Коррозионные свойства прецизионных сплавов

В приборостроении широко применяют различные сплавы с самыми разнообразными физическими и физико-механическими свойствами. По физическим свойствам и областям применения сплавы делят на группы: магнитно-мягкие, магнитно-твердые, омического сопротивления, с заданным коэффициентом теплового расширения, с высокими упругими свойствами, сверхпроводящие термобиметаллы и аморфные сплавы. Эти сплавы называют прецизионными. Состав таких сплавов должен быть точным; колебания содержания легирующих элементов должны быть небольшими, в результате чего обеспечивается получение оптимальных свойств. С этой же целью в ряде случаев применяют специальные виды термической обработки.

Прецизионные сплавы в технической литературе описаны как большие группы сплавов, различно легированные, в отдельных случаях вместо сплавов применяют чистые металлы.

Прецизионные сплавы изготовляют главным образом в виде тонкой ленты, полос, листов, проволоки, прутков и поковок.

Специальные физические и физико-механические свойства прецизионных сплавов исследованы детально. Однако коррозионные характеристики изучены недостаточно. Условия эксплуатации подтверждают, что коррозия не только влияет на изменение свойств металла, но подчас преждевременно выводит из строя отдельные узлы, приборы и целые конструкции.

Прецизионные сплавы, помимо общей коррозии, могут быть подвержены контактной, точечной, щелевой, коррозии под напряжением, межкристаллитной коррозии и другим видам разрушения. Эти виды коррозии детально рассмотрены выше.

Прецизионные сплавы изготовляют в основном на железной, никелевой и кобальтовой основах. Легирование железа, никеля и кобальта отдельно или небольшими добавками хрома, молибдена, вольфрама, ванадия, меди, алюминия и других металлов осуществляют для получения определенных физических и физико-механических свойств прецизионных сплавов. В то же время нельзя не отметить, что дополнительное легирование различно будет влиять на их коррозионную стойкость.

Известно, что никель и кобальт в водных растворах в атмосферных условиях по коррозионным характеристикам отличаются от железа. Подтверждением этого является также то, что стандартный потенциал никеля и кобальта выше, чем железа.

Применение прецизионных сплавов системы железо — никель обусловлено их особыми физическими свойствами. При легирования железа никелем коррозионная стойкость возрастает с увеличением содержания в них никеля. Сплавы Fe—Ni будут более устойчивы, чем обычные углеродистые стали, в атмосферных условиях, в морской воде, а также в слабых растворах солей, кислот и щелочей. В· то же время нельзя не отметить, что в этих сплавах наличие железа >20 % способствует появлению на поверхности металла точечной коррозии, например в растворах, содержащих ионы Cl~, Br~, I~ и ClO2~. Аналогичные сплавы подвержены коррозионному растрескиванию в  растворах NaOH и КОН, особенно в присутствии хлористых солей. Легирование железа, например хромом, заметно повышает коррозионную стойкость сплава вследствие перевода его в пассивное состояние. Резкое повышение коррозионной стойкости наблюдают при содержании в сплавах 12—13 % Cr. Такое количество хрома является минимальным для сплавов, которые будут коррозионностойкими в окислительных средах и в атмосферных условиях. Увеличение содержания хрома > 13 % приводит к дальнейшему повышению коррозионной стойкости сплава.

Коррозионная стойкость прецизионных сплавов на железной основе повышается с увеличением в них содержания как хрома, так и никеля.

Сплавы на основе Ni менее чувствительны к структурной коррозии, чем коррозионностойкие стали, что, по-видимому, связано с повышенной коррозионной стойкостью Ni в активном состоянии в неокислительных средах по сравнению с железом и хромом.

Никелевые сплавы в некоторых условиях могут проявлять склонность к межкристаллитной коррозии и коррозии под напряжением. Так, например, сплавы системы Ni—Сu могут подвергаться коррозионному растрескиванию при воздействии ртути и ртутных соединений и растворов кремнефтористоводородной кислоты. Концентрированные растворы NaOH при высокой температуре вызывают коррозионное растрескивание этих сплавов.

Общеизвестно, что никель с медью дает непрерывный ряд твердых растворов. Сплавы никеля, содержащие >50 % Ni, по коррозионной стойкости обычно близки к чистому никелю. И наоборот, сплавы никеля, в которых <50 % Ni, утрачивают пассивность, характерную для никеля, и ведут себя аналогично меди, сохраняя при этом высокую стойкость против ударной коррозии.

При выборе материалов необходимо учитывать, что никель и медь являются дефицитными металлами, поэтому сплавы Ni— Сu следует применять в исключительных случаях.

Сплавы никеля с хромом называют нихромами. Эти сплавы обладают высокой коррозионной стойкостью в атмосферных условиях и во многих агрессивных средах.

Сплавы никеля, легированные молибденом, устойчивы в неокислительных средах. Эффективное снижение скорости коррозии никеля наблюдают при введении в сплав 27—28 % Мо. Сплавы никеля с молибденом и чистый молибден имеют высокую коррозионную стойкость в соляной кислоте и низкую в растворах азотной кислоты.

При легировании никеля одновременно молибденом и хромом сплав получается стойким в окислительных средах и не подвержен точечной коррозии в морской воде.

Поскольку кобальт и никель имеют одинаковые коррозионные характеристики, кобальтовые сплавы по своей коррозионной стойкости близки к сплавам на никелевой основе.

Кобальт обеспечивает высокую прочность и твердость сплава. Однако дефицит кобальта крайне ограничивает применение этих сплавов, тем более что высокие магнитные свойства получают в сплавах железо — никель — алюминий.

Прецизионные сплавы на никелевой и железной основах применяют в качестве элементов, обладающих высоким электросопротивлением. Эти сплавы работают при высоких температурах и подвержены газовой коррозии.

Поведение сплавов при высоких температурах на практике оценивают с помощью двух важнейших характеристик — жаростойкости и жаропрочности.

Жаростойкостью (окалиностойкостью) называют способность металла сопротивляться коррозионному воздействию газов при высоких температурах, а жаропрочностью — способность металла сохранять при высоких температурах достаточно высокие механические свойства: длительную прочность и сопротивление ползучести.

Прецизионные сплавы, работающие при высоких температурах, должны обладать хорошей жаростойкостью (окалинострйкостью) и высокой жаропрочностью. Жаростойкость зависит от химического состава сплава, температуры нагрева и состава газовой среды.

