Общие сведения о сплавах с низким и постоянным температурным коэффициентом модуля упругости

Для изготовления деталей точных приборов и механизмов применяют пружинные сплавы, температурный коэффициент модуля упругости которых остается низким и постоянным в заданном температурном интервале. При использовании таких сплавов, называемых элинварами, резко уменьшается температурная погрешность и повышается точность работы приборов.

Создание подобных сплавов — сложная задача, поскольку они, кроме того, должны обладать высоким сопротивлением малым пластическим деформациям, быть коррозионностойкими, а в ряде случаев и немагнитными. Теория твердого тела показывает, что модуль упругости при нагреве вследствие уменьшения энергии межатомных связей должен соответственно уменьшаться, а при охлаждении — возрастать. Влияние температуры на величину модуля упругости, как недавно считали, может быть изменено только в ферромагнитных сплавах за счет специфических эффектов, связанных с ферромагнитным состоянием.

Однако в последнее время появились данные, что у таких парамагнитных металлов, как ниобий и палладий, а также у некоторых сплавов на основе этих металлов (ниобий — цирконий: 20—33% Zr и палладий — золото) температурный коэффициент модуля упругости может иметь очень низкое значение. Элинварные свойства (в интервале 0—200° С) сплавов ниобий—цирконий (20—33% Zr) представляют особый интерес, поскольку они являются сверхпроводниками. Элинварные сплавы ниобия не получили пока промышленного применения в качестве пружинных Однако другие сплавы ниобия представляют значительный интерес. В частности сплав 55БТЮ (40% Ti, 5% Al, остальное Nb), имеет сравнительно низкий температурный коэффициент модуля упругости [(70—90)*10в-6 1/°С в области от 20 до 600° С], высокий предел упругости [о0,005 = 810-900 Мн/м2 (83—92 кГ/мм2)], повышенную релаксационную стойкость до 500° С и хорошую коррозионную стойкость в резко агрессивных средах на основе азотной кислоты. Упрочняющая обработка сплава: закалка с 1000° С и отпуск при 650° С или закалка с 1000° С, холодная пластическая деформация с обжатием 40% и отпуск при 650—725° С. В процессе отпуска выделяется фаза (Nb, Ti)3Al.

Как указывалось выше, очень низким температурным коэффициентом модуля упругости обладают палладий и его сплавы с золотом или кобальтом. В частности, палладий и сплавы палладия с золотом (48—52% Pd и 52—48% Au) имеют практически неизменный модуль упругости в температурном интервале 0—80 град, причем сплавы обладают этой особенностью упругих свойств после закалки или после холодной пластической деформации и отпуска.

Хотя в литературе нет сведений о применении ниобиевых и палладиевых сплавов в качестве элинварных материалов, сам факт появления таких парамагнитных сплавов показывает, что, регулируя структурное состояние сплавов, можно достичь практически постоянного или даже возрастающего с температурой модуля упругости. Отсюда следует, что группу элинварных материалов нельзя ограничивать только ферромагнитными сплавами, хотя только их в настоящее время и используют в промышленности.

Причина особого (аномального) изменения модуля упругости ферромагнитных сплавов в зависимости от температуры — магнитострикционные эффекты, снижающие при температурах ниже точки Кюри истинную величину модуля упругости. He все ферро-магнитные сплавы обладают малым термоэластическим коэффициентом. Например пружинная проволока из высокоуглеродистой стали имеет термоэластический коэффициент аЕ = (280-340)*10в-6 1/°С. В то же время для специальных сплавов этот коэффициент может быть снижен в 10—100 раз и примерно в такое же число раз уменьшается тепловая погрешность приборов благодаря более стабильным свойствам упругих элементов.

В ферромагнитных сплавах с малым термоэластическим коэффициентом объемная механострикция парапроцесса должна быть настолько значительной, чтобы, особенно в районе температуры Кюри, сильно уменьшить результирующую упругую деформацию при нагружении сплава. Соответственно может быть уменьшен и даже изменен знак температурного коэффициента модуля упругости (т. е. термоэластический коэффициент).

Верхней температурной границей использования ферромагнитных элинварных сплавов является точка Кюри.

Несмотря на то, что ферромагнитная аномалия термоэластического коэффициента получила определенное теоретическое обоснование, вопросы легирования указанных сплавов еще достаточно не разработаны. Сплавы этой группы созданы эмпирическим путем. Основой большинства элинварных сплавов являются преимущественно системы Fe—Ni, Fe—Ni—Cr, а также Fe—Co и Fe—Co—Cr, при этом сплавы последних двух типов используются преимущественно за рубежом. В частности, указывается, что 90% современных японских часов снабжены волосками из сплава типа «Со-элинвар». Эти сплавы в зависимости от состава могут иметь следующие значения аG*10в5 1/°С в интервале от 20 до 50° С:

В СССР преимущественно применяются сплавы на основе Fe-Ni и Fe-Ni-Cr.

Термоэластический коэффициент железоникелевых сплавов очень чувствителен даже к небольшим колебаниям химического состава, возможным в металлургическом производстве. Кроме того, эти сплавы, имеющие однофазную структуру твердого раствора, отличаются малой прочностью.

Для стабилизации термоэластического коэффициента в сплавы железо—никель вводят хром, а для упрочнения — титан, алюминий или бериллий, которые, образуя интерметаллидные фазы типа в(Ni3Ti), y' (Ni3Al) или NiBe, придают сплавам способность к дисперсионному твердению.

Сплавы на основе системы Fe-Ni-Cr часто дополнительно упрочняют введением углерода и таких карбидообразующих элементов, как вольфрам или молибден, и по структуре их можно отнести к ледебуритным.

Введение легирующих элементов, особенно хрома, молибдена и вольфрама, повышает абсолютные значения модуля упругости. Это повышение вызывается образованием частиц избыточной фазы (карбидов или интерметаллидов), имеющих высокий модуль упругости и, кроме того, снижающих величину неупругой деформации.

Сплавы с малым и постоянным термоэластическим коэффициентом в зависимости от структурного механизма упрочнения можно разделить на группы: 1) с карбидным упрочнением; 2) с интерметаллидным упрочнением; 3) с деформационным упрочнением.