Ковалева А.А. Специальные стали и сплавы

Подождите немного. Документ загружается.

191

Лекция № 23.

План лекции:

Сплавы с высокой начальной магнитнтой проницаемостью.

Пермаллои.Марки.Легирование. Свойства. Применение.

Сплавы с постоянной магнитной проницаемостью. Марки. Применение.

Сплавы с высокой индукцией насыщения. Fe-Co сплавы. Легирование.

Применение.

Немагнитные стали. Применение.

СПЛАВЫ С ВЫСОКОЙ НАЧАЛЬНОЙ МАГНИТНТОЙ

ПРОНИЦАЕМОСТЬЮ.

В современных счетно-измерительных приборах и электроаппаратуре,

электрических машинах находят применение магнитомягкие материалы со

специальными свойствами. К таким материалам относят Fe-Ni, Fe-Co,

Fe-Ni-Co сплавы. Fe-Ni сплавы в области слабых магнитных полей (радио,

телефон, телеграф) имеют в десятки раз большие величины магнитной

проницаемости ( начальной и максимальной) и отличаются минимальными

значениями коэрцетивной силы , равной 0.05-0.02 Э. Такие сплавы

применяют без дополнительного легирования и с легированием Mo, Cr,

Mn , Cu, Si и др.

Особо высокой магнитной проницаемостью обладают никелевые

сплавы , содержащие 67% Ni и 33% Fe, 78.5% Ni и 21% Fe. Такие сплавы

готовят из чистейших металлов путем вакуумной переплавки и подвергают

холодной пластической деформации, рекристаллизационному отжигу с

нагревом до высоких температур порядка 1100 – 1200 ºС Наилучшие

результаты по магнитной проницаемости достигаются при ускоренном

охлаждении на воздухе , или при очень медленном охлаждении в магнитном

поле.

Никелевые сплавы имеют общее название пермаллои. Пермаллои

широко применяют в электротехнической промышленности низких

напряжений. Для улучшения магнитных характеристик их отжигают по

режиму – нагрев до 1100-1200 ºС ( выдержка до получения однофазного

твердого раствора 3-4 ч), затем медленное охлаждение до температур 500-600

ºС (скорость охлаждения 50-60 град/ч) и после охлаждают на воздухе.

192

Воздушное охлаждение необходимо для того, чтобы предупредить

выделение из твердого раствора различных соединений, которые вызывая

дисперсионное твердение снижают магнитные характеристики. После

термической обработки сплавы имеют μ = 20000 Гс/Э

Свойства пермаллоев улучшают при легировании . Например, введение

4-5% Mo способствует повышению электросопротивления и магнитной

проницаемости, что позволяет использовать сплав в трансформаторах,

преобразующих слабые токи звуковой частоты

Пермаллои типа 79НМ, 45Н подвергают рекристализационному

отжигу. Причем степень рекристаллизации зависит от скорости нагрева и

степени предварительной деформации. Процесс восстановления структуры

протекает с большой скоростью. Например, первичная рекристапллизация

завершается за 0.2- 0.4 с для сплава 79НМ. В связи с минимальным временем

отжига не происходит газонасыщения поверхностного слоя при

температурах 900-1000 ºС. Поверхность материала получается гладкой и он

хорошо деформируется прокаткой. В процессе рекристаллизации

формируется мелкозернистая и равнозернистая структура .

Характер легирования оказывает влияние на кинетику протекания

рекристаллизации. Так легирование молибденом замедляет рост зерен, а

кремнием увеличивает.

Сплавы, содержащие 45-50-% Ni, называемые –гайперники- имеют

меньшую магнитную проницаемость, чем пермаллои и более низкую

коэрцетивную силу, что позволяет использовать их для маломощных

трансформаторов, дросселей. Сплавы с невысоким содержанием никеля не

подвержены старению.

