Прецизионные сплавы с заданным температурным коэффициентом линейного расширения

Температурный коэффициент линейного расширения (ТКЛР) - физическая величина, характеризующая относительное изменение линейных размеров тела с увеличением температуры на 1 °К при постоянном давлении.

Прецизионные сплавы с заданным ТКЛР - материалы, для которых регламентировано значение данного коэффициента в определенных интервалах температур. То есть эти сплавы гарантируют заранее известное изменение линейных размеров изделия в заданном температурном диапазоне.

Рассматриваемые материалы отличаются достаточной прочностью и высокой пластичностью, что позволяет изготавливать из них продукцию широкого сортамента.

Можно выделить несколько химических систем, на основе которых строятся сплавы с заданным ТКЛР. Для магнитных материалов это железо-никель (Fe-Ni) и железо-хром (Fe-Cr). Они имеют минимальный, низкий и средний коэффициент. Для немагнитных базой являются системы на основе хрома (Cr) с легирующими добавками в виде железа (Fe), марганца (Mn), рения (Re), тантала (Ta) и др. Они дают минимальный и низкий коэффициент. Средний температурный коэффициент характерен для сплавов на базе никеля (Ni) с добавками молибдена (Mo), вольфрама (Wo), хрома (Cr), марганца (Mn); на базе циркония (Zr) с легирующим элементом в виде титана (Ti); на основе титана (Ti) с легированием молибденом (Mo) и ванадием (V). Системы марганец-никель-медь (Mn-Ni-Cu) имеют высокий температурный коэффициент.

Сплавы с заданным ТКЛР разбивают по магнитным свойствам на две большие группы: магнитные материалы и немагнитные. Внутри каждой из групп выделяют материалы с минимальным, низким, средним и высоким коэффициентом.

Таблица 1

Группа	Марка	Общая техническая характеристика	Назначение
Ферромагнитные сплавы
С минимальным температурным коэффициентом линейного расширения	36Н 36Н-ВИ 32НКД 32НК-ВИ 32НК-ЭЛ 36НХ 35НКТ 35НКГ 39Н 36НГ6 36НГТ	Имеют ТКЛР ниже 3,5·10-6 K-1 до температуры не выше 100 °С	Для различных деталей измерительных приборов, в метрологии, геодезии, в качестве составляющих термобиметаллов, для базисных устройств газовых лазеров, трубопроводов криогенных жидкостей и т. п. Выбор сплава производится с учетом его температурного коэффициента, механических свойств, устойчивости к фазовым превращениям в интервале рабочих температур и нагрузок
С низким температурным коэффициентом линейного расширения	42Н 42НА-ВИ 44Н 46Н 38НК	Имеют температурный коэффициент от 3,0 до 7,0·10-6 K-1 до температуры перегиба дилатометрической кривой (Тп). Выше Тп тепловое расширение резко возрастает	Для соединения с керамикой низкотемпературными припоями, цементами, клеями, для оснований никелевых и прочих сеток, как конструкционные материалы с заданным ТКЛР
	30НДК 29НК 30НКФ	ТКЛР от 4 до 7·10-6 K-1 и низким тепловым расширением после температуры перегиба	Широко применяются для вакуумноплотных соединений со стеклами С39-1, C48-1, С52-1, С59-3 и т. д.
Со средним температурным коэффициентом линейного расширения	34НК 31НК 24НК 33НК	Имеют ТКЛР 5,5-8,0·10-6 K-1 до температуры перегиба и минимальный температурный коэффициент выше температуры перегиба	Для соединения с керамикой типа «22ХС» и «поликор», лейкосапфиром и т. п. высокотемпературными припоями с температурой плавления 800-1000 °С
	38НКД 47НХ 48НХ 47НЗХ 47НХР 50НЗХЮ 18ХТФ 52Н 47НД	ТКЛР от 7-12·10-6 K-1	Для соединения с мягкими стеклами С80-1, С72-1, С76-4, С95-3, С94-1, С93-2, С93-4, С90-1 и т. д.
	58Н-ВИ	ТКЛР 11·10-6 K-1	Для штриховых мер с постоянством размеров во времени
Немагнитные сплавы
С минимальным температурным коэффициентом линейного расширения	95ХК 96Х	Имеют ТКЛР от 1 до 6·10-6 K-1 до температуры не выше 100 °С	Для изготовления деталей, от которых требуется высокая стабильность размеров, повышенная твердость, коррозионная стойкость и отсутствие искажений магнитных полей
	75НМ-ВИ 80НМВ 80HMBX3 76НХВГ	ТКЛР от 10 до 15·10-6 K-1 до температуры 900 °С	Для соединения с «мягкими» стеклами и керамикой, как конструкционный материал с заданным ТКЛР
	93ЦТ	ТКЛР 6·10-6 K-1 до температуры 700 °С
	72ТФ 75ТМ	ТКЛР 8-10·10-6 K-1 до температуры 900 °С
С высоким температурным коэффициентом линейного расширения	56ДГНХ 70ГНДХ	ТКЛР выше 15·10-6 K-1 в интервале температур от 20 °С до температуры плавления	Для деталей, согласованных по тепловому расширению с алюминиевыми сплавами, и для активных составляющих термобиметаллов

