Способ обработки инварного сплава на основе системы железо-никель


 

C21D1/26 - Изменение физической структуры черных металлов; устройства общего назначения для термообработки черных или цветных металлов или сплавов; придание ковкости металлам путем обезуглероживания, отпуска или других видов обработки (цементация диффузионными способами C23C; поверхностная обработка металлов, включающая по крайней мере один процесс, предусмотренный в классе C23, и по крайней мере другой процесс, охватываемый этим подклассом, C23F 17/00; однонаправленное отвердевание эвтектики или однонаправленное разделение эвтектик C30B)

Владельцы патента RU 2610654:

Публичное акционерное общество специального машиностроения и металлургии "Мотовилихинские заводы" (RU)

Изобретение относится к области металлургии, а именно к способам обработки железоникелевого сплава. Заявлен способ обработки инварного сплава на основе системы железо-никель. Способ включает нагрев до 830-850°С, охлаждение в воде, дополнительное охлаждение до температуры ниже начала γ→α превращения, нагрев до температуры начала обратного α→γ превращения, последующий нагрев до температуры конца α→γ превращения, затем нагрев со скоростью не менее 10°С/мин до температуры на 10÷100°С выше температуры конца α→γ превращения и охлаждение на воздухе. Последующий нагрев в области α→γ превращения проводят со скоростью 0,2÷3°С/мин. После охлаждения на воздухе проводят дополнительный нагрев в диапазоне температур 500-700°С и изотермическую выдержку от 15 мин до 10 ч с последующим охлаждением на воздухе. Обеспечивается понижение температуры начала мартенситного превращения Мн сплавов и расширение диапазона температур, в котором реализуются минимальный ≤3,5⋅10-6 К-1 и низкий 5÷7⋅10-6 К-1 коэффициент линейного расширения в зависимости от области применения сплава. 2 пр.

 

Изобретение относится к металлургии, конкретно к способам обработки железоникелевых сплавов с целью расширения диапазона рабочих температур с минимальным (≤3,5⋅10-6 К-1) и низким (5÷7⋅10-6 К-1) значениями температурного коэффициента линейного расширения (ТКЛР).

Известен широкий класс инварных сплавов на основе системы железо-никель (28÷45% никеля) [Прецизионные сплавы. Справочник. М.: Металлургия, 1983, с. 212, 235, 238-239]. Такие материалы во многих случаях должны сохранять минимальные и низкие значения ТКЛР в широком диапазоне температур от -196 до +300÷400°C. Однако ряд инварных сплавов, содержащих никеля менее 33% (сплавы с минимальным ТКЛР (на уровне 0,1÷0,7⋅10-6 К-1) типа 32НК-ВИ, 32НКА, 32НКД, а также сплавы с низким (5÷7⋅10-6 К-1) ТКЛР типа 29НК, 30НКД), при охлаждении до температур ниже комнатной в некоторых случаях теряют инварные свойства вследствие протекания мартенситного (γ→α) превращения. Температура γ→α перехода этих сплавов зависит от содержания никеля, кобальта и технологических примесей. Колебания химического состава в пределах, ограниченных ГОСТ и ТУ, а также напряжения, возникающие при сварке и механической обработке, приводят к изменению температуры начала мартенситного превращения (Мн) от 0 до -140°C. В этом случае при охлаждении до температур ниже Мн в результате происходящего мартенситного превращения существенно увеличивается объем и повышается в 3-10 раз значение ТКЛР. Подобные изменения приводят к нарушению характеристик высокоточных приборов, изготовленных с применением подобных материалов.

Проблема расширения диапазона рабочих температур, в частности понижения Мн инварных сплавов, при сохранении заданных низких и минимальных значений ТКЛР является весьма актуальной при изготовлении ответственных изделий в приборостроении, авиационной, ракетно-космической промышленности, криогенной и лазерной технике, в металлооптике, метрологии, геодезии, а также при создании конструкций, не изменяющих свои размеры при изменении температуры от -196 до 400°C.

Известен способ обработки железоникелевого сплава, который заключается в нагружении сплава в заданном низкотемпературном интервале. Применение этого способа приводит к изменению величины ТКЛР на (1÷2)⋅10-6 К-1 [Авторское свидетельство СССР №377347, C21D 9/00, опубл. 17.04.1973]. Недостатком данного способа является сложность процесса деформационно-термической обработки: нагружение проводится в напряженном состоянии при низких температурах. Кроме этого, для данного способа характерен узкий диапазон изменения ТКЛР, а также повышение температуры Мн.

