Ковалева А.А. Специальные стали и сплавы

Подождите немного. Документ загружается.

201

Сплавы Fe–Ni–Cr упрочняют дополнительным введением углерода и

таких карбидообразующих элементов, как вольфрам, молибден, структура их

получается ледебуритной.

Сплавы с малым и постоянным термоэластическим коэффициентом в

зависимости от структурного механизма упрочнения бывают:

с карбидным упрочнением;

с интерметаллидным упрочнением;

с деформационным упрочнением.

Сплавы с карбидным упрочнением отличаются высокой прочностью

после холодной пластичной деформации и низким постоянным значением

термопластического коэффициента.

К недостаткам сплава следует отнести малую пластичность из-за

значительного количества карбидов после пластической деформации.

Поэтому из таких сплавов нельзя изготовить упругие элементы сложной

формы методом штамповки, и их используют в виде ленты, проволоки для

простых элементов (спиральные и плоские пружины). Типичной является

сталь 35НХМВ. Ее относят к ледебуритному классу, и после отжига она

состоит из γ-твердого раствора и тригонального карбида типа (Сr, Fe, W,

Mo)

. Карбид в малом количестве растворяется при нагреве выше 900

С.

Избыточные карбиды упрочняют твердый раствор.

Отпуск практически не изменяет твердость. Однако если перед

отпуском сплав продеформировать, то после отпуска он еще более

упрочняется, и тем больше, чем больше степень обжатия (рис. 80).

отп

Рис. 80 Влияние предварительной обработки на временное сопротивление

разрыву в зависимости от температуры отпуска: 1 – отжиг, ε = 63 %; 2 – закалка

от 900

С; 3 – закалка от 1 050

С, ε = 63 %

Особенно резко упрочняется деформированный сплав после отпуска

при 500

С.

202

Сплавы с интерметаллидным упрочнением отличаются лучшими

технологическими свойствами, чем сплавы с карбидным упрочнением.

Отпуск после деформации придает им более высокие прочностные

свойства.

Термоэлектрический коэффициент сплавов с интерметаллидным

упрочнением чувствителен к небольшим колебаниям химического состава.

Следовательно, нельзя допускать большого разброса по содержанию

основных элементов.

В отечественной практике получили распространение сплавы 42НХТЮ

и 44НХТЮ. Их модуль упругости стабилен до 100 и 200

С соответственно.

За рубежом используют сплавы типа ниспан–С (близкий по составу к

42НХТЮ). После закалки с 950

С в воде, деформации при ε = 35 % и

отпуска при 620

С (в течение 2 ч) изделия имеют σ

= 890–910 МПа.

Термоэластический коэффициент можно регулировать

термообработкой и пластической деформацией. Термическая обработка всех

сплавов на основе Fe–Ni–Cr заключается в закалке при минимальной

температуре, обеспечивающей высокую концентрацию твердого раствора,

нужную технологичную пластичность и отпуск. Наибольшее упрочнение

достигается после закалки и отпуска при 500–700

С.

Для обеспечения у этих сплавов сопротивления пластическим

деформациям их подвергают ТМО.

После упрочняющей обработки коррозионно-стойкие, парамагнитные

сплавы для пружин, растяжек, опор электроизмерительных приборов имеют

= 2 400 МПа.

Термическая обработка заключается в закалке с 1 150

С для

образования аустенита, холодной пластичной деформации не менее чем на

30 % и отпуске до 550

С. Пластическая деформация приводит к изменению

субструктуры сплавов, повышению микронапряжений и неоднородности

твердого раствора (возникновение концентрационной неоднородности

твердого раствора).

К сплавам с деформационным упрочнением относят элинвары марок

36НХII и ЭП297. Их отличает повышенная коррозионная стойкость. В

закаленном состоянии они представляют собой однофазный твердый

раствор. После деформации и отпуска предел прочности возрастает с 700 до

1 400 МПа.

