значения ТКЛР, расширение его температурного интервала при сохранении уровня неферромагнитных и пластических свойств, а также высокой коррозионной стойкости. Техническим результатом изобретения является также понижение удельного веса сплавов, который реализуется при некоторых вариантах изобретения.

Указанный результат достигается тем, что неферромагнитные инварные сплавы содержат ванадий и титан; ванадий, ниобий и титан; ванадий, тантал и титан; ванадий, ниобий, тантал и титан; ниобий и титан. Заявленный результат достигается также тем, что неферромагнитные изделия с инварными свойствами выполнены из предложенных сплавов.

Заявлена группа изобретений: сплав и изделие, выполненное из него, причем каждое изобретение группы представляет собой варианты изобретения, а первый вариант каждого изобретения группы охарактеризован с привлечением трех зависимых пунктов.

Вариант 1.

Сплав содержит компоненты в следующем соотношении, мас.

Ванадий 2-20
Титан Остальное
Сплав содержит ванадий, ниобий, титан, мас.

Ванадий 2-20
Ниобий 10-45
Титан Остальное, при этом 50 ≥ ΣNb+V ≥ 20
Сплав содержит ванадий, ниобий, тантал, титан, мас.

Ванадий 2-20
Ниобий 10-45
Тантал 8-18
Титан остальное, при этом 50 ≥ ΣNb+V ≥ 20 и ΣNb+Ta ≅ 55
Сплав содержит ванадий, тантал, титан, мас.

Ванадий 2-20
Тантал 20-70
Титан остальное, при этом ΣV+Ta ≅ 80
Вариант 2.

Сплав содержит ниобий и титан, мас.

Ниобий 20-50
Титан Остальное
Изделия выполняют из сплавов пяти вышеуказанных составов.

По сравнению с прототипом предлагаемые сплавы отличаются дополнительным содержанием ванадия, тантала и ниобия в различных сочетаниях, а также новым соотношением компонентов.

Сущность изобретения. Достижение вышеуказанного технического результата изобретения основано на реализации обратимого мартенситного превращения β ⇄ α протекающего при нагреве и охлаждении титановых сплавов.

Кроме того, в диапазоне температур термоциклирования происходит переориентировка кристаллов мартенсита. В результате уменьшение объема решетки при охлаждении сплавов компенсируется увеличением ее объема вследствие формирования низкотемпературной фазы, имеющей повышенный объем. Важным фактором является также создание определенной ориентировки a″ фазы, для которой температурные изменения параметров а.в.с. значительно отличаются.

Характер протекания обратимого мартенситного превращения и переориентировка мартенситных кристаллов в титановых сплавах в значительной мере зависит от типов легирующих элементов и их концентрации.

Содержание легирующих элементов и их тип выбирались таким образом, чтобы температурный интервал протекания обратимого мартенситного превращения, ответственного за пониженные значения ТКЛР, лежат в технически осуществимом температурном диапазоне от 800 до -200^oC. Вследствие очень низкой температуры начала мартенситного превращения, ниже (-200^oC), обратимое мартенситное превращение и переориентировка кристаллов мартенсита, а также связанные с этими процессами инварные свойства не реализуются при следующих граничных величинах содержания компонентов в титановых сплавах:
ванадий выше 20% ниобий выше 50% ванадий + ниобий выше 50% ванадий + тантал выше 80% ниобий + тантал выше 55% В связи с этим для достижения технического результата, заключающегося в обеспечении минимального значения ТКЛР, содержание легирующих элементов должно быть равно или ниже вышеуказанных граничных значений.

При понижении концентрации легирующих элементов в титановых сплавах происходит существенное повышение температуры мартенситного превращения. При температурах выше 280^oC имеют место релаксационные процессы в ходе обратного мартенситного превращения, что в свою очередь исключает протекание термоупругого обратимого мартенситного превращения. Отсутствие термоупругого мартенситного превращения исключает понижение температурного коэффициента линейного расширения, при этом инварные свойства не реализуются. Минимальные величины концентрации легирующих элементов, при которых реализуются инварные свойства с минимальным тепловым расширением,отвечают следующим значениям: ванадий 2% ниобий 20% ванадий + ниобий 20%
В связи с этим для достижения минимального теплового расширения содержание вышеуказанных легирующих элементов должно превышать вышеуказанные граничные значения.

В сплаве, содержащем ванадий, ниобий, титан (п.2 формулы изобретения), при содержании ванадия меньше 2% и ниобия меньше 10% температура протекания β → α мартенситных превышений выше 280^oC. Поэтому не проявляется эффект безгистерезисного мартенситного превращения, что не обеспечивает необходимого условия для достижения минимального теплового расширения. Кроме этого, вследствие протекания процессов распада понижаются пластические свойства. Это не позволяет реализовать технический результат изобретения.

Увеличение содержания ванадия больше 20% и ниобия больше 45% проводит к значительному повышению теплового расширения, т.к. при таком содержании компонентов не реализуются мартенситные превращения (сплав остается однофазным b фаза). Кроме этого повышается удельный вес.

Известны сверхпроводящие сплавы системы титан-ниобий, например сплав, содержащий 40-70% титана, ниобий остальное (патент Великобритании N 1164051 НКИ C 7A, МКИ C 22 F 1/18). Все известные сверхпроводящие сплавы системы титан-ниобий имеют структуру b фазы (ОЦК решетка) и являются однофазными. Каких-либо фазовых превращений и изменений атомно-кристаллической структуры в этих сплавах не происходит. Эти сплавы неидентичны инварным сплавам системы титан-ниобий, в которых инварные свойства обусловлены эффектом обратимого b ⇄ α превращения в полях напряжений, созданных дефектами структуры.

