Cтали и сплавы с особыми физическими свойствами (общие сведения)

Стали и сплавы с особыми физическими свойствами условно можно разделить на следующие группы: магнитные стали и сплавы; немагнитные  cтали и сплавы; стали и сплавы с высоким электросопротивлением; сплавы с особенностями теплового расширения; сплавы с высокими упругими свой­ствами; криогенные и термобиметаллы.

Сталь электротехническая тонколистовая — один из наиболее широ­ко используемых магнитно-мягких материалов. Она предназначена для из­готовления деталей магнитных цепей электротехнических машин, аппара­тов и приборов, которые работают в переменных магнитных полях. Допол­нительная работа, затрачиваемая на перемагничивание магнитопроводов, должна быть минимальной, так как она обусловливает потерю мощности и снижает коэффициент полезного действия машин. Электротехническая стал должна иметь малую коэрцитивную силу и большую магнитную проницае­мость, следовательно, малые гистерезисные потери. Важно также, чтобы потери на вихревые токи в сердечнике были малы, для этого нужно повы­сить электросопротивление стали, что достигается легированием ее крем­нием. Чтобы уменьшить эти потери, детали машин и трансформаторов из­готавливают из тонких листов, покрытых электроизоляционным покрыти­ем. Уменьшению гистерезисных потерь способствует чистота стали по не­металлическим включениям и увеличение размера зерна. Однако, при очень крупном зерне возникают большие потери на вихревые токи.

При использовании в мощных силовых трансформаторах сталь должна иметь минимальные удельные потери и высокую индукцию в сильных по­лях. Применение стали в трансформаторах для автоматики и телефонии требует высокой проницаемости в слабых полях и при подмагничивании постоянным током. Хорошую штампуемость наряду с высокими магнитны­ми свойствами должна иметь сталь, применяемая в мелких специальных электрических машинах. Двигатели и генераторы повышенных частот (от 400 до 25000 Гц и выше), а также различные трансформаторы в радиотех­нических и радиолокационных установках требуют применения стали с особо высокой магнитной проницаемостью и малыми потерями. В этих случаях применяют ленты толщиной 0,05—0,20 мм вместо листов обычной толщи­ны (0,27—0,50 мм). Для стали, применяемой в трансформаторах тока, важ­ны высокие свойства в широком диапазоне величин индукции.

Большое значение имеет анизотропия магнитных свойств. Для сердеч­ника трансформатора достаточно иметь лист с высокими магнитными свой­ствами в одном направлении, так как в этом случае можно соответственно набирать магнитопровод; для генераторов и других аппаратов с разветвлен­ным магнитным потоком необходимо, чтобы анизотропия свойств была минимальной. Анизотропия свойств определяется кристаллографической текстурой. Сталь электротехническая холоднокатаная анизотропная обла­дает ребровой текстурой (текстурой Госса) {110}<001>. Ось легчайшего на­магничивания в ней направлена вдоль направления прокатки в листе, и сборку сердечника трансформатора осуществляют таким образом, чтобы направления <001> и магнитного потока в сердечнике совпадали. Сталь без текстуры называется изотропной.

К электротехническим сталям предъявляются определенные требова­ния по пластичности, оцениваемой путем гибов листа. При изготовлении магнитопроводов листы подвергают штамповке, поэтому хрупкость метал­ла недопустима. Весьма важное значение имеют внешние параметры листа — разнотолщинность, волнистость и коробоватость. Конкретные требова­ния по этим параметрам оговариваются в стандартах.

Широкий круг сплавов с особыми физическими свойствами состав­ляют сплавы прецизионные, в которых необходимый комплекс свойств определяется точным химическим составом, чистотой сплава от включе­ний и вредных примесей, структурным состоянием и высокой точностью изготовления.