Повышение качества элинварных сплавов можно достигнуть также в

результате улучшения металлургических методов производства. Для упругих

элементов (сильфонов, мембран, пружин) применяются материалы, которые

используются в широком интервале температур (от 0 до 200

С). К ним

относятся сплавы Fe–Cr–Ni (Fe, Cr – 6 %, Ni – 40 % с добавкой Ti, Al) или

элинвары.

203

Элинвары упрочняются в результате закалки и старения при 700

С, при

которой выделяются дисперсные частицы.

Пружинные сплавы с особыми свойствами (сплавы с постоянным

модулем упругости) – высоколегированные сплавы с аустенитной структурой

на основе Fe–Co–Ni–Cr, Fe–Ni, Ni–Cr, обладающие высокой коррозионной

стойкостью, хорошими упругими свойствами, высокой усталостной

прочностью и сохраняющие стабильные свойства в широком диапазоне

температур (до 200

С).

Эти сплавы отличаются высокими технологическими свойствами,

которые обеспечиваются за счет дисперсионного твердения с

интерметаллическим упрочнением. Аустенитная основа обуславливает

парамагнитность, высокие пластические и вязкие свойства и достаточную

теплостойкость.

Сплавы имеют низкий температурный коэффициент модуля упругости,

что позволяет сохранять исключительную стабильность упругих свойств при

рабочих температурах до 300–400

С.

Легирование хромом, кобальтом, никелем затрудняет релаксационные

процессы и обеспечивает длительную во времени стабильность всех

характеристик (постоянная упругость) (таблица 41).

Таблица 41

Основные характеристики элинваров

Марки

стали

Массовая доля элементов, %

Свойства и назначения

C Ni Co прочих

1 2 3 4 5 6

36НХ11 0,15-0,25

35,5-

37,5

10,5-

11,5

Деформационно-

упрочняемый сплав. Для

изготовления упругих

элементов.

42НХТЮ

0,05

41,5-

43,5

5,3-5,9

2,4-3,0 (Ti)

0,5-1,0 (Al)

Стабильный модуль

упругости до 100 ˚С. Для

изготовления мембран,

сильфонов, спиральных и

цилиндрических пружин.

36НХТЮ

0,05 35-37 11,5-13

2,7-3,2 (Ti)

0,9-1,2 (Al)

После упрочнения σ

=1000

МПа. Для упруго-

чувствительных элементов –

рам, сеток, цветных

телевизоров и т.д.

204

У элинваров температурный коэффициент модуля упругости

γ ≈ (18–23)∙10

-6

-1

, что в 20 раз больше, чем у аустенита.

У α-Fe γ = 11,6∙10

-6

, сплав Fe + 25 % Ni имеет γ = 20∙10

-6 о

-1

, т.е. в 2

раза больше, а сплав с 36 % Ni – γ = 1,5∙10

-6 о

-1

, т.е. в 8 раз меньше.

Для немагнитных упругих элементов ответственного назначения,

стойких против коррозии, применяют также бериллиевые бронзы БрБ2 после

закалки с 780–790

С и старения при 350

С.

205

Лекция № 25.

План лекции:

Стали и сплавы с высоким омическим сопротивлением.

Проводниковые материалы.

Влияние легирующих элементов на электросопротивление железа,

никеля, меди. Типовые сплавы. Свойства. Структура. Применение.

МАТЕРИАЛЫ С ОСОБЫМИ ЭЛЕКТРИЧЕСКИМИ СВОЙСТВАМИ

Все материалы по электрическим свойствам подразделяют на три

группы: проводники, полупроводники, диэлектрики.

Проводники имеют удельное электросопротивление от 10

-8

до

-5

Ом·м, которое возрастает с увеличением температуры. Их используют

для проводников постоянного и переменного тока, резисторов,

нагревательных элементов, контактов.

Полупроводники имеют электросопротивление от 10

-5

до 10

Ом·м, оно

снижается с ростом температуры. Их используют для выпрямления, усиления

электрических сигналов и т.д.

Диэлектрики с удельным электросопротивлением от 10

до

Ом·м

применяют в качестве изоляторов.

Рассмотрим материалы с высоким электрическим сопротивлением.

