Эталонная мера массы

Эталонная мера массы

Реферат

 

Изобретение относится к весоизмерительной технике. Эталонная мера массы представляет собой твердое тело, выполненное из классов парамагнитных и/или диэлектрических материалов с низким температурным коэффициентом линейного расширения и высокими значениями твердости и износостойкости. Тело меры выполнено с герметизируемой полостью, внутри которой размещена изменяемая по массе часть материала меры. Объем меры выполнен равным отношению номинала массы меры к заданному значению плотности, а общая масса материалов, из которых выполнена мера, равна номиналу меры. Сферическая форма меры является наиболее целесообразной. Технический результат: улучшение эксплуатационных свойств. 1 з.п.ф-лы, 4 ил.

Изобретение относится к весоизмерительной технике и может быть использовано в качестве эталонных мер массы вторичных и рабочих эталонов, а также мер массы класса 1а и 1 (Е1 и Е2 по классификации МОЗМ R111), предназначенных для долговременного хранения, точного воспроизведения и передачи размера единицы массы другим мерам массы и средствам ее измерения нижестоящих разрядов.

Согласно метрической конвенции 1875 г. и действующей у нас в стране с 1960 г. Международной системе единиц, одной из основных единиц физических величин является единица массы (кг), равная массе международного прототипа килограмма, изготовленного из платино-иридиевого сплава [I ГКМВ(1889 г. и III ГКМВ(1901 г.)], хранящегося в Международном Бюро Мер и Весов (МБМВ ) в предместье Севр под Парижем.

Для хранения, воспроизведения и передачи значения единицы массы в Российской Федерации имеется Государственный первичный эталон (ГПЭ) килограмма, находящийся в ГУП "ВНИИМ им. Д. И. Менделеева" г. Санкт-Петербург. ГПЭ представляет собой прямой круговой цилиндр из платино-иридиевого сплава диаметром 39 мм и высотой 39 мм. Расчетная плотность материала составляет 21,5455 г/см³.

Порядок передачи размера единицы массы от ГПЭ до рабочих средств измерения массы регламентируется ГОСТ 8.021-84 "Государственный первичный эталон и государственная поверочная схема для средств измерения массы"[1]. ГПЭ РФ получает значение массы от Международного прототипа килограмма в МБМВ. От ГПЭ значение единицы массы передается поэтапно эталонам-копиям (вторичным эталонам), рабочим эталонам, эталонным мерам класса 1а и 1 (E1, Е2) и далее - рабочим средствам измерения.

Международный прототип килограмма и ГПЭ массы изготовлены из платино-иридиевого сплава одной плавки из единой заготовки и имеют одинаковую плотность и одинаковый объем. Эталоны изготовлены фирмой "Джонсон, Маттей и К^o", окончательно подогнаны по массе и исследованы в МБМВ в 1889 г.

Меры массы вторичных и рабочих эталонов, а также эталонные меры массы классов 1а и 1 (E1, E2) изготавливают из более дешевых нержавеющих сталей аустенитного класса [2,3].

Для обеспечения воспроизводимости и долговременной стабильности единицы массы (основных требований, предъявляемых к эталонным мерам) стали, применяемые для их изготовления, должны удовлетворять следующим требованиям [4]: - постоянству и стабильности условной плотности материала эталонной меры со значением, близким к 8,00 г/см³; - коррозионной стойкости; - немагнитности; - износоустойчивости и твердости; - малым и мало изменяющимся в диапазоне рабочих температур температурным коэффициентом линейного расширения (ТКЛР).

Отсутствие долговременной стабильности и воспроизводимости меры массы ведет к потере точности передачи размера единицы массы на каждой ступени передачи.

Наиболее существенная потеря точности происходит при передаче размера единицы от платино-иридиевой эталонной меры к эталонной мере, изготовленной из нержавеющей стали аустенитного класса, из-за необходимости определения и внесения в результаты измерения поправки на действия аэростатических сил, обусловленных процессом взвешивания в воздухе и наличием разности объемов сличаемых эталонных мер [5,6,7].

