Прецизионные сплавы

Прецизионные сплавы — это высоколегированные деформируемые сплавы с жёстко заданными физическими или физико-механическими свойствами. В отличие от конструкционных материалов, где главным критерием служит прочность, в прецизионных сплавах нормируют специальные характеристики: магнитную проницаемость, температурный коэффициент линейного расширения, модуль упругости, удельное электрическое сопротивление и другие. Достижение этих характеристик требует узких пределов по химическому составу, специальных способов выплавки (вакуумно-индукционный, электрошлаковый, вакуумно-дуговой переплав) и строго контролируемой термомеханической обработки.

Основой большинства прецизионных сплавов служат железо, никель или кобальт; нередко все три компонента присутствуют одновременно. Лёгкие примеси — сера, фосфор, кислород, азот — жёстко ограничены, поскольку в малых концентрациях способны кардинально изменять целевое свойство.

Действующий межгосударственный стандарт ГОСТ 10994-74 «Сплавы прецизионные. Марки» делит все прецизионные деформируемые сплавы на семь групп по определяющему свойству. Ниже — характеристика каждой группы с типичными областями применения.

Группа I — магнитомягкие сплавы

Магнитомягкие сплавы характеризуются высокой начальной и максимальной магнитной проницаемостью в сочетании с низкой коэрцитивной силой. Коэрцитивная сила — это напряжённость магнитного поля, при которой намагниченность материала обращается в ноль после намагничивания; чем она ниже, тем меньше потери на перемагничивание.

Внутри группы I выделяют сплавы с различными акцентами в свойствах:

• с наивысшей начальной магнитной проницаемостью;
• с повышенной индукцией насыщения;
• с прямоугольной петлёй гистерезиса;
• с низкой остаточной индукцией;
• с высоким удельным электрическим сопротивлением (для снижения вихретоковых потерь);
• с заданным ТКЛР в сочетании с магнитными свойствами;
• с повышенной износостойкостью;
• с высокой коррозионной стойкостью;
• с высокой магнитострикцией;
• термомагнитные (с управляемой зависимостью магнитных свойств от температуры).

Основа большинства магнитомягких прецизионных сплавов — система железо–никель (пермаллои) и железо–никель–кобальт. Типичные марки по ГОСТ 10994-74: 50НХС, 47НК, 79НМ, 50НП и др.

Применение магнитомягких сплавов

Магнитомягкие сплавы применяют для изготовления сердечников трансформаторов, дросселей, реле, магнитных экранов, роторов и статоров прецизионных электрических машин, магнитоуправляемых усилителей. Область применения — приборостроение, радиоэлектронная аппаратура, медицинское диагностическое оборудование, авиационные и космические системы управления.

Группа II — магнитотвёрдые сплавы

Магнитотвёрдые сплавы отличаются высокой коэрцитивной силой и большой площадью петли гистерезиса. После намагничивания они сохраняют значительную остаточную индукцию и служат материалом для постоянных магнитов.

Применение: активные части гистерезисных двигателей, постоянные магниты в приборах, датчиках, исполнительных механизмах; носители и элементы магнитной памяти (исторически — в вычислительной технике).

Группа III — сплавы с заданным ТКЛР

Температурный коэффициент линейного расширения (ТКЛР) — относительное изменение линейного размера тела на один градус температуры. У обычных металлов ТКЛР составляет (10–20)·10⁻⁶ К⁻¹. Инварные сплавы системы Fe–Ni (например, 36Н — инвар) при содержании около 36 % Ni имеют ТКЛР порядка (0,5–2)·10⁻⁶ К⁻¹ в диапазоне от −60 до +100 °C — в 10–20 раз ниже, чем у стали. Эффект обусловлен аномальной магнитострикцией, компенсирующей тепловое расширение кристаллической решётки.

Внутри группы III различают ферромагнитные сплавы с низким ТКЛР (инварного типа) и немагнитные сплавы с ТКЛР, согласованным с коэффициентом расширения стекла, керамики или конкретного типа керамического диэлектрика (коварные сплавы, 29НК и подобные).

Применение сплавов с заданным ТКЛР

Основное применение — вакуумная и паяная герметизация металлических выводов в стеклянных и керамических корпусах электронных компонентов (реле, вакуумные приборы, полупроводниковые корпуса, пьезоэлектрические узлы). Согласованность ТКЛР металлической арматуры и диэлектрического материала устраняет термические напряжения, которые при циклировании температур приводят к растрескиванию спая. Применяются также в эталонных геодезических и измерительных инструментах, где стабильность размеров критична.

Группа IV — сплавы с заданными упругими свойствами

Сплавы группы IV сочетают высокий предел упругости, релаксационную стойкость (способность сохранять упругие деформации во времени при статических и циклических нагрузках) и специальные дополнительные свойства. ГОСТ 10994-74 оговаривает для этой группы повышенную коррозионную устойчивость, повышенную прочность, низкую магнитную проницаемость, а также нормируемые значения модуля нормальной упругости и его температурного коэффициента.

