Результат интеллектуальной деятельности: Способ обработки инварного сплава на основе системы железо-никель

Изобретение относится к металлургии, конкретно к способам обработки железоникелевых сплавов с целью расширения диапазона рабочих температур с минимальным (≤3,5⋅10^-6 К^-1) и низким (5÷7⋅10^-6 К^-1) значениями температурного коэффициента линейного расширения (ТКЛР).

Известен широкий класс инварных сплавов на основе системы железо-никель (28÷45% никеля) [Прецизионные сплавы. Справочник. М.: Металлургия, 1983, с. 212, 235, 238-239]. Такие материалы во многих случаях должны сохранять минимальные и низкие значения ТКЛР в широком диапазоне температур от -196 до +300÷400°C. Однако ряд инварных сплавов, содержащих никеля менее 33% (сплавы с минимальным ТКЛР (на уровне 0,1÷0,7⋅10^-6 К^-1) типа 32НК-ВИ, 32НКА, 32НКД, а также сплавы с низким (5÷7⋅10^-6 К^-1) ТКЛР типа 29НК, 30НКД), при охлаждении до температур ниже комнатной в некоторых случаях теряют инварные свойства вследствие протекания мартенситного (γ→α) превращения. Температура γ→α перехода этих сплавов зависит от содержания никеля, кобальта и технологических примесей. Колебания химического состава в пределах, ограниченных ГОСТ и ТУ, а также напряжения, возникающие при сварке и механической обработке, приводят к изменению температуры начала мартенситного превращения (Мн) от 0 до -140°C. В этом случае при охлаждении до температур ниже Мн в результате происходящего мартенситного превращения существенно увеличивается объем и повышается в 3-10 раз значение ТКЛР. Подобные изменения приводят к нарушению характеристик высокоточных приборов, изготовленных с применением подобных материалов.

Проблема расширения диапазона рабочих температур, в частности понижения Мн инварных сплавов, при сохранении заданных низких и минимальных значений ТКЛР является весьма актуальной при изготовлении ответственных изделий в приборостроении, авиационной, ракетно-космической промышленности, криогенной и лазерной технике, в металлооптике, метрологии, геодезии, а также при создании конструкций, не изменяющих свои размеры при изменении температуры от -196 до 400°C.

Известен способ обработки железоникелевого сплава, который заключается в нагружении сплава в заданном низкотемпературном интервале. Применение этого способа приводит к изменению величины ТКЛР на (1÷2)⋅10^-6 К^-1 [Авторское свидетельство СССР №377347, C21D 9/00, опубл. 17.04.1973]. Недостатком данного способа является сложность процесса деформационно-термической обработки: нагружение проводится в напряженном состоянии при низких температурах. Кроме этого, для данного способа характерен узкий диапазон изменения ТКЛР, а также повышение температуры Мн.

Известен способ упрочняющей обработки стареющих аустенитных инварных сплавов типа Н36К10Т3 [RU 2086667 C1, C21D 6/00, опубл. 10.08.1997]. Способ включает нагрев до 1150°C, изотермическую выдержку, деформацию на 20% в процессе охлаждения до 600-620°C, изотермическую выдержку при этой температуре в течение 2-3 часов, охлаждение в воде и холодную деформацию. Недостатком данного способа является то, что он применим только для стареющих сплавов. Кроме того, величина ТКЛР при обработке по этому способу повышается до 4÷10^-6 К^-1. Этот способ не применим для железоникелевых инварных сплавов с минимальным (≤3,5⋅10^-6 К^-1) значением ТКЛР.

Известен способ обработки инварного сплава, заключающийся в пластической деформации сплава с последующим нагревом до 300-950°C [Ворошилов В.П. и др. Физика металлов и металловедение, 1973, т. 35, №5, с. 953-958]. Способ приводит к изменению величины ТКЛР в диапазоне 0,5÷2,5⋅10^-6 К^-1. Этот способ в ряде случаев не позволяет стабилизировать ГЦК структуру к мартенситному превращению. Согласно имеющимся данным, деформация и нагрев при температурах выше 500°C не способствуют стабилизации исходной ГЦК структуры.

