аморфный сплав на основе никеля для литья микропроводов

Формула изобретения

Аморфный сплав на основе никеля для литья микропроводов, содержащий хром, кобальт, церий, иттрий, отличающийся тем, что для повышения коррозионной стойкости, увеличения удельного электросопротивления и улучшения технологичности процесса литья он дополнительно содержит бор, кремний и цирконий 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

Описание изобретения к патенту

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.

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 _в=40-50 кг/мм² и относительное удлинение =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.

Микропровода из этого сплава имеют удельное сопротивление =0,6-0,8 Ом×мм²/м, термо-ЭДС (в паре с медью) 2-2,2 мВ, показатели коррозионной стойкости:

в серной кислоте - 0,25 г/м² × час;

в соляной кислоте - 0,27 г/м² × час;

в морской воде - 0,23 г/м² × 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:

в серной кислоте - 0,09 г/м² × час;

в соляной кислоте - 0,012 г/м ² × час;

в морской воде - 0,006 г/м ₂ × час.

При введении в сплав менее 6% бора не наблюдается эффекта повышения коррозионной стойкости, при введении более 9% бора происходит уменьшение термо-ЭДС.

Однако удельное сопротивление остается низким и имеет величину =0,9-0,92 Ом×мм²/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.

Наличие в сплаве циркония в указанных количествах повышает удельное сопротивление до 1,6-1,9 Ом×мм ²/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:

в серной кислоте - 0,09 г/м² × час;

в соляной кислоте - 0,012 г/м² × час;

в морской воде - 0,006 г/м² × 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×мм2/м	ТЭДС, мВ	Показатели корроз. ст-ти, г/м2 × 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	÷	÷	÷