[go: up one dir, main page]

RU2568541C2 - High-strength invar alloy - Google Patents

High-strength invar alloy Download PDF

Info

Publication number
RU2568541C2
RU2568541C2 RU2013150848/02A RU2013150848A RU2568541C2 RU 2568541 C2 RU2568541 C2 RU 2568541C2 RU 2013150848/02 A RU2013150848/02 A RU 2013150848/02A RU 2013150848 A RU2013150848 A RU 2013150848A RU 2568541 C2 RU2568541 C2 RU 2568541C2
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
increase
alloy
vanadium
content
strength
Prior art date
Application number
RU2013150848/02A
Other languages
Russian (ru)
Other versions
RU2013150848A (en
Inventor
Александр Николаевич Шаманов
Валерий Михайлович Колокольцев
Михаил Витальевич Чукин
Эдуард Михайлович Голубчик
Юрий Львович Родионов
Ирина Антоновна Кормс
Маргарита Абрамовна Клячко
Original Assignee
Публичное акционерное общество специального машиностроения и металлургии "Мотовилихинские заводы" (ПАО "Мотовилихинские заводы")
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Публичное акционерное общество специального машиностроения и металлургии "Мотовилихинские заводы" (ПАО "Мотовилихинские заводы") filed Critical Публичное акционерное общество специального машиностроения и металлургии "Мотовилихинские заводы" (ПАО "Мотовилихинские заводы")
Priority to RU2013150848/02A priority Critical patent/RU2568541C2/en
Publication of RU2013150848A publication Critical patent/RU2013150848A/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2568541C2 publication Critical patent/RU2568541C2/en

Links

Landscapes

  • Turbine Rotor Nozzle Sealing (AREA)
  • Heat Treatment Of Steel (AREA)

Abstract

FIELD: metallurgy.
SUBSTANCE: invention relates to metallurgy, namely to high-strength invar alloys. The high-strength invar alloy is offered which contains wt %: nickel - from 25.0 up to less than 38.0, cobalt 0.5÷20.0, carbon 0.05÷1.2, titanium 0.05÷4.0, molybdenum 0.02÷6.0, vanadium 0.01÷4.0, niobium 0.02÷5.0, tungsten 0.02÷5.0, zirconium 0.01÷2.0, iron - the rest.
EFFECT: alloy is characterised by high strength, wide range of temperature coefficient of linear expansion, and also high Q factor of mechanical oscillations in the range of temperature coefficient of linear expansion (from 0,5 up to 7)·10-6 K-1.
1 tbl

Description

Изобретение относится к металлургии, конкретно к высокопрочным инварным сплавам с временным сопротивлением разрыву (σв) до 1900 МПа, с низким (от 3,5 до 7)·10-6 К-1, а также минимальным (от 0,5 до 3,5)·10-6 К-1 значением температурного коэффициента линейного расширения (ТКЛР) и с высоким уровнем добротности (Q≥10000) при механических колебаниях.The invention relates to metallurgy, specifically to high-strength invar alloys with a temporary tensile strength (σ in ) up to 1900 MPa, with a low (from 3.5 to 7) · 10 -6 K -1 , and also minimal (from 0.5 to 3 , 5) · 10 -6 K -1 the value of the temperature coefficient of linear expansion (TEC) and with a high level of quality factor (Q≥10000) during mechanical vibrations.

Такие сплавы могут использоваться в приборостроении, авиационной, ракетно-космической промышленности, в лазерной и криогенной технике, в металлооптике, метрологии, геодезии, а также для создания высокопрочных конструкций, не изменяющих свои размеры при изменении температуры от 77 К до 600 К (от минус 196 до плюс 327)°С.Such alloys can be used in instrument engineering, aviation, rocket and space industry, in laser and cryogenic engineering, in metal optics, metrology, geodesy, as well as for creating high-strength structures that do not change their size when the temperature changes from 77 K to 600 K (from minus 196 to plus 327) ° C.

Добротность (Q) при механических колебаниях характеризуется рассеянием энергии при свободных механических колебаниях системы. Величина добротности обратно пропорциональна скорости затухания собственных колебаний в системе. То есть чем выше добротность колебательной системы, тем меньше потери энергии за каждый период и тем медленнее затухают колебания.The quality factor (Q) during mechanical vibrations is characterized by energy dissipation during free mechanical vibrations of the system. The quality factor is inversely proportional to the attenuation rate of natural oscillations in the system. That is, the higher the quality factor of the oscillatory system, the lower the energy loss for each period and the slower the damping of the oscillations.

Известен высокопрочный инварный сплав (патент RU 2023739, МПК5 С22С 38/12, опубликован 30.11.1994 г.) с низким ТКЛР, содержащий, мас.%:Known high-strength invar alloy (patent RU 2023739, IPC 5 C22C 38/12, published November 30, 1994) with low TLCR, containing, wt.%:

углерод - 0,001÷0,1;carbon - 0.001 ÷ 0.1;

никель - 34÷50;nickel - 34 ÷ 50;

титан - 0,5÷3,0;titanium - 0.5 ÷ 3.0;

молибден - 0,001÷2,2;molybdenum - 0.001 ÷ 2.2;

ниобий - 0,001÷3;niobium - 0.001 ÷ 3;

алюминий - 0,3÷3;aluminum - 0.3 ÷ 3;

железо - остальное.iron is the rest.

Инварный сплав имеет ТКЛР = (0,3÷3,0)·10-6 К-1 в интервале (20÷600)°С с σв=1220 МПа.The invar alloy has a TECL = (0.3 ÷ 3.0) · 10 -6 K -1 in the interval (20 ÷ 600) ° C with σ in = 1220 MPa.