Известен способ упрочняющей обработки стареющих аустенитных инварных сплавов типа Н36К10Т3 [RU 2086667 C1, C21D 6/00, опубл. 10.08.1997]. Способ включает нагрев до 1150°C, изотермическую выдержку, деформацию на 20% в процессе охлаждения до 600-620°C, изотермическую выдержку при этой температуре в течение 2-3 часов, охлаждение в воде и холодную деформацию. Недостатком данного способа является то, что он применим только для стареющих сплавов. Кроме того, величина ТКЛР при обработке по этому способу повышается до 4÷10-6 К-1. Этот способ не применим для железоникелевых инварных сплавов с минимальным (≤3,5⋅10-6 К-1) значением ТКЛР.

Известен способ обработки инварного сплава, заключающийся в пластической деформации сплава с последующим нагревом до 300-950°C [Ворошилов В.П. и др. Физика металлов и металловедение, 1973, т. 35, №5, с. 953-958]. Способ приводит к изменению величины ТКЛР в диапазоне 0,5÷2,5⋅10-6 К-1. Этот способ в ряде случаев не позволяет стабилизировать ГЦК структуру к мартенситному превращению. Согласно имеющимся данным, деформация и нагрев при температурах выше 500°C не способствуют стабилизации исходной ГЦК структуры.

Наиболее близким к заявленному изобретению является способ обработки сплава на основе системы железо-никель, имеющего температуру обратного α→γ превращения не выше 500°C, включающий нагрев до 840°C и охлаждение в воде. После охлаждения в воде сплав дополнительно охлаждают до температуры ниже γ→α превращения, затем нагревают до температуры начала α→γ превращения (с произвольной скоростью), далее нагревают со скоростью 5-60°C/мин до температуры конца α→γ превращения, затем со скоростью 10-100°C/мин до температуры на 10-100°C выше температуры конца обратного α→γ превращения и охлаждают на воздухе [Авторское свидетельство СССР №1057559, C21D 1/26, опубл. 30.11.1983] (прототип).

Применение вышеуказанного способа термической обработки сплавов на основе системы железо-никель приводит к понижению температуры начала мартенситного превращения. В то же время существенно на (2÷6)⋅10-6 К-1 изменяется величина ТКЛР. Такое изменение ТКЛР не соответствует заявленному критерию «сохранение заданного значения ТКЛР» и недопустимо при создании изделий, требующих заданных значений ТКЛР.

Техническим результатом изобретения является понижение температуры Мн и расширение за счет этого диапазона температур, в котором реализуются заданные (требуемые) в зависимости от области применения сплава как низкие (5÷7⋅10-6 К-1), так и минимальные ≤3,5⋅10-6 К-1, в частности (0,1÷0,7)⋅10-6 К-1, значения ТКЛР.

Технический результат достигается за счет усовершенствования способа обработки инварного сплава на основе системы железо-никель, включающего нагрев до 830-850°C и охлаждение в воде, дополнительное охлаждение до температуры ниже начала γ→α превращения, нагрев до температуры начала обратного α→γ превращения, последующий медленный нагрев до температуры конца α→γ превращения, затем нагрев со скоростью не менее 10°C/мин до температуры на 10÷100°C выше температуры конца α→γ превращения и охлаждение на воздухе. Это усовершенствование заключается в том, что нагрев в области α→γ превращения проводят со скоростью 0,2÷3°C/мин, а после охлаждения на воздухе проводят дополнительный нагрев в диапазоне температур 500-700°C и изотермическую выдержку от 15 минут до 10 часов с последующим охлаждением на воздухе.

Физический принцип предложенного способа заключается в формировании концентрационных неоднородностей в аустените – областей, обогащенных и обедненных никелем. Формирование таких концентрационных неоднородностей приводит к существенному понижению температуры Мн сплавов.

Охлаждение сплава до температур ниже температуры начала Мн приводит к формированию мартенситной структуры с ОЦК решеткой. Последующий нагрев до температуры начала обратного α→γ превращения (Ан) можно проводить с произвольной скоростью, так как в этом интервале температур практически не происходит перераспределение компонентов сплава с образованием концентрационных неоднородностей. Выше температуры Ан нагрев должен проводиться с малой скоростью (0,5÷3°C/мин). Такая малая скорость нагрева обеспечивает перераспределение атомов никеля между α и γ фазами, при этом γ-фаза обогащается, а α-фаза обедняется никелем. Нагрев со скоростью ниже 0,2°C/мин, увеличивая время термической обработки, не повлияет на уровень теплофизических характеристик сплава. Нагрев со скоростью выше 3°C/мин не обеспечивает полноты протекания диффузионных процессов и, как следствие, получения необходимого уровня свойств.

