Никелевые сплавы

Никелевые сплавы - это сплавы на основе металла никеля.


1. Общая характеристика

Способность никеля растворять в себе значительное количество других металлов сохраняя при этом пластичность привела к созданию большого числа никелевых сплавов. Полезные свойства никелевых сплавов определенной степени обусловлены свойствами самого никеля, среди которых наряду со способностью образовывать твердые растворы со многими металлами выделяются ферромагнетизм, высокая коррозионная стойкость в газовых и жидких средах, отсутствие аллотропических преобразований.


2. Историческая справка

Уже с конца 19 века сравнительно широко используются медно-никелевые сплавы, характеризующиеся высокой пластичностью в сочетании с высокой коррозионной стойкостью, хорошими электрическими и другими свойствами. С начала XX века находят применение сплавы типа монель-металла, которые наряду с куниалямы выделяются среди конструкционных материалов сочетанием высокой прочности с высокой химической стойкостью в воде, кислотах, крепких щелочах, на воздухе.


3. Никелевые сплавы электротехнического назначения

Важную роль в технике играют ферромагнитные сплавы Ni (22-84%) с Fe, относящиеся к классу магнитно-мягких прецизионных материалов [1]. Среди этих материалов являются сплавы, характеризующиеся наивысшим значением магнитной проницаемости (сплав пермаллой), ее устойчивостью (зализоникелекобальтовий сплав перминвар), сочетанием высокой намагниченности насыщения и магнитной проницаемости (малоникелевий сплав перменорм). Такие сплавы применяют во многих областях техники, где требуется высокая чувствительность функциональных элементов к изменению магнитного поля.

Важную роль в технике играют легированные сплавы Ni - Cr, Ni - Мо и Ni - Mn, характеризующихся ценным сочетанием электрических свойств: высоким удельным электрическим сопротивлением, малым значением температурного коэффициента электрического сопротивления, малым значением термоэдс в паре с медью. По величине температурного коэффициента электрического сопротивления эти сплавы уступают Манганин в интервале комнатных температур, однако, имеют в 3-4 раза больше удельное электрическое сопротивление. Главная область применения таких сплавов - малогабаритные резистивные элементы, от которых требуется постоянство электрических свойств в процессе службы. Элементы изготавливаются, как правило, с микропровода или тонкой ленты толщиной 5-20 мкм. Сплавы на основе Ni - Мо и Ni - Cr применяют также для изготовления малогабаритных тензорезисторов, характеризующихся почти линейной зависимостью изменения электрического сопротивления от величины упругой деформации.


4. Температурные свойства никелевых сплавов

4.1. Жаропрочные никелевые сплавы

Жаротривкисть Ni, что на воздухе достаточно высока и так, может быть улучшена путем введения Al, Si или Cr. Из сплавов такого типа важное значение благодаря хорошему сочетанию термоэлектрических свойств и жаростойкости имеют сплав никеля с Al, Si и Mn ( алюмель) и сплав Ni с 10% Cr ( хромель). Хромель-алюмелевые термопары относятся к числу наиболее распространенных термопар, нашедшие применение в промышленности и лабораторной технике. Находят практическое использование также термопары из хромель и Копелем.

Важное применение в технике получили жаростойкие сплавы Ni с Cr - нихромы. Наибольшее распространение получили нихромы с 80% Ni, которые до появления хромаль были найжаротривкишимы промышленными материалами. Попытки удешевить нихромы уменьшением содержания в них Ni привели к созданию ферронихромив, у которых значительная часть Ni замещена Fe. Распространенной оказалась композиция из 60% Ni, 15% Cr и 25% Fe, хотя серьезной конкуренции нихрома она сделать не смогла. Нихромы и феронихромы характеризуются редким сочетанием высокой жаротривкости и высокого электрического сопротивления. Поэтому они вместе с хромаль являются двумя важнейшими классами сплавов, используемых для изготовления высокотемпературных электрических нагревателей. Для электронагревателей в большинстве случаев выпускают нихромы, легированные кремнием (до 1,5%) в сочетании с микродобавками редкоземельных, щелочноземельных или др.. металлов. Предельная рабочая температура нихрома этого типа составляет, как правило, 1200 ? C, а в некоторых марок и до 1250 ? C.

Никелевые сплавы, содержащие 15-30% Cr, легированные Al (до 4%), является жаротривкишимы от сплавов, легированных Si. Однако из них труднее получить однородные по составу проволоку или ленту, что необходимо для надежной работы электронагревателей. Поэтому такие сплавы используются обычно для изготовления жаропрочных деталей, работающих при температурах до 1250 ? C и не подвергаются значительным механическим нагрузкам.