Недостатком известного сплава является то, что он не может быть использован при отрицательных температурах.A disadvantage of the known alloy is that it cannot be used at low temperatures.

Известен другой высокопрочный инварный сплав (патент RU 2154692, МПК7 С22С 30/00, С22С 38/14, С22С 19/03, опубликован 20.08.2000), содержащий, мас.%:Another high-strength invar alloy is known (patent RU 2154692, IPC 7 C22C 30/00, C22C 38/14, C22C 19/03, published on 08/20/2000), containing, wt.%:

никель - 25,0÷48,0;nickel - 25.0 ÷ 48.0;

кобальт - 2,0÷20,0;cobalt - 2.0 ÷ 20.0;

углерод - 0,01÷0,4;carbon - 0.01 ÷ 0.4;

титан - 0,05÷4,0;titanium - 0.05 ÷ 4.0;

молибден - 0,02÷5,0;molybdenum - 0.02 ÷ 5.0;

ванадий - 0,01÷3,0;vanadium - 0.01 ÷ 3.0;

железо - остальное,iron - the rest,

при выполнении следующих зависимостей:when executing the following dependencies:

% никеля : % кобальта = 2,4÷24;% nickel:% cobalt = 2.4 ÷ 24;

% титана + % молибдена : % углерода = 7-52;% titanium +% molybdenum:% carbon = 7-52;

% никеля + % кобальта : % титана + % молибдена + % ванадия = 9÷20.% nickel +% cobalt:% titanium +% molybdenum +% vanadium = 9 ÷ 20.

Сплав обладает низким значением ТКЛР (меньше 3·10-6 К-1) в интервале температур от 77 К до 600 К (от минус 196 до плюс 327)°С и повышенным уровнем σв - до 1100 МПа.The alloy has a low TEC value (less than 3 · 10 -6 K -1 ) in the temperature range from 77 K to 600 K (from minus 196 to plus 327) ° С and an increased level of σ в - up to 1100 MPa.

Недостатками этого сплава являются сравнительно невысокий уровень σв и низкая величина добротности при механических колебаниях (Q≤3000).The disadvantages of this alloy are a relatively low level of σ in and a low value of quality factor during mechanical vibrations (Q≤3000).

Наиболее близким аналогом заявляемого изобретения является высокопрочный инварный сплав (заявка KR 20020008240, МПК С22С 38/08, опубликована 30.01.2002 - прототип) с низким ТКЛР, содержащий один или более элементов из группы, состоящей из углерода, молибдена, титана, вольфрама, ниобия, ванадия, которые добавлены к сплаву, состоящему из железа, никеля и кобальта.The closest analogue of the claimed invention is a high-strength invar alloy (application KR 20020008240, IPC С22С 38/08, published on January 30, 2002 - prototype) with low TLCR containing one or more elements from the group consisting of carbon, molybdenum, titanium, tungsten, niobium , vanadium, which are added to an alloy consisting of iron, nickel and cobalt.

Сплав содержит, мас.%:The alloy contains, wt.%:

никель - 28,5÷30;nickel - 28.5 ÷ 30;

кобальт - 9÷14;cobalt - 9 ÷ 14;

углерод - 0,1÷0,9;carbon - 0.1 ÷ 0.9;

молибден - 2,0 или меньше;molybdenum - 2.0 or less;

титан - 2,0 или меньше;titanium 2.0 or less;

ниобий - 2,0 или меньше;niobium - 2.0 or less;

ванадий - 2,0 или меньше и/или вольфрам - 2,0 или меньше;vanadium - 2.0 or less and / or tungsten - 2.0 or less;

железо - остальное.iron is the rest.

ТКЛР≤5,0·10- К-1, σв до 1700 МПа.TECL ≤5.0 · 10 - K -1 , σ in up to 1700 MPa.

Из материалов, представленных в описании изобретения, следует, что молибден, титан, вольфрам, ниобий, ванадий вводят в сплав одновременно с углеродом, но нет ни одного примера, в котором было бы показано совместное введение этих элементов.From the materials presented in the description of the invention, it follows that molybdenum, titanium, tungsten, niobium, vanadium are introduced into the alloy simultaneously with carbon, but there is not a single example in which the joint introduction of these elements would be shown.

Недостатками известного сплава являются:The disadvantages of the known alloy are:

- сравнительно невысокий уровень механической прочности (σв≤1700 МПа);- a relatively low level of mechanical strength (σ in ≤1700 MPa);

- не реализуются минимальные значения ТКЛР - ниже 2,59·10-6 К-1.- the minimum values of TECL are not realized - below 2.59 · 10 -6 K -1 .

Задача, на решение которой направлено изобретение, заключается в получении высокопрочного инварного сплава с широким диапазоном ТКЛР, включающим ТКЛР как с низкими значениями (от 3,5 до 7)·10-6 К-1, так и с минимальными (от 0,5 до 3,5)·10-6 К-1 значениями и с высоким уровнем добротности при механических колебаниях (Q≥10000).The problem to which the invention is directed, is to obtain a high-strength invar alloy with a wide range of thermal expansion coefficient, including thermal expansion coefficient both with low values (from 3.5 to 7) · 10 -6 K -1 and with minimal (from 0.5 up to 3.5) · 10 -6 K -1 values and with a high level of quality factor during mechanical vibrations (Q≥10000).

