автореферат диссертации по металлургии, 05.16.01, диссертация на тему:Структура и свойства прецизионных биметаллических высокотемпературных проводников

РГ6 ОД

2 д

На правах рукописи

БОКШИЦКИЙ Владимир Иосифович

СТРУКТУРА И СВОЙСТВА ПРЕЦИЗИОННЫХ

БИМЕТАЛЛИЧЕСКИХ ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНЫХ ПРОВОДНИКОВ

05.16.01 —Металловедение и термическая обработка металлов

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва — 1995

Работа выполнена в институте прецизионных сплавов ЦНИИчермета им. И. П. Бардина

Научный руководитель — кандидат технических наук,

доцент ЗАХАРОВ Е. К-

Официальные оппоненты—доктор физико-математических

наук, профессор БЛАНТЕР М. С.

— кандидат технических наук, старший научный сотрудник ХАЮТИН С. Г.

Ведущая организация — Всероссийский институт

авиационных материалов, г. Москва

^дщита состоится « _ 1995 г. в

./Р часов на заседании диссертационного совета Д.141.11.01. в Институте металловедения и физики металлов по адресу: 107005, Москва, 2-я Бауманская ул., 9/23.

С диссертацией можно ознакомиться в научно-технической библиотеке ЦНИИчермет им. И. П. Бардина (ИМФМ)

Автореферат разослан « /5Г» _- ¡995 г

Ученый секретарь диссертационного совета,

кандидат технических наУк> ^ . ----

старший научный сотрудний^®^2'^1^'^ Александрова Н. М.

ОЩЛЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальность темы. Задача повшения точности тензометричес-ких исследований напряженного состояния высоконагрукенных конструкций, эксплуатирующихся при температуре до ТООО°С, требует применения новых жаростойких проводниковых материалов. Эти материалы должны обладать минимальными значениями удельного электрического

сопротивления при комнатной температуре, и температурного

«о

коэффициента электросопротивления ТКС,«/^ в интервале температур эксплуатации. Такие материалы используются, в частности, для изготовления выводных проводников высокотемпературных тензодатчиков и токоведущих элементов линий связи измерительных систем. Создание саморегулирующихся пожаробезопасных термоэлектрических нагревателей работающих в токовом режиме насыщения, гермодатчиков и термочувстви тельных элементов требует решения обратной задачи, состоящей в полу чении материалов с высоким значением удельного электросопротивления при комнатной температуре и максимальной величиной ТКС.

Принципиальная трудность в решении обоих задач обусловлена с одной стороны, тем, что, группу проводниковых материалов с малым значением удельного электросопротивления при комнатной температуре не более 0,3 мкОм.м образуют чистые металлы и низколегированные стали и сплавы, для которых характерна высокие значения ТКС «¿.¡г в интервале температур 2Ь - ЮиО°С - порядка С другой сто-

роны, жаростойкие стали и сплавы с малыш значениями ТКСЛ. от

Л.

Ю-5 до Ю^К"1 характеризуются высоким значением удельного электросопротивления при 20° С - более 0,7 мкОм.м .

Исключение составляют сплавы на основе системы никель-медь с мальм (константан) или отрицательным (копель) ТКС в интервале температур 2и - 8С0оС и удельным электросопротивлением при 20с'С порядка 0,5 мкОм.м. Однако эти сплавы работоспособны в воздушной среде без специальной защиты лишь до 500°С из-за низкой жаростойкости.

Предварительный анализ показал, что весь комплекс свойств необходимых высокотемпературным проводникам: минимальных значений удельного электросопротивления и ТКС одновременно, иаростопкости до IUUU°C, стабильности структуры и свойств, технологической пластичности, позволяющей получить проволоку диаметром до 0,10 мм, может быть достигнут при создании композиционных материалов [KMJ из таких составляющих, характеристики которых вносят необходимый вклад в . электрические и физико-химические характеристики КМ.

В период с 1964 г. по настоящее время многими исследователями были изучены электротехнические Ш со слоистой структурой: в виде биметаллических проволок диаметром до 0,2 мм с жаростойкой оболочкой из никеля, нержавеющих сталей типа XI7 или Х1Ш9Т , сплавов на основе системы никель-хром-кремний, и сердечником из металлов с высокой электрической проводимостью: меди или серебра. Taime КМ нашли применение в качестве материалов для элементов окалино-стойких коммуникаций.

Однако разработчики указанных НМ основное внимание уделяли двум характеристикам: величине удельного электросопротивления при комнатной температуре и стабильности электросопротивления в процессе длительных выдержек при повышенных (до 900°С ) температурах. При этом практически неисследованными оказались механизмы, определяющие отклонение экспериментальных температурных зависимостей электросопротивления слоистых металлических КМ от рассчитанной исходя из аддитивной модели параллельного соединения непрерывно контактирующих проводников - составляющих. Некоторые сведения о связи температурной зависимости электрического сопротивления со структурой Ш имеются для металлополимерных, ыеталлокерамических и углеполимер-ных КМ со статистической и волокнистой структурой, а такяе слоистых тонкопленочних композиций, однако применимость этих представлений

к Ш из металлических составляющих не установлена.

