Стали и сплавы с особыми свойствами.

Стали и сплавы с особыми свойствами.

Железокобалыповые сплавы

Железокобалыповые сплавы обладают высокой магнитной проницаемостью и малой коэрцитивной силой, что необходимо для магнитомягких материалов. Коэрцитивная сила тем меньше, чем крупнее зерно, а структура аморфных сплавов подобна единому зерну. Они могут заменить традиционные пермаллои — сплавы, содержащие от 45 до 83% Ni. Для аморфных сплавов, в состав которых входят железо, хром и кобальт, характерно сочетание высоких величин твердости и прочности (табл. 8.1).

Маркировка аморфных сплавов  отличается от принятой для сталей и сплавов. Они обозначаются аналогично химическим соединениям. Цифры показывают содержание элемента в атомных процентах, например Fe80B80. Использование аморфных сплавов для изготовления нагруженных деталей, к сожалению, ограничено производимым сортаментом. Нити используют для армирования композиционных материалов, ленты — для намотки при изготовлении сосудов высокого давления. Из ленты также изготавливаются упругие элементы. Достижение весьма высокой твердости реальных деталей можно реализовать путем аморфизации поверхностных слоев лазерной обработкой. Так, лазерная обработка чугунной детали (3,2% С, 2,6% Si, 0,64% Мп, 0,06% Р) позволила получить твердость поверхности, равную 1200 HV. Такая весьма высокая твердость достигается, например при азотировании сталей, содержащих алюминий.

Получение больших  скоростей охлаждения жидкого металла

Существует ряд методов получения таких скоростей.

1. Высокоскоростное ионно-плазменное  и термическое распыления материала с последующей конденсацией паров на охлаждаемую жидким азотом подложку. Скорость охлаждения около 1013 К/с.

2. Оплавление тонких поверхностных  слоев деталей лазерным лучом,  при этом высокая скорость охлаждения обеспечивается быстрым отводом тепла в глубокие слои металла. Скорость охлаждения 107…109 К/с.

3. Закалка из жидкого состояния. Скорость охлаждения 106… 1010К/с.

Закалка из жидкого состояния — основной метод получения металлических стекол. Схема установки для получения металлического стекла в виде ленты приведена на рис. 8.4. Установка состоит из трех вакуумных камер 1. В верхней камере осуществляется расплавление металла плазменной горелкой 6, в средней расположен медный диск 3, нижняя является вакуумным резервуаром. Водоохлаждаемый медный тигель 4 расположен на стенке, разделяющей верхнюю и среднюю камеры. После помещения металла 5 в тигель откачивают воздух для создания вакуума с давлением Ю-4 Па, затем в верхнюю и среднюю камеры подают аргон под давлением (5…8)-104 Па. После расплавления материала давление в средней камере сбрасывается до 104 Па с помощью дроссельного клапана 2. Под действием разности давления расплав поступает в среднюю камеру и попадает на вращающийся медный диск. При непрерывной подаче жидкого металла образуется лента с аморфной структурой.  

Аморфная структура металлических  стекол нестабильна, она стремится перейти в более равновесную форму, т. е. кристаллическую. Это происходит при нагреве выше температуры кристаллизации Ткр: Ткр = (0,4… 0,65) Тт, где Тт— температура плавления. Применение этих материалов ограничено температурой. Свои свойства они сохраняют лишь ниже Ткр. Кроме того, сортамент их выпуска ограничен, в основном это тонкая фольга, ленты, нити, так как при больших сечениях невозможно добиться сверхвысоких скоростей охлаждения. Основная область применения — микроэлектроника и радиоэлектроника, где используется фольга и необходимо нанесение тонких пленок аморфных металлов на полупроводниковые или изолирующие подложки. Однако такое применение аморфных металлических сплавов определяется не только и не столько технологическими соображениями, сколько их свойствами. Металлические стекла обладают особыми электрическими и магнитными свойствами. Так, удельное электросопротивление сплава Ni80Si7B80 в 1,5 раза больше, чем у нихрома (традиционный сплав с высоким сопротивлением).

