Стали и сплавы с особыми физическими свойствами

 

В предлагаемом учебнике рассмотрены кристаллические магнитно-мягкие и магнитно-твердые материалы. По объему выпускаемой продукции и значению в современной технике эти материалы занимают ведущее место среди других прецизионных сплавов. Последующие выпуски учебной литературы планируется посвятить аморфным и мелкокристаллическим материалам и сплавам с особыми тепловыми, упругими, электрическими и другими свойствами.

 

Говоря о теоретической оснащенности учебника, следует подчеркнуть, что  в нем отсутствуют разделы, относящиеся  к общей теории магнетизма. Эти вопросы излагаются студентам в курсах, которые предшествуют по времени спецкурсу «Физическое металловедение прецизионных сплавов». Кроме того, в рамках самого спецкурса имеется теоретический раздел, основным содержанием которого является спонтанный магнетизм, анизотропия, доменная структура и процессы намагничивания. Поэтому в учебнике используются характеристики магнитного состояния, теоретические зависимости, физические представления без подробной их расшифровки, предполагая, что читатель имеет базовую подготовку по основным вопросам теории ферромагнетизма.

 

Зависимость магнитных свойств, в  первую очередь гиcтерезисных, от состава, фазового равновесия, микроструктуры и текстуры, дефектов кристаллического строения, включений и растворимых примесей, термической обработки и других факторов составляет основное содержание учебника. Отличительной чертой учебника является то, что влияние различных факторов на магнитные свойства рассматривается комплексно. Например, при обсуждении влияния примесей рассматривается их роль и как центров закрепления границ доменов, и как возможных регуляторов микроструктуры и текстуры, и как источников появления эффектов магнитного последействия.

 

Другая существенная черта учебника — это стремление на основе существующих физических модельных представлений теоретически обосновать основные связи между магнитными свойствами с одной стороны, а также структурой (атомной и металлографической), составом, фазовым равновесием и термической обработкой с другой. Именно с этой целью перед описанием свойств основных групп магнитно-мятких и магнитно-твердых сплавов весьма подробно обсуждены различные теоретические аспекты (физического и металловедческого характера) формирования магнитных свойств кристаллических прецизионных материалов.

 

Книга может быть использована не только студентами технических вузов, но и студентами университетов, специализирующихся по физике магнитных явлений. Она  может быть также полезным пособием работникам заводских лабораторий  и научно-исследовательских институтов.

 

Раздел I написан И. Б. Кекало, раздел II — совместно двумя авторами, разделы III и IV — Б. А. Самариным. Авторы выражают большую благодарность  рецензентам — проф. Л. С. Палатнику  и проф. В. И. Никитенко за ценные замечания, которые помогли устранить недостатки в изложении ряда вопросов и улучшить содержание рукописи в целом.

Какие стали и сплавы откосятся  к числу обладающих особыми физическими  свойствами?

 
К сплавам с особыми свойствами относятся коррозионностойкие, кислото-, окалино- и износостойкие, жаропрочные, магнитные, немагнитные электрические сплавы с высоким электрическим сопротивлением и др. 
 
Коррозионностойкие стали обладают высокой стойкостью против атмосферной коррозии; кислотостойкие стали обладают высокой коррозионной стойкостью против воздействия различных кислот; окалиностойкие стали не дают окалины при высоких температурах; жаропрочные стали и сплавы сохраняют одновременно высокую прочность и окалиностоикость при высоких температурах. 
 
Стали и сплавы с особыми физическими свойствами разделяют на деформируемые и литейные. 
 
Коррозионностойкие и жаропрочные стали и сплавы широко применяют в сварных конструкциях. Казахстанский Электронный Каталог Профессии

• Главная
• Карта Сайта
• О сайте

1.4. Стали и сплавы с особыми свойствами

К сталям и сплавам с особыми  свойствами относятся: коррозионно-стойкие, жаропрочные, жаростойкие и теплоустойчивые  стали и сплавы.

Коррозионно-стойкие (нержавеющие) стали  обладают высокой стойкостью против коррозии в агрессивных средах (влажная  атмосфера, морская вода, кислоты, растворы солей, щелочей и др.).

Наибольшую коррозионную стойкость  сталь приобретает после соответствующей  термической обработки (закалка с 1000-1100°С в масле с отпуском при температуре 700-750°С). Достаточно пластичная хромистая сталь 12X13 используется для изготовления деталей типа клапанов гидравлических прессов и предметов домашнего обихода, а также изделий, подвергающихся действию слабоагрессивных сред.

Для изготовления хирургического  инструмента, пружин, карбюраторных игл применяют сталь 40X13 после закалки и низкого отпуска.

Для оборудования, используемого на заводах пищевой, легкой и химической промышленности, применяют сталь 12X17 в отожженном состоянии. Для сварных конструкций эта сталь не рекомендуется.

К хромоникелевым сталям относится, например, сталь 12Х18Н9. Для получения однофазной структуры аустенита ее закаливают в воде при температуре 1100-1150°С. С целью повышения прочности ее подвергают пластическому деформированию в холодном состоянии. Применяется в виде холоднокатаного листа и ленты в химической, пищевой и нефтяной промышленности, автостроении, строительстве.

