Стали и сплавы с особыми физическими свойствами

СТАЛИ И СПЛАВЫ С ОСОБЫМИ ФИЗИЧЕСКИМИ СВОЙСТВАМИ

В этой главе рассмотрены стали и сплавы, для которых основным предъявляемым к ним требованием является обеспечение определенного уровня физических свойств.

Механические свойства этих сталей и сплавов чаще не имеют основного значения. Многие из этих сплавов являются прецизионными в смысле высокой точности химического состава и технологии производства.

Магнитные стали и сплавы. Различают магнитно-твердые и магнитно-мягкие магнитные стали (сплавы).

Магнитно-твердые стали и сплавы применяют для постоянных магнитов. Магнитная энергия постоянного магнита тем выше, чем больше остаточная индукция Вг и коэрцитивная сила Я . Магнитная энергия пропорциональна произведению Вг х Я. Учитывая, что значения Вг ограничены значениями намагниченности насыщения ферромагнетика (железа), увеличение магнитной энергии достигается повышением коэрцитивной силы Я..

Для получения высокой коэрцитивной силы стали должны иметь неравновесную структуру, обычно — мартенсит.

Для магнитов применяют высокоуглеродистые стали (чаще с 1,0% С), легированные хромом и кобальтом, ЕХ5К5, ЕХ9К15М идр. Хромистые, вольфрамовые и кобальтовые стали легко обрабатываются давлением и резанием, но обладают относительно малой магнитной энергией, поэтому из них изготавливают неответственные магниты массового производства. Коэрцитивная сила легированных сталей составляет 4,8—12 кА/м, остаточная индукция 0,8—1,0 Тл.

Наибольшее промышленное значение имеют сплавы а л н и к о, содержащие следующие основные элементы: 13—14% Ni; 7—9,5% А1; 15-40% Со; 2,5-3,5% Си и ост. Fe (ЮНДК15, ЮН14ДК25А, ЮНДК31ТЗБА, ЮНДК40Т8АА, ЮНДК35Т5АА и др.). Ряд сплавов содержит титан (3—8%), ниобий (0,8—1,0%). Коэрцитивная сила этих сплавов до 100—150 кА/м, остаточная индукция 0,75—1,15 Тл.

Сплавы тверды, хрупки и не поддаются деформации, поэтому магниты из них применяют в литом виде, после литья их только шлифуют.

Высокие магнитные свойства сплавы получают после нагрева до 1200— 1300°С и последующего охлаждения (закалки) с определенной

(критической) для каждого сплава скоростью охлаждения; после закалки следует отпуск при 550—650°С.

Дальнейшее повышение магнитной энергии достигается созданием в сплавах магнитной и кристаллографической текстур.

Магнитно-мягкие стали (электротехническая сталь). Общие требования, предъявляемые к магнитно-мягким материалам,— высокая магнитная проницаемость, низкая коэрцитивная сила, а для деталей магнитопроводов, работающих в переменных магнитных полях, малые потери при перемагничивании и малые потери на вихревые токи.

Для получения минимальной коэрцитивной силы и высокой магнитной проницаемости ферромагнитный материал должен быть чистым от примесей и включений, иметь гомогенную структуру (чистый металл или твердый раствор). Магнитная проницаемость возрастает, если зерно феррита крупнее. Даже слабый наклеп снижает магнитную проницаемость и повышает Я. Поэтому материал должен быть полностью рекристаллизован для устранения внутренних напряжений, вызываемых наклепом.

В качестве магнитно-мягкого материала широко применяют низкоуглеродистые железокремнистые сплавы (0,05—0,005% С; 0,8-4,8% Si). Кремний, образуя с a-железом твердый раствор, увеличивает электросопротивление и, следовательно, уменьшает потери на вихревые токи; кроме того, кремний повышает магнитную проницаемость, немного снижает коэрцитивную силу и потери на гистерезис вследствие вызываемого им роста зерна, графитизирующего действия и лучшего раскисления стали. Однако кремний понижает индукцию в сильных магнитных полях и повышает хрупкость, особенно при его содержании 3—4%.

Листовая электротехническая сталь чаще подвергается обезуглероживанию (черновому), отжигу при 720—800°С (выдержка 25 ч), рекристаллизационному отжигу после прокатки и окончательному отжигу в вакууме или в атмосфере сухого водорода при 1100—1200°С в течение 25—30 ч. После проведения высокотемпературного отжига в рулонах для снятия напряжений и рулонной кривизны дают дополнительный отжиг в атмосфере, состоящей из 4% Н₂ и 96% N_r

Электротехническую сталь изготовляют в виде рулонов, листов и резаной ленты. Сталь подразделяют: а) по структурному состоянию и виду прокатки на классы — горячекатаную изотропную, холоднокатаную изотропную и анизотропную с ребровой текстурой; б) по содержанию кремния на группы: 0 (до 0,4% Si); 1—0; 4—0; 8% Si; 2-0; 8-1; 8% Si; 3-1; 8-2; 8% Si; 4-2; 8-3; 8% Si; 5-3; 8—4; 8% Si; в) по основной нормируемой характеристике на группы 0,1, 2 — по удельным потерям; 6—по магнитной индукции в слабых магнитных полях и 7 — по магнитной индукции в средних магнитных полях.

С увеличением содержания в стали кремния индукция и потери на перемагничивание уменьшаются.

Холоднокатаную изотропную тонколистовую электротехническую сталь выпускают следующих марок: 2011,2012,2013,2111,2112,2211, 2212, 2311, 2312, 2411 и 2412. Удельные потери у этих сталей ниже, чем у горячекатаной при равном содержании кремния. Чем тоньше лист, тем меньше удельные потери, поскольку сильно уменьшаются потери на вихревые токи.

