CC BY
74
УДК 621.74.04
ДОСЛІДЖЕННЯ ФІЗИКО-МЕХАНІЧНИХ ВЛАСТИВОСТЕЙ ТЕРМООБРОБЛЕНОГО СПЛАВУ 44НХМТ
С.М. Кучма, асистент, Донбаський державний технічний
університет
Анотація. Проведено аналіз фізико-механічних властивостей елінварних сплавів. Наведено методику дослідження зразків резонаторів ЕМФ з прутків елінварного сплаву 44НХМТ діаметром 3,4 мм з визначення його фізико-механічних та елінварних властивостей при різних температурах відпускання. За результатами експерименту визначений оптимальний режим термообробки.
Ключові слова: елінварний сплав, термообробка, відпускання, добротність, температурний коефіцієнт частоти.
Вступ
Однією з пріоритетних галузей успішного використання унікальних властивостей елінварних сплавів (низький температурний коефіцієнт модуля пружності та низький температурний коефіцієнт частоти) є спеціальна техніка. Зокрема, вони застосовуються як особливо ефективний кон-струкційний матеріал для виготовлення датчиків у командно-вимірювальних системах рухомих об’єктів, як правило керованих автономними
спеціалізованими мікропроцесорами. Зазначена галузь застосування таких виробів призвела до необхідності створення дуже малих та надійних канальних електромагнітних фільтрів (ЕМФ).
В останні роки розширилась галузь технічного застосування канальних електромагнітних фільтрів, які є основним елементом апаратури телефонного зв’язку та можуть застосовуватися в розробці як багатоканальної, так і малоканальної апаратури, що значно скорочує витрати вартісної кабельної продукції та кольорових металів, значно підвищує рівень телефонізації.
ЕМФ, що працюють в надзвичайно жорстких умовах, дозволяють забезпечити високий рівень різноманітних функціональних властивостей: вимоги до нерівномірності амплітудно-частотної характеристики (з нерівномірністю затухання в смузі пропускання ±0,11 дБ), дуже високу добротність, низький температурний коефіцієнт частоти, малу девіацію швидкості розповсюдження крутильних коливань (в межах 1%), сталість до впливу різних дестабілізуючих факторів при малих габаритах та вазі, а також при мінімальному енергоспоживанні.
Необхідний комплекс фізико-механічних властивостей таких сплавів формується при термічній обробці в процесі дисперсійного твердіння та структурних перетворень. Спеціально підібрані режими термічної обробки елінварних сплавів забезпечують одержання мінімальних значень температурного коефіцієнта частоти (ТКЧ) в широкому інтервалі температур. Сплав 44НХМТ, що розглядається в даній роботі, відноситься до такого типу елінварних сплавів. Він є перспективним матеріалом для одержання малогабаритних прутків з високим комплексом властивостей для виготовлення резонаторів ЕМФ та інших виробів електронної промисловості.
Аналіз публікацій
На сьогодні для виготовлення ЕМФ та інших виробів електронної промисловості у металургії виготовляються елінварні сплави марок ЭП-218; ЭП-619; 44НХМТ і 46НХВИТЮ.
Елінварні сплави з високою термостабільністю та добротністю виготовляють відповідно до ряду технічних умов з неспівпадаючими вимогами щодо параметрів та інтервалів температур випробувань (табл. 1).
З табл. 1 слідує, що виготовлювані серійно в теперішній час прутки діаметром не менше 4,5 мм мають порівняно невисокі значення добротності та негарантовані значення девіації швидкості крутильних коливань. Також з даних табл. 1 випливає, що найбільш високий комплекс властивостей притаманний елінварним сплавам 44НХМТ та 46НХВИТЮ. Значення ТКЧ цих сплавів не перевищує ± 3х10-6 С-1 (в стрічці
+2х10-6 С-1) та відповідають рівню, що досягнутий на аналогічних сплавах в Германії,
Великобританії, Японії,
Таблиця 1 Марки та сортамент елінварних сплавів, що застосовуються для виготовлення
вітчизняних ЕМФ
Марка сплавів Сортамент ТКЧх106 С-1 Добротність, Q Інтервал робочих температур Технічні умови (ТУ)
ЭП-218 прутки 010-6 + 5 5000 - 8000 -40...+60 14-1-3074-80
+ 6 +20...+100
ЭП-619 прутки 010-8 + 5 8000 - 10000 -60...+100 14-1-3075-80
06-5
44НХМТ прутки 010 + 3 15000 -60...+85 14-1-2644-79
0 6 + 3 8000 -60...+85 14-1-3057-80
06 + 6 25000 -60...+85 14-1-3588-83
проволока 0 6 + 3 20000 -60...+85 -
стрічка + 2 - - -
46НХВИТЮ прутки + 3 15000 -60...+85 14-1-3429-83
Франції. Значення ТКЧ на сплавах російського виробництва гарантуються в більш широкому температурному інтервалі, добротність має величину понад 25 000.