Сплавы с памятью  формы и аморфные сплавы

Обычные стали и сплавы после пластической деформации не восстанавливают свою форму. Особенностью сплавов, обладающих эффектом памяти формы, является то, что нагрев, выполненный после холодной пластической деформации, восстанавливает форму, которую имело изделие при высоких температурах, т. е. при ранее выполненной горячей пластической деформации. Так, например, если проволоку закрутить в спираль при высокой температуре, а при низкой выпрямить (раскрутить), то повторный нагрев вызывает изменение формы: проволока вновь приобретает форму спирали и сохраняет ее при охлаждении. В настоящее время известно большое количество таких сплавов. Это сплавы на основе меди (15% ат. Ni, 36% ат. А1) и никеля (36% ат. А1) и др. Наибольшее распространение получили сплавы типа нитинол (Н50Т50). Эффект памяти формы в них повторяется в течение многих тысяч циклов. Нитинол применяют в автоматических прерывателях тока, запоминающих устройствах, температурно-чувствительных датчиках.

Аморфные  сплавы. Металлы и сплавы в аморфном состоянии, т.е. металлические стекла, впервые были получены в 1959—1960 гг. Они существенно отличаются от сплавов того же состава, имеющих традиционное кристаллическое строение. Металлические стекла различного состава обладают высокими механическими, магнитными, антикоррозионными свойствами. Аморфная структура, которая представляет единое зерно, образуется при сверхвысоких скоростях охлаждения — 106 К/с и выше, благодаря чему достигается очень большая степень переохлаждения, при которой параметры кристаллизации ЧЦ и СК равны нулю (скорость охлаждения при получении отливок традиционными методами около 1 К/с).

Высокопрочные стали

Среднеуглеродистые  комплексно-легированные стали, содержащие 0,45… 0,50% С, например 40ХГСНЗВА, получают такую прочность (до 2000 МПа) после закалки и отпуска при температуре 250… 300 °С. Так достигаются удовлетворительные величины пластичности и ударной вязкости. Прочность может быть повышена снижением температуры отпуска, а также применением сталей с большим содержанием углерода. Однако при этом сильно снижается пластичность стали, т. е. повышается склонность к хрупкому разрушению, следовательно, такие стали плохо сопротивляются ударным нагрузкам.

Мартенситно-стареющие  стали являются безуглеродистыми высоколегированными сталями, в которых суммарное содержание легирующих элементов (никель, кобальт, молибден, алюминий) значительно превышает 10%. Углерод является примесью — его содержание не должно превышать 0,04%. Широкое применение получила сталь Н18К9М5ТЮ (18% Ni, 9% Со, 5% Мо, 0,5% Ti, 0,1% А1). После закалки от 840…860°С сталь обладает невысокой прочностью, очень пластична. В таком состоянии сталь можно подвергать обработке резанием, деформации, т.е. проводить формообразующие операции. Упрочнение достигается старением при 480…500°С в результате дисперсионного твердения за счет выделения дисперсных частиц Ni3Ti или Ni3 (Ti, Al).

Следует иметь в виду важное технологическое отличие мартенситно-стареющих сталей от традиционно используемых. Механическая обработка заготовок осуществляется не до, а после закалки, когда стали имеют самые низкие прочностные свойства. Таким образом, операция, вызывающая основные изменения размера и формы (деформация, коробление) у углеродистых и легированных сталей, — закалка — вынесена здесь в самое начало технологического процесса, до обработки резанием. Поэтому закалочные напряжения в мартенситно-стареющих сталях несущественны, к тому же их величина весьма мала, потому что из-за высокого содержания легирующих элементов они принимают закалку с охлаждением на воздухе. Кроме стали Н18К10М5ТЮ, применяются менее легированные мартенситно-стареющие стали типа Н12К8М4Г2, Н9Х12Д2ТБ и др., прочность которых несколько ниже (ав = 1600… 1800 МПа). Мартенситно-стареющие стали применяются, когда необходима и высокая прочность, и ударная вязкость, например в авиации.