Холоднокатаная анизотропная (текстурованная) листовая сталь содержит 2,8-3,8% Si (3411, 3412, 3413, 3414, 3415, 3416, 3404, 3405, 3406) и относится к ферритному классу. Магнитные свойства анизотропной стали в продольном направлении прокатки (вдоль (100)) значительно выше, чем в поперечном. Текстура достигается многократной прокаткой и отжигом. В текстурованной холоднокатаной стали по сравнению с изотропной сталью, содержащей то же количество кремния, при больших значениях индукции потери на перемагничивание меньше.

Пермаллой. Для получения высоких значений индукции в слабых магнитных полях используют сплавы с высокой начальной и максимальной магнитной проницаемостью, называемые пермаллоями.

Различают низконикелевые пермаллои 50Н, 65НП, 50НХС (40—65% Ni) с начальной проницаемостью р до 2800 и намагниченностью насыщения 1,5 Тл и высоконикелевые пермаллои, например, 79НМА (78—80% Ni) с р до 25 000 и намагниченностью насыщения 7,5 Тл.

Нередко пермаллои легируют молибденом и хромом, которые способствуют уменьшению чувствительности к пластической деформации и скорости охлаждения, а также повышают удельное электросопротивление и магнитную проницаемость. Пермаллои выплавляют из чистейших сортов железа и никеля. Отжиг ведут при 1100— 1300°С в вакууме (водороде) с последующим охлаждением с определенной скоростью.

Окалиностойкие стали с высоким омическим сопротивлением. К этой группе относятся окалиностойкие стали с высоким электрическим сопротивлением для нагревательных элементов печей и др. Для этого широко используют ферритные стали, содержащие хром и алюминий, резко повышающие окалиностойкость и электросопротивление (Х13Ю4 — фехраль, 0X23Ю5, 0Х27Ю5А — хромаль).

Сплавы с высоким содержанием хрома и алюминия (0Х23Ю5, 0Х27Ю5А) малопластичны. Из них изготавливают литые элементы сопротивления, которые могут работать при температурах до 1200- 1250°С в атмосфере воздуха, кислорода, водорода, азота, сероводорода и углеводорода.

Сплавы с заданным температурным коэффициентом линейного расширения. В качестве материала с определенным коэффициентом термического расширения применяют железо-никелевые сплавы.

Для эталонов длины и прецизионных механизмов используют сплав инвар 36Н с 36% Ni. Сплав инвар имеет минимальный температурный коэффициент линейного расширения (а = 1,0 х 10 _6 ), практически мало изменяющийся в интервале температур от 0 до 100°С.

Для впаев в стеклянные вакуумные приборы применяют сплав системы Fe—Ni—Со — ковар (29НК), содержащий 29% Ni и 18% Со; а = 4х10 -6 °С -1 .

Стали и сплавы с особыми упругими свойствами. К этой группе относятся сплавы с низким температурным коэффициентом модуля упругости. Из них изготавливают пружины точных приборов, пружины часовых волосков, пружины гравиметров и других упругих элементов, которые должны иметь постоянные модули упругости в определенном интервале температур. Этим требованиям удовлетворяют сплавы типа элинвар.

Обычно применяют дисперсионно-твердеющие элинвары. Например, сплав на железоникелевой основе 42НХТЮ (42% Ni; 5,5 Сг; 2,7% Ti; 0,75% А1). После закалки с 950°С в воде сплав имеет аустенитную структуру, он обладает сравнительно низкой прочностью и высокой пластичностью (о_в = 700 МПа; 5 = 50%). После старения при 600°С о_в возрастает до 1500 МПа, а 8 снижается до 10%. Упрочнение достигается благодаря выделению из аустенита у’-фазы. Элинвар применяют в виде тонкой ленты (0,1 —0,2 мм) и проволоки диаметром

Для изготовления деталей электровакуумных и электротехнических приборов применяют кремнистый никель НК0,2; для катодов радиоламп содержание кремния повышают до 3,0%.

В качестве термоэлектродных сплавов, образующих между собой термопару с большой термоэлектродвижущей силон, применяют сплавы хромель (НХ9,0) и алюмель (НМцАК2-2-1). Никелевые сплавы используют и как магнитно-мягкие материалы.

ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОПРОВЕРКИ

1. Какие требования предъявляют к магнитно-мягким материалам?

Назовите марки электротехнических сталей и опишите их термическую обработку.

• 2. Какие стали и сплавы применяют для постоянных магнитов?
• 3. Какие Вы знаете окалиностойкие стали?

Марки сталей с особыми свойствами.

Предлагаем Вашему вниманию широкий ассортимент проката из легированных сталей с особыми свойствами: электротехнических, релейных, окалиностойких, нержавеющих, кислотостойких, магнитотвердых и магнитомягких сталей. «Особые свойства» стали приобретают благодаря введению в них в процессе изготовления некоторого количества определенного вещества, называемого легирующим элементом. В качестве легирующих элементов могут выступать алюминий, марганец и т.д.

Сортамент металлопродукции соответствует требованиям:

• прокат круглый — ГОСТ 2590-88, ГОСТ 7417;
• прокат квадратный — ГОСТ 2591-88, ГОСТ 8559;
• прокат шестигранный — ГОСТ 2879-88, ГОСТ 8560;
• прутки кованые квадратные и круглые — ГОСТ 1113-88;
• полосы — ГОСТ 103-76, ГОСТ 4405;
• со специальной отделкой поверхности — ГОСТ 14955.

Магнитная сталь

Магнитные стали применяются для изготовления электроизмерительных приборов, электромагнитов, постоянных магнитов, сердечников трансформаторов и т.п. Существуют два основных вида магнитной стали: магнитомягкая и магнитотвердая.

Магнитотвердая сталь

Магнитотвердые стали легируются хромом (Cr) или кобальтом (Co) и применяются для изготовления постоянных магнитов. Обозначение буквой «E». Марки магнитотвердых сталей: ЕХ, ЕХ3, Е7136, ЕХ9К15М.

