ИРИДИЕВАЯ ПРОВОЛОКА

Полезная модель относится к металлургии благородных металлов и может быть использована в производстве иридиевой проволоки путем горячего волочения.
Иридиевая проволока нашла свое применение во многих отраслях техники, например, в качестве контактов для свечей зажигания двигателей внутреннего сгорания, в качестве термопреобразователей, в приборах для измерения токов и напряжений, как активная часть источников радиоактивного излучения.
Несмотря на то, что иридий является нетехнологичным металлом: хрупким, труднодеформируемым, с очень высокой температурой плавления, к иридиевой проволоке предъявляются требования по всему комплексу механических свойств: прочности, пластичности, твердости и плотности, обеспечивающим возможность эксплуатации изготовленных из нее изделий в сложных условиях высоких температур, знакопеременных нагрузок и химически активных сред. При этом, иридиевая проволока должна быть и экономически выгодна для потребителей.
Известна иридиевая проволока, тело которой выполнено из иридия, имеющего покрытие из платины (книга, Е.И.Рытвин, «Жаропрочность платиновых сплавов», М., «Металлургия», 1987 г., стр.12, в.з. Японии №5-343156, Н01Т 13/20, oп. 24.12.1993 г.).
Однако, несмотря на то, что в известной проволоке была сделана попытка повысить ее пластичность за счет плакирования тела проволоки более пластичной, чем иридий, платиной, проволока постоянно не обладаем высоким комплексом механических свойств. Такое покрытие имеет малую толщину и уже в начале эксплуатации оно теряет сплошность, уменьшается и исчезает. Далее известная проволока начинает работать как хрупкая иридиевая проволока без покрытия.
Известна также иридиевая проволока, тело которой выполнено из иридия, легированного исключительно другими металлами платиновой группы (в.з. Японии №200110015602, Н01Т 13/20, oп. 23.04.2001 г., полезная модель РФ №24321, Н01Т 13/39, oп. 27.07.2002 г., в.з. Японии №2003-53419, В21С 3/14, oп. 26.02.2003 г., з. WО2009107289, С22С 5/04, oп. 03.09.2009 г., з. Китая №101483319 Н01Т 13/39, oп. 15.07.2009 г.).
Однако, легирование иридия, из которого выполнено тело известной проволоки, другими платиноидами, с более низкой, чем у иридия, температурой плавления, снижает высокотемпературные свойства иридиевого сплава, не позволяя сформировать требуемый уровень всего комплекса механических свойств данной проволоки.
Известна также проволока, тело которой выполнено из иридия, легированного цветными металлами, такими как: вольфрам (з. ЕР №1139530, Н01Т 21/02, 13/39, oп. 04.10.2001 г.) или никель (з. ЕР №1139529, Н01Т 13/39, oп. 04.10.2001 г., в.з. Японии №2004335446, В21С 1/100, оп. 25.11.2004 г.).
Такая проволока, тело которой состоит из легированного цветными металлами иридия, имеет несколько повышенные прочностные характеристики за счет упрочняющего влияния легирования.
Однако, в процессе эксплуатации цветные металлы из центра тела проволоки диффундируют на его поверхность. При этом, как на поверхности, так и внутри тела проволоки образуются эвтектики и химические соединения этих элементов. Иридиевая проволока охрупчивается, теряет сплошность, а прочностные и пластические характеристики проволоки падают. При этом, поверхность тела проволоки подвергается эрозии, что приводит к снижению твердости ее поверхности и еще большему охрупчиванию проволоки.
По технической сущности и достигаемому результату наиболее близкой к заявляемой полезной модели является иридиевая проволока по стандарту РФ - ГОСТ 19351-2006 «Проволока из иридия и родия. Технические условия», введенному 1.1.2006 г.
Указанная иридиевая проволока имеет тело, например диаметром 1 мм, выполненное из нелегированного иридия технической чистоты: с 99,9 мас.% иридия, методом горячего волочения.