Высокая скорость не менее 10°C/мин нагрева до температуры на 10-100°C выше температуры конца α→γ превращения (Ак) необходима для того, чтобы сплав полностью перешел в состояние однофазного γ-твердого раствора с сохранением концентрационных неоднородностей, образовавшихся в процессе замедленного нагрева в области температур Ан-Ак.

С целью изменения ТКЛР и приведения его к величине, близкой к заданному значению, при сохранении полученных низких значений Мн сплав нагревают до температур 500÷700°C и выдерживают при этой температуре от 15 минут до 10 часов.

Концентрационные неоднородности, образующиеся в аустените железоникелевых сплавов, разрушаются при температурах выше 500-700°C, и распределение атомов приближается к разупорядоченному (гомогенному). В результате разрушения концентрационных неоднородностей величина ТКЛР изменяется и приближается к заданным значениям - близким к исходному состоянию (после термической обработки в соответствии с Прецизионные сплавы. Справочник. М.: Металлургия, 1983, с. 439). С целью повышения ТКЛР осуществляют дополнительный нагрев до температур 500-600°C и длительную выдержку (до 10 часов). Для достижения низких значений ТКЛР (0,1-0,7⋅10-6 К-1) осуществляют дополнительный нагрев до температур порядка 700°C и небольшую по времени выдержку (до 30 минут). В результате заявленного способа термической обработки температура Мн повышается незначительно и в конечном итоге не превышает -150°C.

Таким образом, нагрев при 500-700°C и выдержка от 15 минут до 10 часов после программированного (замедленного) нагрева в области температур Ан-Ак обеспечивает заявленный уровень теплофизических свойств, а именно низкие значения температуры Мн при сохранении заданных значений ТКЛР.

Примеры реализации изобретения

Пример 1

Сплав 32НК-ВИ (суперинвар) с минимальным значением ТКЛР, содержащий Ni - 31,5%; Со - 4,5% и технологические примеси в соответствии с ГОСТ 10994.

Термическая обработка сплава 32НК-ВИ по предложенному способу включает следующие операции:

- нагрев до 850°C, выдержка 1 час, охлаждение в воде;

- охлаждение до температуры -150°C, т.е. ниже температуры Мн;

- отогрев до комнатной температуры;

- нагрев со скоростью 50°C/мин до температуры начала обратного α→γ превращения (Ан=420°C);

- нагрев в интервале температур Ан-Ак (420-550°C) со скоростью 0,5°C/мин;

- нагрев со скоростью 15°C/мин до температуры 600°C с последующим охлаждением на воздухе;

- дополнительный нагрев до 680°C с выдержкой при этой температуре в течение 15 минут и последующее охлаждение на воздухе.

После обработки по предложенному нами способу сплав имеет следующие свойства: температура Мн ниже -150°C; ТКЛР (0,6÷0,7)⋅10-6 К-1.

После термической обработки по ГОСТ 14082, включающей закалку с температуры 840±10°C в воде, последующий отпуск при температуре 315±10°C с выдержкой 1 час и охлаждение на воздухе, сплав обладает следующими теплофизическими свойствами: ТКЛР (α20÷100°C)=0,3⋅10-6 К-1, температура Мн=-30°C.

Таким образом, использование предложенного нами способа обработки позволяет понизить температуру Мн при сохранении заданных минимальных значений ТКЛР (α20÷100°C<1,0⋅10-6 К-1).

Пример 2

Сплав с низким значением ТКЛР (для согласования со стеклами и керамикой) 29НК, содержащий Ni - 28,7%; Со - 17,5% и технологические примеси в соответствии с ГОСТ 10994.

Термическая обработка сплава 29НК по предложенному способу включает следующие операции:

- нагрев до 850°C, выдержка 1 час, охлаждение в воде;

- охлаждение до температуры -150°C, ниже температуры Мн, составляющей для этого сплава -5°C;

- нагрев до температуры начала обратного α→γ превращения (Ан=440°C) со скоростью 20°C/мин;

- нагрев в интервале температур Ан-Ак (440-550°C) со скоростью 1°C/мин;

- нагрев со скоростью 50°C/мин до температуры 610°C с последующим охлаждением на воздухе;

- дополнительный нагрев до 500°C, выдержка при этой температуре 8 часов и последующее охлаждение на воздухе.

