4. Деформируемые магнитотвердые сплавы

Сплавы на основе пластичных металлов (Ге, Со, Си), их марки и магнитные свойства приведены в табл. 16.13. Сплавы подвергают об­работке давлением, что позволяет использовать их как магниты в виде тонких лент и проволоки. Хорошие магнитные свойства получают после

Таблица 16.13. Магнитные свойства деформируемых сплавов для изготовления магнитов

Сплав	Химический состав, %	Магнитная анизотропия	^шах? кДж/м3	Нс, кА/м	Вг, Тл
Хромко (30ХК25)	45Ее; ЗОСг; 25Со	Нет	7,7	56	0,8
		Есть	16,3	62	0,9
Викаллой (52К13Ф)	52Со; 35Ее; 13У	»	8,8	28	0,6
Кунико	50Си; 21№; 29Со	Нет	6,5	36	0,53
Кунифе	60Си; 20№; 20Ее	Есть	6,7	47	0,55
Платинакс (ПлК78)	78Р1; 22Со	-	40	320	0,80

закалки и старения, что объясняется образованием мелкодисперсных фер­ромагнитных фаз в немагнитной основной фазе. В процессе пластической деформации в хромко, кунифе и викаллое возможно формирование кри­сталлографической текстуры, что дополнительно улучшает магнитные свойства. Сплав кобальта с платиной характеризуется высоким значени­ем Н_с, его магнитная мощность ш_тах близка по значению к ш_тах литых сплавов Ее — № - А1. Единственный недостаток сплава — присутствие драгоценного металла, что ограничивает его применение.

Глава 17

МАТЕРИАЛЫ С ОСОБЫМИ ТЕПЛОВЫМИ СВОЙСТВАМИ

1. Сплавы с заданным температурным коэффициентом линейного расширения

К этой группе материалов относят сплавы системы Ге - №. При боль­ших содержаниях никеля в сплавах образуется непрерывный ряд твердых растворов с ГЦК решеткой (см. рис. 16.8). Температурный коэффициент линейного расширения твердых растворов в функции состава изменяется сложно (рис. 17.1), что дает возможность создавать сплавы с малым тем­пературным коэффициентом линейного расширения — инварные сплавы.

З

а-10⁶, к^-1

Рис. 17.1. Зависимость темпера­турного коэффициента линейного расширения от содержания нике­ля в железоникелевых сплавах:

1 - а-фаза; 2 - 7-фаза

аниженное значение темпера­турного коэффициента линейного расширения в инварных сплавах имеет ферромагнитную природу и объясняется большой магнитострик- цией парапроцесса.

Во всех ферромагнитных мате­риалах, кроме сплавов инварного типа, намагниченность Мд в обла­сти парапроцесса с ростом поля практически не меняется (рис. 17.2, штриховая линия). В сплавах ин­варного типа намагниченность в этой области увеличивается (сплош­ная линия) в результате дополни­тельной ориентации спиновых мо­ментов электронов, несколько раз- ориентированных тепловым дви­жением, и вызывает большие магни- тострикционные явления.

М

Рис. 17.2. Основная кривая намагничивания

г>е

Рис. 17.3. Схема изменения формы и размера домена фер­ромагнетика под влиянием вну­треннего магнитного поля

агпитострикция — изменение размеров ферромагнетика при его намагничивании (см. гл. 16). В области технического намагничивания (Н < Н₅) магнитострикция носит линейный характер, в области пара­процесса (Я > Н_в) — объемный.

Такие же явления возникают под влиянием внутреннего магнитного поля ферромагнетика (рис. 17.3): в отсутствие внешнего поля форма и размер домена искажены магнитострикцией. Истинные размеры выявля­ются лишь при нагреве до температур выше температуры точки Кюри (1 > в), когда устраняются все магнитострикционные деформации в свя­зи с переходом в парамагнитное состояние. Истинные размеры домена условно показаны на рис. 17.3 в виде квадрата. При охлаждении до тем­ператур ниже точки Кюри (I < в) линейная магнитострикция искажает форму домена, вытягивая его в направлении вектора самопроизвольной намагниченности (превращая квадрат в прямоугольник). Объемная маг­нитострикция увеличивает размеры домена (прямоугольника).

В кристаллах ферромагнетика, исключая сплавы инварного типа, магнитострикция, возникшая из-за внутреннего поля, не обнаруживает­ся, так как объемная магнитострикция в них мала, а линейная — ком­пенсируется деформацией доменов в различных направлениях. В сплавах же инварного типа размеры ферромагнетика оказываются увеличенными, так как в них велика объемная составляющая магнитострикпии.

Температурный коэффициент линейного расширения для ферромаг­нетиков в общем виде определяется формулой

а = ац — А,

где ао — нормальный коэффициент линейного расширения, зависящий от энергии связи атомов; Л — ферромагнитная составляющая коэффициента линейного расширения, обусловленная объемной магнитострикцией пара­процесса.

Изменение размеров детали из инварного сплава при нагре­ве, описываемое формулой А\ — = Ио(1 + о!), показано схема­тично на рис. 17.4. Нормаль­ная составляющая размера Ао, определяемая энергией связи ато­мов, растет вследствие уменьше­ния энергии при нагреве. Этот рост компенсируется уменьшени­ем магнитострикции, так как при нагреве уменьшается намагниченность ферромагнетика из-за тепло­вых колебаний атомов.