СПЛАВЫ С ВЫСОКОЙ ИНДУКЦИЕЙ НАСЫЩЕНИЯ

Сплавы, легированные кремнием и алюминием ( альсиферы, сендасты)

применяют для изготовления магнитодиэлектриков. Их используют в виде

порошков, так как они обладают повышенной хрупкостью.начальная

магнитная проницаемость альсиферов равна 35000Гс/Э, а максимальная

составляет 120000Гс/Э.

Индукция насыщения в железо-никелевых сплавах резко изменяется

при изменении температуры. Сплавы (термаллои) работают в интервале

температур от минус 60 ºС до плюс 50 ºС. Это позволяет использовать их

193

для автоматической корректировки погрешностей приборов.Точка Кюри

спрлава находится выше данного температурного интервала. Его свойства не

зависят от термической обработки и определяются химическим составом .

Термаллой, содержащий 1% Al, 30% Ni, имеет линейную зависимость

намагниченности от температуры в интервале 20-80 ºС.Такой сплав

применяют в электроизмерительных приборах.

СПЛАВЫ С ПОСТОЯННОЙ МАГНИТНОЙ ПРОНИЦАЕМОСТЬЮ

Сплавы систем Fe-Co, Fe-Co-Ni имеют магнитную проницаемость

постоянную в определенном температурном интервале. Например,

перминвар (45НК, 45НКМ,70НК) при изменении магнитного поля от 0 до

160 А/м не изменяют своих магнитных свойств, приведенных в таблице 37.

Таблица 37

Магнитная проницаемость перминваров

свойства 45НК 45НКМ 70НК

μ 365 850 550

μ 1800 4000 3800

Эти сплавы имеют максимальные значения магнитострикции из

известных технических сплавов при невысоких значениях коэрцетивной

силы (0.2-0.3 Э)

Сплавы, содержащие 50-75% Co, называют перминдюры. При

температурах 910-970 ºС происходит фазовое превращение α→γ, а при

температуре 730 ºС идет процесс упорядочения. Магнитные свойства

перминдюров зависят от тезнологии прокатки (дробности, степени

деформации, режимов отжига, скорости охлаждения, наличия магнитных

полей и приложения нагрузок). Свойства сплавов отличаются анизотропией.

Рекристаллизационный отжиг проводят для перминдюров в зависимости от

назначения изделий. Магнитное насыщение равно 23800Гс. Недостатком

сплава, содержащего 50 % Co, является неудовлетворительная

обрабатываемость в холодном состоянии. Легирование ванадием (до 2%)

значительно улучшает технологические свойства, но вызывает уменьшение

начальной магнитной проницаемости на 25%, а максимальной - на 50%.

Коэрцетивная сила при этом возрастает на 10%, а магнитная индукция

194

насыщениия остается постоянной. Введение ванадия способствует снижению

потерь на вихревые токи и увеличению электросопротивления (таблица 38).

Таблица 38

Состав некоторых немагнитных сталей аустенитного класса

Марки стали

Массовая доля элементов, %

C Cr Ni Mn прочих

12Х18Н19 0,12 18 9 - -

55Г9Н9Х3 0,55 3 9 9 -

45Г17Ю 0,45 - - 17 0,5-0,9 (Al)

20Г20 0,20 - - 20 -

08Х15Н20М2Т2

0,08 15 20 0,45

2,0 (Mo)

2,0 (Ti)

195

Лекция № 24.

План лекции:

Сплавы с заданным коэффициентом линейного расширения.

Сплавы с постоянным модулем упругости.

СПЛАВЫ С ЗАДАННЫМ КОЭФФИЦИЕНТОМ ЛИНЕЙНОГО

РАСШИРЕНИЯ.

Особенности легирования.

Применение инвара, суперинвара, ковара, платинита.ГОСТ 14082-78.

Разнообразные свойства металлических сплавов необходимы в

приборостроении. Материалы должны удовлетворять различным

требованиям, предъявляемым к ним. Например, сплавы с низким

коэффициентом линейного расширения, с α, равным стеклу или даже нулю,

или с весьма большим по значению.

Эти сплавы, как магнитные и электротехнические, часто называют

прецизионными. Их состав должен быть точным. Изготавливают их в

небольших количествах.

