Мальцев М.В. Металлография промышленных цветных металлов и сплавов

Подождите немного. Документ загружается.

(МНАб-1,5) Они отличаются высокими механическими и упру

гими свойствами.

Свойства сплавов указаны в табл. 47

Характерной особенностью этих сплавов является возмож

ность их значительного упрочнения путем термической обра

ботки.

Согласно изотермическим разрезам тройной системы

(рис. 109 , растворимость алюминия и никеля в меди с пониже

нием температуры сильно уменьшается. Это позволяет термо

обработкой, заключающейся в закалке с 900— 1000° С и отпуске

при 500—600° С, значительно повышать прочность и твердость

1000’С иоо°с

At % Al, %

Рис. 109. Изотермические разрезы диаграмм состояния Си Ni Al

сплава. При этом происходит распад твердого раствора с обра-

зованием гетерогенной структуры с высокодисперсными выделе

ниями 0(№А1)-фазы или одновременно 0-фазы и p(NiAb)

Значительный эффект упрочнения сплавов дает нагартовка

после закалки

Сплавы, предварительно прокатанные в горячем и холодном

состояниях, после закалки с 900° С имеют предел прочности 25—

35 кГ мм2 Дальнейшая холодная деформация закаленных об-

разцов при обжатии на 25% и последующий отпуск при 550° С

увеличивают прочность до 80—90 кГ мм2 при удлинении до

5—10%

Сплав МНМцЗ-12 манганин) имеет очень малую тер

моэлектродвижущую силу в контакте с медью и в этом отноше

нии превосходит многие известные сплавы.

Очень ценным свойством манганина при его высоком элек

тросопротивлении является весьма малый температурный ко

эффициент электросопротивления.

201

В связи с этими ценными свойствами манганин используют

для изготовления эталонных катушек электросопротивления и

точных электроизмерительных приборов.

Манганин весьма пластичен и легко обрабатывается в горя

чем и холодном состояниях.

Сплавы МН0,6 (ТП и МН16 (ТБ) применяют в виде про

волоки для компенсационных проводов к платина платинородие

вым термопарам (ТП) и термопарам платина золото, палла

дий платинородий (ТБ Характерной особенностью этих

сплавов является их малая термоэлектродвижущая сила. По

своей структуре сплавы относятся к типу твердых растворов см.

диаграмму состояния Си Ni на рис. 108), что обеспечивает

им высокую технологичность в процессе обработки давлением

§ 5. ЖАРОПРОЧНЫЕ МЕДНЫЕ СПЛАВЫ

В современном машиностроении жаропрочные медные спла

вы применяют достаточно широко. Эти сплавы используются для

электродов контактной сварки точечной, роликовой и стыко-

Содертание добавок % (по массе)

7 г япп°п

------

1 I I

____

О 1 2 3 4 5

Соде рта т е добавок % а то мм.)

Рис. 110. Влияние различных добавок на длительную твердость меди

при высоких температурах [102]

вой , для изготовления деталей, работающих при высоких тем^

пературах в различных специальных объектах (реактивных дви

гателей, ракет и т д. , и в других областях техники.

В зависимости от назначения и условий работы к данным

сплавам предъявляют весьма разнообразные требования, иног

да трудно совместимые друг с другом. Например, для электро

дов сварочных машин требуются сплавы, имеющие не только

высокую жаропрочность, но и хорошую теплопроводность, элек

тропроводность и жаростойкость. От удачного сочетания всех

:202

этих качеств зависят стабильность электродов в работе, а так

же качество самой сварки и производительность сварочного

оборудования. Для деталей объектов, работающих при высоких

температурах, требуются материалы, имеющие, кроме высокой

механической прочности, также достаточно хорошую теплопро

водность и сопротивляемость окислению в зоне рабочих темпе

ратур

Исследования, проведенные в этой области [102], показали,

что указанным выше требованиям удовлетворяют сплавы меди,

легированные небольшими при

садками некоторых тугоплав

ких элементов. Введение таких

присадок заметно не снижает

электро- и теплопроводность

меди, ее высокие пластические

качества, вместе с тем способ

ствуем значительному упрочне

нию меди как при комнатной,

так и повышенных температу

рах (рис. 110).

Лучшие жаропрочные свой

ства обнаруживаются у сила

вов, имеющих слабогетероген

ную структуру, причем жаро

прочные химические соедине

ния, не содержащие основы

сплава (например, Ni3Al, NiAl,

NiBe, NisSi, C02B, C^Zr, Cr2Ti

и др.), ограниченно растворимые в твердой меди, особенно за

метно повышают ее жаропрочность.