Стали и сплавы с высоким электросопротивлением.

В зависимости от удельного электрического сопротивления и

применения материалы делятся на металлы и сплавы высокой проводимости,

припои, сверхпроводники, контактные материалы и сплавы с повышенным

электросопротивлением.

Материалы и сплавы высокой проводимости – это медь, алюминий.

Эти материалы должны быть прочными, пластичными, коррозионно-

стойкими в атмосферных условиях и износостойкими, а также хорошо

сваривающимися и паяющимися.

Припои должны обеспечить небольшое переходное

электросопротивление и иметь низкую температуру плавления. Для этого

используют сплавы на основе олова, цинка, свинца, серебра, обладающие

хорошей электрической проводимостью.

Для высокотемпературной пайки используют медь, медноцинковые и

меднофосфористые припои и сплавы с серебром. Последние технологичны,

обладают смачиваемостью и имеют переходное электросопротивление.

Контактные материалы классифицируют на разрывные, скользящие,

неподвижные. Основное требование – малое переходное сопротивление.

206

Разрывные контакты предназначены для периодического размыкания

цепи. В процессе работы разрывных контактов возникает искра или

электрическая дуга, что вызывает коррозию или износ. В результате идет

окисление контактов и повышение электросопротивления, происходит

разогрев и сваривание контактов. Это приводит к тому, что металл контактов

плавится, испаряется и переносится с одного контакта на другой. Поэтому

материал для контактов должен иметь сопротивление химической коррозии и

электроэрозионному износу.

Слабонагружаемые контакты изготавливают из благородных металлов

и их сплавов. Чаще употребляется серебро и его сплавы, т.к. оно обладает

необходимыми технологическими свойствами, но дешевле, чем золото и

платина. Широко используется сплав серебра с медью. Такие сплавы

сохраняют высокую электропроводимость и имеют более высокую твердость

и сопротивление электрическому изнашиванию, но медь понижает

сопротивление к окислению.

Высоконагружаемые контакты изготавливают из вольфрама,

молибдена, их сплавов и порошковых композиций. Вольфрам хорошо

сопротивляется электроэрозионному износу, но достаточно электропроводен,

а оксидная пленка при работе разрушается. Сплавы вольфрама и 40–50

% Мо имеют высокое электросопротивление, но пониженное сопротивление

газовой коррозии, т.к. пленки вольфрама и молибдена испаряются, поэтому

такие сплавы можно использовать в среде аргона или вакуума. В наиболее

мощных контактах применяют спеченные композиции вольфрама с серебром

или медью либо спекают пористый вольфрам, пропитанный медью или

серебром.

Скользящие контакты должны обеспечивать высокое сопротивление к

свариванию, поэтому применяют композиции из порошков меди или серебра

с добавкой графита (МГЗ). Цифра в марках указывает на содержание графита

в процентах.

Неподвижные контакты должны иметь низкое электросопротивление,

поэтому для них выбирают коррозионно-стойкие материалы – латунь, медь,

цинк.

Сплавы с повышенным электросопротивлением применяют для

резисторов, обмоток, потенциометров, шунтов, термопар, датчиков и

нагревательных элементов электрических приборов и печей. К этим сплавам

предъявляют следующие требования: малый температурный коэффициент

электрического сопротивления, высокая жаростойкость и пластичность,

малая термоЭДС.

Магнитные и электрические свойства тесно связаны, они обусловлены

одинаковыми физическими явлениями. Говоря о магнитных материалах,

приводят в пример величину электросопротивления. Эти материалы

относятся к электротехническим.

Электротехнические сплавы делят на две группы: проводнико- вые

(ρ

min

) и сплавы с повышенным электросопротивленим.

Проводниковые сплавы используют для передачи электроэнергии на

расстояние, а сплавы электросопротивления – для преобразования

электроэнергии в тепло.

Для элементов электросопротивления нужны материалы с низкой

электропроводностью – это сплавы (а не чистые элементы).