Основными факторами, влияющими на характеристики материалов, являются химический состав, технология производства и ряд других особенностей. Удобно рассматривать свойства в рамках групп, описанных в разделе Классификация. Температурные коэффициенты для групп приведены в табл. 1.

С практической точки зрения для прецизионных сплавов рассматриваемой группы самым важным является температурный коэффициент линейного расширения. Условно его значения можно классифицировать как минимальные, низкие, средние, высокие.

Также важными являются технологические, физические, механические и химические свойства. Первые определяют, какой тип продукции и каким способом можно изготовить. Остальные определяют эксплуатационные характеристики (максимальные рабочие температуры, механические нагрузки, среда и так далее). В общем для всех групп сплавов можно отметить хорошую пластичность (определяет возможность обработки давлением) и достаточную прочность.

Основные марки прецизионных сплавов с заданным ТКЛР приведены в разделе Классификация, таблица 1. Химический состав и прочие требования к ним регламентируются стандартами ГОСТ 10994-74.

В метрологии, криогенной, радиоэлектронной технике и геодезии используют сплавы со значением ТКЛР порядка 10^-6 K^-1 и ниже. Величины температурного коэффициента, близкие к нулевому значению, необходимы для обеспечения высокой точности измерительного инструмента, создания стабильных эталонов длины, газовых лазеров, а также сооружения бескомпенсационных трубопроводов для перекачки сжиженных газов.

Большинство конструкций электровакуумных, газоразрядных и полупроводниковых приборов имеет спаи металла с неорганическим диэлектриком (например, стеклом, керамикой, слюдой), к которым предъявляются высокие требования по вакуумной плотности. Большинство из них имеет ТКЛР ниже, чем у обычных металлов и сплавов. Чтобы получить герметичные спаи стекла, керамики или полупроводников со сплавами, необходимо иметь соответствие тепловых коэффициентов для соединяемой пары в технологическом и эксплуатационном интервалах температур. Допустимые различия в значениях ТКЛР соединяемых материалов зависят от конструкции спая, свойств окисной пленки, качества спая, пластичности материала. В случае большого различия теплового расширения сплава и неорганического диэлектрика возникающие напряжения приводят к образованию трещин в спаях и к потере герметичности в процессе работы узла прибора.

Ферромагнитные материалы с минимальным ТКЛР применяются в точном приборостроении для различных деталей измерительных приборов, в метрологии, геодезии, в качестве составляющих термобиметаллов, для базисных устройств газовых лазеров, трубопроводов для криогенных жидкостей и т.п. Выбор сплава производится с учетом его ТКЛР, механических свойств устойчивости к фазовым превращениям в интервале рабочих температур и нагрузок. Материалы из этой же группы но с низким и средним ТКЛР нашли применение в производстве многочисленных электровакуумных приборов (приемо-усилительные лампы, магнетроны, клистроны, телевизионные трубки и т. д., герметичные вводы и корпуса полупроводниковых приборов). Выбор сплавов проводится с учетом характеристик теплового расширения неорганических диэлектриков или других материалов, спаи с которыми должны быть получены, а также с учетом требований к физическим и механическим свойствам сплавов. Рассматриваемые материалы используются также в точном приборостроении в качестве элементов приборов и для штриховых мер длины в станкостроении.

В связи с развитием радиоэлектроники потребовались металлические материалы с минимальным температурным коэффициентом расширения на неферромагнитных основах. Ферромагнетизм сплавов на железоникелевых основах не позволяет использовать их в некоторых приборах, где магнитное поле, наводимое остаточным ферромагнетизмом, является недопустимым. Поэтому возникла необходимость в материалах с минимальным коэффициентом расширения, не обладающих ферромагнетизмом. Сплавы применяются для согласованных и не полностью согласованных соединений с металлами, сплавами, керамическими материалами и стеклами, в том числе для спаев, работающих при повышенных температурах, для составляющих термобиметаллов, для исходных мер длины - эталонов оптико-механических дилатометров.

Промышленность выпускает материалы с заданным ТКЛР в виде ленты и полосы (плоский прокат), а также проволоки, прутка, трубы (круглый прокат). Тот или иной вид заготовок выбирается в зависимости от конкретной области применения.