Сплавы прецизионные магнитно-мягкие — это ферромагнитные сплавы, характеризующиеся узкой петлей гистерезиса, они обладают высокой маг­нитной проницаемостью и малой коэрцитивной силой. Условно считается, что она не превышает 1000-1200 А/м. Сплавы используют в качестве сер­дечников магнитопроводов, а также магнитных экранов аппаратуры ра­диосвязи, радиолокации, автоматики и др. По основным магнитным, элек­трическим, механическим свойствам прецизионные магнитно-мягкие спла­вы подразделяют на 11 групп :

1. сплавы с наивысшей магнитной прони­цаемостью в слабых полях;
2. сплавы с высокой магнитной проницаемостью и повышенным удельным электрическим сопротивлением;
3. сплавы с высо­кой магнитной проницаемостью и повышенной индукцией насыщения;
4. сплавы с прямоугольной петлей гистерезиса; сплавы с высокой индукцией насыщения;
5. сплавы с низкой остаточной индукцией;
6. сплавы с повышен­ной деформационной стабильностью и износостойкостью;
7. сплавы с задан­ным температурным коэффициентом линейного расширения (ТКЛР);
8. спла­вы с высокой коррозионной стойкостью;
9. сплавы с высокой магнитострикцией;
10. термомагнитные сплавы и материалы;
11. сплавы для работы на сверх­высоких частотах.

Магнитные свойства магнитно-мягких сплавов определя­ются химическим составом, структурой и текстурой сплава после оконча­тельной термической обработки. Некоторые свойства (намагниченность насыщения, температура Кюри) сравнительно слабо изменяются при не­больших изменениях состава и обычно не зависят от условий изготовления и термической обработки. Другие характеристики, такие как проницаемость, коэрцитивная сила, потери на гистерезис, сильно зависят от этих факто­ров. Поэтому нормируемые ГОСТом и техническими условиями свойства магнитно-мягких сплавов гарантируются после изготовления изделия (магнитопровода) из нагартованной ленты (листа, прутка) и после тер­мической обработки в нормируемых условиях по рекомендованному режи­му. В связи с высокой чувствительностью основных магнитных свойств к локальным или макроскопическим воздействиям, вызывающим пласти­ческую или упругую деформацию (вырубка, рихтовка пластин, резка и навивка ленты, зачистка, сверление отверстий, сварка, электроизоляци­онное покрытие и т.д.), все технологические операции по изготовлению магнитопроводов необходимо проводить до окончательной термической обработки.

Магнитно-твердые сплавы обладают высокой магнитной энергией и в соответствии с главными областями их применения подразделяются на 4 группы :

1. сплавы для постоянных магнитов;
2. для активной части ро­торов гистерезисных электродвигателей;
3. для элементов памяти систем управления автоматизации и связи;
4. для носителей магнитной записи ин­формации.

Постоянные магниты используют для создания заданной напряжен­ности магнитного поля или заданного магнитного потока в определенном рабочем пространстве. Магнитное состояние сплавов для постоянных маг­нитов описывается параметрами кривой размагничивания предельного гистерезисного цикла. Максимальная энергия постоянного магнита, которую можно получить для данного материала определяется максимальным про­изведением (ВН)_maхиз этой кривой. При определенных значениях В_rи Н_с произведение (ВH)_mах тем больше, чем больше выпуклость петли гистере­зиса от B_r   до Н_с. Эта выпуклость определяется отношением (ВH)_mах /B_rH_c. Поэтому в стандартах и технических условиях, кроме В_r и Н_с, оговаривают также (ВН)_mах. Повышение выпуклости достигают созданием одноосной анизотропии, при которой направление легкого намагничивания по воз­можности совпадает с тем направлением постоянного магнита, вдоль ко­торого он намагничен. Реализация такого совпадения возможна только для некоторых сплавов. Деформируемые сплавы для постоянных магнитов со­зданы на основе большого количества систем (Fe—Со—Ni—Al, Fe—Ni—ΑΙ, Fe—Сr— Со, Fe—Со—V и т.д.) и отличаются один от другого природой маг­нитного твердения, сочетанием магнитных свойств, степенью технологич­ности при изготовлении, механической обрабатываемостью и т.д.

В роторах гистерезисных электродвигателей магнитно-твердые сплавы .используются для создания крутящего момента роторов и работают в пере­менном магнитном поле, напряженность которого составляет от 1,6 до 32 кА/м в зависимости от конструкции и назначения двигателя. Магнитное состояние таких сплавов характеризуется полной рабочей петлей гистере­зиса, имеющей вершину в точке максимальной проницаемости (Н_μmах В_μmах).При расчете и конструировании двигателей используются зависимости ги­стерезисных параметров от намагничивающего поля и индукции, а также данные о ТКЛР и удельном электросопротивлении сплава для согласова­ния магнитно-твердого материала (активной части ротора) с конструктив­ными элементами ротора и правильного учета используемых и вредных потерь на вихревые токи. Сплавы для гистерезисных двигателей можно разделить на 2 подгруппы: сплавы систем Fe—Со—V, Fe—Со—Ni—V и Fe—Со—Cr—V для шихтованных роторов и сплавы систем Fe—Cr—Wи Fe—Со—W—Mo для сплошных роторов.