Техническим результатом изобретения является повышение прочности инварного сплава (временного сопротивления разрыву) и его добротности при механических колебаниях при расширении диапазона ТКЛР, включающего ТКЛР как с низкими значениями (от 3,5 до 7)·10-6 К-1, так и с минимальными (от 0,5 до 3,5)·10-6 К-1 значениями.The technical result of the invention is to increase the strength of the invar alloy (temporary tensile strength) and its quality factor during mechanical vibrations while expanding the range of thermal expansion coefficient, including thermal expansion coefficient both with low values (from 3.5 to 7) · 10 -6 K -1 and with minimal (from 0.5 to 3.5) · 10 -6 K -1 values.

Указанный технический результат достигается тем, что высокопрочный инварный сплав с высоким уровнем добротности, содержащий никель, кобальт, углерод, титан, молибден, ванадий, ниобий, вольфрам и железо, согласно изобретению дополнительно содержит цирконий, при следующем соотношении компонентов, мас. %:The specified technical result is achieved in that a high-strength invar alloy with a high level of quality, containing nickel, cobalt, carbon, titanium, molybdenum, vanadium, niobium, tungsten and iron, according to the invention additionally contains zirconium, in the following ratio, wt. %:

никель - от 25,0 до менее 38,0;nickel - from 25.0 to less than 38.0;

кобальт - 0,5÷20,0;cobalt - 0.5 ÷ 20.0;

углерод - 0,05÷1,2;carbon - 0.05 ÷ 1.2;

титан - 0,05÷4,0;titanium - 0.05 ÷ 4.0;

молибден - 0,02÷6,0;molybdenum - 0.02 ÷ 6.0;

ванадий - 0,01÷4,0;vanadium - 0.01 ÷ 4.0;

ниобий - 0,02÷5,0;niobium - 0.02 ÷ 5.0;

вольфрам - 0,02÷5,0;tungsten - 0.02 ÷ 5.0;

цирконий 0,01÷2,0;zirconium 0.01 ÷ 2.0;

железо - остальное,iron - the rest,

при выполнении следующих зависимостей:when executing the following dependencies:

(% молибдена + % циркония): % ванадия = 1-80;(% molybdenum +% zirconium):% vanadium = 1-80;

(% молибдена + % ванадия + % циркония): % углерода = 2-80.(% molybdenum +% vanadium +% zirconium):% carbon = 2-80.

По сравнению с прототипом предлагаемый сплав отличается:Compared with the prototype, the proposed alloy is different:

- наличием нового дополнительного элемента - циркония;- the presence of a new additional element - zirconium;

- содержанием никеля, кобальта, углерода, титана, молибдена, ванадия, ниобия, вольфрама;- the content of nickel, cobalt, carbon, titanium, molybdenum, vanadium, niobium, tungsten;

- двумя зависимостями: между количеством молибдена, циркония и ванадия, а также молибдена, ванадия, циркония и углерода.- two dependencies: between the amounts of molybdenum, zirconium and vanadium, as well as molybdenum, vanadium, zirconium and carbon.

По сравнению с прототипом сплав обладает:Compared with the prototype, the alloy has:

- более высокой прочностью - σв до 1900 МПа (прототип до 1700 МПа);- higher strength - σ in up to 1900 MPa (prototype up to 1700 MPa);

- расширенным диапазоном значений ТКЛР (от 0,5 до 7,0)·10-6 К-1 [прототип (2,59÷5,0)·10-6 К-1];- an extended range of TEC values (from 0.5 to 7.0) · 10 -6 K -1 [prototype (2.59 ÷ 5.0) · 10 -6 K -1 ];

- высокой добротностью при механических колебаниях Q=10000÷30000.- high quality factor with mechanical vibrations Q = 10000 ÷ 30000.

Существенность новых признаков для получения заявленного технического результата заключается в следующем.The significance of the new features for obtaining the claimed technical result is as follows.

Увеличение содержания никеля до 38,0% по сравнению с прототипом, где верхний предел содержания никеля составляет 30,0%, необходимо для реализации заявленного низкого значения ТКЛР (до 7,0·10-6 К-1).An increase in nickel content up to 38.0% compared with the prototype, where the upper limit of the nickel content is 30.0%, is necessary for the implementation of the declared low TEC value (up to 7.0 · 10 -6 K -1 ).

При содержании никеля в сплаве больше 38,0% формируется такая электронная и атомная структура, которая уже не обеспечивает низкий уровень коэффициента теплового расширения.When the nickel content in the alloy is more than 38.0%, an electronic and atomic structure is formed that no longer provides a low level of thermal expansion coefficient.

Уменьшение содержания никеля до 25,0% по сравнению с прототипом, где нижний предел содержания никеля составляет 28,5%, необходимо для реализации заявленного низкого значения ТКЛР (до 7,0·10-6 К-1) и достижения высоких прочностных свойств.The decrease in nickel content to 25.0% compared with the prototype, where the lower limit of the nickel content is 28.5%, it is necessary to implement the claimed low value of TECL (up to 7.0 · 10 -6 K -1 ) and achieve high strength properties.

Минимальное содержание никеля в сплаве составляет 25%. При меньшем содержании никеля образование концентрационных неоднородностей и областей ближнего порядка затруднено, а следовательно, понижается стимул для повышения прочностных свойств, кроме этого при содержании никеля меньше 25% уменьшается устойчивость сплава к γ→α мартенситному превращению. Образование α-фазы вследствие протекания мартенситного превращения ухудшает механические свойства и приводит к значительному повышению теплового расширения.The minimum nickel content in the alloy is 25%. With a lower nickel content, the formation of concentration inhomogeneities and short-range order regions is difficult, and therefore, the incentive to increase strength properties decreases, in addition, when the nickel content is less than 25%, the alloy's resistance to γ → α martensitic transformation decreases. The formation of the α phase due to the occurrence of martensitic transformation affects the mechanical properties and leads to a significant increase in thermal expansion.