После данной термической обработки сплав имеет следующий уровень свойств: ТКЛР α(20÷300°C)=5,3⋅10-6 К-1, температура Мн<-150°C.

После термической обработки, включающей нагрев до 960°C, выдержку и последующее охлаждение до комнатной температуры [согласно рекомендованной в ГОСТ 14082], сплав имеет следующие теплофизические характеристики:

ТКЛР (α20÷300°C)=4,8⋅10-6 К-1, Мн=-5°C.

Использование предложенного нами способа позволяет реализовать требуемое по ГОСТ значение ТКЛР в сочетании с низкой температурой начала мартенситного превращения (Мн<-150°C).

Способ обработки инварного сплава на основе системы железо-никель, включающий нагрев до 830-850°С, охлаждение в воде, дополнительное охлаждение до температуры ниже начала γ→α превращения, нагрев до температуры начала обратного α→γ превращения, последующий нагрев до температуры конца α→γ превращения, затем нагрев со скоростью не менее 10°С/мин до температуры на 10÷100°С выше температуры конца α→γ превращения и охлаждение на воздухе, отличающийся тем, что последующий нагрев в области α→γ превращения проводят со скоростью 0,2÷3°С/мин, а после охлаждения на воздухе проводят дополнительный нагрев в диапазоне температур 500-700°С и изотермическую выдержку от 15 мин до 10 ч с последующим охлаждением на воздухе.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к металлургии, а именно к термической обработке сплавов с памятью формы, и может быть использовано в медицине и технике. Способ обработки сплавов титан-никель с содержанием никеля 49-51 ат.% с эффектом памяти формы включает термомеханическую обработку заготовки, термомеханическое наведение эффекта памяти формы, разгружение и нагрев для восстановления формы.

Изобретение относится к обработке ванадиевых сплавов, легированных элементами IVB группы, содержащих элементы замещения Cr, W и элементы внедрения С, О, N в количестве не менее 0,04 мас.%.

Изобретение относится к области металлургии, а именно к термомеханической обработке титановых сплавов, и может быть использовано для получения высокопрочных наноструктурированных прутков круглого сечения из титанового сплава ВТ22.

Изобретение относится к области металлургии, в частности к термомеханической обработке полуфабрикатов из двухфазных (α+β)-титановых сплавов, и может быть использовано в машиностроении и авиационной технике.

Изобретение относится к области обработки металлов давлением, а именно к способам изготовления листов методом холодной прокатки из псевдо-альфа титановых сплавов.

Изобретение относится к области металлургии, в частности к высокотемпературной термомеханической обработке полуфабрикатов из титановых сплавов, и может быть использовано в авиакосмической технике.
Изобретение относится к термоводородной обработке полуфабрикатов и изделий из пористого материала на основе титана и его сплавов для медицинских имплантатов. Способ включает термодиффузионное насыщение водородом и вакуумный отжиг.

Изобретение относится к обработке металлов давлением и может быть использовано для интенсивной пластической деформации кручением. Для измельчения микроструктуры металлов и повышения их микротвердости, прочности и пластичности способ включает сжатие и последующее кручение заготовки с получением деформации сдвига, при этом деформацию заготовки проводят на бойках Бриджмена с приложением удельного давления 3-6 ГПа и последующим вращением подвижного бойка относительно своей оси со скоростью 0,2-1,5 об/мин, а в процессе вращения бойка осуществляют плавное изменение температуры заготовки, но не выше 0,4Тпл металла или сплава, а также изменение температуры в зависимости от режимов деформации.

Изобретение относится к обработке металлов давлением, а именно к способам изготовления особо тонких листов из высокопрочного псевдо-альфа титанового сплава Ti-6,5Al-2,5Sn-4Zr-1Nb-0,7Mo-0,15Si.

Изобретение относится к области металлургии, а именно к изготовлению холоднодеформированных бесшовных труб из титанового сплава Ti-3Al-2,5V. Способ включает производство слитков, ковку слитка в цилиндрическую заготовку за несколько переходов с чередованием деформации в β- и (α+β)-областях.
Изобретение относится к области металлургии и может быть использовано, в частности, для изготовления изделий и конструкций для химической промышленности, в энергетике и т.д.

Изобретение относится к областям машиностроения. Для повышения конструкционной прочности стали способ включает ультразвуковую безабразивную обработку поверхности стали и финишное пластическое деформирование поверхности.

