Лахтин_Матеориаловедение

Магнитные свойства трансформаторной стали анизотропны. Магнитная проницаемость µmax вдоль направления [111] в 30 раз меньше, чем в направлении [100]. Текстурованную листовую сталь изготовляют с ребровой текстурой, когда ребро куба [100], т. е. направление легкого намагничивания параллельно направлению прокатки, а плоскость (100) параллельна плоскости проката.

В текстурованной холоднокатаной стали по сравнению с изотропной сталью, содержащей то же количество кремния, при больших значениях индукции (1,75— 1,9 Тл) потери на перемагничивание меньше и соответственно меньше удельные потери.

При толщине листа 0,5 мм потери P1,5/50 составляют 2,45 Вт/кг (сталь 3411) и 1,5 Вт/кг (сталь 3414), снижаясь до 0,89—0,97 Вт/кг (сталь 3415, 3416) при толщине листа 0,28—0,3 мм. Листы, предназначенные для работы в силовых агрегатах, при высоких частотах переменного тока должны быть толщиной 0,1—0,35 мм, так как при этом меньше снижается проницаемость и не столь сильно возрастают удельные потери с увеличением частоты тока.

Удельное электрическое сопротивление сталей с низким содержанием кремния (2011, 2111) составляет 0,14—0,17 мкОм·м повышаясь до 0,4—0,5 мкОм·м для высококремнистых сталей (2311, 2411).

Для получения больших значений индукции в очень слабых магнитных полях применяют сплавы Fe—Ni, получившие название пермаллой. Сплавы подразделяют на две группы: низконикелевые (45—50 % Ni) и высоконикелевые (79—83 % Ni). Низконикелевые пермаллои (45Н, 50Н, 60НХС) имеют повышенную магнитную проницаемость µΗ = 4 мГн/м и µmax = 38 мГн/м и индукцию насыщения Вс = 1,0÷1,5 Тл. Высоконикелевые пермаллои (79НМ, 81НМА) характеризуются очень высокой магнитной проницаемостью в слабых полях (µΗ = 25÷88 мГн/м и µmax— 150÷300 мГн/м) при сравнительно небольшой индукции насыщения (~0,75 Тл). Пермаллои часто легируют Мо и Сr, которые уменьшают чувствительность к пластической деформации, повышают удельное электрическое сопротивление и магнитную проницаемость. Медь повышает удельное электрическое сопротивление и стабилизирует свойства. Пермаллои получают из чистейших сортов никеля и железа вакуумным переплавом. Изготовляют пермаллои в виде листов и лент магнитопроводов. Термическая обработка сводится к отжигу при 1100—1300 °С в вакууме (водороде) с последующим медленным охлаждением со скоростью 100 °С/ч до 400 °С и дальнейшим быстрым охлаждением со скоростью 400 °С/ч, при котором не происходит упорядочения твердого раствора. Такая обработка, кроме того, позволяет получить крупное зерно и уменьшить содержание в сплавах примесей. Применяют пермаллои в радиотехнике и телефонии.

Парамагнитные стали. В электротехнике, приборостроении, судостроении и специальных областях техники требуются немагнитные (парамагнитные) стали. Для этой цели используют парамагнитные аустенитные стали 17Х18Н9, 12Х18Н10Т, 55Г9Н9ХЗ, 50Г18Х4, 40Г14Н9Ф2, 40Х14Н9ХЗЮФ2 и др.

Недостатком этих сталей является низкий предел текучести (150—350 МПа), что затрудняет их использование для высоконагруженных деталей машин. Прочность может быть повышена за счет деформационного и дисперсионного упрочнения. Повышение износостойкости деталей, работающих в узлах трения, достигается азотированием (стали 40Г14Н9Ф2, 40Х14Н9ХЗЮФ2 и др.).

2. МЕТАЛЛИЧЕСКИЕ СТЕКЛА (АМОРФНЫЕ СПЛАВЫ)

Металлические стекла, или аморфные сплавы, получают путем охлаждения расплава со скоростью, превышающей скорость кристаллизации (106—108 °С/с). В этом случае, зарождение и рост

371

кристаллической фазы становятся невозможными и металл после затвердевания имеет аморфное строение1. Высокие скорости охлаждения

могут быть достигнуты различными методами, однако наиболее часто используется закалка из расплава на поверхности быстро вращающегося диска (рис. 177). Этот метод позволяет получить ленту, проволоку, гранулы, порошки.