Кобальт вводится, главным образом, с целью уменьшения величины ТКЛР и расширения диапазона температур с низким ТКЛР.Cobalt is introduced mainly with the aim of decreasing the thermal expansion coefficient and expanding the temperature range with low thermal expansion coefficient.

Увеличение содержания кобальта до 20,0% по сравнению с прототипом, где верхний предел содержания кобальта составляет 14,0%, необходимо для уменьшения величины теплового расширения (ТКЛР).The increase in cobalt content to 20.0% compared with the prototype, where the upper limit of the cobalt content is 14.0%, it is necessary to reduce the value of thermal expansion (TEC).

Увеличивать содержание кобальта выше 20% нецелесообразно, так как повышается температура начала мартенситного превращения, образуется α-фаза и сплав теряет инварные свойства.It is impractical to increase the cobalt content above 20%, since the temperature of the onset of martensitic transformation rises, the α phase forms, and the alloy loses invariable properties.

Уменьшение содержания кобальта до 0,5% по сравнению с прототипом, где нижний предел содержания кобальта составляет 9,0%, необходимо для повышения уровня механических свойств за счет формирования никельсодержащих интерметаллидных фаз, а также для понижения величины теплового расширения.The reduction of cobalt content to 0.5% compared with the prototype, where the lower limit of the cobalt content is 9.0%, it is necessary to increase the level of mechanical properties due to the formation of nickel-containing intermetallic phases, as well as to reduce the thermal expansion.

При содержании кобальта меньше 0,5% величина ТКЛР практически не понижается, что не позволяет реализовать одну из целей изобретения - достижение минимальных значений ТКЛР.When the cobalt content is less than 0.5%, the TEC value is practically not reduced, which does not allow one of the objectives of the invention to be realized - achieving the minimum TEC value.

Увеличение содержания углерода до 1,2% по сравнению с прототипом, где верхний предел содержания углерода составляет 0,9%, необходимо для повышения прочности σв и добротности Q за счет формирования мелкодисперсных карбидов на дефектах решетки, а также для понижения теплового расширения и расширения диапазона температур с низким ТКЛР.An increase in carbon content to 1.2% compared with the prototype, where the upper limit of carbon content is 0.9%, is necessary to increase the strength σ in and Q factor due to the formation of finely dispersed carbides on lattice defects, as well as to reduce thermal expansion and expansion temperature range with low LTEC.

При содержании углерода в сплаве больше 1,2% происходит существенное охрупчивание сплава и уменьшение прочности σв и добротности Q, так как не весь углерод будет находиться в виде карбидов, а также в твердом растворе. Значительная его часть выделяется в виде графита, приводящего к охрупчиванию сплава и понижению добротности Q.When the carbon content in the alloy is more than 1.2%, a significant embrittlement of the alloy and a decrease in the strength σ in and the quality factor Q occur, since not all carbon will be in the form of carbides, as well as in solid solution. A significant part of it is released in the form of graphite, which leads to embrittlement of the alloy and a decrease in the quality factor Q.

Титан вводится в сплавы с целью повышения уровня механических свойств, повышения прочности σв, добротности Q и пластичности.Titanium is introduced into alloys in order to increase the level of mechanical properties, increase the strength σ in , Q factor Q and ductility.

Введение титана в углеродсодержащие сплавы способствует образованию высокопрочного карбида титана. Образование карбидов титана способствует упрочнению сплавов и повышению добротности Q.The introduction of titanium into carbon-containing alloys contributes to the formation of high-strength titanium carbide. The formation of titanium carbides contributes to the hardening of alloys and an increase in the quality factor of Q.

Увеличение содержания титана до 4,0% по сравнению с прототипом, где верхний предел содержания титана составляет 2,0%, необходимо для повышения уровня механических свойств за счет образования карбидов титана.The increase in titanium content to 4.0% compared with the prototype, where the upper limit of the titanium content is 2.0%, it is necessary to increase the level of mechanical properties due to the formation of titanium carbides.

При содержании титана больше 4,0% происходит значительное повышение коэффициента теплового расширения. Поэтому увеличивать содержание титана в сплаве больше 4,0% нецелесообразно.When the titanium content is more than 4.0%, a significant increase in the coefficient of thermal expansion occurs. Therefore, increasing the titanium content in the alloy more than 4.0% is impractical.

Введение титана препятствует росту зерна при нагреве сплавов под закалку и тем самым препятствует охрупчиванию. Титан препятствует росту зерна при его содержании не менее 0,05%. При содержании титана в сплаве меньше чем 0,05% его влияние на рост зерна, а следовательно, и на механические свойства (пластичность) несущественное.The introduction of titanium prevents grain growth during heating of alloys for quenching and thereby prevents embrittlement. Titanium inhibits grain growth when its content is not less than 0.05%. When the titanium content in the alloy is less than 0.05%, its effect on grain growth and, consequently, on mechanical properties (ductility) is negligible.

