Стали и сплавы с особыми физическими свойствами

Магнитно-мягкие стали и сплавы отличаются легкой намагничиваемостью в относительно слабых магнитных полях. Их основными потребительскими свойствами являются высокая магнитная проницаемость, низкая коэрцитивная сила, малые потери на вихревые токи и при перемагничивании. Эти свойства обеспечивает гомогенная (чистый металл или твердый раствор) структура, чистая от примесей. Магнитно-мягкие материалы должны быть полностью рекристаллизованы для устранения внутренних напряжений, так как даже слабый наклеп существенно снижает магнитную проницаемость и повышает коэрцитивную силу. Магнитная проницаемость возрастает при микроструктуре из более крупных зерен.

По   химическому   составу   промышленно   применяемые   магнитно-мягкие (электротехнические) стали и сплавы делятся на:

· низкоуглеродистые (0,05...0,005%С) с содержанием кремния 0,8...4,8%;

· сплавы железа с никелем.

В низкоуглеродистых сталях кремний, образуя с a-железом твердый раствор, увеличивает электрическое сопротивление 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 сталей. Однако кремний понижает индукцию в сильных магнитных полях и повышает хрупкость, особенно при его содержании 3...4%.

Железоникелевые сплавы с содержанием никеля 36...83%, называемые пермаллои, обладают наиболее высокими потребительскими свойствами. Для улучшения тех или иных характеристик в их состав вводят хром, молибден, медь и др. Величина их магнитной проницаемости превосходит аналогичные показатели для низкоуглеродистых сталей в 15-10³ раз. Пермаллои - легко деформируемые сплавы. Однако деформация значительно ухудшает их первоначальные магнитные характеристики. Для восстановления свойств проводят термообработку по строго разработанному режиму: скорость нагрева (до 900...1000°С), выдержка и скорость охлаждения. Применяют их в аппаратуре, работающей в слабых частотных полях (телефон, радио).

Для электротехнических сталей (ГОСТ 21427-75) принята маркировка, основаная на кодировании. В обозначении марки используют четыре цифры, причем, их значения соответствуют кодам, содержащим следующую информацию:

· первый - структура материала (по наличию и степени текстуры) и вид прокатки (горячая или холодная деформация);

· второй - химический состав по содержанию кремния;

· третий - величины потерь тепловых и на гистерезис;

· четвертый - значение нормируемого потребительского свойства.

Электротехнические стали изготавливают в виде рулонов, листов и резаной ленты. Они предназначены для изготовления магнитопроводов постоянного и переменного тока, якорей и полюсов электротехнических машин, роторов, статоров, магнитных цепей трансформаторов и др. Парамагнитными сталями являются аустенитные стали 12Х18Н10Т, 17Х18Н9, 55Г9Н9ХЗ, 40Г14Н9Ф2 и др. Их химический состав базируется на системе Fe + Cr + Ni -rTi. Основными потребительскими свойствами являются немагнитность и высокая прочность. Необходимая прочность достигается при деформационном и дисперсионном упрочнении изделий. К недостаткам этих сталей и сплавов следует отнести низкий предел текучести (150...350 МПа), что ограничивает область применения только малонагруженньгми конструкциями.

Парамагнитные стали и сплавы применяют для изготовления немагнитных деталей конструкций в электротехнике, приборостроении, судостроении и специальных областях техники. Повышение износостойкости деталей, работающих в узлах трения достигается азотированием (стали 40Г14Н9Ф2 и др.) 

выпускаемой продукции.о 400°С. Сплавы с заданными упругими свойствами.

К таким сплавам  относят сплав 40КХНМ (0,07—0,12% С, 15—17% Ni, 19—21% Сr; 6,4—7,4% Мо, 39—41% Со). Это высокопрочный  с высокими упругими свойствами, немагнитный, коррозионностойкий в агрессивных средах сплав.    Применяют его для изготовления заводных пружин часовых механизмов, витых цилиндрических пружин, работающих при температурах до 400°С.