Поправка на действие аэростатических сил определяется как произведение разности объемов сличаемых мер на плотность воздуха в витрине компаратора на момент сличения. Объем эталонных мер определяется гидростатическим методом [5] , наиболее точным из всех существующих методов по определению объема, но и он имеет свои недостатки. Этот метод трудоемок, значительно увеличивает общее время измерения, поскольку после погружения меры массы в жидкость (дистиллированная вода) обязательно требуется глубокая осушка поверхностного слоя меры для обеспечения стабилизации результатов измерения, необходимых при оценке воспроизводимости массы. Кроме того, возможно присутствие явления точечной и очаговой несмачиваемости поверхности меры массы, что ведет также к возрастанию погрешности определения объема; возникает необходимость учета капиллярных сил смачивания подвеса меры; необходимость точного поддержания температуры водной среды.

Определение плотности воздуха проводится расчетным, косвенным методом и требует измерения давления, влажности, температуры и содержания углекислого газа в воздухе в мол. % [4]. Существующие технические средства измерения указанных величин обеспечивают погрешность определения поправки на аэростатические силы не ниже 30 мкг. Современные электронные средства компарирования имеют СКО не хуже 5 мкг.

Другим важным фактором, обуславливающим потерю точности передачи размера единицы массы, является поверхностный износ оксидных пленок материала эталонных мер массы, изготовленных из нержавеющих сталей аустенитного класса, в процессе их эксплуатации и хранения. Наблюдаемые и учитываемые изменения массы (износ) эталонных мер, изготовленных из платино-иридиевого сплава, примерно в три раза меньше, чем мер массы, изготовленных из нержавеющих сплавов аустенитного класса. Изменение массы эталонных мер, изготовленных из платино-иридиевого сплава, составляет единицы мкг, а изменение массы эталонных мер из нержавеющих аустенитных сталей десятки мкг между периодами сличения. В силу этих причин период сличения мер массы из нержавеющих сталей сокращен и составляет 6-7 лет вместо требуемых 10-15 лет [7].

Следующий важный момент, влияющий на точность компарирования масс, связан с магнитными свойствами эталонной меры массы, изготавливаемых из нержавеющих маломагнитных сталей аустенитного класса, поскольку современная весоизмерительная техника в основном построена с использованием магнитоэлектрических систем компенсации и магнитный момент меры массы взаимодействует с магнитным моментом уравновешивающей системы компаратора и с внешним электромагнитным полем.

Металлы и сплавы, используемые для изготовления даже менее точных эталонных мер массы классов 1а и 1 (E1, E2), должны иметь значение магнитной восприимчивости, не превышающей 0,01 ед. СИ или в значениях магнитной индукции не выше 3 мкТл, а для эталонов копий и рабочих эталонов эти величины должны быть еще меньше [4-2].

Как известно, качество металлов и сплавов оценивается механическими, физико-химическими и технологическими свойствами. Первые два свойства характеризуют техническую пригодность материала, а третье - условия его обработки. Металлы и сплавы при одном и том же химическом составе могут иметь различное структурное строение поликристаллической решетки и состояния зернистости материала в зависимости от применяемых методов и режимов термической и механической обработок и соответственно различаются по плотности [2].

Современные научно-технические измерительные задачи предъявляют повышенные требования к точности измерения массы, что диктует необходимость повышения точности передачи размера единицы массы от ГПЭ эталонам копиям и вторичным эталонам, от них рабочим эталонам и далее - эталонным мерам классов 1а и 1 [E1, E2]. Для обеспечения повышения точности передачи размера единицы массы на всех ступенях необходимо, чтобы эталонные меры массы обеспечивали долговременную стабильность и воспроизводимость.

Факторами, обуславливающими стабильное состояние массы, являются: - стабильность плотности сплава, как количества вещества в присущем ему единице объема, которая определяется классом сплава, его химическим составом, структурой и текстурой после окончательной термической обработки, физико-химическими свойствами, характеристиками технологических процессов, обеспечивающих постоянство и воспроизводимость его плотности в условиях старения сплава; - коррозионная устойчивость в атмосферных условиях; - немагнитность; - стабильность объема, определяемая постоянным и минимальным значением ТКЛР порядка первых единиц на 10^-6 град^-1; - стабильность поверхности меры, определяемой геометрией формы (объема), отсутствием остаточных механических поверхностных напряжений, стационарным протеканием процессов сорбции-десорбции на поверхности в газовой среде воздуха.

