АМОРФНЫЙ СПЛАВ НА ОСНОВЕ НИКЕЛЯ ДЛЯ ЛИТЬЯ МИКРОПРОВОДОВ
AMORPHOUS ALLOY ON BASE OF NICKEL FOR MUCRO-WIRES CASTING

Изобретение относится к области металлургии прецизионных сплавов со специальными свойствами, в частности к сплавам для литья коррозионно-стойких микроповодов, используемых при получении термопар с высокой термо-ЭДС, работающих в жестких условиях эксплуатации.
в
2
Широко известны сплавы для термопар с высокой термо-ЭДС, в частности сплав хромель на хром-никелевой основе, а также сплав копель на медно-никелевой основе для изготовления положительной и отрицательной ветвей термопар. Эти сплавы имеют высокую термо-ЭДС (хромель +2,14±0,10 мВ, копель -4,81±0,10 мВ), предел прочности σ=40-50 кг/мм и относительное удлинение δ=15-20%.
Известные сплавы предназначены для получения проводов методом пластической деформации, но из них не удается изготовить провода диаметром менее 200 мкм, т.е. сплавы типа хромель и копель не пригодны для изготовления из них микротермопар.
Преимуществом микротермопар является возможность измерения температуры миниатюрных объектов и локального градиента температур. Кроме того, использование микротермопар позволяет существенно уменьшить инерционность измерения, что делает возможным измерение температур в динамическом режиме.
Для изготовления микротермопар необходимо использовать микропровода в стеклянной изоляции диаметром менее 10 мкм.
Наиболее близким аналогом является RU 2219279 С2, C22C 45/04, 20.12.2003, в котором раскрыт аморфный сплав на основе никеля для литья микропроводов, содержащий, мас.%:
хром - 8,5-10,0
кобальт - 0,4-1,2
церий - 0,5-1,2
иттрий - 0,1-0,5
никель - остальное.
2
Микропровода из этого сплава имеют удельное сопротивление ρ=0,6-0,8 Ом×мм/м, термо-ЭДС (в паре с медью) 2-2,2 мВ, показатели коррозионной стойкости:
2
в серной кислоте - 0,25 г/м × час;
2
в соляной кислоте - 0,27 г/м × час;
2
в морской воде - 0,23 г/м × час.
Однако относительно низкое удельное сопротивление сплава-прототипа не позволяет добиться требуемой минитиарюзации термопар. Кроме того, низкая коррозионная стойкость в агрессивных средах исключает использование микропроводов из этого сплава в непосредственном контакте с агрессивными реагентами, а неконтактные измерения температуры резко снижают точность измерения температуры рабочей среды.
Техническим результатом настоящего изобретения является повышение коррозионной стойкости, увеличение удельного сопротивления и улучшение технологичности процесса литья микропроводов.
Технический результат достигается введением в сплав на основе никеля для литья микропроводов, содержащий хром, кобальт, церий, иттрий, дополнительно бора, кремния и циркония при следующем соотношении компонентов (мас.%):
хром - 8,0-10,5
кобальт - 0,4-1,2
бор - 6,0-9,0
кремний - 6,0-9,0
церий - 0,5-1,2
иттрий - 0,1-0,6
цирконий - 3,0-6,0
никель - остальное.
Повышение показателей коррозионной стойкости сплава достигается дополнительным введением аморфизатора - бора в количестве от 6 до 9%. Показатели коррозионной стойкости:
2
в серной кислоте - 0,09 г/м × час;
2
в соляной кислоте - 0,012 г/м × час;
2
в морской воде - 0,006 г/м × час.
При введении в сплав менее 6% бора не наблюдается эффекта повышения коррозионной стойкости, при введении более 9% бора происходит уменьшение термо-ЭДС.
2
Однако удельное сопротивление остается низким и имеет величину ρ=0,9-0,92 Ом×мм/м.
Для увеличения удельного сопротивления вводится элемент с большим атомным радиусом. Таким элементом, повышающим удельное сопротивление, является цирконий, вводимый в количестве 3-6%. При введении в сплав менее 3% циркония не наблюдается эффекта повышения удельного сопротивления, при введение более 6% - происходит уменьшение термо-ЭДС.
2
Наличие в сплаве циркония в указанных количествах повышает удельное сопротивление до 1,6-1,9 Ом×мм/м. При этом показатели коррозионной стойкости остаются высокими, аморфная структура также сохраняется.