Аналіз даних щодо параметрів резонаторів канальних ЕМФ (США, Японія, ФРГ), виготовлених з елінварних сплавів, демонструє, що найбільш високий комплекс фізико-механічних властивостей притаманний сплаву ТЕ-3 (Японія). Величина ТКЧ для цього сплаву становить +3х10-6 С-1, а добротність має величину 30 000 в інтервалі температур від -5 до +85 °С [1]. Сплав Durinval (Франція) хоч і має ТКЧ, який дорівнює
+1х10-6 С-1 та рівень механічної добротності 12 000, але в меншому температурному інтервалі (+20...+80 °С) [2, 3].
Відповідно до наведених даних, резонаторам, виготовленим фірмами США, Японії, Германії, притаманна висока добротність, температурна стабільність резонансної частоти та стабільність швидкості крутильних коливань. Такі резонатори мають мінімальний розкид резонансної частоти, що зменшує трудомісткість процесу їх настроювання та знижує рівень механічних напружень, що виникають при настройці.
Дослідження, виконані на прутках з елінварних сплавів 44НХМТ та 46НХВИТЮ, довели можливість одержання на цих сплавах комплексу акустичних властивостей, які відповідають світовому рівню.
Мета і постановка задачі
Резонатори ЕМФ, що виготовлені з прутків елінварного сплаву 44НХМТ діаметром 3,4 мм, повинні мати підвищений рівень міцності з гарантованою добротністю понад 25 000 при ТКЧ в межах +3х10-6 °С-1 в інтервалі температур від -
60 °С до +85 °С. Матеріал в стані поставки не відповідає вимогам, що ставляться технологічним процесом виготовлення резонатора. Необхідне поєднання властивостей, на думку автора, можливо досягти при відповідному підборі режимів термічної обробки сплаву 44НХМТ. Позитивне вирішення даної задачі є актуальним та дозволить забезпечити потрібну стабільність елінварних та фізико-механічних властивостей сплаву 44НХМТ при промисловому виробництві резонаторів ЕМФ. Задачею даної роботи є дослідження впливу термічної обробки на властивості сплаву та визначення режимів обробки, що забезпечують потрібні величини зазначених властивостей.
Методика та результати досліджень
З прутків елінварного сплаву 44НХМТ діаметром 3,4 мм на безцентрово-шліфувальному та токарному верстатах виготовляли зразки резонаторів діаметром від 3,0 мм та довжиною 11,7 мм. Резонатори в залежності від величини резонансного сигналу намагнічували струмом від 1 до 2 А.
Вимірювання ТКЧ (°С-1) здійснювались в інтервалі температур +5°С...+55°С, +25...- 60°С та +25...+85°С за методикою [2]:
ТКЧ = Ї2-
ї (Т - т2),
де ї1 - резонансна частота початку температурних досліджень (+25 або +5 °С); ї - резонансна частота кінця температурних досліджень (+85; -60 або +55 °С); Т - температура початку випробувань (+25 або +85 °С); Т2 - температура кінця випробувань (+85; -60 або +55 °С).
Модуль пружності Е та модуль зсуву G визначався за такими формулами
Е = 4/2/2р,
G = 4/2/Ір.
де / - довжина резонатора; / - резонансна частота поздовжніх коливань, Гц; / - резонансна частота крутильних коливань, Гц; р - густина сплаву, кг/м3.
Швидкість розповсюдження крутильних та поздовжніх коливань находили за формулами
Твердість вимірювали за методом Роквела на приладі ТК-2М.
Добротність резонаторів визначали на приладі ПКП-17, який працює спільно з частотоміром Ч3-34А, збіжність контролю добротності ±7%. Структурна схема вимірювання добротності наведена на рис. 1.
Термічна обробка (відпускання) проводилася у відкритій печі та у вакуумній печі „Тесла” за відомою технологією [3].
Фізико-механічні властивості сплаву є технологічною характеристикою матеріалів для резонаторів електромеханічних фільтрів. Практичний інтерес при розрахунку резонансних систем, а також механічної обробки є дані про швидкість крутильних та поздовжніх коливань, модуль пружності та твердість. В даній роботі зроблено спробу дослідити вплив різних режимів термообробки на зазначені властивості. У табл. 2 представлено значення швидкості крутильних та поздовжніх коливань, модулів пружності та твердості резонаторів з прутків елінварного сплаву 44НХМТ діаметром 3,4 мм, одержані в ході експерименту при різних режимах термічної обробки.
Як слідує з табл. 2, оптимальні фізико-механічні властивості сплаву (пк = 2,864 км/с; пп = 4,898 км/с; Е = 192 ГПа; HRC 25) отримують після відпускання при t = 500 °С.