Воспроизводимость единично взятой массы эталонной меры обусловлена: - методикой компарирования и техническими характеристиками средств измерения; - электрической развязкой цепи "металл грузоприемной чашки компаратора - металл основания эталонной меры"; - стабильностью характеристики немагнитности сплава эталонной меры.

Аустенитные стали, из которых в настоящее время изготавливаются эталонные меры массы, получили свое название по аустенитной фазе или -фазе, которая существует в чистом железе в виде стабильной структуры в температурном интервале от 910 до 1400^oС. Эта фаза имеет гранецентрированную кубическую решетку, немагнитна и легко деформируется. Она является основной или единственной фазой немагнитных аустенитных нержавеющих сталей при комнатной температуре и в зависимости от состава имеет стабильную или метастабильную структуру. Присутствие никеля в значительной степени способствует сохранению аустенитной фазы при закалке промышленных сплавов Сr-Fe-Ni от высоких температур. Увеличение содержания никеля сопровождается повышением стабильности аустенита. Легирование марганцем, кобальтом, углеродом и азотом способствует сохранению и стабилизации аустенита при закалке.

Аустенитные нержавеющие стали могут упрочняться только холодной обработкой, но не термообработкой. При холодной обработке аустенит в метастабильных сплавах частично переходит в феррит. По этой причине такие стали и являются метастабильными. Они магнитны и имеют объемно-центрированную кубическую решетку. Плотность аустенитной -фазы близка к (8,0-8,1)г/см³, плотность - железа (феррита) составляет около 7,68 г/см³. При превращении _ происходит сжатие, и наоборот, при переходе _ объемный эффект переходов составляет примерно 1%.

Этими превращениями объясняется значительная степень упрочнения при механической обработке. При холодной деформации аустенита возможно появление -мартенсита (мартенсита холодной деформации). Эта фаза магнитна, так как мартенсит является упорядоченным пересыщенным твердым раствором внедрения углерода в -железо. Если в равновесном состоянии растворимость углерода в -железе при 20^oС не превышает 0,002%, то его содержание в мартенсите может быть таким же, как в исходном аустените.

Аустенитные стали с содержанием хрома от 17 до 20%, никеля от 10 до 15%, марганца 2%, кремния1% при холодной обработке слабо упрочняются и становятся магнитными в незначительной степени.

Аустенитные стали с повышенным содержания хрома и никеля: Cr-24-26% ; Ni-19-22 %; С0,08-0,25%; Мn-2,0%; Si1,5-3% имеют практически стабильную аустенитную структуру и при холодной обработке не превращаются в феррит и, если становятся магнитными, то в очень малой степени. Аустенитные стали имеют высокие значения прочности, вязкости и предела текучести, отлично деформируются и обрабатываются. Они немагнитны, пока не происходит преобразования в мартенсит (например, при деформации) и пока не производится закалка или термическая обработка [8]. Хромоникелевые аустенитные стали повышают твердость только за счет наклепа, при этом немагнитные стали легко становятся магнитными при холодной обработке. Они не так прочны, как хромоникелевые стали с дисперсионным твердением, которые также немагнитны и коррозионно-стойкие, но имеют большую плотность (8,2-9,1)10³ кг/м³. Стойкость аустенитных сталей зависит как от степени легирования хромом и никелем, так и от добавок Мо, Сu, Ti, Nb, и т.д. и содержания углерода. Углерод может быть растворен в аустените или находиться в виде осажденного карбида. Повышенное содержание углерода увеличивает коррозию. Эти стали более устойчивы в отожженном гомогенизированном состоянии, в таком состоянии они и применяются.

В процессе изготовления меры массы проходят ряд последовательных технологических механических операций обработки заготовок: резания, точения, шлифования, полирования, доводки и притирочной подгонки массы к номиналу.