Магнитомягкая сталь

Магнитомягкая сталь — один из видов магнитной стали, отличающийся очень высокой магнитопроницаемостью и применяющийся для изготовления сердечников трансформаторов, электроизмерительных приборов, электромагнитов. Обозначается буквой «Э» и содержит высокий процент кремния (Si). Марки: Э1, Э2, Э3, Э4, Э1АА.

Электротехническая сталь

Электротехническая сталь — тонколистовая магнитомягкая сталь, применяемая для изготовления магнитопроводов и электротехнического оборудования (электромагнитов, трансформаторов, генераторов, реле, стабилизаторов и т.п.).

Электротехническая легированная сталь

Легированная сталь — сталь, в которую при изготовлении в определенных количествах вводят специальные химические элементы, обеспечивающие требуемые свойства. Такие элементы называют легирующими.

Для легирования электротехнической тонколистовой стали используют кремний (Si) в количестве до 4,5% и алюминий (Al) в количестве до 0,5%.

Классификация электротехнических сталей

По видам продукции:

• сортовой прокат;
• листовой прокат;
• рулонная сталь;
• лента резанная.

По технологии производства:

• холоднокатаные стали (количество кремния до 3,3%):
  • изотропные — ГОСТ 21427.2-83;
  • анизотропные — ГОСТ 21427.1-83;
• горячекатаные изотропные стали (количество кремния до 4,5%) — ГОСТ 21427.2-83.

По количеству кремния:

• 0,8-2,5% Si — динамная сталь;
• 3-4,5% Si — трансформаторная сталь.

По термической обработке:

• термически обработанная на магнитные свойства — ТО;
• без термической обработки на магнитные свойства.

По точности прокатки:

• нормальной точности по ширине;
• нормальной точности по толщине — Н;
• повышенной точности по толщине — П;
• повышенной точности по ширине — Ш.

По серповидности (для рулонной стали и ленты):

• нормальной точности;
• повышенной точности — С.

• класс 1;
• класс 2.

По виду покрытия:

• без покрытия (с металлической поверхностью);
• без электроизоляционного покрытия, но с грунтовым слоем — БП;
• с электроизоляционным термостойким покрытием — ЭТ;
• с изоляционным покрытием, не ухудшающем штампуемость — М;
• с нетермостойким электроизоляционным покрытием, улучшающим штампуемость — НШ;
• с термостойким электроизоляционным покрытием, улучшающим штампуемость — ТШ;
• с термостойким электроизоляционным покрытием, не ухудшающим штампуемость — Т.

По коэффициенту заполнения:

• группа А;
• группа Б.

По уровню остаточных напряжений:

• с нормированными напряжениями — ОН;
• без нормирования напряжения.

Марки электротехнических легированных сталей

Марки изотропной тонколистовой стали х/к: 2011, 2012, 2013, 2014, 2015, 2016, 2312, 2411, 2412, 2413, 2414, 2421.

Марки анизотропной тонколистовой стали х/к: 3311 (3411), 3411, 3412, 3413, 3414, 3415, 3404, 3405, 3406, 3407, 3408, 3409.

Электротехническая нелегированная сталь

Одним из наиболее популярных видов электротехнической стали является нелегированная сталь тонколистовая или сортовая по ГОСТ 11036-75 и ГОСТ 3836-83 соответственно.

Классификация электротехнических сталей

По видам продукции:

• сортовой прокат;
• рулонный прокат;
• листовой прокат;
• лента резанная.

По методу изготовления:

• сталь сортовая электротехническая нелегированная — ГОСТ 11036-75;
• сталь электротехническая нелегированная тонколистовая и ленты — ГОСТ 3836-83.

• а — для горячей обработки давлением;
• б — для механической обработки по всей поверхности.

Марки электротехнических нелегированных сталей

Марки сортовой стали нелегированной: сталь 10895, 10880, 20880, 20895, 11880, 21880, 11895, 21895, 10850, 11850, 20850, 21850, 10860, 20860, 11860, 21860.

Марки стали электротехнической нелегированной тонколистовой и ленты: сталь 10895, 10832, 20832, 11832, 21832, 10848, 20848, 11848, 21848, 10860, 20860, 11860, 21860, 10880, 20880, 11880, 21880, 20895, 11895, 21895.

Обозначение марки сортовой стали: первая цифра* — вид обработки давлением (1 — горячекатаная и кованная сталь, 2 — калиброванная сталь); вторая цифра — тип по содержанию кремния (0 — сталь без нормирования коэффициента старения, 1 — сталь с заданным коэффициентом старения); третья цифра — группа по основной нормируемой характеристике (8 — коэрцитивная сила); четвертая и пятая цифры — значение основной нормируемой характеристики (коэрцетивной силы в целых единицах А/м).

Пример: сталь 10895 — горячекатаная магнитомягкая сталь без нормирования коэффициента старения со значением коэрцетивной силы 95.

* — для стали по ГОСТ 3836-83 первая цифра — вид проката (1 — горячекатаная изотропная, 2 — холоднокатаная изотропная сталь).

Сталь с особыми тепловыми свойствами

Стали с особыми тепловыми свойствами применяются в точных приборах, в которых необходим точный коэффициент теплового расширения или это расширение должно быть практически нулевым. Самые популярные виды стали с особыми тепловыми свойствами:

1. инвар Н36 (36% Ni) — для оптических и геодезических приборов, где требуется сохранение размеров при нагреве от 0 до +100°C;
2. платинит Н42 (42% Ni) — заменитель платины, коэффициент расширения которой очень мал и равен коэффициенту линейного расширения стекла;
3. элинвар Х8Н36 — для часовых пружин, камертонов и физических приборов, отличается постоянным модулем упругости практически постоянным при температуре −50-100°C.

