МЕТАЛЛЫ И СПЛАВЫ С ОСОБЫМИ СВОЙСТВАМИ

К этим металлам и сплавам относят обычно прецизионные сплавы с осо­быми свойствами теплового расшире­ния и упругости, немагнитные, коррозионностойкие и теплостойкие сплавы, термобиметаллы и другие, а также редкие элементы.

ПРЕЦИЗИОННЫЕ СПЛАВЫ С ОСОБЫМИ СВОЙСТВАМИ ТЕПЛОВОГО РАСШИРЕНИЯ

В приборостроении требуются спла­вы с различными заданными значе­ниями коэффициентов теплового расширения (табл. 1—3). Из этих сплавов представляют интерес сле­дующие.

1. Сплавы с минимально возможным коэффициентом теплового расширения (практически равным нулю) в интер­вале температур —60/+100 "С. Их используют для изготовления деталей высокоточных приборов, аппаратов, устройств, требующих стабильности размеров в интервале климатических изменений температуры. Линейные размеры таких деталей практически не изменяются при нагреве до 50—60 °С.

2. Сплавы с определенными задан­ными коэффициентами теплового расширения в интервале рабочих тем­ператур (—70/+500 °С и выше), обычно близкими или равными по вели­чине соответствующим коэффициен­там теплового расширения соединя­емых с ними материалов. Обычно эти сплавы служат для соединения с не­органическими диэлектриками (стек­лом, керамикой, слюдой, искусствен­ным сапфиром и т. д.), создавая вакуумно-плотные спаи элементов при­боров и различной аппаратуры.

3. Сплавы с заданными коэффициен­тами теплового расширения, отлича­ющимися на заданную величину (часто значительную) от соответствующих ко­эффициентов теплового расширения Других металлов или сплавов и ста­бильными в интервале рабочих тем­ператур. В этом случае сплавы служат для создания элементов приборов и аппаратуры, чувствительных к изме­нению температуры окружающей среды.

ПРЕЦИЗИОННЫЕ СПЛАВЫ С ОСОБЫМИ УПРУГИМИ СВОЙСТВАМИ

Представляют интерес сплавы с вы­соким пределом упругости, применя­емые для изготовления упругих чув­ствительных элементов приборов, с высоким неизменяющимся при изме­нении температуры модулем упру­гости, применяемые для упругих эле­ментов особо точных приборов, с вы­сокими упругими свойствами, обла­дающие коррозионной устойчивостью, теплостойкостью, немагнитностыо. Основные данные по этим сплавам приведены в табл. 4—6.

Здесь же даны свойства сплавов для растяжек (заменяющих во многих со­временных приборах обычные опоры), а также свойства самих растяжек (табл. 7—12). Сортамент прецизионных сплавов с особыми свойствами дан в табл. 13.

ТЕРМОБИМЕТАЛЛЫ

Термобиметалл — это материал, со­стоящий из двух или нескольких слоев металла или сплава с различными коэффициентами теплового расшире­ния. Слой металла или сплава (соста­вляющая, компонент) с большим коэф­фициентом теплового расширения называют активным, с меньшим — пассивным. Между активным и пас­сивным слоями может находиться про­межуточный. Слои термобиметалла прочно соединены по всей поверхности соприкосновения (обычно сваркой;

и, таким образом, представляют собой единое целое.

На различии в коэффициентах теплового расширения слоев термоби­металла, обусловливающем его способность к деформации при изменении температуры, основаны принцип дей­ствия и практическое применение в виде термобиметаллических элемен­тов.

Механизм действия термобиметалли­ческих элементов следующий: полоса, лента, диск или любой другой элемент из термобиметалла, имеющий пло­скую форму при исходной температуре, в процессе нагрева деформируется (из­гибается) за счет неравномерного рас­пределения внутренних напряжений в его сечениях, вызванного выше­указанным различием в коэффициен­тах теплового расширения его слоев. Изгиб происходит таким образом, что при нагреве слой с большим коэффи­циентом теплового расширения (испытывающий напряжения сжатия) на­ходится с выпуклой стороны, а слой с меньшим коэффициентом теплового расширения (испытывающий напря­жения растяжения) — с вогнутой сто­роны. При охлаждении термобиме­таллический элемент изгибается в противоположном направлении. Однако термобиметаллические эле­менты могут фиксировать (или изме­рять)не только изменение температуры окружающей среды, но и все измене­ния состояния, процессов, параметров, связанные с вышеуказанным измене­нием температуры. При этом термо­биметалл может выполнять функции измерительного, компенсационного, регулирующего или защитного эле­мента.