Поверхность изделия (поверхностные слои металла) подвергается воздействию высоких давлений, высоких температур, специальных охлаждающих жидкостей (СОЖ), полировочных составов и паст (например, при точении на токарном станке металлокерамическим резцом ЦМ-332 или ВК-8 при скорости резания 2 м/с давление достигает 400 МПа, температура 300 -700^oС, при скоростях нагревания слоя толщиной 100 мкм порядка 410⁵-10^4oС/с и скоростью охлаждения 10³-10^{4 o}С/с).

Первоначально возникающие оксидные пленки снимаются и разрушаются при последующих технологических операциях, поэтому конечная толщина и их состав определяется операцией полировочно-притирочной подгонки массы. Но можно утверждать, что химическая адсорбция в большинстве случаев сопровождает технологические операции при таких значениях температуры, давления и длительности процесса, при которых можно ожидать начало химической реакции между адсорбатом (СОЖ, пасты, воздух, влага) и поверхностью тела.

Все эти механические процессы в целом можно отнести к холодному деформированию материала (Т_деф ^oС<0,25Т _{^oС), которые приводят к местному подповерхностному холодному наклепу материала и изменению аустенитного состояния на -мартенсит (феррит) холодной деформации. При этих процессах идет изменение поверхностной плотности, появление объемных оксидов- окалины и другие нарушения в приповерхностных слоях, подвергаемых обработке.}

Объемные оксидные пленки не могут быть удалены с поверхности изделия на завершающей стадии подгонки массы, ибо они являются частью массы, подгоняемой под номинал, и удаление их привело бы к потере класса точности меры массы.

Вопросам выбора материала для изготовления эталонных мер массы было уделено достаточно много внимания.

Во "ВНИИ Метрологии им. Д.И. Менделеева" г. С-Петербург, начиная с 50-х годов прошедшего века, усилиями научных коллективов проводились и проводятся работы по исследованию эталонных мер массы, изготовленных небольшими партиями из большого ряда нержавеющих немагнитных сталей аустенитного класса [Х18Н9Т, Х23Н18, Х25Н20С2, 4Х14Н14В2М (ЭИ69), ОХ23Н28НМ2Т (ЭИ-628), ОХ23Н28МЗДЗТ] с целью выбора конкретного материала и технологий, наилучшим образом отвечающим требованиям, предъявляемым к эталонным мерам массы. Как показали последующие исследования, ни один из исследуемых материалов не обеспечивает долговременную метрологическую стабильность массы и ее воспроводимость [3] . Примерно с середины 80-х годов проводились также работы по созданию специального сплава для эталонных мер с плотностью (8,000,02) г/см³.

Было исследовано 15 партий по десять образцов в каждой партии. По результатам исследования образцов на плотность был выбран сплав, имеющий плотность 8,00 г/см³. Этот сплав впоследствии подвергался различным способам обработки, таким как ковка, закалка, старение и отжиг при различных температурах с целью выявления влияния этих способов обработки на плотность материала. Этот сплав был защищен авторским свидетельством [10] и казалось бы закрывал проблему выбора материала, т.к. была обеспечена требуемая плотность, коррозионная стойкость и немагнитность. Однако проблема полностью не была закрыта, поскольку класс аустенитных нержавеющих немагнитных сплавов с плотностями, близкими к 8,00 г/см³, не отвечает еще как минимум трем требуемым характеристикам, а именно: - постоянству и минимальному значению ТКЛР, - свойствам повышенной твердости поверхностного слоя, обеспечивающего износоустойчивость мер массы, - не минимизирует показатели газовой адсорбции по поверхности сплава.

Поиски материала для эталонных мер массы проводились и проводятся известными фирмами-производителями мер массы и весоизмерительной техники, такими как Госметр, Сартогосм, Сарториус, Эртлинг, Симадзу и др. К примеру, во Франции в Национальном бюро метрологии - Национальном институте метрологии был разработан специальный сплав - алакрит (XSH), не содержащий железа. Стабильность массы эталонных мер, изготовленных из этого материала, приближается к стабильности эталонных мер, изготовленных из платиноиридиевого сплава. Однако плотность этого материала составляет 9,1 г/см³ [9].