Вимірюваль «Запуск», «Запуск» Ч3-34А
ний ПКП-17
перетворюва ч «Вхід» «Вихід»
Рис. 1. Структурна схема вимірювання добротності
Таблиця 2 Фізико-хімічні властивості сплаву 44НХМТ при різних температурах відпускання
Температура відпускання, °С vк, км/с Vп, км/с а ЕГ ,а Г же
холодна деформація 2,768 4,807 184,9 62,1 20
500 2,831 4,874 190,0 64,0 21
550 2,864 4,898 192,0 65,6 25
600 2,883 4,903 192,3 66,5 30
650 2,893 4,897 191,8 66,9 34
800 2,983 4,867 189,5 66,5 35
Таблиця 3 Значення ТКЧ та добротності сплаву 44НХМТ при різних температурах відпускання
Температура відпускання, °С ТКЧ х10 6 °С 1 в інтервалі температур Добротність, 0х103
С ° 5 ІЛ 5 25.85 °С -60.25 °С тіп-тах середнє
тіп-тах середнє тіп-тах середн є тіп-тах середнє
без відпускання -17...-13,5 -15,5 -14,5.-11 -13,5 -21,5. -17,5 -19,5 6,5 6,5
500 -6...-4,5 -5 -4 «О, 4, - -4,5 ,5 7, 8 - -7,5 13,5.15 14,0
550 -1,5.0 -1 -3.-2 -2,5 —2,5 —1 -1,5 4 6 14,0
560 -1.0 -0,5 -2,5.-2 -2,5 —1.0 -0,5 34,5.45,5 42,0
570 ,5 О, 0 0 -2.-1 -1,5 0 0, - 0 31,5.33,0 32,0
600 3 5 3,5 0.1 0,5 5 3 4,0 13,5.15,5 14,5
650 9.. 10 9,5 8 7 7,5 10.11,5 10,5 11,0. 14,5 13,0
700 13,5 ..14 13,5 10,5.12 11,0 13,5.14 14,0 15,0. 21,5 19,5
800 14,5 ..16 15,5 15,5.19 17,0 14,5. 16,5 15,5 3,5. 5,0 4,5
Сплав 44НХМТ після холодної пластичної деформації має ТКЧ = (10-20)х10-6 °С-1. Тому для одержання ТКЧ резонаторів в межах ±2х10-6°С-1 та добротності понад 25 000 їх необхідно піддавати відпускання. Визначимо вплив режимів термічної обробки на ТКЧ, добротність, швидкість крутильних коливань резонаторів зі сплаву 44НХМТ. Значення ТКЧ в різних інтервалах температур, добротності та швидкості крутильних коливань, одержані в ході експерименту, представимо в табл. 3, а на рис. 2 представимо графічну залежність ТКЧ та добротності резонаторів з прутків сплаву 44НХМТ діаметром 3,4 мм від температури відпускання.
Рис. 2. Графік залежності ТКЧ та добротності від температури відпускання: 1 - ТКЧ в
інтервалі температур +5...+55 °С; 2 - ТКЧ в інтервалі температур - 60...+25 °С; 3 - ТКЧ в інтервалі температур +25...+85 °С; 4 -добротність
З табл. 3 та рис. 2 видно, що характер зміни та значення ТКЧ в залежності від температури відпускання в усьому інтервалі температур випробовувань достатньо близькі. З підвищенням
температури відпускання ТКЧ резонаторів зростає і при 550-600 °С переходить із зони від’ємних значень в додатну, досягаючи при температурі відпускання 800 °С значення (14-17)х10-6 °С-1.
Висновки
Режими відпускання, що забезпечують одержання ТКЧ в інтервалі температур від - 60 до +85 °С при добротності понад 25 000 (ТКЧ в межах ±1,5х10-6 °С-1 в інтервалі температур 5-55 °С) відповідають температурам 540-570 °С при витримці одну годину. Таким чином, перевагою резонаторів з прутків елінварного сплаву 44НХМТ діаметром 3,4 мм є співпадання температури відпускання 550 °С, яка забезпечує максимум добротності з температурою мінімальних абсолютних значень ТКЧ (рис. 2). Точність підтримання температури старіння сплаву 44НХМТ, як виявив експеримент, не повинна перевищувати ±5 °С, що значно
ускладнює процес термічної обробки.
Література
1. Прецизионные сплавы / Под ред. Б.В. Молоти-
лова. - 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Металлургия, 1983. - 439 с.
2. Современные материалы для электромеханиче-
ских фильтров /А.В. Селезнев, О.И. Шатунова, Ю.Я. Рыбаков, В.И. Ушаков - Деп. рукопись «Сборник рефератов НИОКР, обзоров, переводов и деп. рукописей», Сер. «РТ», №19, 1986.
3. Исследование возможности применения элин-
варного сплава, полученного методом порошковой металлургии для резонаторов ЭМФ. - Технический отчет по НИР «Металлургия» - М.: 1986. - 90 с.
4. Бараз В., Стрижак В. Элинварные сплавы: осо-
бенности состава, структуры и свойств. УГТУ: Национальная металлургия, июль-август, 2003, С.95 - 98.
5. Бараз В., Стрижак В. Элинварные сплавы: осо-
бенности состава, структуры и свойств. УГТУ: Национальная металлургия, сентябрь-октябрь, 2003, С.101 - 106.
Рецензент:
Статья поступила в редакцию