Расширение – это увеличение межатомного расстояния в решетке при

нагреве. Расширение металла при изменении температуры носит

криволинейный характер (рис. 77), коэффициент линейного расширения α

возрастает с увеличением температуры: α

< α

, если Т

< Т

∆

Т,

Рис. 77 Зависимость коэффициента линейного расширения от температуры:

ℓ – начальная длина образца; Δℓ – прирост длины образца

196

Рис. 78 Коэффициент линейного расширения сплавов системы Fe–Ni

Из этого общего правила выпадает две аномальные системы – Fe–Ni и

Fe–Pt, у сплавов Fe–Ni α изменяется по сложной зависимости (рис. 78).

Сплавы с заданным коэффициентом линейного расширения делят на

две группы: ферромагнитные и немагнитные. Ферромагнитные сплавы

(системы Fe–Ni) имеют аномальное изменение коэффициента линейного

расширения. Это связано с температурными изменениями и протеканием

магнитных превращений (изменением объема). Эти изменения действуют в

противоположных направлениях, что приводит к получению минимального

значения коэффициента в определенном интервале температур.

Ферромагнитные сплавы делят на три группы:

с минимальным коэффициентом: α < 3,5·10

-6

град

-1

;

с низким коэффициентом: α = (4–6)·10

-6

град

-1

;

со средним коэффициентом: α = (7–12)·10

-6

град

-1

Это легированные железоникелевые сплавы, например 18ХТФ.

Коэффициент линейного расширения зависит от содержания примесей

в твердом растворе. В процессе эксплуатации углерод выделяется из твердого

раствора и изменяет параметры кристаллической решетки и магнитострикции.

Поэтому содержание углерода ограничивают ≤ 0,05 %.

Коэффициент линейного расширения в сплавах Fe–Ni зависит от

содержания никеля и температуры испытания. Коэффициент низкий при

температуре от –80 до +100

С.

В системе Fe–Ni можно изготовлять сплавы с разной величиной

коэффициента линейного расширения. Например, если коэффициент равен

коэффициенту измеряемого материала, то независимо от колебаний

температуры можно производить точные измерения.

Широко применяют сплав Fe + 36 % Ni (36Р) – инвар, коэффициент

линейного расширения этого сплава α = 1·10

-6

-1

. От –70 до +100

С удлинение

Fe 20 40 60 80 Ni, %

∙

197

инвара мало, при температурах выше 200

С – почти такое, как у

углеродистой стали (рис. 79). 36Н – устойчивый аустенит до –269

С.

Быстрым охлаждением от 800 до 1 000

С можно вызвать лишь

незначительное уменьшение коэффициента линейного расширения.

Холодная деформация дает α ≈ 0, но с течением времени из-за снятия

внутренних напряжений сплав не сохранит точных размеров.

Влияние легирующих элементов, растворимых в твердом растворе, на

коэффициент линейного расширения железа при температуре от 0 до

400

С зависит от их концентрации. Так, кобальт и медь расширяют интервал

стабильности коэффициента линейного расширения, хром – его сужает.

В присутствии этих элементов содержание никеля изменяется. При

наличии хрома и марганца содержание никеля увеличивается, а при наличии

углерода и меди – уменьшается. Кобальт и бериллий улучшают

механические свойства инвара.

Рис. 79 Зависимость коэффициента линейного расширения от температуры:

1 – углеродная сталь; 2 – Fe + 49 % Ni; 3 – Fe + 36 % Ni

Для получения низкого и стабильного во времени коэффициента

линейного расширения необходима следующая обработка:

закалка от 830–870

С (вода);

отпуск при 315

С (1 ч), воздух для снятия внутренних напряжений;

выдержка (48 ч) при 95

С. Однако такую обработку можно использовать

только для стали с содержанием углерода менее 0,01 %.

Практическое применение инвар находит при температурах от 0 до 50

С для измерительной проволоки, часовых маятников.