Таким образом, известность указанных сплавов со сверхпроводящими свойствами не порочит новизны и изобретательского уровня заявляемого изобретения, т.к. предложенные сплавы обладают новыми, неизвестными ранее свойствами.

В сплаве, содержащем ванадий, ниобий, тантал, титан (п.3 формулы изобретения), тантал в количестве 8-18% обеспечивает минимальное тепловое расширение при сохранении высоких пластических свойств и пониженного удельного веса.

При содержании тантала меньше 8% не удается достичь минимального теплового расширения, кроме этого,ухудшаются пластические свойства.

При содержании тантала более 18% увеличивается удельный вес, а также растет величина теплового расширения.

В сплаве, содержащем ванадий, тантал, титан (п.4 формулы изобретения), тантал в количестве 20-70% обеспечивает минимальное тепловое расширение при сохранении высокого уровня пластичности.

При содержании тантала меньше 20% повышается термическое расширение и уменьшаются пластические свойства. Сплавы, содержащие тантал более 70% имеют повышенный удельный вес и высокие значения термического расширения.

Выполнение изделий из предложенных неферромагнитных инварных сплавов обеспечивает получение уникального комплекса их свойств: минимальное значение температурного коэффициента линейного расширения, широкий интервал рабочих температур с низким ТКЛР, высокую пластичность, пониженный удельный вес, невосприимчивость к влиянию магнитных полей.

Примеры.

Выплавку сплавов проводят в дуговой печи в защитной атмосфере аргона или гелия. Закалку образцов и комплектующих частей изделий проводят от 900^oC в воде. Деформационно-термическая обработка осуществляется при 50-300^oC. Значения ТКЛР определялись с использованием кварцевых дилатометров типа Линцайс с чувствительностью выше 1 мкм/мм.

В табл. 1 даны примеры, иллюстрирующие свойства предлагаемых нами неферромагнитных инварных сплавов.

Из приведенных данных видно, что предлагаемые сплавы по сравнению с прототипом имеют более низкую величину ТКЛР, широкий интервал температур с низким ТКЛР при сохранении неферромагнитных свойств.

В табл.2 приведены сведения об изделиях, изготовленных из сплавов предлагаемых составов. Предлагаемые неферромагнитные инварные сплавы позволяют создавать принципиально новые изделия, работающие в магнитных и электрических полях в условиях повышенной влажности, морского тумана и агрессивных сред, для которых требуется минимальное тепловое расширение в сочетании с неферромагнитностью и пониженным удельным весом.

Изобретение относится к металлургии, конкретно к разработке неферромагнитных сплавов с минимальным тепловым расширением (температурный коэффициент линейного расширения ТКЛР ниже 3•10^-6 K^-1). Заявлена группа изобретений: сплав и изделие, выполненное из этого сплава. Сплав по первому варианту изобретения содержит 2-20 мас.% ванадия, титан - остальное, а по второму варианту -20-50 мас.% ниобия и титан - остальное. 4 с. и 63 з.п. ф-лы, 2 табл.

1. Неферромагнитный инварный сплав, содержащий титан, отличающийся тем, что он дополнительно содержит ванадий при следующем соотношении компонентов, мас.

Ванадий 2 20
Титан Остальное
2. Сплав по п.1, отличающийся тем, что он дополнительно содержит ниобий при следующем соотношении компонентов, мас.

Ванадий 2 20
Ниобий 10 45
Титан Остальное
при этом 50 ≥ ΣNb+V ≥ 20.
3. Сплав по п.2, отличающийся тем, что он дополнительно содержит тантал при следующем соотношении компонентов, мас.

Ванадий 2 20
Ниобий 10 45
Тантал 8 18
Титан Остальное
при этом 50 ≥ ΣNb+V ≥ 20 и ΣNb+Ta ≅ 55.
4. Сплав по п.1, отличающийся тем, что он дополнительно содержит тантал при следующем соотношении компонентов, мас.

Ванадий 2 20
Тантал 20 70
Титан Остальное
при этом ΣV+Ta ≅ 80.
5. Сплав, содержащий титан, отличающийся тем, что он дополнительно содержит ниобий при следующем соотношении компонентов, мас.

Ниобий 20 50
Титан Остальное
6. Изделие, выполненное из неферромагнитного инварного сплава, отличающееся тем, что сплав содержит титан и ванадий при следующем соотношении компонентов, мас.

Ванадий 2 20
Титан Остальное
7. Изделие по п.6, отличающееся тем, что сплав дополнительно содержит ниобий при следующем соотношении компонентов, мас.

Ванадий 2 20
Ниобий 10 45
Титан Остальное
при этом 50 ≥ ΣNb+V ≥ 20.
8. Изделие по п.7, отличающееся тем, что сплав дополнительно содержит тантал при следующем соотношении компонентов, мас.

Ванадий 2 20
Ниобий 10 45
Тантал 8 18
Титан Остальное
при этом 50 ≥ ΣNb+V ≥ 20 и ΣNb+Ta ≅ 55.
9. Изделие по п.6, отличающееся тем, что сплав дополнительно содержит тантал при следующем соотношении компонентов, мас.

Ванадий 2 20
Тантал 20 70
Титан Остальное
при этом ΣV+Ta ≅ 80.
10. Изделие выполненное из неферромагнитного инварного сплава, отличающееся тем, что сплав содержит титан и ниобий при следующем соотношении компонентов, мас.

Ниобий 20 50
Титан Остальноеш