Сплавы с заданным температурным коэффициентом линейного расширения

Температурный коэффициент линейного расширения (ТКЛР) — физическая величина, указывающая, во сколько раз изменяются линейные размеры тела, при неизменном давлении и повышении температуры на 1°Кельвина.

• Железоникелевая и железохромовая системы являются основой для магнетиков, средний, минимальный и низкий коэффициент расширения.
• Система на основе хрома с легирующими включениями (железо, марганец, тантал, рений) – база для немагнитных сплавов. Сплавы этой системы обладают минимальными и низкими показателями теплового расширения.
• Сплавы на базе никеля с добавками молибдена, хрома, вольфрама и марганца, обладают средним ТКЛР.
• Сплавы системы марганец–никель–медь имеют высокий тепловой коэффициент расширения.

Сфера использования прецизионных сплавов данной категории зависит от значения коэффициента термического расширения. Этот показатель подразделяется на наиболее низкий, малый, средний и максимальный.

Разделяют на группы по магнитным свойствам: ферромагнитные и немагнитные металлы. Внутри групп существует иерархия по значению ТКЛР.
Ферромагнитные материалы:
– с минимальным ТКЛР — железоникелевые сплавы с содержанием никеля от 30 до 40%, при рабочей температуре до 100 °С коэффициент не превышает 3,5·10^-6 K^-1;
– с низким температурным коэффициентом — железоникелевые материалы с добавлением кобальта, меди или хрома с коэффициентом от 3,5 - 6,5·10^-6 K^-1;
– со средним ТКЛР — 6,5-12·10^-6 K^-1.
Немагнитные сплавы:
– с высоким — с добавлением марганца, температурный коэффициент выше 12·10^-6 K^-1 в температурном диапазоне 20-200 °С. Отличаются хорошей пластичностью и повышенной прочностью;
– со средним — на никелевой основе, с легированием медью, вольфрамом, молибденом, титаном, хромом, температурный коэффициент составляет от 6,5 до 12·10^-6 K^-1 в диапазоне температур от – 80 до + 900 °С. Обладают высокой коррозийной и жаростойкостью.

Все прецизионные немагнитные материалы отличаются высокой упругостью и устойчивостью к механическим воздействиям вне зависимости от ТКЛР.

Для производства метрологических приборов, криогенного оборудования, радиоэлектронной аппаратуры и геодезических инструментов применяют сплавы с коэффициентом теплового расширения порядка 10^-6 К^-1 и меньше. Показатель ТКЛР, приближённый к нулю, обеспечивает максимальную точность измерений приборов, а также требуется при изготовлении бескомпенсационных трубопроводов для перекачки сжиженного газа.

Ферромагнетики с минимальным коэффициентом теплового расширения широко используются в приборостроении для элементов высокоточных измерительных инструментов, в метрологии и геодезии в качестве составных частей термочувствительных материалов, в газовых лазерах, в магистралях для жидких криогенных сред и т. д. Сплав выбирается с учётом ТКЛР и механической устойчивости к фазовым превращениям в диапазоне рабочих температур.

Сплавы с низким и средним коэффициентом термического расширения широко применяются в изготовлении электровакуумных устройств (электронные лампы, электронно-лучевые трубки, магнетроны). Марка сплавов выбирается в соответствии с величиной коэффициента теплового расширения других материалов, спаи с которыми планируется получить, а также на основании требований к эксплуатационным и физическим характеристикам.

С активным развитием радиоэлектронной отрасли, в том числе квантовой электроники, криогенной промышленности, сформировалась потребность в сплавах на немагнитной базе с минимальным коэффициентом линейного расширения. Сплавы железа с никелем, обладающие ферромагнитными свойствами, не могут быть использованы в некоторых устройствах, так как магнитное поле с наводками остаточного магнетизма для них неприемлемо. Поэтому сегодня востребованы немагнитные материалы с минимальным ТКЛР в спаях со стеклом и керамикой, в том числе, работающих при высокой температуре. Применяются в качестве эталонных мер длины для дилатометров.