Введение 2—3% этих соединений (рис. 111 увеличивает

длительную твердость меди при 500° С в 4—9 раз, не снижая

заметно ее электропроводимости, тогда как те же добавки, вве

денные в медь порознь, повышают ее жаропрочность в тех же

условиях только в 2,5—4 раза.

Значительного повышения жаропрочности таких тройных

сплавов можно достигнуть путем дальнейшего их легирования

новыми добавками, входящими в твердый раствор и образую

щими дополнительные частицы жаропрочных химических соеди

нений.

Например, жаропрочность тройного сплава типа бронзы

Бр.КН0,4-1,6 можно повысить почти в два раза введением не

больших количеств таких добавок, как цирконий, хром, маг

ний и др

Состав, механические свойства и основные области приме

нения сплавов указаны в табл. 48.

Высокая жаропрочность электродных сплавов Мц2, МцЗ,

Мц5 и Мц5А достигается введением добавок, образующих весь-

203

Состав и свойства медных жаропрочных сплавов

Таблица 48

та

СО

Механические

Длительная

со ,

к Й s 5 ,,

Д 1 S

й | л

Химический

Термическая

свойства при

комнатной

твердость ста

билизирован

1 е § 1 к

о й Ь § 3

Окисляемость

сплавов при раз

со

состав

сплава

обработка

температуре

(после термо

ных сплавов

{кГ; мм2) при

iifss

i s l g s

ы с о я с

e - s s s s

a g o

личных темпера

турах привес,

Назначение

со

обработки)

температуре,

°С

g ч о ч

5 о н о.о>

Ф m о с S

|8S

H a s

мг'см*-ч

Мц2

1 5 -1 7% Ni,

Закалка в холод

170

114

70 32 12 145 45—50

540 0

0 37

0 80 1 21 Стыковые неох-

0 ,4 - 0 6% Si,

ной воде с 900° С

лаждаемые губки

0 15—0 3% Mg,

после выдержки

большой нагру

остальное Cu

1 — 1,5 ч и отпуск

при 510—520° С

женности

МцЗ

в течение 5 ч

0 ,9 —1 1% Ni,

Закалка в холод

180

148

100

190 55—60

550

16 0 42

0 87

1 58

То же и электрод

0, 15—0 25% Be,

ной воде с 900—

ные кольца для

0 1—0 2% Mg,

950° С после вы

труб электросва

остальное Cu

держки 1 — 1,5 ч

рочных станков

и отпуск при

5 10—520° С

Мц4

0 ,4 - 0 , 7% Cr,

0, 15-0,25% Al,

0 1 5-0 25% Mg,

остальное Cu

в течение 5 ч

Закалка в холод

ной воде с 100—

1020° С после вы

держки 1 — 1,5 ч

и отпуск при 470—

490° С в течение

А и

18 130 58

50 27

160

75—78

510

0,57

0 93

Электроды для то

чечной и ролико

вой сварки стали

и никелевых

сплавов

Мц5

0 ,4 -0 , 6% Cr

ч ч

То же

120

56 52 40 11 120 80—85 520

То же

0 ,2 - 0 85% Zr

Мц,5А

остальное Cu

0 2 - 0 35% Cr

0 2 -0 35% Zr

остальное Cu

100 40

85 -87

510

Электроды для то

чечной сварки алю

миниевых, магние-

вых сплавов и

Мц5В

0 ,1 5 -0 25% Cr,

Закалка в воде с 30

90 32

19 27

8 7 -9 0

380

сталей

То же

0 2—0 3% Cd,

940—950° С после

остальное Cu

выдержки 0,5—1 ч

и отпуск при 470—

490° С в течение

ЭВ

0 5 -0 8% Cr

4 ч

110 50

17 6

154 75 -8 0

430

0 51

1 37

3 25

Различные

0 ,4 —0 6% Zn,

электроды

Бр.Х!

остальное Cu

0 8-1% Cr

—

130

25 7

105

80—85

—

0 7

2 04

То же

остальное Cu

ма жаропрочные химические соединения Ni2Si в сплаве Мц2,

NiBe в сплаве МцЗ и C^Zr в сплавах Мц5 и Мц5А.

Повышенная жаростойкость сплавов достигается введением

специальных присадок «активных» металлов бериллия, алю

миния и магния сплавы Мц2, МцЗ, Мц4

Сравнительные данные, характеризующие жаростойкость от

дельных сплавов, приведены в табл. 48.

Наилучшие показатели механических свойств сплавов дости

гаются в результате упрочняющей термической обработки см.

табл.48)

За последнее время разработан ряд новых жаропрочных,

высокотеплопроводных и электропроводных сплавов, которые

описаны в специальной литературе.