Высокое электрическое сопротивление достигается при получении

твердых растворов. Согласно закону Курнакова, при образовании твердых

растворов удельное электросопротивление увеличивается, достигая

максимального значения при определенном для каждого материала

содержании элементов. Эта структура (твердый раствор) позволяет

деформировать сплавы с большими обжатиями, получать проволоку и ленту

с высоким электросопротивлением.

Кроме высокого значения электросопротивления, сплавы должны

иметь: хорошую высокую окалиностойкость, прочность для сохранения

формы нагревателей, жаропрочность, малый коэффициент

электросопротивления (т.е. электросопротивление не должно сильно зависеть

и изменяться с изменением температуры), стабильность

электросопротивления во времени и малый коэффициент термоЭДС в паре с

медью, технологичность.

Проволоку (ГОСТ 12766.1-90) и ленту (ГОСТ 12766.2-90) для

нагревателей изготавливают из прецизионных сплавов. Из сталей Х15Ю5,

Х15Н60, Х15Н60-Н изготавливают калиброванные прутки диаметром

8–10 мм, а из сталей Х23Ю5, Х23Ю5Т – прутки теплотянутые для

электронагревательных элементов печей, бытовых приборов, элементов

сопротивления, работающих в окислительной атмосфере без динамических

нагрузок.

Для электронагревателей используют ферритные низкоуглеродистые (<

0,03–0,15 % С) сплавы с малым содержанием марганца (0,3–0,7 %),

легированные Al, Cr (хромали), Ni и Cr (нихромы).

В зависимости от химического состава сплавов изменяется

температурный интервал их использования. Например: сплавы Cr–Ni

работают до температуры 1100–1200

С, молибденовые нагреватели могут

работать до температуры 1500

С, но в связи с низкой жаростойкостью их

эксплуатируют только в вакууме или в среде инертных газов. Нихром

Х20Н80 – до 1050

С, хромаль ОХ23Ю5 – до 1100

С, фехраль Х13Ю5 – до

900

С.

В связи с эти материалы делят на три группы:

1. Сплавы с рабочей температурой до 500

С – медные сплавы,

легированные Ni и Mn (константан МНМц 40-1,5; манганин МНМц 3-12).

Константан применяется для термопар, т.к. он имеет высокое электрическое

сопротивление при 20

и малый коэффициент электрического

208

сопротивления. Манганин применяется для резисторов, шунтов, элементов

сопротивления теплодатчиков. Его подвергают отжигу в вакууме при

температуре 400

С и отпуску при 250

С для снятия внутренних напряжений.

Можно использовать сплавы на основе Ag, Pd, Au, Pt.

2. Сплавы с рабочей температурой до 1 200

на основе Fe и Ni –

хромаль Х23Ю5, нихром Х20Н80 (эти материалы дополнительно легируют

Аl, который понижает пластичность). Применяют для нагревательных

элементов.

3. Сплавы с рабочей температурой более 1 200

– МоSi

. Это сплавы

на основе тугоплавких металлов (W, Mo, Ta), керамические материалы

(силитовые стержни). SiC – полупроводник.

Ферритные сплавы малопластичны, поэтому при деформации их

необходимо подогревать, а при эксплуатации при высоких температурах за

счет роста ферритного зерна они могут охрупчиваться. При температурах 1

150–1 200

С сплавы нередко провисают под собственной тяжестью из-за

малого сопротивления ползучести (табл. 42).

Таблица 42

Химический состав и характеристики сплавов высокого

электросопротивления.

Марка Название

Содержание элементов, %

ρ, мкОм∙м

раб

С Si Mn

Cr Ni Al

Х13Ю5

Фехраль

0,15

0,1

0,7

–

0,6

3,5

–

5,5

1,26

1 000

Х20Н80 Нихром

0,4–1,3

20–23

75–78

0,2

1,11 1 100

Х15Н60

Ферроних

ром

1,5

–

1,10

1 050

Для удешевления нихромовых сплавов часть никеля заменяют железом

(до 25 % Fe), такие сплавы называют ферронихромом. Ферронихром Х15Н60

применяют для нагревателей, работающих до 1 000

С в бытовых приборах, в

резисторах и тензодатчиках.