На примере некоторых чистых металлов видно, что в отдельных газовых средах, таких как О2, Н2О и CO₂ и SO₂ при температуре 700 °С, коррозия будет неодинакова.

Железо сильно корродирует во всех средах. Никель и кобальт относительно устойчивы в среде О2, Н2О и СО2, но очень сильно корродирует в SO2. Кобальт в отличие от никеля имеет высокую стойкость в сероводороде. Хром устойчив во всех четырех средах. Медь совершенно устойчива в SO2 и относительно незначительно корродирует в О2, Н2О и СО2.

Скорость коррозии металлов в указанных средах с увеличением температуры нагрев возрастает. Железо и обычные углеродистые стали при высокой температуре в чистом воздухе по сравнению с воздухом, содержащим SO2 и пары воды, корродируют значительно меньше. Необходимо отметить, что нагревательные элементы, изготовленные из прецизионных сплавов, многое оборудование, аппараты, промышленные печи и приборы бытовой техники работают с частыми остановками, поэтому они не должны быть чувствительными к теплосменам.

Колебания температуры (попеременный нагрев и охлаждение) увеличивают скорость окисления, например, железа и стали. При этом в окалине вследствие возникновения температурных напряжений образуются трещины и она отслаивается от металла.

Кроме того, если при высокой температуре металл подвергается газовой коррозии, то при остывании его в зависимости от окружающей среды можно наблюдать также и электрохимическую коррозию.

Помимо химического состава сплава, термической обработки его и ряда других факторов, на электрохимическую и газовую коррозию влияет также состояние поверхности металла. Общеизвестно, чем тщательнее обработана поверхность изделия, тем выше коррозионная стойкость металла.

Поэтому все элементы, изготовленные из прецизионных сплавов, следует полировать. Кроме того, следует обращать внимание на места соединений, которые должны быть чистыми, без оксидов и других продуктов коррозии.

Наилучшими соединениями будут цельнометаллические, спаянные или сваренные. В тех случаях, когда соединения сделаны из коррозионностойких или разнородных металлов, необходима дополнительная защита. Наличие зазоров не только, например, между металлическими пластинами, но даже между металлом и фарфором или около полихлорвиниловых прокладок приводит к интенсивной щелевой коррозии. Указанный вид коррозии наблюдают в резьбовых и винтовых соединениях.

Следовательно, уже при конструировании нужно избегать неплотных контактов, зазоров, углублений, шероховатостей поверхности, т. е. мест, где может конденсироваться и собираться влага. При наличии указанных дефектов, например в морских условиях, может возникнуть щелевая коррозия даже на таком стойком в коррозионном отношении металле, как сталь Х18Н10Т. Если при конструировании этого достигнуть не удается, то при монтаже надо тщательно защищать щели и зазоры путем нанесения герметиков, грунтов, красок и других покрытий. Окислы, образовавшиеся при сварке, и флюсы, оставшиеся при пайке, должны быть удалены. При монтаже также следует не допускать механических повреждений, так как известны случаи, например, когда сильный натяг приводит к растрескиванию металла. Для всех изделий из прецизионных сплавов важно обеспечить соответствующую антикоррозионную защиту при изготовлении, транспортировке и хранении. Ниже приведены краткие коррозионные характеристики некоторых прецизионных сплавов по группам.

Магнитно-мягкие сплавы

Магнитно-мягкие сплавы обладают высокой магнитной проницаемостью и малой коэрцитивной силой² в слабых полях. Такие сплавы подвергают попеременному намагничиванию.

В этой группе представлено более 30 марок. Так, например, сплавы 27КХ, 36КНМ, 49КФ, 50КФ, 65К, 92К, никель НП-2Т, никоей, 05НС, ЗОН Г, 31НХГ, 32НХ, 32Н6ХЮ, ЗЗНХ, ЗЗНЮ, ЗЗНКМС, 34НКМП, 35НКХСП, 37НКДГ1, 38НС, 38НХ, 40НКМПЛ, 45Н, 47НК, 47НКХ, 47НД, 47Н5К, 50Н, 50НУ, 50НП, 50НПУ, 50НХС, 52Н, 64Н, 65НГ, 68НМ, 69НМП, 72НМДХ, 76НХД, 77НМД, 78Н, 79НМ, 79НМУ, 79НЗМ, 80НМ, 80НЮ, 80Н2М, 80НХС, 81НМА, 83НФ, 10СЮ, ТКМ, Фехко, 16Х, 8Ю, 12Ю, 12КЖ, 14Ю, 16ЮХ, 16ЮИХ.

В первую очередь следует выделить два сплава: 16Х и Фехко, обладающих высокой коррозионной стойкостью в окислительных средах. Их можно применять без защитных покрытий.

Сплав 16Х, содержащий 15,5—16,5 % Сr и остальное Fe, по стойкости аналогичен коррозионностойкими сталям типа Х17. Сплав Фехко, содержащий 24 % Сr, 2 % Со, остальные Fe, по стойкости равноценен сталям типа Х25. 

Сплав никоей, содержащий 3,5—4,5 % Со; 1,3—2,0 % Si и остальное Ni, по стойкости может быть приравнен к чистому никелю. 

В сплавах 76НХД, 77НХД, 72НМДХ медь, как и молибден, повышает коррозионную стойкость металла в пресной и морской воде и других средах. Однако медь снижает стойкость сплава в аммиачных растворах и в ряде органических и неорганических кислот. Особенно чувствителен в этих условиях сплав 72НМДХ, содержащий 13,8—14,2 % Си. Сплавы 12Ю, 12ЮК, 16ЮХ, 14Ю, 8Ю на железной основе, легированные алюминием, являются жаростойкими металлами. Применять такие сплавы в щелочных, аммиачных и других средах не рекомендуется. Сплав 36КНМ, содержащий 22 % Ni, 36 % Со, 3 % Мо и остальное Fe, применяют в основном для изготовления деталей, работающих в морской воде. Морская вода — слабый окислитель, так как в ней содержится растворенный кислород. Кроме того, в морской воде содержится значительное количество хлор- иона, вследствие чего она является агрессивной средой.

