АМОРФНЫЙ СПЛАВ НА ОСНОВЕ НИКЕЛЯ Российский патент 2003 года по МПК C22C45/04 

Изобретение относится к металлургии прецизионных аморфных сплавов на никелевой основе с большим коэффициентом тензочувствительности, которые могут применяться для изготовления высокопрочных лент, волокон и микропроводов, используемых в электротехнической промышленности [1].

Известно, что аморфная структура приводит к повышению структурно-чувствительных характеристик, в том числе прочностных и электрофизических. Известны сплавы на основе никеля для литья аморфных микропроводов, защищенные авторским свидетельством СССР 550447. Имеется также публикация (Известия Академии наук СССР, Металлы, 2, 1977, с.239-245), в которой подробно описываются разработки высокопрочных сплавов системы Ni-Сг-Мо для получения аморфных структур, а также патент US 5249725, МПК7 С 22 С 45/04.

Указанные сплавы разрабатывались для конкретного использования в малобазных схемных элементах сопротивления и тензодатчиках. Общим недостатком этих сплавов является то, что они либо обладают высокой прочностью (до 411,6 кг/мм²), либо высоким коэффициентом тензочувствительности (2,0±0,1). Техника сегодняшнего дня при создании новых конструкций сенсорных элементов и "интеллектуальных" композитов конструкционного назначения требует, чтобы материал одновременно обладал и высокой прочностью (не менее 250 кг/мм²) и высоким коэффициентом тензочувствительности (не менее 2,5).

Наиболее близким по технической сущности и химическому составу является выбранный в качестве прототипа сплав по патенту US 5249725, МПК 7 С 22 С 45/04, опубликованный 04.07.1995 г., содержащий, мас.%:
Ni - 72
Со - 8
Мо - 10-20
B - 0 - 4
SiO - 6
Известный сплав имеет предел прочности при разрыве 300-450 кг/мм², коэффициент тензочувствительности 1,7 ± 0,1 и термический коэффициент сопротивления 10 • 10^-5 K^-1.

Недостатком известного сплава является низкий коэффициент тензочувствительности.

Техническим результатом настоящего изобретения является разработка нового состава тензорезистивного высокопрочного сплава с аморфной структурой, имеющего более высокий коэффициент тензочувствительности при сохранении прочностных свойств.

Технический результат достигается за счет того, что в предлагаемом сплаве увеличено содержание кремния и бора, а также дополнительно содержит церий и хром при следующем соотношении компонентов, мас.%:
Хром - 10,0-20,0
Молибден - 25,0-40,0
Кремний - 6,0-7,5
Бор - 4,0-5,0
Церий - 0,8-1,5
Никель - Остальное
при этом:
1. Отношение суммарного содержания хрома и молибдена к содержанию никеля должно находиться в пределах:

2. Отношение содержания кремния к содержанию бора должно быть в пределах:
Si/B=1,4 - 1,7
3. Суммарное содержание кремния и бора должно быть в пределах Si + В = 10,0-12,0 мас.%.

При этом тройная композиция Ni-Cr-Mo системы обладает наибольшей прочностью, когда в ее структуре образуется Р-фаза. Образование Р-фазы происходит, когда отношение суммарного содержания хрома и молибдена к содержанию никеля находится в пределах:

Прочность такой композиции составляет 200-220 кг/мм². Однако коэффициент тензочувствительности такого сплава не превышает 1,3.

При отношении суммы хрома и молибдена к никелю менее 0,6 в сплаве не достигается требуемый уровень прочности, при отношении более 2,4 происходит охрупчивание сплава, что делает невозможным получение больших длин аморфных материалов в виде ленты или микропроводов.

Для повышения коэффициента тензочувствительности, как указывалось выше, необходимо получение в сплаве аморфной структуры. Для этого в тройной сплав, соответствующий по составу высокопрочной Р-фазе, вводятся дополнительно наиболее сильные для этой системы аморфизаторы кремний и бор [2]. Количество вводимого кремния составляет 6,0-7,5 мас. %; а бора 4,0-5,0 мас.% при их суммарном содержании в пределах 10,0-12,0 мас.% и отношении содержания кремния к содержанию бора 1,4-1,7. При отношении менее 1,4 не достигается требуемая степень аморфности, при отношении более 1,7 имеет место охрупчивание сплавов.

Экспериментально установлено, что введение кремния в пределах 6,0-7,5 мас.% обеспечивает степень аморфности сплавов не более 30%, что недостаточно для достижения высокого уровня тензорезистивных свойств. При введении кремния менее 6,0 мас.% процесс аморфизации сплавов не начинается, а при введении кремния более 7,5 мас.% наблюдается охрупчивания сплавов.

Только дополнительное введение бора в количестве 4,0-5,0 мас.% и соответственно суммарное количество кремния и бора 10,0-12,0 мас.% обеспечивает практически 100% аморфизацию сплава. При введении бора менее 4,0 мас.% не достигается требуемая степень аморфности, а при введении бора более 5,0 мас. % наблюдается охрупчивание сплава. Требуемый эффект аморфизации не наблюдается, если вводится только кремний или только бор.