Наиболее близким к заявленному изобретению является способ обработки сплава на основе системы железо-никель, имеющего температуру обратного α→γ превращения не выше 500°C, включающий нагрев до 840°C и охлаждение в воде. После охлаждения в воде сплав дополнительно охлаждают до температуры ниже γ→α превращения, затем нагревают до температуры начала α→γ превращения (с произвольной скоростью), далее нагревают со скоростью 5-60°C/мин до температуры конца α→γ превращения, затем со скоростью 10-100°C/мин до температуры на 10-100°C выше температуры конца обратного α→γ превращения и охлаждают на воздухе [Авторское свидетельство СССР №1057559, C21D 1/26, опубл. 30.11.1983] (прототип).

Применение вышеуказанного способа термической обработки сплавов на основе системы железо-никель приводит к понижению температуры начала мартенситного превращения. В то же время существенно на (2÷6)⋅10^-6 К^-1 изменяется величина ТКЛР. Такое изменение ТКЛР не соответствует заявленному критерию «сохранение заданного значения ТКЛР» и недопустимо при создании изделий, требующих заданных значений ТКЛР.

Техническим результатом изобретения является понижение температуры Мн и расширение за счет этого диапазона температур, в котором реализуются заданные (требуемые) в зависимости от области применения сплава как низкие (5÷7⋅10^-6 К^-1), так и минимальные ≤3,5⋅10^-6 К^-1, в частности (0,1÷0,7)⋅10^-6 К^-1, значения ТКЛР.

Технический результат достигается за счет усовершенствования способа обработки инварного сплава на основе системы железо-никель, включающего нагрев до 830-850°C и охлаждение в воде, дополнительное охлаждение до температуры ниже начала γ→α превращения, нагрев до температуры начала обратного α→γ превращения, последующий медленный нагрев до температуры конца α→γ превращения, затем нагрев со скоростью не менее 10°C/мин до температуры на 10÷100°C выше температуры конца α→γ превращения и охлаждение на воздухе. Это усовершенствование заключается в том, что нагрев в области α→γ превращения проводят со скоростью 0,2÷3°C/мин, а после охлаждения на воздухе проводят дополнительный нагрев в диапазоне температур 500-700°C и изотермическую выдержку от 15 минут до 10 часов с последующим охлаждением на воздухе.

Физический принцип предложенного способа заключается в формировании концентрационных неоднородностей в аустените – областей, обогащенных и обедненных никелем. Формирование таких концентрационных неоднородностей приводит к существенному понижению температуры Мн сплавов.

Охлаждение сплава до температур ниже температуры начала Мн приводит к формированию мартенситной структуры с ОЦК решеткой. Последующий нагрев до температуры начала обратного α→γ превращения (Ан) можно проводить с произвольной скоростью, так как в этом интервале температур практически не происходит перераспределение компонентов сплава с образованием концентрационных неоднородностей. Выше температуры Ан нагрев должен проводиться с малой скоростью (0,5÷3°C/мин). Такая малая скорость нагрева обеспечивает перераспределение атомов никеля между α и γ фазами, при этом γ-фаза обогащается, а α-фаза обедняется никелем. Нагрев со скоростью ниже 0,2°C/мин, увеличивая время термической обработки, не повлияет на уровень теплофизических характеристик сплава. Нагрев со скоростью выше 3°C/мин не обеспечивает полноты протекания диффузионных процессов и, как следствие, получения необходимого уровня свойств.

Высокая скорость не менее 10°C/мин нагрева до температуры на 10-100°C выше температуры конца α→γ превращения (Ак) необходима для того, чтобы сплав полностью перешел в состояние однофазного γ-твердого раствора с сохранением концентрационных неоднородностей, образовавшихся в процессе замедленного нагрева в области температур Ан-Ак.

С целью изменения ТКЛР и приведения его к величине, близкой к заданному значению, при сохранении полученных низких значений Мн сплав нагревают до температур 500÷700°C и выдерживают при этой температуре от 15 минут до 10 часов.

