2. Сплавы с постоянным модулем упругости

В ряде случаев требуется металл с постоянными, не изменяющимися с температурой модулями упругости (Е, G), применяемый для пружин различных точных приборов, для камертонов и т. д. В этом случае применяют сплавы, называемые элинварами (постоянная упругость), содержащие около 36% Ni и 8% Сr, остальное — железо.

Температурный коэффициент модуля нормальной упругости этих сплавов колеблется в пределах . У этих сплавов коэффициент примерно в десять раз меньше, чем для углеродистой стали, и в 20 раз меньше, чем для аустенитной стали.

Состав конкретных марок элинваров и других промышленных сплавов приведен в таблице 2.14.

Таблица 2.14

Состав сплавов с низким температурным коэффициентом модуля упругости

Название	Марка сплава	С, %	Cr, %	Ni, %	W, %	Остальные	Mn
Элинвар	ЭИ25	0,4	7,3 – 8,3	36,5 – 38,5	—	—	0,3 – 0,8
Элинвар	ЭИ574 Н35ХМВ	0,7 – 0,8 1,14 – 1,26	7,0 – 0,9 8,5 – 9,5	33 – 35 34.3 – 35,7	2 – 4 2 – 4	— 1,8 – 2,2 Мо	2,0 – 3,0 0,8 – 0,9
Ниспен-С	—	< 0,06	5,1 – 5,7	41 – 43	—	2 – 2,6 Тi; 0,4 – 0,8 Al	0,3 – 0,6

Сплав элинвар применяют преимущественно в нагартованном состоянии, а сплав ниспен-С — после закалки с отпуском или закалки с последующей пластической деформацией.

2. Магнитные стали и сплавы

Из всех металлов только три (железо, кобальт, никель) обладают ферромагнетизмом, т. е. способностью значительно сгущать магнитные силовые линии, что характеризуется магнитной проницаемостью. Относительная магнитная проницаемость ферромагнитных металлов достигает десятков и сотен тысяч единиц; для остальных она близка к единице.

Как известно, вещество, относительная магнитная проницаемость которого несколько больше единицы, называется парамагнитным, меньше единицы — диамагнитным.

Важнейшими являются следующие магнитные характеристики:

• Остаточная индукция-Br- это магнитная индукция, остающаяся в образце после его намагничивания и снятия магнитного поля (измеряется в Гауссах, Гс).

• Коэрцитивная сила Нс — напряженность поля, которая должна быть приложена к образцу для того, чтобы его размагнитить (измеряется в эрстедах, Э).

Интенсивность намагничивания называется магнитной проницаемостью; магнитная проницаемость в весьма слабых полях называется начальной магнитной проницаемостью.

Магнитные сплавы подразделяют на две группы, резко отличающиеся формой гистерезисной кривой и значениями основных магнитных характеристик. К первой группе относятся магнитно-твердые сплавы. Они характеризуются главным образом большим значением Нс и применяются для постоянных магнитов.

Ко второй группе относятся магнитномягкие сплавы. Для них характерно малое значение Нс и малые потери на гистерезис. Их применяют как сплавы, подвергаемые переменному намагничиванию (например, сердечники трансформаторов).

Особую группу составляют сплавы с высокой начальной магнитной проницаемостью, которые должны интенсивно намагничиваться в слабых полях. Легирование металла вызывает повышение магнитной твердости.

Если образуется только твердый раствор (в железе или в другом ферромагнитном металле), то магнитная твердость (т.е. коэрцитивная сила), повышается незначительно; образование же второй фазы при легировании в количестве выше предела растворимости активно повышает коэрцитивную силу. Чем выше дисперсность второй фазы в сплаве, тем выше его коэрцитивная сила.

Напряжения в решетке, вызванные наклепом или фазовыми превращениями, измельчение зерна и другие отклонения от равновесного состояния вызывают повышение коэрцитивной силы. Это значит, что изменения в строении, вызывающие повышение механической твердости, повышают и магнитную твердость (коэрцитивную силу). Этим оправдывается применение терминов: магнитная твердость или мягкость.

