АНАЛИЗ ПРИМЕНЕНИЯ ДАТЧИКОВ ПАРАМЕТРОВ НА ОСНОВЕ ЭЛИНВАРНОГО СПЛАВА 21НМКТ Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

Анализ применения датчиков параметров на основе элинварного сплава 21НМКТ

Ошурина Любовь Анатольевна.

кандидат технических наук, доцент кафедры материаловедения, технологии материалов и термической обработки металлов, Институт физико-химических технологий и материаловедения, Нижегородский Государственный технический университет Р Е Алексеева, rentgen@nntu.ru

Проведён теоретический анализ применения инваров для изготовления термисторов при автоматизации строительных работ. Показано, что инвары типа 21НМКТ с малым модулем упругости возможно применять в качестве датчиков параметров в строительстве. Приведены экспериментальные исследования элинварного сплава 21НМКТ после различных режимов термообработки. Определён оптимальный режим термообработки данного сплава на основании изменения механических свойств и рентгенофазового анализа. Предложены режимы термической обработки сплава 21НМКТ, в статье обсуждаются структурные превращения в этом сплаве в результате ступенчатого старения. Ренгенофазовый анализ проведён с целью обнаружения доли прерывистого превращения и присутствия интер-металлидной фазы FeCo. Обнаружены линии-сателлиты, симметрично расположенные на рентгенограммах около основных линий матрицы. Для объяснения результатов предложена модель спинодального распада. Сделаны выводы о возможности применения данного сплава для датчиков в строительстве. Ключевые слова: датчики, инвары, механические свойства, фазовые превращения, сплав 21НМКТ, спинодальный распад.

В системах автоматизации строительного производства находят применение датчики температуры, а именно термисторы. В качестве новых материалов, рекомендованных для термисторов инвар 21МКТ с малым коэффициентом модуля упругости.

Известно большое число сплавов, обладающих малым температурным коэффициентом модуля упругости (то есть элинварными свойствами) в определенном интервале температур. Такие сплавы на основе Ре содержат более 32-45% N и другие элементы. Эти сплавы имеют относительно невысокий уровень механических свойств [1].

Мартенситостареющие стали в настоящее время широко используются в различных отраслях техники, поскольку обладают высокими характеристиками прочности, пластичности и хорошей технологичностью[2]. В строительстве эти стали применяются для изготовления упругих чувствительных элементов. Расширение использования мартенситостареющих сталей в этой отрасли возможно, если они одновременно с высокими упругими характеристиками будут обладать также элин-варными свойствами, то есть малым изменением модуля упругости в некотором заданном интервале температур.

Основная цель ступенчатого старения - сознание большого числа центров от высокотемпературного старения к низкотемпературному. Основная цель такого старения - изменение степени распада твёрдого раствора и оптимального размера выделений. В результате обеспечивается высокая плотность частиц, однородность их распределения [2].

Фазовые и структурные превращения сопровождаются образованием перемещением и аннигиляцией точечных и линейных дефектов, а также перераспределением легирующих элементов. Интенсивность процессов зависит от многих технологических факторов, в том числе от температурного интервала, скоростей нагрева и охлаждения, числа превращений и др. В результате многократной аустенизации, из-за разницы удельных объёмов превращённых фаз в металле протекают процессы, свойственные нагреву слабодеформированных металлов, а именно: диффузия точечных дефектов и их сток в дислокации и границы с попутной частичной их аннигиляцией; миграция малогловых границ с поглощением дефектов; миграция межзёренных грацниц между кристаллизированными зёрнами и укрупнение последних при одновременном снижении зернограничной и поверхностной энергии. [3]

В работе [3] было установлено, что бескобальтовые мартенситно-аустенитные сплавы системы Ре - (2025%) N закалки и дисперсионного твердения в двухфазной области обладают высоким уровнем прочности, упругости и элинварными свойствами (ав=1300-1400Н/мм2, 00,005=1000-1100Н/мм2, ТКМУ=-(10-30)-10"6К"1).

Исследования проводились на образцах из элинварного сплава 21НМКТ.

Химический состав сплава приведен в таблице 1.

X X

о

го А с.

X

го т

о

ю

2 О

м

Таблица 1 Химический состав стали 21НМКТ [4]

сч

0 см

со

01

о ш т

X

<

т О X X

содержание основных элементов, %

N1 Со Мо Т1 С Si Мп Сг

Основа железо 20.5-21.5 8,5-9,5 4,5-5,5 0,6-0,9 0,03 0,1 0,2 0,3

№ режима Темп. Закалки,°С Время выдержки, мин Темпера старения ^ °С 1ступ/2ступ Время выдержки т, мин. 1ступ/2ступ

1 900±10 30 450/- 180/-

2 900±10 30 500/- 180/-

3 900±10 30 550/- 180/-

4 900±10 30 600/- 180/-

5 900±10 30 650/- 180/-

6 900±10 30 400/500 30/180

7 900±10 30 450/550 30/180

8 900±10 30 500/600 30/180

9 900±10 30 600/550 30/180

10 900±10 30 550/500 30/180

11 900±10 30 500/450 30/180

Таблица 3

Зависимость механических свойств от режимов обработки сплава 21НМКТ

Геометрия образцов: Пруток диаметром 30 мм из сплава 21НМКТ разрезан перпендикулярно оси на цилиндры высотой 10 мм и диаметром 30 мм. Затем полученные цилиндры разрезаны на 4 равных сектора. Образцы предварительно подвергнуты отжигу.