Цель работы состояла в выявлении закономерностей формирования состава, структуры и электрических сеойств слоистых КМ в виде биметаллической проволоки в интервале температур 20 - Ю0Ь°С и получение материалов с заданными сочетаниями характеристик,

Б работе были поставлены следу щи е задачи:

1. Получить образцы Ш в виде биметаллической проволоки на основе проводниковых, жаростойких резистивных, термоэлектродных и терглорезистивных металлов и сплавов.

2. Исследовать уормирование и изменчивость структуры, электрических и механических свойств, характеристик жаростойкости и термического расширения полученных композиционных материалов в интервале температур 20 - 100С°С.

3. Установить связь электрических характеристик ИЛ со структурой и со свойствам материалов основннх слоев - составляющих.

4. Установить влияние диффузионных слоев на границе составляющих композитного материала на его электрические свойства для сле-ду^'цих трех случаев:

- образования ме:.зду ¡/.атериалами слоев-составляювдх КМ непрерывного ряда твердых растворов;

- ограниченной растворимости составляющих друг в друге;

- образования промежуточных ?'аз и интерьегаллических соединений.

Практическая ценность работы. На основа результатов исследо-винш" созданы жаростойкие композитные прецизионные проводниковые материалы б виде проволоки с низкими значениями удельного электросопротивления при 2и°С и 1КС для токоведущих элементов линий связи измерительных систем и выводных проводников высокотемпературных тензодатчиков, эксплуатирующихся при температурах до 9Ю°С, а также жаростойкие КМ с одновременно высокими значениями удельного

электросопротивления и ТКС - для саморегулирующихся термоэлектрических на1ревателвй, термодатчиков и термочувствительных элементов. Для нувд предприятий соответствующего профиля были изготовлены и поставлены опытные партии биметаллической проволоки.

Основные положения и результаты, выносимые на защиту:

1. Результаты исследования структуры, состава, электрических и механических свойств, характеристик жаростойкости и термического расширения КМ в виде биметаллической проволоки с различн;м характером диффузионного взаимодействий мевду слоями.

2. Теоретический анализ влияния переходных слоев меаду составляющим биметаллических композиций на их электрические свойства в интервале температур 20 - 100и°С.

3. Принципы создания слоистых металлических Ш с заданными электрическими характеристиками и их сочетаниями.

4. Анализ пределов применимости модели параллельного соединения непрерывно контактирующих проводников - составляющих для прогноза свойств КМ в интервале температур 20 - 1000°С,

5. Результаты экспериментального моделирования температурных зависимостей электросопротивления слоистых КМ с помощью проволочных макрокоиигозаюв и их сопоставление с характеристиками полученных биметаллических проволочных проводников.

6. Рекомендованные и опробованные химические составы и объемные соотношения слоев жаростойких электротехнических Ш в виде биметаллических проволок диаметром до 0,030 ш для практического применения.

7. Основы технологии получения теплостойкой и каростоикоь биметаллической проволоки со специальными электрическими характеристиками диаметром до 0,030 мм.

Апробация работы. Основные положения диссертации и ее отдель

ние результаты были доложены и обсуждены в период £991-94 г.г. на технических совещаниях в КБ машиностроения ГНПП "Труд" (г.Самара), НИЦ "ТЭН" А/0 ВНИИЭТО (г.Москва), ЩАМ им.П.И.Баранова (г.Уосква), сепинаре лаборатории натурных исследований напряжений Института машиноведения РАН (г.1,!осква), заседаниях научно-технического совета Ульяновского КБ приборостроения п научно-технического совета ППС ЦШИчориет ии.И.П.Бардина (г.Косква).

Публикация. По материалам диссертации опубликовано 5 печатных работ.

Объем работы. Диссертация состоит из введения, восьми глав, выводов,списка литературы из 114 наименований и приложения. Объем диссертации включает 217 страниц ыоншгописяого текста, 62 рисунков, 30 таблиц.

ОСНОВНОЕ СОДЕРИШЕ РАБОТЫ

Обзор литературных данных и постановка задач, решаемых в диссертации.

Обобщены сведения об электротехнических композиционных материалах: составе, структуре, способах получения и прикладном применении. Представлены известные подели расчета и прогнозирования электрофизических характеристик К.1 п данные о взаимодействии составляющих металлических композитов и его влиянии на характеристики КМ.