При рассмотрении сплава 36КНМ надо отметить, что коррозионная стойкость его, помимо кобальта и никеля, зависит от легирования молибдена, который пассивируется в хлорсодержащих средах, в том числе и в морской воде. Высокой коррозионной стойкостью в морской воде обладают нержавеющие хромоникелевые стали, легированные Мо, а именно 10Х17Н13М2Т, 10X17H13M3T, 03Х17Н13М2, 08Х21Н6М2Т, 03Х22Н6М2 и др. Коррозионностойкими металлами в морской воде будут также высокохромистыстые коррозионностойкие стали, содержащие небольшое количество Мо.

Сплав 05НС представляет слаболегированное малоуглеродистое железо. Его предназначают для экранирования кабеля связи на линиях железных дорог, где используют однофазный переменный ток.

Остальные сплавы этой группы по стойкости превосходят обычные низколегированные стали. Повышенная стойкость объясняется высоким содержанием в сплавах Ni или Со. Однако большинство магнитно-мягких сплавов на железной основе являются коррозионнонестойкими и применять их следует в герметических емкостях или с защитными покрытиями. Покрытие должно удовлетворять основному требованию — отсутствию химического взаимодействия или взаимной диффузии компонентов металла и покрытия.

Согласно ТУ некоторые магнитно-мягкие сплавы, например 45Н, 50Н, 78Н, 79Н и др., не подвержены коррозии при температуре 25± 10 °С и относительной влажности <40 %. Однако это по существу идеальные условия хранения для складских помещений, которые желательно соблюдать при транспортировке металла и при монтажных работах. С изменением температуры и с увеличением влажности >40 % указанные сплавы будут корродировать.

Магнитно-мягкие сплавы используют в качестве сердечников магнитопроводов и магнитных экранов аппаратуры радиосвязи, радиолокации, автоматики, управления по радио, счетнорешающих машин и др.

Магнитно-твердые сплавы

Магнитно-твердые сплавы предназначают для постоянных магнитов. От этих сплавов требуются высокие коэрцитивная сила и остаточная индукция, а также их постоянство во времени. Остальные магнитные характеристики для этих сплавов практического значения не имеют.

Наибольшее распространение получили следующие сплавы этой группы: 12ГН, 12KB, 16КВМ, 12КМ, 24КН, 25КФН, 25КХФ, ЗОКХ, 35КХ, 35КХФ, 35КФН, 52КФ, 12НГ, 20НЮ, 22НЮ, 25НЮ, 5ХВ, 5ХМВ, ЕВ6, ЕХЗ, ЕХ5К5, ЕХ9К15М, Кунико I, II, ПлК-78, а также сплавы систем Fe—А1—С; Fe— Сr—Ni; Μn—Аl и др.

Многие сплавы этой группы на железной основе, как, например, ЕХЗ,  и содержащий 2,8—3,8 % Сr, остальное Fe; ЕХ5К5 содержащий 5,5—6,5 % Сг, 5,5—6,5 % Со, остальное Fe; ЕВ6, содержащий 5,2—6,2 % В, остальное Fe, и другие по своей коррозионной стойкости близки к обычным низколегированным сталям. Поэтому они являются коррозионнонестойкими и их следует применять в закрытых объемах или с защитными покрытиями.

Сплав 12ГН (11,5—12,5% Мп; 3—4% Ni; 2,5—3% Мо; 1,2—1,7 % V; остальное Fe) следует отнести так же, как и другие сплавы на железной основе, к коррозионнонестойким металлам. Пониженную стойкость наблюдают особенно в хлорсодержащих средах, например в морской воде. В 10 %-ной серной кислоте при комнатной температуре скорость коррозии сплава 12ГН составляет 6 мм/год.

Этот сплав применяют для стрелок компасов, фиксирующих магнитов и отклоняющих систем электроннолучевых трубок и цветных телевизоров. Однако ряд сплавов этой группы имеет сравнительно высокую коррозионную стойкость.

Это относится в первую очередь к сплавам на основе драгоценных металлов, а также к сплавам системы Си—Ni—Со.

Кобальтплатиновые  сплавы

Оба сплава (48—49 % Pt и 51—52 % Со и 48—45 % Pt, 50 % Со и 2—5 % Pd) являются коррозионностойкими металлическими материалами и обладают свойствами чистой платины. Механизм защитного действия указанных сплавов, содержащих значительное количество платины (45—49 %), заключается в том, что на поверхности металла образуется сплошной слой, состоящий из атомов благородного компонента. Однако такие сплавы являются очень дорогими и применяют их в случае особой необходимости.

Сплав Кунико-1 (50 % Сu 21 % Ni и 29 % Со)

Этот сплав в разбавленных щелочных растворах, в водопроводной и морской воде, в воздушной атмосфере имеет относительно высокую коррозионную стойкость. Во влажной атмосфере сернистого ангидрида, сероводорода, хлора и брома при повышенной температуре наблюдают значительную коррозию. Сплав Кунико-I неустойчив в аммиачных растворах, в азотной и соляной кислотах. Сплавы 30КХ15, 35КХ12, 35КХ15 на основе Fе, содержащие 30—35 % Со и 12—15 % Сr, устойчивы в атмосферных условиях и окислительных средах, а также являются жаростойкими материалами. По стойкости их можно сравнить с коррозионно- стойкими хромоникелевыми сталями аналогичного состава.

Магнитно-твердые сплавы используют как элементы памяти— носители сигналов и постоянные магниты в радиоаппаратуре автоматических систем, работающих по заданной программе, в накопителях информации счетно-решающих машин и др.

Сплавы омического сопротивления

Общеизвестно, что легирование, например меди, алюминия, железа и других металлов, приводит к повышению их электросопротивления. Поэтому для элементов омического сопротивления применяют не чистые металлы, а сплавы. В качестве таких материалов применяют сплавы на железной и никелевой основе, которые идут для изготовления электронагревателей, резисторов (реостатов), тензорезисторов и термосопротивлений.

Сплавы для электронагревателей, помимо общих требований, должны обладать дополнительно еще высокой жаростойкостью (окалиностойкостью). Такое свойство сплавов омического сопротивления в первую очередь зависит от содержания в них хрома, препятствующего их окислению (хром обладает высокой стойкостью к газовой коррозии). Чем выше температура, при которой работает элемент, тем больше хрома должно быть в сплаве. Легирование сплава никелем в количестве <10 % не повышает заметно стойкости металла против окисления. При 20 % Ni и выше повышается окалиностойкость в атмосфере, не содержащей серы и сернистых соединений. При этом следует отметить, что жаростойкость сплавов системы Ni—Сr выше, чем чистого хрома.

