Сплав на основе железа

Сплав на основе железа, содержащий никель, кобальт, редкоземельные элементы и железо, отличающийся тем, что, с целью повышения трещиноустойчивости при сохранении коэффициента линейного теплового расширения, он дополнительно содержит ниобий при следующих соотношениях компонентов, мас.%:
Никель - 32 - 33,5
Кобальт - 3,2 - 4,2
Редкоземельные элементы (церий, лантан, неодим, празеодим) в сумме - 0,04 - 0,2
Ниобий - 0,4 - 0,8
Железо - Остальноел

Изобретение относится к металлургии, в частности к изысканию прецизионных литейных сплавов, обладающих минимальным тепловым расширением. Оно может применяться в квантовой электронике, точном приборостроении, оптико-механической промышленности, в частности, для изготовления деталей, работающих в контакте с кварцевым стеклом.
Известен сплав на основе железа [1], содержащий, мас.%:
Никель - 31 - 33,0
Кобальт - 4,0 - 6,0
Кремний - 0,06 - 0,1
Железо - Остальное
Коэффициент линейного теплового расширения (КЛТР) указанного сплава равен 0,2 - 2,0 10^-6 град^-1. Этот сплав имеет склонность к трещинообразованию при отливке изделий, имеющих различную толщину стенок.
Наиболее близким к предлагаемому по технической сущности и достигаемому результату является сплав 32НКДЛ [2] следующего состава, мас.%:
Никель - 32,0 - 33,5
Кобальт - 3,2 - 4,2
Медь - 0,6 - 0,8
Кремний - 0,02 - 0,15
Редкоземельные элементы - 0,04 - 0,2
Железо - Остальное
Недостатком сплава 32НКДЛ является его склонность к образованию горячих трещин при изготовлении достаточно крупногабаритных отливок. Из-за указанного недостатка из сплава 32НКДЛ в настоящее время освоены в серийном производстве отливки габаритными размерами, не превышающими 100х50х50, и весом до 1 кг (с литниково-питающей системой до 6 кг).
Непрерывное усложнение изделий требует изготовления все более крупногабаритных отливок, в частности оправ и подложек зеркал кварцевой оптики.
Целью изобретения является повышение трещиноустойчивости при сохранении коэффициента линейного теплового расширения.
Это достигается тем, что сплав, содержащий никель, кобальт, редкоземельные элементы и железо, дополнительно содержит ниобий при следующем соотношении компонентов, мас.%:
Никель - 32 - 33,5
Кобальт - 3,2 - 4,2
Редкоземельные элементы (церий, лантан, неодим, празеодим) в сумме - 0,04 - 0,2
Ниобий - 0,4 - 0,8
Железо - Остальное
Ниобий введен в сплав для повышения его трещиноустойчивости. Он не оказывает отрицательного (с точки зрения служебных характеристик сплава) действия на ТКЛР и на температуру начала мартенситного превращения (положение Мн). Проведенные исследования показали, что указанные параметры сплава не ухудшились.
Ввод ниобия в указанном количестве гарантирует его нахождение в -твердом растворе, а гомогенность сплава необходима для стабильности его размеров во времени.
Содержание остальных элементов, за исключением кремния и меди, выбрано, как и в сплаве 32НКДЛ, по следующим причинам: при содержании никеля менее 32% и кобальта менее 3,2% происходит повышение ТКЛР и Мн, а при концентрации никеля более 33,5% и кобальта 4,2% наблюдается повышение ТКЛР. Следовательно, данный интервал содержаний никеля и кобальта должен сохраняться.
Увеличение содержания ниобия сверх его максимального значения повышает ТКЛР сплава, а также приводит к выпадению в гомогенном -твердом растворе второй фазы комплексных соединений ниобия. Уменьшение содержания ниобия до ниже его минимального предельного значения повышает точку Мн сплава и тем самым уменьшает интервал отрицательных температур, при которых может эксплуатироваться сплав, помимо этого снижается трещиноустойчивость сплава.