Показано, что значения удельного электросопротивления при 20°С металлических Ш.1 со слоистой структурой: в виде биме-

таллических или многослойных прутков, проволоки или ленты хорошо согласуются с величинами, рассчитанными из модели аддитивности проводимости параллельно соединенных, непрерывно контактирующих проводников-составляющих:

, ^ Я „ л СП

а

где jp ^ р J5 ~ величина КМ в целом 1-й и

2-й составляющих соответственно, X - объемная доля ü-й составляющеГ; íQvi Известна принципиальная возможность использования слоистых металлических материалов для совмещения в одном материале нескольких качеств, несовместимых в обычном монометаллической материале. Эта возможность и кажущаяся легкость её реализации гесьма перспективны, но не очевидны применительно к рассматриваемому случаю металлических цредазионньк высокотемпературных проводниковых и ре-зистнвных материалов. Основные сш.яостя в получении слоистых материалов этого класса лежат' в достижении необходимой стабильности структуры слоев и основных Функциональных характеристик. По этому разделу металловедения слоистых высокотемпературных проводниковых материалов отсутствуют какие-либо данные - как в части, касаицейа принципа подбора составляющих, технологических параметров, так и вклада в стабильность электрофизических характеристик переходного диффузионного слоя мезду составляющими.

Экспериментальное моделирование температурных зависимостей электросопротивления слоистых металлических композитов

Цроведение моделирования было необходимо, поскольку получение слоистых Ш представляет собой технологически слоении и длительный процесс. Были получены образцы проволочных макрокомпозит тов (ЫхС) - проводников, свитах из разнородных проволок. По имеющимся данным такие макрокомпозиты являются в первом приближении по сеоим электрическим свойствам достаточно близким аналогом А. с параллельным соединением непрерывно контахстируодих элементов - в силу множественности точек контакта сбитых проволок и их равномер ного распределения по длине макрокошозита.

В качестве исходного материала для получения ыакрокомпозитов были использованы проволоки из опытных и серийных проводниковых, резистивных, термоэлектродных и терморезистивных сплавов, таблица I . Макрокомпозиты получали скручиванием отрезков одинаковой длины разнородных проволок в жгут на специальном станке, объемное соотношение элементов 1фи этом определялось соотношением площадей их поперечных сечений.

1Сак отмечалось ввше, для слоистых КМ с параллельным соединением непрерывно контактирующих проводников значения совпадают или близки к величинам, вычисленным по формуле ( I). Однако применимость этой формулы для интервала температур выше 51)0 и вплоть до 1<а)0°С, т.е. температур активного протекания диффузионных процессов не установлена. Поэтому были проведены исследования температурных зависимостей электросопротивления макрокомпозигов в интервале 2и - 1Ш0°С.

Предварительно были экспериментально получены температурные зависимости электросопротивления сплавов - составляющих, по которым с использованием выражений (I) и измеренных значений удельного электросопротивления проволочных компонентов (таблица I) были расчитаны температурные зависимости электросопротивления макрокомпозитов. Расчетные и экспериментальные зависимости электросопротивления КС от температуры имели хорошее совпадение. Таким образом, температурные зависимости электросопротивления исследованных макрокомпозитов полностью определяются характерастикзми сплавов - составляющих. Это согласуется с данными других исследователей об отсутствии изменений химического состава вследствие процессов взаимной дис№узии по контактирующим поверхностям разнородных проволок, а также изменения геометрии мест контакта между составляющими .

tí ^

! ! o

^ i î

'O o

со Г

С-1 U

H

о

a

о tí

a

C-l

о о о

О':

О И

Í-1 У '')

("1 с;

^ и HOÎ

о О —

О О

о О

г-1

о 1 ) f;

^ ; о И

f! О

пэ ) i

'• ' п

... .^e.j ^ .

ldov;

; ; с j ■nít о I о о ; ici I cj «Гр-.Л Г;

".'-Л 1

* J Ю

o-F : о -и* • • »

"чаК iT^o

¡-4 со I

Я 1

0 9 ог-гЗ»

1 - i oí

О I !

ri о cv¡ • Пп <*1

'(СО Uo С) " ¡-: гно о ^Г-ч i:

он

1—ILO cjW

^а.: ;

cu a M (Я > O CJ I N < o R ; n o <

O !

Gl

НЮ ОС)

со о

ci CΗ- i ;; а

о ra t¡0) ч и ««ф о и г:

PIOOfH

о t>o

Сч« Mí J КМ—Рч

r_i

t-lin opi "oixî

cj c.j

S9

t=! w

о u; p! a о

O-iCO

tr) И

<DE-< Hiq

oco

M

!

Я

s 9

и h о ri pi о о

a, со M И

■Ч'

й

О -

-«m

Cu сj о J

; ; go о carj и чн о п гI он о о <-¡|CO!D И ï-if^,

•п.-. ;

cd ö ; : R о ci t! и о И M о о

слот

CDtH

ню u8 Ча; ¡

« ci

M п О cj t; I-'

о и ri о о

1=3 И

г J

I _)

Ю

Результаты моделирования показывают: Т, возможность регулирования характера температурных зависимостей электросопротивления для КМ соединенными параллельно, непрерывно контактирующими составляющими путем подбора составляющих КМ и их объемного соотношения;

2. возможность получения для таким 15,1 соотношении и ТКС, недостигаемых при использовании монометаллических материалов ( таблица I ;

3. ряд составов из числа исследованных какрокомпозитов может быть использован без изменений для получения КМ в виде биметаллических проволок с жаростойкими оболочками Х20Н80/копель (50 об.%)', Х23Ю5Т/НХ9.5 (30 об.%); Х2Ш80/Й50КЮ (5Ш.%); Х23ЮТ/Н50КЮ

(50 об.%).

