Сплавы никеля специального назначения

Сплавы никеля специального назначения

Сплавы никеля обладают множеством уникальных свойств и имеют специализированные области применения. Свойства сплавов, включенных в эту категорию, связаны с магнетизмом и изменением формы предметов в ответ на изменения температуры.

 

Магнитно-мягкие никелевые сплавы

С точки зрения магнитных свойств металлы можно разделить на пять категорий:

• Диамагнетики
• Парамагнетики
• Ферромагнетики
• Ферримагнетики
• Антиферромагнетики

Температура оказывает большое влияние на магнитные свойства. Из всех металлов только железо, никель и кобальт являются ферромагнетиками при комнатной температуре (редкий гадолин теряет их при +16 градусах C).

Все ферромагнетики теряют свою магнитную восприимчивость по мере повышения температуры. Когда температура поднимается выше определенного предела, ферромагнетик становится парамагнетиком. Этот предел называется температурой Кюри.

Магнитная проницаемость ферромагнетиков зависит от интенсивности приложенного магнитного поля. После снятия магнитного поля ферромагнетики проявляют остаточный магнетизм. Магниты притягивают другие металлы именно силой остаточного магнетизма.

Ферромагнитный сплав, намагниченный в определенном направлении, после удаления внешнего магнитного поля демонстрирует направленный остаточный магнетизм. Чтобы удалить эту намагниченность, необходимо воздействовать на сплав полем противоположной ориентации с определенной мощностью, называемым коэрцитией. Если это поле сильнее коэрциции, сплав намагничивается в противоположном направлении.

Каждое перемагничивание сопровождается необратимым рассеиванием энергии, которое определяется как гистерезисные потери.

Свойства магнитно-мягких сплавов

• Высокая начальная магнитная проницаемость µ
• Высокая максимальная дифференциальная магнитная проницаемость
• Стабильность проницаемости при изменении температуры
• Высокая магнитная насыщенность при незначительном магнитном поле
• Мгновенная реакция на изменения магнитного поля
• Низкая температура Кюри
• Высокое сопротивление, влияющее на
• Небольшие потери энергии, связанные с индукцией вихревых токов под воздействием переменного тока
• Узкая петля гистерезиса (описывающая процесс намагничивания и размагничивания), влияющая на
• Низкие магнитные потери / низкие гистерезисные потери

Магнитно-мягкие сплавы, проще говоря, легко намагничиваются, размагничиваются и перемагничиваются.

Магнитно-мягкие никелевые сплавы – применение

Примеры применения магнитно-мягких сплавов, содержащих никель:

• Сердечники трансформаторов, связанные со звукоусиливающим оборудованием
• Магнитные усилители
• Преобразователи
• Сердечники трансформаторов радаров
• Сердечники синхронных и моментных двигателей
• Зарядные индукционные катушки
• Электромагнитные экраны радиочастоты
• Компенсатор температуры

Пермаллой — это уникальный магнитно-мягкий сплав с гистерезисной петлей, по форме очень близкой к прямоугольнику, и двумя значениями остаточной намагниченности. Благодаря этому он используется для представления чисел в двоичной системе в электронике.

Магнитно-мягкие металлические стекла

Магнитно-мягкие металлические стекла отличаются высоким сопротивлением. Благодаря этому они имеют очень низкие потери и могут работать на высоких частотах.

Металлические магнитно-мягкие стекла, содержащие никель:

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

Магнитно-твердые никелевые сплавы

Магнитно-твердые сплавы используются для производства постоянных магнитов. Они обладают очень сильным остаточным магнетизмом, и их нелегко размагнитить и перемагнитить.

Сплавы типа Alnico — это очень важные сплавы, содержащие никель и используемые для производства постоянных магнитов.

 

Никелевые сплавы с низким коэффициентом теплового расширения

Тепловое расширение заключается в том, что тела изменяют (почти всегда увеличивают) свою длину или объем в ответ на изменение температуры. Все материалы в той или иной степени подвержены этому явлению.

Коэффициент теплового расширения — это относительное удлинение данного материала, нагретого на 1 градус K. Он рассчитывается путем сравнения точных измерений до и после нагрева.

Этот коэффициент, как правило, изменяется в зависимости от температуры. Это означает, что удлинение металлического стержня, нагретого от 0 до 20 градусов Цельсия, и удлинение того же стержня при нагревании от 200 до 220 градусов Цельсия не одинаковы.

Кроме того, коэффициент теплового расширения большинства металлов и сплавов довольно высок и составляет при комнатной температуре примерно от 5 до 25 мкм/м ⋅ K. Примером противодействия высокому тепловому расширению сплавов железа и стали являются деформационные швы железнодорожных путей.

