Сплави нікелю спеціального призначення

Сплави нікелю спеціального призначення

Сплави нікелю мають безліч унікальних властивостей і спеціалізовані області застосування. Властивості сплавів, включених до цієї категорії, пов'язані з магнетизмом і зміною форми предметів у відповідь на зміни температури.

Магнітно-м'які нікелеві сплави

З точки зору магнітних властивостей метали можна розділити на п'ять категорій:

• Діамагнетики
• Парамагнетики
• Феромагнетики
• Феримагнетики
• Антиферомагнетики

Температура має великий вплив на магнітні властивості. З усіх металів тільки залізо, нікель і кобальт є феромагнетиками при кімнатній температурі (рідкісний гадолін втрачає їх при +16 градусах C).

Всі феромагнетики втрачають свою магнітну сприйнятливість у міру підвищення температури. Коли температура піднімається вище певної межі, феромагнетик стає парамагнетиком. Ця межа називається температурою Кюрі.

Магнітна проникність феромагнетиків залежить від інтенсивності прикладеного магнітного поля. Після зняття магнітного поля феромагнетики виявляють залишковий магнетизм. Магніти притягують інші метали саме силою залишкового магнетизму.

Феромагнітний сплав, намагнічений в певному напрямку, після видалення зовнішнього магнітного поля демонструє спрямований залишковий магнетизм. Щоб видалити цю намагніченість, необхідно впливати на сплав полем протилежної орієнтації з певною потужністю, що називається коерцицією. Якщо це поле сильніше коерциції, сплав намагнічується в протилежному напрямку.

ККожне перемагнічування супроводжується незворотним розсіюванням енергії, яке визначається як гістерезисні втрати.

Властивості магнітно-м'яких сплавів

• Висока початкова магнітна проникність µ
• Висока максимальна диференціальна магнітна проникність
• Стабільність проникності при зміні температури
• Висока магнітна насиченість при незначному магнітному полі
• Миттєва реакція на зміни магнітного поля
• Низька температура Кюрі
• Високий опір, що впливає на
• Невеликі втрати енергії, пов'язані з індукцією вихрових струмів під впливом змінного струму
• Вузька петля гістерезису (що описує процес намагнічування і розмагнічування), що впливає на
• Низькі магнітні втрати / низькі гістерезисні втрати

Магнітно-м'які сплави, простіше кажучи, легко намагнічуються, розмагнічуються і перемагнічуються.

Магнітно-м'які нікелеві сплави – застосування

Приклади застосування магнітно-м'яких сплавів, що містять нікель:

• Серцевини трансформаторів, пов'язані зі звукопідсилювальним обладнанням
• Магнітні підсилювачі
• Перетворювачі
• Серцевини трансформаторів радарів
• Серцевини синхронних і моментних двигунів
• Зарядні індукційні котушки
• Електромагнітні екрани радіочастоти
• Компенсатор температури

Пермаллой — це унікальний магнітно-м'який сплав з гістерезисною петлею, за формою дуже близькою до прямокутника, і двома значеннями залишкової намагніченості. Завдяки цьому він використовується для представлення чисел у двійковій системі в електроніці.

Магнітно-м'які металеві скла

Магнітно-м'які металеві скла відрізняються високим опором. Завдяки цьому вони мають дуже низькі втрати і можуть працювати на високих частотах.

Металеві магнітно-м'які скла, що містять нікель:

• Metglas 40Fe-40Ni-14P-6B
• Metglas 40Fe-38Ni-4Mo-18B

Магнітно-тверді нікелеві сплави

Магнітно-тверді сплави використовуються для виробництва постійних магнітів. Вони мають дуже сильний залишковий магнетизм, і їх нелегко розмагнітити і перемагнітити.

Сплави типу Alnico — це дуже важливі сплави, що містять нікель і використовуються для виробництва постійних магнітів.

Нікелеві сплави з низьким коефіцієнтом теплового розширення

Теплове розширення полягає в тому, що тіла змінюють (майже завжди збільшують) свою довжину або об'єм у відповідь на зміну температури. Всі матеріали в тій чи іншій мірі схильні до цього явища

Коефіцієнт теплового розширення — це відносне подовження даного матеріалу, нагрітого на 1 градус K. Він розраховується шляхом порівняння точних вимірювань до і після нагрівання.

Цей коефіцієнт, як правило, змінюється залежно від температури. Це означає, що подовження металевого стрижня, нагрітого від 0 до 20 градусів Цельсія, і подовження того ж стрижня при нагріванні від 200 до 220 градусів Цельсія не однакові.

Крім того, коефіцієнт теплового розширення більшості металів і сплавів досить високий і становить при кімнатній температурі приблизно від 5 до 25 мкм/м ⋅ K. Прикладом протидії високому тепловому розширенню сплавів заліза і сталі є деформаційні шви залізничних колій.

