Сплавы с заданным коэффициентом термического расширения

 

Сплавы с заданным коэффициентом термического расширения составляют одну из важнейших групп прецизионных сплавов.

Тепловое расширение – это увеличение линейных размеров и объёмов тел, происходящее при увеличении их температуры. Линейное тепловое расширение характерно для твёрдых тел. Объёмное тепловое расширение характерно для твёрдых тел и жидкостей. Линейное тепловое расширение характеризуется коэффициентом a (К^-1), а объёмное тепловое расширение – коэффициентом b (К^-1):

 

,

,

 

где l и V – соответственно длина и объём тела при температуре t, °С; l₀ и V₀ - соответственно длина и объём тела при температуре 0°С. Для твёрдого изотропного тела между коэффициентами a и b существует связь:

 

.

 

Более точными являются формулы:

 

,

 

где a и b – коэффициенты, определяемые экспериментально для каждого сплава.

Коэффициент линейного расширения изменяется с изменением температурного интервала нагрева тела. Для большинства твёрдых тел a = (10^-6 – 10^-5) К^-1. Например, для чистого железа получена такая зависимость:

 

.

 

Аномалии термического расширения наблюдаются во многих бинарных сплавах. Существует две группы сплавов с заданным ко -

эффициентом термического расширения: сплавы с аномально низким значением коэффициентом термического расширения (a»10^-7 К^-1); сплавы с аномально высоким значением коэффициентом термического расширения.

В основе создания той или иной группы сплавов положен принцип экспериментального поиска аномалий коэффициента термического расширения в зависимости от химического состава сплава (рисунок 3.1).

 

Рисунок 3.1 - Зависимость коэффициента термического расширения от состава для некоторых бинарных сплавов

 

В зависимости от назначения сплавы с аномалией коэффициента термического расширения должны обладать также хорошими механическими свойствами. Их используют для изготовления измерительных инструментов, которые не должны изменять свои размеры в определённом интервале температур, для изготовления многочисленных устройств вакуумной техники и пр.

Наибольшее применение получили сплавы на основе системы Fe – Ni. Аномалия коэффициента термического расширения сплавов на основе системы Fe – Ni имеет ферромагнитную природу: он минимален лишь в очень узком интервале содержания Ni, где он почти на порядок меньше, чем у чистых железа и никеля.

Среди бинарных железоникелевых сплавов с низким коэффициентом линейного расширения известен и всесторонне изучен сплав инвар. Его аналог – это сплав 36Н. При помощи специальной термомеханической обработки можно ещё более понизить и стабилизировать характерный для инвара весьма низкий коэффициент термического расширения.

Сплав суперинвар (32НКД) имеет ещё более низкий, чем у инвара коэффициент термического расширения и содержит небольшое количество легирующих элементов Co и Cu. Отличительной особенностью сплава 35НКТ является сравнительно высокие механические свойства, приобретаемые в результате дисперсионного твердения. Основные характеристики сплавов с низким и заданным коэффициентами температурного расширения приведены в таблице 3.1.

 

Таблица 3.1-Основные характеристики сплавов с низким и заданным коэффициентами температурного расширения

Сплав	a ср.×105, К-1	Точка Кюри, °С	r, мкОм×м	Е, МПа	s в, МПа	d,%	НС, А/м
Сплав с низким коэффициентом температурного расширения
36Н	1,5 (20 – 100 °С)	220	0,82	14800	447	45	12,7
32НКД	1 (20 – 100 °С)	220	0,78	14100	451	41	12,7
35НКТ	3,5 (20 – 100 °С)	210	0,85	–	1110	17,5	15,1
Сплав с заданным коэффициентом температурного расширения
47НД	9,5 (20 – 300 °С)	450	0,45	14700	510	40	22,3
47НХР	9,0 (20 – 300 °С)	340	0,9	13700	510	40	19,9
18ХМТФ, 18ХТФ	11,3 (20 – 500 °С)	580	0,62	22000	490	28	127,3

 

Повсеместное признание получил сплав ковар (29НК). Этот сплав имеет низкий коэффициент температурного расширения в широком интервале положительных и отрицательных температур. Образующиеся в процессе пайки на поверхности этого сплава оксиды легко и полностью растворяются в определённых сортах тугоплавких стёкол, что является предпосылкой получения плотного и прочного спая.

На практике для сплавов, подобных 29НК, требуется ещё больше уменьшить значение коэффициента термического расширения или увеличить температуру Кюри, то есть расширить температурную область использования сплава. Для удовлетворения подобных требований разработаны две модификации сплава 29НК: 30НКД, 33НК.

К сплавам с заданным коэффициентом температурного расширения следует отнести и сплавы с особо высоким коэффициентом температурного расширения. Такие сплавы созданы на основе Mn. Из числа промышленных сплавов на основе Mn следует выделить сплав 75ГНД: он успешно применяется в производстве термостатических биметаллов в качестве их активной составляющей. Сплав с низким коэффициентом температурного расширения используется для изготовления пассивной составляющей. Коэффициент температурного расширения сплава 75ГНД в несколько десятков раз больше, чем у сплавов, применяемых для изготовления пассивной составляющей.