Сплавы для элементов памяти систем управления, автоматизации и связи используют в качестве так называемых полупостоянных или пере­менных магнитов, подвергаемых в процессе эксплуатации большому числу циклов перемагничивания (10⁹—10¹⁰). Магнитное состояние таких материа­лов изменяется под воздействием кратковременных изменений тока в уп­равляющих катушках и описывается параметрами полной рабочей петли гистерезиса, соответствующей принятой стандартной максимальной напря­женности намагничивающего поля Н_maх, равной 8 или 16 кА/м. Основны­ми магнитными характеристиками таких сплавов при указанном Н_maхявля­ются: заданное в интервале от 1,5 до 5 кА/м значение коэрцитивной силы, высокие значения остаточной индукции и коэффициента прямоугольности, с которым связано малое время перемагничивания порядка микросе­кунд. Специфика требований, предъявляемых к материалам этого назначе­ния, обусловила выделение их в особую группу полутвердых магнитных сплавов. Магнитные свойства всех магнитно-полутвердых сплавов форми­руются в процессе холодной деформации с высокой степенью обжатия более 80 % и последующего отпуска в интервале 500—700 °С. Сплавы поставляют в холоднодеформированном состоянии. Операции, необходимые для изго­товления деталей, проводятся до отпуска, так как после него сплавы теряют пластичность и их твердость увеличивается. Сплавы для элементов памяти можно разделить на две подгруппы: а) сплавы на основе систем Fe—Со—Сr и Fe—Ni (для элементов с внешней памятью); б) сплавы на основе системы Fe—Со—Ni (для элементов с внутренней памятью).

Материалы для носителей магнитной записи в виде проволоки диа­метром 0,02—0,05 мм и ленты толщиной 0,01—0,02 мм используются для записи и воспроизведения как гармонических сигналов (звука), так и им­пульсных (закодированной информации). Во время записи магнитное со­стояние сплавов формируется под воздействием периодических магнитных полей записывающей головки при одновременном высокочастотном подмагничивании или под воздействием импульсных магнитных полей при подмагничивании постоянным полем. В результате таких воздействий про­исходит локальное перемагничивание материала на глубину, зависящую от напряженности действовавших полей и длины волны записываемых сигна­лов. Поэтому рабочее состояние носителя неоднородно и характеризуется набором значений остаточной намагниченности, соответствующих различ­ным гистерезисным циклам.

Сплавы с заданным температурным коэффициентом линейного расшире­ния (ТКЛР) используют для спаев металла с неорганическим диэлектри­ком в конструкциях электровакуумных, газоразрядных и полупроводнико­вых приборов, для деталей измерительных приборов, для бескомпенсаци­онных трубопроводов для перекачки сжиженных газов. Сплавы обладают достаточной прочностью и высокой пластичностью при заданном значе­нии ТКЛР. Их классифицируют с учетом их магнитных свойств (ферромаг­нитные сплавы и немагнитные) и значений ТКЛР (минимальные, низкие, средние и высокие). Ферромагнитные сплавы составляют большую часть номенклатуры сплавов с заданным тепловым расширением. Эти сплавы являются двойными или сложнолегированными на железоникелевой осно­ве, что связано с наличием в системе Fe—Ni области, в которой сплавы обладают резко выраженной аномалией теплового расширения и рядом других свойств. В области содержания никеля 36—60 % в зависимости от концентрации сплавы могут иметь ТКЛР от 1 · 10^-6 до 11,5 · 10^-6 К^-1, т.е. температурный коэффициент увеличивается более, чем в 11 раз. Мини­мальное расширение соответствует сплаву, содержащему 36 % Ni. Этот сплав назван инваром.