Для повышения технологических свойств при сохранении высокой коррозионной стойкости в сплав вводится 6,0-9,0% кремния, чьи окислы являются основными в составе стекла (по % содержанию). Введение в предложенный сплав кремния в указанных количествах позволяет достичь наилучшего смачивания расплавом металла боросиликатных стекол типа С 37-2, С 27-3, ТУ (термоустойчивое) в процессе литья микропроводов и обеспечивает получение аморфной структуры жилы микропровода.
При введении в сплав кремния менее 6,0% не наблюдается хорошей смачиваемости в системе металл - стекло и не удается получить микропровод диаметром менее 3 мкм, при введении более 9,0% - не удается получить длину безобрывного отрезка микропровода более 3000 м.
Для изготовления микропроводов диаметром 13,0-20,0 мкм целесообразно использовать сплав верхнего граничного состава (мас.%):
хром - 10,5
кобальт - 1,2
бор - 9,0
кремний - 9,0
церий - 1,2
иттрий - 0,6
цирконий - 6,0
никель - остальное.
Микропровода диаметром 0,5-3,0 мкм изготавливают из сплава нижнего пограничного состава (мас.%)
хром - 8,0
кобальт - 0,4
бор - 6,0
кремний - 6,0
церий - 0,5
иттрий - 0,1
цирконий - 3,0
никель - остальное.
Для литья микропроводов диаметром 4,0-12,0 мкм используется сплав оптимального состава (мас.%):
хром - 9,0
кобальт - 0,8
бор - 7,5
кремний - 7,5
церий - 0,85
иттрий - 0,3
цирконий - 4,5
никель - остальное.
Заявляемый аморфный коррозионно-стойкий сплав на основе никеля для литья микропроводов характеризуется следующими свойствами:
диаметр - 0,5-20,0 мкм
макс. длина - 5000 м
показатели коррозионной стойкости:
2
в серной кислоте - 0,09 г/м × час;
2
в соляной кислоте - 0,012 г/м × час;
2
в морской воде - 0,006 г/м × час;
термо-ЭДС микропроводов (в паре с медью) - 2,84-2,96 мВ.
Выплавка сплава предлагаемых составов проводилась с помощью высокочастотного генератора типа Л3-19 в алундовых тиглях в атмосфере аргона.
Литье микропроводов осуществлялось по типовой технологии на установке типа ВУ-2Н со стеклами типа ТУ.
Разработка аморфного коррозионного сплава позволяет создать миниатюрные термопары, работающие в особо жестких условиях эксплуатации: повышенная кислотность, воздействие морского тумана и морской воды. Использование термопар из предлагаемого сплава позволяет осуществить хранение и эксплуатацию реагентов с повышенной коррозионной активностью при постоянном контроле температурного режима объектов в микрообъемах.
Таблица 1
Химический состав известного и предлагаемого сплава, подвергнутых испытанию
Сплав
Номер плавки
Содержание элементов в сплаве, мас.%
Cr
Co
Ce
Y
B
Zr
Si
Ni
Предлагаемый
1
8,0
0,4
0,5
0,1
6,0
3,0
6,0
остальное
2
9,0
0,8
0,85
0,3
7,5
4,5
7,5
-
3
10,5
1,2
1,2
0,6
9,0
6,0
9,0
-
С выходом за
пределы
4
7,5
0,35
0,45
0,05
5,5
2,5
5,5
остальное
граничных значений
5
11,0
1,7
1,7
1,0
9,5
6,5
9,5
Известный
6
8,5
0,4
0,5
0,1
-
-
-
остальное
7
10,5
1,2
1,2
0,5
-
-
-
Таблица 2
Основные характеристики микроповодов из предлагаемого и известного сплава
Сплав
Номер плавки
Характеристики микропровода
Длина микропровода на бобине, м
Диапазон диаметров, мкм
Удельное сопротивление, Ом×мм<sup>2</sup>/м
ТЭДС, мВ
Показатели корроз. ст-ти, г/м<sup>2</sup> × час
серная кислота
соляная кислота
морская вода
Предлага-
1
3500
0,5-3
1,6
2,84
0,09
0,12
0,06
емый
2
5000
4-12
1,75
2,90
÷
÷
÷
сплав
3
5000
13-20
1,9
2,96
÷
÷
÷
С
4
300
4-15
0,8
2,40
0,35
0,40
0,33
выходом
5
500
4-15
1,1
1,08
0,12
0,15
0,08
за
пределы
граничных
значений
Известный
6
250
÷
0,6
2,0
0,25
0,27
0,23
7
250
÷
0,8
2,2
÷
÷
÷