1. Aké sú základné charakteristiky a primárne aplikácie zliatin 2J31 a 3J40?
2J31 a 3J40 sú zliatiny na báze železa-niklu-kobaltu s riadenou expanziou, ale patria do rôznych funkčných kategórií s odlišnými hlavnými účelmi.
3J40 (tiež známy ako Nilo 42/Alloy 42/UNS K94610):
Charakteristika: Ide o zliatinu s nízkou rozťažnosťou. Jeho kľúčovou vlastnosťou je veľmi nízky koeficient tepelnej rozťažnosti (CTE), podobný ako v prípade kremíkového borosilikátového skla a niektorých keramických materiálov, v širokom rozsahu teplôt (zvyčajne od izbovej teploty až po 300-400 stupňov ). Dosahuje to prostredníctvom špecifického obsahu niklu ~42 %, čo ho umiestňuje na minimum invarovej (Fe-}Ni) expanznej krivky. Zvyčajne sa dodáva v zmäkčenom (žíhanom) stave a môže byť vytvrdený vekom na strednú úroveň pevnosti.
Primárne aplikácie: Primárne sa používa v aplikáciách vyžadujúcich rozmerovú stabilitu napriek teplotným výkyvom.
Elektronika: Olovené rámiky pre integrované obvody, kde sa zhoduje s CTE kremíkového čipu, aby sa zabránilo namáhaniu počas spájkovania a prevádzky.
Tesnenia zo skla-na{1}}kov: Na vytváranie hermetických tesnení v elektronických obaloch, snímačoch a priechodkách, kde má sklenená obálka zodpovedajúcu nízku hodnotu CTE.
Presné prístroje: Používajú sa v komponentoch pre lasery, optické systémy a meracie zariadenia, kde sa musí minimalizovať tepelný posun.
2J31 (Zliatina magnetického tvrdenia):
Charakteristika: Ide o mäkkú magnetickú zliatinu-vytvrditeľnú starnutím. Aj keď má tiež riadené CTE, jeho definujúcou vlastnosťou je schopnosť ľahko sa magnetizovať a demagnetizovať a po špecifickom tepelnom spracovaní vyvinie vysokú tvrdosť a magnetickú remanenciu. Je súčasťou rodiny „sklo tesniacich zliatin“, ale vyznačuje sa magnetickými vlastnosťami.
Primárne aplikácie: Jeho použitie sa špecializuje na aplikácie vyžadujúce kombináciu spoľahlivého tesnenia sklo-k{1}}kovu a špecifických magnetických vlastností.
Hermetické priechodky: Vo vojenských, kozmických a ropných a plynových zariadeniach, kde elektrický vodič musí prejsť cez tlakovú alebo vákuovú bariéru cez sklenené tesnenie a je potrebná magnetická funkčnosť (napr. v senzoroch alebo akčných členoch).
Magnetické jazýčkové spínače: Vodiče a kryty môžu byť vyrobené z takýchto zliatin.
Presné komponenty: Používajú sa v gyroskopoch a iných prístrojoch, kde je rozhodujúca magnetická a tepelná stabilita.
2. Ako sa líšia spevňovacie mechanizmy a výsledné mechanické vlastnosti medzi 3J40 a 2J31?
Mechanické vlastnosti týchto zliatin sú priamo spojené s ich odlišnými metalurgickými stavmi a mechanizmami spevňovania.
3J40 (zliatina 42):
Zmäkčený (žíhaný) stav: V tomto stave je 3J40 relatívne mäkký a ťažný (typická tvrdosť ~70 HRB), vďaka čomu je ideálny na hlboké ťahanie, razenie a náročné tvárniace operácie potrebné na výrobu elektronických olovených rámov alebo tesnení komponentov.
Stav starnutia-: Aj keď 3J40 nie je v primárnom stave, môže byť vytvrdený nízkoteplotným-starnutím (napr. 1 hodina pri 475 stupňoch). Tým sa vyzrážajú jemné intermetalické fázy (často na báze Ni3Ti alebo Ni3Al, ak sú prítomné stopové prvky), čím sa mierne zvýši jeho pevnosť a tvrdosť. Jeho primárnou funkciou však zostáva rozmerová stálosť, nie vysoká pevnosť.
2J31:
Riešenie-Upravený stav: Pri dodaní je 2J31 v mäkkom, roztok{3}}žíhanom stave, ktorý umožňuje obrábanie a tvarovanie.