Алюминий, кремний сильно повышают окалиностойкость сплавов. Сера, фосфор и марганец не влияют на окисление железа. Ванадий, бор и молибден действуют отрицательно, т. е. они сильно снижают жаростойкость сплава. Так, например, W, V и Мо могут ускорить окисление металла при высоких температурах, что связано с легкоплавкостью и летучестью образовавшихся окислов или их эвтектик.

Окислы МоO₃ плавятся при 795 °С. Окислы Nb₂O₅ и Та₂O₅ устойчивы до 1370 °С. Небольшое содержание в нихромах титана и ниобия положительно сказывается на жаростойкости сплавов.

Для электронагревателей применяют следующие сплавы: Х13Ю4(900); 0Х23Ю5(1150); 0Х23Ю5А(1175); Х27Ю5А(1250); Х15Н60 (950);        Х15Н60-Н (1050); Х20Н80(1050) и Х20Н80-Н (1150). Сплавы с индексами А и Н — наиболее. высокого качества, которое обеспечивается прецизионной технологией их изготовления (в скобках указана оптимальная рабочая температура, °С). Сплавы 023Ю5А и 0Х27Ю5А устойчивы в окислительной атмосфере, а также углеродсодержащих средах (СО—СO₂—СН₄—O₂—Н₂O—N₂), генераторном газе (СО—Н₂— N₂) и в атмосфере SO₂ и H₂S. Сплавы Х20Н80, Х20Н80-Н и 0Х27Ю5А можно применять в восстановительной атмосфере (Н₂ пары спирта и др.).

В атмосфере азота более устойчивы сплавы Х20Н80 и Х20Н80-Н. Указанные два сплава пригодны также для работы в аммиачной атмосфере. Применять железные сплавы с высоким содержанием Аl и Сг в атмосфере азота нельзя.

Сплав Х20Н80-Н устойчив в водяном паре при рабочей температуре <1150 °С и в атмосфере хлора и брома при <300 °С.

Сплавы Х15Н60-Н и 0Х23Ю5А применяют для работы в вакууме (10-¹—10^{-4 мм рт. ст.). При давлении 10}-⁴ мм рт. ст. и температуре 1100 °С испаряются компоненты, обладающие более высокой упругостью пара. У железохромалюминиевых сплавов такими компонентами являются алюминий и хром, а у нихромов хром и кремний. Поэтому при конструировании вакуумных печей следует предусмотреть защиту, например, экранами.

Защитные экраны можно изготавливать из тугоплавких металлов или их сплавов. Известно, что вольфрам, тантал, молибден и др. не испаряются в вакууме даже при очень высоких температурах.

При применении сплавов следует учитывать, что упругость паров какого-либо компонента в сплаве отличается от значений этой характеристики для чистого металла. Кадмий, цинк и неметаллы являются непригодными материалами для глубокого вакуума. Газовые примеси в сплавах легко испаряются, что отрицательно сказывается на свойствах металла.

Технологические особенности применения электронагревателей

Сплавы Fe—Сr—Аl склонны к химическому взаимодействию, с окислами металлов. Для них в отличие от нихромов непригодна любая керамика, выпускаемая промышленностью для высокотемпературных печей. Для температур 1100—1400 °С огнеупорная масса должна содержать >75 % А1₂O₃ и минимальное количество окислов железа (<1 %). Для температур 400—1100 °С пригодна огнеупорная масса, содержащая >60 % А1₂O₃ и <1 % оксидов железа. Этим требованиям отвечает шамот класса А.

На практике хорошо зарекомендовал себя способ обмазывания керамики в местах контакта с нагревательными элементами высокоглиноземистой массой (смесь 30 % корунда крупной фракции ( — 25 мкм), 45 % корунда мелких фракций (~5 мкм), 25 % каолина и воды). Разрушающее действие на окалину Fe—Сr—А1 сплавов оказывают пары и брызги некоторых металлов — меди, цинка, алюминия и свинца. Недопустим контакт поверхности нагревателя с кремнеземом, поваренной солью, шлаками, эмалями и железной окалиной. Недопустимо также изготовление нагревателей из поржавевшей проволоки и ленты. Нихромы проявляют значительно меньшую склонность к взаимодействию с керамикой. Однако на них разрушающе действует контакт с асбестом при температуре 400 °С и с кизельгуром  (инфузорная земля, диатомит, горная мука).

При высокой температуре недопустим также контакт шлаков, эмалей, стекла со сплавами, содержащими много железа или марганца. Прокатная железная окалина разрушает все сплавы, применяемые для электронагревателей.

При изготовлении нагревателей рекомендуют аргоно-дуговую сварку, при которой состав свариваемых сплавов в месте шва практически не меняется.

Сплавы для резисторов и тензорезисторов

В этой подгруппе применяют сплавы: Н80ХЮД (—70) — (+480); Х20Н75Ю (—70) —(+480); Н63ГХ (—60)—( + 300); ХГ45Ф (—60) — (+ 250); НМ23ХЮ(—196) — (+ 500);

0Х21Ю5ФМ (—196) —(+ 800); 0Х21Ю9 (—196) —(+ 800); манганин (+15) — (+ 35) и константан (—60) — (+350) (в скобках указан оптимальный рабочий интервал температур в °С).

Из этого ряда сплавы НМ23ХЮ, 0Х21Ю5ФМ и 0Х21Ю9 применяют для работы при низких температурах в интервале + 20—196 °С.

Для тензорезисторов, проволока или лента которых может нагреваться до 800 °С, используют жаростойкие сплавы 0X21Ю9, 0Х21Ю5ФМ и НМ23ХЮ. Сплавы 0X21Ю9 и 0Х21Ю5ФМ — стойкие в окислительной атмосфере. Сплав НМ23ХЮ устойчив в восстановительной среде (Н₂), но совершенно нестоек в азотной кислоте и других окислительных средах.

Для сплавов, предназначенных для резисторов (реостатов) и работающих максимально до 500 °С, жаростойкость не имеет существенного значения. Поэтому сплав следует выбирать с учетом среды, колебаний температуры и влажности, в которых скорость коррозии будет различной.

Сплавы Х20Н75Ю и Н80ХЮД устойчивы в различных атмосферных условиях, за исключением серы и сернистых соединений. Сплав Х20Н75Ю более устойчив, чем сплав Н80ХЮД, в аммиачной среде. Сплав НГ45Ф неустойчив во влажной атмосфере и совершенно непригоден для работы без защиты в морских условиях.