.Материалы и методы исследований

По результатам моделирования температурных зависимостей электросопротивления слоистых КМ с использованием проволочных макрокомпозитов были Еыбраны составляющие и их объемное соотношение в 1иМ в виде биметаллической проволоки (таблица 2).

Сплавы для получения составляющих биметаллов выплавляли в вакуумно-индукционной печи "Бальцерс" емкостью 50 кг.

Химические составы полученных сплавов находились в пределах оговоренных соответствующими стандартами (таблицы 1,2) . В качестве составляющих биметаллов использовались также металлы и сплавы серийного производства: медь марки М1 (ГОСТ 859-78), карбонильное железо (ТУ 14-1-1720-76), ниобий вакуумноплавленый (ГОСТ 16099-80/, сплав 40К27ХШ с Та (ту 14-121413-74} и сталь 12Х18Н9Т (ГОСТ 5632-72).

Заготовки для получения биметаллических проволок изготавливали е виде биметаллического прутка 4 8,0 мм, полученного путем горя-

Таблица 2

Состав и удельное электросопротивление при 2Ü°C исследуемш. биметаллов

Обозначение КМ ■ Материал Зад. объ-еш. деля Диаметр с , мкОм.м

ооолочки сердечник проволоки, мм аксп римент расчет из i

закал ка от>;шг 90Ü°C-4 часа

ш Х20Н80-Ш Н44Д-Ш (типа копе ль) 50 0,50 ulüu 0,66 и - 0,65 -0,72

и.Ib U, (ib CJ.73""

u.üau и, ve —

Ш ir 60 и. ib U.74 0,61 -0,68

и,изо U773 —

кыз Х23ШТ-ВИ Н44Д-Ш Зи 0.15 0,59 0.87 -0,89

№4 И гг 50 U.ib 1 и ¡vi 0¡bb 0,72 -С,73

и;изи" UÍB2' —

КМ5 НХ.9,5 - Ш Н44Д-Ш 50 и.ьи и! ib и; изо "0.55" U,b4 и;БЗ' •0,54 -0,58

КМ6 II 60 0.15 0.55 и,62 0.52 -0,56

КМ7 X23ÍU5T -Ш НХ9.5-ЕИ 30 0.15 1,(35 1.02 0,93 -I.Iu

та Х23Ю5Т-БИ медь Mi Г0СТБ59-78 30 а.и ü ¡4b 0.Ü73 и та U 087 U ¡034 0,064-0,025

Ш9 —М— 6 3 и uUb 'ü !¿i H и,<;а U¡b¡¿ ' 0,128-0,291

кмю I2XI8U9T II зи з.и CJ,4b U <76 и|шь <J,I0"~ O.ÜJ4 0,063-0,иаи

KMII II __ (1 6 "3.U uUb ü 32 U ¡37 U.ЗУ ' 0¡46 ' 0,112-0,248

Ш12 ХЙШЬЬ-БИ Н50К10-ВИ 50 i,3o TT.44" и,4b 0,39 -0,41

и, 4b U, 44 U,4b'

KMI3 4üí(27XiiIii сТа ниобий 25 2.0 0.42 — 0,35 -0,37

KMI4 Х20Н80-Ш Н50К10-ВЙ 50 0f30 0.42 0,44 0.39 -0,41

KMÍ5 Х2Ш80-Ш железо карб,18,5 0t3ü 0.41 0.53 0,32 -0,4?

KMI6 Х23Ю5Т-ВИ Н50КЮ-Ш : 5U 0,3u 0,43 0.44 0,32 -0,46

KMI7 _п_ аелезо :18,5 карб. : 0,30 Ü,45 0,95 0,41 -0,4а

чего изостатического прессования на горизонтальном гидравлическом трубопро'Уцльном прессе 1500 ТС, вертикальном прессе "Фильдинг" или горячей прокатки цилиндрических композиционных заготовок диаметром 77,0 мм, 39,1) мм и 29,0 мм соответственно.

Измерение электросопротивления образцов проволоки . . •

, осуществляли прецизионным цифровым. омметром типа Ш34, класса точности 0,05/0,01 по четырехконтактной схеме, с установкой образцов на специальной измерительной линейк®.

Исследование температурных зависимостей электросопротивления КМ и сплавов - составляющих производили на образцах проволоки диаметром 0,03 - 3,0 мм и с нагревом в открытой электрической печи со скоростью Ю°С/мин в пределах 20 - Ю00°С, и с электроконтактным нагревом образцов длиной 300 мм в интервале 20 - 900°С для проволоки диаметром 0,03 мм на измерительной установке "Горизонт" выпуска НТК "Стимул" г.Кишинев .

Термо-ЭДС биметаллических проволок в паре с платиной измеряли в интервале температур 20 - 900°С при нагреве в открытой электрической печи потенциометром Р348 класса точности 0,002. Термо ЗДС измеряли в двух циклах до Э00°С - охлаждение до 20°С, с выдержкой в течение I час при 900°С после первого нагрева.