Цирконий вводится главным образом для повышения пластичности, а также прочностных свойств и добротности Q. Цирконий вследствие высокого сродства с кислородом и азотом связывает эти внедренные атомы, что приводит к повышению пластичности. Наряду с этим образование карбидов циркония, в том числе на дефектах структуры, приводит к упрочнению и повышению добротности Q. Эффект связывания атомами циркония кислорода и азота и, соответственно, повышение пластичности, проявляется при содержании циркония больше 0,01%. При меньшем содержании циркония этот эффект не существенный. Упрочнение и повышение добротности Q за счет формирования карбидной фазы циркония наиболее эффективно реализуется при содержании циркония до 2,0%. При большем содержании циркония происходит охрупчивание сплава вследствие увеличения размеров карбидов циркония, а также существенное повышение ТКЛР.Zirconium is introduced mainly to increase the ductility, as well as the strength properties and quality factor of Q. Zirconium, due to its high affinity with oxygen and nitrogen, binds these embedded atoms, which leads to an increase in ductility. Along with this, the formation of zirconium carbides, including on structural defects, leads to hardening and an increase in the quality factor Q. The effect of binding of oxygen and nitrogen by zirconium atoms and, accordingly, an increase in ductility, is manifested when the zirconium content is more than 0.01%. With a lower zirconium content, this effect is not significant. Strengthening and improving the quality factor of Q due to the formation of the carbide phase of zirconium is most effectively realized when the zirconium content is up to 2.0%. At a higher content of zirconium, embrittlement of the alloy occurs due to an increase in the size of zirconium carbides, as well as a significant increase in LTEC.

Ниобий вводится, главным образом, для повышения величины добротности при механических колебаниях Q, а также для повышения прочности сплава при сохранении высокого уровня пластичности.Niobium is introduced mainly to increase the quality factor during mechanical vibrations Q, as well as to increase the strength of the alloy while maintaining a high level of ductility.

Повышение Q обусловлено формированием мелкодисперсных карбидов ниобия, главным образом, на дефектах решетки - дислокациях, двойниках, границах зерен. Происходит закрепление дефектов, и они перестают быть центрами рассеяния упругой энергии, что приводит к росту добротности при механических колебаниях. Выделение карбидов ниобия по границам зерен препятствует росту зерен при повышенных температурах (выше 1100°С), что приводит к сохранению высокого уровня пластичности в результате последующих упрочняющих термодеформационных обработок.The increase in Q is due to the formation of finely dispersed niobium carbides, mainly at lattice defects — dislocations, twins, and grain boundaries. The defects are fixed, and they cease to be centers of scattering of elastic energy, which leads to an increase in the quality factor under mechanical vibrations. The precipitation of niobium carbides at the grain boundaries prevents grain growth at elevated temperatures (above 1100 ° C), which leads to the preservation of a high level of plasticity as a result of subsequent hardening thermodeformational treatments.

Наиболее эффективное закрепление дефектов и, соответственно, повышение добротности Q происходит при содержании ниобия в сплаве выше 0,02%. При меньшем содержании ниобия закрепление дислокации карбидам ниобия незначительное и, соответственно, эффект повышения добротности практически не выявляется.The most effective fixing of defects and, accordingly, an increase in the quality factor Q occurs when the niobium content in the alloy is above 0.02%. With a lower niobium content, the fixation of the dislocation to niobium carbides is insignificant and, accordingly, the effect of an increase in the Q factor is practically not detected.

Увеличение содержания ниобия до 5,0% по сравнению с прототипом, где верхний предел содержания ниобия составляет 2,0%, необходимо для повышения добротности при механических колебаниях (Q), а также уровня механических свойств (σв; σ0,2).An increase in the niobium content to 5.0% compared with the prototype, where the upper limit of the niobium content is 2.0%, is necessary to increase the quality factor during mechanical vibrations (Q), as well as the level of mechanical properties (σ in ; σ 0.2 ).

При содержании ниобия больше 5,0% происходит значительное повышение ТКЛР, и сплав теряет инварные свойства. В связи с этим увеличение содержания ниобия в сплаве выше 5,0% нецелесообразно.When the niobium content is more than 5.0%, a significant increase in the thermal expansion coefficient occurs, and the alloy loses invariable properties. In this regard, an increase in the niobium content in the alloy above 5.0% is impractical.

Ванадий вводится в сплавы с целью повышения уровня механических свойств, главным образом для повышения прочности и добротности Q. Введение в сплавы ванадия способствует образованию высокопрочных карбидов ванадия. В связи с тем, что образование карбидов ванадия происходит гомогенно по всему объему зерна, это способствует упрочнению сплавов при сохранении достаточно высокого уровня пластичности. Кроме этого введение ванадия так же, как и титана, препятствует росту зерна при нагреве сплавов под закалку и тем самым препятствует охрупчиванию сплавов. Наиболее эффективное повышение уровня механических свойств происходит при содержании ванадия в сплаве больше 0,01%. При меньшем содержании ванадия эффект повышения механических свойств не выявляется.Vanadium is introduced into alloys in order to increase the level of mechanical properties, mainly to increase the strength and quality factor Q. Introduction of vanadium into alloys promotes the formation of high-strength vanadium carbides. Due to the fact that the formation of vanadium carbides occurs homogeneously throughout the grain volume, this contributes to the hardening of the alloys while maintaining a sufficiently high level of ductility. In addition, the introduction of vanadium, as well as titanium, prevents grain growth during heating of alloys for quenching and thereby prevents the embrittlement of alloys. The most effective increase in the level of mechanical properties occurs when the vanadium content in the alloy is more than 0.01%. With a lower content of vanadium, the effect of increasing the mechanical properties is not detected.

Увеличение содержания ванадия до 4,0% по сравнению с прототипом, где верхний предел содержания ванадия составляет 2,0%, необходимо для повышения уровня механических свойств за счет образования карбидов ванадия.An increase in the content of vanadium to 4.0% compared with the prototype, where the upper limit of the content of vanadium is 2.0%, it is necessary to increase the level of mechanical properties due to the formation of vanadium carbides.