Известная проволока из иридия технической чистоты, имеет в своем составе примеси других платиновых металлов, золота, железа, свинца, кремния, бария, которые составляют в сумме 0,1 мас.% (Справочник «Свойства элементов», ред. М.Е.Дриц, кн.2, М., Металлургия, 1997 г., стр.235, 239).
Примеси образуют включения, которые выделяются по границам равноосных зерен иридия.
Установлено (книга, Н.И.Тимофеев и др., «Основы металлургии и технологии производства изделий из иридия», Екатеринбург, УрО РАН, 1996 г., стр.94), что в такой проволоке для границ равноосных зерен иридия характерно большое число выступов, и трещины скола зерен иридия могут двигаться по этим зернограничным выступам, инициируя хрупкое разрушение. При этом, сегрегация примесей снижает когезионную прочность зерен иридия. Так, вероятно, может происходить хрупкое межзеренное разрушение иридия, совмещенное с участками внутризеренного скола. Хрупкое разрушение по границам зерен иридия почти исключает пластическую деформацию при горячем волочении иридия до распада его на части. На поверхности проволоки хотя и отсутствуют глубокие дефекты (трещины, раковины), но все-таки имеются шероховатости и микротрещинки, способствующие развитию внутренних трещин, эрозии ее поверхности, снижению твердости и хрупкому разрушению проволоки.
Так, недостаточная чистота нелегированного иридия, наличие равноосных зерен его структуры, хотя и не снижают прочность проволоки, но исключают ее пластичность.
Задачей, на решение которой направлена заявленная полезная модель, является создание иридиевой проволоки с комплексом высоких механических свойств, обеспечивающих ее эксплуатацию в сложных условиях высоких температур, знакопеременных нагрузок и химически агрессивных сред в различных областях техники.
Техническим результатом при использовании полезной модели является устранение ее охрупчивания путем создания продольной волокнистой структуры иридия со свободными от включений границами зерен, устойчивой в процессе волочения проволоки до требуемых размеров.
Поставленная задача достигается тем, что в иридиевой проволоке, тело которой, например диаметром 1 мм, выполнено из иридия методом горячего волочения, согласно полезной модели, тело имеет волокнистую структуру с продольно ориентированными волокнами, поперечный размер каждого из которых составляет 10-100 мкм, при этом тело содержит иридий в количестве 99,95 мас.% и более.
Кроме того, тело иридиевой проволоки может содержать иридий в количестве 99,97 мас.%.
При наличии в иридии волокнистой структуры случайным образом возникшие трещины скола внутри зерна, при своем развитии, вероятно, распространяются вдоль по волокнистому зерну иридия, не вызывая хрупкого разрушения.
Когерентно-прочные из-за почти полного отсутствия примесей, а значит и примесных включений, межзеренные границы препятствуют распространению случайных трещин, как внутри тела проволоки, так и на ее поверхности. Это повышает плотность и твердость иридиевой проволоки, делает ее поверхность гладкой.
Наличие разветвленных, с большой протяженностью границ волокнистых зерен позволяет закрепить их между собой и получить проволоку большой плотности по всей ее длине.
Волокнистая структура, форма которой свидетельствует о том, что она возникла при больших деформациях, обладает в связи с этим значительными внутренними напряжениями и сообщает иридию требуемую прочность, которая наблюдается как в процессе волочения, так и при эксплуатации проволоки.
Выполнение тела проволоки с волокнистой структурой при таком малом поперечном размере внутренне напряженных волокон, как 10-100 мкм, найденном экспериментально, значительно упрочняет тело проволоки, исключая внутризеренный скол.
И в то же время протяженные границы дисперсных волокнистых зерен, вероятно, облегчают скольжение волокон относительно друг друга при знакопеременных высокотемпературных нагрузках на проволоку в процессе горячего волочения и эксплуатации, что увеличивает ее пластичность.
Выполнение тела проволоки из иридия чистотой менее 99,95 мас.%, в связи с повышенным наличием примесей, приводит к образованию примесных включений. При этом происходит уменьшение числа свободных от таких включений систем и линий скольжения, которые обычно задействуются в результате деформации волочения. Это приводит к уменьшению ресурса пластичности иридиевой проволоки.
