Аморфный сплав на основе никеля для литья микропроводов
Владельцы патента RU 2424349:
Федеральное государственное унитарное предприятие "Центральный научно-исследовательский институт конструкционных материалов "Прометей"(ФГУП "ЦНИИ КМ "Прометей") (RU)
Российская Федерация, от имени которой выступает Министерство промышленности и торговли Российской Федерации (Минпромторг России) (RU)
Изобретение относится к области металлургии, в частности к сплавам для литья коррозионно-стойких микропроводов, используемых при получении термопар с высокой термо-ЭДС. Предложен аморфный сплав, содержащий, мас.%: хром 8,0-10,5, кобальт 0,4-1,2, бор 6,0-9,0, кремний 6,0-9,0, церий 0,5-1,2, иттрий 0,1-0,6, цирконий 3,0-6,0, никель - остальное. Сплав характеризуется повышенной коррозионной стойкостью, удельным электросопротивлением. Также улучшается технологичность процесса литья сверхтонких микропроводов. 2 табл.
Изобретение относится к области металлургии прецизионных сплавов со специальными свойствами, в частности к сплавам для литья коррозионно-стойких микроповодов, используемых при получении термопар с высокой термо-ЭДС, работающих в жестких условиях эксплуатации.
Широко известны сплавы для термопар с высокой термо-ЭДС, в частности сплав хромель на хром-никелевой основе, а также сплав копель на медно-никелевой основе для изготовления положительной и отрицательной ветвей термопар. Эти сплавы имеют высокую термо-ЭДС (хромель +2,14±0,10 мВ, копель -4,81±0,10 мВ), предел прочности σв=40-50 кг/мм2 и относительное удлинение δ=15-20%.
Известные сплавы предназначены для получения проводов методом пластической деформации, но из них не удается изготовить провода диаметром менее 200 мкм, т.е. сплавы типа хромель и копель не пригодны для изготовления из них микротермопар.
Преимуществом микротермопар является возможность измерения температуры миниатюрных объектов и локального градиента температур. Кроме того, использование микротермопар позволяет существенно уменьшить инерционность измерения, что делает возможным измерение температур в динамическом режиме.
Для изготовления микротермопар необходимо использовать микропровода в стеклянной изоляции диаметром менее 10 мкм.
Наиболее близким аналогом является RU 2219279 С2, C22C 45/04, 20.12.2003, в котором раскрыт аморфный сплав на основе никеля для литья микропроводов, содержащий, мас.%:
хром - 8,5-10,0
кобальт - 0,4-1,2
церий - 0,5-1,2
иттрий - 0,1-0,5
никель - остальное.
Микропровода из этого сплава имеют удельное сопротивление ρ=0,6-0,8 Ом×мм2/м, термо-ЭДС (в паре с медью) 2-2,2 мВ, показатели коррозионной стойкости:
в серной кислоте - 0,25 г/м2 × час;
в соляной кислоте - 0,27 г/м2 × час;
в морской воде - 0,23 г/м2 × час.
Однако относительно низкое удельное сопротивление сплава-прототипа не позволяет добиться требуемой минитиарюзации термопар. Кроме того, низкая коррозионная стойкость в агрессивных средах исключает использование микропроводов из этого сплава в непосредственном контакте с агрессивными реагентами, а неконтактные измерения температуры резко снижают точность измерения температуры рабочей среды.
Техническим результатом настоящего изобретения является повышение коррозионной стойкости, увеличение удельного сопротивления и улучшение технологичности процесса литья микропроводов.
Технический результат достигается введением в сплав на основе никеля для литья микропроводов, содержащий хром, кобальт, церий, иттрий, дополнительно бора, кремния и циркония при следующем соотношении компонентов (мас.%):
хром - 8,0-10,5
кобальт - 0,4-1,2
бор - 6,0-9,0
кремний - 6,0-9,0
церий - 0,5-1,2
иттрий - 0,1-0,6
цирконий - 3,0-6,0
никель - остальное.
Повышение показателей коррозионной стойкости сплава достигается дополнительным введением аморфизатора - бора в количестве от 6 до 9%. Показатели коррозионной стойкости:
в серной кислоте - 0,09 г/м2 × час;
в соляной кислоте - 0,012 г/м2 × час;
в морской воде - 0,006 г/м2 × час.
При введении в сплав менее 6% бора не наблюдается эффекта повышения коррозионной стойкости, при введении более 9% бора происходит уменьшение термо-ЭДС.
Однако удельное сопротивление остается низким и имеет величину ρ=0,9-0,92 Ом×мм2/м.
Для увеличения удельного сопротивления вводится элемент с большим атомным радиусом. Таким элементом, повышающим удельное сопротивление, является цирконий, вводимый в количестве 3-6%. При введении в сплав менее 3% циркония не наблюдается эффекта повышения удельного сопротивления, при введение более 6% - происходит уменьшение термо-ЭДС.
Наличие в сплаве циркония в указанных количествах повышает удельное сопротивление до 1,6-1,9 Ом×мм2/м. При этом показатели коррозионной стойкости остаются высокими, аморфная структура также сохраняется.
Для повышения технологических свойств при сохранении высокой коррозионной стойкости в сплав вводится 6,0-9,0% кремния, чьи окислы являются основными в составе стекла (по % содержанию). Введение в предложенный сплав кремния в указанных количествах позволяет достичь наилучшего смачивания расплавом металла боросиликатных стекол типа С 37-2, С 27-3, ТУ (термоустойчивое) в процессе литья микропроводов и обеспечивает получение аморфной структуры жилы микропровода.