Получение аморфной структуры в принципе возможно для всех металлов. Наиболее легко аморфное состояние достигается в сплавах А1, Pb, Sn, Си и др. Для получения металлических стекол на базе Ni, Со, Fe, Μn, Cr к ним добавляют неметаллы или полуметаллические элементы С, Р, Si, В, As, S и др. (аморфообразующие элементы). Аморфные сплавы чаще отвечают формуле М80Х20, где Μ — один или несколько переходных элементов, а X — один или несколько неметаллов или других аморфообразующихэлементов (Fe80P13C, Ni82P18, Ni80S20).

Аморфное состояние металлов метастабильно. При нагреве, когда подвижность атомов возрастает, протекает процесс кристаллизации, что постепенно приводит металл (сплав) через ряд мета-стабильных в стабильное кристаллическое состояние. Механические, магнитные, электрические и другие структурночувствительные свойства аморфных сплавов значительно отличаются от свойств кристаллических сплавов. Характерной особенностью аморфных сплавов являются высокий предел упругости и предел текучести при почти полном отсутствии деформационного упрочнения.

Так, например, аморфный сплав Fe80B20 имеет σТ = 3600 МПа, a Fe60Cr6Mo6B28 — σТ = 4500 МПа. Высокими механическими свойствами (σТ ≥4500 МПа) обладают аморфные сплавы на основе кобальта.

Аморфные сплавы нередко хрупки при растяжении, но сравнительно пластичны при изгибе и сжатии. Могут подвергаться холодной прокатке. Установлена линейная связь между пределом текучести и твердостью (HV = 3,2σТ) для сплавов на основе железа и кобальта. Прочность аморфных сплавов близка к теоретической E/σТ ≈ 50. Это объясняется, с одной стороны, высоким

1 В аморфных твердых телах, как и в жидкости (расплаве), сохраняется ближний порядок в

расположении атомов.

372

значением σТ, а с другой — более низкими значениями модуля упругости Ε (на 30—50 %) по сравнению с кристаллическими сплавами.

Аморфные сплавы на основе железа и содержащие не менее 3—5 % Cr обладают высокой коррозионной стойкостью. Хорошую коррозионную стойкость имеют и аморфные сплавы на основе никеля. Аморфные сплавы Fe, Со, Ni с добавками 15—25 % аморфообразующих элементов В, С, Si, Ρ используют как маг- нитно-мягкие материалы.

Магнитно-мягкие аморфные сплавы делят на три основные группы:

1) аморфные сплавы на основе железа (например, Fe8lSi3,5B13,5C2) с высокими значениями магнитной индукции (1,60— 1,61 Тл) и низкой коэрцитивной силой (32—35 мА/см);

2)железоникелевые сплавы (например, Fe40oNi40P14B6) со средними значениями магнитной индукции (0,75—0,8 Тл) и более низким значением коэрцитивной силы, чем у железных сплавов (6—7 мА/см);

3)аморфные сплавы на основе кобальта (например, Co66Fe4 (Mo, Si, B)30), имеющие сравнительно небольшую индукцию насыщения (0,55 Тл), но высокие механические свойства (900— 1000 HV), низкую коэрцитивную силу (Нс = 2÷4 мА/см) и высокое значение магнитной проницаемости. Вследствие очень высокого удельного электрического сопротивления аморфные сплавы характеризуются низкими потерями на вихревые токи — это их главное достоинство.

Магнитно-мягкие аморфные сплавы применяют в электротехнической и электронной промышленности (магнитопроводы трансформаторов, сердечников, усилителей, дроссельных фильтров и т. д.). Сплавы с высоким содержанием кобальта идут для изготовления магнитных экранов и магнитных головок, где важно иметь материал с высоким сопротивлением износу.

Область применения металлических стекол пока еще ограничена тем, что быстрым охлаждением (закалкой) из жидкого состояния их удается получить только в виде тонких лент (до 60 мкм) шириной до 200 мм и более или проволоки диаметром 0,5—20 мкм. Однако имеются широкие перспективы развития материалов этой группы.

