CC BY
54
Сведения об авторах
Балонин Николай Алексеевич - д-р техн. наук, проф. Санкт-Петербургского государственного университета аэрокосмического приборостроения (СПбГУАП). E-mail: [email protected].
Сергеев Михаил Борисович - д-р техн. наук, проф., директор НИИ информационно-управляющих систем Национального исследовательского университета информационных технологий, механики и оптики. E-mail: [email protected].
INFORMATION ABOUT THE PAPER IN ENGLISH
M-MATRICES AND CRYSTAL STRUCTURES
Balonin Nikolaj Alekseevich - D.Sc. (Eng.), professor Saint Petersburg State University of Aerospace Instrumentation (SUAI). E-mail: [email protected]
Sergeev Mikhail Borisovich - D.Sc. (Eng.), professor, Director of Information and Control Systems Institute, Saint Petersburg National Research University of Information Technologies, Mechanics and Optics. E-mail: [email protected].
Abstract. This article provides an overview of Minimax orthogonal Hadamard, Mersenne, Fermat and Euler matrices. The elementary basis of these matrices and low-levels orthogonal matrices with the shown structures are considered. The models of chemical elements, based on the relationship of the periodic table of Mendeleev with the theory of numbers, and the advantage of bases, giving the spatial characteristics, are explained. Examples of mathematical models of alloys in the form of quasicrystals solving theoretical difficulties of the official crystallography are clarified.
Keywords: crystal structures, orthogonal matrices, Hadamard matrices, Mersenne primes, Fermat numbers.
References
1. Shechtman D., Blech I., Gratias D., Cahn J. W. Metallic Phase with LongRange Orientational Order and No Translational Symmetry. Physical Review Letters, 1984, vol. 53, pp. 1951-1953.
2. Penrose R. Pentaplexity. Evreka. 1978, vol. 39, pp. 16-22.
3. Hadamard J. Résolution d'une question relative aux déterminants. Bulletin des Sciences Mathématiques 17: 1893, P. 240-246.
4. Balonin N.A. Mersenne matrices of 11-th h 19-th order existence. Infor-matsionno-upravlyayushhie sistemy [Information and Control Systems]. 2013, no. 2, pp. 90-91.
5. Balonin N.A., Sergeev M.B., Mironovsky L.A. Calculation of Hadamard-Mersenne Matrices. Informatsionno-upravlyayushhie sistemy [Information and Control Systems]. 2012, no. 5, pp. 92-94.
6. Balonin N.A., Sergeev M.B., Mironovsky L.A. Calculation of Hadamard-Fermat Matrices. Informatsionno-upravlyayushhie sistemy [Information and Control Systems]. 2012, no. 6, pp. 90-93.
7. Balonin N.A., Sergeev M.B. Hadamard-Euler matrix calculation by two methods Informatsionno-upravlyayushhie sistemy [Information and Control Systems]. 2013, no. 1, pp. 7-10.
8. Balonin N.A, Sergeev M.B. M-matrices. Informatsionno-upravlyayushhie sistemy [Information and Control Systems]. 2011, no. 1, pp. 14-21.
9. Balonin Yu.N., Sergeev M.B. M-matrix of the 22nd Order. Informatsionno-upravlyayushhie sistemy [Information and Control Systems]. 2011, no. 5, pp. 87-90.
УДК 669.018.58.017
Чукин М.В., Голубчик Э.М., Кузнецова A.C., Родионов Ю.Л., Корме И.А., Бухвалов Н.Ю., Касаткин A.B., Подузов Д.П.
РАЗРАБОТКА КОМПОЗИЦИЙ МНОГОФУНКЦИОНАЛЬНЫХ СПЛАВОВ ИНВАРНОГО КЛАССА С РАСШИРЕННЫМИ ЭКСПЛУАТАЦИОННЫМИ ХАРАКТЕРИСТИКАМИ*
Аннотация. Рассмотрены современные требования и подходы к получению новых сплавов с повышенными физико-механическими характеристиками, а также области их применения. Представлены базовые принципы разработки композиций инварных сплавов с высокими показателями механических свойств при низких значениях температурного коэффициента линейного расширения. Проанализировано влияние химических составов на достижение расширенного диапазона эксплуатационных свойств многофункциональных сплавов на примере железоникелевых композиций. Приведены результаты исследований влияния легирующих элементов на коррозионную стойкость высокопрочных инварных сплавов.