Концентрационные неоднородности, образующиеся в аустените железоникелевых сплавов, разрушаются при температурах выше 500-700°C, и распределение атомов приближается к разупорядоченному (гомогенному). В результате разрушения концентрационных неоднородностей величина ТКЛР изменяется и приближается к заданным значениям - близким к исходному состоянию (после термической обработки в соответствии с Прецизионные сплавы. Справочник. М.: Металлургия, 1983, с. 439). С целью повышения ТКЛР осуществляют дополнительный нагрев до температур 500-600°C и длительную выдержку (до 10 часов). Для достижения низких значений ТКЛР (0,1-0,7⋅10^-6 К^-1) осуществляют дополнительный нагрев до температур порядка 700°C и небольшую по времени выдержку (до 30 минут). В результате заявленного способа термической обработки температура Мн повышается незначительно и в конечном итоге не превышает -150°C.

Таким образом, нагрев при 500-700°C и выдержка от 15 минут до 10 часов после программированного (замедленного) нагрева в области температур Ан-Ак обеспечивает заявленный уровень теплофизических свойств, а именно низкие значения температуры Мн при сохранении заданных значений ТКЛР.

Примеры реализации изобретения

Пример 1

Сплав 32НК-ВИ (суперинвар) с минимальным значением ТКЛР, содержащий Ni - 31,5%; Со - 4,5% и технологические примеси в соответствии с ГОСТ 10994.

Термическая обработка сплава 32НК-ВИ по предложенному способу включает следующие операции:

- нагрев до 850°C, выдержка 1 час, охлаждение в воде;

- охлаждение до температуры -150°C, т.е. ниже температуры Мн;

- отогрев до комнатной температуры;

- нагрев со скоростью 50°C/мин до температуры начала обратного α→γ превращения (Ан=420°C);

- нагрев в интервале температур Ан-Ак (420-550°C) со скоростью 0,5°C/мин;

- нагрев со скоростью 15°C/мин до температуры 600°C с последующим охлаждением на воздухе;

- дополнительный нагрев до 680°C с выдержкой при этой температуре в течение 15 минут и последующее охлаждение на воздухе.

После обработки по предложенному нами способу сплав имеет следующие свойства: температура Мн ниже -150°C; ТКЛР (0,6÷0,7)⋅10^-6 К^-1.

После термической обработки по ГОСТ 14082, включающей закалку с температуры 840±10°C в воде, последующий отпуск при температуре 315±10°C с выдержкой 1 час и охлаждение на воздухе, сплав обладает следующими теплофизическими свойствами: ТКЛР (α_20÷100°C)=0,3⋅10^-6 К^-1, температура Мн=-30°C.

Таким образом, использование предложенного нами способа обработки позволяет понизить температуру Мн при сохранении заданных минимальных значений ТКЛР (α_20÷100°C<1,0⋅10^-6 К^-1).

Пример 2

Сплав с низким значением ТКЛР (для согласования со стеклами и керамикой) 29НК, содержащий Ni - 28,7%; Со - 17,5% и технологические примеси в соответствии с ГОСТ 10994.

Термическая обработка сплава 29НК по предложенному способу включает следующие операции:

- нагрев до 850°C, выдержка 1 час, охлаждение в воде;

- охлаждение до температуры -150°C, ниже температуры Мн, составляющей для этого сплава -5°C;

- нагрев до температуры начала обратного α→γ превращения (Ан=440°C) со скоростью 20°C/мин;

- нагрев в интервале температур Ан-Ак (440-550°C) со скоростью 1°C/мин;

- нагрев со скоростью 50°C/мин до температуры 610°C с последующим охлаждением на воздухе;

- дополнительный нагрев до 500°C, выдержка при этой температуре 8 часов и последующее охлаждение на воздухе.

После данной термической обработки сплав имеет следующий уровень свойств: ТКЛР α(_20÷300°C)=5,3⋅10^-6 К^-1, температура Мн<-150°C.

После термической обработки, включающей нагрев до 960°C, выдержку и последующее охлаждение до комнатной температуры [согласно рекомендованной в ГОСТ 14082], сплав имеет следующие теплофизические характеристики:

ТКЛР (α_20÷300°C)=4,8⋅10^-6 К^-1, Мн=-5°C.

Использование предложенного нами способа позволяет реализовать требуемое по ГОСТ значение ТКЛР в сочетании с низкой температурой начала мартенситного превращения (Мн<-150°C).