CC BY
56
УДК 621.74.04
ЗАЛЕЖНІСТЬ ЕЛІНВАРНИХ ВЛАСТИВОСТЕЙ СПЛАВУ 44НХМТ ВІД КОНЦЕНТРАЦІЇ N1, ТС
А.П. Любченко, професор, д.т.н., ДП «Завод Малишева», Д.Б. Глушкова, доцент, к.т.н., ХНАДУ,
С.М. Кучма, асистент, ДонДТУ
Анотація. Проведено дослідження впливу нікелю, хрому, титану на добротність та температурний коефіцієнт частоти сплаву 44НХМТ за допомогою методу математичного моделювання. За отриманими даними визначено оптимальні концентрації цих елементів в малогабаритних прутках зі сплаву 44НХМТ, отриманих методом динамічного старіння.
Ключові слова: елінварний сплав, термообробка, динамічне старіння, добротність, температурний коефіцієнт частоти, математичне планування, рівняння регресії, відгук.
Вступ
Для забезпечення нових розробок радіоелектронної промисловості в галузі створення мініатюрних електромеханічних фільтрів (ЕМФ) перспективним матеріалом є елінварний сплав 44НХМТ, малогабаритні прутки з якого в термообробленому стані повинні
мати температурний коефіцієнт частоти (ТКЧ) крутильних коливань не більше ±3*10-6 С-1 в температурному інтервалі від -60 °С до +85 °С при значеннях добротності не менше 25000 од.
Вирішальне значення для досягнення мінімальних значень ТКЧ більшості сучасних елінварів має вміст нікелю в
твердому розчині [1]. Для бінарних
залізонікелевих сплавів нульове значення температурного коефіцієнта модуля
пружності відповідає 29% та 45% вмісту нікелю в сплаві [2]. Проте двохкомпонентні залізонікелеві елінвари не знайшли
практичного застосування внаслідок високої чутливості ТКЧ до вмісту нікелю в сплаві.
Подальша еволюція елінварних сплавів полягала в розробці сплавів системи Fe - № - Сг, присутність хрому в яких робила менш значимою концентраційну залежність температурного коефіцієнта модуля
пружності та ТКЧ, а додаткове легування
титаном (2 - 3%) і алюмінієм (до 1%) та надавало можливість ефективного зміцнення шляхом старіння. Вміст вуглецю в таких сплавах зберігався на мінімальному рівні (зазвичай не більше 0,05%).
Аналіз публікацій
Сьогодні всі практично використовувані промислові елінвари композиції Fe - № - Сг, як показує аналіз публікацій, відносяться до класу дисперсійно-твердіючих сплавів. Досліджуваний елінварний сплав 44НХМТ відноситься до цього класу. Через це зміна вмісту в сплаві його компонентів дозволяє змінювати в процесі відпуску ступінь дисперсійного твердіння, тобто виділення з розчину дрібнодисперсних часток інтерметалідних фаз. Найбільш важливе значення для формування термопружних властивостей має
у'-фаза №з ^е, Ті, А1) [3]. Виділяючись з твердого розчину в процесі дисперсійного твердіння за безперервним (по всьому об’ємі сплаву) та перерваному (по границях зерен і дефектах структури) механізмах, у'-фаза обумовлює розпад твердого розчину, змінюючи вміст в ньому нікелю, титану та інших компонентів, і тим самим впливаючи на ТКЧ резонаторів ЕМФ.
Прутки зі сплаву 44НХМТ діаметром 4,5 мм є основним напівфабрикатом для
виготовлення ЕМФ. Проведені дослідження на прутках діаметром 4,5 мм показали можливість одержання комплексу елінварних властивостей, відповідаючи світовому рівню [5]. Можливість одержання таких
властивостей у металургійних
напівфабрикатах визначається операцією рихтування. Рихтування прутків з
використовуванням косовалкого пристрою, що застосовується у рихтувальному верстаті «Кизерлинг», дозволяє підвищити рівень добротності до 25000 - 30000 [5]. Однак, забезпечення поєднання в прутках малого ТКЧ та високої добротності зустрічає такі труднощі, як відсутність спеціалізованого обладнання для якісного рихтування прутків. Використання прутків діаметром 4,5 мм для виготовлення резонаторів ЕМФ зумовлює великі втрати коштовного металу та високу трудомісткість їх виготовлення.
