Сплав 31Н4Х

Сплав 31Н4Х — прецизионный железо-никель-хромовый сплав из группы термомагнитных компенсаторов. Его функциональное назначение принципиально отличается от пермаллоев и других высокопроницаемых магнитомягких сплавов: ключевое свойство 31Н4Х — резко выраженная зависимость намагниченности от температуры вблизи точки Кюри, а не высокая магнитная проницаемость.

Термомагнитные компенсаторы: принцип работы и место 31Н4Х

В магнитных цепях с постоянными магнитами индукция в рабочем зазоре снижается при нагреве. Чтобы компенсировать эту погрешность, в цепь параллельно вводят шунт из термомагнитного материала. При нагреве намагниченность шунта резко падает, его магнитное сопротивление растёт, и бо́льшая часть потока перенаправляется в рабочий зазор — тем самым поддерживая стабильность показаний прибора.

Для корректной работы такого шунта требуется сплав с точкой Кюри, близкой к рабочей температуре установки, и с крутой, линейной зависимостью намагниченности от температуры в диапазоне эксплуатации. Семейство Fe-Ni-Cr сплавов (компенсаторы), к которому относится 31Н4Х, обеспечивает обратимость магнитных свойств в диапазоне от −60°C и выше, хорошую воспроизводимость характеристик и удовлетворительную механическую обрабатываемость.

Содержание хрома в марке определяет положение точки Кюри: с ростом доли Cr точка Кюри снижается, рабочий диапазон сдвигается в область более низких температур. Марки 31Н3Х — 31Н8Х образуют ряд, в котором каждый следующий номер перекрывает несколько иной температурный интервал компенсации. Для подбора нужного температурного диапазона инженеру необходимо сравнить несколько марок этой линейки.

Химический состав сплава 31Н4Х

Состав регламентируется ТУ 14-1-4478-88. Основа — железо (около 65%), легирующие — никель и хром. Точное соотношение компонентов указано в таблице.

Элемент	Содержание, % (масс.)
Никель (Ni)	30,5 – 31,8
Хром (Cr)	3,6 – 4,4
Марганец (Mn)	не более ~0,3
Железо (Fe)	основа (~65%)
Кремний, медь, алюминий и др.	в малых долях, суммарно ≤ 0,07%

Никель определяет положение точки Кюри и является главным легирующим элементом. Хром смещает точку Кюри в сторону более низких температур и повышает устойчивость к окислению. Марганец в небольших количествах связывает серу в безвредные сульфиды MnS, улучшая качество металла при выплавке.

Магнитные свойства и принцип выбора по температурному диапазону

Ключевая характеристика 31Н4Х — температурный коэффициент магнитной проницаемости и линейность зависимости намагниченности от температуры в заданном интервале. У сплавов семейства Fe-Ni-Cr (компенсаторы) этот коэффициент составляет порядка 0,3–1,1%/°C в рабочем диапазоне, а сам диапазон для разных марок линейки охватывает интервалы от −60°C до +70…+160°C.

Для 31Н4Х с содержанием 4% Cr точка Кюри находится в зоне низких положительных температур, что предопределяет его применение в устройствах с рабочей температурой в этой области. При подборе марки для конкретного прибора необходимо ориентироваться на рабочий температурный диапазон установки и согласовывать положение точки Кюри с заданным диапазоном компенсации.

Важная особенность компенсаторов этой группы — обратимость магнитных свойств в диапазоне ±70°C: после циклического нагрева-охлаждения характеристики воспроизводятся без деградации, что принципиально для метрологических применений.

Физические свойства

Удельное электрическое сопротивление сплавов семейства Fe-31%Ni-Cr составляет около 86–100 мкОм·м. Высокое сопротивление по сравнению с чистым железом обусловлено аустенитной структурой и равномерным распределением Ni и Cr в решётке. Средний коэффициент термического расширения для этой группы сплавов в диапазоне 20–400°C составляет около 13,3–15,6 × 10⁻⁶/°C (конкретное значение зависит от точного состава).

Механическая обрабатываемость и состояние поставки

Сплав 31Н4Х обрабатывается давлением в горячем и холодном состоянии. Стандартные полуфабрикаты — холоднокатаная лента, листы и горячекатаные (или кованые) прутки. При необходимости нестандартных размеров сортамент уточняется по заявке.

Для применения в магнитных шунтах сплав используется в отожжённом состоянии: отжиг снимает наклёп, формирует равновесную аустенитную структуру и восстанавливает воспроизводимые магнитные характеристики. Механическая обработка резанием возможна, однако после любой значительной деформации для восстановления магнитных свойств требуется повторный отжиг.

Применение сплава 31Н4Х

Основная область применения — магнитные шунты-термокомпенсаторы в электроизмерительных приборах: электросчётчики, гальванометры, спидометры, магнитоэлектрические амперметры и вольтметры. Шунт из 31Н4Х включается параллельно постоянному магниту и автоматически корректирует магнитный поток при изменении температуры, снижая температурную погрешность прибора.

Помимо этого, материал применяется в температурозависимых реле и датчиках, принцип действия которых основан на изменении магнитного потока при нагреве до заданного порогового значения. Такие устройства не требуют внешнего источника питания для срабатывания и работают надёжно в условиях промышленной эксплуатации.

В приборостроении 31Н4Х нередко применяется совместно с другими прецизионными сплавами в одной магнитной цепи: материалы с разными точками Кюри и разными коэффициентами температурной зависимости комбинируются для достижения оптимальной компенсации в заданном диапазоне. Смежный сплав с более высоким содержанием хрома — 31Н6Х — перекрывает другой температурный интервал и может быть альтернативой или дополнением при проектировании цепей с расширенным диапазоном компенсации.

Нормативная документация и формы поставки

Химический состав и требования к изготовлению металлопродукции регламентированы ТУ 14-1-4478-88. Поставка осуществляется в виде:

• холоднокатаной ленты различных толщин и ширин,
• листов,
• горячекатаных и кованых прутков.

Конкретный сортамент, допуски и состояние поставки (отожжённое / нагартованное) уточняются при оформлении заявки. Для магнитных шунтов и термокомпенсаторов, как правило, требуется отожжённое состояние с контролем магнитных характеристик. Ознакомиться с другими прецизионными магнитными сплавами можно в разделе 50НХС и смежных страницах каталога.