Содержание редкоземельных металлов объясняется следующими причинами: нижний предел - необходимостью связывания легкоплавких сульфидов, способствующих образованию горячих трещин, в тугоплавкие сульфиды РЗМ; верхний предел - снижением трещиноустойчивости сплава вследствие выделения по границам зерен легкоплавкой эвтектики РЗМ - железо (никель).
Химический состав сплавов приведен в табл.1, трещиноустойчивость залитых образцов - в табл.2.
Плавки проводили в высокочастотной плавильной печи марки ИСТ 016. Емкость печи 40 кг. Футеровка тигля кислая. Время плавки 23 - 35 мин. Раскисление сплава проводили в печи ферромарганцем и ферросилицием, в ковше - алюминием. Редкоземельные металлы вводили в виде кусочков раздробленного мишметалла марки МЦ40 ТУ48-4-280-73 (фракция до 5 мм). Для определения трещиноустойчивости использовали опытные (плавки 3 - 8, 12 и 13) и серийные (плавки 6, 7, 14 - 26) отливки, а также кокильную U-образную пробу (плавки 3 и 11). Отливки изготовляли методом литья по выплавляемым моделям, связующее - этилсиликат 40, оболочки имели 3 слоя. Температура форм 800^oC. Температуру сплава определяли платино-платинародиевой термопарой.
Из результатов, приведенных в табл.2, следует, что трещиноустойчивость предлагаемого сплава существенно выше, чем известного. В то же время выход предлагаемого сплава за пределы, предусмотренные формулой изобретения, ведет к снижению трещиноустойчивости (плавка 1).
В табл. 3 приведены ТКЛР предложенного сплава в сравнении со сплавом 32НКДЛ ТУЗ 1072-78.
Целью приведенного примера является обоснование выбора химического состава сплава с точки зрения ТКЛР и температуры мартенситного превращения.
Методом литья по выплавляемым моделям отливали заготовки, из которых вытачивали дилатометрические образцы длиной 50 мм и диаметром 5 мм. Образцы подвергали термообработке для получения минимального ТКЛР (нагрев до 830 - 850^oC, охлаждение в воде, отпуск 300^oC, 1 ч). При охлаждении в жидком азоте образцы находились в нем не менее 10 мин.
Измерение ТКЛР проводили для каждой плавки на 3 - 5 образцах в интервале температур 20 - 100^oC на кварцевом дилатометре с микрометрическим измерительным устройством, прошедшим проверку по контрольному образцу. Выборочная контрольная проверка ТКЛР проводилась на дилатометре с механотроном 6MXIC. Погрешность измерения температуры образца не превышала 1^oC. Среднеквадратичное отклонение результатов измерений при работе на дилатометрах с микрометрической головкой составило 0,15 10^-6К^-1.
Из рассмотрения данных табл.3 вытекают следующие заключения. Указанные пределы химического состава предлагаемого сплава выбраны правильно, поскольку его ТКЛР в пределах точности измерений находится на уровне ТКЛР известного сплава, а точка Мн лежит ниже температуры -196^oC. Расширение пределов химического состава предлагаемого сплава (плавки 1 и 9) ведет к недопустимому повышению его ТКЛР, а в случае пониженного содержания элементов (плавка 1) - к одновременному повышению точки Мн, о чем говорит резкое повышение ТКЛР после обработки жидким азотом.
Сплав на основе железа, содержащий никель, кобальт, редкоземельные элементы и железо, отличающийся тем, что, с целью повышения трещиноустойчивости при сохранении коэффициента линейного теплового расширения, он дополнительно содержит ниобий при следующих соотношениях компонентов, мас.%:
Никель - 32 - 33,5
Кобальт - 3,2 - 4,2
Редкоземельные элементы (церий, лантан, неодим, празеодим) в сумме - 0,04 - 0,2
Ниобий - 0,4 - 0,8
Железо - Остальноеа