ГЛАВА

НИКЕЛЬ И ЕГО СПЛАВЫ

§ 1. СТРУКТУРА И СВОЙСТВА НИКЕЛЯ

Никель является одним из важнейших промышлен

ных металлов. Чистый никель имеет высокую прочность (оь =

= 40

-г-

50 кГ мм2) и пластичность (б = 50%), обладает боль

шой химической стойкостью и другими ценными свойствами.

Сплавы на основе никеля характеризуются высоким электри

ческим сопротивлением и коррозионной стойкостью, а также по

вышенной жаропрочностью и жаростойкостью.

Ниже приведены основные физические константы чистого

никеля.

Атомный вес. 58,71

Плотность, г/см3 8,907

Кристаллическая решетка Г.ц.к.

Период решетки, А 4,08

Температура плавления, °С 1455

Температура кипения, °С 3080

Скрытая теплота плавления, кал/г 73

Скрытая теплота испарения, кал/г 1450

Коэффициент линейного расширения а 10б при 0— 100° С,

1 /град 13,3

Теплопроводность при 0— 100° С, кал/см сек град 1,428 10—4

Удельное электросопротивление, мком/см 6 84

Температура перехода из магнитного в немагнитное со

стояние (точка Кюри) °С 360

Модуль упругости, кГ/мм2 22000

Промышленные марки никеля указаны в табл. 49.

Электролитический никель переплавляют на слитки, из ко

торых затем путем обработки давлением получают различные

полуфабрикаты листы, прутки, трубы, проволоку и др.)

На рис. 113 атласа показана микроструктура слитка никеля,

выплавленного в электронно-лучевой печи.

Последний способ плавки применяется для получения ни

келя особой чистоты, используемого в специальных электрова

куумных приборах.

В табл. 50 показано влияние электронно-лучевой плавки на

степень очистки никеля от примесей.

206

Механические свойства никеля в деформированном и отож

женном состояниях показаны на рис. 112, где также приведены

данные по электросопротивлению никеля в различных состоя

ниях.

На структуру и свойства никеля существенное влияние ока

зывают находящиеся в нем примеси. Наиболее часто встречаю»

щимися примесями в никеле являются Со, Fe, Si, С, О2, S, Си.

Характер взаимодействия никеля с различными элементами опре

деляется диаграммами состояния, приведенными в приложе

нии VI.

О 20 UO 60 80

деформации

Fhc. 112. Зависимость механических свойств и электросопротив

ления никеля от степени деформации и температуры отжига

Примеси кобальта, железа, кремния и меди, образующие с

никелем твердые растворы, оказывают незначительное влияние

на его механические свойства и несколько повышают электри

ческое сопротивление.

Углерод обычно используют в качестве раскислителя никеля.

Однако при содержании более 0,1 % углерода никель стано

вится холодноломким вследствие выделения при отжиге по гра

ницам зерен углерода в форме графита.

Сера очень вредная примесь. В никеле она находится в

виде сульфида Ni2S, который образует с никелем легкоплавкую

эвтектику Эвтектика, имеющая температуру плавления 644° С,

выделяясь по границам зерен, делает никель непластичным.

Когда в никеле содержится более 0,01% серы, он не может быть

обработан давлением даже в горячем состоянии. Наличие в

отожженном никеле более 0,002% серы делает его хрупким в хо

лодном состоянии [103]. Такое поведение серусодержащего ни

келя объясняется особой формой солидуса системы Ni S.

20?

Химический состав промышленных

Марка

никеля

Ni + Со,

%, не ме

нее

Со. %,

не более

Содержание примесей,

S Си As

НО

99 99

0 005 0 002

0 001 0,005 0,001

0 001 0 001

0 0003 0 0003 0 0003

Н1

99 93 0 10 0 012 0 002 0 01

0 001

0 02 0 001 0 001

0 001

Н2

99 8 0 15 0 04 0 002

0 02 0 003 0 04

нз

98 6

0 70

0 1 0 03

0 6

Н4

97 6

0 7

0 15

0 04 1 0

Т а б ли ц а 50

Влияние электронно-лучевой плавки на степень очистки никеля от примесей

Содержание примесей, %

Наименование материала

С о 2

н2 Си

Исходный никель

Никель после электронно-лучевой плавки

0 05

0 04

0 0021

0 0008

0 002

0 0001

0 04

0 02

0 034

0 018

Содержание примесей, %

Наименование материала

Mn Mg

РЬ

Исходный никель

0 096

0 002I 0 05 0 006

0 005

Никель после электронно-лучевой плавки 0 017 Не обнару 0 0008

Не обна

жено

ружен

Пластичность серусодержащего никеля может быть восста

новлена при обработке его магнием, который, будучи введен в

жидкий никель, связывает серу в тугоплавкое химическое со

единение MgS

Обладая высокой температурой плавления, частицы сульфи

да магния MgS кристаллизуются первично и располагаются

преимущественно внутри зерен никеля. Десульфурированный

магнием никель имеет мелкозернистую структуру (рис. 114 ат

ласа)