Stav starnutia-vytvrdený (precipitácia{1}}vytvrdený): Kľúčom k jeho výkonu je špecifické tepelné spracovanie, ktoré zahŕňa krok magnetického starnutia. Toto spracovanie precipituje tvrdú intermetalickú fázu (ako je Ni3Ti alebo príbuzné zlúčeniny) v celej matrici. Tým sa dosiahnu dva ciele súčasne:
Výrazne zvyšuje tvrdosť a pevnosť (dosahuje až 40-45 HRC), vďaka čomu je komponent odolný voči opotrebovaniu a mechanicky robustný.
Rozvíja požadované mäkké magnetické vlastnosti, vrátane vysokej magnetickej remanencie a štvorcovej hysteréznej slučky, čo je nevyhnutné pre jeho funkciu v jazýčkových spínačoch a iných magnetických komponentoch.
Stručne povedané, hoci obe môžu byť kalené, 3J40 je primárne nízkoexpanzná zliatina, ktorú možno mierne spevniť, zatiaľ čo 2J31 je magnetická zliatina, ktorá je výrazne kalená, aby dosiahla svoj funkčný účel.
3. V akých konkrétnych aplikáciách by sa mala zvoliť rúra 3J40 pred štandardnou rúrou z nehrdzavejúcej ocele?
Výber potrubia 3J40 (zliatina 42) je riadený kritickou potrebou rozmerovej stability a prispôsobenia CTE, nie odolnosťou proti korózii alebo vysokou -teplotnou pevnosťou.
Optické a laserové systémy:
Použitie: Konštrukčné puzdro alebo podporný rám pre vysoko presné optické prvky (šošovky, zrkadlá) alebo laserové tyče.
Dôvod: Keď sa systém počas prevádzky zahrieva, potrubie 3J40 sa roztiahne takmer rovnakou minimálnou rýchlosťou ako sklenené alebo keramické optické komponenty, ktoré podporuje. To zabraňuje vyvolaniu napätia, ohýbania alebo nesprávneho nastavenia (tepelné šošovky), ktoré by skresľovali optickú dráhu a zhoršovali výkon. Štandardná rúrka z nehrdzavejúcej ocele (s CTE takmer dvojnásobnou v porovnaní s 3J40) by spôsobila značné nesúososti.
Letecké vybavenie:
Použitie: Montážna konštrukcia pre inerciálne navádzacie systémy (napr. gyroskopy) v lietadle alebo satelite.
Dôvod: Tieto nástroje sú citlivé na drobné rozmerové zmeny. Použitie potrubia 3J40 pre rám zaisťuje, že kritické vzdialenosti a zarovnania medzi snímačmi zostanú konštantné napriek teplotným zmenám, ktoré sa vyskytujú pri atmosférickom lete do vesmíru, čím sa zaisťuje presnosť merania.
Zariadenia na výrobu polovodičov:
Použitie: Rúry alebo konštrukčné prvky v rámci nástrojov na manipuláciu s plátkami alebo litografických nástrojov.
Dôvod: Tieto procesy prebiehajú v toleranciách-nanometrov. Akákoľvek tepelná rozťažnosť v štruktúre zariadenia by zničila presnosť. 3Stabilita J40 je nevyhnutná na udržanie zarovnania dosky plátku a optiky v rozsahu prevádzkových teplôt.
Vo všetkých týchto prípadoch je primárnou hnacou silou presnosť, nie tlaková izolácia. "Potrubie" slúži ako stabilné konštrukčné vedenie, často na ochranu citlivých vnútorných komponentov alebo na udržiavanie presného geometrického vzťahu medzi komponentmi.
4. Aké sú kritické úvahy pri zváraní a spájkovaní rúr zo zliatiny 2J31 a 3J40?
Spájanie týchto zliatin si vyžaduje starostlivé postupy, aby sa zachovali ich jedinečné funkčné vlastnosti a aby sa zabránilo vnášaniu pnutia alebo krehkých fáz.
Všeobecné úvahy pre oboch:
Dokonalá čistota: Všetky povrchy musia byť zbavené olejov, mastnôt a oxidov, aby sa zabránilo kontaminácii a zabezpečilo sa správne zmáčanie alebo roztavenie.
Odľahčenie: Vzhľadom na ich použitie v presných aplikáciách by po každom procese spájania malo nasledovať žíhanie na uvoľnenie napätia, aby sa minimalizovali zvyškové napätia, ktoré by mohli časom spôsobiť rozmerovú nestabilitu.