Металлографические исследования производили на поперечных и продольных шлифах биметаллических прутков и проволок диаметром 10,0 - 0,030 мм с использованием светового микроскопа марки

Неор^о 1{ „^ ^ качесгве травителей для выявления структуры использовали реактивы Круппа и Марбле,

Структуры композиционных материалов, состав границ раздела и распределение химических элементов в поперечном сечении биметаллов исследованы на образцах диаметром 0,15-8,0 мм с использованием растрового электронного микроскопа ^ 5 М -35с, микроанализатора

"Камебакс" и Оже-щкроаналиэатора Л//МР-ЮЗ. Рентгеновские исследования производили методом Дебая, вМо- излучении на аппарате и Рагъку „^

Механические характеристики биметаллов и сплавов - составляющих определяли при 2Ь°С на проволочных образцах Ф 0,030-0,15 мм с использованием испытательной машины марки "Инстрон".

Дилатометрические испытания проводили на дилатометре модели ДЛ-150и фирмы "Синку-Рико" в температурном интервале 20-9С0°С,

Сравнительные исследования жаростойкости производили снятием кинетичесыи зависимостей на образцах проволоки ф 0,15 мм при 900°С, а также испытанием на срок службы - по ГОСТ 2419-78 при 1иХ)°С проволоки & 0,3и ш.

Экспериментальные результаты исследования состава, структуры и электрических сеойств биметаллов. Влияние переходных слоев на электрические характеристики слоистых композиционных материалов

Исследование биметаллы составляют три группы по принятой классификации КМ:

1. С образованием между материалами основных слоев - составляющих оболочки и сердечника непрерывных рядов твердых растворов (Ш1, КЫ2, 1^15, 10,15, 11.112, К1.Ц7).

2. Ограниченной взаимной растворимости материалов слоев - сов тавляющих Ш или их отдельных компонентов (Шп7, КШ-гКШ, ¿¿ИЗ, ШЯб) .

3. Образования интерыеталлических соединений на границе раздела слоев - составлялщих Ш (¿ИЗ, КШ/.

По данным металлографического анализа е закаленном состоянии во всех размерах исследованных биметаллов, вплоть до ^ й,03и мм,

сохраняется аксиальное взаимное расположение составляющих и близкое к заданному объемное соотношение с точностью до 10 об.% , причем для КМ 1-й и 2-й групп -такке и после отжига при 9ио°С. Материалы основных слоев имеют при этом ферритную или аустенитную зеренную структуру, типичную для соответствующих сплавов. Область с переменной концентрацией мезду оболочкой и сердечником в биметаллах 1Ш ф 0,15 мм и Ш15 ^0,30 №1 имеет протяженность 10 -- 20 мкм: 1ьо6.% от КМ в целом (рис. I), возрастая с уменьшением диаметра биметаллической проволоки и в процессе нагрега в интервале 20 - 1СъО°С. Концентрации основных легирующих элементов в переходной зоне согласуются с диаграммами состояния систем для И,II и ¿У-Ре для КШ.

Измеренные в состоянии после закалки от 800 до Юои°С значения р всех КМ практически совпадают с величинами, рассчитан-ныш из модели аддитивности проводиг.ости параллельно соединенна, непрерывно контактирующих проводников - составляющих.

После 4-часоЕого откига при 900°С значения р^ КМ с образованием меяду слоями твердых растворов возрастают (таблица I) вследствие увеличения объемной доли переходного слоя, обладающего повышенным значением £ . Переходный слой состоит из компонентов обоих основных составляющих. Аналогичный эффект наблюдается с уменьшением размера КМ до ф 0,030 мм в закаленном состоянии.

Зависимости относительного изменения электросопротивления образцов материалов 1-й и 2-й групп совпадают с расчетными лишь качественно характеризуясь более низкими значениями ТКС<^,> ( рис. 2 - 4). Это обусловлено, по-вндамому, диффузионным взаимодействием слоев - составляющих МЛ в процессе промежуточных термических обработок и экспериментальных нагревов до Ю00°С.

Исследования образцов проволоки диаметром С,45 ш ИИ мето-

дами растровой электронной микроскопии и Оже - микроанализа показали , что после опига при 900°С сохраняется близкое к исходному распределение хрома, меди и я» леза. В то же Еремя в результате дио<1узионных процессов алюминий равномерно распределяется по всему сечению биметаллической проволоки. Эти результаты хорошо согласуются с диаграммами состояния систем Ре-Си, Си-М ,Сг-Си , а такке с результатами измерения (таблица г).

В проволоке 1СН17 ф 0,30 мм после отжига при 900°С и при непрерывных нагревах в интервале 20 - 1000°С происходит полное выравнивание содержания всех компонентов по объему биметалла с образованием квазимонометалла на основе Рс-Сг- с соответствующим увеличением значения £ и падением величины ТКСсЛд .