Ключевые слова, многофункциональные сплавы, инвары, прочность, термодеформационное упрочнение, температурный коэффициент линейного расширения.
На настоящем этапе развития техники и технологий одним из ведущих направлений является разработка и внедрение новых материалов, обладающих сочетанием уникальных физико-механических и экс-
* Работа проведена в рамках реализации комплексного проекта по созданию высокотехнологичного производства, выполняемого с участием российского высшего учебного заведения (договор № 02.G25.31.0040; программы стратегического развития университета на 2012 — 2016 гг. (конкурсная поддержка Минобразования РФ программ стратегического развития ГОУ ВПО), а также гранта в форме субсидии на поддержку научных исследований (соглашение № 14.В37.21.0068).
плуатационных свойств. Новые материалы для современной техники должны обладать не только определенным уровнем основных характеристик, но и удовлетворять целому комплексу дополнительных требований. В частности, в ряде случаев необходимо обеспечить высокую стабильность геометрических форм и размеров отдельных частей или всего изделия при изменении рабочей температуры. Для этой цели используют специальные сплавы на железоникелевой основе - инварные сплавы. Основным свойством инварных сплавов является низкая величина температурного коэффициента линейного расширения (ТКЛР). Сплавы инварного класса благодаря их уни-
Разработка композиций многофункциональных сплавов.
Чукин М.В., Голубчик Э.М., Кузнецова А.С. и др.
кальным тепловым свойствам являются перспектив -нымп материалами для использования в различных областях точного машино- и приборостроения. Потребность промышленности в таких сплавах обусловлена тем, что конструкторские разработки большинства изделий усовершенствованы до такой степени, что практически исчерпаны возможности используе-мых в них материалов и, следовательно, невозможно существенно повысить качество и эксплуатационные свойства этих изделий. Получить принципиально новые технические характеристики изделий на основе инваров можно, если при их изготовлении использовать качественно новые материалы, композиции сплавов и технологии их производства [1-4].
Широко используемые в настоящее время инвар-ные сплавы имеют ряд недостатков - низкий уровень прочностных свойств и добротности при механических колебаниях, неудовлетворительную коррозионную стойкость и др. Низкие механические свойства затрудняют использование материалов на основе инваров в высоконагруженных или крупногабаритных конструкциях. Эти недостатки в значительной степени ограничивают области применения известных ин-варных сплавов, а также уменьшают эффективность их использования.
В ФГБОУ ВПО «МГТУ» совместно с учеными ЦНИИЧЕРМЕТ им. П.И. Бардина и специалистами ОАО «Мотовилихинские заводы» (г. Пермь) проводится комплекс исследований по созданию мно-гофункциональных сплавов на железоникелевой основе, обладающих минимальным ТКЛР и высоким уровнем механических свойств [5].
Изучались два типа высокопрочных инварных сплавов. Сплавы первого типа должны иметь минимальное тепловое расширение ТКЛР < 0,5-10-6 К-1 в широком диапазоне рабочих температур (-70 - +100°С), повы-шенную твердость (выше, чем у «традиционного» сплава 36Н), улучшенную обрабатываемость резанием и низкую температуру начала мартенситного превращения (ниже -80°С). ТКЛР сплавов второго типа должен быть близок к тепловому расширению керамики, кремния, пьезокерамики и тугоплавких стекол, или, другими словами, находится в диапазоне (2,5 - 7,5)-10-6К-1. При применении этих сплавов в ответственных изделиях повышенной точности, работающих в условиях, отличных от климатических, требуется сочетание комплекса свойств, а именно заданного ТКЛР, высокой прочности, высокой добротности при механических колебаниях в диапазоне температур от -80 до +150°С.