Сталь с особыми химическими свойствами

Стали высоколегированные и сплавы с особыми химическими свойствами производятся по ГОСТ 5632-72 и подразделяются на несколько видов. В зависимости от химического состава сплавы могут быть на никелевой или железоникелевой основе. В качестве легирующих элементов используются титан (Ti), алюминий (Al), ниобий (Nb), ванадий (V), молибден (Mo), вольфрам (W), кобальт (Co), медь (Cu).

Коррозионностойкие (нержавеющие) стали и сплавы

Обладают стойкостью против электрохимической и химической коррозии (атмосферной, почвенной, щелочной, кислотной, солевой), межкристаллитной коррозии, коррозии под напряжением и т.п. Марки: 1Х13Н3, 1Х17Н2, 1Х11МФ, 0Х18Н11, 0Х18Н12Т, 00Х18Н10, Х17Н13М2Т, 95Х18, 14Х17Н2, 08Х17Т и др.

Жаростойкие (окалиностойкие) стали и сплавы

Окалиностойкие стали способны сопротивляться окислению в газовых средах при действии температур выше 500°С и небольших нагрузок. Применяются для изготовления камер сгорания, чехлов к термопарам и т.п. Марки стали: 15Х11МФ, 15Х5М, 13Х14Н3В2ФР, 12Х18Н12Т, 12Х13, 08Х18Н10Т, 15Х25Т, 10Х23Н18 и др.

Жаропрочные стали и сплавы

Жаропрочные стали способы сохранять прочность и не окисляться под действием высоких температур при повышенных нагрузок. Все жаропрочные стали способны сопротивляться окислению и окалинообразованию при температурах в 1150-1250°С. Применяются такие стали для производства лопаток газовых и паровых турбин, деталей реактивных двигателей и т.п. Марки: ХН23Т, Х27Ю5Т, ХН70Ю, ХН55ВМКЮ, ХН45Ю, 12МХ, 25Х1МФ, 15Х1М1Ф, 15Х5М и др.

Хладостойкие стали и сплавы

Сохраняют свои свойства при температуре от −40°С до −80°С. Марки: 0Х2Н4ВА, 12ХН3А, 15ХМ, 38Х2МЮА, 30ХГСН2А, 40ХН2МА и др.

17 Стали и сплавы с особыми свойствами

17. Стали и сплавы с особыми свойствами

К этой группе относят стали:

— с особыми химическими свойствами (нержавеющие, жаростойкие, жаропрочные);

— с особыми физическими свойствами (магнитные, с малым коэффициентом расширения).

17.1. Нержавеющие (коррозионностойкие) стали

К этой группе относятся стали, обладающие стойкостью против электрохимической коррозии.

Рекомендуемые файлы

Антикоррозионными свойствами обладает сталь в том случае, если она содержит большое количество хрома ( > 12 %) или хрома и никеля.

Применяют три типа хромистых нержавеющих сталей: с содержанием хрома 13, 17 и 27 %, содержащих углерода от 0,1 до 0,04 %.

Стали с содержанием хрома 17-18 % и 25-28 % имеют добавки Ti, Ni, которые вводят для измельчения зерна.

По виду равновесной структуры нержавеющие стали делятся на пять классов:

Например: сталь 12Х13 – мартенсито-ферритного класса (клапаны гидравлических насосов); сталь 40Х13 – мартенситного класса (хирургический инструмент); сталь 12Х17 – ферритного класса (оборудование азотнокислых заводов и пищевой промышленности); 12Х18Н9Т – аустенитного класса с большой коррозионной стойкостью (химическая, пищевая, нефтяная промышленность, авиастроение, транспортное машиностроение).

17.2. Жаростойкие и жаропрочные стали и сплавы

К жаростойким (окалиностойким) относят стали и сплавы, обладающие стойкостью против химического разрушения поверхности в газовых средах при температуре выше 550 °С и в слабонагруженном состоянии.

Способность стали сопротивляться окислению при высокой температуре называется жаростойкостью (окалиностойкостью).

На интенсивность окисления влияет состав стали и строение окисной (защитной) плёнки, плотность которой повышают такие химические элементы, как Cr, Si, Al.

Сталь 15X5 (5 % Сr) жаростойка до 700 о С, сталь 12X17 (17 % Сr) -до 900 о С, стала 15X28 (28 % Сr) — до 1100 — 1150 о С. Сплавы на никелевой основе с Сr и Al ( ХН70Ю с 26-29 % Сr и 2,8-3,5 % Al ) обладают жаростойкостью до 1200 °С.

Жаропрочность — способность материала сохранять необходимую длительную прочность при высоких температурах.

Ползучесть — это деформация, непрерывно увеличивающаяся и завершающаяся разрушением под действием постоянной нагрузки при длительном воздействии температуры.

Предел ползучести — это напряжение, вызывающее деформацию заданной величины (обычно от 0,1 до 1 %) за определенный промежуток времени (100, 300, 500, 1000 ч) при заданной температуре.

Факторами, способствующими жаростойкости, являются:

— высокая температура плавления основного металла;

— наличие в сплаве твердого раствора и мелкодисперсных упрочняющих фаз;

— пластическая деформация, вызывающая наклеп;

— высокая температура рекристаллизации;

— термическая и термомеханическая обработка;

— введение в жаропрочные стали бора, церия, ниобия, циркония, (в десятых, сотых и даже тысячных долях).

По температуре эксплуатации жаропрочные стали разделяют на группы:

— для работы при температуре до 350 – 400 о С (обычные конструкционные стали — углеродистые и малолегированные) ;

— для работы при температуре 400 — 550 о С (стали перлитного класса 15ХМ, 12Х1МФ для деталей котлов, труб паропроводов и пароперегревателей, нагруженные сравнительно мало, но работающие до 100 000 ч);

— для работы при температуре 500 — 600 о С (стали мартенситного класса: высокохромистые 15Х11МФ для лопаток паровых турбин; сильхромы 40Х9C2 для клапанов моторов; 20Х12ВНМФ для дисков, роторов, валов);

— для работы при температуре 500 — 750 о С (стали аустенитного класса: нестареющие 09Х14Н16В для труб пароперегревателей высокого давления; стареющие 40Х15Н7Г7Ф2МС для лопаток газовых турбин);

— для работы при температуре 800 — 850- 1200 °С (жаропрочные сплавы на никелевой основе ХН77ТЮР, ХН55ВМТФКЮ для лопаток турбин).