У стані постачання сплав 44НХМТ не задовольняє вимогам, необхідним для створення резонаторів канальних ЕМФ. Аналіз публікацій показав, що в останні роки успішно розробляються та впроваджуються нові методи зміцнення різних металів та сплавів. Одним з таких методів є динамічне старіння (ДС). Як показали дослідження, ДС при високих температурах дає можливість отримання малогабаритних прутків зі сплаву 44НХМТ, обминувши процес рихтування. Крім того, ДС не тільки підвищує міцнісні та пластичні властивості сплаву, а й добротність сплаву, знижує чутливість ТКЧ до точності підтримання температури послідуючого старіння, забезпечує велику розмірну стабільність резонаторів ЕМФ. Однак при цьому необхідне коректування хімічного складу сплаву 44НХМТ.
Мета та постановка задачі
Для резонаторів канальних ЕМФ
недостатньо тільки високої температурної стабільності частоти. Необхідним є сполучення нульового значення ТКЧ та високої добротності.
Тому основним завданням
експериментальних досліджень є вивчення впливу нікелю, хрому і титану на ТКЧ та добротність сплаву 44НХМТ та визначення оптимальних концентрацій цих елементів, які б забезпечували одержання ТКЧ менше, ніж ±3*10-6 °С і добротності понад 25000.
Методика та результати досліджень
Дослідження впливу концентрації №, Сг, Ті на елінварні властивості сплаву 44НХМТ проводилися за допомогою методу математичного моделювання. Методики визначення добротності та ТКЧ наведені в [3]. План експерименту є репліка 23-1 повного факторного експерименту. За основний рівень експерименту був прийнятий сплав з вмістом хімічних елементів, що відповідає вимогам технічних умов ТУ14-1-3057-80 на прутки зі сплаву 44НХМТ, який відрізняється від розрахункового хімічного складу зниженим вмістом Сг на 0,4%. Всі досліджувані сплави леговані цирконієм у кількості 0,05%. Інтервали варіювання легуючих елементів були вибрані відповідно до технічних вимог на марочний склад сплаву. В якості відкливків були прийняті значення ТКЧ в межах температур від -60 °С до +20 °С і від +20 °С до +85 °С.
У ході дослідження було отримано рівняння вигляду
Уі = Ь0 + Ь1 -*1 + Ь2 -*2 + Ь3 -*3 , (1)
де х1 - вміст в сплаві №, *2 - вміст в сплаві Сг, *3 - вміст в сплаві Ті; Ъ1, Ъ2, Ъ3 - коефіцієнти рівнянь регресії, які розраховуються за формулою
Ь = 1*^, (2)
п
де п - число відгуків (дослідів); *і - кодоване значення; уі - значення, отримане при досліді.
Одержані математичні моделі дозволяють зробити висновок, що для досягнення високого рівня добротності необхідно виконання двох умов:
1) проведення термічної обробки в зоні оптимальних температур старіння 550-650 °С (максимальні значення добротності досягаються після старіння при температурі 650 °С);
2) підтримання в сплаві титану на верхньому рівні - 3,1% (при підтриманні на верхньому рівні величина добротності в сплаві перевищує одержувані значення добротності в проволоці після старіння при температурі
500 °С більше, ніж в 2 рази і складає понад 60000 од.).
Перша умова випливає з аналізу значень коефіцієнта Ь0 для добротності та його зміну при термообробці. Друга умова визначається на основі аналізу рівнянь регресії для добротності Q. Розглянувши рівняння, отримане після термообробки (650 °С - 2 год)
Q650 = (46,67 - 1,5 хі + 0,75 Х2 + 13,02 Хз)х
X 103, (3)
бачимо, що Ті (х3) підвищує добротність у 8-12 разів ефективніше, ніж № (х1) чи Сг (х2). Про це свідчать коефіцієнти регресії Ь/. При низьких температурах старіння ефективність впливу Ті знижується.
В прутках після ДС рівень добротності підвищується. Особливо підвищується добротність після ДС та старіння при низьких температурах (500-600 °С)
Q500дc-7oo = 43,33 - 3,63x1 - 1,27x2 +
+ 17,93x3. (4)
За планом експерименту були виплавлені плавки 105ПЕ, 205ПЕ, 305ПЕ, 405ПЕ,
605ПЕ, 705ПЕ, 805ПЕ. Перевірка отриманих рівнянь проводилася по плавках 605ПЕ, 705ПЕ, 805ПЕ. Нуль-гіпотеза перевірялася по плавці 605ПЕ, що була виплавлена у центрі плану експерименту, а перевірка передбачених значень властивостей - на сплавах з підвищеним вмістом нікелю плавок 705ПЕ, 805ПЕ. Порівняння розрахованих і фактично отриманих значень ТКЧ та добротності показало їх практичну придатність.