Ниже рассмотрены медные сплавы: манганин (84 % Сu, 4 % Ni, 12 % Мn) и константан. (59 % Сu, 40 % Ni, 1 % Μn). Оба сплава не являются жаростойкими, однако их применяют при повышенных температурах. Поэтому следует учесть, что при легировании чистой меди алюминием (10 %) или кремнием повышается стойкость ее к газовой коррозии. Добавки к меди марганца, железа, никеля и титана практически не влияют на жаростойкость ее, а хром оказывает даже отрицательное действие.

Манганин стоек в закрытых помещениях, где нет высокой влажности и значительного изменения ее. Он неустойчив во влажной атмосфере, содержащей хлористые соединения, а также пары щелочей и аммиака.

Константан устойчив в атмосфере водяного пара при высоких температурах, но в отсутствие углекислого газа. Он также устойчив в других атмосферах, за исключением промышленной, содержащей серу и сернистые соединения. Константан устойчив при 20 °С в разбавленных растворах серной и плавиковых кислот, в уксусной и других органических кислотах, в морской воде, в разбавленных растворах щелочей. Он нестоек в аммиаке (всех концентраций), в соляной кислоте, в хлористом аммонии, в растворах хлористого железа, в азотной кислоте (в концентрированных растворах) обнаруживает сильную коррозию, нестоек также в атмосфере сероводорода.

Сплавы для термосопротивлений

Для термосопротивлений наибольшее распространение получил сплав Н50КЮ (50—52 % Ni; 10—11 % Со, остальное Fe). Предельная рабочая температура составляет 500 °С. Сплав Н30Х18 дешевле, чем Н50К10, так как легирован меньшим количеством никеля и не содержит других дефицитных металлов. Однако сплав Н30Х18 находится еще в стадии лабораторных исследований.

Сплавы омического сопротивления обладают высоким удельным электрическим сопротивлением, жаростойкостью. Их применяют в качестве тарированных сопротивлений в радиоэлектронике, термо- и тензодатчиков для аппаратуры, регистрирующей и управляющей тепловыми и механическими нагрузками нагревательных элементов в промышленных печах, в приборах бытовой техники.

Сплавы с заданным коэффициентом тепового расширения

Прецизионные сплавы с заданными температурными коэффициентами линейного расширения (ТКЛР) по комплексу свойств и в зависимости от условий применения подразделяют на сплавы с минимальными ТКЛР, на ферромагнитные сплавы с низкими и средними ТКЛР и немагнитные сплавы с заданными ТКЛР. Сплавы с минимальными ТКЛР предназначают для дета- лей приборов, применяемых в метрологии, геодезии, криогенной технике и других отраслях промышленности.

Наибольшее распространение получили железоникелевые (инвары), железоникелькобальтовые и железокобальтовые сплавы, а именно: 36Н, 36Н-ВИ, Х6НХ, 32НКД, 32НК-ВИ 35НКТ, 39Н, 54К9Х и З0НПд.                                                                                                           

Хром, медь и другие элементы, за исключением кобальта и палладия (до определенных концентраций), обычно вводят в инварные сплавы с целью повышения ТКЛР.

В то же время дополнительное легирование небольшими добавками хрома, меди, палладия и других металлов, как и вакуумно-индукционная выплавка и тщательная полировка, повышает коррозионную стойкость этих сплавов.

Однако все железоникелевые сплавы во влажной атмосфере являются некоррозионностойкими материалами, поэтому их следует применять с дополнительной защитой.

Из серии сплавов с минимальным ТКЛР, имеющих повышенную стойкость, следует отметить сплавы 54К9Х и З0НПд.

Сплав 54К9Х (54 % Со; 8,85—9,1 % Сr, остальное Fe) устойчив в окислительных средах. Сплав 30НПд (30 % Ni; 6,0— 10,0 % Pd, остальное Fe) легирован палладием. Стойкость этого сплава возрастает в результате смещения потенциала в положительную сторону, в область пассивных значений. Палладий является эффективной катодной добавкой, аналогичной платине, которая повышает коррозионную стойкость сплава.

Ферромагнитные сплавы с низким и средним ТКЛР

По химическому составу сплавы этой подгруппы подразделяют на Fe—Ni сплавы, легированные Сu н Cr (47НХ, 48НХ 47НЗХ, 47НД, 49НД, 46НХ, 42Н, 52Н, 52Н-ВИ, 46Н, 43Н, 58Н); Fe—Ni—Со сплавы (29НК, 30НКД, 38НКД, ЗЗНК, 38НК, 34НК) и железохромистый сплав 18ХТФ.

Применяют их в многочисленных электровакуумных приборах (приемо-усилительные лампы, телевизионные трубки, герметические вводы и корпуса полупроводниковых приборов и др.).

Сплавы Fe—Ni  используют также в точном приборостроении и станкостроении для изготовления элементов приборов.

Сплавы Fe—Ni—Со в промышленности применяют для спаев с термостойкими стеклами и некоторыми керамиками.

Для спаев со стеклом применяют также сплав 18ХТФ. Высокое содержание в сплаве хрома способствует образованию плотной окисной пленки и прочного спая. Сплавы для спаев выбирают не только с учетом свойств металла, но и характеристик теплового расширения неорганических диэлектриков и других материалов.

Все перечисленные сплавы систем Fe—Ni и Fe—Ni—Со с небольшими добавками Сu и Сr во влажной атмосфере обладают пониженной коррозионной стойкостью. Они также не стойки при температуре 20—25 °С в азотной кислоте (всех концентраций), в соляной и сернистой кислотах. В 2—5 %-ном растворе серной кислоты металлы корродируют со скоростью 0,15 мм/год, но с увеличением концентрации и температуры скорость коррозии возрастает. В 65 %-ном растворе азотнокислого аммония скорость коррозии составляет <0,8 мм/год.

Прецизионный сплав 29НК в расплавленной сере, нагретой до температуры 150 °С, при 6-ч выдержке не корродирует. Однако при дальнейшем повышении температуры нагрева расплава, скорость коррозии возрастает, что показано ниже:

Температура, °С                      150                  175     200      250      300      350      400

Скорость коррозии, мм/год  0,00         0,42      0,736     1,156     3,26      7,99      41,5  

Таким образом, сплав 29НК следует применять в контакте с расплавом серы при температуре не выше 150 °С.