Точная количественная оценка влияния характеристик переходных слоев переменного состава на температурные зависимости электросопротивления Ш многокомпонентных сплавов затруднена из-за ограниченности данных об электрических свойствах сплавов этой группы. Однако рассчитанные для №115 с использованием данных о зависимости удельного электросопротивления сплавов на основе системы АЬ-Сг- Ре при 20 и 10о°С от химического состава значения ТКС ^а хорошо согласуются с экспериментальными данными.

Для Ш7 и КГД5 близкое совпадение с экспериментальным пока- ' зываюг такта температурные зависимости электросопротивления в интервале 20 -» 1Ш0°С, рассчитанные с использованием модели переходного слоя как третьей составляющей ИД о объемным содержанием 10$, с условно-постоянным средним по массе для КГ.ТЭ: 45 масс.% Ь1с - 14,9 масс.$£*<~ - 2,9 масс.% Ав - 0,3 масс.% 5с , или близким к нему для Ш7: 56 масс.% масс.% - остальное Р<? , за-

висимости ~ (для которых известны. В КМЗ и КГЛ4 на основе системы Г-е-Сг^М'-Ото еде непрерывного нагрева до 9С0°С или изотермического отжига при 900°С в течение 4-х часов и медленного

охлаждения до комнатной температуры на поперечном микрошлифе проволоки ф и,15 мм выявлены 4 различные по контрастности травления структурные области. По данным микрорентгеноспектрального анализа и рентгеноструктурных: исследований при отсчете от поверхности к центру :

1. слой - твердого раствора на основе системы . с пониженным относительно первоначального ( 5,48 ыасс.%) содержанием /¡2-3 масс.%

2. двухфазный слои - смесь частиц - твердого раствора на основе и У - твердого раствора на основе системы

3. слои упорядоченной интерметаллической У - ''азы типа

ле

4 слой У - твердого раствора на основе системы А¡1-Сц ,

Полученные результаты согласуются с диаграммами состояния

. систем

Ре-Сии

Нестабильность структуры этих биметаллов при нагреве до еысоких температур и охлаэдении обуславливает и нестабильность электрических свойств - при охлаждении до 2ь°С происходит падение электросопротивления образцов на 25% относительно первоначального. В последующих циклах "нагрев - охлаждение" наблюдается смещение величины ТКС ^ц в область высоких положи тельных значений и уменьшение величины рг .. ф 0,15 мм после -1-х часового от;;ззга при 5ио°С ( таблица I .

Нестабильность электрических характеристик обусловлена, повидимому, обеднением материала оболочки биметалла алюминием в результате его диффузии в сердечник. Одновременно с этим на границе раздела идет также образование слоя интерметаллида типа который характеризуется низким Дс и высоким ТпС .

— - : \ ( — — Си

к. м

— — —

н Т!

--— 4Г мкч

с. i. Распределение элементов в поперечном сечении биметаллической проволоки 1Щ Ф 0,15 мм в состоянии после закалки от 1050 С - по данным Оже-вдкроанализа

гч то год Ш Ш 5Х Ш Ш ат 9И0 тв -—Г'С

Рис.

Зависимости относительного изменения электросопротивления образцов ' км 2. от температуры нагрева: I - расчетная из соотношения ( 1):

¿,4 - экспериментальные: 2 - У О*

.. _Д5 мм 3-0 0,030 мм

I-

—

Л

У

—

/ /

/ / /

V /

с

/ /

-Т.'С

Рис. 3. Зависимости относительного изменения

электросопротивления Ш7 от температуры нагрева

1 - расчетная, из соотношения (I/,

2 - экспериментальная, р и,15 мм

Рис. 4. Зависимости относительного изменения

электросопротивления Ш Х2СН80-Ш/Н50К10-1Й от температуры нахрева: расчетная из соотнощения (I): I экспериментальные: 2 - г 3,0 мм КГ,112

3 - $ 0,45 мм Ш12

4 — 0 0,30 мм КЩ4

Результаты исследований механических свойств, характеристик жаростойкости и термического расширения КМ и сплавов - составляющих Характеристики прочности и пластичности KMI - КМ? сопоставимы с соответствующими свойствами сплавов - составляющих и обеспечивают достаточный уровень технологичности для получения проволоки диаметром до 0,031) мм.

Результаты исследований характеристик гсаростоНкости биметаллов Mil, КМЗ, ШЗ, КМ6, КМ7, KMI4, KMI5 i 0,15 и 0,30 мм свидетельствуют о том, что в интервале температур 20 - 1000°С материалы в виде биметаллической проволоки с оболочкой из сплаьов на основе систем Ni-Cr и Fe-Cr-4? сопоставимы по работоспособности со сплавами типа нихром Х20Н80.

Исследования показали также аддитивную связь величин предела прочности 6ft и текучести при 20°С и температурного коэффи-

циента линейного расширения (ТКЛР) в интервале 20 - 900°С биметаллов Kill - iflvi? с соответствующими характеристикам*! сплавов -составляющих.