Upevnenie: Správne upevnenie je kľúčové na udržanie zarovnania, najmä v prípade tesnení sklo{0}}k{1}}kovu, kde sú tolerancie extrémne úzke.
Špecifické pre 3J40 (zliatina 42):
Zváranie: Uprednostňuje sa zváranie plynovým volfrámovým oblúkom (GTAW/TIG) so zodpovedajúcim zložením prídavného kovu (napr. ERNiFeCr-4 alebo špeciálnym plnivom 42 % Ni). Vynikajúci je aj nízky tepelný príkon laserového zvárania.
Spájkovanie: Toto je veľmi bežné, najmä pri tesnení skla. Často sa používajú spájkovacie zliatiny-na báze striebra (napr. BAg-8). Proces sa musí vykonávať v kontrolovanej atmosfére (vákuum alebo vodík), aby sa zabránilo oxidácii a zabezpečil sa čistý a pevný spoj. Teplota spájkovania musí byť kompatibilná s konečným stavom tepelného spracovania 3J40.
Špecifické pre 2J31:
Sekvencia tepelného spracovania je kritická: Zváranie alebo tvrdé spájkovanie sa musí vykonať pred konečným vytvrdzovaním-magnetickým vekom. Vykonanie týchto operácií na úplne vytvrdenom materiáli by:
Vytvrdená štruktúra v tepelne-ovplyvnenej zóne (HAZ) starne-, čím sa ničí jej tvrdosť a magnetické vlastnosti.
Vytvára vysoké zvyškové napätia, ktoré by mohli viesť k praskaniu pri ochladzovaní.
Proces: Komponent je vyrobený a spojený v mäkkom, -rozpúšťadle upravenom stave. Po zváraní/spájkovaní sa celá zostava podrobí jedinému cyklu konečného starnutia-, aby sa rovnomerne vyvinuli optimálne magnetické a mechanické vlastnosti.
5. Aké sú primárne mechanizmy zlyhania týchto zliatin v-dlhodobej prevádzke?
Porucha 2J31 a 3J40 je zriedkavo katastrofická trhlina; častejšie ide o postupnú degradáciu ich primárnej funkčnej vlastnosti.
Pre 3J40 (zliatina s nízkou expanziou):
Tepelná únava tesnení: V tesneniach zo skla-k{1}}kovu môže cyklické zahrievanie a ochladzovanie nakoniec viesť k mikro-trhlinám v skle alebo na rozhraní skla-kovu, ak existuje mierny nesúlad CTE alebo zvyškové napätie. Tým sa poruší hermetický uzáver, čo vedie k úniku a zlyhaniu elektronického obalu.
Rozmerový drift: Ak je zliatina dlhší čas vystavená teplotám mimo svojho stabilného rozsahu CTE alebo ak nie je riadne odstránená{0}}napätiu, môže dôjsť k trvalej, miernej zmene rozmerov, v dôsledku čoho bude presný prístroj nepresný.
Oxidácia: Hoci má určitú odolnosť voči oxidácii, dlhodobé-vystavenie vysokým teplotám vo vzduchu môže viesť k usadzovaniu povrchu, čo môže narúšať presné lícovanie alebo elektrické kontakty.
Pre 2J31 (magnetická kaliaca zliatina):
Degradácia magnetických vlastností: Vystavenie teplotám blížiacim sa alebo prekračujúcim jeho teplotu starnutia môže spôsobiť nadmerné{0}}starnutie. Toto zdrsňuje posilňujúce precipitáty, čo vedie k poklesu koercitivity a remanencie, čím sa účinne „vymazáva“ navrhnutá magnetická funkcia.
Mechanický zlom v tesnení: Tvrdý, starnutím-tvrdený kov 2J31 je oveľa menej ťažný ako sklo, do ktorého je utesnený. Pri mechanickom otrase alebo silnom tepelnom cyklovaní sa napätie môže sústrediť na rozhraní tesnenia, čo vedie k krehkému lomu v skle alebo k odlepeniu tesnenia.
Korózia: V drsnom prostredí (napr. v dierach) môže korózia napadnúť zliatinu a poškodiť tesniaci povrch alebo samotný komponent. Toto sa často zmierňuje pokovovaním (napr. pokovovaním niklom), keď sa používa v takýchto podmienkach.