Базовыми для разработки таких материалов были выбраны сплавы системы Бе-№-Со с добавками углерода и ванадия. Выбор данных композиций обусловлен нижеизложенными принципами.
Добавки углерода в железоникелевые сплавы приводят к уменьшению величины ТКЛР, а также к упрочнению этих сплавов. Установлено, что в аусте-ните сплавов Бе-№(28 - 35%)-С(0,1 - 1,0%) образуются концентрационные неоднородности: области, обогащенные углеродом и обедненные никелем, а также области, обогащенные никелем и обедненные углеродом [6, 7].
Посредством термодеформационного нанострук-турирования сплавов Бе-№-С можно в значительной мере снизить ТКЛР при одновременном повышении прочностных свойств. Кроме того, известно влияние карбидообразующих элементов, в частности ванадия, на тонкую атомно-кристаллическую структуру и физи-ко-механические свойства сплавов системы Бе-№-С. Показано, что в результате нагрева при 500 - 700°С происходит перераспределение атомов, при этом атомы углерода уходят из областей, содержащих никель, и образуют карбиды.
Наиболее значительное повышение механических свойств - твердости до 3500 Н/мм2, временного сопротивления разрыву более 800 Н/мм2 (при сохранении низкого термического расширения инварных сплавов), обеспечивается перераспределением атомов на ранних стадиях старения, когда размер частиц не превышает 100 нм, а появление карбидной фазы еще не регистрируется дифракционными методами. В ходе исследований установлено, что в сплавах Бе-№-С с концентрацией никеля менее 34% понижение ТКЛР наблюдается при увеличении содержания углерода от 0 до 0,4 - 0,6%, а при дальнейшем росте его концентрации величина ТКЛР меняется слабо. Это связано с тем, что при концентрации углерода в сплаве выше 0,4% содержание углерода в твердом растворе не повышается, а избыточный углерод выделяется в виде графита. Таким образом, наиболее эффективным, с точки зрения воздействия на ТКЛР, оказывается легирование углеродом при концентрациях ниже 0,4%. Кроме того, добавки углерода в сплавы Бе-№ вблизи инварного состава расширяют интервал температур, в котором сохраняется низкое значение ТКЛР, и понижают температуру начала мартенситного превраще-ния Мн, то есть увеличивают морозостойкость сплава.
На рис. 1 приведены результаты измерений ТКЛР железоникелевых сплавов с разным содержанием никеля и углерода. Как видно, по мере увеличения содержания углерода в сплавах, содержащих менее 34% никеля, происходит понижение ТКЛР. С повышением содержания углерода концентрация никеля, отвечающая минимальному значению ТКЛР, уменьшается, а его значение несколько возрастает.
ТКЛР2оюо*106, к"1
Рис. 1. Зависимость ТКЛР сплавов Ре-1\11-С от концентрации никеля и углерода
Важной особенностью сплавов Бе-М-С является то, что добавки углерода в железо-никелевые сплавы расширяют температурный диапазон, в котором сохраняется пониженное значение ТКЛР. В частности, в углеродсодержащем сплаве Ре-34%№-0,4%С диапазон температур, в котором сохраняется низкое значение ТКЛР, почти на 80°С шире, чем в сплаве без углерода (рис. 2).
ТКЛР*106, К"1
4
3 2
1
О 100 200 300
Температура °С
Рис. 2. Температурная зависимость ТКЛР сплавов
36Н (1) и Fe-34%Ni-0,4%C (2)
Такое влияние углерода на расширение темпера -турного диапазона, в котором сохраняется пониженное значение ТКЛР, обусловлено как повышением температуры Кюри, так и возрастанием степени магнитной негомогенности железоникелевых сплавов при увеличении содержания углерода.
Так как углерод расширяет интервал температур, при которых сохраняются низкие значения ТКЛР, и понижает температуру начала мартенситного превращения Мн, то для улучшения свойств сплава типа 32НК целесообразно легирование углеродом в концентрациях 0,1-0,3%.
