АМОРФНЫЙ СПЛАВ НА ОСНОВЕ НИКЕЛЯ ДЛЯ ЛИТЬЯ МИКРОПРОВОДОВ Российский патент 2011 года по МПК C22C45/04 C22C19/05 

Изобретение относится к области металлургии прецизионных сплавов со специальными свойствами, в частности к сплавам для литья коррозионно-стойких микроповодов, используемых при получении термопар с высокой термо-ЭДС, работающих в жестких условиях эксплуатации.

Широко известны сплавы для термопар с высокой термо-ЭДС, в частности сплав хромель на хром-никелевой основе, а также сплав копель на медно-никелевой основе для изготовления положительной и отрицательной ветвей термопар. Эти сплавы имеют высокую термо-ЭДС (хромель +2,14±0,10 мВ, копель -4,81±0,10 мВ), предел прочности σ_в=40-50 кг/мм² и относительное удлинение δ=15-20%.

Известные сплавы предназначены для получения проводов методом пластической деформации, но из них не удается изготовить провода диаметром менее 200 мкм, т.е. сплавы типа хромель и копель не пригодны для изготовления из них микротермопар.

Преимуществом микротермопар является возможность измерения температуры миниатюрных объектов и локального градиента температур. Кроме того, использование микротермопар позволяет существенно уменьшить инерционность измерения, что делает возможным измерение температур в динамическом режиме.

Для изготовления микротермопар необходимо использовать микропровода в стеклянной изоляции диаметром менее 10 мкм.

Наиболее близким аналогом является RU 2219279 С2, C22C 45/04, 20.12.2003, в котором раскрыт аморфный сплав на основе никеля для литья микропроводов, содержащий, мас.%:

хром - 8,5-10,0

кобальт - 0,4-1,2

церий - 0,5-1,2

иттрий - 0,1-0,5

никель - остальное.

Микропровода из этого сплава имеют удельное сопротивление ρ=0,6-0,8 Ом×мм²/м, термо-ЭДС (в паре с медью) 2-2,2 мВ, показатели коррозионной стойкости:

в серной кислоте - 0,25 г/м² × час;

в соляной кислоте - 0,27 г/м² × час;

в морской воде - 0,23 г/м² × час.

Однако относительно низкое удельное сопротивление сплава-прототипа не позволяет добиться требуемой минитиарюзации термопар. Кроме того, низкая коррозионная стойкость в агрессивных средах исключает использование микропроводов из этого сплава в непосредственном контакте с агрессивными реагентами, а неконтактные измерения температуры резко снижают точность измерения температуры рабочей среды.

Техническим результатом настоящего изобретения является повышение коррозионной стойкости, увеличение удельного сопротивления и улучшение технологичности процесса литья микропроводов.

Технический результат достигается введением в сплав на основе никеля для литья микропроводов, содержащий хром, кобальт, церий, иттрий, дополнительно бора, кремния и циркония при следующем соотношении компонентов (мас.%):

хром - 8,0-10,5

кобальт - 0,4-1,2

бор - 6,0-9,0

кремний - 6,0-9,0

церий - 0,5-1,2

иттрий - 0,1-0,6

цирконий - 3,0-6,0

никель - остальное.

Повышение показателей коррозионной стойкости сплава достигается дополнительным введением аморфизатора - бора в количестве от 6 до 9%. Показатели коррозионной стойкости:

в серной кислоте - 0,09 г/м² × час;

в соляной кислоте - 0,012 г/м² × час;

в морской воде - 0,006 г/м₂ × час.

При введении в сплав менее 6% бора не наблюдается эффекта повышения коррозионной стойкости, при введении более 9% бора происходит уменьшение термо-ЭДС.

Однако удельное сопротивление остается низким и имеет величину ρ=0,9-0,92 Ом×мм²/м.

Для увеличения удельного сопротивления вводится элемент с большим атомным радиусом. Таким элементом, повышающим удельное сопротивление, является цирконий, вводимый в количестве 3-6%. При введении в сплав менее 3% циркония не наблюдается эффекта повышения удельного сопротивления, при введение более 6% - происходит уменьшение термо-ЭДС.

Наличие в сплаве циркония в указанных количествах повышает удельное сопротивление до 1,6-1,9 Ом×мм²/м. При этом показатели коррозионной стойкости остаются высокими, аморфная структура также сохраняется.

Для повышения технологических свойств при сохранении высокой коррозионной стойкости в сплав вводится 6,0-9,0% кремния, чьи окислы являются основными в составе стекла (по % содержанию). Введение в предложенный сплав кремния в указанных количествах позволяет достичь наилучшего смачивания расплавом металла боросиликатных стекол типа С 37-2, С 27-3, ТУ (термоустойчивое) в процессе литья микропроводов и обеспечивает получение аморфной структуры жилы микропровода.

При введении в сплав кремния менее 6,0% не наблюдается хорошей смачиваемости в системе металл - стекло и не удается получить микропровод диаметром менее 3 мкм, при введении более 9,0% - не удается получить длину безобрывного отрезка микропровода более 3000 м.