Сплавы 38НКД, 47НД, 49НД, содержащие в своем составе 5—7 % меди, непригодны для эксплуатации в аммиачных средах.

Сплав 18ХТФ (17,0—19,0% Сr; 0,25—0,45 % W; 0,4—0,8 % Ti) обладает высокой коррозионной стойкостью в атмосферных условиях, в растворах азотной кислоты и других окислительных средах. По стойкости сплав 18ХТФ может быть приравнен к сталям типа Х17.

Немагнитные сплавы с заданными и высокими ТКЛР

К таким сплавам относятся: сплав с низким ТКЛР на основе циркония, легированного титаном (93ЦТ); сплавы со средним ТКЛР на никелевой основе и легированные вольфрамом, молибденом, хромом, а также медью (75НМ, 80НМВ, 70НВД, 80НМВХЗ, 76НХВГ). Эти сплавы являются жаростойкими. К немагнитным относятся также сплавы с высоким ТКЛР систем Мn—Сr—Ni и Мn—Pd (56ДГНХ и 73ГНПд).

Сплав 93ЦТ обладает высокой коррозионной стойкостью во многих агрессивных средах. Он стоек в соляной и азотной кислотах. Щелочные расплавы не оказывают на нёго никакого действия. Окисные пленки на сплаве менее проницаемы, чем на чистом цирконии.

Сплав стоек в атмосферных условиях, в морской воде, но сильно корродирует в плавиковой и хлорноватистой кислотах. В большинстве сред он по стойкости приближается к чистому цирконию.

Сплав 75НМ (24,5—26,0 % Мо, остальное Ni) на» основе никеля содержит высокий процент молибдена, который обеспечивает стойкость металла в неокислительных средах. Сплав стоек в НС1 всех концентраций до температуры 70—75 °С.

Легирование никельвольфрамового сплава 76НХВГ (13,6— 14,6 % Ni, 4,0—5,0 % Cr, остальное W) хромом значительно повышает его коррозионную стойкость в окислительных средах, например в ΗΝO₃, но одновременно снижает его стойкость в НС1. Аналогичное действие оказывает хром на сплавы систем Ni—W—Мо и Ni—Мо.

Сплав 75НМ по коррозионной стойкости можно сравнить с кислостойким сплавом Н70МФ (ЭП814), а сплав 76НХВГ — со сплавом ХН65МВ (ЭП567).

Сплавы 75НМ, 80НМВ, 70НВД, 56ДГНХ и 93ЦТ испытаны циклическим погружением в 3 %-ном растворе NaCl, в результате чего показали относительно высокую стойкость. Так, например, скорость коррозии сплава 93ЦТ при этом испытании составляла 0,0002 г/(м²*ч).

Сплав 73ГНПд опробован в качестве активной составляющей термобиметаллов. Он содержит много марганца, элемента нестойкого как в окислительных, так и в восстановительных средах. Этот сплав нестоек во влажной атмосфере. Поэтому его следует применять с надежной защитой.

Сплавы с заданным и высоким коэффициентом теплового расширения используют для спаев с различными стеклами, керамикой, слюдой и другими диэлектриками в радиолампах и электронно-лучевых приборах, для деталей измерительных приборов с постоянными размерами, для согласованных соединений с легкими металлами.

Сплавы с высокой упругостью

В ряде случаев требуется металл с не изменяющимися с температурой модулями упругости, применяемый для пружин различных приборов и других деталей. Такие сплавы часто называют пружинными.

По способу упрочнения и физико-механическим свойствам пружинные сплавы в свою очередь можно разделить на три основные подгруппы:

Аустенитные дисперсионно твердеющие сплавы основаны на системах Fe—Ni—Cr, Ni—Cr, Cr—Ni, Co—Ni и Nb—Ti, а именно: 36НХТЮ, 36НХТЮМ5, 36НХТЮМ8, 75НХТЮБ, 70НХБМЮ, 40ХНЮ, 47ХНМ, 67КН5Б и 55БТЮ.

Сплав 36НХТЮ (35—37 % Ni; 11,5—13,0% Сr; 2,7—3,2 % Ti;  0,9—1,2 % А1, остальное Fe) обладает высокой коррозионной стойкостью в атмосферных условиях, в окислительных и других средах. вакуумно-индукционная и другие новые методы выплавки по сравнению с выплавкой в открытых индукционных печах повышают коррозионную стойкость металла.

Сплавы 36НХТЮМ5 и 36НХТЮМ8 отличаются от сплава 36НХТЮ тем, что они дополнительно легированы соответственно 5 и 8 % молибдена. Эти сплавы более устойчивы в морской воде, чем сплавы без молибдена.

Все перечисленные сплавы при содержании хрома 12—14 % обладают высокой коррозионной стойкостью в окислительных средах. Однако значительное увеличение хрома в сплаве приводит к резкому уменьшению растворения металла. Например, сплав 47ХНМ в кипящей 65 %-ной HNO3 корродирует со скоростью 0,1 мм/год.

Следует отметить, что все сплавы системы Fe—Ni—Сr наибольшей коррозионной стойкостью обладают в закаленном состояний. При старении в интервале температур 350—750 °С скорость коррозии возрастает и металл в некоторых средах становится склонным к межкристаллитной коррозии.

Сплавы 75НХТЮБ и 70НХБМЮ обладают высокой коррозионной стойкостью в окислительных средах. Сплав 70НХБМЮ, содержащий молибден, более пригоден для работы с морской водой.

Сплав 67КН5Б (27—29 % Ni; 4,8—5,2 % Nb, остальное Со) в одинаковых условиях по своей коррозионной стойкости близок к чистому кобальту. Сплав хорошо смачивается ртутью. Его применяют для токоведущих упругих элементов, контактных пружин, в частности для электромагнитных и ртутных реле.

Сплав 55БТЮ (53—56 % Nb, 37—40 % Ti и 5—6% А1) предназначен для пружин ответственного назначения. Она обладает высокой коррозионной стойкостью в ряде агрессивных сред. Этот сплав по стойкости можно сравнить со сплавом 65БТ, коррозионная характеристика которого дана в группе сверхпроводящих материалов.