Стали и сплавы для постоянных магнитов (магнитнотвердые сплавы)

От материалов для постоянных магнитов требуется высокое значение коэрцитивной силы и остаточной индукции, а также их постоянство во времени. Остальные магнитные характеристики для этой группы сплавов практического значения не имеют. Рассмотрим высококоэрцитивные сплавы, используемые для постоянных магнитов.

Углеродистая сталь применяется для изготовления небольших по размеру магнитов. Обычно для этой цели используется сталь У10—У12, которая после закалки имеет .

Хромистая сталь (1% С и 1,5 или 3 % Сr) имеет приблизительно такие же магнитные свойства, что и углеродистая. Эти стали обладают большой прокаливаемостью, и поэтому из них можно изготавливать магниты больших размеров.

Кобальтовые стали (содержащие наряду с хромом 5 или 15% Со) обладают наиболее высокими магнитными свойствами по сравнению с другими сталями. Однако дефицитность кобальта и то обстоятельство, что более высокие магнитные свойства достигаются в сплавах Fe—Ni—Аl (менее дефицитных), крайне ограничили применение кобальтовых сталей.

Сплавы Fe—Ni—Al (11—14% Аl; 22—34% Ni; остальное — железо так называемого сплава «Альнико» или ЮНДК); в них можно получить коэрцитивную силу 400—500 Э при остаточной индукции 6000—7000 Гс. Столь высокое значение магнитных свойств позволяет изготавливать мощные магниты весьма малых габаритов и массы, что имеет большое значение для приборостроения (рис. 2.28).

В таблице 2.15 приведены несколько марок стали для постоянных магнитов.

Таблица 2.15

Состав стали для постоянных магнитов

Марка стали	С, %	Сr, %	Остальные
ЕХ	0,95 – 1,10	1,3 – 1,6	—
ЕХ3	0,90 – 1,10	2,8 – 3,6	—
Е7В6	0,68 – 0,78	0,3 – 0,5	5,2 – 6,2W
ЕХ5К5	0,90 – 1,05	5,5 – 6,5	5,5 – 6,5Co
ЕХ9К15М	0,90 – 1,05	8,0 – 10,0	1,2 – 1,7Mo 13,5 – 16,5Co

В последнее время начинают применять различные магнитные деформируемые текстурованные сплавы. Эти сплавы сравнительно легко обрабатываются резанием, и их выпускают главным образом в виде полос, лент и т.д. В качестве такого сплава можно указать, например, на викаллой. Один из типов викаллоя (52% Со, 14% V, Fe — остальное) дает остаточную индукцию около 10 000 Э при коэрцитивной силе около 400 Гс.

Рис. 2.28 размер магнитов из различных материалов, имеющую одинаковую магнитную мощность.

Получили также применение высококоэрцитивные сплавы на основе соединений редкоземельных металлов.

Магнитномягкие сплавы

В отличие от магнитнотвердых материалов – сплавов для постоянных магнитов, где требуется высокая коэрцитивная сила, большую группу магнитных сплавов представляют так называемые магнитномягкие сплавы, которые в первую очередь должны иметь низкую коэрцитивную силу.

Если высокая магнитная твердость достигалась получением неравновесной, высокодисперсной структуры, то для получения магнитной мягкости необходимо максимальное приближение к равновесному состоянию, а также необходимо получить крупное зерно, устранить источники, вызывающие искажения решетки и дробление блоков.

Кроме низкой коэрцитивной силы, магнитномягкие материалы должны иметь еще и высокую магнитную проницаемость в слабых, средних или сильных полях, низкие потери на перемагничивание и т. д.

Естественно, что наиболее подходящим магнитномягким материалом являются чистые металлы, в первую очередь чистое (технически чистое) железо. В отдельных ограниченных случаях применяют сплавы на основе не только железа, но и других металлов — никеля и кобальта.

