Сплавы с особыми упругими свойствами и аномальным тепловым расширением
Сплавы с высоким электросопротивлением
В электротехнической промышленности электросопротивления находят применение в двух существенно различных областях: как сопротивления-нагреватели и как сопротивления для измерительных приборов и тонкого регулирования (в сплавах этого типа требуется точная воспроизводимость величины сопротивления).
Для сопротивлений-нагревателей (с высоким омическим сопротивлением, порядка 100…150.10-8 Ом.м) обычно используют твердые растворы. Структура твердого раствора обладает высокой пластичностью, поэтому сплавы для сопротивлений - нагревателей легко деформируются в ленту и проволоку. Нагреватели должны обладать хорошей окалиностойкостью и достаточной прочностью при высоких температурах, чтобы при работе сохранялась их форма.
Наиболее часто используют как сплавы высокого омического сопротивления нихромыХ20Н80 и ферронихромыХ15Н60, а также нихромы, легированные титаном, - Х20Н80Т, Х20Н80Т3 и др. Максимальная температура, до которой работают указанные сплавы, 1050…1150 °С (последняя для легированных титаном). Недостатком этих сплавов является их дороговизна и высокое содержание дефицитного Ni. Потому разработаны также сплавы и на основе железа - хромоалюминиевые стали ферритного класса Х13Ю4(фехраль)и 0Х25Ю5А(хромаль). Рабочая температура этих сплавов тем выше, чем больше в сплаве алюминия и хрома. Стали типа Х13Ю14 и 1Х17Ю5 работоспособны до 850…1000 °С, некоторые марки сталей (1Х25Ю5) - до 1150 °С, а такие, как 0Х27Ю5А, - и до 1250 °С. В сталях, используемых для нагревательных элементов, строго ограничивается содержание углерода (0,06…0,12 %), поскольку выделение карбидов отрицательно влияет на пластичность и уменьшает срок службы изделий.
Для сопротивлений в приборах применяют никелин(67 % Сu; 2…3 % Мn; 30…31 % Ni, константан(54 % Сr; 1 % Мn; 45 % Ni), манганин (86 % Сu; 12 % Мn; 2 % Ni и мельхиор (60 % Сu; 17 % Ni; 23 % Zn). Сплавы этого типа имеют сопротивление примерно в три-четыре раза более низкое по сравнению со сплавами для нагревательных элементов, а главное, более низкую рабочую температуру (300…400 °С), но обладают высокой стабильностью свойств.
Прецизионные сплавы с высокими упругими свойствами используются в приборостроении для изготовления упругочувствительных элементов различной измерительной аппаратуры. Эти сплавы подразделяют на ферромагнитные, с температурно-стабильным модулем упругости и немагнитные.
К ферромагнитным сплавам на железоникелевой основе принадлежит элинвар, обладающий малым температурным коэффициентом упругих модулей, а к немагнитным - дисперсионно-твердеющий сплав 47ХНМ, обладающий, помимо высоких упругих свойств, коррозионной стойкостью. Сплав имеет высокую пластичность при повышенных температурах, поэтому поддается ковке и прокатке.
Рис. 21. Зависимость температурного коэффициента линейного расширения
сплавов системы Fe - Ni от состава
Для метрологии, геодезии и точного приборостроения важны сплавы с низким температурным коэффициентом линейного расширения a. В сочетании с высокой пластичностью они пригодны для спайки со стеклом и керамикой.
В приборах высокой точности необходимо сочетание большей упругости c малыми a. В зависимости от значений a ферромагнитные материалы делят на три группы: с минимальными a (£ 3,5.10-6 1/°С); с низкими a ((4…6,5) .10-6 1/°С); со средними a ((7…12) .10-6 1/°С).
Сплавы с минимальными a используют в измерительной технике, а сплавы двух других групп - в основном для изготовления деталей приборов, имеющих спаи со стеклом, керамикой и другими материалами.
Большинство сплавов с заданным a однофазны во избежание объемных изменений при изготовлении и эксплуатации изделий. Широко используется инвар (36 % Ni, остальное Fe) и более сложные сплавы на его основе, а также железохромистый сплав Х18ТФ.
Особенностью этих ферромагнитных сплавов с заданным a является аномалия теплового расширения (рис. 21). Заключается она в том, что у сплава с 36 % Ni температурный коэффициент линейного расширения примерно на порядок ниже, чем у входящих в него чистых компонентов железа и никеля; а у сплава с 25 % Ni - он, наоборот, почти в два раза выше. Это различие наблюдается лишь для ферромагнитного состояния сплавов. При переходе в парамагнитное состояние температурный коэффициент линейного расширения значительно возрастает. Значения в ферромагнитном состоянии сплавов тем ниже, чем уже температурный интервал, в котором проявляется аномалия расширения. Увеличение температурного интервала, в котором железоникелевые сплавы сохраняют низкие значения a, достигается их легированием кобальтом и медью, сужение - легированием хромом.