При содержании ванадия более 4,0% происходит значительное повышение ТКЛР, и сплав теряет инварные свойства. В связи с этим увеличивать содержание ванадия более 4,0% нецелесообразно.With a vanadium content of more than 4.0%, a significant increase in the thermal expansion coefficient occurs, and the alloy loses its invariable properties. In this regard, to increase the vanadium content of more than 4.0% is impractical.

Молибден и вольфрам наряду с цирконием вводятся для повышения прочности сплава при сохранении пластичности. Для эффективного повышения уровня механических свойств за счет выделения упрочняющих карбидных фаз молибдена и (или) вольфрама (циркония) необходимо наличие в сплаве ванадия. Карбиды ванадия формируются в сплаве гомогенно и являются центрами последующего образования упрочняющих сложных карбидов молибдена и (или) вольфрама (W, V)C; (Mo, V)C, (Zr, V)C; (Mo, Zr, V)C. Формирование карбидов молибдена и/или вольфрама в отсутствие ванадия (Мо2С); (W, С) приводит к незначительному повышению прочности и в то же время к существенному повышению хрупкости. Это обусловлено тем, что в отсутствие ванадия упрочняющая карбидная фаза молибдена, и/или вольфрама, и/или циркония формируется главным образом на границах зерен, что приводит к повышению хрупкости.Molybdenum and tungsten, along with zirconium, are introduced to increase the strength of the alloy while maintaining ductility. To effectively increase the level of mechanical properties due to the precipitation of the hardening carbide phases of molybdenum and (or) tungsten (zirconium), vanadium is necessary in the alloy. Vanadium carbides are formed homogeneously in the alloy and are the centers of the subsequent formation of hardening complex carbides of molybdenum and (or) tungsten (W, V) C; (Mo, V) C, (Zr, V) C; (Mo, Zr, V) C. The formation of carbides of molybdenum and / or tungsten in the absence of vanadium (Mo 2 C); (W, C) leads to a slight increase in strength and at the same time to a significant increase in fragility. This is due to the fact that in the absence of vanadium, the hardening carbide phase of molybdenum, and / or tungsten, and / or zirconium is formed mainly at grain boundaries, which leads to an increase in brittleness.

Увеличение содержания молибдена до 6,0% и вольфрама до 5,0% по сравнению с прототипом, где верхний предел содержания молибдена и вольфрама составляет 2,0%, необходимо для повышения уровня механических свойств.The increase in the content of molybdenum to 6.0% and tungsten to 5.0% compared with the prototype, where the upper limit of the content of molybdenum and tungsten is 2.0%, it is necessary to increase the level of mechanical properties.

Максимальное количество молибдена, необходимое для этой цели, не более 6,0%, вольфрама не более 5,0%. При содержании молибдена и вольфрама в сплаве менее 0,02% их влияние на свойства сплава практически отсутствует.The maximum amount of molybdenum required for this purpose is not more than 6.0%, tungsten not more than 5.0%. When the content of molybdenum and tungsten in the alloy is less than 0.02%, their effect on the properties of the alloy is practically absent.

Отношение содержания молибдена и циркония к ванадию должно составлять 1÷80. Оно определяется условиями гомогенного зарождения и роста упрочняющей карбидной фазы (Mo, Zr, V)С. Только в случае гомогенного зарождения и роста может быть реализовано существенное повышение прочности и добротности Q при сохранении высокой пластичности. При соотношении компонентов меньше указанного значения стимул для образования упрочняющей фазы (Мо, Zr, V) С будет незначительным, что не позволит добиться значительного упрочнения и повышения добротности Q. При большем, чем 80, соотношении компонентов будут в основном формироваться фазы Мо2С, Zr2C на границах зерен, что приводит к существенному охрупчиванию сплавов.The ratio of the content of molybdenum and zirconium to vanadium should be 1 ÷ 80. It is determined by the conditions of homogeneous nucleation and growth of the strengthening carbide phase (Mo, Zr, V) С. Only in the case of homogeneous nucleation and growth can a substantial increase in strength and quality factor Q be realized while maintaining high ductility. When the component ratio is less than the specified value, the incentive for the formation of the strengthening phase (Mo, Zr, V) C will be insignificant, which will not allow to achieve significant hardening and increase the quality factor Q. At more than 80, the ratio of components will mainly form the phases Mo 2 C, Zr 2 C at the grain boundaries, which leads to a significant embrittlement of the alloys.

Отношение суммы содержания молибдена, ванадия и циркония к содержанию углерода должно составлять 2÷80. Это соотношение определяется количеством молибдена, ванадия, циркония и углерода, которое необходимо для образования упрочняющих карбидных фаз. При соотношении компонентов меньше указанных, стимул для образования упрочняющих фаз будет незначительным, что не позволит добиться заметного упрочнения и повышения добротности Q. При большем соотношении компонентов будет увеличиваться тепловое расширение, что не позволит получить сплавы с минимальным (≤3,5·10-6 К-1) значением ТКЛР и низким (<7,0·10-6 К-1) значением ТКЛР.The ratio of the sum of the content of molybdenum, vanadium and zirconium to the carbon content should be 2 ÷ 80. This ratio is determined by the amount of molybdenum, vanadium, zirconium and carbon, which is necessary for the formation of hardening carbide phases. If the ratio of the components is less than those indicated, the incentive for the formation of hardening phases will be insignificant, which will not allow to achieve appreciable hardening and increase the quality factor Q. With a larger ratio of components, thermal expansion will increase, which will not allow to obtain alloys with a minimum (≤3.5 · 10 -6 K -1 ) the value of TECL and low (<7.0 · 10 -6 K -1 ) the value of TECL.