Аустенитные деформационно-твердеющие немагнитные сплавы основаны на системах Со—Сr—Ni и Со—Ni—Or, а именно:                          40КХНМ, 40KXHMH(R), 40КХНМВ, 45КХВН,

40КНХМВТЮ, 40КНХМ10ВТЮ и 40КНХМВТЮФ. Все сплавы, за исключением 45КХВН, содержат примерно одинаковое количество кобальта (39—41 %), никель колеблется от 15 до 20 %, хрома в них от 12 до 21 %, кроме того, все сплавы дополнительно легированы малыми добавками МО, W, Ti и А1.

Сплав 45КХВН содержит 44—46 % Со, 9—11% Ni, 19— 21 % Сr и 16—18 % W. Сплавы этой подгруппы обладают высокими коррозионными свойствами, но поскольку они содержат в своем составе большое количество очень дефицитных металлов— кобальта, никеля, вольфрама и молибдена, применять их следует в особых случаях.

Сплавы с низким и постоянным модулем упругости (элинвары).

Сплавы 36НХ11 и ЭП297 относятся к деформациоцно-твердеющим металлам, имеющим в своем составе, помимо железа и никеля, хром (10—12 %), что обеспечивает сплавам высокую коррозионную стойкость в атмосферных условиях и в ряде окислительных сред.

Остальные сплавы этой подгруппы, а именно: 42НХТЮ, 42НХТЮА, 44МХТЮ, 43НКТЮ и 43НХВТ, относятся к дисперсионно-твердеющим элинварам.

Эти сплавы — на железной основе и, кроме никеля,— легированы отдельно или в комплексе небольшими добавками Сr, Ti, А1, Со и W. По своей коррозионной стойкости все перечисленные сплавы значительно уступают сплавам 36НХ11 и ЭП297, поэтому применять их следует в герметичных емкостях.

Сплавы с высокими упругими свойствами применяют в качестве пружин и пружинных элементов, упругочувствительных элементов измерительных приборов, мембран расходомеров, резонаторов фильтров для выбора генерирования и настройки на заданную частоту.

Сверхпроводящие материалы

Это новый особый тип проводниковых сплавов, отличающихся нулевым значением сопротивления в определенном диапазоне температур, магнитных полей и плотностей тока.

В ЦНИИЧМ разработаны и производят следующие сверхпроводящие сплавы: З0БТц, З0БТЮ, 35БТ, 50БТ, 65БТЮ, 70Б, 70БЮ, 60ТБ, 70ТМ, БТц и др. Сплавы изготовляют на основе систем Nb—Ti и Ti—Mo.

Некоторые сплавы этой группы находят широкое применение в медицинской технике.

Сплав 36НКТЮ используют для инъекционных игл.

Сплав 40КХНМ применяют для скобок сшивки кровеносных сосудов, протезирования культи глазного яблока, для костных хирургических операций в ортопедии — «гвозди» для скрепления костей, протезы суставов, для „витых пружин, применяемых при сращивании костей под давлением, для кратковременной стимуляции сердца и др.

Сплав 40К27ХНМ с Та применяется для электродов при длительной и постоянной стимуляции тканей и органов человека (сердца, головного мозга, мочевого пузыря, желудочно-кишечного тракта и др.). Высокая коррозионная стойкость сплава 40К27ХНСМСТ а в организме человека по сравнению со сплавом 40КХНМ обусловлена наличием тантала. Этот металл в чистом виде, а также в сплавах должен найти широкое распространение в медицинской технике.

Сплав 40ХНМЮ-ВИ применяется для общехирургических скальпелей. Этот сплав обладает высокой износостойкостью и повышенными коррозионными характеристиками, металл вакуумно-индукционной выплавки (ВИ) по сравнению с открытой индукционной (ОИ) обладает более высокой коррозионной стойкостью.

По данным о стойкости чистых металлов можно дать ориентировочную оценку коррозионной устойчивости сплава. Так, например, в 10 %-ной кремнефтористоводородной кислоте при температуре 70 °С тугоплавкие металлы (V, Mo, Nb, Та, Ti), за исключением W, являются нестойкими. Таким образом, все сплавы на основе Nb—Ti и Ti—Мо в данной среде будут сильно корродировать.

Ниобий, титан и молибден неустойчивы в галогенах. Причем с хлором и фтором ниобий энергично вступает в реакцию, а титан взаимодействует со взрывом.

Сплавы 65БТЮ и 50БТ устойчивы в азотной кислоте в интервале всех концентраций (1—65%) и при температуре до 190°С, в хлористом натрии (насыщенный раствор) при температуре до 100 °С и в техническом йоде (твердая фаза) при температуре 115 °С металлы корродируют со скоростью 0,05 мм/год.

В слабых растворах соляной кислоты (концентрация <5%) указанные сплавы также стойкие, однако с увеличением концентрации и температуры скорость коррозии возрастает.

Сплав 70ТМ имеет высокую коррозионную стойкость в серной, фосфорной и соляной кислотах, а также в кипящих растворах FeCl₃, но неустойчив в окислительных средах.

Сплав 35БТ устойчив в кипящей азотной кислоте и нестоек в горячей соляной кислоте и других восстановительных средах.

Сверхпроводящие сплавы могут быть использованы для изготовления очень мощных малогабаритных магнитов и находят применение в физике высоких энергий, в области криогенных температур, в энергетике и других областях техники. Материал, состоящий из двух и более слоев металлов или сплавов с различными коэффициентами теплового расширения, сваренных между собой и по всей поверхности соприкосновения, называют термобиметаллом.

Составляющую термобиметалла с большим температурным коэффициентом линейного расширения (ТКЛР) принято называть активным слоем, с минимальным ТКЛР — пассивным слоем. Иногда между активным и пассивным слоями располагается промежуточный слой с высокой электропроводностью.

Для активной составляющей термобиметаллов применяют сплавы 75ГНД, 20ΙΙΓ, 19НХ, 24НХ, 27НМ, 28НХТЮ, Л62, Л90 и чистый никель марки НП-3.

Сплав 75ГНД (14—16% Ni; 9,5—11,0% Сu; остальное Μn) неустойчив во влажной атмосфере, морских условиях, в окислительно-восстановительных и аммиачных средах.

Скорость коррозии сплавов 20НГ, 27НМ и 24НХ при применении в аналогичных условиях меньше скорости коррозии обычных низколегированных сталей, однако и для этих сплавов необходима дополнительная защита.