Никелевые сплавы с низким коэффициентом теплового расширения – применение

Учитывая вышеуказанную информацию, сплавы с низким коэффициентом теплового расширения обычно используются там, где требуется:

• Очень низкая тепловая расширяемость (от 0 до 2 мкм/м ⋅ K) в определенном диапазоне температур или
• Однородное и предсказуемое расширение в определенном диапазоне температур.

Примеры применения

• Геодезическое оборудование – геодезические рейки и ленты
• Часы – компенсационные маятники и маховые колеса
• Двигатели – поршни в двигателях внутреннего сгорания
• Измерительные приборы – Биметаллические термостаты, термостатные ленты
• Герметичные соединения стекло-металл – электронные лампы
• Хранение и транспортировка сжиженного природного газа – клапаны и трубы
• Энергетика – сверхпроводящие системы
• Электроника – корпуса интегральных схем, элементы радио- и электронных устройств, решетки в кинескопах цветных телевизоров
• Лазерные и оптические измерительные приборы – корпуса и конструктивные элементы

Влияние легирующих добавок

Сплавы никеля с низким коэффициентом теплового расширения — это в основном сплавы железа с никелем. За исключением сплава супер-инвар, который работает в небольшом диапазоне температур, минимальный коэффициент теплового расширения наблюдается при соотношении 64Fe-36Ni (этот сплав носит торговое название инвар). Это минимальное расширение наблюдается только для определенного диапазона температур.

Легирующие добавки позволяют сдвигать диапазон температур с минимальным тепловым расширением в сторону более высоких или более низких температур. Однако легирующие добавки обычно повышают сам коэффициент теплового расширения.

Коротко говоря и обобщая:

• Чистый сплав железа с никелем – позволяет получить самый низкий коэффициент теплового расширения (инвар 64Fe-36Ni) в данном диапазоне температур.
• Хром, марганец, кремний, вольфрам и молибден – позволяют добавить больше никеля в сплав, что смещает диапазон минимальной расширяемости в сторону более высоких температур. Повышают коэффициент температурной расширяемости по отношению к сплаву инвар.
• Медь, углерод и кобальт – позволяют добавлять меньшее количество никеля, смещая тем самым диапазон минимальной расширяемости в сторону более низких температур. Повышают коэффициент температурной расширяемости по отношению к сплаву инвар.

Соединения с другими материалами

Прямые соединения двух неэ

Никелевые сплавы с низким коэффициентом теплового расширения

Тепловое расширение заключается в том, что тела изменяют (почти всегда увеличивают) свою длину или объем в ответ на изменение температуры. Все материалы в той или иной степени подвержены этому явлению.

Коэффициент теплового расширения — это относительное удлинение данного материала, нагретого на 1 градус K. Он рассчитывается путем сравнения точных измерений до и после нагрева.

Этот коэффициент, как правило, изменяется в зависимости от температуры. Это означает, что удлинение металлического стержня, нагретого от 0 до 20 градусов Цельсия, и удлинение того же стержня при нагревании от 200 до 220 градусов Цельсия не одинаковы.

Кроме того, коэффициент теплового расширения большинства металлов и сплавов довольно высок и составляет при комнатной температуре примерно от 5 до 25 мкм/м ⋅ K. Примером противодействия высокому тепловому расширению сплавов железа и стали являются деформационные швы железнодорожных путей.

Никелевые сплавы с низким коэффициентом теплового расширения – применение

Учитывая вышеуказанную информацию, сплавы с низким коэффициентом теплового расширения обычно используются там, где требуется:

• Очень низкая тепловая расширяемость (от 0 до 2 мкм/м ⋅ K) в определенном диапазоне температур или
• Однородное и предсказуемое расширение в определенном диапазоне температур.

Примеры применения

• Геодезическое оборудование – геодезические рейки и ленты
• Часы – компенсационные маятники и маховые колеса
• Двигатели – поршни в двигателях внутреннего сгорания
• Измерительные приборы – Биметаллические термостаты, термостатные ленты
• Герметичные соединения стекло-металл – электронные лампы
• Хранение и транспортировка сжиженного природного газа – клапаны и трубы
• Энергетика – сверхпроводящие системы
• Электроника – корпуса интегральных схем, элементы радио- и электронных устройств, решетки в кинескопах цветных телевизоров
• Лазерные и оптические измерительные приборы – корпуса и конструктивные элементы

Влияние легирующих добавок

Сплавы никеля с низким коэффициентом теплового расширения — это в основном сплавы железа с никелем. За исключением сплава супер-инвар, который работает в небольшом диапазоне температур, минимальный коэффициент теплового расширения наблюдается при соотношении 64Fe-36Ni (этот сплав носит торговое название инвар). Это минимальное расширение наблюдается только для определенного диапазона температур.

