Прецизионные сплавы с заданными свойствами упругости

Прецизионные сплавы с заданными свойствами упругости - сплавы, обладающие высоким сопротивлением к малым пластическим деформациям и релаксационной стойкостью в условиях статического и циклического нагружения; применяются в качестве пружин и пружинных элементов, упруго чувствительных элементов измерительных приборов, мембран расходомеров, резонаторов фильтров для выбора, генерирования и настройки на заданную частоту.

Релаксационная стойкость - способность материала сопротивляться релаксации, например, механических напряжений; релаксация - самопроизвольное затухающее падение напряжений в материале с течением времени. Она происходит за счет перехода упругой деформации в пластическую. Типичный пример релаксации — снижение напряжений в болтах и шпильках фланцевых соединений. Несмотря на начальную затяжку болтов с течением времени при повышенных температурах происходит ослабление натяга за счет перехода части упругой деформации в пластическую.

В основе данных материалов лежат несколько систем:

• Дисперсионно-твердеющие сплавы
• Fe-Ni-Cr (железо-никель-хром)
• Fe-Ni-Cr-Mn (железо-никель-хром-марганец)
• Ni-Cr (никель-хром)
• Co-Ni (кобальт-никель)
• Nb-Ti (ниобий-титан)
• Деформационно-твердеющие сплавы
• Co-Cr-Ni (кобальт-хром-никель)
• Fe-Cr-Ni (железо-хром-никель)
• Mo-Re (молибден-рений)
• Сплавы с температурно-стабильным модулем упругости
• Fe-Ni-Cr (железо-никель-хром)
• Fe-Ni-Co (железо-никель-кобальт)

Прецизионные сплавы с заданными свойствами упругости можно условно классифицировать по способу упрочнения и физико-механическим свойствам.

Таблица 1

Марка	Общая техническая характеристика	Назначение
Дисперсионно-твердеющие сплавы
36НХТЮ (ЭИ702) 36НХТЮ5М (ЭП51) 36НХТЮ8М (ЭП52) З0НГХТЮМ З0НГХТЮМД 70НХБМЮ 52НКХБМЮ 40НКХТЮМД 47ХНМ-ВИ (ЭП530)	Повышенные прочностные и упругие свойства, релаксационная стойкость при температурах от -269 до 250-700 °С, коррозионная стойкость в атмосферных условиях и ряде агрессивных сред, немагнитность	Упругие чувствительные элементы - мембраны, сильфоны, трубки Бурдона, анероидные коробки, витые и плоские пружины, детали электровакуумных приборов, узлов автоматики, работающие в агрессивных средах и в широком интервале температур
40ХНЮ-ВИ (ЭП793)	Высокая твердость, коррозионная стойкость в условиях морского и тропического климата, немагнитность	Керны, подшипники приборов, режущие медицинские инструменты
67КН5Б-ВИ	Высокие прочностные, упругие свойства и и релаксационная стойкость до 400-450 °С, низкое удельное электросопротивление	Токоведущие упругие элементы, контактные пружины для электромагнитных и ртутных реле
55БТЮ	Релаксационная стойкость до 500 °С, низкий модуль упругости, пониженный ТКМУ, высокая коррозионная стойкость в агрессивных средах, немагнитность	Упругие чувствительные элементы ответственного назначения для работы в агрессивных средах и до 400-500 °С
Деформационно-твердеющие сплавы
40КХНМ 40КХНМВ 40КХНМИ 40КНХМВТЮ	Высокие прочностные и упругие свойства, немагнитность, коррозионная стойкость, долговечность, износостойкость	Заводные пружины пружинных двигателей и наручных часов, витые цилиндрические пружины, керны электроизмерительных приборов, хирургические детали, растяжки и торсионы (40КХНМВ)
45КХВН	Высокая твердость, износостойкость, свойства упругости, теплостойкость до 500-600 °С, коррозионная стойкость, немагнитность	Пишущие элементы аппаратов связи, каркасы искусственных клапанов сердца
40К27ХНМ с Та	Электрохимическая стойкость в физиологическом растворе и организме человека, долговечность	Жилы и детали кардиостимуляторов, противотромбозные фильтры, иглы для иглоукалывания
14Х6Н4Г 14Х6Н4ГДМ	Высокие прочностные свойства, теплостойкость до 250 °С, коррозионная стойкость в ряде сред	Пружины общего назначения, рулонные пружины
12ХНКМТЮ	Высокие прочностные и упругие свойства, высокая живучесть, коррозионная стойкость	Заводные пружины автомобильных ремней безопасности, рулонные пружины щеткодержателей электрических машин
50МИ	Высокие прочностные и упругие свойства, релаксационная стойкость до 900 °С	Растяжки, торсионы, работающие при высоких температурах
Сплавы с температурно-стабильным модулем упругости (элинвары)
42НХТЮ 44НХТЮ 42НХТЮА	Температурная стабильность модуля упругости от -269 до +100-200 °С, повышенные прочностные и свойства упругости	Упругие чувствительные элементы прецизионных приборов, расходомеры, регуляторы скорости, датчики линейных ускорений, измерители плотности жидкостей, динамометры электронных весов, волосковые спирали часовых механизмов (42НХТЮА)
43НКТЮ 30Н25КТЮ (ЭК4)	Температурная стабильность модуля упругости до 300-400 °С. Повышенный уровень механических характеристик	Датчики давления и температуры глубинных приборов, расходомеры
43НХВТ	Большой положительный температурный коэффициент частоты (ТКЧ), (+50)-(+70)·10-6К-1	Электромеханические фильтры с пьезокерамическими преобразователями
45НХТ (ЭП218)	Минимальный ТКЧ (±5·10-6К-1) в интервале от -40 до +60°С	Резонаторы электромеханических фильтров
37Н11Х (ЭП297) 36Н11Х	Малый температурный коэффициент модуля упругости до 100 °С, повышенная коррозионная стойкость	Прецизионные упругие чувствительные элементы, работающие в слабоагрессивных средах
У8/75Н34Х8ГЗ (ЭП636) У8А/40Н35Х8Г	Камертонный биметалл с минимальным ТКЧ (менее 3·10-6К-1)	Камертонные генераторы, стабилизаторы частоты
90БТ	Немагнитный элинвар с низким модулем упругости	Упругие чувствительные элементы, линии задержки, электромеханические фильтры