Трипстали — это сравнительно новый класс сталей. Типичный состав: 0,3% С; 9% Сг; 8% Ni; 4% Mo; 2% Мп; 2% Si. Наличие никеля и марганца обеспечивает получение после закалки при температурах 1000… 1100°С аустенитной структуры, имеющей низкую прочность. Прочность стали возрастает после деформации при комнатной температуре, в результате которой происходит превращение аустенита в мартенсит (в отличие от мартенсита, получаемого при охлаждении, он называется мартенситом деформации). Трипстали обладают высокой прочностью, сохраняя высокую пластичность (ов = 1800 МПа; 8 = 20%). Отличительной особенностью этих сталей является высокое сопротивление развитию трещины: значения KYcy них выше, чем у всех высокопрочных сталей, рассмотренных выше.

Износостойкие стали

Износостойкость сильно зависит  от условий, в которых работают пары трения. Для конкретных условий следует подбирать соответствующие стали. Стали высокой твердости необходимы для работы в условиях абразивного износа. Износ происходит за счет микрорезания твердыми частицами материала, работающего в паре с деталью, износостойкость которой необходимо повысить. Высокие значения твердости могут быть достигнуты для целого ряда сталей с применением технологий их упрочнения. Объемной и поверхностной закалке подвергают стали с высоким содержанием углерода: инструментальные У10, У12, 8ХФ и др., подшипниковые 1ПХ15, ШХ15СГ. Следует отметить, что при одинаковой твердости более высокую износостойкость имеют заэвтектоидные стали, в структуре которых после закалки наряду с мартенситом присутствуют карбиды — химические соединения высокой твердости. Высокая твердость поверхностных слоев, которые противостоят износу, может быть достигнута применением химико-термической обработки: цементации, азотирования соответствующих сталей.

Аустенитные стали, склонные к наклепу, эффективны при работе в условиях высоких давлений и динамических нагрузок. Под действием пластической деформации, возникающей при трении, поверхность материала наклёпывается, что приводит к снижению износа. К сталям такого типа относится сталь Гадфильда (110Г13Л), в которой содержится 1,1 % С и 13 % Мп. Структура стали в литом состоянии: аустенит и карбиды (Fe, Мп)3С. Максимальная износостойкость этой стали достигается в результате закалки от температуры 1050… 1100°С с охлаждением в воде. Под действием высоких давлений и ударных нагрузок происходит упрочнение в результате наклепа, что обеспечивает высокую износостойкость стали. Сталь применяется для деталей, работающих в условиях изнашивания при высоких давлениях и ударных нагрузках, например для траков гусеничных машин, черпаков экскаваторов, трамвайных крестовин и т.д. При отсутствии значительных нагрузок, вызывающих наклеп, повышения износостойкости этой стали не наблюдается. Она плохо сопротивляется и чисто абразивному износу. Сталь 110Г13Л плохо обрабатывается резанием. Изделия из нее получают методами литья или реже горячей пластической деформацией.

Сплавы с особыми  упругими свойствами

В приборостроении в ряде случаев требуются сплавы с регламентируемым температурным коэффициентом линейного расширения (ТКЛР) а, например, как у стекла, или равным нулю. Для подбора материалов с определенным ТКЛР используют железо-никелевые сплавы. Температурный коэффициент линейного расширения этих сплавов изменяется согласно сложной зависимости, отличной от обычной для металлов. Сплав с 36% Ni называется инваром (от лат. invariabilis — неизменный), его можно считать практически нерасширяющимся. Этот сплав применяют в приборостроении для деталей, для которых недопустимо изменение размеров при колебаниях температуры. Значения коэффициента а инвара на порядок ниже, чем у железа: при 100 °С соответственно 1,5-10~6 и 12,2-10~6 К. При замене части никеля кобальтом (29% Ni, 18% Со) получают сплав, называемый коваром(а = 5 -10~6).

