Сплави з особливими властивостями - Прецизійні сплави
Прецизійні сплави(від франц. precision - точність), металеві сплави з особливими фізичними властивостями (магнітними, електричними, тепловими, пружними) або рідкісним поєднанням фізичних, фізико-хімічних та механічних властивостей, рівень яких значною мірою обумовлений точністю хімічного складу, відсутністю шкідливих домішок, що відповідає структурі сплаву. Більшість прецизійних сплавів створено на основі Fe, Ni, C, Cu, Nb. До прецизійних сплавів відноситься ряд сплавів з аномалією властивостей, серед яких особливе місце займають сплави з дуже малою зміною фізичних параметрів при зміні температури, магнітного, електричного поля, механічних навантажень (наприклад, інвар, елінвар, манганін, константан, пермінвар). Важливе практичне значення мають і сплави, що характеризуються навпаки великою зміною фізичних параметрів при зміні зовнішніх умов (наприклад, пермалою, алюмель, хромель, копель, магнітострикційні матеріали, пружинні сплави, термобіметали).
Прецизійні сплави - незамінні матеріали при виготовленні вузлів особливо чутливих приладів та установок, унікальної експериментальної та малогабаритної апаратури, різноманітних датчиків, перетворювачів енергії. Вони застосовуються також у побутовій техніці, наприклад, у телевізорах, радіоприймачах, годинниках і т.д. Прецизійні сплави є основою прогресу точного приладобудування, автоматики та інших галузей техніки; виготовляються переважно у вигляді тонкої стрічки та дроту, а також у вигляді поковок, листів, прутків, поліметалевого дроту та стрічки, монокристалів. Для досягнення найвищого рівня властивостей Прецизійні сплави необхідні, як правило, особливі способи виплавки, деформування, спеціальні режими термічної обробки, якіснаоздоблення поверхні. Прецизійні метали вимагають високої культури експлуатації.
Інвар (від лат. invariabilis - Постійний) сплав на основі заліза; містить 36% нікелю. Вперше отримано у Франції в 1896 році Ш. Гільомом. Інвар має малий коефіцієнт теплового розширення (1,5×10 -6 1/°С за нормальної температури від — 80 до 100°C). Мале теплове розширення Інвар пояснюється тим, що магнітострикційне зменшення обсягу при нагріванні компенсує теплове розширення. Інвар використовується для виготовлення геодезичних дротів і стрічок, лінійок, деталей вимірювальних та контрольних приладів та ін. Для підвищення міцності Інвар піддають холодній пластичній деформації з подальшою низькотемпературною термообробкою. Після полірування метал набуває стійкості проти корозії в атмосферних умовах; на вироби зі сплаву, призначені для роботи в агресивних середовищах, завдають захисні покриття. Різновидами Інвар є сплави з особливо низьким коефіцієнтом теплового розширення (менше 1×10 -6 1/°С) — суперінвар, що містить 64% заліза, 32% нікелю та 4% кобальту, та нержавіючий Інвар, що містить 54% кобальту, 37% заліза та 9% хрому.
Елінвар (від грец. elastos - еластичний, пружний і лат. invariabilis - незмінний), загальна назва групи сплавів на залізонікелевій основі, пружні властивості яких мало залежать від температури. Спочатку був відомий бінарний сплав типу Елінвар, що містить 45% Ni (решта Fe), потім розроблені Елінвар, леговані Cr, Mo, W. Фізична природа аномалії пружних властивостей Елінвар - магнітна, тому вище Кюрі точки аномалія пропадає. Основні причини аномалії: зменшення сил зв'язку в кристалічних ґратах при переході їх у магнітний стан та змінамагнітної доменної структури при деформації ґрат. Доменну структуру закріплюють за допомогою дисперсійного твердіння, для чого сплав вводять один з елементів: Ti, Al, Nb або Be. Елінвар застосовують для виготовлення годинникових волосків, ультразвукових ліній затримок, резонаторів електромеханічних фільтрів, мембран, пружин та інших деталей, від яких потрібні пружні властивості, які не залежать від температури.
Манганін, сплав на основі міді з добавкою марганцю (11,5-13,5%) та нікелю (2,5-3,5%), що характеризується надзвичайно малою зміною електричного опору в області кімнатних температур. Вперше запропонований у Німеччині в 1889. Питомий електричний опір Манганін при 20 °С 0,47 мкОм·м, температурний коефіцієнт електричного опору в інтервалі температур 15-35 °С 2×10 -6 1/°С (після спеціальної термічної обробки - стабілізуючого відпалу), tпл 960° С. З Манганін виготовляють еталонні опори та елементи вимірювальних приладів. Істотна перевага Манганін перед константаном полягає в тому, що Манганін має дуже малу термоедс в парі з міддю (не більше 1 мкв/1 ° С), тому в приладах високого класу точності застосовують тільки Манганін У той же час Манганін, на відміну від константану, нестійкий проти корозії в атмосфері, що містить пари кислот, аміаку, а також чутливий до значної зміни вологості повітря. До манганину відносять також деякі сплави на основі срібла з добавками марганцю (до 17 %), олова (до 7 %) та інших елементів (так звані срібні манганини).