Кислород в никеле находится в виде закиси никеля и рас

полагается как по границам, так и внутри зерен рис. 115

атласа)

Содержание в никеле до 0,24% кислорода мало отражается

на его пластичности. Однако кислород является вредной при

месью, так как при нагреве кислородсодержащего никеля в

208

марок никеля (по ГОСТ 849—56)

Таблица 49

%, не более

Zn Sn Mn Pb Al

Cd Mg

Назначение

0 001

0 005

0,0003

0 001

0 001 0 001

0 001

0 0003

0 001

0,001

Для сплавов с особыми свойствами

Для ковких сплавов с особыми свой

ствами

Для высоконикелевой стали и

сплавов

Для легированных сталей

восстановительной атмосфере образуются трещины по границам

зерен (никель становится хрупким)

К числу вредных примесей относятся висмут, свинец, сурь

ма, мышьяк, селен, кадмий и фосфор.

Свинец, селен и висмут вследствие образования легкоплавких

эвтектик аналогично сере сообщают никелю хрупкость.

Мышьяк, фосфор и кадмий, растворенные в никеле, образу

ют с ним хрупкие фазы, резко ухудшают обрабатываемость

давлением и снижают его механические свойства.

Никель является одним из наиболее коррозионностойких в

атмосферных условиях технических металлов и поэтому его ши

роко используют для покрытий.

Высокая коррозионная стойкость никеля на воздухе объяс

няется образованием на его поверхности очень тонкой и проч

ной окисной пленки, защищающей его от разрушения. Никель

практически не корродирует в дистиллированной и пресной во

де. Он также достаточно устойчив в морской и рудничных

водах.

Присутствующие в воде в большой концентрации ионы хлора

и углекислого газа могут вызывать на никеле точечную кор

розию.

Сильное действие на никель оказывают минеральные кисло

ты (азотная, соляная, фосфорная и др.) Органические кислоты

оказывают меньшее воздействие.

Щелочные и нейтральные растворы солей оказывают незна

чительное влияние на никель, однако кислые соли вызывают за

метное коррозионное разрушение.

§ 2. СПЛАВЫ НИКЕЛЯ

Все сплавы никеля по их применению в технике можно ус

ловно разделить на пять основных групп конструкционные,

14 Заказ 1024

209

Состав, физико-механические свойства и применение важных никелевых сплавов Таблица 51

Марка сплава

и наименование

Основные компоненты, %

Физико-механические свойства

Fe Si

Мп Си

Сг А1

N i-f Со

£«

1 4

удельная

теплоем

кость,

ккал/г•

•град

теплопро

водность,

кал! см •

-сек-град

коэффици

ент линей

ного рас

ширения

аЮ *.

1 /град

Никель полуфабрикатный:

НПО

99 98

НГ11 —

99 9

НП2

—

99 5

НПЗ

— —

99 0 8,9

0,112

0 142

13 7

Никель кремнистый

0,15—

99 4

0 25

НК0,2

0 25

НМц2 5

2 ,3 -3 ,3

Остальное

8 9

___

0,127

23 4

НМц5

4 ,6 -5 4

8 76

0 13

0 115

13 7

НМ Ж М ц28-2,5-1 5

2 - 3

1,3-1 8

27—29

8 8

0,127

0 06

14—15

МНМц43—0 5 (копель)

0,5

Остальное

8,9

0 058

1 ,4 1 0~ 5

МНМц40—1,5 (констан-

1 5 То же

—

8 9

0,05

1 * 1 и Г

2-10~5

тан)

НХ9 5 (хромель 1), НХ9

9 -1 0

Остальное

8 7

12,8

(хромель 2)

8 ,5 - 9 5

То же

НМцАК2—2— (алюмель)

0 85—

1,8-2 2

1 ,8 -2 ,5

8,5

2 0

Х20Н80 (нихром)

Остальное

2 0 -23

75-7 8

8 4

0,107

0 134 17,6

Х15Н60 (нихром) »

—

15-18

55-61

8 4

0,033 16

65НП (пермаллой) »

70-80

79НМ (супермаллой)

5Мо

ЭИ169

Остальное

0 6 0,5С 4,55

18—21

Инвар

0 3

35-3 7

Элинвар

0 ,3 -0 ,4

0,1С

8 -1 2

35-3 7

Платинит

0,30С

—

42-4 8

Ковар »

20-40Со

2 0 -

—

50КФП (пермендур) »

—

49Со —