Рассмотрим отдельные виды магнитномягких материалов.

Техническое железо — практически почти чистое железо, в котором все примеси, особенно углерод, являются вредными и поэтому их содержание строго ограничивается.

Промышленность изготавливает две марки технического железа (по химическому составу), каждая из которых в свою очередь разделяется на сорта по магнитным характеристикам (табл. 2.16).

Таблица 2.16.

Химический состав технического железа

Марка железа	С, %	Mn, %	Si, %	S, %	P, %	Cu, %
А	0,025	0,035	0,03	0,025	0,015	0,15
Э	0,040	0,20	0,20	0,030	0,025	0,15

Магнитные свойства железа (кроме его чистоты) зависят еще от структурного состояния. Наклеп резко ухудшает магнитные свойства, укрупнение зерна — улучшает. Для получения крупного зерна и устранения наклепа металл подвергают отжигу при высокой температуре. Технически чистое железо применяют для изготовления сердечников, реле и электромагнитов постоянного тока, магнитных экранов, полюсов электрических машин и других деталей.

Электротехническая сталь представляет собой ферритный сплав железа с кремнием (3% Si).

Железокремнистый твердый раствор вследствие искажений в решетке, вызванных наличием в ней инородных атомов кремния, имеет более высокую коэрцитивную силу, чем чистое железо, однако в этом сплаве при нагреве можно получить крупное зерно, которое при охлаждении не измельчается, и это на практике приводит к тому, что значение коэрцитивной силы получается в таком материале не больше, чем в обычном железе.

Электротехническую сталь изготавливают в виде тонких листов, которые используют для изготовления сердечников трансформаторов, магнитопроводов электрических машин и аппаратов переменного и постоянного тока.

Листовая электротехническая сталь подразделяется по сортаменту (главным образом по толщине), способу производства (холоднокатаный и горячекатаный лист), степени анизотропии, а также основным магнитным характеристикам (магнитная индукция и удельные потери) и степени легирования кремнием.

Для листовых электротехнических сталей принята иная система маркировки, чем для обычных сталей. Эти стали маркируют следующим образом: после первой буквы Э следуют две или больше цифр. Первая цифра за буквой Э показывает содержание кремния (содержание кремния в пределах: 0,8—1,8%, 1,8—2,8%, 2,8—3,8%, 3,8—4,8% обозначается соответственно цифрами: 1, 2, 3, 4). Вторая цифра характеризует уровень электротехнических свойств (чем цифра выше, тем выше эти свойства). После первых двух цифр иногда ставят один или два нуля. Один нуль показывает, что сталь холоднокатаная текстурованная, два нуля — холоднокатаная малотекстурованная.

Таким образом марка Э12 означает электротехническую горячекатаную сталь с 1 % Si и второго уровня по электротехническим свойствам, а марка Э1200 — такую же сталь, но холоднокатаную слаботекстурованную.

Железоникелевые сплавы (пермаллои) — в определенных узких пределах содержания никеля (около 78,5%) имеют исключительно высокую начальную магнитную проницаемость, тогда как у обычного технического железа она приблизительно в десять раз меньше, что очень важно для приборов, работающих в слабых полях (радио, телефон, телеграф).

Прочие магнитомягкие сплавы:

Альсифер. В системе Al—Si—Fe сплав, содержащий 5,4% А1, 9,6% Si и 85% Fe, обладает высокой магнитной проницаемостью, однако он хрупок и из него нельзя изготавливать листы, поэтому его применяют в виде порошка (для изготовления магнитодиэлектриков).

Пермендюр — сплав (50% Со, 1,8% V, остальное железо) с высокой индукцией насыщения. Применяют для изготовления приборов при необходимости сконцентрировать в небольшом пространстве мощный поток силовых линий. Железо имеет магнитное насыщение 21500 Гс, а сплав пермендюр 23 800 Гс.

Термаллой — сплав, индукция которого весьма резко изменяется в интервале температур от —60 до +50° С. Применяют для автоматической корректировки погрешностей магнитоэлектрических приборов.