Практическая реализация результатов исследований Для проведения технических испытаний в настоящей работе были получены образцы в виде биметаллической проволоки диаметром до 0,и3и мм с нетрадиционным сочетаниями электрических характеристик: низкими или высокими значениями J30 и TKC^R в интервале температур 20 - 1000°С одновременно в сочетании с высокой жаростойкостью и стабильностью электросопротивления. Так, например, биметаллы Mil и №12 i 0,15 мм, удельное электросопротивление которых при 2и°С тождественно величине J>0 сплава хромель НХ9,5 , характеризуются на порядок более низким значением ТКС в интервале температур 20 - 1Ш0°С.

В то лее время биметаллы типа 1417, КЫ12 14 и Ш16 характеризуются одновременно повышенными значениями ^ и ТлСо^г и достаточной стабильностью структуры и свойсте, что позволяет рассматривать их кап перспективные материалы для саморегулирующих пожаробезопасных термоэлектрических нагревателей, термодатчиков и термочувствительных элементов.

В период 1383 - 1392 гг.. .выпускались опытные партии №1 ^ 0,15 и 0,иЗО мм (условное обозначение КЩ627^ и КМ5 Ж 0,15 мм (условное обозначение 1Ш5630). Результаты применения данных материалов в качестве элементов высокотемпературных тензорезисторов представлены в актах испытания и внедрения (приложение к диссертации ).

Биметаллы с медным сердечником и оболочкой из яаростошшх -сТ.ерритних сплавов на основе 1-е- Сг-/!€. типа Х2316Т перспективны для использования в качестве материалов каростойких коммуникаций.

ВЫВОДЫ

I. Исследованы структура, свойства и стабильность в интервале температур 20 - Ю00°С двухслойных композиционных материалов КЫ в виде проволоки, относящихся к трем группам:

I - 1Ш, материалы слоев - составляющих которых образуют непрерывный ряд твердых растворов; в этом случае переходный слой - на границе раздела представляет собой область переменного состава, изоморфную основным слоям( Х23Ю5Т-Ш/]ге , Х21ЛС0-Ш/Н4-1Д-Ш, пХа,5-Ш/Нч4Д-Ш, Х2СЙ60-ЭД/Ь50Л10-Ш) ;

П - ЮЛ с ограниченной взаимной растворимостью материалов слоев - составляющих ( Х2Ш80-ЭД//;е , Х23Ю5Т -Ш/ Си , 12л16НоТ/ Си , хгз^т-шлшао-ви, Х23]05Т-Ш/[1Х9,5-Ш, 4ьк27ХЫи с 7а. / МЕ ) ;

Ш - КМ с образованием на границе раздела слоев - составляющих интерметаллических соединений ( Х23Ю5Т -БИ/И-Щ-ВИ^ •

2. На основании расчета электросопротивления, натурного моделирования для семнадцати металлических композиций определены оптимальные соотношения материалов наружного слоя из сплавов Х23л£Т -НИ, X.2ÜH80-BT, Щ.Э.5-Ш, 40К27ШЛ с танталом, стали I2X.Í8H9T и сердечника из меди, келеза, ниобия, сплавов Н44Д-Ш

( типа копель) и Н50К10-Ш, требуемые для сочетания в Ш жаростойкости или коррозионной стоРкости и заданного удельного электросопротивления при 2ó°C j^-q и температурного коэффициента электросопротивления ТКС otg .

3. Проведено аналитическое исследование влияния переходных слоев меяду составляющими на температурные зависимости электросопротивления биметаллов в интервале 2U - 1000°С и показано, что использование модели непрерывно контактирующих цроводников - составляющих с учетом переходного слоя переменного состава как третье?! составляющей обеспечивает близкое совпадение с экспериментальными значениями ^ и ТКС oig - расхождение не превышает 8У>.

В интервале температур 2U - 1Ш0°С температурные зависимости электросопротивления биметаллов первой и втор oí] групп испытывают влияние переходных слоев с повышенным значением у?0 и пони;;сен-ным - TáC , смещающих температурную зависимость электросопротивления в область меньших значений ЕКС.

4. Установлено, что с уменьшением диаметра биметаллической проволоки до 0,U3U мм, а также в результате длительных выдержек КМ различных диаметров при 900 - 1СШ°С или многократных нагревов до этих температур происходит рост относительного объемного содер-нания переходного слоя, что приводит к росту величины удельного электросопротивления при 20°С и уменьшению ТКС в интервале темпе-

ратур 20 - Ю00°С в 1М с неограниченной и ограниченной взаимной растворимостью компонентов.

5. В КГЛ со слоями из сплавов на основе систем железо-хром-алюминий и никель-медь на границе раздела слоев - составляющих вследствие диффузии алюминия образуется слой упорядоченной интерые-галлической - фазы типа(М^Си,^ (¡6. с пониженным удельным электросопротивлением и высоким ТКС , вшивающий уменьшение величины и рост ТКСо£.£ КМ в целом.

6. Установлено, что высокая темперагурно-Еременная стабильность структуры и электрических сео^ств характерна для Ш с образованием мезду слоями - составляющими области непрерывных твердых растворов и в еще большей степени - при образовании на границе слоев ограниченных твердых растворов.