Стали и сплавы, предназначенные  для работы при повышенных и высоких температурах, разделяют на жаропрочные, жаростойкие и теплоустойчивые.

К жаропрочным сталям и сплавам  относятся материалы, способные  работать в нагруженном состоянии  при высоких температурах в течение  определенного времени. Они используются для изготовления деталей двигателей внутреннего сгорания, паровых и газовых турбин, металлургического оборудования. Обычно эти стали и сплавы характеризуются высокими значениями предела ползучести и длительной прочности.

Для малонагруженных деталей и узлов энергетических установок, работающих при температурах 500-580°С, применяют стали перлитного класса (марки 16М, 15М и др.) после соответствующей термической обработки. Для деталей и узлов газовых турбин и паросиловых установок применяют сложнолегированные стали, например 18Х12ВМБФР и 15Х12ВНМФ.

К жаропрочным сплавам относят  и сплавы на никелевой основе, содержащие более 30-50% никеля. Их называют нимониками и используют в качестве материала  для рабочих лопаток газотурбинных  двигателей, турбинных дисков, крепежных деталей с длительным сроком службы, сопловых лопаток и других деталей газовых турбин, работающих при 650-850°С. К таким сплавам, например, относят никелевые сплавы марок ХН77ТЮР, ХН70ВМТЮ и др.

Жаростойкие (окалиностойкие) стали и сплавы применяют для деталей, работающих в газовых средах при температуре 550-900°С. Они обладают высокой стойкостью против химического разрушения поверхности. Жаростойкие стали содержат алюминий, хром и кремний. Такие стали не образуют окалины при высоких температурах.

Теплоустойчивые стали применяют  в энергетическом машиностроении для  деталей, работающих под нагрузкой  при температуре 500-650°С в течение  длительного времени. В зависимости  от условий работы для изготовления деталей используют углеродистые, низколегированные и хромистые стали после соответствующей термической обработки.

К сплавам с особыми физическими  свойствами относятся: магнитные стали  и сплавы, стали и сплавы с высоким  электросопротивлением, сплавы с заданным температурным коэффициентом линейного расширения и сплавы с заданными упругими свойствами.

Магнитные стали и сплавы делятся  на магнитотвердые и магнитомягкие.

Магнитотвердые стали и сплавы применяют для изготовления постоянных магнитов. Для этой цели используют углеродистые стали У10, У12 (небольшие магниты).

Магнитомягкие стали и сплавы применяют  для изготовления якорей и полюсов  электротехнических машин, магнитопроводов, статоров и роторов электродвигателей  и т. д. К ним относят электротехническое железо и электротехническую сталь, железоникелевые сплавы (пермаллои).

Электротехнические стали легируют кремнием (0,5-4,8 %), который повышает электрическое  сопротивление, уменьшает удельные потери энергии (на гистерезис и вихревые токи), снижает индукцию насыщения. Сюда относятся трансформаторные и динамные стали (Э11, Э12, Э21, Э320, Э344 и др.).

Железоникелевые сплавы (пермаллои) содержат 45-80 % Ni, их часто легируют молибденом и хромом. Эти сплавы используют в аппаратуре, работающей в слабых электрических полях (телефон, радио  и т. п.). Для устройств, работающих в области высоких и сверхвысоких частот, применяют так называемые ферриты, получаемые спеканием порошков ферромагнитной смеси оксида железа (Fе2О3) и оксидов металлов (ZnO, MgO и др.).

Для изготовления деталей приборов машин из немагнитного материала применяют парамагнитные стали, которые обладают свойством слабо намагничиваться в направлении внешнего магнитного поля. К ним относятся парамагнитные аустенитные стали 17Х18Н10, 12Х18Н10Т и 55Г9Н9ХЗ.

Стали и сплавы с высоким электросопротивлением применяют для изготовления электронагревателей и элементов сопротивления (резисторов, реостатов). Основные требования к ним: высокая жаростойкость, высокое электросопротивление и достаточная прочность для сохранения формы нагревателей в процессе работы. Чаще всего используют железохромоалюминиевые сплавы, например марок Х13Ю4 (фехраль), ОХ23Ю5 (хромель), никелевые сплавы, например Х20Н80 (нихром). С целью снижения стоимости и повышения технологических свойств сплавов часть никеля в нихромах заменяют железом. Такие сплавы называют ферронихромами, например ХН20ЮС.

Сплавы с заданным коэффициентом  линейного расширения широко применяют  в приборостроении и машиностроении для изготовления деталей, требующих  постоянных размеров в интервале  температур эксплуатации (для вакуум-плотных спаев, для соединения с керамикой, стеклом и других целей). Они содержат большое количество никеля. К ним относятся сплавы 36Н (инвар), 29НК (ковар).

Сплавы с заданными упругими свойствами применяются для изготовления заводных пружин часовых механизмов, витых цилиндрических пружин, работающих при температуре до 400 °С, для кернов электроизмерительных приборов, инструментов в хирургии, для упругих чувствительных элементов, работающих при различных температурах от —196 до +500 °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:

1. на основе железа (Fe81Si3.5B13.5C2) с высокими значениями магнитной индукции и низкой коэрцитивной силой;

2. 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;

3. 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).