Магнитные стали и сплавы

Жаропрочные стали и сплавы

 

Жаропрочность – это сопротивление металла механическим нагрузкам при высоких температурах. При этом может наблюдаться явление ползучести, когда происходит процесс непрерывной деформации металла под действием постоянной нагрузки. Ползучесть происходит при температурах выше порога рекристализациии или при нагрузках выше, чем граница упругости.

Повышение сопротивления ползучести достигается легированием стали, при этом повышается энергия межатомной связи и тормозятся диффузионные процессы, а после термической обработки формируется гетерогенная структура, которая состоит из твердого раствора и дисперсных или интерметаллидных фаз, когерентных с основой.

Для работы при температурах до 350оС применяются обычные углеродистые и легированные стали.

При температурном интервале эксплуатации 350...500оС используют стали ферритного и перлитного класса 15ХМ, Х6М, 25Х1МФ и др.

К жаропрочным сталям, работающим при температурах 500...650оС относятся стали аустенитного класса 10Х18Н9М, 09Х14Н16Б и др. Для достижения высокой прочности при эксплуатационных температурах производят закалку этих сталей 1050…1200оС в воде, масле или на воздухе и старение при 600…850оС. Температура старения не должна вызывать заметной коагуляции избыточных фаз.

Если рабочая температура деталей составляет 650…800оС, то для их производства применяют дисперсионно-твердеющие сплавы на основе никеля - нимоники (ХН65ВМТЮ, ХН77ТЮ и др.). Термическая обработка нимоников, которая обеспечивает структурное состояние с максимальной жаропрочностью, заключается в закалке с охлаждением на воздухе и последующем отпуске (старении) при 700…750оС длительностью 10…16 ч. При старении образуются интерметаллидные фазы типа Ni3 (Ti, Al), когерентно связанные с основным раствором, а также карбиды и нитриды титана, увеличивающие жаропрочность.

 

 

Магнитные стали и сплавы в зависимости от значений коэрцитивной силы подразделяются на магнитотвердые (низкая магнитная проницаемость и коэрцитивная сила Нс превышает 4000 А/м) и магнитомягкие (большая магнитная проницаемость и коэрцитивная сила Нс < 4000 А/м).

Для обеспечения высокой коэрцитивной силы магнитотвердые стали должны иметь структуру со значительным количеством дефектов строения (дислокаций, блоков, межзеренных границ и т. д.), которые вызывают внутренние напряжения и искажения кристаллической решетки. Этим требованиям отвечает мартенситная структура, что дает возможность использовать в качестве магнитотвердых материалов высокоуглеродистые стали У10, У11, У12, которые после закалки в воде имеют Нс = 4800...5200 А/м. Однако они прокаливаются на небольшую глубину, поэтому их применяют для изготовления магнитов сечением 4...7 мм.

Для изготовления больших по размеру магнитов применяются стали, легированные хромом и кобальтом: ЕХ, ЕХ3, ЕХ5К5. Они имеют значительно лучшую прокаливаемость и более высокую коэрцитивную силу (до 10 кА/м). Содержание углерода в этих сталях составляет ~ 1,0%. Для улучшения магнитных свойств производят сначала воздушную закалку от 1050…1250оС, а затем закалку с 850...1000оС. Воздушная закалка или нормализация необходима для растворения крупных карбидов, которые могут не раствориться при нагреве под вторую закалку. Обработка холодом устраняет парамагнитный остаточный аустенит и тем самым повышает магнитные свойства. Отпуск при 100оС стабилизирует коэрцитивную силу во времени.

Для производства еще более больших магнитов применяют специальные сплавы с содержанием алюминия до 7%, никеля – до 14%, кобальта – до 40%, меди – до 4%, (алнико-сплавы). Наиболее распространенным является сплав ЮНДК40Т8АА, который имеет Нс более 145 000 А/м.

Для обеспечения минимальной коэрцитивной силы и высокой магнитной проницаемости магнитомягкий материал должен быть чистым от примесей и включений и иметь гомогенную структуру (чистый металл или твердый раствор). В качестве таких материалов применяют электротехническое железо, которое содержит не более 0,005% С и имеет название армко-железо.

Электротехнические стали представляют собой практически безуглеродистые ферритные сплавы железа с кремнием до 5%. Последний существенно увеличивает магнитную проницаемость и снижает коэрцитивную силу. Электротехнические стали маркируются буквой "Э" и дальше указывается номер марки, который характеризует электротехнические свойства стали.

На основе никеля существуют сплавы с высокой магнитной проницаемостью, которые имеют название пермаллои. Самыми распространенными являются сплавы с 50% Fe и 50% Ni, а также высоконикелевые сплавы, легированные молибденом.