3.СТАЛИ И СПЛАВЫ С ВЫСОКИМ ЭЛЕКТРИЧЕСКИМ СОПРОТИВЛЕНИЕМ ДЛЯ НАГРЕВАТЕЛЬНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ

Высокое электрическое сопротивление сплавов может быть достигнуто в том случае, если их структура — твердый раствор. Согласно правилу Курнакова при образовании твердых растворов электросопротивление возрастает, достигая максимального значения при определенном для каждой системы содержании эдементов. Эта же структура позволяет деформировать сплавы с большим обжатием, получать тонкие ленту и проволоку, обладающие высоким электросопротивлением. Кроме высокого электросопротивления стали и сплавы

373

этого назначения при нагреве должны обладать окалиностойкостью и достаточной прочностью для сохранения формы нагревателей в процессе работы.

Окалиностойкие сплавы на железной основе с высоким электрическим сопротивлением. Чаще для электронагревательных приборов применяют хромоалю-миниевые низкоуглеродистые сплавы ферритного класса: Х13Ю4 (фехраль), 0Х23Ю5 (хромель), 0Х27Ю5А, обладающие высокими жаростойкостью и электрическим сопротивлением. Чем выше содержание в сплавах хрома, алюминия, тем выше окалиностойкость и рабочая температура нагревательного элемента.

Количество углерода в сплавах строго ограничивают (0,06—0,12%), так как появление карбидов снижает пластичность и сокращает срок службы нагревателей. Ниже приведены характеристики этих сплавов:

Указанные сплавы изготовляют металлургической промышленностью в виде проволоки и ленты. Сплавы малопластичны, поэтому нагреватели, особенно крупные, следует выполнять при подогреве до 200—350 °С. После первого нагрева до рабочей температуры вследствие роста зерна нагреватели становятся хрупкими. Сопротивление ползучести ферритных сплавов невелико, поэтому нагреватели при высоких температурах (1150—1200 °С) нередко провисают под действием собственной массы.

Сплавы на никелевой основе. Высоким омическим сопротивлением обладают

твердые растворы на основе никеля.

Наиболее известными сплавами с высоким сопротивлением являются сплавы никеля с хромом Х20Н80 (нихромы) с рабочей температурой до 1050 °С.

Для удешевления нихромов и улучшения их технологических свойств часть никеля заменяют железом. Нихромы с железом называют ферронихромами. Из ферронихромов следует упомянуть Х15Н60, содержащий 25% Fe, который имеет максимальную рабочую температуру 1000 °С. Сплавы с высоким электрическим сопротивлением применяют для нагревателей электрических печей, бытовых приборов, а также резисторов, терморезисторов и тензодатчиков.

4. СПЛАВЫ С ЗАДАННЫМ ТЕМПЕРАТУРНЫМ КОЭФФИЦИЕНТОМ ЛИНЕЙНОГО РАСШИРЕНИЯ

Сплавы с заданным температурным коэффициентом линейного расширения широко применяют в машиностроении и приборостроении. Наиболее распространены сплавы Fe—Ni, у которых коэффициент линейного расширения α при температурах от —100 до 100 °С с увеличением содержания никеля до 36% резко уменьшается, а при более высоком содержании никеля вновь возрастает. При температуре 600— 700 °С такого явления не наблюдается и коэффициент линейного расширения в зависимости от состава изменяется плавно, что объясняется переходом сплавов в парамагнитное состояние. Таким образом, низкое значение температурного коэффициента линейного расширения связано с влиянием ферромагнитных эффектов.

Это свойство сплавов Fe—Ni широко используется в технике. Так, детали машин и приборов, которые должны сохранять постоянство размеров при нагреве до 100 °С и охлаждении до

—100 °С (штриховые меры в метрологии, детали геодезических мерных приборов), изготовляют из ферромагнитного сплава 36Н (~0,05 % С и 36 % Ni, остальное Fe), получившего название

374

инвар. Сплав 36Н имеет минимальное значение коэффициента линейного расширения в системе Fe—Ni, α = 1,5·10-6 °C-1.