О том, что существует проблема эталонных мер массы, изготовляемых из нержавеющих сталей, говорит и то, что при МБМВ с 1985 года действует постоянный консультативный комитет по массе (ККМ) и связанных с ней величин, в состав которого входят 9 рабочих групп, две из которых заняты проблемами: - "Эталонные массы из нержавеющих сталей".

- "Хранение эталонов массы".

Из вкратце изложенного можно заключить, что задача выполнения требований одновременно предусматривающих придание мере массы свойств немагнитности, заданной постоянной плотности, равной 8,00 г/см ³, высокой коррозионной стойкости, износостойкости не может быть решена на пути поисков и разработок новых марок сплавов, тем более в классе аустенитных сталей.

Известная эталонная мера массы [7] (фиг.1) по совокупности существенных признаков наиболее близка заявляемой и принята за прототип. Известная эталонная мера представляет собой твердое тело 1 в виде прямого кругового цилиндра, у которого соблюдается требование приблизительного равенства длины образующей и диаметра торцевой части цилиндра.

Известная мера выполнена из нержавеющей немагнитной стали аустенитного класса с заданным значением плотности, определяемой материалом.

Причинами, препятствующими достижению указанного ниже технического результата при использовании известной эталонной меры, являются: - невозможность воспроизведения в партии эталонных мер постоянной и стабильной условной плотности со значением 8,00 г/см³; - возможность снижения коррозионной стойкости в процессе изготовления и эксплуатации; - недостаточно высокая износоустойчивость и твердость; - нестабильность процессов поверхностной сорбции из газовой атмосферной среды; - зависимость остаточной намагниченности от технологии изготовления меры; - несогласованность ТКЛР материала меры с ТКЛР ее поверхностных оксидных образований; - значительная опорная площадь меры с контртелом, работающая в режиме фреттинга; - сложность и длительность подгонки массы к номиналу по требуемому классу.

Задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является создание эталонной меры, обладающей максимальным приближением фактической массы к ее номиналу, постоянным и требуемым значением условной плотности, высокой износоустойчивостью и твердостью, коррозионной стойкостью, воспроизводимой и устойчивой немагнитностью, постоянным и минимальным значением как объема, так и площади поверхности.

Технический результат, который может быть получен при осуществлении изобретения, заключается в обеспечении возможности: - использования для изготовления меры массы парамагнитных материалов с малым значением магнитной проницаемости, не изменяющейся в процессе технологического изготовления и эксплуатации; - подгонки массы к номинальному значению, исключающей воздействие на внешнюю поверхность, прошедшую нормализацию, выполненную с минимальной шероховатостью; - получения постоянного и требуемого значения плотности меры массы; - уменьшения объема и площади поверхности эталонной меры для каждого конкретного номинала.

Указанный технический результат при осуществлении изобретения достигается тем, что в заявляемой эталонной мере, представляющей собой твердое тело с заданным значением плотности, выполненной из немагнитного коррозионно-стойкого материала, в отличие от известной меры материал, образующий форму тела меры, выбран из классов парамагнитных и/или кристаллических диэлектрических материалов с низким значением ТКЛР и высоким значением твердости и износостойкости, при этом тело меры выполнено с герметизируемой полостью, внутри которой размещена изменяемая по массе часть материала меры, объем меры выполнен равным отношению номинала массы меры к заданному значению плотности, а общая масса материалов, из которых выполнена мера, равна номиналу массы меры.

Указанный технический результат достигается также тем, что тело эталонной меры массы выполнено сферическим.

На фиг. 1 приведен типичный вид известной эталонной меры единицы массы. На фиг. 2 и 3 представлены варианты выполнения эталонных мер по заявляемому техническому решению, имеющих традиционную цилиндрическую форму, а на фиг.4 представлен вариант выполнения эталонной меры единицы массы, имеющей сферическую форму.