ПримерыExamples

Выплавку сплавов проводили в индукционной печи. Ковку осуществляли при температурах (1000÷1100)°C. Далее проводили закалку в воде от 1000°C и упрочняющую обработку при температурах (500÷800)°C. Значения ТКЛР определяли с использованием кварцевого дилатометра чувствительностью 1 мкм/мм. Составы сплавов и результаты измерений приведены в таблице 1.The alloys were smelted in an induction furnace. Forging was carried out at temperatures (1000 ÷ 1100) ° C. Then, quenching in water was performed from 1000 ° C and hardening treatment at temperatures (500 ÷ 800) ° C. The TEC values were determined using a quartz dilatometer with a sensitivity of 1 μm / mm. The compositions of the alloys and the measurement results are shown in table 1.

Как следует из таблицы 1, сплавы 1÷6, состав которых соответствует заявленному инварному сплаву, имеют высокие значения временного сопротивления разрыву и добротности Q. При этом минимальные значения ТКЛР соответствуют сплавам 1, 5, 6, в то же время низкие значения ТКЛР - сплавам 2, 3, 4.As follows from table 1, alloys 1 ÷ 6, the composition of which corresponds to the declared invar alloy, have high values of tensile strength and Q factor Q. At the same time, the minimum TEC values correspond to alloys 1, 5, 6, while the low TEC values correspond to alloys 2, 3, 4.

У всех сплавов, состав которых не соответствует заявленному составу (сплавы 7÷12), наблюдаются пониженные значения прочности и добротности Q. Кроме того, ни один из сплавов (7÷12) не является сплавом с минимальным и низким значением ТКЛР.All alloys, the composition of which does not correspond to the declared composition (alloys 7 ÷ 12), have lower values of strength and quality factor Q. In addition, none of the alloys (7 ÷ 12) is an alloy with a minimum and low TEC value.

Таким образом, технический результат - повышение прочности инварного сплава и его добротности при механических колебаниях при расширенном диапазоне ТКЛР, включающЕм ТКЛР как с низкими значениями (от 3,5 до 7)·10-6 К-1, так и с минимальными (от 0,5 до 3,5)·10-6 К-1 значениями, достигается заявленным изобретением.Thus, the technical result is an increase in the strength of the invar alloy and its quality factor during mechanical vibrations with an expanded range of thermal expansion coefficient, including thermal expansion coefficient both with low values (from 3.5 to 7) · 10 -6 K -1 and with minimal (from 0 , 5 to 3.5) · 10 -6 K -1 values, achieved by the claimed invention.

Предлагаемые высокопрочные инварные сплавы с высокой добротностью при механических колебаниях могут использоваться, в частности, в следующих областях промышленности и техники:The proposed high-strength invar alloys with high quality factor during mechanical vibrations can be used, in particular, in the following areas of industry and technology:

- навигационное оборудование: гироскопы механические и лазерные, акселерометры, упругие виброподвесы;- navigation equipment: mechanical and laser gyroscopes, accelerometers, elastic vibro-suspensions;

- деформационные датчики давления;- deformation pressure sensors;

- электромеханические фильтры, линии задержки, резонаторы СВЧ;- Electromechanical filters, delay lines, microwave resonators;

- высокопрочные антенны;- high strength antennas;

- приборостроение: датчики перемещения, упругие элементы хронометров и нагруженных механизмов, нерасширяющиеся подвесы;- instrumentation: displacement sensors, elastic elements of chronometers and loaded mechanisms, non-expanding suspensions;

- лазерная техника - каркасы и котировочные узлы лазерных резонаторов;- laser technology - frames and quotation units of laser resonators;

- криогенная техника: хладопроводы, компрессоры, клапаны, дьюары, соединительные элементы труб.- cryogenic equipment: cold pipes, compressors, valves, dewar, pipe fittings.

Figure 00000001
Figure 00000001

Claims (1)

Высокопрочный инварный сплав, содержащий никель, кобальт, углерод, титан, молибден, ванадий, ниобий, вольфрам и железо, отличающийся тем, что он дополнительно содержит цирконий, при следующем соотношении компонентов, мас.%:
никель от 25,0 до менее 38,0 кобальт 0,5÷20,0 углерод 0,05÷1,2 титан 0,05÷4,0 молибден 0,02÷6,0 ванадий 0,01÷4,0 ниобий 0,02÷5,0 вольфрам 0,02÷5,0 цирконий 0,01÷2,0 железо остальное

при выполнении следующих соотношений:
(% молибдена + % циркония) : % ванадия = 1÷80;
(% молибдена + % ванадия + % циркония) : % углерода = 2÷80.
High-strength invar alloy containing nickel, cobalt, carbon, titanium, molybdenum, vanadium, niobium, tungsten and iron, characterized in that it additionally contains zirconium, in the following ratio, wt.%:
nickel 25.0 to less than 38.0 cobalt 0.5 ÷ 20.0 carbon 0.05 ÷ 1.2 titanium 0.05 ÷ 4.0 molybdenum 0.02 ÷ 6.0 vanadium 0.01 ÷ 4.0 niobium 0.02 ÷ 5.0 tungsten 0.02 ÷ 5.0 zirconium 0.01 ÷ 2.0 iron rest

when performing the following ratios:
(% molybdenum +% zirconium):% vanadium = 1 ÷ 80;
(% molybdenum +% vanadium +% zirconium):% carbon = 2 ÷ 80.
RU2013150848/02A 2013-11-14 2013-11-14 High-strength invar alloy RU2568541C2 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2013150848/02A RU2568541C2 (en) 2013-11-14 2013-11-14 High-strength invar alloy