Для изготовления микропроводов диаметром 13,0-20,0 мкм целесообразно использовать сплав верхнего граничного состава (мас.%):

хром - 10,5

кобальт - 1,2

бор - 9,0

кремний - 9,0

церий - 1,2

иттрий - 0,6

цирконий - 6,0

никель - остальное.

Микропровода диаметром 0,5-3,0 мкм изготавливают из сплава нижнего пограничного состава (мас.%)

хром - 8,0

кобальт - 0,4

бор - 6,0

кремний - 6,0

церий - 0,5

иттрий - 0,1

цирконий - 3,0

никель - остальное.

Для литья микропроводов диаметром 4,0-12,0 мкм используется сплав оптимального состава (мас.%):

хром - 9,0

кобальт - 0,8

бор - 7,5

кремний - 7,5

церий - 0,85

иттрий - 0,3

цирконий - 4,5

никель - остальное.

Заявляемый аморфный коррозионно-стойкий сплав на основе никеля для литья микропроводов характеризуется следующими свойствами:

диаметр - 0,5-20,0 мкм

макс. длина - 5000 м

показатели коррозионной стойкости:

в серной кислоте - 0,09 г/м² × час;

в соляной кислоте - 0,012 г/м² × час;

в морской воде - 0,006 г/м² × час;

термо-ЭДС микропроводов (в паре с медью) - 2,84-2,96 мВ.

Выплавка сплава предлагаемых составов проводилась с помощью высокочастотного генератора типа Л3-19 в алундовых тиглях в атмосфере аргона.

Литье микропроводов осуществлялось по типовой технологии на установке типа ВУ-2Н со стеклами типа ТУ.

Разработка аморфного коррозионного сплава позволяет создать миниатюрные термопары, работающие в особо жестких условиях эксплуатации: повышенная кислотность, воздействие морского тумана и морской воды. Использование термопар из предлагаемого сплава позволяет осуществить хранение и эксплуатацию реагентов с повышенной коррозионной активностью при постоянном контроле температурного режима объектов в микрообъемах.

Таблица 1 Химический состав известного и предлагаемого сплава, подвергнутых испытанию Сплав Номер плавки Содержание элементов в сплаве, мас.% Cr Co Ce Y B Zr Si Ni Предлагаемый 1 8,0 0,4 0,5 0,1 6,0 3,0 6,0 остальное   2 9,0 0,8 0,85 0,3 7,5 4,5 7,5 -   3 10,5 1,2 1,2 0,6 9,0 6,0 9,0 - С выходом за                   пределы 4 7,5 0,35 0,45 0,05 5,5 2,5 5,5 остальное граничных значений 5 11,0 1,7 1,7 1,0 9,5 6,5 9,5   Известный 6 8,5 0,4 0,5 0,1 - - - остальное   7 10,5 1,2 1,2 0,5 - - -  

Таблица 2 Основные характеристики микроповодов из предлагаемого и известного сплава Сплав Номер плавки Характеристики микропровода Длина микропровода на бобине, м Диапазон диаметров, мкм Удельное сопротивление, Ом×мм²/м ТЭДС, мВ Показатели корроз. ст-ти, г/м² × час серная кислота соляная кислота морская вода Предлага- 1 3500 0,5-3 1,6 2,84 0,09 0,12 0,06 емый 2 5000 4-12 1,75 2,90 ÷ ÷ ÷ сплав 3 5000 13-20 1,9 2,96 ÷ ÷ ÷ С 4 300 4-15 0,8 2,40 0,35 0,40 0,33 выходом 5 500 4-15 1,1 1,08 0,12 0,15 0,08 за                 пределы                 граничных                 значений                 Известный 6 250 ÷ 0,6 2,0 0,25 0,27 0,23   7 250 ÷ 0,8 2,2 ÷ ÷ ÷

Изобретение относится к области металлургии, в частности к сплавам для литья коррозионно-стойких микропроводов, используемых при получении термопар с высокой термо-ЭДС. Предложен аморфный сплав, содержащий, мас.%: хром 8,0-10,5, кобальт 0,4-1,2, бор 6,0-9,0, кремний 6,0-9,0, церий 0,5-1,2, иттрий 0,1-0,6, цирконий 3,0-6,0, никель - остальное. Сплав характеризуется повышенной коррозионной стойкостью, удельным электросопротивлением. Также улучшается технологичность процесса литья сверхтонких микропроводов. 2 табл.

Аморфный сплав на основе никеля для литья микропроводов, содержащий хром, кобальт, церий, иттрий, отличающийся тем, что для повышения коррозионной стойкости, увеличения удельного электросопротивления и улучшения технологичности процесса литья он дополнительно содержит бор, кремний и цирконий при следующем соотношении компонентов, мас.%:
хром 8,0-10,5 кобальт 0,4-1,2 бор 6,0-9,0 кремний 6,0-9,0 церий 0,5-1,2 иттрий 0,1-0,6 цирконий 3,0-6,0 никель остальное