Заявляемая эталонная мера единицы массы, имеющая традиционную цилиндрическую форму (см. фиг.2), представляет собой формообразующее твердое тело 1 с плотностью материала больше 8,00 г/см³, у которого диаметр основания приблизительно равен его высоте, с запорным конусом 2 из того же материала, герметично устанавливаемый в конусной выборке 3 на адгезионном тонкопленочном слое 4. Внутри тела 1 эталонной меры размещена герметизируемая полость 5, выполненная в запорном конусе 2 и заполняемая изменяемой (подгоночной) по массе частью массы 6 материала меры с плотностью меньше 8,00 г/см³. Изменяемая часть массы 6 может состоять целиком из массы сублиматора, либо из материала с плотностью меньше 8 г/см³, а сублимируемая (подгоночная) масса (порядка сотен мкг) находится на поверхности изменяемой части массы 6.

На фиг.3 представлен вариант выполнения заявляемой эталонной единицы массы, с сохранением привычной традиционной цилиндрической формы, когда плотность материала формообразующего твердого тела 1 и запорного конуса 2 меньше 8,00 г/см³ (например, с плотностью ситалла). Запорный конус 2 герметично устанавливается в конусной выборке 3 на адгезионном тонкопленочном слое 4. Герметизируемая полость 5 в теле 1 эталонной меры заполнена изменяемой по массе частью материала 6, плотность которого больше 8,00 г/см³. Подгоночная часть 7 изменяемой массы материала 6 размещена в выборке 8 запорного конуса 2. Подгоночная масса 7 является сублимируемой массой, которая может как добавляться, так и выбираться путем ее возгонки (испарения) в процессе подгонки массы эталонной меры к номинальному значению.

В варианте выполнения заявляемой эталонной меры единицы массы сферической формы (фиг.4), формообразующее твердое тело 1 и запорный конус 2 выполнены из ситалла. Для ее изготовления используют основные технологические приемы выполнения по входящим в ее состав элементам, сходные с вариантом меры, представленной на фиг.3, и отличается только геометрической формой выполнения твердого тела 1.

Во всех вариантах заявляемой эталонной меры массы с m₀=1 кг должны соблюдаться следующие условия: - суммы объемов (V_i) и масс (m_i = V_ii) материалов, используемых для изготовления эталонных мер, должны соответствовать: где n - количество диэлектрических и/или парамагнитных материалов, входящих в состав меры.

При этом обеспечивается условная плотность _усл = m₀/V₀ = 8,00 г/см³; - плотность применяемых материалов должна быть определена с известной погрешностью и учитывать технологию нормализации материала; - внутренний объем изделия не должен содержать нерасчетных пустот, не заполненных материалом; - объем законченного изделия, оцениваемый по его внешнему контуру, должен соответствовать как можно точнее расчетному значению V₀=125 см³, а масса должна быть как можно ближе к номиналу m₀=110⁹мкг; - сублимируемая избыточная масса предпочтительно должна составлять единицы миллиграмм, а ее испаряемая часть должна лежать в диапазоне от десятков до сотни микрограмм.

Объем единицы массы номинального значения m₀=1кг при соблюдении выполнения требований условной плотности материала эталонной меры, равной _ус = 8,00 г/см³, определяется выражением: Объем и размеры эталонной меры согласно ее геометрии можно представить выражением: где D=55,000 мм - диаметр эталонной меры, r=5,000 мм - радиус сопряжения оснований эталонной меры с боковой поверхностью, Н'=43,362 мм - расстояние между центрами радиусов сопряжения по высоте цилиндра, d=2r, Н=Н'+d=53,3618 мм - высота цилиндра, т.е. DН, при этих значениях V₀=125000 мм³.

Верхняя оценка возможного отклонения объема от номинального значения V₀= 125000 мм³, учитывающая сегодняшние состояния технологий изготовления, может быть оценена по дифференциальной функции: dV=f(D)'dD, т.е., если то dV=3/4D²d.

Откуда V = 3/4D²D, где D=0,001 мм, ожидаемая точность обработки при квалитете IT1, что дает отклонение V7 мм³. Известно, что аттестовать эталоны копии килограмма с погрешностью, не превышающей 0,023'-0,033 мг, не представляет трудностей [7], тогда условная плотность эталонной меры будет находиться внутри диапазона 7,9994...<_ус8,0004... г/см³. Современные методы получения и измерения линейных размеров (до нанометров) и средства компарирования масс (с чувствительностью 0,5 мкг) позволяют снизить погрешность определения массы и объема, что в свою очередь еще больше улучшает сходимость плотности к величине 8,000...г/см³.

