Сплавы с заданным значением теплового расширения

В приборостроении в ряде случаев требуются сплавы с са­мыми разнообразными свойствами, например сплавы с коэффи­циентом линейного расширения, равным коэффициенту линей­ного расширения стекла, или с коэффициентом, равным нулю, а также с весьма большим коэффициентом и т. д. Чтобы удов­летворить этим требованиям, для каждого конкретного случая применения изготавливают сплавы строго определенного соста­ва. Их, как и магнитные и электротехнические сплавы, называ­ют часто прецизионными сплавами.

Такое название обусловлено тем, что состав этих сплавов должен быть точным; разбег в колебании содержания легирующих элементов весьма не­большой, так как этим обеспечивается получение оптимальных свойств. Из­готавливают прецизионные сплавы (кроме трансформаторного металла) в весьма малых количествах способами, похожими на изготовление сплава ла­бораторными методами.

Зависимость расширения металла от температуры нагрева носит криволинейный характер (рис. ).

Коэффициент линейного расширения а возрастает; с повышением тем­пературы: ati<ati, если t\<t2. ,

Значения коэффициентов линейного расширения для некоторых метал­лов при разных температурах приведены в табл. 1

Коэффициент линейного расширения некоторых металлов

Металл	а *106 при температуре, °С
Железо . .	11,3	12,2	12,7	14,5	14,8
Медь . . .	16,7	17,0	17,4	18,8	19,6
Алюминий .	22,8	23,7	24,5	27,9	—
Никель . .	13,4	13,6	14,0	15,6	16,1
Кобальт . . Платина . .	12,0 8,9	12,5 9,1	13,0 9,2	9,7	9,9

Введение в металл второго компонента вызывает изменение коэффициен­та линейного расширения, при этом: а) если оба компонента образуют ме­ханическую смесь, то коэффициент линейного расширения изменяется адди­тивно; б) если компоненты образуют твердый раствор, то коэффициент линейного расширения изменяется по криволинейной зависимости, но внутри пределов, ограниченных значениями коэффициентов линейного расширения чистых компонентов.

Рис.396. Кривая расширения сплавов при повышении температуры

N1, Рис. 397. Коэффициент линейного расши­рения сплавов Fe—Ni (Шевенар)

Существуют, однако, две анормальные системы: Fe—Ni и Fe—Pt, в ко­торых изменение коэффициента линейного расширения сплавов, не подчиня­ется общим правилам. У железоникелевых сплавов коэффициент линейного расширения при добавлении никеля изменяется по сложной зависимости1 (рис. 397). Из этой диаграммы мы видим, что у железа а=11,6-10-6. Сплав с 25% № имеет почти в два 'раза больший коэффициент линейного расши­рения (а=20-10~6). Сплав с 36%Ni имеет в восемь раз меньший коэффи­циент линейного расширения (а=1,5-10~6).

Сплав с 36% Ni называется инваром (неизменный), и его можно считать практически нерасширяющимся. Этот сплав при­меняют во многих приборах для деталей, размеры которых не должны изменяться с изменением температуры. Следует иметь в виду, что малый коэффициент линейного расширения инвара сохраняется лишь в интервале от —80 до +100°С; выше и ни­же этого интервала коэффициент расширения инвара резко

возрастает.

Сплав с 42% Ni отличается тем, что имеет постоянный коэффициент линейного расширения (около 7,5Х XIО"6) в интервале от 20 до 200°С; вне этого интервала температур его коэффициент возрастает, т. е. сплав расширяется более интенсивно (рис. 398).

Другими словами, для сплавов системы Fe—Ni существует интервал температур, в пределах ко­торого коэффициент линейного расши­рения остается постоянным. Верхняя

Т этого интервала тем выше,чем больше в сплаве содержание никеля.

В табл. 102 для различных инварных сплавов приведен химический сос­тав и коэффициенты теплового расширения, регламентируемые технически­ми условиями.

Таблица 102

Состав и тепловые свойства инварных сплавов

		Содержание эле-
		ментов1 (пример-	Тепловые свойства
		ное), %
Название сплавов	Марка сплава
				коэффициент	температурный
		Ni	Со	линейного рас-	интервал из-
				ширения а • 106	мерений, °С
Инвар	Н36			1,5	20—100
Суперинвар	Н31К6	30—34	4—6	1,0	20—60
Платинит	Н48		—	9,0	20—300

Остальное — железо.

Из приведенных в табл. 101 сплавов наибольшее применение получил сплав Н36.

Для инвара характерна некоторая нестабильность размеров во време­ни: вначале после изготовления детали ее размеры уменьшаются, а потом растут. Стабилизация размеров изделий достигается термической обработ­кой, снимающей остаточные напряжения, так как указанная размерная не­стабильность есть результат релаксации этих напряжений, полученных при предыдущих обработках.

В результате замены части никеля кобальтом получается сплав, так на­зываемый суперинвар с еще меньшим коэффициентом теплового расширения, чем простой инвар.

В результате замены никеля кобальтом получается сплав, называемый коваром2, содержащий 29% Ni, 18% Со. У такого сплава коэффициент ли­нейного расширения а=5-10~6.

Он предназначен для спайки с молибденовыми стеклами, имеющими такой же коэффициент линейного расширения.

Сплав с 48% Ni имеет коэффициент линейного расширения, равный '9'10~6, т. е. такой же, как у стекла и платины (см. табл. 101). Этот сплав .получил название платинита, и его применяют для пайки металла со стек­лом.