6.6. Никелевые сплавы
Никель относится к тяжелым цветным металлам; его плотность 8900 кг/м3, температура плавления 1452 °С, температура кипения 3000 °С.
Технически чистый никель (99,5 %) применяют для изготовления слитков. Для фасонных отливок используют никель с добавкой, %: Si 1,0...2,0; Мn 1,0...1,5; С менее 0,3; 5 менее 0,03; Мg 0,08...0,1; Fе 1,0 и Сu менее 0,3. Кроме того, он используется в качестве составляющей самых разнообразных сплавов: инвара (сплав на основе железа с содержанием 36 % Ni; температурный коэффициент линейного расширения 1,5 • 10-5 К-1), пермалоя (80 % Ni, имеет высокую магнитную проницаемость), монетного мельхиора, нихрома и уникальных жаропрочных сплавов, применяемых для отливок лопаток газотурбинных двигателей.
Названные сплавы, так же как и сам никель, обладают высокой коррозионной стойкостью, жаростойкостью и особенно жаропрочностью.
Единая маркировка никелевых литейных сплавов в настоящее время отсутствует. Имеются сплавы с маркировкой легированных сталей, как, например, нихром Х20Н80, сплав ХН78Т, а также с маркировкой буквами и порядковым номером (ЖСЗ, Ж6, ЖС6К)
(табл. 6.11).
По поводу взаимодействия никеля с другими элементами можно отметить следующее. Углерод в небольших (0,1...0,3%) количествах является хорошим раскислителем. При 1318 °С углерод образует с никелем эвтектику (2,2 % С). Недопустимо, чтобы углерод выделялся в виде графита, поэтому содержание углерода в никелевых сплавах ограничивается (оно должно быть ниже 0,2 %).
Сера, свинец, висмут, сурьма, мышьяк, фосфор, кислород являются вредными примесями уже при содержаниях 0,005%. В некоторых случаях влияние серы может быть нейтрализовано добавками Мg, Са, Тi, Ве, а влияние свинца — добавками циркония.
С большинством элементов, таких как А1, Сu, Мn, Со, Fе, Тi, Сr, Nb, Мо, никель образует твердые растворы, эвтектики, а также интерметаллидные фазы. При этом эвтектика плавится при довольно высоких температурах, что является важным для жаропрочных сплавов. Примером может служить алюминий (рис. 6.7). До 5 % А1 растворяется в твердом никеле, эвтектика образуется при температуре 1385 ˚С и содержит 12 % А1; образуется также устойчивый интерметаллид М3А1.
Основой жаростойких и жаропрочных сплавов является система Ni—Сr. Из жаростойких сплавов одним из самых известных является нихром, содержащий 20... 23 % Сr. Он обладает невысокой прочностью (σв = 500 МПа), высокими пластичностью и жаростойкостью, которая обеспечивается образованием плотного оксидного слоя Сr2О3.
Нихром используется в качестве основы практически для всех жаропрочных сплавов, обладающих длительной прочностью при высоких температурах. Для увеличения жаропрочности в сплав на основе Ni—Сr вводят, как видно из табл. 6.11, Со, Тi, А1, W, Мо, В. Наиболее высокую жаропрочность имеют сплавы типа ЖС, структура которых представляет твердый раствор приведенных выше элементов в основе Ni—Сr, а также интерметаллидов, карбидов и боридов. Заметно увеличение жаропрочности от сплава ЖС3 к сплавам ЖС6 и ЖС6К, которое в большой степени обеспечивается увеличением содержания А1 и Тi.
Для сплавов типа ЖС используется классическая термическая обработка: закалка при температурах 1150... 1230 °С и искусственное старение при температурах 800...950°С, близких к рабочим.
Из коррозионно-стойких сплавов следует отметить прежде всего сплавы на основе Ni—Сu, называемые «монель-металлом». Известно несколько композиций сплавов на основе никеля и меди. Чаще в качестве третьего компонента используется кремний. Как правило, рекомендуемое содержание кремния 1,0... 1,2 %. При содержании более 1 % Si сплавы становятся немагнитными. В химической промышленности широко применяется сплав Ni—Si (90 % Ni, 10 % Si) (за рубежом известен под названием «хастеллой D»). Литые детали из этого сплава используют в условиях контакта с серной кислотой всех концентраций и другими агрессивными средами. Коррозионно-стойкие сплавы хорошо сопротивляются износу и превосходят высококремнистые чугуны. Температура ликвидуса сплавов Ni—Si (в том числе с добавками 3 % Сu) составляет 1100... 1120 ˚С.
Сплавы системы Ni—Сu—Sn относят к бронзам, их называют «высоконикелевыми бронзами» (содержат 40... 50 % Ni). Содержание никеля и олова должно выдерживаться в соотношении 10:1 во избежание их старения (растрескивания).
Высоконикелевые бронзы используются для изготовления отливок втулок и седел паровых клапанов, корпусов центробежных насосов, уплотнительных колец, коррозионно-стойких подшипников.
Особенности литейных свойств никелевых сплавов. Никелевые сплавы в большинстве случаев имеют узкий интервал кристаллизации, но достаточно высокую температуру ликвидуса и поэтому характеризуются удовлетворительной жидкотекучестью. Склонны к образованию сосредоточенных усадочных раковин. Линейная усадка находится в пределах 1,9... 2,0 %.
В отливках могут образовываться горячие трещины, газовая пористость, дендритная ликвация, неметаллические включения, плены.
В производстве отливок из жаропрочных сплавов используются самые современные технологические процессы: плавка и заливка в вакууме, организация направленной кристаллизации с целью получения структуры столбчатых кристаллов, расположенных вдоль оси главных растягивающих напряжений (лопатки) или вдоль оси магнитов.