Увеличение чистоты иридия от 99,95 мас.% приводит к активизации свободных от примесных включений плоскостей скольжения, создает благоприятные условия для деформации волочения. Это обеспечивает возможность применения больших степеней деформации, которые формируют повышенные прочностные свойства иридиевой проволоки.
Наличие межзеренных границ большой протяженности в продольном сечении проволоки из-за волокнистости ее структуры и в ее поперечном сечении из-за дисперсности зерен, позволяет создать прочную линию сопряжения между зернами иридия. Это дает возможность закрепить волокна иридиевой проволоки в одно целое, что способствует деформированию тела проволоки при горячем волочении без разрушения. При этом, наблюдается улучшение физико-механических свойств нелегированного иридия из-за его высокой чистоты.
Наличие отличительных от наиболее близкого аналога существенных признаков позволяет признать заявленную полезную модель новой.
Возможность изготовления полезной модели и использования ее в промышленности позволяет сделать вывод о ее соответствии критерию «промышленная применимость».
Полезная модель поясняется рисунком:
Фиг.1 - иридиевая проволока с поперечным сечением и продольным вырывом.
На снимках показана:
Фиг.2 - структура иридиевой проволоки в поперечном сечении, в изломе, увеличение ×56.
Фиг.3 - микроструктура иридиевой проволоки в продольном сечении, образец протравлен, увеличение ×170.
Фиг.4 - структура боковой поверхности иридиевой проволоки, увеличение ×65. Видны шероховатости, не вносящие ухудшение в свойства проволоки.
Иридиевая проволока состоит из тела 1, которое выполнено из нелегированного иридия методом горячего волочения. При этом, тело 1 выполнено цилиндрическим и имеет волокнистую структуру с продольно ориентированными волокнами 2.
Поперечный размер каждого волокна 2 составляет 48 мкм в круглом поперечном сечении проволоки диаметром 1 мм. При этом, тело проволоки содержит иридий в количестве 99,97 мас.%.
Заявляемую иридиевую проволоку получают по технологии с применением известных способов и оборудования следующим образом.
Берут нелегированный иридиевый порошок марки И99,9, проводят индукционную плавку на установке ВЧГЗ-160 и затем электронно-лучевую плавку на установке С-3176 для глубокой очистки металла от примесей до 99,97 мас.% иридия с получением слитка.
Затем проводят свободную ковку слитка иридия в нагретом состоянии на пруток с размерами (10×10×500) мм, на молоте с падающей частью 160 кг, в результате чего образуется волокнистая структура иридия.
После этого проводят горячую ротационную ковку, которая заключается в обжиме и вытяжке длинномерной нагретой заготовки в фасонных бойках, воздействующих на нее с разных сторон в поперечном сечении.
При этом, волокнистая структура иридия сохраняется.
Затем осуществляют горячее волочение иридиевой заготовки, которое заключается в ее протягивании через отверстие фильеры, сечение которого меньше сечения самой заготовки. Длина печи обеспечивает установку и поддержание различного температурного режима в зависимости от диаметра иридиевой заготовки.
Горячее волочение проводят на цепном волочильном стане ступенчато, с промежуточными отжигами для снятия напряжений и осуществляют при температуре ниже температуры рекристаллизации иридия. При этом, продольная волокнистая структура иридия остается неизменной.
После проведения технологических операций в иридиевой проволоке содержится 99,97 мас.% нелегированного иридия, она имеет диаметр 1 мм и ее тело имеет волокнистую структуру с размером каждого волокна в поперечном сечении 48 мкм.
При этом, поперечный размер волокна определяли по ГОСТу 21073.3-75 «Определение величины зерна методом подсчета пересечений зерен», введенным 01.07.76 с изменениями, утв. 31.12.83.
Механические свойства иридия заявляемой проволоки: предел прочности, предел текучести, относительное удлинение, измеряли на разрывной машине марки ZWICK/Roell Z010. Твердость измеряли на установке для измерения твердости по Виккерсу марки ZWICK/Roell ZHV10.
Химический состав иридия заявляемой проволоки определяли атомно-эмиссионным методом анализа по ГОСТ 12 223.0.