Для впаев в стеклянные или керамические корпуса или детали вакуумных приборов проводников применяют сплавы Fe—Ni, добавочно легированные кобальтом или медью, имеющие равный со стеклом коэффициент линейного расширения и близкую температурную зависимость. Для вакуумных впаев в молибденовые стекла применяют сплав 29НК, называемый поваром. (29 % Ni и 18 % Со, остальное Fe), у которого α = (4,6÷5,5)10-6 °С-1. При нагреве при впаивании сплава 29НК на его поверхности образуется пленка оксидов, взаимодействующая со стеклом. Это приводит к образованию плотного сцепления (адгезии) между стеклом и сплавом.

Для изготовления деталей, спаиваемых со стеклом (например, в телевизионных кинескопах), имеющих α ≤ 8,7·10-6 °C-1, применяют и более дешевые ферритные железохромистые сплавы 18ХТФ и 18ХМТФ (0,35 % Мо; 0,36 % V; 18 % Сr; 0,6 % Ti). Эти сплавы имеют одинаковые свойства, но сплав 18ХТФ дешевле, так как он не содержит молибдена.

5. СПЛАВЫ СЭФФЕКТОМ «ПАМЯТИФОРМЫ»

При напряжениях выше предела упругости после снятия нагрузки металл не воспроизводит первоначальные размеры и форму. Сравнительно недавно открыты сплавы, обладающие эффектом «памяти формы». Эти сплавы после пластической деформации восстанавливают свою первоначальную геометрическую форму или в результате нагрева (эффект «памяти формы»), или непосредственно после снятия нагрузки (сверхупругость). Так, если проволоку закрутить в спираль при высокой температуре и выпрямить при низкой температуре, то при повторном нагреве проволока вновь самопроизвольно закручивается в спираль.

Механизмом, определяющим свойства «памяти формы», является кристаллографическое обратимое термоупругое мартенситное превращение — эффект Курдюмова. Термоупругое мартенситное превращение сопровождается изменением объема, которое носит обратный характер, обеспечивая «память». В сплавах с эффектом «памяти формы» при охлаждении происходит рост термоупругих кристаллов мартенсита, а при нагреве — их уменьшение или исчезновение. Эффект «памяти формы» наиболее хорошо проявляется, когда мартенситное превращение происходит при низких температурах и в узком интервале температур, иногда порядка нескольких градусов.

В настоящее время известно большое число двойных и более сложных сплавов с обратным мартенситным превращением, обладающих в разной степени свойствами «памяти формы»: Ni—

ΑΙ, Ni—Со, Ni—Ti, Ti—Nb, Fe—Ni, Cu—Al, Cu—Al—Ni и др.

Наиболее широко применяют сплавы на основе мононикелида титана NiTi, получившие название нитинол. Эффект «памяти

375

формы» в соединении NiTi может повторяться в течение многих тысяч циклов. Нитинол обладает высокой прочностью (σΒ = = 770÷1100 МПа, σТ = 300÷500 МПа), пластичностью (δ = 10—15 %), коррозионной и кавитационной стойкостью и демпфирующей способностью (хорошо поглощает шум и вибрацию). Его применяют как магнитный высокодемпфирующий материал во многих ответственных конструкциях. Имеются данные, что из нитинола изготовляют антенны спутников Земли. Антенна скручивается в маленький бунт, а после запуска в космос восстанавливает свою первоначальную форму при нагреве до температуры выше 100 °С. Нитинол широко используется в автоматических прерывателях тока, запоминающих устройствах, для изготовления деталей машин и вычислительной техники, в темпе-ратурно- чувствительных датчиках.

Вопросы для самопроверки

1.Какие требования предъявляются к материалам для постоянных магнитов? Какие стали и сплавы применяют для изготовления постоянных магнитов?

2.Какие Вы знаете магнитно-мягкие материалы? Где применяют магнитномягкие материалы?

3.Какие стали применяют для изготовления деталей, не требующих магнитности?

4.Где применяют сплавы инвар и ковар?

5.Какие Вы знаете сплавы с эффектом «памяти формы»?

6.Какие свойства имеют аморфные сплавы? Где применяют аморфные сплавы?

Г Л А В А XVIII. ТУГОПЛАВКИЕ МЕТАЛЛЫ И ИХ СПЛАВЫ

Наибольшее значение в технике имеют следующие тугоплавкие металлы: Nb, Mo, Cr, Та И W соответственно с температурой плавления 2468, 2625, 1875, 2996 и 3410 °С.