Выбор материала для термобиметалла определяется служебными требова­ниями к нему, условиями его эксплу­атации и требованиями к его изгото­влению и обработке.

Основные требования к термобиме­таллу:

-- высокая или заданная температур­ная чувствительность, выражаемая соответственно значительной или заданной, величиной удельного изгиба термобиметалла при изменении его температуры;

-- линейная зависимость деформации от температуры;

-- отсутствие механического гистере­зиса, т. е. отсутствие гистерезиса де­формации при изменении температуры. Термобиметаллический эле­мент не должен иметь остаточную де­формацию, т. е. после прекращения действия на него температуры он дол­жен возвращаться в свое первоначаль­ное положение;

стабильность размеров и свойств во времени.

Эти требования должны выполнять­ся во всем заданном интервале темпе­ратур.

Условия эксплуатации, которые необходимо учитывать при расчете термобиметаллических элементов, сле­дующие:

диапазон рабочей температуры;

характер нагрева — непосредствен­ный нагрев током или косвенный обо­грев;

характер окружающей среды, в ко­торой должен работать термобиметал­лический элемент.

По изготовлению и обработке к тер­мобиметаллу предъявляют требования хорошей свариваемости слоев, спо­собности к пластической и механиче­ской обработке. Получение опти­мальных свойств термобиметалла до­стигается подбором (т. е. определенным сочетанием) его активного и пассивного компонентов.

Высокая температурная чувстви­тельность термобиметалла получается сочетанием компонентов, значительно отличающихся друг от друга по температурным коэффициентам рас­ширения. Линейная зависимость де­формации от температуры, отсутствие гистерезиса этой деформации дости­гается в основном за счет применения для компонентов термобиметалла ма­териалов с высокими упругими свой­ствами сохраняющимися во всем диапазоне рабочей температуры. Вы­сокий предел упругости и максимально высокий модуль упругости на растя­жение в сжатие компонентов термо­биметалла в заданном интервале тем­ператур обеспечивают в процессе его работы отсутствие в нем пластической деформации. Таким образом, термо­биметаллические элементы не выходят при работе за пределы упругих деформаций, что облегчает их расчет, так как согласно закону Гука вели­чина нагрева, напряжение и деформа­ция связаны линейной зависимостью. Высокие упругие свойства компонен­тов термобиметалла обеспечивают высокую точность работы, высокие работоспособность и надежность термобиметаллических элементов, а также облегчают их изготовление и регулировку, тем самым упрощая и удешевляя производство этих эле­ментов.

При изготовлении термобиметал­лических элементов необходимо соблюдать точность заданных разме­ров, свойств и учитывать, что на усло­вия изгиба влияет неравномерность распределения температуры как по сечению, так и по длине полосы, при­нимать во внимание влияние внешних сил, собственной массы полосы, пара­метры термобиметалла при нагрева­нии и охлаждении.

Из изложенного следует, что опти­мальными свойствами должен обла­дать термобиметалл, сочетающий высокие упругие свойства и большую или заданную разность температурных коэффициентов расширения компо­нентов.

Материалы дляизготовления термо­биметалла. В качестве материалов для компонентов термобиметалла принципиально могут применяться как чистые металлы, так и сплавы. За исключением никеля, используемого для изготовления активного ком­понента, чистые металлы почти не используются, так как трудно найти металл, сочетающий необходимый комплекс свойств и технологичность, а также экономичный.