Для изготовления эталонной меры массы может быть выбран материал из классов: - сплавов с минимальным ТКЛР, не обладающих ферромагнетизмом (см. примечание 1) например, таких, как: 75НМ - ВИ, 80НМВ, 80НМВХЗ, 76НХВГ; - дисперсионно-твердеющих сплавов (см. примечание 2), например, таких, как: 36НХТЮМ, 70НХБМЮ, 30НГХТЮМД, 40НКХТЮМД, 47ХНМ-ВИ; - деформационно-твердеющих сплавов (см. примечание 3), например, таких, как: 40КХНМВ, 40КХНМИ, 40КХНМИ, 40КНХМВТЮ, 45КХВН, 40К27ХНМ.

Плотность указанных материалов лежит в диапазоне от 8,02<_сп<9,3 г/см³.

Примечание 1. Сплавы с заданным ТКЛР, регламентированным в определенном интервале температур, не обладающие ферромагнетизмом. Основой для немагнитных сплавов инварного класса является хром. Легирование хрома небольшими добавками Mn, Re, Ru, Os, Та, La, и т.д. позволяет получить сплавы с низким или даже отрицательным значением ТКЛР. Магнитная восприимчивость этих сплавов близка к восприимчивости металлического хрома и составляет 5,210^-11 ед. СИ. Сплавы коррозионно-стойкие в атмосферных условиях, имеют высокие показатели прочности.

Примечание 2. Дисперсионно-твердеющие сплавы коррозионно-стойкие, немагнитные сплавы на основе Fe-Ni-Cr, Ni-Cr, Co-Ni, Nb-Ni, упрочняются в результате закалки и старения или закалки, холодной пластической деформации и старения. Эти сплавы обладают высоким механическим сопротивлением малым пластическим деформациям и релаксационной стойкостью в условиях статического и циклического нагружения. Они отвечают таким требованиям, как: высокий модуль упругости, высокая усталостная прочность, коррозионная стойкость, немагнитность, износостойкость, а также стабильностью этих характеристик при температурах эксплуатации.

Примечание 3. Деформационно-твердеющие коррозионно-стойкие немагнитные сплавы на основе систем Co-Cr-Ni, Fe-Cr-Ni, Mo-Re, упрочняются только в результате закалки, холодной пластической деформации и старения. Имеют высокие прочностные и упругие свойства, немагнитность, коррозионную стойкость и износостойкость. Плотность сплавов по пп.2.3 лежит в диапазоне от 8,05<_сп<9,2 г/см³ . Магнитная восприимчивость к (n10²+m10)(10^-11 ед. СИ, где n, m (0. . 9). Твердость по Бринеллю НВ(250-400). Предел прочности _b(850-1310) МПа. 1_i10^-6<TКЛР<(1_{+1i)10^-6 град^-1, [1i(4..10), 1i(0,1..1) - для диапазона температур 0-100^oС].}

1. Допустим, что для изготовления эталонной меры массы фиг. 2 был выбран материал из класса дисперсионно-твердеющих сплавов (см. приложение 2) с плотностью _сп = 8,75 г/см³. Расчет масс и объемов, образующих номинальную массу m₀=110⁹мкг при _ус = 8,000 г/см³, проводится по формуле: где m_cп, _сп = 8,75 г/см³, соответственно масса и плотность сплава, образующего форму тела 1 эталонной меры, m₀-m_cп=m_cб, _сб = 1,225 г/см³, соответственно масса и плотность изменяемой части материала, заполняющего полость 3 (сублимируемой массы) эталонной меры. При этом получаем: m_сп=984,738372 г, V_cп=112,5415 см³, m_сб=15,261628 г, V_сб=12,4585см³.

Объем V_c6 может быть представлен эквивалентным объемом прямого кругового цилиндра с равенством его высоты диаметру основания (V_сб = D³_сб/6), т.е. D_cб=H_cб=25,126 мм.