Основные свойства инвара следующие: σ

= 600 МН/м

= 250 МН/м

, δ = 30 %, KCU

= 3 МДж/м

. Такие свойства позволяют

использовать инвар как конструкционный материал.

При повышении содержания никеля более 36 % (например 40–60 %

Ni) можно готовить сплавы с различным коэффициентом линейного

расширения, равным коэффициенту линейного расширения другого

материала. Например: для Fe + 40 % Ni α = α

фарфора

; для Cu + 48–50 % Ni

100

200

300

400

Т,

198

α = α

, α = 9·10

-6

= α

стекла

; для Cu + 56 % Ni α = α

(он коррозионно-стойкий

и может применяться для измерительных инструментов).

Платинит при температурах менее 300

С не имеет изменений длины,

связанных с превращениями, и обладает низким α = 9·10

-6 о

-1

≈ α

стекла

и α

. Сплав используют при изготовлении вакуумных труб и ламп. Сплав с

42 % Ni работает при Т = 20–200

С и его α = 7,5·10

-6 о

-1

Сплав 42Н (платинит) выпускают в виде проволоки и используют для

пайки со стеклом. Термообработка платинита заключается в закалке при

температуре 1100–1150

С с охлаждением в воде для получения аустенитной

структуры (минимальная твердость, высокая пластичность) и холодной

деформации.

48Н (платинит) имеет α = 9·10

-6

, Т

раб

= 20–300

С.

Разновидностью инвара является суперинвар (Н31К6). Введение 5–6 %

Co в Fe + 31 % Ni сплав еще более снижает значение α = 1·10

-6

в интервале

температур от 20 до 60

С.

В системах Fe–Co–Cr, Fe–Co–V, Fe–Ni–Co есть сплавы с малым

коэффициентом линейного расширения. Например: 54 % Co и 9,5 % Cr 65 %

Co и 9 % V.

Ковар – сплавы с 29 % Ni и 18 % Co, которые используют для

спаивания с тугоплавкими стеклами вместо молибдена. Примеси окислов

способствуют их лучшему смачиванию и прилипанию, поэтому подводящие

концы эмиссионных электродов готовят из сплава 85 % Ni + + 7 % Co + 8 %

Fe.

29НК – Fe + 29 % Ni + 17,5 % Co, α = α

стекла

. Используется в

электровакуумной и полупроводниковой технике при изготовлении

различных корпусов и токовыводов, работающих в интервале температур от

–70 до +400

С.

Ковар имеет такое же значение α, как термостойкое стекло, вольфрам,

молибден. Сплав пластичен и хорошо обрабатывается давлением.

Для деталей, спаиваемых со стеклом (кинескопы телевизоров),

применяют и более дешевые ферритные железохромовые сплавы – Х18ТФ,

Х18МТФ; они одинаковы по свойствам, но Х18ТФ дешевле, т.к. не содержит

молибдена.

В приборостроении используют биметаллические пластины,

полученные свариванием материалов с различным коэффициентом α. Такие

соединения можно применять для реле в электрических цепях.

Материалы с любыми физическими, химическими и другими

особенными свойствами следует получать и изучать, используя при этом все

современные методики, в том числе и теоретический, и экспериментальный

подход.

В связи с тем, что изделия работают в различных условиях, необходимо

знать, какой материал может быть использован для данных условий. Кроме

199

того, правильно подобранный материал будет дольше служить. Сплавы с

заданным коэффициентом линейного расширения представлены в таблице

40.