17.3. Криогенные стали и сплавы

Под криогенными сталями и сплавами подразумевают металлические материалы для машин и оборудования, предназначенные для получения, перевозки и хранения сжиженных газов и, следовательно, эксплуатируемых до температур кипения: кислорода (-183 о С), азота (-196 о С), неона (-247 о С), водорода (-253 о С) и гелия (-269 о С), а также сжиженных углеводородов (метила, бутана) (-80. -180 °С).

Стали, работающие при низких климатических температурах (до -50 о С), — это стали северного исполнения; от комнатной температуры до -80 о С (4,2 К — температура кипения жидкого гелия) — это криогенные стали аустенитного класса, одновременно нержавеющие.

Сталь 12X18H20 — сталь со стабильным аустенитом, который не претерпевает превращений при низких температурах. При всех температурах σ_0,2 / σ_в = 0,5 (12Х18H10, 12X13AГ19).

Хромоникелевые стали имеют:

— высокую ударную вязкость KCV > 2000 кДж/м 2 при комнатной температуре и всех температурах вплоть до –253 °С (кипение жидкого водорода);

Никель снижает порог хладноломкости, повышает прочность стали (σ_в), увеличивает ударную вязкость (KСV) при -196 °С.

Стали 07Х21Г7АН5 с σ_0,2 = 400 МПа и 03Х13Н9Д2ТМ с σ_0,2 = 800 МПа являются высокопрочными криогенными сталями.

17.4. Магнитные стали и сплавы

Основными характеристиками магнитных сталей и сплавов являются магнитные свойства:

— остаточная индукция B_r (измеряется в гауссах (Гс));

— коэрцетивная сила Н_с (измеряется в эрстедах (Э));

— магнитная проницаемость (измеряется в Гc/Э).

Магнитная проницаемость определяется по формуле: μ = В /Н_с. Если μ > 1, то материал парамагнитен, если μ 12 0м * см), и работают они в области высоких и сверхвысоких частот.

17.5. Сплавы с особенностями электросопротивления

Сплавы с особенностями электросопротивления делятся на три группы:

— с высоким электросопротивлением;

К проводниковым сплавам предъявляются следующее эксплуатационные и технологические требования:

— малое электрическое сопротивление;

— высокая прочность (для предохранения от провисания);

— высокая пластичность и способность к холодному и горячему деформированию;

— хорошая коррозионная стойкость;

— легкость пайки и сварки (при монтаже).

Этим требованиям удовлетворяют (в различной степени) Ag, Си, А1, Fe.

Одним из важнейших проводниковых материалов является медь (Сu), которая по свойствам близка к серебру ( плотность ρ = 8,9 г/см 2 при 20 о С, удельное электросопротивление – 0,017( Ом*мм)/м 2 . Кристаллическая решётка меди – ГЦК с параметром а = 0,36 Нм. Удельное электросопротивление меди принимается за эталон.

Марки меди: M1 (99,9 %), Т_пл = 1083 о С; МО (99,95 %), Т_кип = 2360 °С; МОО (99,99 %). В технической меди могут присутствовать вредные примеси: висмут (≤ 0,002 %), свинец (≤ 0,005 %), сера, кислород, которые уменьшают пластичность меди.

Чистая медь имеет малую прочность, поэтому её легируют кадмием (Cd), что приводит к незначительной потере электропроводности при сохранении достаточно высокой прочности. Проводимость таких сплавов составляет 80-90 % от проводимости чистой меди. Сплав, упрочненный наклепом, имеет проводимость 98 % от проводимости меди.

Алюминий (А1) имеет электросопротивление больше, чем у меди в 1,7 раза, но он легче. Для линий передач применяют сплав альдрей (0,4 % Mg, 0,6 % Si, 0,25 % Fe). К таким сплавам относятся АД000, АД0.

Большую прочность имеют биметаллы системы Fe — A1. Биметаллический провод (стальной провод, покрытый медью) используют при передаче переменных токов повышенной частоты.

Железо (Fe) имеет электросопротивление в 6-7 раз ниже электросопротивления меди. Сплавы железа (сталь с 0,1 – 0,15 % С) применяются для шин, рельсов электрических железных дорог и метро.

17.6. Сплавы с высоким электросопротивлением

Сплавы с высоким электросопротивлением применяют для изготовления элементов сопротивления реостатов и нагревательных элементов. Структура таких сплавов формируется на базе твердых растворов и к ним предъявляются следующие требования:

— они должны обладать высоким удельным электросопротивлением;

— должны иметь малый температурный коэффициент электросопротивления;

— должны обладать высокой окалиностойкостью (жаропрочностью);

— в них должны отсутствовать структурные превращения при нагревах и охлаждениях.

Для элементов сопротивления реостатов применяются сплавы:

— манганин – МНМц 3-12 (11,5-13 % Mn, 2,5-3,5 % Ni,остальное Сu);

— константан — МНМц 40-1,5 (1-2%. Mn, 39-41 % Ni, остальное Сu).

Эти сплавы имеют малый коэффициент электросопротивления: манганин в интервале температур от – 60 до +80 °С и константан в интервале температур от — 60 до + 350 °С.