2. Объем, равный объему сублиматора, должен быть удален из внутреннего объема заготовки эталонной меры массы. Технологически это выполняется так: выбираемый объем V_cб должен быть удален из центра симметрии меры, как показано на фиг. 2. С этой целью проводится конусная расточка 3 тела 1 заготовки, а из заготовки той же стали изготавливается подобная эквивалентная конусная деталь - запорный конус 2, в котором делается соответствующая выборка материала - полость 5 (равна V_cб) со стороны наименьшего диаметра конуса. Сопряжение запорного конуса 2 [конусность1:(12-25)] с телом меры 1 выполняется по высокому квалитету.

3. В пространство полости 5 (объема V_cб) запорного конуса 2 устанавливают технологическое изделие - выталкиватель для обеспечения разъемности конусного соединения. На фиг.2 выталкиватель не показан, его рабочая функция заключается в создании достаточного внутреннего давления для выталкивания запорного конуса 2 с места посадки при разборке соединения ("тело 1+конус 2"). Принцип действия выталкивателя может быть основан на использовании физических явлений изменения линейных размеров и формы твердых и жидких сред, например на изменении геометрии объема ферромагнитной жидкости при приложении магнитного поля; эффектом памяти додеформационной геометрии сплава (например, нитинола), упругой деформации сплавов термобиметаллов; силы магнитного взаимодействия ферромагнетика (из которого может быть выполнен выталкиватель) с внешним магнитным полем большой индукции (электромагнитным диполем) и т.п.

В технологии должна быть предусмотрена возможность запуска процесса выталкивания запорного конуса 2 из сборки ("тело 1+конус 2") в любой требуемый момент времени путем подачи магнитного (СВЧ) или теплового поля воздействия.

4. Образующую запорного конуса 2 смазывают тонким слоем антиадгезионной противозадирной смазки (например, на основе дисульфида молибдена) и совместно с установленным в ней технологическим выталкивателем, приводят в сборку с телом 1 заготовки меры массы. Затем проводят технологические механические операции: чистого точения, шлифования, обеспечивающие получение требуемых размеров и геометрии изделия по заложенному квалитету, подгоняющие меру под расчетный объем, с учетом заложенного допуска на последующие операции нормализации, отжига и конечной операции электрохимического полирования.

5. После чистовой механической обработки изделия его части разъединяют и проводят все необходимые операции термонормализации, обеспечивающие низкое значение магнитной восприимчивости, устранение остаточных поверхностных механических напряжений, отжиг и аннигиляцию приповерхностных дислокаций и вакансий в решетке поликристаллической структуры сплава, которые были связаны с его предыдущей механической обработкой.

6. Изделие вновь собирают (совместно с технологическим выталкивателем) и электрохимически полируют его поверхность в специфических электролитах, регламентированных для каждой группы сталей по своему химсоставу и по параметрам электрического режима электролиза.

Электрохимическое полирование проводится с целью устранения возникших от механического воздействия на поверхность толстых объемных оксидных пленок , склонных к разрушению, и обеспечивает уровень шероховатости поверхности R_a<0,01 мкм (лучше 14 класса чистоты).

7. После полирования изделие промывают, высушивают, освобождают от запорного конуса 2 при помощи выталкивателя. Последний удаляют из посадочного места; удаляют антиадгезионную смазку. Изделие очищают в обезжиривающих и моющих растворах, промывают в дистиллированной воде, тщательно высушивают.

8. На поверхность входной горловины конусного отверстия 3 тела 1 меры наносят тонкий слой позолоты 4 (1 мкм) на 1/3-1/4 длины образующей конуса (возможно механическое нанесение тонкой фольги золота и разглаживание его колонковой кисточкой).

9. Производят пораздельное и совместное взвешивание сопрягаемых частей изделия: запорного конуса 2 - массой m₁, тело меры 1 - массой m₂, с целью выявления требуемого уровня последующей коррекции массы до расчетного значения равного m_cп(m_cп=984,738 г), согласно п.1.

10. Подгонку массы к значению m_сп ведут по внутренней полости 5 запорн