§2.7. Сплавы с особыми физическими свойствами

Твердые сплавы- изготавливаются методом порошковой металлургии (см. §4.7) . Состоят они из карбидов тугоплавких металлов (WC, TiC, TaC), соединенных кобальтовой связкой. В России изготавливают 3 типа сплавов:

1. Вольфрамовые (ВК3...ВК15). 2. Титановольфрамовые (Т30К4...Т15К12). 3. Титанотанталовольфрамовые (ТТ7К12...).

Маркировка и некоторые свойства:

ВК3: Co (кобальт) - 3%, WC- 97%; _и=10³МПа; _сж=5*10³МПа; 15 г/см³; HRA 89,5 .

Т15К6: TiC- 15%, Co- 6%, WC- 79%; _и=1,18*10³МПа; _сж=4*10³МПа; 11,5 г/см³; HRA 89,5 .

TT7K12: TiC+TaC- 7%, Co- 12%, WC- 81%; _и=1,65*10³МПа; =13 г/см³.

Чем меньше в сплаве ВК кобальта и мельче карбидные частицы, тем выше износостойкость, но ниже прочность и сопротивление ударам.

ВК3, ВК3-М - допускают высокую скорость резания при обработке чугуна, цветных металлов и неметаллических материалов.

ВК4, ВК6, ВК6-М, ВК8 - применяют для чернового точения, фрезерования, зенкерования, при обработке чугуна, жаропрочных сплавов, цветных металлов.

ВК10, ВК15- применяют для изготовления быстроизнашивающихся деталей. Они имеют высокую эксплуатационную прочность, но сравнительно низкую износостойкость.

Т30К4- используют для чистового точения, фрезерования, строгания стали.

Т15К6, Т5К10- применяют для чернового точения, фрезерования, строгания стали.

Титанотанталовольфрамовые сплавы применяют для черновой и чистовой обработки труднообрабатываемых материалов, жаропрочных сплавов и сталей.

Есть твердые сплавы, не содержащие дефицитного вольфрама (ТН-20, TiC+Ni+Mo), KHT-16 (Ni+Mo+ карбонитрид титана).

Для повышения срока службы на поверхности пластин из твердосплавных материалов наносят тонкие износостойкие карбидные (TiC) и нитридные (TiN) покрытия. Срок службы в ряде случаев повышается в 3-4 раза. При тяжелых условиях работы эффективность покрытий снижается.

Для чистовой обработки труднообрабатываемых материалов и закаленной стали (55HRCэ) применяют синтетический поликристаллический сверхтвердый материал на основе композитов. В исходный материал нитрид бора вводят разные легирующие добавки и наполнители и получают прочно связанные поликристаллы (эльбор Р, белбор, гекстанит-Р, поликристаллический нитрид бора).

Между российскими и зарубежными марками твердых сплавов существует определенное соответствие, показанное в таблице 2.4.

Магнитотвердые сплавы.

Изготавливаются для получения постоянных магнитов. Магнитная энергия постоянного магнита тем выше, чем больше остаточная магнитная индукция B_r (см. рис. 2.8) и коэрцитивная сила Н_с. Магнитная энергия пропорциональна произведению B_r*H_c. Для получения высокой коэрцитивной силы сплав должен иметь неравновесную структуру. Обычно это мартенсит с высокой плотностью строения, т.е. пересыщенный раствор углерода в Fe_.

Наиболее высокие магнитные свойства у сталей ЕХ5К5, ЕХ9К15М2 после нормализации, высокого отпуска, закалки и низкого отпуска при Т= 100С.

В промышленности широко применяют сплавы типа алнико (ЮНДК15- 18% Ni; 9%Al; 15%Co; 4%Cu; ЮН14ДК25А- 14%Ni; 8%Al; 25%Co;3,5%Cu). В подобных сплавах А, БА означают столбчатую структуру; АА- монокристаллическую структуру. Эти сплавы подвергают термомагнитной обработке, нагрев до 1300, охлаждение со скоростью 0,5- 5С/сек в магнитном поле вдоль направления наиболее важного для конкретного магнита. Затем отпускают при Т= 625С. После такой обработки магнитные свойства сплава становятся анизотропными и возрастают в направлении приложенного магнитного поля.

Области применения и класификация твердых сплавов Табл. 2.4

Группа применяемости			Марки твердых сплавов				Область
осно- вная	под- груп- па	Марки- ровочн. цвет	ГОСТ 3882-74	США	Sandvik Coromant (Швеция)	Sumimo-to, Япония	применения
Р	Р01 Р10 P15 Р20 P25 Р30 P40	синий	Т30К4 Т15К6 - Т14К8 TT20K9 Т5К10 T5K10	С8 С70 - С7 C60 C6 C50	F02, SID SIP, S10T - S2 GS1025 SM SM30 S30T S6	ST10P, AC10 ST10P, AC815 - ST20E - AC835 ST30E A30 ST40E AS835	Сталь; cтальное литье, нержавею-щая сталь, ковкий чугун, даю- щий сливную стружку. В основном для слив- ной струж- ки
	М10		ТТ8К6	-	R1P,HBA	-	Сталь, стлн.
	M20	желтый	ТТ10К8-Б	-	GS415	-	литье, мар-
M	M30		ВК10-ОМ	-	GC015 SG; H10F	-	ганцов. ст., легир. чуг.
	M40		TT7KK12	-	R4	-	жар-пр. ст
	К01		ВК3, ВК3М	С4	H05	H1,H2, AC10	Чугун (отбелен.,
	K05		ВК6-М	-	-	-	ковкий,
К	К10	красный	ВК6-ОМ	С3	H1P, GC310	G10E AC10	с короткой стружкой;
	K20		ВК6	С2	SMA, HBA, H20	G10E, A30	закаленная сталь;
	K30		ВК8, ВК8М	СТ	Н20, НВА	-	цветные металлы
	К40		ВК15	-	-	-	стр. надлома

Буква М в маркировке означает изготовление из мелких порошков; ОМ- из особо мелкого порошка; В- в марке ВК4-В- из крупнозернистого карбида.