Среди сплавов наибольшее при­менение для изготовления термоби­металлов находят сплавы системы же­лезо — никель. Никель оказывает сильное влияние на физические свой­ства железа, резко изменяя его электропроводность, теплопроводность и коэффициент теплового расширения. Сплавы этой системы, содержащие бо­лее 20 % Ni, обладают особыми свой­ствами, в частности имеют особенности теплового расширения. Эти сплавы, сильно различаясь по температурным коэффициентам теплового расшире­ния, обладают высокими механиче­скими, например упругими, свойства­ми, мало отличающимися Друг от друга. Сваренный из этих сплавов, термобиметалл совершенно однороден по механическим свойствам по всему сечению и может рассматриваться как однородное тело. При этом он может обладать большой или заданной темпе­ратурной чувствительностью, что облегчает расчет прогиба и напряже­ний в термобиметаллическом эле­менте.

Наиболее интересным сплавом в этой системе, применяемым для изго­товления пассивных компонентов, является сплав, содержащий 36 % Ni, так называемый инвар (т. е. не изменяющийся). Он имеет чрезвычайно низкий коэффициент теплового рас­ширения, минимальный в этой системе (примерно в 12 раз меньший, чем у же­леза), малую теплопроводность и вы­сокое удельное электросопротивление (1,0 мкОм*м). Малым коэффициентом теплового расширения в системе Fe — Ni обладают также сплавы с еще большим содержанием никеля (до 50%).

Очень низким (практически равным нулю) и стабильным коэффициентом теплового расширения обладает сплав системы Fe — Ni, легирован­ный кобальтом (суперинвар)

Для изготовления пассивных ком­понентов применяют также сплавы системы Fe — Ni (Ni 36—48 %), легированные Сг (6 %) или Т1 (2,5 %) и Аl (0,6%).

У сплавов системы Fe — Ni в зави­симости от температуры минимальное (Хд может быть при различном содер­жании Ni. Так, при температуре до 150—170 °С минимальным a_л обладает сплав с 36 % Ni, при 200—300 °С — сплав с 42 % Ni, при 350—450 °С — сплав с 48 % Ni. Диапазон темпера­тур, где a_л не меняет или незначи­тельно меняет свою величину, также различен для этих сплавов. Рекоменду­емый рабочий интервал температур для сплава с 36% Ni 0—170°С, с 40— 42 % Ni 200—340 °С, с 46—48 % Ni 250—450 °С. Таким образом, термобиметаллы с пассивным компонентом из сплавов с 42—48 % Ni более чувствительны при высокой темпера­туре, чем термобиметаллы с ин­варом, которые целесообразно при­менять при более низкой температуре.

В качестве активных компонентов можно применять немагнитные спла­вы системы Fe — Ni, содержащие 20— 25 % Ni, которые имеют большой температурный коэффициент тепло­вого расширения, в 18—20 раз пре­вышающий a_л инвара.

Для повышения стабильности и улучшения свойств, сплавы системы Fe — Ni легируют хромом, марган­цем, молибденом. Хорошими свой­ствами обладает стабилизированный сплав Мn с присадкой Ni и Си. Он имеет высокое удельное электро­сопротивление.

Кроме системы Fe — Ni есть много сплавов с высоким a_л, но в качестве активных компонентов могут применяться немногие, а именно те из них, которые имеют модуль упругости, близкий по значению модулю упру­гости пассивного компонента, и хо­рошую свариваемость. К ним отно­сятся сплавы меди с цинком (латуни), с оловом (бронзы), с никелем и т. д.

Термобиметалл изготовляют в виде холоднокатаных нагартованных лент и полос по ГОСТ 10533—63. Химиче­ский состав металлов и сплавов для составляющих термобиметалла при­веден в табл. 14.

В зависимости от уровня свойств термобиметаллы делятся на пять групп: 1 — с высокими, 2 — с повы­шенными, 3 — со средними, 4 — с пониженными и 5 — с низкими свойствами. Заданные величины ха­рактеристик термобиметалла регла­ментированы ГОСТ 10533—63 и при­ведены в табл. 15.

Основными регламентируемыми ха­рактеристиками термобиметалла, за­висящими от определенного сочетания активного и пассивного слоев, явля­ются чувствительность к изменению температуры, электрическое сопро­тивление и рекомендуемая температура работы.

Чувствительность к изменению тем­пературы характеризуется двумя пара­метрами; величиной удельного из­гиба и коэффициентом чувствитель­ности,

Удельный изгиб А — это изгиб сво-бодного конца пластинки термоби­металла длиной 100 мм и толщиной 1 мм при нагревании на 1°С.