4.2. Жаропрочные никелевые сплавы

Во время 2-й мировой войны в Великобритании началось производство жаропрочных сплавов Ni - Cr - Ti - Al, называемых нимоникамы. Эти сплавы, созданные как результат легирования нихрома (типа Х20Н80) титаном (2,5%) и алюминием (1,2%) (автор: Уильям Гриффитс англ. WTGriffiths ), Имели заметное преимущество по жаропрочности над нихрома или специальными легированными сталями. Появление этих сплавов послужила толчком для развития авиационных газотурбинных двигателей. За сравнительно короткий срок было создано большое число сложнолегированных сплавов типа нимоник (с Ti, Al, Nb, Ta, Co, Mo, W, В, Zr, Ce, La, Hf) с рабочей температурой 850-1000 ? С. Аналогами нимоникив в США являются сплавы Инконель, по ГОСТ 5632-72 [2] - это сплавы ХН60ВТ (Inconel 600, Inconel 601), ХН56МВКЮ (Inconel 617), ХН75МБТЮ (Inconel 625), ХН60Ю (Inconel 718), ХН70МВТЮБ (Inconel X-750), ХН80ТБЮ, ХН73МБТЮ.

Осложнения легирования ухудшает способность сплавов к горячей обработки давлением. Поэтому наряду с деформируемого сплавами, распространение получили литейные сплавы, которые могут быть легированными в большей степени, а следовательно, и жаромицнишимы (до 1050 ? C). Однако для литейных сплавов характерна меньшая однородность структуры и, как следствие этого, несколько шире рассеяния свойств.


4.3. Температурные деформации

Сплавы с 45-55% Ni, легированные в небольших количествах Cu или Co, имеют одинаковый с стеклом линейный коэффициент теплового расширения, что используется в тех случаях, когда необходимо обеспечить герметичный контакт между стеклом и металлом (сплав Ковар).

5. Коррозионностойких сплавов

Для химической аппаратуры, работающей в сильно агрессивных средах. Например, для сред соляной, серной и фосфорной кислот различной концентрации при температурах, близких к температуре кипения, широко используются сплавы Ni - Мо или Ni - Cr - Mo, известные под названием хастелой, реманит и др.. (Марки H70M28, Н70М28Ф, Х15Н55М16В, Х15Н65М16В). Эти сплавы превосходят по коррозионной стойкости в подобных средах все известные коррозионностойких сталей.


6. Особые свойства

6.1. Сочетание свойств

На практике применяют еще целый ряд никелевых сплавов (с Cr, Mo, Fe и др.. Элементами), обладающих благоприятным сочетанием механических и физико-химических свойств, например коррозионностойких сплавов для пружин, твердые сплавы для штампов и др.. Кроме собственно никелевых сплавов, никель входит как один из компонентов в состав многих сплавов на основе других металлов (например, ални сплавы).

6.2. Магнитострикционные свойства сплавов

Сплавы Ni с Co (4 или 18%) относятся к группе магнитострикционных материалов. Благодаря хорошей коррозионной стойкости в пресной и морской воде такие сплавы являются незаменимым материалом для гидроакустической аппаратуры.

Примечания

  1. ГОСТ 10994-74 Сплавы прецизионные. Марки.
  2. ГОСТ 5632-72 Стали высоколегированные и сплавы коррозионностойкие, жаростойкие и жаропрочные. Марки.

Источники

  • Металловедение: Учебник / А. М. Бялик, С. Черненко, В. М. Писаренко, Ю. Н. Москаленко.-2-е изд., Перераб. и доп. - К.: Политехника, 2006. - 384 с. ISBN 966-622-090-3
  • Гуляев А. П. Металловедение. - М.: Металлургия, 1986. - 542 с.
  • Ульянин Е. А., Свистунова Т. В., Левин Ф. Л. коррозионностойкие сплавы на основе железа и никеля. -М.: Металлургия, 1986. -263 С.
  • Богородицкий Н. П., Пасынков В. В., Тареев Б. М. электротехнические материалы. - Л.: Энергоатомиздат, 1985. - 304 с.
  • Справочник по электротехнический материалам. В 3-х т. / Под ред. Ю. В. Корицкого и др. / Л. Энергоатомиздат, 1986.
  • Масленков С. Б. Жаропрочные стали и сплавы: справочник / С. Б. Масленков - М.: Металлургия, 1983. - 192 с.
  • Марочник сталей и сплавов: справочник / под общ. ред. В. Г. Сорокина. - М.: Машиностроение, 1989. - 640 с.