ЛИТЕЙНЫЙ СПЛАВ НА ОСНОВЕ ЖЕЛЕЗА

Изобретение относится к металлургии, а именно к составам прецизионных литейных сплавов, обладающих низким тепловым расширением при повышенных температурах, и может быть использовано в опто-электронной технике, лазерной технике, для прецизионного приборостроения и в других областях, в частности, для изготовления деталей, работающих в контакте с неметаллами, например, кварцем.

Известна гамма прецизионных сплавов на основе железа, обладающих низким температурным коэффициентом линейного расширения (ТКЛР) в интервалах температур 20-300° С, 20-400° С. Это российские и зарубежные сплавы на основе железа, содержащие 28,5-38,5% никеля и 1,5-1,8% кобальта. К ним относятся сплавы, например, 30 НКД и 38 НК (ГОСТ 10994-74) и цераллой фирмы Swift Levick (Великобритания), [1, c.405]. Средний ТКЛР этих сплавов составляет в интервалах температур (× 10^-6 К^-1):

Недостаток этих сплавов заключается в том, что они не являются литейными и из них нельзя из-за низких литейных свойств, прежде всего трещиноустойчивости при литье, изготавливать фасонные отливки.

Известен прецизионный литейный сплав на основе железа, обладающий достаточной трещиноустойчивостью для изготовления сложных фасонных отливок [2], содержащий, мас.%: никель 32-33,5, кобальт 3,2-4,2, ниобий 0,4-0,8, редкоземельные элементы (церий, лантан, празеодим, неодим) в сумме 0,04-0,2, железо - остальное.

Недостатком этого сплава является высокий ТКЛР при повышенных температурах. В соответствии с техническими условиями [3] он регламентируется только в интервале температур не выше 100° С, в котором составляет _{20-100° C}≤_{1× 10^-6 К^-1.}

По данным наших испытаний средний ТКЛР этого сплава в интервале температур 20-300° С составляет 5,1-6,0× 10^-6 К^-1, в интервале температур 20-350° С до 7,1× 10^-6 К^-1.

Наиболее близким к описываемому изобретению по совокупности существенных признаков является прецизионный литейный сплав [4] следующего состава, мас.%: никель 31,5-33,0, кобальт 6,0-8,0, хром 0,1-0,25, ниобий 0,3-0,5, редкоземельные элементы (церий, лантан, празеодим, неодим) в сумме 0,05-0,25, железо - остальное.

В данном сплаве по сравнению со сплавом [3] повышена гомогенность структуры и расширены температурные интервалы, в которых обеспечивается низкий ТКЛР. Средний ТКЛР сплава в интервале температур 20-300° С составляет 3,26× 10^-6 К^-1 в соответствии с разработанными техническими условиями [5].

По данным наших испытаний сплав имеет средний ТКЛР в интервале температур 20-350° С 4,3× 10^-6 К^-1. Сплав имеет достаточный уровень трещиноустойчивости при литье для изготовления сложных фасонных отливок (в т.ч. крупногабаритных).

Однако достигнутый в этом сплаве ТКЛР при повышенных температурах не удовлетворяет требованиям его минимизации при изготовлении ряда ответственных изделий.

Изобретение направлено на разработку литейного сплава для изготовления сложных, в том числе крупногабаритных, фасонных отливок с низким тепловым расширением в широких температурных интервалах.

Технический результат, который достигается изобретением, заключается в снижении ТКЛР сплава в интервалах температур 20-300°С, 20-350° С при сохранении гомогенности структуры сплава для стабильности эксплуатационных характеристик и сохранении уровня трещиноустойчивости.

Это достигается тем, что сплав, содержащий никель, кобальт, ниобий, редкоземельные элементы и железо, дополнительно содержит молибден при следующем соотношении компонентов, мас.%: никель 31,5-33,0, кобальт 8,1-9,3, ниобий 0,25-0,5, молибден 0,15-0,3, редкоземельные элементы (церий, лантан, празеодим, неодим) в сумме 0,04-0,25, железо - остальное.

Увеличение содержания кобальта до 8,1-9,3% при содержании никеля 31,5-33,0% и введение молибдена в указанном количестве обеспечивают снижение ТКЛР сплава в интервалах температур 20-300° С, 20-350° С по сравнению с прототипом. Аномально низкий ТКЛР сплавов в системе Fe-Ni-Co имеет место до точки Кюри (Тc), ° С, выше которой ТКЛР существенно возрастает. Средний ТКЛР в интервалах положительных температур определяется уровнем оптимизации соотношения Fe, Ni и Со в сплаве и температурой перегиба кривых расширения сплавов, определяемых точкой Кюри.

Снижение среднего ТКЛР сплава в интервалах температур 20-300° С, 20-350° С для заявляемого сплава определяется новым соотношением содержания в сплаве никеля, кобальта и железа, при котором небольшое повышение ТКЛР сплава в интервале температур от 20 до 100-200° С перекрывается резким снижением ТКЛР в интервале температур 200-350° С, происходящим прежде всего за счет повышения точки Кюри. При этом молибден меньше снижает точку Кюри, чем содержащийся в сплаве - прототипе хром.

Согласно нашим исследованиям, введение в сплав молибдена вместо хрома не влияет на гомогенность сплава - количество 2-й фазы на границах структурных элементов не меняется и не влияет на трещиноустойчивость сплава при условии наличия в сплаве ниобия в заявленном количестве. Сплав обладает достаточной трещиноустойчивостью для изготовления сложных фасонных отливок.