Интерес к тугоплавким металлам и сплавам на их основе (табл. 32) резко возрос в связи со строительством ракет, космических кораблей, ядерных реакторов и развитием энергетических установок, отдельные детали и узлы которых работают при температуре до 1500—2000 °С.

Тугоплавкие металлы и их сплавы используют главным образом как жаропрочные.

Молибден, вольфрам и хром обладают высокой жаропрочностью, однако они склонны к хрупкому разрушению в результате высокой температуры порога хладноломкости, которую особенно сильно повышают примеси внедрения С, N, Н и О. После деформации ниже температуры рекристаллизации (1100—1300 °С) порог хладноломкости молибдена и вольфрама понижается. Ниобий и тантал в отличие от вольфрама и молибдена — высокопластичные металлы и хорошо свариваются. Следует указать, что ниобий имеет более низкий порог хладноломкости и менее чувствителен к примесям внедрения. Указанные металлы обладают высокой коррозионной стойкостью, в том числе в кислотах и щелочах.

Молибден и вольфрам в чистом виде используют в радио- и электронной промышленности (нити накаливания, листовые аноды, сетки, пружины катодов, нагреватели, контакты и т. д.), в химическом машиностроении, стекольной про-

376

мышленности и т. д. Вследствие малого поперечного сечения захвата нейтронов и отсутствия взаимодействия с расплавленными щелочными металлами ниобий применяют для изготовления теплообменников ядерных реакторов 1.

Жаропрочность чистых металлов сравнительно невелика. Более высокой жаропрочностью обладают сплавы на основе тугоплавких металлов. Жаропрочность тугоплавких металлов может быть повышена путем легирования их элементами с более высокой температурой плавления, образующими твердые растворы замещения. Еще более эффективным оказывается механизм дисперсионного упрочнения в результате образования карбидов (ZrC, TiC, (Ti, Zr)C и др.). нитридов (ZrN, TiN и др.) и оксидов (ZrO8). Однако следует учитывать, что легирование с целью повышения жаропрочности часто приводит к снижению пластичности. Все тугоплавкие металлы обладают низкой жаростойкостью, поэтому при температуре свыше 400—600 °С их нужно защищать от окисления. Разработаны металлические, интерметаллидные и керамические покрытия для защиты от окисления. Для молибдена и вольфрама лучшими считаются термодиффузионные силицидные покрытия (MoSi2, WSi2). Поверхностные покрытия чаще применяют для деталей одноразового действия. Тугоплавкие металлы широко используют в качестве жаропрочных для работы в неокислительной среде — в вакууме, водороде, инертных газах, а также в среде отходящих пороховых газов.

1 Для этой цели чаще используют цирконий.

377

Весьма перспективны для многих отраслей техники сплавы на основе ниобия (см. табл. 32). Они обладают хорошей технологичностью, свариваемостью и достаточно высокой жаропрочностью до 1300 °С.

Температура хладноломкости ниобия ниже —196 °С. Благодаря высокой коррозионной стойкости и малому сечению захвата тепловых нейтронов сплавы ниобия нашли применение в конструкциях ядерных реакторов.

Для повышения жаропрочности ниобий легируют молибденом, вольфрамом, упрочняющими твердый раствор, и цирконием, который не только упрочняет твердый раствор, но и образует карбидные и нитридные фазы.

Вопросы для самопроверки

1.Где используют тугоплавкие металлы?

2.Каковы достоинства и недостатки тугоплавких металлов?

3.Назовите методы защиты молибдена от окисления?

ГЛ А В А XIX. ТИТАН И СПЛАВЫ НА ЕГО ОСНОВЕ

1. ТИТАН

Титан—металл серого цвета. Температура плавления титана (1668 ± 5) °С. Титан имеет две аллотропические модификации: до 882 °С существует α-титан (плотность 4,505 г/см3), который кристаллизуется в гексагональной решетке с периодами а = 0,2951 нм и с = 0,4684 нм (с/а = 1,587), а при более высоких температурах — β-титан (при 900 °С плотность 4,32 г/см3), имеющий ОЦК-решетку, период которой а = 0,3282 нм. Технический титан ИЗГОТОВЛЯЮТ двух марок: ВТ1-00 (99,53 % Ti); ВТ1-0 (99,46 % Ti).