7. Показана возможность регулирования температурной зависимости электросопротивления Ш посредством низкотемпературно!! стабилизирующей термической обработки, не приводящей к существенному увеличению толщины переходного слоя - за счет лишь изменения структурного состояния основных составляющих - отниг в вакууме в течение I часа образцов проволоки диаметром 0,030 ми КМ £2ШБ0-ВИ/Н'Щ-Ш при различных температурах в интервале 450 -52и°С обеспечивает регулирование КСС «¿я в интервале 20 - 10и°С

в диапазоне (-9 ) + 12хЮ~51Гг.

8. Показано, что в исследованных слоистых ЮЛ с сердечниками из чистых металлов - меди и хгелеза .- в процессе длительных изотермических вьщержек при 900°С или многодетных циклических нагреЕов

и охлаждений в интервале 20 - 1000°С происходит диффузионное выравнивание по объему образцов всех или некоторых компонентов слоев-составляющих, что приводит к значительному увеличению значений удельного электросопротивления при 20°С, и уменьшению величины ТКС.

2. Установлено, что температурный коэффициент линейного расширения в интервале 20 - 90и°С, предел прочности и предел текучести при одноосном растяжении при 20°С для исследованных биметаллов адцитиЕно связаны с соответствующими характеристиками материалов оболочки и сердечника,

10. Разработаны харостойкие композиционные материалы в виде биметаллической проволоки с заданны® сочетаниями электросопротивления „Зс. и ТлБ^ДхгиЬбО-Ш/ЬбОЛО-ВТ, Х231бТ-ВИД1о0К10-В1: .рго= 0,42 - 0,45 мкОм'мДе - 2,0* ПГ^С1 20 - 600°С

Х23105Т -БИ/НХ9.5-Н1: = х,02 - 1,05 мкОм'м,^ - 1,7'Ю""4^1, А2Ш^0-Ш/И44Д-Ш: = 0,?5 - 0,76 мкОм'м, = б'Ю"5^"1 , НХ9,5-Ш/Н44Д-ВИ: ^ = 0,54 - 0,55 мкОм'м, ^ = 1,5,10~4К~1> Х23^5Т-Ш/Си ; £ ^,<¡73-0,075 мкОм'м, 2,6'КГ3?:-1,) , не

достигаемых у монометаллических материалов; отработаны основные элементы технологии их получения.

11. Проведено опробование в изделиях и показаны возможности использования разработанных композиционных материалов для изготовления элементов тензометрических систем, окалиностойких коммуникаций ( Х2ШВ0-БП/Н44Д-Ш, Нл 9,5-ВИ/Н44Д-ВИ, Х23)05Т-Ш/Си) , саморегулирующихся термоэлектрических нагревателей, термодатчиков и термочувствительных элементов ( Х20Н80-ВИ/Н5СК10-Ш, Х23и5Т-Ш/Н50К1и—ВГ, Х23Й5Т -Ш/К Х9.5-Ш], прецизионных резисторов (Х2ШЫ-ВИ/Н44Д-ВИ).

Состав КМ Х20Н80-ВИ/Н44Д-ВИ (бо об.%) защищен патентом Российской Федерации на изобретение.

Изготовлены и внедрены на профильных предприятиях опытные партии биметаллической проволоки диаметром до 0,030 мм.

Основные научные результаты диссертации опубликованы в сле-

дующих работах:

1. Патент РФ & 1788919 1Ж В 21 С 23/22. В 32 В 15/02 "Биметаллическая проволока для элементов высокотемпературных тен-зорезисторов" / В.И. Бокшицкий, В.П. Алексеев, Н.Г. Новоселова и др. [№). Опубл. 15.01.1993., Бюл. "Изобретения И 2, приоритет

от 03.01.1991.

2. В.Бокшицкий, В.Алексеев. Композитный материал для экстремальных условий // Новости науки и техники./ АПН. - № 4 (255,),

10.02.1991., сс.1,2(русс., англ., нем,).

3. В.И.Бокшицний. Проводниковые жаростойкие композиционные материалы с заданным сочетанием электрических характеристик: разработка, исследование структуры и свойств/ Москва, Институт прецизионных сплавов. - 30 стр., библиография - 15 назв., дсп. в ЦНИИ "Черметинформация" 15.02.1995., & 6и,6.

4. В.И.Бокшицкий. Информационные карты на ноше материалы в виде биметаллической проволоки с жаростойкой оболочкой и центральным проводником, включенные в государственный банк данных "Г0СМАТ15-ГЯАЯБАШС" Госстандарта России.- есого <5, 12 стр., Москва, Всероссийский научно-исследовательский центр стандартиаации, информации

и сертификации сырья, материалов и веществ (ВНИЦШВ/, 19Ь-4.

5. В.И.Бокшицкий. "Высокотемпературные композиционные материалы с заданным сочетанием электрических свойств". - Сталь., 1995, й 5, сс. 74-77