Стали и сплавы с особыми физическими  свойствами

Стали и сплавы с особыми физическими свойствами — это сплавы которые делятся на основные группы:

• Магнитные стали и сплавы
• Магнитно-мягкие стали и сплавы
• Сплавы с высоким электрическим сопротивлением
• Сплавы с заданным коэффициентом теплового расширения
• Сплавы с заданными упругими свойствами

Магнитные стали и сплавы

Ферромагнетизмом (способностью в  значительной степени сгущать магнитные  силовые линии) обладают железо, кобальт  и никель. Эта способность характеризуется  магнитной проницаемостью. У ферромагнитных материалов относительная магнитная проницаемость достигает десятков и сотен тысяч единиц, для других материалов она близка к единице. Магнитные свойства материала характеризуются остаточной индукцией и коэрцитивной силой. Остаточной индукцией называют магнитную индукцию, остающуюся в образце после его намагничивания и снятия внешнего магнитного поля. Размерность остаточной индукции Тл (тесла). 1 Тл = 1 Н/(А·м). Коэрцитивной силой Н_с называют значение напряженности внешнего магнитного поля, необходимое для полного размагничивания ферромагнитного вещества. Размерность коэрцитивной силы А/м. Она определяет свойство ферромагнетика сохранять остаточную намагниченность. 
 
Магнитные стали и сплавы в зависимости от коэрцитивной силы и магнитной проницаемости делят на магнитно-твердые и магнитно-мягкие.

Магнитно-твердые сплавы

Магнитно-твердые стали и сплавы применяют для изготовления постоянных магнитов; имеют большую коэрцитивную силу. Это высокоуглеродистые и легированные стали, специальные сплавы. Углеродистые стали (У10 - У12) после закалки имеют достаточную коэрцитивную силу (Нс = 5175 А/м), но. так как они прокаливаются на небольшую глубину, их применяют для изготовления небольших магнитов. Хромистые стали по сравнению с углеродистыми прокаливаются значительно глубже, поэтому из них изготовляют более крупные магниты. Магнитные свойства этих сталей такие же, как и углеродистых. Хромокобальтовые стали (например, марки ЕХ5К5) имеют более высокую коэрцитивную силу — Н_с = 7166 А/м. Магнитные сплавы, например ЮНДК24 (9% Аl, 13,5% Ni, 3% Сu, 24% Со, остальное железо), имеют очень высокую коэрцитивную силу — Н_с = 39810 А/м, поэтому из них изготовляют магниты небольшого размера, но большой мощности. 
 
Дополнительно: 
 
ГОСТ 25639-83 "Магниты литые постоянные. Технические условия" 
ГОСТ 24936-81 "Магниты постоянные литые для электротехнических изделий. Общие технические условия" 

 Магнитно-мягкие стали и сплавы

Магнитно-мягкие стали и сплавы имеют малую коэрцитивную силу и  большую магнитную проницаемость. К ним относят электротехническое железо и сталь, железоникелевые сплавы (пермаллои). 
Электротехническое железо (марки Э, ЭА, ЭАА) содержит менее 0,04% С, имеет высокую магнитную проницаемость μ = (2,78…3,58) · 10⁹ ГГн/м и применяется для сердечников, полюсных наконечников электромагнитов и др. 
Электротехническая сталь содержит менее 0,05% С и кремний, сильно увеличивающий магнитную проницаемость. Электротехническую сталь по содержанию кремния делят на четыре группы: с 1% Si — марки Э11, Э12, Э13; с 2 % Si - Э21, Э22; с 3% Si — Э31, Э32; с 4% Si — Э41—Э48. Вторая цифра (1—8) характеризует уровень электротехнических свойств. 
Железоникелевые сплавы (пермаллои) содержат 45—80% Ni, их дополнительно легируют Сr, Si, Мо. Магнитная проницаемость этих сплавов очень высокая. Например, у пермаллоя марки 79НМ (79% №; 4% Мо) μ = 175,15 · 10⁹ ГГн/м. Применяют пермаллои в аппаратуре, работающей в слабых.электромагнитных полях (телефон, радио). 
Ферриты — магнитно-мягкие материалы, получаемые спеканием смеси порошков ферромагнитной окиси железа Fe₂О₃ и окислов двухвалентных металлов (ZnО, NiO, МgO и др.). В отличие от других магнитно-мягких материалов, у ферритов очень высокое удельное электросопротивление, что определяет их применение в устройствах, работающих в области высоких и сверхвысоких частот. 
 