Азот, углерод, кислород и водород увеличивают твердость и прочность титана, но понижают пластичность, ухудшают свариваемость и снижают сопротивление коррозии (рис. 178). Особенно вреден водород, охрупчивающий титан, из-за выделения гидридов. Содержание водорода в сплавах не должно превышать 0,015 %.

Технический титан (ВТ1—00, ВТ1—0) имеет σΒ = 300÷ 550 МПа, δ = 20÷25, ψ = 60÷80 %, KCU< 1,0÷1,2 МДж/м2, σ-1 = 160÷225 МПа, Ε = 14·104 МПа.

На поверхности титана легко образуется стойкая оксидная пленка, повышающая сопротивление коррозии в морской воде, в некоторых кислотах и других агрессивных средах. Титан устойчив к кавитационной коррозии под напряжением1.

Технический титан обрабатывается давлением, сваривается дуговой сваркой в атмосфере защитных газов и контактной сваркой2, но плохо обрабатывается резанием. Титан поставляют в виде листов, труб, прутков, проволоки и других полуфабрикатов.

1 Титан склонен к коррозии под напряжением в присутствии NaCl — «солевая коррозия», а также при наличии острых надрезов и усталостных трещин.

2 Сварка затруднена большой химической активностью титана, склонностью его к росту зерна и фазовыми превращениями.

378

2. СПЛАВЫ НА ОСНОВЕ ТИТАНА

Сплавы на основе титана получили значительно большее применение, чем технический титан. Легирование титана Fe, ΑΙ, Μn,

Cr, Sn, V, Si (см. рис. 178) повышает его прочность (σΒ, σ0,2), но одновременно снижает пластичность (δ, ψ) и вязкость (KCU).

Жаропрочность повышают А1, Zr, Mo, а коррозионную стойкость в растворах кислот — Mo, Zr, Nb, Та и Pd. Титановые сплавы имеют высокую удельную прочность σΒ/γ. Как и в железных сплавах, легирующие элементы оказывают большое влияние на полиморфные превращения титана.

Такие элементы, как ΑΙ, Ν, О, повышают температуру полиморфного превращения α β и расширяют область α-фазы (рис. 179, а); их называют α-стабилизаторами. Такие элементы, как Мо, V, Mn, Fe, Cr, понижают температуру полиморфного превращения α β и расширяют область существования β- фазы; их называют β-стабилизаторами. Некоторые β-стабилиза-торы (Cr, Mn, Fe и др.) образуют с титаном интерметаллические TixMy соединения. При охлаждении β-фаза претерпевает эвтек-тоидное превращение β → α + TixMy (рис. 179, б). Такие β-ста-билизаторы называют эвтектоидообразующими. Эвтектоидное превращение протекает медленно, и после обычных скоростей охлаждения сплав состоит из фаз α и β, а не α + эвтектоид (а + TixMy).

Превращение α β в сплавах происходит в интервале температур. Как правило, все промышленные сплавы титана содержат алюминий.

В соответствии со структурой различают: α-сплавы, имеющие структуру (рис. 180, а) — твердый раствор легирующих элементов в α-титане; основной легирующий

379

элемент в α-сплавах — алюминий, кроме того, они могут содержать нейтральные элементы (Sn, Zr) и небольшое количество

β-ста-билизаторов (Mn, Fe, Cr, Mo); α + β-сплавы (рис. 180, б),

состоящие из α- и β-стабилизаторов (Mn, Fe, Cr и др.).

Термическая обработка титановых сплавов. Титановые сплавы в зависимости от их состава и назначения можно подвергать отжигу, закалке, старению и химико-термической обработке. Чаще титановые сплавы подвергают отжигу. Отжиг α- сплавов проводят при 800—850 °С, а α + β-сплавов — при 750— 800 °С Листы и листовые полуфабрикаты отжигаются при более низкой температуре (740—760 °С). Применяется и изотермический отжиг — нагрев до 870—980 °С сплава и далее выдержка при 530—660 °С С повышением количества β-стабилизатора температура отжига снижается. Температура отжига α + β- сплавов не должна превышать температуры превращения α + β → β (температуры Ас3),