Наибольший эффект увеличения тензорезистивных свойств наблюдается при суммарном содержании кремния и бора, равном 10,0-12,0 мас.%. Коэффициент тензочувствительности возрастает при этом до 2,8-2,9.

При меньшем, чем 10,0 мас.%, суммарном содержании этих компонентов существенно уменьшается жидкотекучесть сплава и процесс получения аморфных композиций в виде лент, волокон и микропроводов микронных сечений становится неустойчивым. Одновременно перестает быть аморфным, что снижает коэффициент тензочувствительности до 1,3-1,5.

При большем, чем 12,0 мас.%, суммарном содержании этих компонентов наблюдается резкое охрупчивание сплава и снижение прочностных характеристик, что не позволяет получать ленты, волокна и микропровода длиной более 5 м из-за отсутствия эффективной рафинирующей добавки, обеспечивающей высокую чистоту сплава по неметаллическим включениям (прежде всего оксидам и нитридам), что особенно важно, учитывая микронные сечения получаемых полуфабрикатов. Наиболее эффективным рафинирующим элементом, имеющим наибольшее сродство к кислороду и азоту, является церий, который одновременно способствует процессу аморфизации сплава. В предлагаемый сплав дополнительно вводится 0,8-1,5 мас.% церия и 10-20 мас.% хрома. При введении менее 0,8 мас.% церия требуемого эффекта по увеличению длины (50 м и более) не наблюдается. При содержании церия более 1,5 мас.% он выделяется в виде самостоятельной фазы и приводит к охрупчиванию сплава и снижению его прочностных характеристик. Добавление хрома обеспечивает требуемый уровень жаростойкости сплавов (температура эксплуатации до 1050^oС), при содержании хрома меньше 10% наблюдается резкое снижение жаростойкости, увеличение содержания хрома больше 20% резко уменьшает пластические свойства сплава.

Исследуемые сплавы выплавлялись в индукционной высокочастотной печи в атмосфере аргона методом прямого сплавления компонентов и формировались методом вакуумного всасывания в кварцевые трубки с внутренним диаметром 2-3 мм с последующей закалкой в воду. Для приготовления сплавов использовались чистые шихтовые материалы: электролитический никель, хром марки ХО и молибден в прутках марки МЧ. Хром, кремний и церий для шихтовки сплава выбирался чистоты класса "0". После получения однородного расплава через отверстие в дне тигля расплав выливается на вращающееся медное колесо. Таким образом, получается аморфная лента методом спиннигования [3].

Микропровода в стеклянной изоляции получают непосредственно из жидкой фазы. Навеску металла ~5 г расплавляют по существующей типовой технологии [1] индукционным нагревом в поле с частотой 440 и 880 кГц. Непрерывное вытягивание микропровода из капли производят с помощью электродвигателя со скоростями 5-1000 м/мин в зависимости от требуемого диаметра. На пути от капли до приемного механизма микропровод проходит зону активного охлаждения. Закалку микропроводов в этой зоне от температур, на 100-200^oС превышающих температуру ликвидуса, производят со скоростями 10⁶-10⁷ град/с.

Состав и основные характеристики предлагаемого сплава представлены в таблице. Результаты испытаний показали, что предлагаемый сплав обладает более высоким коэффициентом тензочувствительности при сохранении высокого уровня прочностных свойств.

Предлагаемый сплав весьма перспективен при создании тензорезистивных элементов различного назначения, в том числе работающих в тяжелонагруженных элементах и конструкциях.

Литература
1. Бадинтер Е. Я. и др. Литой микропровод и его свойства. Кишинев, "Штиинца", 1973.

2. Метастабильные и неравновесные сплавы. Ефимов Ю.В., Варлимонт Г., Мухин Г.Г. и др. Под ред. Ефимова Ю.В. М., Металлургия, 1988.

3. Аморфные металлические сплавы. Под ред. Б. Люборского, М., Металлургия, 1987.

Изобретение относится к металлургии аморфных прецизионных сплавов на основе никеля, которые могут применяться для изготовления высокопрочных лент, волокон и микропроводов с большим коэффициентом тензочувствительности. Предложен аморфный сплав на основе никеля, содержащий молибден, кремний и бор, при этом он дополнительно содержит хром и церий при следующем соотношении компонентов, мас.%: хром 10,0-20,0, молибден 25,0-40,0, кремний 6,0-7,5, бор 4,0-5,0, церий 0,8-1,5, никель - остальное, при этом отношение суммарного содержания хрома и молибдена к содержанию никеля должно быть в пределах отношение содержания кремния к содержанию бора должно быть в пределах Si/B=1,4÷1,7, а суммарное содержание кремния и бора должно быть в пределах Si + B = 10,0-12,0 мас.%. Технический результат изобретения - повышение коэффициента тензочувствительности при сохранении прочностных свойств. 3 з.п.ф-лы, 1 табл.

1. Аморфный сплав на основе никеля, содержащий молибден, кремний и бор, отличающийся тем, что он дополнительно содержит хром и церий при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Хром 10,0-20,0

Молибден 25,0-40,0

Кремний 6,0-7,5

Бор 4,0-5,0

Церий 0,8-1,5

Никель Остальное

Si + В = 10,0-12,0.