В результате размер А при нагреве до температуры точки Кюри увеличивается незначительно, а для некоторых инварных сплавов даже уменьшается, т.е. коэффициент линейного расширения имеет отрицатель­ное значение.

Так, сплав, содержащий 54 % Со, 9 % Сг и 37 % Те, в интервале тем­ператур 20 — 70°С имеет а = -1,2- 10~⁶ К^-1. Этот сплав из-за высокого содержания хрома имеет хорошие антикоррозионные свойства.

При нагреве выше температуры точки Кюри ферромагнитная соста­вляющая коэффициента теплового расширения исчезает вследствие пере­хода сплава в парамагнитное состояние, и коэффициент а резко возраста­ет. Все сказанное объясняет аномально заниженные значения коэффици­ента а у инварных сплавов.

В инварных железоникелевых сплавах, содержащих 29-45 % №, об­наружена ферромагнитная аномалия коэффициента а. Минимальное зна­чение коэффициента а в интервале 0 — 100 °С имеет сплав Ге + 36 % N1. При более высоких температурах этот минимум наблюдается в сплавах с большим содержанием никеля.

Сплав 36Н, называемый инваром, — основной представитель сплавов с минимальным коэффициентом а. Низкое значение коэффициента а в области температур 20 — 25 °С, а также хорошие механические, техноло­гические и антикоррозионные свойства позволили использовать инвар как конструкционный материал для деталей приборов, от которых требуется постоянство размеров при изменении температуры в условиях эксплуата­ции.

Значения коэффициента а зависят от содержания примесей (особенно углерода) и технологии термической обработки сплава.

Углерод в процессе термической обработки образует пересыщенные твердые растворы внедрения. В процессе эксплуатации из-за выделения углерода значения коэффициента а изменяются. Это связано с изменени­ем параметра кристаллической решетки и магнитострикции парапроцес- са, поэтому содержание углерода в сплаве должно быть минимальным (не более 0,05 %). Минимальное значение коэффициента а у инвара достига­ется после закалки от 830°С, в процессе которой все примеси переходят в твердый раствор. Отпуск при 315 °С в течение 1 ч приводит к выделению мелкодисперсных избыточных фаз; последующее старение при 95 °С в те­чение 48 ч снимает все остаточные напряжения, возникающие в процессе технологической обработки деталей, и стабилизирует значение коэффици­ента а.

Свойства инвара дополнительно улучшают легированием кобальтом и медью. Сплав такого типа, называемый суперинвар, имеет еще более низкое значение а (табл. 17.1).

Таблица 17.1. Температурный коэффициент линейного расширения сплавов инварного типа (ГОСТ 10994—74)

Сплав	Содержание элементов, %			а-106, К-1		Т емперату рн ый интервал измерения, °С
	N1	Со	Си
36Н (инвар)	35 37		-		1,5		-60.	.100
32НКД (суперинвар)	31,5-33	3,2-4,2	0,6 -0,8		1		-60.	.100
29НК (ковар)	28,5 - 29,5	17-18	-		4,5-6,5		-70.	.420
ЗЗНК	32,5-33,5	16,5 - 17,5	-		6-9		-70.	.470
47НД (платинит)	46-48	-	4,5-5,5		9 11		-70.	.440

Особую группу составляют сплавы для пайки и сварки со стеклом. Составы этих сплавов подобраны таким образом, чтобы коэффициент а сплава соответствовал коэффициенту а материала, с которым произво­дится соединение, во всем интервале температур, вплоть до размягчения стекла. Это обеспечивает сохранение спая при нагреве и охлаждении (в процессе изготовления и в условиях эксплуатации) и получение герметич­ного соединения.

Помимо этого основного требования к сплаву выдвигается требование в отношении пластичности и хорошей обрабатываемости давлением.

Основной представитель этой группы — сплав 29НК (ковар) имеет такой же коэффициент а, как термостойкое стекло, вольфрам и молибден.

В этом сплаве часть никеля заменена кобальтом, что повышает темпера­туру точки Кюри и расширяет область его применения до 420 °С. При тех же температурах начинается размягчение термостойкого стекла.

Сплав пластичен и хорошо обрабатывается давлением, поэтому он заменил менее пластичные и нежаростойкие вольфрам и молибден в элек­тровакуумном производстве.

Сплав 47НД (платинит) относится к группе сплавов, имеющих такой же коэффициент а, как платина и нетермостойкие стекла. Его использу­ют для сварки и пайки с такими стеклами в электровакуумной промыш­ленности. Вследствие высокого содержания никеля сплав имеет высокую температуру точки Кюри.

Для пайки с керамикой применяют сплав ЗЗНК, являющийся анало­гом ковара, но с повышенным содержанием никеля. Для такой пайки не требуется очень точного совпадения коэффициентов а, что упрощает тех­нологию изготовления этого сплава.

В качестве терморегулятора в приборостроении используют биметал­лические пластинки, сваренные из двух материалов с различным значени­ем коэффициента а. Для этих целей обычно используют инвар 36Н, имею­щий минимальное значение коэффициента а, и сплав с 25 % N'1, у которого коэффициент а очень большой (20-10^_6 К^-1). При нагреве пластинка би­металла сильно искривляется и замыкает (либо размыкает) электричес­кую цепь.