Максимальне відхилення в межах марочного складу може складати 25-26 одиниць ТКЧ.
ТКЧ сплаву 44НХМТ дуже чутливий до зміни хімічного складу. Проведені дослідження демонструють, що в залежності від обраної температури старіння при зміні хімічного складу сплаву на 0,5% вагового вмісту нікелю ТКЧ змінюється на 3 одиниці;
0,4% вагового вмісту хрому і титану -змінюється на 11,2 - 11,6 одиниць.
В усіх виплавлюваних за планом експерименту сплавах ТКЧ додатний.
Зниження хрому на 0,4% вагового вмісту призвело до зменшення різниці між ТКЧ при температурі
-60 °С і ТКЧ при температурі +85 °С. З усіх досліджуваних за планом експерименту сплавів тільки сплав плавки 305ПЕ має близькі до нуля значення ТКЧ, але через велику різницю між ТКЧ при температурі -60 °С і ТКЧ при температурі +85 °С (до 9 од.) сплав не задовольняє вимогам, щодо напівфабрикатів резонаторів ЕМФ за ТКЧ.
ч "X
, , 'ч ^ 700°С 650*с"
ччч 600вС 550°СЧЧ
700вС " 650вС
600вС
550вС
43 44 45 46
Вміст нікелю, ваг. %
.... Титан 3,1%
——— Титан 2,3%
Рис. 1. Розрахункові концентрації нікелю та хрому, які забезпечують нульові значення ТКЧ
Одержані математичні моделі, які описують зміну властивостей в залежності від хімічного складу сплаву 44НХМТ, були використані для визначення оптимального складу в сплаві хрому, титану. Для цього були обчислені концентрації № та Сг при фіксованому значенні титану, які забезпечують одержання нульового ТКЧ. Одержані номограми
(рис. 1) для нульових значень ТКЧ при вмісті титану на нижньому (2,3%) і верхньому (3,1%) рівні показують, що при вмісті титану 2,3% зона нульових значень ТКЧ відповідає вмісту хрому від 5,0 до 5,4%. Збільшення
концентрації титану в сплаві до 3,1% знижує зону нульових значень ТКЧ при вмісті хрому 4,1 - 4,9%. Сплави з вмістом 45 - 45,5 % нікелю та високим вмістом титану мають більш високу добротність. Концентрації нікелю та хрому обраховані для оптимальних температур старіння від 550°С до 700°С. Сплави з підвищеним вмістом нікелю мають меншу різницю між ТКЧ при температурі -60 °С і ТКЧ при температурі +85 °С.
Висновки
У ході проведених досліджень встановлено, що існують широкі можливості одержання нульового значення ТКЧ за рахунок підбору температури старіння і більш широкого діапазону за концентрацією хрому від 4,1 до 4,9%. Найбільш стабільні елінварні властивості (ТКЧ та добротність) забезпечуються при температурі старіння 650 -700 °С. Проведені дослідження дозволяють вважати оптимальним такий хімічний склад малогабаритних прутків зі сплаву 44НХМТ:
№і= 44,5 - 45,5%; Сг = 4,1 - 4,9%;
Ті =2,8 - 3,2%.
Література
1. Saito H. Elinvar-type alloys. Ferromagnetic
elinvar-type alloys // Phys. and Appe. Invar alloys. - Tokyo - 1978. - P. 550 - 594.
2. Белов К.П. Упругие, тепловые и электри-
ческие явления в ферромагнетиках. - М: ГИТЛ, 1957. - 279 с.
3. Власова Е.Н., Маторин В.И., Зайцева Г.А.
Структурные превращения в диспер-сионно-твердеющих элинварных сплавах на основе Fe - Ni // ФММ. - 1978. -Т.46. - №2. - С. 304-309.
4. Джонсон Р. Механические фильтры в элек-
тронике. - М.: Мир, 1986. - 406 с.
5. Власова Е.Н., Маторин В.И. Структурные
особенности и упругие свойства элинварных сплавов типа 44НХМТ. Прецизионные сплавы. - М. - 1979. - №5. -С.78 - 86.
6. Кучма С.Н. Исследование влияния режи-
мов термической обработки на физикомеханические и элинварные свойства сплава 44НХМТ / Восточно-европейский журнал передовых технологий. -2005. - №6/1(18). - С.27 - 29.
Рецензент: О.1. П’ятак, професор, д.ф.-м.н., ХНАДУ.
Стаття надійшла до редакції 14 червня 2GG7 р.