По механизму упрочнения различают:

• Дисперсионно-твердеющие сплавы — упрочняются при старении за счёт выделения дисперсных фаз из пересыщенного твёрдого раствора; обеспечивают высокий предел упругости при умеренной прочности.
• Деформационно-твердеющие сплавы — упрочняются холодной деформацией; применимы там, где термическое старение конструктивно невозможно.
• Элинвары — материалы с температурно-стабильным модулем упругости (от «élasticité invariable»); применяются в камертонах, балансах часовых механизмов, мембранах и других чувствительных упругих элементах, где изменение модуля упругости с температурой приводит к погрешности измерения.

Применение упругих прецизионных сплавов

Пружины приборов, мембраны датчиков давления, сильфоны, торсионы, упругие подвесы гироскопов, хирургические и стоматологические инструменты. Рабочий диапазон температур для сплавов этой группы — от −196 до +500 °C (в зависимости от марки).

Группа V — сверхпроводящие сплавы

Сверхпроводящие (криогенные) сплавы характеризуются обращением электрического сопротивления в ноль ниже критической температуры T_c. Помимо нулевого сопротивления, нормируются критическая плотность тока и верхнее критическое магнитное поле H_c2 — именно эти параметры определяют пригодность сплава для конкретного применения.

По ГОСТ 10994-74 в группу V входят сплавы на основе ниобия. Химический состав сплавов группы V является факультативным при соответствии их свойств требованиям технической документации.

Применение: обмотки сверхпроводящих магнитов для МРТ-сканеров, ускорителей заряженных частиц, установок термоядерного синтеза; накопители энергии на сверхпроводящих соленоидах; исследовательское и метрологическое оборудование, работающее при криогенных температурах.

Группа VI — сплавы с высоким электрическим сопротивлением

Группа VI объединяет два функционально разных класса:

Нагревательные сплавы (нихромы, фехрали, железохромалюминиевые сплавы) предназначены для нагревательных элементов промышленных и лабораторных электропечей. Ключевые требования: стабильность сопротивления при длительной работе при высоких температурах, жаростойкость, достаточная пластичность для изготовления проволоки, ленты и спиралей. Рабочие температуры — до 1200–1400 °C в зависимости от состава.

Резистивные сплавы (манганин, константан, нихром резистивный) применяются в точных резисторах и измерительных цепях. Для них принципиально важен минимальный температурный коэффициент сопротивления (ТКС) — стабильность удельного сопротивления при изменении температуры. Например, у манганина ТКС составляет ±(0,5–5)·10⁻⁵ К⁻¹, что на порядок ниже, чем у меди.

Общие характеристики сплавов группы VI: высокая пластичность (необходима для волочения тонкой проволоки), достаточная механическая прочность, технологичность при сварке и пайке. Подробнее о конкретных марках — на странице сплав 68НМП.

Группа VII — термобиметаллы

Термобиметалл — это двухслойный материал, в котором слои из сплавов с резко различающимися ТКЛР сварены по всей контактной поверхности (горячей или холодной прокаткой). При изменении температуры разность деформаций слоёв вызывает изгиб пластины, что используется как термочувствительный механический привод.

Активный слой (высокий ТКЛР) изготавливают из сплавов типа 75ГНД или 50Н; пассивный слой (низкий ТКЛР) — из инварных и ковaрных сплавов. Прецизионные сплавы группы VII нормированы именно как материалы для активного или пассивного слоя — от их стабильности зависит воспроизводимость характеристики «прогиб — температура».

Применение: тепловые реле, автоматические выключатели, термостаты, предохранители от перегрева, терморегуляторы в бытовых и промышленных приборах.

Общие требования ГОСТ 10994-74 к маркировке и выплавке

Марка прецизионного сплава строится из буквенных обозначений элементов и числа перед буквой, означающего среднюю массовую долю этого элемента в процентах (кроме железа как основы). Исключение — сплавы группы VI: в них цифры стоят после буквенного обозначения и указывают на содержание легирующего элемента. При применении специальных способов выплавки к марке через тире добавляют обозначение: ВИ (вакуумно-индукционный), ВД (вакуумно-дуговой), Ш (электрошлаковый переплав) и др.

Химический состав сплавов групп I, II и V является факультативным при условии соответствия готовой продукции нормируемым физическим свойствам. Для групп III, IV, VI и VII состав является обязательным, хотя технической документацией допускается незначительная его корректировка.

Формы поставки прецизионных сплавов

Прецизионные сплавы поставляются в следующих видах металлопроката и полуфабрикатов:

• горячекатаные и холоднокатаные листы и ленты;
• прутки и полосы круглого, квадратного и прямоугольного сечения;
• проволока (в том числе тончайшая по ГОСТ 8803-89 для резистивных элементов);
• трубы.

Конкретная форма поставки, допуски на размеры и состояние поверхности регламентируются отдельными стандартами на прокат и техническими условиями, согласованными с потребителем. Поставка — по заявке с указанием марки, группы по ГОСТ 10994-74, размеров и требований к состоянию (термообработка, нагартовка).