Немагнитные стали

В электромашиностроении от материала требуются немагнитность и механическая прочность.

Вместо цветных металлов для этой цели применяют более дешевые немагнитные аустенитные стали. Аустенитные нержавеющие или износоустойчивые стали пригодны как немагнитные, если по прочностным свойствам они удовлетворяют поставленным требованиям. Однако сталь Г13 часто не проходит по прочностным и технологическим свойствам, а аустенитные нержавеющие стали слишком дороги в качестве материала для деталей большой массы (например, для немагнитных бандажных колец в турбогенераторах). В этом случае применяют стали, легированные марганцем, хромом, алюминием при сравнительно повышенном содержании углерода (около 0,4%) и ограниченном содержании никеля. Аустенитная структура получается в результате закалки, а упрочнение — при холодном наклепе.

Раньше в качестве немагнитных применяли стали с высоким содержанием никеля (ЭИ269). В настоящее время найдены составы с меньшим содержанием дефицитного никеля (55Г9Н9ХЗ) или даже совершенно без никеля (45Г17ЮЗ), где в качестве аустенитообразователя выступает марганец. Марганец как аустенитообразователь действует в два раза слабее никеля, поэтому для получения устойчивого аустенита увеличивают содержание углерода. Если полностью отказаться от присадки никеля, то аустенитная структура и немагнитность могут быть получены в стали состава: 0,4% С и 17% Мn. Это — сталь типа стали Гадфильда с присущей ей склонностью сильно упрочняться при деформировании и, следовательно, плохо подвергаться обработке давлением, резанием и т.д., что в данном случае является недостатком. Присадка алюминия в марганцовистые аустенитные стали сильно уменьшает их склонность к упрочнению при деформации. Такая особенность легирования марганцовистого аустенита алюминием использована в наиболее экономичной и достаточно технологичной немагнитной стали 45Г17ЮЗ.

Электротехнические стали и сплавы

Магнитные и электрические свойства тесно связаны друг с другом, так как обусловлены одинаковыми физическими явлениями.. Электротехнические стали и сплавы делят на проводниковые, у которых сопротивление прохождению электрического тока должно быть минимальным, и сплавы электросопротивления с повышенным электросопротивлением. Первые применяют для передачи электроэнергии на расстоянии, вторые — для преобразования электроэнергии в тепло.

В качестве проводниковых материалов применяют чистые металлы: медь, алюминий, реже — серебро, железо, так как легирование (и наклеп) создает искажения в решетке и повышает электросопротивление.

Для элементов, электросопротивления требуется низкая электропроводность, поэтому в данном случае применяют не чистые металлы, а сплавы. Применяются эти сплавы для изготовления реостатов (так называемые реостатные сплавы) и для нагревательных элементов различных электрических приборов и электрических печей (сплавы высокого электросопротивления).

Для элементов высокого электросопротивления следует применять сплавы из металлов, образующих твердые растворы; обычно эти сплавы являются твердыми растворами высокой концентрации.

К сплавам высокого электросопротивления предъявляются следующие требования:

• Сплав должен обладать большим удельным электросопротивлением.

• Сплав должен обладать возможно малым температурным коэффициентом электросопротивления (т.е. чтобы электросопротивление мало изменялось при изменении температуры).

• Сплав должен обладать высокой окалиностойкостью. Для реостатного сплава, проволока из которого не нагревается выше 300—500 °С, это свойство не имеет существенного значения. Для нагревательных элементов печей и приборов, рабочая температура которых значительно выше, окалиностойкость сплава определяет срок службы нагревательного элемента.

Для реостатных сплавов применяют медные сплавы — никелин, Константан, манганин, являющиеся сплавами меди с никелем, цинком и марганцем.

Примесями в этих сплавах являются железо, кремний, свинец, сера, углерод, фосфор, мышьяк, предельное содержание которых строго ограничивается ГОСТом.