На основании проведенных исследований установлено, что величина ТКЛР, близкая к 0,5-10-6 К-1 в достаточно широком температурном диапазоне (-100 ^ +100°С), в сочетании с повышенным уровнем механических свойств наблюдается при следующем составе: Ре-(32-34)%№-(2-4)%Со-(0,1-0,2)%С.
При создании сплавов второго типа (ТКЛР 2,5-7,5-10-6 К-1) исходили из того, что для повышения прочностных характеристик и добротности можно добиться путем закрепления дислокаций. Эффективным способом, позволяющим реализовать эти процессы, является введение атомов примесей внедрения, которые обладают высокой энергией связи с дислока-циями, а также элементов, образующих с внедренными атомами соединения. В качестве примеси внедрения может быть использован углерод. Согласно имеющимся литературным данным углерод закрепляет дислокации при сравнительно низких температурах ~100°С. Образование карбидов, например ванадия, при нагреве сплавов выше 600°С может приводить к дальнейшему закреплению дислокаций и, соответственно, к повышению прочности и добротности.
В связи с этим, в качестве базового был выбран сплав на основе системы железо-никель-углерод-ванадий. Содержание углерода следует выбирать таким образом, чтобы часть его (0,2^0,3%) шла на образование карбида ванадия, а другая часть (0,3 ^ 0,4%) оставалась в твердом растворе. Таким образом, при содержании ванадия 1-1,5% общее содержание углерода в сплаве должно находиться в интервале 0,4^0,7% (Ре-(32^34)%№-(3^4)%Со-(0,4^0,7)%С-(1^1,5)%У).
С другой стороны, из кривых зависимости ТКЛР от содержания никеля и углерода, подобных приведенным на рис. 1, было установлено, что величина ТКЛР, близкая к 2,5-10 6К-1, наблюдается при ~ 34% N1, ~ 0,2% С и ~1%У. Для снижения температуры Мн и расширения температурного интервала с низкими значениями ТКЛР в твердом растворе необходимо иметь примерно 0,3 ^ 0,4% углерода, так что общее содержание углерода в сплаве также составляет 0,4 - 0,7%. Дополнительного снижения температуры Мн можно достигнуть и небольшим повышением концентрации ни -келя. Таким образом, в качестве базового состава высокопрочного инварного сплава второго типа с низким ТКЛР может быть рекомендован следующий: Ре-(32^34)%№-(3^4)%Со-(0,4^0,7)%С-(1^1,5)%У.
Сплавы на основе системы Бе-М-С имеют невысокую коррозионную стойкость в условиях повышенной влажности и морского тумана. В связи с этим в рамках настоящих исследований была поставлена задача разработать сплав с повышенной коррозионной стойкостью в условиях высокой влажности и солевого тумана, высокими прочностными характеристиками, низкими и заданными (для согласования с керамикой) значениями температурного коэффициента линейного расширения (~0,5-10-6 К-1), повышенной морозостойкостью и высокой добротностью. За основу был принят коррозионностойкий инварный сплав 54К9Х, который обладает высокой коррозионной стойкостью. Основными недостатками этого сплава являются узкий диапазон концентраций компонентов, в котором реализуются низкие значения ТКЛР и вы -сокая температура начала мартенситного превращения (~-30--50°С). Причем мартенситное превращение происходит не только в результате охлаждения, но и при деформации происходящей в процессе механической обработки при изготовлении из сплава изделий. С целью устранения перечисленных недостатков было предложено ввести углерод в сплавы системы Бе-Со-Сг. Добавки углерода расширяют температурную область существования у-твердого раствора и тем самым стабилизируют у-фазу к последующим превращениям при охлаждении и деформации. Также добавки углерода приводят к упрочнению сплава и к расшире -нию температурного интервала, в котором реализуется низкое значение ТКЛР. Таким образом, для обеспече-ния высоких коррозионных свойств, минимлаьных значений ТКЛР и высоких прочностных свойств была предложена следующая композиция химических элементов многофункционального сплава: кобальт -44,0-53,0%, хром - 9,0-11,0%, углерод - 0,05-0,4%.