Для нагревательных элементов применяют сплавы:

— железоалюминиевые: фехраль — Х13Ю4 (≤ 0,15 % С, 13 % Сu, 4 % Al), хромалъ — ОХ23Ю5 (≤ 0,05 % С, 23 % Сr, 5 % Al);

— никелевые: ферронихром — X15H60 (25 % Fe), нихром -Х20Н80. Сплав для деталей нагревательных приборов выпускается в виде проволоки или ленты.

17.7. Сплавы с заданным коэффициентом теплового расширения

К сплавам с заданным коэффициентом теплового расширения относятся железо-никелевые сплавы:

— сплав ИНВАР — 36Н (≤ 0,05 % С и 35-37 % Ni). Он почти не расширяется при температуре от -60 до +100 °С и применяется в специальных приборах (альтиметрах, барографах) высокой точности, работающих при переменных нагрузках и климатических изменениях температуры;

— сплав КОВАР — 29НК (0,03 % С, 29 % Ni, 17-18 % Со). Он имеет низкий коэффициент теплового расширения в интервале темпера­тур от -70 до + 420 о С и применяется для деталей, впаиваемых в стекло при создании вакуумноплотных спаев.

— сплав платинит — H42 (42-48 % Ni, остальное Fe). Он имеет коэффициент теплового расширения, равный коэффициенту теплового расширения платины и стекла.

Технические железоникелевые сплавы относятся к сталям аустенитного класса.

17.8. Сплавы с заданными упругими свойствами

В приборостроении для изготовления упругих элементов (пружин) требуется материал, обладающий высоким значением упругих свойств, достаточной пластичностью, прямолинейным кодом изменения модуля упругости в широком интервале температур, а также немагнитностью и коррозионной стойкостью.

К таким сплавам относятся:

— сплав 40KXHM (0,07-0,12 % С, 15-17 % Ni, 19-21 % Cr, 6,4-7,4 % Мо, 39-41 % Со). Это высокопрочный, с высокими упругими свойствами, немагнитный, коррозионностойкий в агрессивных средах сплав, который применяется для заводных пружин часовых механизмов,а также для витых цилиндрических пружин, работающих при температурах до 400 о С;

— сплав 42НХТЮ ( о С, который применяется для упругих чувствительных элементов, работающих до температуры +100 о С.

Стали и сплавы с особыми физическими свойствами

Магнитные стали и сплавы

Магнито-твердые стали и сплавы применяют для изготовления постоянных магнитов.

Для постоянных магнитов применяют высокоуглеродистые стали с 1% С, легированные хромом (3%) ЕХ3, а также одновременно хромом и кобальтом, ЕХ5К5, ЕХ9К15М2. Легирующие элементы повышают коэрцитивную и магнитную энергию.
В промышленности наиболее широко применяют сплавы типа алнико. Сплавы тверды, хрупки и не поддаются деформации, поэтому магниты из них изготовляют литьем, затем проводят шлифование.

Сплав ЮНДК15 содержит 18-19% Ni, 8.5-9.5% Al, 14-15% Co, 3-4% Cu.

Магнито-мягкие стали (электротехническая сталь) (1212, 1311, 1511, 2011, 2013, 2211, 2312, 2412, 3415, 3416, 79НМ, 81НМА) применяют для изготовления магнитопроводов постоянного и переменного тока. Они предназначены для изготовления якорей и полюсов машин постоянного тока, роторов и статоров асинхронных двигателей и др.

Парамагнитные стали (17Х18Н9, 12Х18Н10Т, 55Г9Н9Х3, 40Г14Н9Ф2, 40Х14Н9Х3ЮФ2 и др.) требуются в электротехнике, приборостроении, судостроении и специальных областях техники.

Недостатки этих сталей низкий предел текучести (150-350МПа), что затрудняет их использование для высоко нагруженных деталей машин.

Металлические стекла (аморфные сплавы)

Аморфные сплавы нередко хрупки при растяжении, но сравнительно пластичны при изгибе и сжатии. Могут подвергаться холодной прокатке.

Магнито-мягкие аморфные сплавы делятся на три основные группы:

• Магнито-мягкие аморфные сплавы на основе железа (Fe81Si3.5B13.5C2) с высокими значениями магнитной индукции и низкой коэрцитивной силой;
• Магнито-мягкие аморфные сплавы на основе кобальта (Co66Fe4(Mo, Si, B)30), имеющие сравнительно небольшую индукцию насыщения, но высокие механические свойства, низкую коэрцитивную силу и высокое значение магнитной проницаемости;
• Железоникелевые сплавы (Fe40Ni40P14B6) со средними значениями магнитной индукции и более низким значением коэрцитивной силы, чем у железных сплавов.

Магнито-мягкие аморфные сплавы применяют в электротехнике и электронной промышленности.

Сплавы с заданным температурным коэффициентом линейного расширения

Широко применяются в машиностроении и приборостроении. Наиболее распространены сплавы Fe-Ni, у которых коэффициент линейного расширения a при температурах −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.

Для изготовления деталей, спаиваемых со стеклом, применяют более дешевые ферритные железохромистые сплавы 18ХТФ и 18ХМТФ.

Сплавы с 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).

В настоящее время известно большое число двойных и более сложных сплавов с обратным мартенситным превращением, обладающих в разной степени свойствами «памяти формы»: Ni-Al, Ni-Co, Ni-Ti, Cu-Al, Cu-Al-Ni и др.

Наиболее широко применяют сплавы на основе мононикелида титана NiTi, получившие название нитинол. Эффект «памяти формы» в соединении NiTi может повторяться в течение многих тысяч циклов. Нитинол обладает высокой прочностью (sв=770¸1100МПа, sт=300¸500МПа), пластичностью (d=100¸15%), коррозийной и кавитационной стойкостью и демпфирующей способностью. Его применяют как магнитный высокодемпфирующий материал во многих ответственных конструкциях.