К прецизионным материалам с заданными свойствами упругости предъявляются следующие требования. Они должны иметь высокий или, наоборот, низкий модуль упругости, небольшой температурный коэффициент модуля упругости, высокую добротность, малый упругий гистерезис (в теории упругости явление гистерезиса наблюдается в поведении упругих материалов, которые под воздействием больших давлений способны сохранять деформацию и утрачивать ее при воздействии обратного давления (например, вытягивание сжатого стержня) и упругое последействие, высокую усталостную, прочность, коррозионную стойкость, немагнитность, электропроводность, износостойкость, а также стабильность этих характеристик при температурах эксплуатации. Они должны обладать технологической пластичностью для получения упругих элементов заданной конфигурации и свариваемостью.

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

Направления промышленности, в которых используется продукция из прецизионных сплавов с заданными свойствами упругости, достаточно широки. Это и всевозможные упругие чувствительные элементы, датчики; различные виды пружин; медицинские инструменты.

Дисперсионно-твердеющие сплавы нашли применение для изготовления следующих изделий: упругие чувствительные элементы, работающие в диапазоне температур от -250 до 250-400 °С в зависимости от конкретной марки материала; датчики давления, работающие в температурном интервале от -253 до 250 °С; силовые и тарельчатые пружины, использующиеся в подземном скважинном оборудовании для добычи природного газа, содержащего сероводород. Также некоторые марки могут применяться в качестве коррозионностойких конструкционных материалов.

Деформационно-твердеющие материалы используются в теплостойких и заводных пружинах; кернах электроизмерительных приборов; геодезических и гироскопических устройствах (для упругих элементов в микронных сечениях); плоских мембранах; упругих растяжках торсионов, работающих при высоких температурах в вакууме или среде инертных газов и водорода.

Сплавы с температурно-стабильным модулем упругости получили широкое применение в приборостроении для изготовления упругих чувствительных элементов тончайшей контрольно-измерительной аппаратуры без применения термостатирования и компенсации. Из них производят волосковые спирали и пружины специальных часовых механизмов, плоские, спиральные и геликоидальные пружины, резонаторы электромеханических фильтров, барокоробки, сильфоны, звукопроводы, трубки Бурдона, регуляторы скорости двигателей, датчики давления.

Отдельно стоит рассмотреть применение упругих сплавов в медицинской технике. Общим требованием, предъявляемым к используемым в медицинской технике материалам, особенно к вживляемым в организм человека, является совместимость с живыми тканями. Материалы не должны вызывать образования тромбов, воспалительных процессов и при этом должны обладать необходимыми механическими свойствами (упругость, предел усталости и др.). Марку 36НХТЮ используют для инъекционных игл, изготавливаемых из тонкостенных трубок диаметром от 0,8 до 2,0 мм. Сплав 40КХНМ применяют для скобок сшивки кровеносных сосудов, протезирования культи глазного яблока, для костных хирургических операций в ортопедии - «гвозди» для скрепления костей, протезы суставов, для витых пружин, применяемых при сращивании костей под давлением; для кратковременной стимуляции сердца и др. Марка 40К27ХНМ с Та отличается более высокой коррозионной стойкостью в организме человека и физиологическом растворе по сравнению со сплавом 40КХНМ. Основная область применения - электроды для длительной и постоянной стимуляции тканей и органов человека (сердца, головного мозга, мочевого пузыря, желудочно-кишечного тракта и др.), изготавливаемые из проволоки диаметром 0,15-0,2 мм с деформацией 30-40%. Кроме того, из проволоки указанного сплава изготавливают иглы для иглотерапии, упругие корригирующие приспособления, применяемые в хирургии для лечения искривлений позвоночника, переломов костей, для коррекции оси нижних конечностей. Лента толщиной 0,13-0,15 мм с деформацией 30-40% применяется для противотромбозных фильтров. Для каркасов искусственных клапанов сердца используют умягченный горячекатаный лист толщиной 5-12 мм и проволоку диаметром 0,9-1,1 мм с деформацией 30-40%. Сплав 40ХНЮ-ВИ благодаря высокой износостойкости и коррозионной стойкости в стерилизующих средах находит применение для общехирургических скальпелей, эксплуатационные свойства которых значительно выше, чем у серийных скальпелей из сталей.

Промышленность производит материалы с заданными свойствами упругости в виде плоского (лента, полоса, лист) и круглого (проволока, пруток, труба) проката. Тот или иной вид заготовок выбирается в зависимости от конкретной области применения.