1 / 2.
Разработка композиций многофункциональных сплавов.
Чукин М.В., Голубчик Э.М., Кузнецова A.C. и др.
Выводы
В ходе проведенных исследований по характеру формирования физико-механических и эксплуатационных характеристик многофункциональных сплавов инварного класса были разработаны базовые композиции, обеспечивающие высокие значения прочностных свойств в сочетании с низкими значениями ТКЛР и повышенной коррозионной стойкостью.
Список литературы
1. Рабинович С. В., Харчук М. Д., Черменский В. И. О влиянии микроликвации никеля на тепловое расширение литейных железоникеле-вых сплавов // Изв.вузов. Черная металлургия. 1994. № 10. С.29-32.
2. Температурный коэффициент линейного расширения литейных инваров Fe-Ni и суперинваров Fe-Ni-Co / Огородникова О.М., Черменская Е.В., Рабинович C.B., Грачев C.B. // ФММ. 1999. Т.88. №4. С.46-50.
Сведения об авторах
3. Пат. 2183228 РФ. Литейный сплав на основе железа / Рабинович С.В., ХарчукМ.Д., Черменский В.И. и др. Опубл. 10.06.2002. Бюл. № 16.
4. Перспективы производства высокопрочной стальной арматуры из высокоуглеродистых марок стали / Чукин М.В., Гун Г.С., Корчунов А.Г., Полякова М .А. // Черные металлы. 2012, дек. С. 8-15.
5. Реализация проекта малотоннажного производства наноструктуриро-ванных заготовок из многофункциональных сплавов со специальными свойствами / Чукин М.В., Гун Г.С., Голубчик Э.М., Кузнецова А.С., Бухвалов Н.Ю. // XIV Intrnational scientific conference «New technologies and achievements in metallurgy and materials engineering». A collective monograph edited by prof. dr hab inz. Henrek Dyja, dr hab. inz. Anna Ka-walek, prof. PCz. Chapter 1. Series: Monografie Nr 24.Polish. Czestochowa. 2013. C.374-379.
6. Rodionov Y.L., Mogutnov B.M., Shaposhnikov N.G., Korms I.A., Pozdnya-kov V.A., Mishanin S.V., Malinov V.I. Alloys with thermal expansion matching to electrolyte materials for solid oxide fual cells. Inter. J. of Materials Research. vol. 101, July 2010.
7. Высокопрочные инварные сплавы / Родионов Ю.Л., Щербедин-ский Г.В., Максимова О.П., Юдин Г.В. // Сталь. 2000. №5. C. 76-80.
Чукин Михаил Витальевич - д-р техн. наук, проф., проректор по научной и инновационной работе, зав. кафедрой машиностроительных и металлургических технологий ФГБОУ ВПО «Магнитогорский государственный технический университет им.Г.И. Носова». Тел.: 8 (3519) 29-84-04. E-mail: [email protected].
Голубчик Эдуард Михайлович - канд. техн. наук, доц. кафедры машиностроения и металлургических технологий ФГБОУ ВПО «Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И. Носова». E-mail: [email protected].
Кузнецова Алла Сергеевна - научный сотрудник ФГБОУ ВПО «Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И. Носова». Тел.: 8 (3519) 29-85-12.
Родионов Юрий Львович - д-р физ.-мат. наук, главный научный сотрудник, ЦНИИчермет им. И.П. Бардина, г. Москва.
Корме Ирина Антоновна - научный сотрудник ЦНИИчермет им. И.П. Бардина, г. Москва.
Бухвалов Николай Ювенальевич - генеральный директор ОАО «Мотовилихинские заводы», г. Пермь.
Касаткин Алексей Валерьевич - главный металлург ОАО «Мотовилихинские заводы», г. Пермь.
Подузов Денис Павлович - зам. главного металлурга ОАО «Мотовилихинские заводы», г. Пермь.