Массу проволоки, которая характеризует ее плотность, измеряли взвешиванием ее отрезка длиной 1 м с диаметром 1 мм на электронных весах марки METTLER TOLEDO 204-1C.
Выход годного определяли, как число бухт проволоки с количеством дефектов типа «расслой» менее 5% к общему числу бухт проволоки данной партии и выражали в %. При этом, данные дефекты выявляли путем осмотра проволоки без применения увеличительных приборов.
Были получены иридиевые проволоки с размерами волокон, лежащими в границах заявляемого интервала их значений, а также за пределами интервала.
В связи с тем, что заявляемый интервал содержания иридия очень мал, приводим пример только для одного значения из этого интервала, а именно: 99,97 мас.% иридия.
Все полученные данные были занесены в таблицу.
В качестве известной проволоки представлена проволока, являющаяся ближайшим аналогом заявляемой, диаметром 1 мм. Температура плавления иридия приведена из Справочника «Свойства элементов», ред. М.Е.Дриц, кн.2, М., Металлургия, 1997 г., стр.515.
Предел прочности для известной проволоки был выбран как среднее значение из указанного в ближайшем аналоге диапазона его величин.
Относительное удлинение и предел текучести для такой проволоки были измерены на ее экспериментальном образце таким же методом, как и для заявляемой.
Твердость для известной проволоки, взятая из ГОСТ 13099-2006, введенного 1.7.2007 г. для иридия марки И99,9 в единицах по Бринеллю была переведена по таблицам перевода и сравнения в твердость по шкале Виккерса.
Расчетная масса проволоки в граммах взята из ближайшего аналога для ее отрезка длиной 1 м диаметром 1 мм.
Выход годного для такой проволоки приведен как статистически известная величина, характеризующая промышленное производство иридиевой проволоки.
Из таблицы видно, что весь комплекс характеристик заявляемой проволоки значительно лучше, чем комплекс показателей, присущий известной проволоке.
Вопреки мнению специалистов, высокочистая иридиевая проволока при горячем волочении не претерпевает хрупкого разрушения, а демонстрирует высокий уровень прочностных и пластических свойств, а также гладкую поверхность, как проявление высокой твердости. Все это особенно востребовано для тонкой проволоки, например диаметром 1 мм.
Из таблицы видно, что при сравнении единичных масс проволоки, потребитель может получить большее количество дорогого и дефицитного иридия в любом мерном отрезке предлагаемой проволоки, которая имеет еще и более высокое качество.
При этом, выход годного при изготовлении предлагаемой проволоки выше достигнутого в отрасли производства иридиевой проволоки, что открывает большие перспективы по ее использованию в различных областях промышленности.
Характеристика и свойства заявляемой и известной иридиевых проволок
Таблица
№ п/п
Иридиевая проволока
Характеристики проволоки
Свойства проволоки
Содержание иридия, масс.%
Температура плавления иридия, °С
Поперечный размер волокна, мкм
Предел прочности σ<sub>В</sub>, кгс/мм<sup>2</sup>
Предел текучести σ<sub>0,2</sub>, кгс/мм<sup>2</sup>
Относительное удлинение δ,%
Твердость по Виккерсу, Hv
Масса проволоки, г
Выход годного %
1
Известная
99,90
2447
-
100
95,00
1,31
272
17,6
33
2
Предлагаемая
99,97
2447
4
165
75,00
6,42
405
17,8
67
3
99,97
2447
10
151
70,00
9,47
392
17,8
80
4
99,97
2447
48
145
65,90
9,55
387
17,8
80
5
99,97
2447
100
133
60,40
9,00
369
17,8
80
6
99,97
2447
109
120
59,09
4,89
300
17,8
67
Примечание: Пример №1 - наиболее близкий аналог№3, 4, 5 - заявляемая проволока с предлагаемым диапазоном размеров волокна№2, 6 - заявляемая проволока с запредельными размерами волоконМасса проволоки: масса отрезка проволоки длиной 1 м и диаметром 1 ммПример №1 - расчетная масса№2-6 - реальная масса