Особыми упругими свойствами обладают элинвары — у этих сплавов при изменении температуры остается практически постоянным модуль упругости Е. Это железоникельхромовые сплавы (36% Ni, 8% Сг). Температурный коэффициент линейного расширения этих сплавов лежит в пределах 18… 23 -10~6 К, это примерно в 10 раз меньше, чем у углеродистых сталей, и в 20 раз меньше, чем у аустенитных сталей.

Сплавы с высоким  удельным электрическим сопротивлением

Сплавы  с высоким удельным электрическим сопротивлением являются твердыми растворами в силу того, что у твердых растворов сопротивление выше, чем у образующих их элементов. Различают сплавы реостатные для изготовления реостатов и элементов электроизмерительных приборов и жаростойкие, которые используют для нагревательных элементов печей и электронагревательных приборов. В качестве реостатных сплавов широкое применение нашли сплавы меди и никеля: константан (40% Ni, 1,5% Мп, остальное — Си) и никелин (45% Ni, 55% Си). В качестве жаростойких применяют нихромы (например, Х20Н80 — 80% Ni, 20% Сг), фехрали (Х13Ю4 -13% Сг, 4% А1, остальное — Fe), хромали (Х23Ю5 — 23% Сг, 5% А1, остальное — Fe). Эти сплавы используют для эксплуатации при температурах до 1100… 1200°С. Для более высоких температур — 1500… 2 500 °С — применяют тугоплавкие металлы вольфрам и молибден (температура плавления 3380 и 2990 °С соответственно) и сплавы на их основе.

Термоэлектродные  сплавы используют для изготовления термопар, т.е. датчиков температуры. Основные требования к сплавам для термопар: большие величины термоЭДС; стабильность термоэлектрических свойств; устойчивость против окисления в интервале рабочих температур. Основными термоэлектродными сплавами являются никелевые и медно-никелевые: алюмель — НМцАК2-2-1 (95% Ni, 2% Мп, 2% А1, 1% Si), хромель — НХ 9,5 (90% Ni, 10% Сг), копель — МНМц 43-0,5 (56,5% Си, 43% Ni, 0,5% Мп). В промышленности используют следующие термопары: ХК (хромель — копель) при температурах до 600 °С, ХА (хромель — алюмель) — до 1000 °С. Для измерения высоких температур (до 1600… 1800 °С) используются термопары, одним из электродов которых является платина, а вторым сплав платины и родия — платинородий (термопара ПП: платина — платинородий).

Магнитомягкие сплавы и стали

Магнитомягкие сплавы и стали, которые имеют низкую коэрцитивную силу и высокую магнитную проницаемость (рис. 8.2, б), применяют для изготовления сердечников, магнитных устройств, работающих в переменных магнитных полях. Магнитомягкие материалы должны иметь однородную (гомогенную) структуру и крупное зерно. В качестве магнитомягкого материала используют технически чистое железо. Его применяют для изготовления сердечников реле, электромагнитов постоянного тока, полюсов электрических машин и др. Широкое применение в промышленности нашли низкоуглеродистые и легированные кремнием электротехнические стали (0,05…0,005% С, 1,0…4,8% Si). Легирование кремнием повышает электрическое сопротивление стали, уменьшает потери на вихревые токи, повышает магнитную проницаемость, снижает коэрцитивную силу и, таким образом, потери на гистерезис. Незначительный наклеп сильно снижает магнитную проницаемость и повышает коэрцитивную силу. Для снятия напряжений и искажений структуры после прокатки, а также для укрупнения зерна электротехническую сталь подвергают отжигу при 1100… 1200°С в атмосфере водорода. При рубке листов, резке, штамповке и гибке магнитные свойства электротехнической стали ухудшаются. Для их восстановления рекомендуется отжиг при 750… 800 °С с изотермической выдержкой в течение 2 ч и последующим медленным (50°С/ч) охлаждением до 400 °С. Электротехническую сталь изготавливают в виде листов толщиной от 0,05 до 1 мм.