INFORMATION ABOUT THE PAPER IN ENGLISH
DEVELOPMENT OF INVAR CLASS MULTIFUNCTIONAL ALLOYS WITH ENHANCED PERFORMANCE CHARACTERISTICS
Chukin Mihail Vitalevich - D.Sc. (Eng.), professor, Vice-Rector for Science and Innovation, Head of Mechanical Engineering and Metallurgical Technologies department, Nosov Magnitogorsk State Technical University. Phone: 8(3519) 29-84-04. E-mail: [email protected].
Golubchik Eduard Mikhailovich - Ph.D. (Eng.), associate professor, Mechanical Engineering and Metallurgical Technologies department, Nosov Magnitogorsk State Technical University. E-mail: [email protected].
Kuznetsova Alla Sergeevna - research fellow, Mechanical Engineering and Metallurgical Technologies department, Nosov Magnitogorsk State Technical University. Phone: 8(3519) 29-85-12.
Rodionov Yuri Lvovich - D.Sc. (Phys.-Math.), chief research fellow, Central Research Institute of Ferrous Metallurgy named after I.P. Bardin, Moscow.
Korms Irina Antonovna - research fellow, Bardin Central Research Institute of Ferrous Metallurgy, Moscow.
Bukhvalov Nikolay Uvenalevich -General Director of Motovilikhinskiye zavody OSJC, Perm.
Kasatkin Aleksiy Valerevich - major metallurgist of Motovilikhinskiye zavody OSJC, Perm.
Poduzov Denise Pavlovich - deputy major metallurgist of Motovilikhinskiye zavody OSJC, Perm.
Abstract. Modern requirements and approaches to getting new alloys with increased strength and physical characteristics as well as their appli-cationshave been considered. Basic principles of composition developing of invar alloys with high mechanical properties at temperature coefficient low values of linear expansion have been presented. Chemical compositions influence on reaching the spread range of multi-purpose alloys operational properties on the example of iron-nickel compositions has been analyzed. Research results of the influence of alloying elements on corrosion resistance of high-strength invaralloys are provided.
Keywords: multifunctional alloys, invars, durability, thermal straining hardening, temperature coefficient of linear expansion.
References
1. Rabinowitz S.V., Kharchuk M. D., Chermensky V.I. On the influence of mikrolikvacii on thermal expansion of Nickel nickel-iron alloys Foundry. Izvestiya vuzov [Izv. institutions of higher education. The steel industry]. 1994, no. 10, pp. 29-32.
2. Ogorodnikov 0. M., Chermenskaya E. V., Rabinovich S.V., Grachev S.V.
Temperature coefficient of linear expansion of cast invar superinvars Fe-Ni and Fe-Ni-Co. FMM. 1999, vol. 88, no. 4, pp. 46-50.
3. Rabinovich M.D., Kharchuk S.V., Chermensky V.I. etc. Cast iron-based alloy. Patent RF, no. 2183228, 2002.
4. Chukin M.V., Gun G.S., Korchunov A.G., Polyakova M.A. Prospects of production of high-carbon steel, high-strength steel grades. Chernye metally [Ferrous metals]. December, 2012, pp. 8-15.
5. Chukin M.V., Gun, G.S., Golubchik E.M., Kuznetsova A.S., Bukhvalov N.Yu. The project of small tonnage production of multifunctional nanostructured alloys with special properties // A collective monograph edited by prof. dr hab inz. Henrek Dyja, dr hab. inz. Anna Kawalek, prof. PCz. Chapter 1. Series: Monografie Nr 24.Polish. Czestochowa, 2013, pp. 374-379.
6. Rodionov Y.L., Mogutnov B.M., Shaposhnikov N.G., Korms I.A., Pozdnya-kov V.A., Mishanin S.V., Malinov V.I. Alloys with thermal expansion matching to electrolyte materials for solid oxide fual cells. Inter. J. of Materials Research. July 2010, vol. 101.
7. Rodionov Y.l., Scherbedinskij G.V., Maksimova O.P., Yudin G.V. High-strength invar alloy. Steel. 2000, no. 5, pp. 76-80.