Сплавы с заданным температурным коэффициентом

электросопротивления поставляют по ГОСТ 10994-74.

209

Лекция № 26.

План лекции:

Термоэлектродные сплавы.

Термопарные сплавы.

Марки. Термическая обработка. Основные свойства. ГОСТ 12766.1-

90,12766.3-90.

Назначение.

Сплавы для изготовления термопар.

Материалы для термопар должны обладать определенными

свойствами: жаропрочностью, высокой температурой плавления, высоким

значением термоЭДС. Для работы при температурах 1000

С применяют

сплавы никеля с алюминием, хромом, а при температурах измерения до

1300–1400

С и кратковременно до 1800

С используют сплавы на основе

платины (табл. 43).

Таблица 43

Химический состав и характеристики термопарных сплавов

Сплавы Название

Химический

состав, %

ρ,

мкОм·

раб

С Примечание

НМцАК 2-

Алюмель

1,8–2,5 % Al,

ост. Ni

1,37

20–1000

Термопарные

НХ 9,5 Хромель

10 % Cr, 1 %

Co,

ост. Ni

НМ 56,5 Копель

44 % Ni, 0,1–

1,0

% Mn, ост. Cu

–

До

600–800

Компенсационные

провода

Платинородиевые – 0–1300

Термообработка этих сплавов заключается в рекристаллизационном

отжиге. Кроме того, для повышения прочности алюминиевых проводов их

легируют магнием и кремнием, которые образуют упрочняющую фазу Mg

Si.

Путем закалки и старения временное сопротивление увеличивается в два

раза. Сплавы альдрей и альмелек имеют коэффициент электросопротивления,

равный 3,6⋅10

-4

, т.е. близкий к чистому алюминию.

Для термопарных сплавов в основном применяют отжиг в период

вытяжки проволоки – для смягчения (обычно отжиг – рекристаллизация) и

для изменения механических свойств (упрочнение).

При больших скоростях нагрева до температуры 1 000

С зерно в

сплавах не успевает вырасти и составляет примерно 20–30 мкм, что

увеличивает прочностные свойства.

210

Оптимальной будет температура отжига, равная в нижнем пределе

температуре конца первичной рекристаллизации, а в верхнем пределе

температуре рекристаллизации (100–150

С).

Количество углерода должно быть минимальным в интервале, т.к. даже

малое количество углерода ведет к старению, т.е. изменению размеров со

временем.

РЕОСТАТНЫЕ СПЛАВЫ

Реостатными называют сплавы меди с цинком, никелем и марганцем. К

реостатным сплавам относят: капель (МНМц 43-0,5) – ρ = 0,5, Т

раб

= 500

С;

никелин – ρ = 0,5, Т

раб

= 500

С; константан (МНМц 40-1,5) – ρ = 0,48, Т

раб

500

С; манганин (МНМц 3-12) – ρ = 0,43, Т

раб

= 200

С.

Наиболее распространены сплавы с содержанием никеля 40–50 %, они

обладают максимальным удельным электросопротивлением ρ почти при

нулевом значении температурного коэффициента (рис. 81).

Ni, %

Рис. 81 Изменение физических свойств сплавов в зависимости от содержания никеля

Константан (40 % Ni) и никелин (45 % Ni) – сплавы с минимальным

значением температурного коэффициента электросопротивления, при

максимальном ρ. Например: если взять для сравнения железо

(ρ = 0,1 Ом·мм/(м·

С), температурный коэффициент = 0,006) и нихром, то

можно проследить изменение ρ (рис. 82).

Реостатные сплавы применяют для изготовления: датчиков для

измерения высоких гидростатических давлений; датчиков для измерения

сопротивлений в магазинах, уравновешенных мостах, шунтах,

измерительных приборов высокой точности; для реостатов, потенциометров,

самолетных нагревательных устройств, антиобледенителей, костюмов

экипажа.

ρ,

Îììì

ìÑ

⋅

Температурный коэффициент

электросопротивления от 0

до 100 на 1