Термообработку проводили в лабораторной муфельной печи типа СНОЛ. Механические свойства изучали с помощью твердомера Роквелла ТК-2М.

Исследования изменения фазового состава, кинетики образования и изменения состояния и поведения интерметаллидных фаз в структуре при различном времени заключительного старения разработанными режимами, которые проведены после старения (таблица 2).

Высокий уровень прочности и упругости сплава 21НМКТ в сочетании с элинварными свойствами может быть достигнут при нагрева до температур двухфазной (a+Y) области, вследствие выделения при старении в мартенсите дисперсных интерметаллидных частиц, а элинварные свойства связаны с образованием 40-55% стабилизированного аустенита, обогащенного N и Мо, Т Со. [2,3]. Сплав 21НМКТ относится к высокопрочным мартенситностареющим сплавам на Fe-Ni основе.

Представляет интерес исследовать влияние различных режимов старения в двухфазной (a+Y) области на структуру и свойства сплава 21НМКТ, при этом ставилась задача получить высокие упругие характеристики при относительно высокой пластичности.

Для этого все образцы подвергали закалке от 900°С выдержка 30 мин., затем различным режимам старения представленным в таблице 2. Механические свойства определяли по ГОСТ 1497, фазовый состав по рентгенограммам полученных на дифрактомере «ДРОН-2».

Таблица 2

№ режима 5, % Ф,% ст02, МПа ств, МПа стк, МПа

1 7,67 0,55 1613 1713 3078

2 8,17 0,57 1373 1558 3084

3 8,33 0,59 1248 1460 3070

4 19,2 0,7 779 1088 2427

5 18,2 0,72 624 1024 2294

6 7,37 0,54 1498 1648 2937

7 8,83 0,58 1283 1448 2771

8 13,67 0,69 994 1238 2961

9 11,8 0,69 1018 1188 2866

10 8,43 0,60 1419 1531 2923

11 8 0,59 1495 1628 3214

1 1 ( | 1 1

< | < | 4 1

1 1 4 |

1 | 1 |

-

5 6 7 Номер режима

ст0,2, Мпа ств, М1а

Рисунок 1 - Зависимость условного предела упругости и условного предела прочности (00,2 и Ов) от режима старения.

о о <>

0 1 2 3 4 5 6 7 Номер режима

10 11 12

Рисунок 2 - Зависимость относительного удлинения (5), % от режима старения

В таблице 3 и на рисунках 1,2,3 представлены результаты исследования влияния температуры старения на механические свойства сплава.

Рентгеноструктурный анализ произведённый по режимам одноступенчатого старения показал, что при нагреве в интервале 450-650°С происходят фазовые превращения в структуре сплава 21НМКТ с изменением объёмных соотношений а и Y' фаз.

0,5

10 11 12

012345678 Номер режима

Рисунок 3 - Зависимость относительного сужения (у), % от режима старения

1800

1600

1400

г 1200

1000

800

600

400

21,5

19,5

17,5

15,5

13,5

11,5

9,5

7,5

5,5

0,75

0,7

0,65

0,6

0,55

При температуре старения 450°С в структуре сплава выделяются интерметалидные фазы FeMo, Fe2Ti, которые располагаются в структуре легированного аусте-нита и мартенсита. С увеличением температуры старения (500-650С) количество стабилизированного аусте-нита обогащенного никелем и другими элементами (Мо, Ti) увеличивается. В интервале 550-600°С скорость a^Y' превращения максимальна, при этом в сплаве снижаются прочностные характеристики и увеличивается пластичность.

При температуре старения 550°С в структуре присутствуют частицы интерметаллидных фаз (FeMo, №Ti и Fe^), а также стабилизированный аустенит. Дальнейшее повышение температуры до 600°С приводит к укрупнению частиц упрочняющей фазы, интенсивному образованию стабилизированного аустенита и к потери когерентности интерметалидных частиц FeMo, что приводит к разупрочнению сплава. При старении 650°С в структуре происходит расслоение y на упорядоченные зоны Ni3Ti (с изменённой кристаллической решёткой) и стабилизированный аустенит. Кроме того, при 650°С наблюдается возникновение модулированной структуры, характеризующий начальную стадию спинодаль-ного распада в системе, находящейся вне области термодинамически устойчивых состояний, что происходит в случае достаточно быстрого фазового перехода. Спино-дальный распад состоит в расслоении однородного вещества на различные фазы.