Таблица 40

Характеристики сплавов с заданным ТКЛР и области их применения

Марки

стали

Массовая доля элементов, %

Свойства и назначения

C Ni Co прочих

1 2 3 4 5 6

36Н

(Инвар)

Не более

0,05

35-37 - -

α=1,5*10

град

. Для маятников

точных часов, нивелированных реек

и др. при t=20-80 ˚С

32НКД

Не более

0,05

31,5-33 3,2-4,2 0,6-0,8(Cu)

α=1*10

град

. Применяют для тех

же целей, что Н36 при t=-60−+100

˚С

35НКТ

Не более

0,05

34-35 5-6 2,2-2,8 (Ti)

α – не нормируется. Для

изготовления деталей приборов,

которые не должны существенно

изменять размеры в интервале

температур от +100 до -100 ˚С

38НК

Не более

0,05

37,5-38,5 1,5-2,5 -

α=(3-7)*10

град

для соединений с

различными неорганическими

диэлектриками, керамикой

30НКД

Не более

0,05

29,5-30,5 13-14,2 0,3-0,5 (Cu)

α=(4-7)*10

град

для вакуумно

плотных соединений с

высокопрочным стеклом

46Н

Не более

0,05

45,5-46,5 - -

α=(3-7)*10

град

. Средний ТКЛР.

Для вакуумно плотных соединений

с сапфиром.

58Н

(инвар-

стабиль)

Не более

0,05

57-59 - -

Коэффициент линейного

расширения близок к ТКЛР α-

стали. Для изготовления штриховых

мер для координатно-расточных

станков высокой точности.

18ХТФ 0,07 - -

17-19(Cr)

0,4-0,8 (Ti)

0,25-0,45

(V)

α=(11-11,4)*10

-6

град

-1

для

изготовления конусов

металлостеклянных кинескопов.

200

СПЛАВЫ С ПОСТОЯННЫМ МОДУЛЕМ УПРУГОСТИ

Легирование. Температурный коэффициент модуля упругости.

Упрочняющая обработка. Механизмы упрочнения.

Марки наиболее часто используемых сплавов.

Для изготовления деталей точных приборов и механизмов необходимы

стали и сплавы с постоянным модулем упругости. Такие сплавы называют

элинварами (ЭИ 25). При их использовании резко уменьшается

температурная погрешность, повышается точность приборов.

Эти сплавы должны быть коррозионно-стойкими, часто немагнитными,

обладать высоким сопротивлением малым деформациям. Температурные

изменения заметно влияют на модуль упругости: при нагреве он

уменьшается, при охлаждении – возрастает.

В последнее время установлено, что и такие парамагнитные металлы,

как палладий, ниобий и сплавы на их основе, могут иметь низкое значение

модуля упругости. В интервале температур от 0 до 200

С сплавы Nb–(20–33

%)Zr представляют особый интерес, т.к. они являются сверхпроводниками.

Сплав на основе ниобия 55БТЮ (40 % Ti, 5 % Al) имеет низкий

температурный коэффициент модуля упругости [(70–90)∙10

-6

С в области

20–600

С], высокий предел упругости (σ

0,005

= 810–900 МН/м

), повышенную

релаксационную стойкость до 500

С и хорошую коррозионную стойкость.

Упрочняющая обработка сплава включает: закалку с 1000

С, отпуск при 650

С или закалку с 1000

С, холодную пластическую деформацию на 40 % и

отпуск при 650–725

С, при котором выделяется упрочняющая фаза

(Nb, Ti)

Al.

Практически неизменный модуль упругости имеет сплав палладия с

золотом в интервале температур 0–80

С. Упрочняющая обработка этого

сплава заключается в закалке, холодной пластической деформации и отпуске.

Сплавы группы элинваров созданы эмпирическим путем. Основой их

являются сплавы систем Fe–Ni, Fe–Ni–Cr, Fe–Co, Fe–Co–Cr. Сплавы на Fe–

Co и Fe–Co–Cr основе используют преимущественно за рубежом. В Японии

применяются в часовом механизме типа «Co-элинвар».

У нас применяются сплавы на основе Fe–Ni и Fe–Ni–Cr.

Температурный коэффициент модуля упругости (термоэластический

коэффициент) железоникелевых сплавов чувствителен к небольшим

колебаниям химического состава. Для стабилизации термоэластического

коэффициента в сплавы Fe–Ni вводят хром, для упрочнения – Ti, Al, Be,

которые образуют интерметаллические фазы типа β(Ni

Ti) и γ'(Ni

Al) или

NiBe (упрочняются за счет дисперсного затвердевания).