Дополнительно: 
 
ГОСТ 4063-80 "Ферриты магнитотвердые. Марки и основные параметры" 
ГОСТ 23618-79 "Изделия из ферритов и магнитодиэлектриков. Термины и определения"  

Сплавы с высоким электрическим  сопротивлением

Сплавы  с высоким электрическим сопротивлением применяют для изготовления электронагревателей и элементов сопротивлений (резисторов) и реостатов. Сплавы для электронагревателей обладают высокой жаростойкостью, высоким электрическим сопротивлением, удовлетворительной пластичностью в холодном состоянии. 
Указанным требованиям отвечают железо-хромоалюминиевые сплавы, например марок Х13Ю4 (≤ 0,15 % С; 12 — 15% Сr; 3,5 — 5,5 % Аl), 0Х23Ю5 (≤ 0,05 % С; 21,5 — 23,5 % Сr; 4,6 — 5,3 % Аl), и никелевые сплавы, например марок Х15Н60 — ферронихром, содержащий 25% Fе, Х20Н80 — нихром. Стойкость нагревателей из железохромоалюминиевых сплавов выше, чем у нихромов. Сплавы выпускают в виде проволоки и ленты, применяют для бытовых приборов (сплавы Х13Ю4, Х15Н60, Х20Н80), а также для промышленных и лабораторных печей (0Х23Ю5). 
 
Дополнительно: 
 
ГОСТ 12766.3-90 "Сплавы калиброванные прецизионные с высоким электрическим сопротивлением. Технические условия" 
ГОСТ 12766.1-90 "Проволока из прецизионных сплавов с высоким электрическим сопротивлением. Технические условия"Сплавы с заданным коэффициентом теплового расширения

Сплавы с заданным коэффициентом  теплового расширения содержат большое  количество никеля Ni. 
Сплав 36Н, называемый инваром (≤ 0,05% С и 35 - 37% Ni), почти не расширяется при температурах от - 60 до + 100°С. Его применяют для изготовления деталей приборов, требующих постоянных размеров в интервале климатических изменений температур (детали: геодезических приборов и др.). 
Сплав 29НК, называемый коваром (≤ 0,03% С; 28,5 - 29,5% Ni; 17 - 18% Со), имеет низкий коэффициент теплового расширения в интервале температур от - 70° C до + 420° С. Его применяют для изготовления деталей, впаиваемых в стекло при создании вакуумно-плотных спаев. 
 
Дополнительно: 
 
ГОСТ 14082-78 "Прутки и листы из прецизионных сплавов с заданным температурным коэффициентом линейного расширения. Технические условия" 
ГОСТ 14081-78 "Проволока из прецизионных сплавов с заданным температурным коэффициентом линейного расширения. Технические условия" 

 Сплавы  с заданным коэффициентом теплового  расширения

Сплавы с заданным коэффициентом  теплового расширения содержат большое  количество никеля Ni. 
Сплав 36Н, называемый инваром (≤ 0,05% С и 35 - 37% Ni), почти не расширяется при температурах от - 60 до + 100°С. Его применяют для изготовления деталей приборов, требующих постоянных размеров в интервале климатических изменений температур (детали: геодезических приборов и др.). 
Сплав 29НК, называемый коваром (≤ 0,03% С; 28,5 - 29,5% Ni; 17 - 18% Со), имеет низкий коэффициент теплового расширения в интервале температур от - 70° C до + 420° С. Его применяют для изготовления деталей, впаиваемых в стекло при создании вакуумно-плотных спаев. 
 
Дополнительно: 
 
ГОСТ 14082-78 "Прутки и листы из прецизионных сплавов с заданным температурным коэффициентом линейного расширения. Технические условия" 
ГОСТ 14081-78 "Проволока из прецизионных сплавов с заданным температурным коэффициентом линейного расширения. Технические условия" 

 Сплавы с заданными  упругими свойствами

К таким сплавам относят сплав 40КХНМ (0,07 — 0,12 % С, 15—17 % Ni, 19—21 % Сr; 6,4 — 7,4 % Мо, 39 — 41 % Со). Это высокопрочный с высокими упругими свойствами, немагнитный, коррозионностойкий в агрессивных средах сплав. Применяют его для изготовления заводных пружин часовых механизмов, витых цилиндрических пружин, работающих при температурах до 400°С. 
 