Для обеспечения необходимой трещиноустойчивости в сплаве содержатся редкоземельные элементы (церий, лантан, празеодим, неодим), содержание которых определяется следующим: нижний предел - обеспечением связывания легкоплавких сульфидов в тугоплавкие соединения РЗМ, что обеспечивает горячеломкость сплава на достаточном для изготовления фасонных отливок уровне; верхний предел - предотвращением выпадения легкоплавкой эвтектики РЗМ - железо (никель), ответственной за несплошность структуры, негерметичность, отсутствием возможности нанесения гальванических покрытий, за горячеломкость.

При содержании молибдена в патентуемом сплаве менее 0,15 мас.% снижается трещиноустойчивость сплава. При содержании молибдена более 0,3 мас.% повышается ТКЛР и нарушается гомогенность сплава за счет появления 2-й фазы на границах структурных элементов.

Химический состав сплавов приведен в табл. 1, средний ТКЛР сплавов - в табл. 2, трещиноустойчивость сплава и образцов - в табл. 3, наличие 2-й фазы на границах структурных элементов - в табл. 4.

Плавки проводим в высокочастотных плавильных печах марок ИСТ - 0,06, ИСТ - 0,16, ИСТ - 0,4 емкостью 60, 160, 450 кг. Футеровка печей кислая. Шихтовые материалы (низкоуглеродистое железо и отходы литья) подвергались дробеструйной или пескоструйной обработке. Количество отходов не превышало 50%. Раскисление сплавов производили в печи ферромарганцем, ферросилицием, алюминием, в ковше редкоземельными металлами, вводимыми в виде мишметаллов. Отливки изготавливались методами центробежного литья, литья в сухие песчаные формы.

ТКЛР сплавов определяли на кварцевых дилатометрах. Измерения проводили на 2-3-х образцах для каждой плавки. Образцы для определения ТКЛР засасывались из ковша в кварцевые трубки. Образцы для определения наличия 2-й фазы вырезали из толстой части отливки или из узлов, прилитых к толстой части отливки.

Результаты, приведенные в табл.2, свидетельствуют о том, что ТКЛР заявленного сплава (плавки 15, 16, 17) в интервалах температур 20-300° С и 20-350° С находится в пределах 2,11-2,65× 10^-6 K^-1 и 3,30-3,59× 10^-6 К^-1 соответственно, что существенно ниже аналогичного ТКЛР сплава - прототипа (плавки 3-14), который равен 2,7-3,05 и 3,71-4,85× 10^-6 K^-1 в соответствующих интервалах температур ТКЛР заявляемого сплава после обработки холодом (при -60° С) при содержании никеля, ниобия, молибдена ниже нижнего заявленного предела (плавка 1) приводит к выпадению мартенсита ( фазы) и существенному повышению ТКЛР. Занижение содержания кобальта ниже нижнего предела не влияет на температуру выпадения мартенсита (Мн) [1].

Увеличение содержания элементов сплава выше заявленных значений (плавка 2) ведет к существенному повышению ТКЛР в интервалах температур 20-300° С и 20-350° С: _20-300 составляет 4,42× 10^-6 K^-1, _20-350=4,50× 10^-6 K^-1.

Данные по трещиноустойчивости (горячеломкости) заявляемого сплава, приведенные в табл. 3, показывают, что трещиноустойчивость заявляемого сплава соответствует трещиноустойчивости сплава - прототипа и достаточна для изготовления сложных крупногабаритных деталей методами фасонного литья (в соответствии с данными в табл.3 - литьем в песчаные формы и центробежным литьем).

Представленные в табл.4 данные по определению наличия 2-й фазы на границах структурных элементов, полученные на рентгеновском спектральном анализаторе "Cameca MS-46" и на оптических микроскопах, показывают, что необходимое для расширения интервала рабочих температур изменение химического состава сплава по сравнению со сплавом - прототипом, который внедрен в производство и на который разработаны технические условия [5], не влияет на появление 2-й фазы на границах структурных элементов. Как и в сплаве - прототипе, в заявляемом сплаве вторая фаза на границах структурных элементов отсутствует, что гарантирует гомогенность сплава и стабильность эксплутационных характеристик (размерная стабильность во времени, минимизация напряжений при изменении температуры и т.д.).

Таким образом, разработан прецизионный литейный сплав на основе железа с ТКЛР, существенно меньшим по сравнению со сплавом - прототипом для интервалов температур 20-200° С и 20-350° С при сохранении уровня трещиноустойчивости и гомогенности.

Источники информации

1. Прецизионные сплавы. Справочник. Под ред. Б.В.Молотилова, М., Металургия, 1983.

2. Сплав на основе железа, патент РФ №1096956, С 22 С 38/10, 1998.

3. Отливки из прецизионного сплава марки 32НКБЛ. Технические условия ТУ В3-27-85.

4. Сплав на основе железа, патент РФ №2183228, С 22 С 38/52, 2002.

5. Отливки из прецизионных сплавов марок 32НКХБЛ и 32НКХБЛ - 1. Технические условия ТУ 4112-001-32115414-01.

Зарегистрированы Госстандартом России за №070/008175 15.08.2001 г. (УРАЛТЕСТ).