Сплавы Γ9ΗΧ (18—20% Ni; 10—12% Сr; остальное Fe) и 28НХТЮ (28—30 % Ni; 8—9 % Сr; остальное Fe) содержат много хрома. Поэтому они по сравнению со сплавами Fe—Ni без хрома обладают повышенной стойкостью в атмосферных условиях и окислительных средах. Латуни Л90 и Л62 относительно стойкие в щелочах, за исключением аммиачных растворов. Латуни устойчивы в атмосферных условиях, в перегретом до 300 °С паре, не корродируют в азоте, фтор для них слабо агрессивен, хлориды действуют сильнее, бром и йод вызывают сильную коррозию. В H₂SO₄ слабых концентраций при температуре 20 °С латуни устойчивы, но с повышением концентрации и температуры скорость коррозии увеличивается. В азотной и соляной кислотах они корродируют сильно. Латунь Л90 устойчива в морских условиях. Латунь Л62 по сравнению с Л90 более устойчива в сероводороде.

Для пассивной составляющей термобиметаллов применяют в основном такие сплавы, как 36Н, 42Н, 46Н, 50Н и др. Все перечисленные сплавы в обычной влажной атмосфере, в морских условиях и других средах являются нестойкими, поэтому применять их следует с защитой.

Сплав 45НХ, помимо железа и никеля, содержит 5,0—6,5 % хрома. Сплавы 45НТЮ и 52НТЮ дополнительно легированы 2,2—2,6 % титана и 0,4—0,8 % алюминия.

Сплавы 45НХ, 45НТЮ и 52НТЮ устойчивы в атмосферных условиях, в нейтральных слабощелочных и других средах.

Самыми уязвимыми местами всех термобиметаллов, изготовленных из полос или ленты, являются ребра, и особенно сильно будут корродировать те составляющие, которые имеют разные основы. В таких случаях нужна надежная защита.

В термобиметаллах возможно возникновение коррозионного разрушения от циклических нагрузок. Поскольку готовый термобиметаллический элемент при измерении температуры вследствие разности ТКЛР составляющих изгибается, то при этом возникают внутренние напряжения. При охлаждении полосы платина изгибается в противоположную сторону. Таким образом, при наличии растягивающих усилий повторно-переменных нагрузок, а также коррозионной среды на поверхности металла возможно образование трещин. Этот вид коррозии наблюдают на нагартованной латуни Л62 в аммиачной среде, а на сплавах системы Fe—Сr—Ni — в хлоридах. Для защиты от коррозии готового термобиметаллического элемента в зависимости от условий работы применяют различные металлические и лакокрасочные покрытия, а также покрытия эмалями и смазками.

Для защиты изделий, работающих в различных атмосферах до температуры 90 °С, широкое распространение нашли разнообразные лакокрасочные покрытия.

Для обычной влажной атмосферы применяют покрытия цинком, а для работы в морской воде — покрытия кадмием.

Изделия, работающие при температуре >90°С, покрывают кремнеорганическими эмалями, никелем, хромом, а также применяют многослойные покрытия Ni + Cr или Cu + Ni + Cr.

В отдельных случаях для термобиметаллических элементов можно применять металлизацию тугоплавкими металлами.

Термобиметаллы применяют в качестве чувствительных элементов для измерения температуры окружающей среды, а также определения изменения состояния процесса и параметров, связанных с колебаниями температуры. Применяют их также в качестве защитных элементов в предохранителях, тепловых и защитных реле.

Термобиметаллы нашли широкое применение в промышленных и бытовых приборах.

Аморфные сплавы

Аморфные сплавы — новый особый класс прецизионных сплавов, отличающихся от кристаллических сплавов структурой и способом изготовления. Структура аморфных сплавов подобна замороженной жидкости. Аморфные сплавы иногда называют металлическими стеклами.

Аморфизация идет при больших скоростях охлаждения.

Данные по коррозионной стойкости аморфных сплавов в литературе отсутствуют.Требуется накопление результатов испытаний, близких к условиям эксплуатации. Причем испытания для накопления сравнительных данных следует проводить параллельно на аморфных и кристаллических образцах металла. При этом должно быть учтено состояние подготовки поверхности и влияние различных физико-механических факторов. Повышенная гомогенность и отсутствие дефектов на поверхности пассивной пленки аморфного сплава способствуют повышению коррозионной стойкости металла. Однако следует отметить, что коррозионная стойкость аморфных, как и кристаллических, сплавов в основном будет зависеть от химического состава. Поэтому имеющиеся в литературе представления о влиянии легирующих элементов на коррозионные свойства сплавов в кристаллическом состоянии, по-видимому, могут быть распространены и на аморфные сплавы.

Специфичность технологии позволяет изготовить аморфные сплавы в виде лент толщиной менее 100 мкм и микропровода с диаметром металлической жилы от 5 до нескольких десятков микрометра.

Аморфные сплавы находятся в термодинамически неравновесном состоянии и при нагреве приобретают кристаллическую структуру. Поэтому для стабильной работы деталей и изделий необходимо, чтобы их температура не превышала указанной для каждого сплава максимальной' рабочей температуры.

По своим физическим свойствам и областям применения аморфные сплавы могут быть разделены на те же группы, что и кристаллические.

Магнитно-мягкие аморфные сплавы

В ЦНИИЧМ разработаны и изготовляются следующие магнитно-мягкие аморфные сплавы: 45НПР-А, 44НМР-А, 85КСР-А и 94ЖСР в виде ленты толщиной 20—40 мкм и шириной 1— 30 мм.

Сплав 94ЖСР-А. Аморфный сплав на основе железа может быть рекомендован для применения в трансформаторах мощности и генераторах.

Аморфные сплавы инварного класса

В этой группе представлены аморфные сплавы на основе железа, такие как железо — бор, железо — фосфор — бор, а именно: 86ЖХР-А, 93ЖХР-А, 96ЖР-А и др.

Резистивные аморфные сплавы

В этой группе разработан аморфный сплав НМ10ХС на основе никеля.

Сплав 45НПР-А. Аморфный сплав на основе железа и никеля. Рекомендуется для изготовления магнитных экранов и оболочек для кабелей, а также сердечников трансформаторов.

Сплав 85КСР-А. Аморфный сплав на основе кобальта. Может быть рекомендован для применения в сердечниках магнитных усилителей и миниатюрных трансформаторах и ячейках памяти.