Дополнительно: 
 
ГОСТ 13764-86 "пружины винтовые цилиндрические сжатия и растяжения из стали круглого сечения" 
ГОСТ 1452-2003 "пружины цилиндрические винтовые тележек и ударно-тяговых приборов подвижного состава железных дорог. Технические условия"

ПРЕДИСЛОВИЕ

Возможности ускорения научно-технического прогресса во многом зависят от рационального  использования, улучшения качества уже существующих материалов и создания принципиально новых материалов, отвечающих требованиям новых поколений высокоэффективной техники. Особое место среди современных металлических материалов занимают прецизионные сплавы, т. е. материалы с заранее заданными особыми физическими свойствами. Эти материалы находят широкое применение в отраслях промышленности, определяющих экономическое развитие страны в целом: в электро- и радиотехнической, аэрокосмической и ядерной, электронной и приборостроительной, в отраслях промышленности, создающих средства связи и автоматизированные системы, а также ЭВМ и микропроцессоры. Перечень таких отраслей промышленности можно было бы продолжить. Без преувеличения можно сказать, что в настоящее время нет почти ни одной отрасли промышленности, ни одного научного и технического направления, где бы не применялись в том или ином качестве прецизионные сплавы.

Промышленные предприятия нашей  страны выпускают более 200 марок  прецизионных сплавов, отличающихся по химическому составу, способам выплавки и методам оптимизации заданных физических свойств, уровню служебных характеристик, сочетанию основного («ведущего») физического свойства с другими свойствами — физическими, механическими, химическими.

Прецизионные сплавы по их физическим свойствам обычно делят на следующие  группы: магнитно-мягкие; магнитно-твердые; сплавы с заданным (в том числе с очень низким) коэффициентом термического расширения; сплавы с особыми упругими свойствами, проводниковые материалы и сплавы с высоким удельным электрическим сопротивлением; сверхпроводниковые материалы и сплавы с особым комплексом физико-механических свойств при низких температурах (криогенные сплавы); термочувствительные материалы и материалы с особыми акустическими и демпфирующими свойствами.

Кроме того, в связи с появлением металлических аморфных сплавов различают кристаллические и аморфные прецизионные материалы, т. е. различают прецизионные материалы по их атомному строению. Причем аморфные сплавы, в свою очередь, могут быть отнесены к тем или иным группам прецизионных сплавов: аморфные прецизионные сплавы — это и магнитно-мягкие материалы, у которых высокая проницаемость сочетается с повышенной прочностью и износостойкостью и у которых потери на перемагничивание в несколько раз ниже, чем в соответствующих кристаллических аналогах; это и резистивные материалы с высоким удельным электросопротивлением; это и пластичные сверхпроводники; это и материалы с низким коэффициентом термического расширения (инвары) и с особыми упругими и акустическими свойствами (элинвары, материалы с высоким коэффициентом магнитомеханической связи. Аморфные и мелкокристаллические прецизионные сплавы получают путем применения одноопе-рационной технологии — разливки расплава на быстровра-щающуюся цилиндрическую поверхность (метод закалки из расплава).

На кафедре металлографии Московского института стали и сплавов уже около 40 лет ведется выпуск специалистов по прецизионным материалам. Инициатором создания такого курса был проф. Лившиц Б. Г. Заложенные при создании курса методологические принципы подготовки специалистов, способных решать вопросы, связанные с производством, совершенствованием существующих и конструированием новых материалов с особыми физико-механическими свойствами на основе глубокого знания физики металлов, теории фазового равновесия, структуре-образования и термической обработки, во многом себя оправдали, о чем, в первую очередь, свидетельствует успешная деятельность большого числа выпускников кафедры на промышленных предприятиях, в отраслевых и академических научно-исследовательских организациях.