Магнитномягкие стали (электротехническая сталь) применяется для изготовления магнитопроводов постоянного и переменного тока (якори, полюса машин постоянного тока, роторы и статоры асинхронных двигателей...).

Требования к ним: высокая магнитная проницаемость, малая коэрцитивная сила Н_с, малые потери при перемагничивании, на вихревые токи. Для этого ферромагнитный материал должен иметь гомогенную структуру, т.е. должен быть чистый металл или твердый раствор без примесей. После механической обработки металл должен быть полностью рекристаллизован для снятия внутренних напряжений. Применяют низкоуглеродистые железокремнистые сплавы, пермаллои (Ni+ Fe).

Марки электротехнической стали: 1212, 1311...; 2011, ...2412; 3411...3416.

1-я цифра- структура и вид прокатки (1- изотропная горячекатанная; 2- холоднокатанная изотропная; 3- холоднокатанная анизотропная).

2-я цифра- содержание кремния (0- до 0,4%; 1- 0,4...0,8%; 2- 0,8...1,8%; 3- 1,8- 2,4%....)

3-я цифра потери на гистерезис и тепловые потери;

4- я цифра- код числового значения параметра на гистерезис и тепловые потери.

Так, для стали 1212 при В= 1,5 Тесла частоте тока 50 Гц потери составляют 7,2 Вт/кг, а для 1514- 2,7 Вт/кг.

Металлические стекла - это аморфные сплавы. Получают их охлаждением расплава со скоростью, превышающей скорость кристаллизации 10⁶- 10⁸ С/сек. Здесь закалка происходит на поверхности быстровращающихся дисков. Получают ленту, проволоку, гранулы. Аморфное состояние метастабильно. При нагреве из-за возрастания подвижности атомов происходит кристаллизация. Пример: Fe₈₀B₂₀-имеет предел текучести 3600 МПа.

Аморфные сплавы хрупки при растяжении, но пластичны при изгибе и сжатии. Они используются как магнитно- мягкие материалы.

Сплавы с высоким электрическим сопротивлением для нагревательных

элементов.

Высокое электрическое сопротивление _э может быть достигнуто в случае структуры- твердый раствор. Эта структура позволяет деформировать сплавы в форму тонкой ленты, проволоку с высоким _э . Наиболее известны нихромы: Ni+ Cr. Рабочая температура до 1050С. Для удешевления нихромов и улучшения их технологических свойств часть никеля заменяют на железо. Такие сплавы называют ферронихромами. Сплавы на основе никеля и железа называются пермаллоями.

Сплавы с эффектом “памяти формы”.

Такие сплавы открыты сравнительно недавно. Они после пластической деформации восстанавливают свою первоначальную форму или в результате нагрева (охлаждения) или после снятия нагрузки.

Механизмом такого явления является кристаллографическое обратимое термоупругое мартенситное превращение- эффект Курдюмова. Термоупругое мартенситное превращение сопровождается изменением объема, которое носит обратный характер. Эффект “памяти формы” наиболее проявляется при низких температурах и в узком температурном интервале Т 2- 5С.

Используют следующие сплавы с эффектом памяти:

Ni-Ti; Ni-Al; Ni- Cu; Ti- Nb.

Наиболее широко применяют нитинол NiTi. В нем эффект памяти может повторяться многие тысячи циклов. NiTi имеет высокую прочность до 1100 МПа, пластичность (относительное удлинение до 15%, коррозионную и кавитационную стойкость, демпфирующую способность (хорошо поглощает шум и вибрацию)).

Из таких сплавов производят антенны спутников, которые после запуска в компактном виде распрямляются в первоначальную форму. Из NiT i делают детали в ЭВМ, разных датчиков.

Тугоплавкие металлы и сплавы.

Это Nb, Mo, Cr, Ta, W. Температура плавления 1875- 3410С. Тугоплавкие металлы и сплавы на их основе используются в ракетах, ядерных реакторах, энергоустановках в основном как жаропрочные, где Т_раб= 1500- 2000С.

Mo, W, Cr склонны к хрупкому разрушению из-за высокой температуры хладноломкости.

Nb, Ta - высокопластичные металлы. У них высокая коррозионная стойкость.

Из молибдена и вольфрама (Mo, W) изготавливают нити накаливания, аноды, пружины катодов и т.д. Ниобия (Nb) используют для изготовления ядерных реакторов.

В качестве жаропрочных обычно используют сплавы на основе отмеченных металлов. В чистом виде все тугоплавкие металлы имеют низкую жаропрочность, т.к. быстро окисляются. Разработаны специальные покрытия для защиты их от окисления.

Тугоплавкие металлы широко используются как жаропрочные в неокислительной среде.

Железо- никелевые сплавы

Имеют высокую магнитную проницаемость, резко уменьшающуюся при больших напряжениях поля и при высоких частотах. Магнитная проницаемость сильно зависит от механических напряжений. Это пластичные материалы.