Коэффициент чувствительности М— это условная разность коэффициентов теплового расширения активного и пассивного слоев термобиметалла.

Рекомендуемая температура рабо­ты — это температура, до максималь­ного значения которой сохраняется достаточная чувствительность термо­биметалла (исходя из кривой изгиба, выражающей зависимость между де­формацией и температурой) Для не­которых марок термобиметалла реко­мендуемая температура работы опреде­ляется отсутствием остаточной дефор­мации после нагрева до верхнего зна­чения рекомендуемой температуры и охлаждения.

Зависимость между удельным из­гибом А и коэффициентом чувстви­тельности М:

А = 7500M/С,

где С= 1,15/1,25—эмпирический по­правочный коэффициент.

ГОСТ 10533—63 предусматривает также поставку (по требованию по­требителей) термобиметалла с задан­ными механическими, магнитными, ан­тикоррозионными и другими свойст­вами. Физико-механические и техно­логические свойства термобиметалла, не регламентируемые ГОСТом, приве­дены в табл. 16. ГОСТ 10533—63 предусматривает изготовление полос и лент (отрезков) толщиной 0,1— 2,5 мм. Толщина полос и допускаемые по ней отклонения приведены в табл. 17. Толщина лент регламентиро­вана по ГОСТ 503—71*. Ширина лент и полос находится в пределах 10— 250 мм с допускаемыми отклонениями для обрезной ленты ±0,5 мм и для полос ±10 мм. Ленты и полосы поставляются в нагартованном состоя­нии без термической обработки (сте­пень деформации 40—60%).

Термобиметалл технологичен: хо­рошо выдерживает штамповку, гибку, клепку, сварку. После проведения этих технологических операций не­обходима термическая обработка термо­биметалла, которая устраняет или уменьшает внутренние напряжения, возникающие в процессе изготовле­ния термобиметалла и изделий из них, делает стабильными свойства термобиметаллов в рабочих условиях. Стабилизирующая термообработка должна быть конечной технологиче­ской операцией, она проводится по окончании всех технологических про­цессов, вызывающих наклеп. По ГОСТ 10533—63 термическую обра­ботку термобиметалла рекомендуется проводить в вакууме или в защитной атмосфере (водород, аргон) для предохранения поверхности металла от окисления. Рекомендуемая темпера­тура стабилизирующей термообра­ботки приведена в табл. 16, Время выдержки 1—3 ч (в зависимости от массы садки), скорость нагрева иох­лаждения произвольные. Режим тер­мической обработки в каждом конкрет­ном случае рекомендуется уточнять экспериментально в зависимости от размеров и форм изделий и условий эксплуатации.

Как дополнительная операция ре­комендуется термотренировка изделий в приборах (или узлах приборов). Термотренировку следует проводить в интервале температур, соответствую­щем условиям эксплуатации приборов. После термотренировки производят окончательную тарировку прибора.

Для обеспечения высоких прочно­стных характеристик в изделиях из термобиметалла марки ТБ0921 (s_в== 1300 МПа; s_т = 1150МПа и HV370) рекомендуется производить отжиг по режиму: нагрев до температуры 630 °С, выдержка при этой температуре не менее 3 ч, скорости нагрева и охлаж­дения произвольные.

Термотренировка изделий в прибо­рах в процессе их тарировки может быть рекомендована до температуры нагрева, превышающей заданную мак­симальную температуру работы при­близительно на 50 °С.

Термобиметалл применяется для изготовления чувствительных к изме­нению температуры элементов прибо­ров, аппаратов и автоматических уст­ройств (температурные компенсаторы, тепловые реле, реле времени, чувстви­тельные элементы термометров и ре­гуляторов времени),

РЕДКИЕ ЭЛЕМЕНТЫ

Применение редких элементов (табл. 18, 19) позволяет получать спла­вы с совершенно новыми, часто весьма ценными свойствами, позволяющими, в свою очередь, усовершенствовать имеющиеся приборы, а также помо­гать созданию принципиально новых приборов.

По общепринятой технической клас­сификации редкие элементы подразде­ляются на рассеянные, легкие, туго­плавкие, радиоактивные и редкозе­мельные. В названии групп элементов заложен в краткой форме признак — основной для данной группы.