Стали и сплавы с особыми физическими свойствами

Сплавы, имеющие точно определенный состав и специальные физические или физико-механические свойства, называют прецизионными. При их изготовлении требуется строгое соблюдение режимов выплавки и обработки. При отклонении от четко регламентированных режимов высокие параметры, характерные для того или иного сплава недостижимы.

К прецизионным относят сплавы со специальными электрическими, тепловыми, магнитными, упругими и другими свойствами. Большинство прецизионных сплавов создано на основе Бе, N1 и Со, либо на основе их сочетания (например, Ре — Со, Ре — №, М — Со) и дополнительно легированные Мо, Сг, Мп, Си, Тх, Тц N6, Ве и др.

Эти сплавы, как правило, безуглеродистые (содержание углерода в них 0,005 — 0,05 %). Содержание других примесей также возможно более низкое.

Магнитно-мягкие и магнитно-твердые стали и сплавы

В материаловедении по магнитным свойствам материалы разделяют на магнитно-мягкие, магнитно-твердые и немагнитные материалы.

Напомним, как происходит процесс намагничивания материалов при приложении внешнего магнитного поля.

Известно, что даже в монокристаллах, а тем более в поли- крисгаллических материалах весь объем тела разделен на области — домены, разделенные узкими границами (стенки доменов). Размеры доменов различны для разных веществ, и даже в одном материале они зависят от структуры и свойств онреде- ленного образца. Как правило, размеры доменов составляют 10’

‘ К) 2 см, а толщина стенок между доменами — порядка 10 — 100 нм. Каждый из доменов ориентирован в присущем ему направлении легкого намагничивания (рис. 112).

Рис. 112. Ориентация магнитных моментов в ферромагнетиках в отсутствие внешнего маг нитного поля: а — монокристалл; 6 — поликристалл

При беспорядочном расположении энергия стенок доменов, вклады магнитокристаллической и магии гострикционной энергий минимальны, материал немагнитен. Приложение магнитного поля прежде всего приводит к росту доменов за счет присоединения соседних доменов близкой ориентации, после чего их рост происходит путем обращения нолей доменов, ориентированных близко к направлениям, обратным приложенному полю. Кроме этого процесса, имеет место другой процесс — вращение доменов, приводящее к изменению направления их спонтанной намагниченности, г.е. к ориентированию их в направлении приложенного поля.

Процессом технического намагничивания называется создание в ферромагнетиках результирующей намагниченности — М, равной суммарному магнитному моменту атомов в единице объема. При этом в отличие от парамагнетиков, для которых характерна линейная связь между приложенным внешним полем и намагниченностью, для ферромагнетиков при приложении поля намагниченность изменяется нелинейно, достигает насыщения, а затем, если изменить направление намагничивающего поля, кривая пойдет выше, чем первоначальная. При поле равном нулю имеет место остаточная намагниченность.

При неоднократном изменении направления намагничивающего поля постепенно формируется замкнутая кривая (петля гистерезиса). Максимальная магнитная индукция называется индукцией насыщения. Величина магнитной индукции ± В, сохраняющаяся после снятия приложенного магнитного поля, называется остаточной магнитной индукцией.

Существование явления остаточной магнитной индукции привело к созданию постоянных магнитов. Напряженность магнитного поля Н (А / м), при которой магнитная индукция сводится к нулю, называют коэрцитивной силой Н_с (задерживающей напряженностью). Магнитной энергией или энергией перемагничиви- ния называется произведение В • Н_с.

Магнитно-мягкими называют материалы с высокой начальной проницаемостью и малой коэрцитивной силой. Для этих материалов характерна малая работа перемагничивания (рис. 113).

Магнитно-твердыми материалами называют материалы с высокой коэрцитивной силой Н и малой начальной проницаемостью. Для большинства магнитных материалов наблюдается линейная зависимость между начальной проницаемостью и коэрцитивной силой.

Магнитно-мягкие материалы используют в трансформаторах, генераторах, переключателях и других устройствах. К числу этих материалов относятся чистое железо, трансформаторная и динамная стали (сплав железа с кремнием), альсиферы (сплавы Ре — Si — А1).

Рис. 113. Петли магнитного гистерезиса для магнитно-мягких материалов (а) и маг нитно-твердых материалов (б). (Обратите внимание на масштаб по оси абсцисс)

В приборостроении и слаботочной промышленности также применяют магнитно-мягкие материалы — пермаллой <Ре + 78,5 %М) и супермаллой (Ре-5 % Мо-79 % М). Как правило, это однофазные материалы.

Для уменьшения потерь энергии необходимо использовать материалы с узкой петлей гистерезиса. При малой площади петли гистерезиса соотношение между В и Н_с практически линейно. Коэффициент пропорциональности этого соотношения р это — магнитная проницаемость. Для обычного железа проницаемость равна нескольким тысячам, а для сплава супермалой — порядка миллиона.

Для изготовления трансформаторов и электромоторов необходимы такие магнитно-мягкие материалы, в которых намагниченность заметно меняется даже при приложении небольших магнитных полей. Для этого стенки магнитных доменов должны легко двигаться, что достигается в материалах с небольшим количеством дефектов (включений второй фазы, дислокаций).

Высокие свойства пермаллоев обусловлены физическими свойствами компонентов, входящих в них. Направление легкого намагничивания в никеле — , а в железе — . При смешивании их в определенной пропорции получается, что в сплаве эти два направления становятся эквивалентными, т. е. в сплаве не будет предпочтительного направления легкого намагничивания и для намагничивания сплава будет необходима лишь небольшая энергия. Кроме того, в этих сплавах практически не проявляется магнитострикция. Поскольку наклеп повышает коэрцитивную силу и снижает магнитную проницаемость, эти сплавы обычно используют в отожженном состоянии. Крупное зерно способствует повышению магнитной проницаемости, поэтому материалы стараются рекристаллизовать на крупное зерно.