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2013150848/02A RU2568541C2 (en) 2013-11-14 2013-11-14 High-strength invar alloy

Publications (2)

Publication Number Publication Date
RU2013150848A RU2013150848A (en) 2015-05-20
RU2568541C2 true RU2568541C2 (en) 2015-11-20

Family

ID=53283892

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2013150848/02A RU2568541C2 (en) 2013-11-14 2013-11-14 High-strength invar alloy

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2568541C2 (en)

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2762954C1 (en) * 2020-10-05 2021-12-24 Российская Федерация, от имени которой выступает Министерство обороны Российской Федерации Iron-based casting alloy
WO2024033586A1 (en) 2022-08-09 2024-02-15 Aubert & Duval Alloy with low coefficient of thermal expansion and high mechanical strength
WO2024033117A1 (en) 2022-08-09 2024-02-15 Compagnie Generale Des Etablissements Michelin Metal parts with low coefficient of thermal expansion and high mechanical strength

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN119040771B (en) * 2024-09-05 2025-06-06 重庆材料研究院有限公司 A martensitic elastic alloy with high mechanical quality factor

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2154692C1 (en) * 1999-04-23 2000-08-20 Центральный научно-исследовательский институт черной металлургии им. И.П. Бардина High-strength invar alloy
US6221183B1 (en) * 1992-11-16 2001-04-24 Hitachi Metals, Ltd. High-strength and low-thermal-expansion alloy, wire of the alloy and method of manufacturing the alloy wire

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6221183B1 (en) * 1992-11-16 2001-04-24 Hitachi Metals, Ltd. High-strength and low-thermal-expansion alloy, wire of the alloy and method of manufacturing the alloy wire
RU2154692C1 (en) * 1999-04-23 2000-08-20 Центральный научно-исследовательский институт черной металлургии им. И.П. Бардина High-strength invar alloy

Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2762954C1 (en) * 2020-10-05 2021-12-24 Российская Федерация, от имени которой выступает Министерство обороны Российской Федерации Iron-based casting alloy
WO2024033586A1 (en) 2022-08-09 2024-02-15 Aubert & Duval Alloy with low coefficient of thermal expansion and high mechanical strength
WO2024033117A1 (en) 2022-08-09 2024-02-15 Compagnie Generale Des Etablissements Michelin Metal parts with low coefficient of thermal expansion and high mechanical strength
FR3138817A1 (en) 2022-08-09 2024-02-16 Aubert & Duval Alloy with low coefficient of thermal expansion and high mechanical resistance
FR3138818A1 (en) 2022-08-09 2024-02-16 Compagnie Generale Des Etablissements Michelin Metal parts with low coefficient of thermal expansion and high mechanical resistance

Also Published As

Publication number Publication date
RU2013150848A (en) 2015-05-20

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Agamennone et al. Evolution of microstructure and deformation resistance in creep of tempered martensitic 9–12% Cr–2% W–5% Co steels
Lyu et al. Fundamental understanding of mechanical behavior of high-entropy alloys at low temperatures: A review
Kim et al. Stress partitioning behavior of an AlSi10Mg alloy produced by selective laser melting during tensile deformation using in situ neutron diffraction
Senthilkumar et al. Influence of shallow and deep cryogenic treatment on the residual state of stress of 4140 steel
Kiran et al. Tensile and impact behavior of swaged tungsten heavy alloys processed by liquid phase sintering
Lehnhoff et al. The influence of silicon and aluminum alloying on the lattice parameter and stacking fault energy of austenitic steel
Oh et al. Characterization of microstructure and tensile fracture behavior in a novel infiltrated TiC–steel composite
RU2568541C2 (en) High-strength invar alloy
Wang et al. Microstructural evolution in ultrafine-grained titanium processed by high-pressure torsion under different pressures
Matlakhova et al. Properties and structural characteristics of Ti–Nb–Al alloys
CN112639144B (en) Copper alloy material, method for producing same, and member or component made of copper alloy material
Zhao et al. Tailoring the damping and mechanical properties of porous NiTi by a phase leaching process
Silva et al. Quenching and partitioning heat treatment in ductile cast irons
Jung et al. Effects of tungsten and molybdenum on high-temperature tensile properties of five heat-resistant austenitic stainless steels
Naghizadeh et al. Processing of fine grained AISI 304L austenitic stainless steel by cold rolling and high-temperature short-term annealing
Gorlenko et al. Mechanisms of cast structure and stressed state formation in Hadfield steel
Jurči et al. Metallurgical principles of microstructure formation in sub-zero treated cold-work tool steels–a review
Yang et al. Effect of nano TiC on microstructure and microhardness of composite additive manufacturing 316L stainless steel
Wang et al. Microstructure evolutions of Ni-Ti-Nb-Al alloys with different Al addition
Hong et al. Superelastic behavior of novel Ni–Ti–Co shape memory alloys for seismic applications
Iasnii et al. Specific features of deformation of the nitinol alloy after electrolytic hydrogenation
Umarova Influence of microalloying (including rare-earth metals) on the phase composition and properties of aluminum alloys
JP2018501409A (en) Turbine engine parts containing titanium-based alloys
Kim et al. Evolution of microstructure and mechanical properties of graphitized Fe–0.55 C–2.3 Si steel during quenching and tempering treatment
Mahato et al. Role of stacking fault energy on symmetric and asymmetric cyclic deformation behavior of FCC metals

Legal Events

Date Code Title Description
HZ9A Changing address for correspondence with an applicant
MM4A The patent is invalid due to non-payment of fees

Effective date: 20181115

NF4A Reinstatement of patent

Effective date: 20220406