При введении в сплав кремния менее 6,0% не наблюдается хорошей смачиваемости в системе металл - стекло и не удается получить микропровод диаметром менее 3 мкм, при введении более 9,0% - не удается получить длину безобрывного отрезка микропровода более 3000 м.
Для изготовления микропроводов диаметром 13,0-20,0 мкм целесообразно использовать сплав верхнего граничного состава (мас.%):
хром - 10,5
кобальт - 1,2
бор - 9,0
кремний - 9,0
церий - 1,2
иттрий - 0,6
цирконий - 6,0
никель - остальное.
Микропровода диаметром 0,5-3,0 мкм изготавливают из сплава нижнего пограничного состава (мас.%)
хром - 8,0
кобальт - 0,4
бор - 6,0
кремний - 6,0
церий - 0,5
иттрий - 0,1
цирконий - 3,0
никель - остальное.
Для литья микропроводов диаметром 4,0-12,0 мкм используется сплав оптимального состава (мас.%):
хром - 9,0
кобальт - 0,8
бор - 7,5
кремний - 7,5
церий - 0,85
иттрий - 0,3
цирконий - 4,5
никель - остальное.
Заявляемый аморфный коррозионно-стойкий сплав на основе никеля для литья микропроводов характеризуется следующими свойствами:
диаметр - 0,5-20,0 мкм
макс. длина - 5000 м
показатели коррозионной стойкости:
в серной кислоте - 0,09 г/м2 × час;
в соляной кислоте - 0,012 г/м2 × час;
в морской воде - 0,006 г/м2 × час;
термо-ЭДС микропроводов (в паре с медью) - 2,84-2,96 мВ.
Выплавка сплава предлагаемых составов проводилась с помощью высокочастотного генератора типа Л3-19 в алундовых тиглях в атмосфере аргона.
Литье микропроводов осуществлялось по типовой технологии на установке типа ВУ-2Н со стеклами типа ТУ.
Разработка аморфного коррозионного сплава позволяет создать миниатюрные термопары, работающие в особо жестких условиях эксплуатации: повышенная кислотность, воздействие морского тумана и морской воды. Использование термопар из предлагаемого сплава позволяет осуществить хранение и эксплуатацию реагентов с повышенной коррозионной активностью при постоянном контроле температурного режима объектов в микрообъемах.
| Таблица 1 | |||||||||
| Химический состав известного и предлагаемого сплава, подвергнутых испытанию | |||||||||
| Сплав | Номер плавки | Содержание элементов в сплаве, мас.% | |||||||
| Cr | Co | Ce | Y | B | Zr | Si | Ni | ||
| Предлагаемый | 1 | 8,0 | 0,4 | 0,5 | 0,1 | 6,0 | 3,0 | 6,0 | остальное |
| 2 | 9,0 | 0,8 | 0,85 | 0,3 | 7,5 | 4,5 | 7,5 | - | |
| 3 | 10,5 | 1,2 | 1,2 | 0,6 | 9,0 | 6,0 | 9,0 | - | |
| С выходом за | |||||||||
| пределы | 4 | 7,5 | 0,35 | 0,45 | 0,05 | 5,5 | 2,5 | 5,5 | остальное |
| граничных значений | 5 | 11,0 | 1,7 | 1,7 | 1,0 | 9,5 | 6,5 | 9,5 | |
| Известный | 6 | 8,5 | 0,4 | 0,5 | 0,1 | - | - | - | остальное |
| 7 | 10,5 | 1,2 | 1,2 | 0,5 | - | - | - |
| Таблица 2 | ||||||||
| Основные характеристики микроповодов из предлагаемого и известного сплава | ||||||||
| Сплав | Номер плавки | Характеристики микропровода | ||||||
| Длина микропровода на бобине, м | Диапазон диаметров, мкм | Удельное сопротивление, Ом×мм2/м | ТЭДС, мВ | Показатели корроз. ст-ти, г/м2 × час | ||||
| серная кислота | соляная кислота | морская вода | ||||||
| Предлага- | 1 | 3500 | 0,5-3 | 1,6 | 2,84 | 0,09 | 0,12 | 0,06 |
| емый | 2 | 5000 | 4-12 | 1,75 | 2,90 | ÷ | ÷ | ÷ |
| сплав | 3 | 5000 | 13-20 | 1,9 | 2,96 | ÷ | ÷ | ÷ |
| С | 4 | 300 | 4-15 | 0,8 | 2,40 | 0,35 | 0,40 | 0,33 |
| выходом | 5 | 500 | 4-15 | 1,1 | 1,08 | 0,12 | 0,15 | 0,08 |
| за | ||||||||
| пределы | ||||||||
| граничных | ||||||||
| значений | ||||||||
| Известный | 6 | 250 | ÷ | 0,6 | 2,0 | 0,25 | 0,27 | 0,23 |
| 7 | 250 | ÷ | 0,8 | 2,2 | ÷ | ÷ | ÷ |
Аморфный сплав на основе никеля для литья микропроводов, содержащий хром, кобальт, церий, иттрий, отличающийся тем, что для повышения коррозионной стойкости, увеличения удельного электросопротивления и улучшения технологичности процесса литья он дополнительно содержит бор, кремний и цирконий при следующем соотношении компонентов, мас.%:
| хром | 8,0-10,5 |
| кобальт | 0,4-1,2 |
| бор | 6,0-9,0 |
| кремний | 6,0-9,0 |
| церий | 0,5-1,2 |
| иттрий | 0,1-0,6 |
| цирконий | 3,0-6,0 |
| никель | остальное |
