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.