Кроме ферромагнитных сплавов аустенитного класса со средним по величине ТКЛР, производятся также ферритные сплавы на основе систе­мы Fe—Сr. Легирование в этом случае проводят для стабилизации α-фазы в области температур соединения сплава со стеклом. Сплавы системы Fe—Сr имеют ТКЛР порядка 11 · 10^-5 К^-1 до 580 °С.

Немагнитные сплавы с низким и средним ТКЛР разработаны на ос­нове хрома с небольшими легирующими добавками железа, кобальта, мар­ганца и других элементов. Эти сплавы обладают высокой коррозионной стойкостью, твердостью, однако они имеют низкую пластичность. Сплавы на основе хрома имеют ТКЛР от 1 до 6 · 10^-6 К^-1 в интервале температур не выше 100 °С. Немагнитные сплавы со средним ТКЛР разработаны также на основе систем Ni—W, Ni—Mo.

Сплавы с заданными свойствами упругости  должны обладать высоким сопротивлением малым пластическим деформациям и релаксационной стой­костью в условиях статического и циклического нагружения. К ним предъяв­ляются требования по ряду свойств: высокий или, наоборот, низкий мо­дуль упругости, низкий температурный коэффициент модуля упругости или частоты, высокая добротность, малый упругий гистерезис и упругое пос­ледействие, высокая усталостная прочность, коррозионная стойкость, немагнитность, электропроводность, износостойкость, а также стабильность этих характеристик при температурах эксплуатации. Они должны обладать технологической пластичностью для получения упругих элементов задан­ной конфигурации и свариваемостью. Сплавы применяют в качестве пру­жин и пружинных элементов, упругочувствительных элементов измеритель­ных приборов, мембран расходомеров, резонаторов фильтров для выбора, генерирования и настройки на заданную частоту.

Сплавы прецизионные сверхпроводящие  предназначены для работы только при низких температурах и характеризуются определенным комплексом тепловых, электрических, магнитных и механических свойств при этих тем­пературах. В этом комплексе для конкретной группы сплавов выделяют доминирующий и сопутствующие параметры.

Сплавы прецизионные с высоким электрическим сопротивлением  облада­ют сочетанием высокой жаростойкости с высоким удельным электричес­ким сопротивлением, в ряде случаев низким и регулируемым температур­ным коэффициентом электросопротивления и применяются в качестве та­рированных сопротивлений в радиоэлектронике, термо- и тензодатчиков для аппаратуры, регистрирующей и управляющей тепловыми и механичекими нагрузками, нагревательных элементов в промышленных печах, в приборах бытовой техники. Важными характеристками являются колебание электрического сопротивления по длине и срок службы в интервале рабо­чих температур. Соблюдение технологии изготовления сплавов контроли­руется испытанием на живучесть (ГОСТ 2419—78), которое заключается в циклическом нагреве электрическим током (нагрев 2 мин, охлаждение 2 мин) проволочных образцов диаметром 0,8 мм до заданной температуры. Термобиметаллы представляют собой материал, состоящий из двух и более слоев металлов или сплавов с различными ТКЛР, сваренных между собой по всей поверхности соприкосновения, и применяются для автоматичес­кого регулирования заданной нагрузки и температуры в различного рода компенсационных устройствах, терморегуляторах, а также в приборах бы­товой техники. Основным свойством термобиметаллов является термочув­ствительность, т.е. способность изгибаться при изменении температуры. Термочувствительность термобиметаллов пропорциональна разности ТКЛР составляющих и характеризуется величиной удельного изгиба — изменени­ем кривизны термобиметаллической пластинки единичной толщины при изменении температуры на 1 К. Другой характеристикой термочувствитель­ности, применяемой для ленты толщиной 0,3 мм и менее, является коэф­фициент чувствительности, определяемый как угол раскручивания свер­нутой в спираль биметаллической ленты единичной длины и толщины при нагреве ее на 1 К.

Стали немагнитные повышенной прочности  используют для немагнит­ных бандажных колец электрогенераторов. В этих сталях аустенитного клас­са повышенные прочностные свойства, соответствующие уровню свойств конструкционных улучшаемых сталей, достигаются холодной или теплой пластической деформацией, упрочнением в результате дисперсионного твер­дения, упрочнением посредством фазового наклепа при последовательном проведении прямого и обратного мартенситных превращений.