Легирующие добавки позволяют сдвигать диапазон температур с минимальным тепловым расширением в сторону более высоких или более низких температур. Однако легирующие добавки обычно повышают сам коэффициент теплового расширения.

Коротко говоря и обобщая:

• Чистый сплав железа с никелем – позволяет получить самый низкий коэффициент теплового расширения (инвар 64Fe-36Ni) в данном диапазоне температур.
• Хром, марганец, кремний, вольфрам и молибден – позволяют добавить больше никеля в сплав, что смещает диапазон минимальной расширяемости в сторону более высоких температур. Повышают коэффициент температурной расширяемости по отношению к сплаву инвар.
• Медь, углерод и кобальт – позволяют добавлять меньшее количество никеля, смещая тем самым диапазон минимальной расширяемости в сторону более низких температур. Повышают коэффициент температурной расширяемости по отношению к сплаву инвар.

Соединения с другими материалами

Прямое соединение двух неэластичных материалов с разным коэффициентом теплового расширения приводит к тому, что при изменении температуры соединение теряет герметичность или на эти тела действуют большие силы, которые могут их повредить.

В связи с этим некоторые сплавы проектируются таким образом, чтобы их температурная расширяемость точно соответствовала другим материалам. Например, сплавы типа kovar или "glass-sealing" расширяются в определенном диапазоне температур точно так же, как некоторые виды стекла и керамики. В свою очередь, сплав типа "platinate" расширяется в определенном диапазоне температур точно так же, как платина.

Это позволяет создавать герметичные, прямые соединения этих материалов, которые сохраняют герметичность при изменениях температуры. Такие соединения не требуют использования дополнительных уплотнений и являются очень долговечными. В прошлом прямые соединения стекло-металл широко использовались в радиотехнике, в электронных лампах.

Такой точно определенный коэффициент теплового расширения сплава достигается путем соответствующего подбора содержания никеля и кобальта в матрице железа.

Использование различных материалов с разной тепловой расширяемостью приводит к тому, что при изменении температуры соединение теряет герметичность или на эти тела действуют большие силы, которые могут их повредить.

В связи с этим некоторые сплавы проектируются таким образом, чтобы их температурная расширяемость точно соответствовала другим материалам. Например, сплавы типа kovar или "glass-sealing" расширяются в определенном диапазоне температур точно так же, как некоторые виды стекла и керамики. В свою очередь, сплав типа "platinate" расширяется в определенном диапазоне температур точно так же, как платина.

Это позволяет создавать герметичные, прямые соединения этих материалов, которые сохраняют герметичность при изменениях температуры. Такие соединения не требуют использования дополнительных уплотнений и являются очень долговечными. В прошлом прямые соединения стекло-металл широко использовались в радиотехнике, в электронных лампах.

Такой точно определенный коэффициент теплового расширения сплава достигается путем соответствующего подбора содержания никеля и кобальта в матрице железа.

  ↵

Титано-никелевые сплавы с памятью формы

Некоторые металлы обладают способностью возвращаться к первоначальной форме или размеру в соответствии с эффектом памяти формы.

Эффект памяти формы гласит, что сплав, сформированный при определенной температуре и деформированный при другой, вернется к первоначальной форме, когда будет нагрет до начальной температуры.

Применение сплавов с памятью формы

Применение этих сплавов можно разделить с точки зрения используемого явления на:

• Деформация под воздействием определенной температуры – термостаты кофемашин, медицинские инструменты, например, внутривенные фильтры для сгустков крови.
• Ограниченная деформация – прочные гидравлические соединения.
• Псевдоэластичность – оправы очков, ортодонтические проволоки.
• Свойства мартенситной фазы – антивибрационные амортизаторы, хирургические инструменты для операций на открытом сердце, провода, устойчивые к усталости.

Титано-никелевые сплавы с памятью формы – состав

Основой таких сплавов является примерно равный по массе интерметаллический сплав никеля с титаном. Другие часто используемые легирующие добавки:

• Дополнительные количества никеля – значительно снижают температуру мартенситного перехода и повышают предел пластичности аустенита.
• Железо – снижает температуру превращения.
• Хром – снижает температуру превращения.
• Медь – уменьшает гистерезис и смягчает напряжения при деформации мартенсита.