К сплавам с минимальным тепловым расширением относятся 36Н, 39Н, а также 32НКД и 35НКТ. Для снижения величины a сплавы закаливают с 830…870 °С в воду, отпускают при 315 °С в течение часа и затем ~ 48 ч подвергают старению при 95 °С. При этом a = 1,7 .10-6 1/°С. Еще более низкие значения та получаются в результате отжига сплавов после холодной деформации на 60% (a = 0,3 .10-6 1/°С).
Сплав 36Н используют в точном машиностроении в интервале температур от 100 до - 269 °С. В интервале от 100 до - 60 °С также широко применяют железоникелькобальтовый сплав 32НКД и суперинвар.
Для деталей повышенной прочности и твердости и одновременно с заданным a используют дисперсионно-твердеющий сплав 35НКТ (35 % Ni; 5…6 % Сr; 2,2…2,8% Тi; не более 0,05 % С; 0,5% Со; ост. Fe). Для этого сплава в интервале температур от - 60 до + 60 °С a = 0,3 .10-6 1/°С.
Величина a сплавов и спаиваемых с ними неорганических веществ должны быть близки, а сами материалы не должны претерпевать фазовых превращений. Для этих целей используют сплавы 30НКД (29,5…30,5 % Ni; 13…14,2 % Со; 0,05% С; 0,3…0,5 % Сu; ост. Fe) и 29НК (28,8 % Ni; 17,8 % Со; 0,02 % С; ост. Fe).
Сплавы со средними величинами a - это 47ХНР (46…48 % Ni; 4,5…6,0 % Сr; ост. Fе) и 47НД (47,4 % Ni; 5,1 % Сu; ост. Fе).
Немагнитные сплавы с заданными температурными коэффициентами линейного расширения характеризуются средними значениями a и низкой магнитной восприимчивостью. К числу этих сплавов относят 75НМ (никельмолибденовый), 80НМВ и 70НВД (никельмолибденвольфрамовый и никельвольфрамовый, легированный медью до 1…2 %).
1.7.4. Сплавы с эффектом «памяти формы»
В последнее десятилетие в технике все более широкое использование получают сплавы, обладающие эффектом «памяти формы», т.е. способностью восстанавливать форму в результате протекания фазовых превращений.
В основе этого эффекта лежит явление термоупругого мартенситного превращения, предсказанного Г. В. Курдюмовым в 1948 г. и затем обнаруженного им на алюминиевой бронзе (Сu + 14 % Аl; 1,5 % Ni).
Эффект проявляется в том, что если изменение формы материала проводить при температуре ниже начала мартенситного превращения Мн, а затем материал нагревать до температуры обратного мартенситного превращения (линия Ан на рис. 22), то проявляется возврат к исходной форме.
Рис. 22. Зависимость положения точек прямого Мн и обратного Ан мартенситного превращения от концентрации никеля в сплавах Fe – Ni
Наблюдается и обратный эффект. Если ленту или проволоку свернуть в спираль при повышенной температуре (> Ан), затем охладить до температуры ниже мартенситной точки Мн, чтобы прошло прямое мартенситное превращение, и в мартенситном состоянии разогнуть, то при повторном нагреве до температуры выше Ан в результате протекания обратного мартенситного превращения выпрямленный образец вновь примет спиральную форму. Изменение формы при нагреве и охлаждении может происходить многократно.
В настоящее время эффект «памяти формы» обнаружен на сравнительно большом числе сплавов с различной химической основой: никелиде титана (нитиноле) Н50Т50, сплавах на основе меди (Сu + 15 % Ni; 36 % (ат.) Аl), на никелевой основе (Ni + 36 % (ат.) Аl), сплавах систем Мn - Сu, Мn - Ni, Мn - Gе и др. Материалы с эффектом «памяти формы» получили широкое распространение в космической технике (в частности, для антенн), авиации, атомной энергетике (в качестве соединительных элементов трубопроводов, различных термодатчиков), в медицине и т.п., причем нередко в виде монокристаллических изделий. Интенсивно проводится как разработка новых составов сплавов с эффектом «памяти формы», так и поиск новых областей их использования в технике.
Многие из сплавов с эффектом «памяти формы» обладают также высокой демпфирующей способностью (способностью гасить упругие механические и акустические колебания). Поэтому такие сплавы очень перспективны для конструкций, испытывающих вибрационные нагрузки. Высокой демпфирующей способностью обладают сплавы систем Мn - Сu, Мn - Рd и др., например 70ГНДХ, 70ГНХ, 56ДГНХ и др.