Изобретение относится к области термической обработки заготовок из пассивного сплава на основе железа. Для повышения коррозионной стойкости осуществляют закалку на твердый раствор деформированной при низких температурах заготовки из пассивного сплава, причем способ включает первый этап растворения по меньшей мере азота в заготовке при температуре T1, которая выше температуры растворимости для карбида и/или нитрида, а также ниже точки плавления пассивного сплава, и последующий второй этап растворения азота и/или углерода в заготовке при температуре T2, которая ниже температуры, при которой в пассивном сплаве образуются карбиды и/или нитриды.

Изобретение относится к области металлургии и может быть использовано, например, для изготовления высоконагруженных деталей в машиностроении. Для получения субмикрокристаллической структуры в стали способ включает нагрев листа из стали 08Х18Н10Т до температуры 1100°С, выдержку 1 час, охлаждение в воде, обработку холодом в жидком азоте, прокатку в несколько проходов с общей логарифмической степенью деформации e=0,1-0,2 с охлаждением в жидком азоте между проходами для формирования мартенсита деформации с объемной долей 55-75%, затем теплую деформацию при 400-700°С за один, или несколько проходов со степенью логарифмической деформации е≤0,5 и отжигу, длительностью от 200 с до 1 ч в интервале температур 600-800°С с обеспечением формирования субмикрокристаллической структуры, содержащей аустенит до 95%.
Изобретение относится к ядерным реакторам на быстрых нейтронах с тяжелыми жидкометаллическими теплоносителями. Способ характеризуется тем, что определяют значение повреждающей дозы быстрых нейтронов (число сна), вызывающее недопустимое снижение пластических свойств стали.

Изобретение относится к области термической обработке и может быть использовано при обработке заготовок высоконагруженных конструкций из стали 20Х13 и 30Х13 с заданными одновременно механическими и магнитными свойствами, в частности, при производстве короткозамкнутых роторов дисковой формы для торцевых гистерезисных двигателей высокооборотных центробежных устройств.
Изобретение относится к области металлургии, в частности к составу светопоглощающих покрытий, используемых при термической обработке углеродистых сплавов. Светопоглощающее покрытие для изделий из углеродистого сплава содержит оксид меди и связующее - оксиэтилцеллюлозу, силикат натрия или калия и воду при следующем соотношении компонентов, мас.%: оксид меди 4,2-4,8, оксиэтилцеллюлоза 4,0-4,4, силикат натрия или калия 25,0-26,5, вода - остальное.

Изобретение относится к области металлургии, а именно к получению высокопрочных углеродсодержащих инварных сплавов. Способ обработки углеродсодержащего инварного сплава включает закалку и деформационно-термическую упрочняющую обработку.

Изобретение относится к области металлургии. Для повышения выносливости мартенситной нержавеющей стали проводят электрошлаковый переплав, затем охлаждают полученный слиток и осуществляют по меньшей мере один аустенитный термический цикл, состоящий в нагреве слитка выше температуры аустенизации с последующей стадией охлаждения.

Изобретение относится к области металлургии. Для повышения среднего значения усталостной прочности получают мартенситную сталь, которая имеет такое содержание других металлов, что она способна упрочняться в результате выделения интерметаллических соединений и карбидов и имеет содержание Al от 0,4 до 3 мас.%.

Изобретение относится к металлургии, а именно к способу изготовления высокопрочной конструкционной стали. Способ изготовления высокопрочной конструкционной стали включает этап изготовления сляба для изготовления стального сляба, этап (1) нагревания стального сляба до температуры в диапазоне от 950 до 1300°С, этап (2) выравнивания для выравнивания температуры стального сляба, этап горячей прокатки стального сляба, содержащий стадию (5) горячей прокатки I типа в диапазоне температур, в котором не происходит рекристаллизация, ниже температуры окончания рекристаллизации (RST), но выше температуры А3 образования феррита, и для обеспечения температуры чистовой прокатки (FRT), этап (6) закалки горячекатаной стали со скоростью охлаждения по меньшей мере 20°С/с до температуры окончания закалки (QT), причем указанная температура окончания закалки (QT) находится между температурами Ms и Mf, этап (7, 9) перераспределяющей обработки для перераспределения углерода в микроструктуре горячекатаной стали от мартенсита к аустениту, и этап (8) охлаждения горячекатаной стали до комнатной температуры посредством принудительного или естественного охлаждения.
Наверх