ЛИТЕЙНЫЙ СПЛАВ НА ОСНОВЕ ЖЕЛЕЗА
IRON BASED CAST ALLOY

Изобретение относится к металлургии, а конкретно к литейным сплавам, применяемых для изготовления крупногабаритных изделий, получаемых методом литья и имеющих минимальное значение температурного коэффициента линейного расширения (ТКЛР), а также ТКЛР, согласованных с керамикой и имеющих высокое качество отливок.
-6
-1
Литейные сплавы на основе железа называют черными (разновидность чугунов и сталей) и они классифицируются в зависимости от их свойства, состава и назначения. В конце XIX века французким ученым Ч. Гийом при изучении железоникелевых сплавов был обнаружен сплав с необычными свойствами. Этот сплав, названный инваром, имеет аномально низкий температурный коэффициент линейного расширения α (ТКЛР). Классический инвар Fe -36% Ni имеет значение ТКЛР порядка 1,5×10 К в интервале температур от -60°C до 100°C. Этот интервал температур, в котором сохраняются низкие и постоянные значения ТКЛР, получил название - интервал инварности. Сплав, в котором часть никеля заменена кобальтом, разработан в 30-х годах XX века и назван суперинваром. Все добавки каких-либо элементов (за исключением кобальта) повышают значение ТКЛР, т.е. ухудшают инварные свойства.
В настоящее время разработано большое количество инварных сплавов с небольшими добавками легирующих элементов, не вызывающих заметного влияния на ТКЛР, но с получением некоторых свойств, таких как повышение прочности (35НКТ, 35НКГ, 36НТ6), коррозионной стойкости (36НХ, 32НКД), на которые получены патенты в России и за рубежом.
Промышленно применяемые инварные (суперинварные) сплавы относятся к сплавам, получаемым путем обработки металлов давлением (ОМД). Однако изготовление деталей методом ОМД ограничено их габаритами. Потребность в крупногабаритных изделиях с низким ТКЛР возникла в связи с развитием новых отраслей техники, таких как ракетно-космическая, оптоэлектронная и авиационная. Изготовление деталей методом ОМД не представлялось возможным, поэтому крупногабаритные сложнопрофильные детали стали изготавливать методом литья.
-6
-1
-6
-1
Однако классические инвары имеют очень низкие литейные свойства, что приводит к получению отливок с большим количеством дефектов: пустоты, поры, раковины и т.д. Таким образом, основная задача создания литейных инварных сплавов - это получение высоких литейных свойств, позволяющих получить качественные крупногабаритные отливки с ТКЛР α≤3,5×10 К, a также создание сплавов, имеющих ТКЛР, согласованный с керамикой α≤6×10 К. Такие сплавы должны иметь широкий интервал инварности до температуры 350°C.
Известен высокопрочный инварный сплав, содержащий углерод, никель, титан, молибден, ниобий и железо, он дополнительно содержит алюминий при следующем соотношении компонентов, масс.%:
Углерод
0,001-0,1
Никель
34-50
Титан
0,5-3
Молибден
0,001-2,2
Ниобий
0,001-3
Алюминий
0,3-3
Железо
Остальное
5
(см патент РФ №2023739, МПК C22C 28/12).
Недостатком известного сплава является сравнительно высокое значение температурного коэффициента линейного расширения (ТКЛР) и недостаточный коэффициент стабильности его свойств.
Наиболее близким по технической сущности является литейный сплав на основе железа, содержащий никель, кобальт, ниобий, редкоземельные элементы и железо, он дополнительно содержит хром при следующем соотношении компонентов, масс.%:
Никель - 31,5-33,0;
Кобальт - 6,0-8,0;
Хром - 0,1-0,5;
Редкоземельные элементы (церий, лантан, празеодим, неодим) в сумме - 0,05-0,25;
Железо - остальное.
7
(См. патент РФ №2183228, МПК C22C 28/52.)
-6
1
-6
-1
К недостаткам известного сплава следует отнести то, что он не обладает способностью получать качественные крупногабаритные отливки с ТКЛР α≤3,5×10 К, имеющие ТКЛР, согласованные с керамикой α~6×10 К.
-6
-1
-6
-l
Технической задачей заявляемого сплава является получение литейных сплавов, способных получать качественные крупногабаритные отливки с ТКЛР α≤3,5×10 К в интервале температур [-60°С; 300°С], а также создание сплавов, имеющих ТКЛР, согласованные с керамикой α~6×10K.
Поставленный результат достигается тем, что в литейном сплаве на основе железа, содержащем никель, кобальт, углерод и железо, он дополнительно содержит церий, иттрий и гафний при следующем соотношении компонентов, масс.%:
Никель - 19,0-39,0;
Кобальт - 0,05-18,0;
Углерод - 0,10-5,0;
Церий - 0,01-0,50;
Иттрий + гафний - 0,01-0,50;
Железо - остальное.
3
Наличие в сплаве никеля в пределах 19,0-39,0 масс.% определяет инварность сплава, а при дополнительном содержании кобальта 0,05-18,0 масс.% обеспечивает снижение ТКЛР. Углерод не участвует в процессе упрочнения сплава, но значительно улучшает его литейные свойства и позволяет получать качественные плотные отливки, однако, в то же время он увеличивает ТКЛР. Проведенные исследования показали, что углерод в инварных сплавах может находиться либо в твердом растворе, либо в виде графита, либо в цементите (FeC). Наиболее сильно повышает ТКЛР углерод, находящийся в твердом растворе. В связи с этим термическая обработка углеродосодержащих инварных сплавов включает операцию отжига при температуре 1000-1200°С. В процессе отжига происходит выделение углерода и перевод его большей части в графит. Этот процесс сопровождается снижением ТКЛР до требуемой величины.
Введение в сплав церия обусловлено тем, что он образует в сплаве сульфид церия взамен сульфида железа, который совместно с железом дает легкоплавкую эвтектику и увеличивает опасность горячих трещин, в то время как сульфид церия имеет более высокую температуру, чем температура плавления сплава.
Наличие в сплаве суммарно элементов иттрий + гафний - способствует измельчению зерна и в совокупности с другими элементами улучшает литейные свойства сплава, имеющего ТКЛР, согласованный с керамикой. Однако следует иметь ввиду, что только совокупность свойств отдельных компонентов позволяет решить поставленную техническую задачу.
Сравнительные значения ТКЛР сплавов в заданном интервале температур приведены в таблице 1.
Таблица 1
Сплав по ГОСТ 14080-78
Значение ТКЛР, α×10<sup>-6</sup>, 1/C
Заявляемый сплав
Значение ТКЛР, 1/°С
32НКД
α<sub>20÷100</sub>°<sub>С</sub>≤1,0
α<sub>20÷150</sub>°<sub>С</sub>≤1,0
30НКД
α<sub>20÷300</sub>°<sub>C</sub>≤4,0
α<sub>20÷300</sub>°<sub>С</sub>≤3,5
Из таблицы 1 следует, что заявляемый сплав позволяет иметь значения ТКЛР, находящиеся на одном уровне с деформируемыми сплавами по ГОСТ 10994-74, что до настоящего времени не удавалось получить на литых сплавах. Следует отметить, что в заявляемом сплаве интервал инварности увеличен на 50°С, что значительно улучшает его свойства. Технологические (литейные) свойства заявляемого сплава приведены в таблице 2.
Таблица 2
Линейная усадка, %
1,6÷2,2
Жидкотекучесть
К<sub>ж.т</sub>=1,0
Показатель трещиноустойчивости
К<sub>т.у</sub>=1,0