При спинодальном расслоение происходит однородно по всему объёму вещества, в этом отличие от за-родышеобразования (нуклеации) для метастабильных состояний. Спинодальный распад определяется встречными диффузионными потоками примесей в сплаве 21НМКТ[5].

Из 6 режимов ступенчатого старения наиболее интересным с точки зрения структуры матрицы является 8 и 9 режим (наблюдалось стремление к упорядочению структуры, возможно влияние прерывистого распада и образования фазы Ni3Ti).

Режимы 8, 9 по микроструктуре и фазовому составу схожи с режимами 4, 5, но при этом имеют лучшие прочностные характеристики.

Наиболее высокий комплекс механических свойств достигается после закалки 950°С, 30 мин и старения мартенсита при 480-500° в течении 3 часов. Однако при таком режиме нагрева под старение в структуре стали отсутствует стабилизированный аустенит и, как следствие, они не обладают элинварными свойствами (ТКМУ=-250*10-6 1/град). При высоких температурах нагрева (>500° в структуре исследованынных сталей присутствует стабилизированный аустенит.

Выводы:

1) Режим старения влияет на изменение механических свойств в сплаве, вызывая резкое изменение структуры в сторону увеличеие доли гамма штрих фазы, характеризующий стадию прерывистого распада [6].

2) Высокий уровень прочности и упругости сплава обусловлен выделением при старении в мартенсите

дисперсных интерметаллидных частиц упрочняющей фазы (Fe2Ti, Ni3Ti и FeCo);

3) Оптимальный комплекс механических свойств показал режим 10 (оо,2=1420 МПа, Ов=1530 МПа, 6=8,43%);

4) Улучшение механических свойств сплава 21НМКТ после термообработки позволяет предположить возможность применения данного сплава в датчиках параметров.

Литература

1. Молотилов Б.В. Прецизионные сплавы. Спра-вочник./Б.В. Молотилов - М.: Металлургия , 1974, 448с.;

2. Перкас М.Д., Струг М.Д., Русаненко В.В. Элинвар-ные мартенситостареющие стали с высоким пределом упругости / МиТом, 1991-№8. с40-41.

3. В. Бараз, Стрижак, «Элинварные сплавы: особенности структуры и свойств часть 1», национальная металлургия, май-июнь 2002 год.

4. Прутки из сплава 21НМКТ (ВЭС-130) Опытная партия, Технические условия ТУ 14-1-5359-98 (впервые);

5. Ошурина Л А «особенности прерывистого распада в прецизионных сплавах», труды НГТУ им. Р, Е. Алексеева. 2013. №5(102). С. 346-351.

6. Русаненко В.В., Еднерал А.Ф., Леденева О.Н. Элинварные и механические свойства мартенситно-аустенитных сплавов / МиТом, 1996 - №7. с.27-30

Analysis of the Application of Parameter Sensors Based on the Elinvar

Alloy 21NMKT Oshurina L.A.

Nizhny Novgorod State Technical University of the Alekseev

JEL classification: C10, C50, C60, C61, C80, C87, C90_

A theoretical analysis of the use of invars for the manufacture of thermistors in the automation of construction works is carried out. It is shown that invars of the 21NMKT type with a small modulus of elasticity can be used as parameter sensors in construction. Experimental studies of the 21NMKT elinvar alloy after various heat treatment modes are presented. The optimal mode of heat treatment of this alloy is determined on the basis of changes in mechanical properties and X-ray phase analysis. The modes of heat treatment of the alloy 21NMKT are proposed, and the article discusses the structural transformations in this alloy as a result of stepwise aging. The X-ray phase analysis was performed to detect the fraction of intermittent transformation and the presence of the intermetallic phase FeCo. Satellite lines were found, symmetrically located on the X-ray images near the main lines of the matrix. A spinodal decay model is proposed to explain the results. Conclusions are drawn about the possibility of using this alloy for sensors in construction. Keywords: sensors, invars, mechanical properties, phase transformations,

alloy 21NKMT, spinodal decay. References

1. Molotilov B.V. Precision alloys. Reference book. / B.V. Molotilov - M .:

metallurgy, 1974, 448s .;

2. Perkas M.D., Strug M.D., Rusanenko V.V. Elinvary maraging steels with

high elastic limit / MiTom, 1991-№8. s40-41.

3. V. Baraz, Strizhak, "Elinvarnye alloys: features of structure and properties,

part 1", national metallurgy, May-June 2002.

4. Bars from alloy 21NMKT (VES-130) Experimental batch, Specifications TU

14-1-5359-98 (for the first time);

5. Oshurina LA "Features of intermittent decay in precision alloys",

Proceedings of NSTU im. R, E. Alekseeva. 2013. No. 5 (102). S. 346351.

6. Rusanenko V.V., Edneral A.F., Ledeneva O.N. Elinvarnye and mechanical

properties of martensitic-austenitic alloys / MiTom, 1996 - No. 7. p. 2730

X X

о го А с.

X

го m

о

ю

2 О M