Нікелеві сплави з низьким коефіцієнтом теплового розширення – застосування

З огляду на вищезазначену інформацію, сплави з низьким коефіцієнтом теплового розширення зазвичай використовуються там, де потрібно:

• Дуже низька теплова розширюваність (від 0 до 2 мкм/м ⋅ K) в певному діапазоні температур або
• Однорідне і передбачуване розширення в певному діапазоні температур.

Приклади застосування

• Геодезичне обладнання – геодезичні рейки та стрічки
• Годинники – компенсаційні маятники та махові колеса
• Двигуни – поршні в двигунах внутрішнього згоряння
• Вимірювальні прилади – біметалеві термостати, термостатні стрічки
• Герметичні з'єднання скло-метал – електронні лампи
• Зберігання та транспортування скрапленого природного газу – клапани та труби
• Енергетика – надпровідні системи
• Електроніка – корпуси інтегральних схем, елементи радіо- та електронних пристроїв, решітки в кінескопах кольорових телевізорів
• Лазерні та оптичні вимірювальні прилади – корпуси та конструктивні елементи

Вплив легуючих добавок

Сплави нікелю з низьким коефіцієнтом теплового розширення – це в основному сплави заліза з нікелем. За винятком сплаву супер-інвар, який працює в невеликому діапазоні температур, мінімальний коефіцієнт теплового розширення спостерігається при співвідношенні 64Fe-36Ni (цей сплав має торгову назву інвар). Це мінімальне розширення спостерігається тільки для певного діапазону температур.

Легуючі добавки дозволяють зміщувати діапазон температур з мінімальним тепловим розширенням у бік більш високих або більш низьких температур. Однак легуючі добавки зазвичай підвищують сам коефіцієнт теплового розширення.

Коротко кажучи і узагальнюючи:

• Чистий сплав заліза з нікелем – дозволяє отримати найнижчий коефіцієнт теплового розширення (інвар 64Fe-36Ni) в даному діапазоні температур.
• Хром, марганець, кремній, вольфрам і молібден – дозволяють додати більше нікелю в сплав, що зміщує діапазон мінімальної розширюваності в бік більш високих температур. Підвищують коефіцієнт температурної розширюваності по відношенню до сплаву інвар.
• Мідь, вуглець і кобальт – дозволяють додавати меншу кількість нікелю, зміщуючи тим самим діапазон мінімальної розширюваності в бік більш низьких температур. Підвищують коефіцієнт температурної розширюваності по відношенню до сплаву інвар.

З'єднання з іншими матеріалами

Пряме з'єднання двох нееластичних матеріалів з різним коефіцієнтом теплового розширення призводить до того, що при зміні температури з'єднання втрачає герметичність або на ці тіла діють великі сили, які можуть їх пошкодити.

У зв'язку з цим деякі сплави проектуються таким чином, щоб їх температурна розширюваність точно відповідала іншим матеріалам. Наприклад, сплави типу kovar або «glass-sealing» розширюються в певному діапазоні температур точно так само, як деякі види скла і кераміки. У свою чергу, сплав типу «platinate» розширюється в певному діапазоні температур точно так само, як платина.

Це дозволяє створювати герметичні, прямі з'єднання цих матеріалів, які зберігають герметичність при змінах температури. Такі з'єднання не вимагають використання додаткових ущільнень і є дуже довговічними. У минулому прямі з'єднання скло-метал широко використовувалися в радіотехніці, в електронних лампах.

Такий точно визначений коефіцієнт теплового розширення сплаву досягається шляхом відповідного підбору вмісту нікелю і кобальту в матриці заліза.

Використання різних матеріалів з різною тепловою розширюваністю призводить до того, що при зміні температури з'єднання втрачає герметичність або на ці тіла діють великі сили, які можуть їх пошкодити.

  ↵

Титано-нікелеві сплави з пам'яттю форми

Деякі метали мають здатність повертатися до первісної форми або розміру відповідно до ефекту пам'яті форми.

Ефект пам'яті форми говорить, що сплав, сформований при певній температурі і деформований при іншій, повернеться до первісної форми, коли буде нагрітий до початкової температури.

Застосування сплавів з пам'яттю форми

Застосування цих сплавів можна розділити з точки зору використовуваного явища на:

• Деформація під впливом певної температури – термостати кавоварок, медичні інструменти, наприклад, внутрішньовенні фільтри для згустків крові.
• Обмежена деформація – міцні гідравлічні з'єднання.
• Псевдоеластичність – оправи окулярів, ортодонтичні проволоки.
• Властивості мартенситної фази – антивібраційні амортизатори, хірургічні інструменти для операцій на відкритому серці, дроти, стійкі до втоми.

Титано-нікелеві сплави з пам'яттю форми – склад

Основою таких сплавів є приблизно рівний за масою інтерметалевий сплав нікелю з титаном. Інші часто використовувані легуючі добавки:

• Додаткові кількості нікелю – значно знижують температуру мартенситного переходу і підвищують межу пластичності аустеніту.
• Залізо – знижує температуру перетворення.
• Хром – знижує температуру перетворення.
• Мідь – зменшує гістерезис і пом'якшує напруження при деформації мартенситу.