Техническое железо (марки Э, ЭА, ЭАА) используют для магнитопроводов постоянного тока (электромагниты, реле и т.и.). Недостатком чистого железа являются большие тепловые потери мощности из-за вихревых токов Фуко, возникающих при перемагничивании.

Легирование железа кремнием (трансформаторная и ди- намная стали) значительно повышает электросопротивление и снижает потери за счет вихревых токов. Кремний также повышает магнитную проницаемость и индукцию, снижает коэрцитивную силу и потери на гистерезис. Но кремний, при его содержании в железе выше 3 %, вызывает хрупкость.

Электротехническую сталь выпускают в виде листов холоднокатаных и горячекатаных. Для увеличения размера зерна при рекристаллизации и выжигания углерода сталь подвергают отжигу при температурах 1100 — 1200 °С (в вакууме, водороде или диссоциированном аммиаке). Динамную сталь выпускают в виде листа толщиной 0,5 мм, причем отжигом добиваются изотропной структуры. Трансформаторную же сталь (толщиной 0,35 мм) выпускают обязательно в виде текстурованных листов и ленты, г.е. добиваются преимущественно одинаковой ориентации всех зерен вдоль направления прокатки.

Электротехнические стали принято маркировать буквой Э, первая цифра за которой соответствует содержанию кремния в процентах, вторая цифра — удельным потерям на неремагничи- вание (1 — нормальные удельные потери, 2 — пониженные, 3 — низкие), в конце марки указывает, что сталь холоднокатаная текстурованная, 00 — холоднокатаная малотекстурованная. Итак, горячекатаные сорта сталей маркируются Э11, Э12, Э21, Э32, Э41, Э42, Э43. Холоднокатаные стали маркируются Э1100, Э310, Э3100 и т.д.

С увеличением содержания кремния в стали потери на пе- ремагничивание уменьшаются. С ростом частоты тока потери увеличиваются. Для существенного их снижения следует повышать электросопротивление материалов. Поэтому для работы при высоких частотах используют ферриты. Ферриты получают спеканием порошков Ре₂0, и оксидов двухвалентных металлов: 7л, N?0, МпО и др. Омическое сопротивление ферритов высокое и составляет 10 6 — 10 7 Ом / см, у них сравнительно небольшая намагниченность насыщения, равная 100 — 2000 Гс. Для характеристики ферритов обычно используют начальную магнитную проницаемость ц„ которую указывают в начале марки феррита: 2000 НС, 6000 НМ и гак далее (НС — означает никелькремниевый, НМ — никель- марганцевый). Применение ферритов позволяет уменьшить размеры многих приборов (ферритовые поглотители электромагнитных волн, антенны, сердечники, элементы памяти, постоянные магниты и т.д.). Ферриты производят с очень высоким электросопротивлением (10 х — 10 У Ом / см). Их недостатком является высокая твердость и хрупкость, низкая точка Кюри (ниже 200 °С) и низкая индукция насыщения.

Пермаллои широко используют в слаботочной промышленности (радио, телеграф, телефон). Широко применяют также аль- сиферы (5,4 % А1, 9,6 % 5/, 85 % Се), преимущество которых перед пермаллоями — их недефицитносгь.

Для создания постоянных магнитов используют материалы с широкой петлей гистерезиса (рис. 113=6), чтобы при снятии внешнего намагничивающего поля намагниченность осталась большой (магнитно-твердые материалы). Энергия постоянных магнитов (В ? Н_с) будет тем больше, чем выше значения обоих сомножителей. Поскольку значения В ограничены магнитным насыщением ферромагнитных материалов (Яе, N1, Со), то для увеличения энергии увеличивают коэрцитивную силу.

Структура, обеспечивающая такие свойства сплавов, должна быть очень неоднородной (либо это мартенсит с большим числом дислокаций, фаниц зерен, либо эго стареющие сплавы с мелкодисперсной распределенной в матрице второй фазой, либо сплавы с упорядоченной структурой).

Эффективным магнитно-твердым материалом является сплав типа апьнико (51 % Ие; 8 % А1; 14 % N1; 24 % Со; 3 % Си).

Его высокая магнитная энергия достигается в результате закалки с температуры 1250 — 1300 °С и последующего старения при 600 — 650 °С. Структура сплава после термической обработки состоит из ферромагнитной матрицы и вкрапленных в нее мелких магнитных же частиц. Ферромагнитная матрица обеспечивает достаточно высокую остаточную индукцию.

Дефицит никеля и кобальта привел к необходимости создания новых сплавов, сочетающих высокую магнитную энергию и хорошие механические свойства. Так, сплав 71ГЮ (71 % Мп, А1 — остальное) используют при изготовлении многополюсных и двухполюсных магнитов, для роторов электродвигателей и других магнитов в приборостроении. Магнитный сплав системы 70ГГл (системы Мп — Са) применяют для изготовления мелких магнитов с большим размагничивающим фактором.

В технике постоянных магнитов применяют и материалы, в которых в парамагнитную матрицу вкраплены мелкие (практически однодоменные) ферромагнитные частицы. К числу таких сталей относятся ЕХЗ (3 % Сг); ЕХ5К5 (5% Сг, 5% Со); ЕХ9К15М (9% Сг, 15% Со, 1 % Мо). Эти стали легко обрабатываются резанием и деформируются, но применяются лишь для не очень ответственных магнитов.

В радиоаппаратуре и электромашиностроении требуются также магнигодиэлектрики, которые отличаются высоким постоянством магнитной проницаемости. Магнигодиэлектрики получаются обычно методами порошковой металлургии из карбонильного железа и альсифера с изолирующими материалами. Иногда в электромашиностроении требуются немагнитные материалы с низкой электропроводностью и высокими механическими свойствами. Для этих целей используют аустенитные стали и чугуны. К числу таких сталей относятся Н12ХГ, 45Г13ЮЗ, Х18Н9 и др. Применение аустенитных сталей ограничено плохой обрабатываемостью.