Константан (від лат. constans, родовий відмінок constantis - постійний, незмінний), мідно-нікелевий сплав, що характеризується слабкою залежністю електричного опору від температури. Константан, що випускається в Україні, містить39-41% нікелю, 1-2% марганцю, решта - мідь. Питомий електричний опір Константан за 20°С >> 0,48 мком×м, температурний коефіцієнт електричного опору після спеціально термічної обробки (стабілізуючий відпал) становить близько 2×10 -6 1/К. температура плавлення 1260 °С. Константан застосовується в електротехніці для виготовлення реостатів, елементів вимірювальних приладів та ін. Тому Константан рідко використовується в приладах високого класу точності - випадкове нагрівання клем контакту призводить до появи в електричному ланцюзі струму, що спотворює показання приладу. Зазвичай у найбільш відповідальних випадках застосовується манганін. З міддю чи залізом Константан утворює термопару, придатну вимірювання температур до 500° З.
Пермінвар [англ. perminvar, від perm (eability) - проникність і invar (iable) - незмінний], загальна назва групи сплавів нікелю із залізом та кобальтом (іноді з добавками молібдену та хрому), що характеризуються малою залежністю магнітної проникності m від напруженості поля. Належить до магнітно-м'яких матеріалів. Розроблений у США наприкінці 20-х рр. 20 ст. Типовий Пермінвар містить 45% Ni, 30% Fe, 25% Co і має m = 400-500, що практично не змінюється в області полів від 0 до 0,5-1,0 а/див. Рівень m і її відносного сталості можна значно збільшити спеціальної термічної обробкою, проведеної при накладенні магнітного поля. Пермінвар, що містить приблизно 47% Ni, 30% Fe, 23%, після такої обробки має m
1000, причому її зміни у сфері полів від 0 до 8 а/см вбираються у 10—15%; намагніченість насичення сплаву 1,5 тл; крапка Кюрі 600 °С. Пермінвар використовуються в радіоелектроніці та техніцізв'язку для виготовлення високостабільних сердечників трансформаторів і дроселів з мінімальними спотвореннями сигналу, що перетворюється.
Пермаллою [англ. permalloy, від perm (eability) - проникність і alloy - сплав], загальна назва групи сплавів нікелю з залізом, що характеризуються високою магнітною проникністю m, малою коерцитивною силою Hc і малими втратами на гістерезис. Належать до магнітно-м'яких матеріалів. Перші відомості про Пермалло з'явилися в США після 1-ї світової війни 1914-18; у промисловості Пермалло почали застосовуватися в 20-х рр.. Розрізняють 2 основні групи Пермалл: низьконікелеві (40-50% Ni; типовий представник - перменорм) і високонікелеві (70-83% Ni). У формуванні структури, що зумовлює високі магнітні властивості Пермаллою, важливу роль відіграють умови термічної обробки, яку проводять у вакуумі або серед водню, іноді - при накладенні магнітного поля. Для досягнення високої m і низької Hc високонікелеві Пермалло піддають різкому охолодженню (30-80 ° С/сек) з 600 ° С, що пов'язано із загальмовуванням структурних перетворень, що призводять до погіршення магнітних властивостей. Для зменшення швидкості охолодження та підвищення електроопору високонікелеві Пермаллою зазвичай легують Mo, Cr, Cu, Si та ін елементами. Типовий представник високонікелевих Пермаллою-молібденовий Пермаллою-містить приблизно 79% Ni, 17% Fe, 4% Mo і характеризується початковою ma 3 22 000, максимальною mmax 150000, HC 0,012 а/см, намагніченістю насичення 0,8 З. У сплаві супермалі (англійське super - чудовий), що містить приблизно 79% Ni, 16% Fe, 5% Mo, завдяки застосуванню найчистіших шихтових матеріалів і особливої ретельності у проведенні термічної обробки досягається найвища серед відомих магнітно-м'яких матеріалів m: ma 3 100OQO, mmax 3 1000000. Сплави типу Пермаллою виробляються в основному у вигляді стрічок товщиною 0,003-0,5 мм; використовуються в радіотехніці, техніці зв'язку та інших галузях застосування слабких струмів. Практичне застосування в ряді пристроїв автоматики та обчислювальної техніки отримали також Пермалло з 65-68% Ni (як правило, леговані 2-3% Mo), що характеризуються прямокутною петлею гістерезису.
Хромель [від хром та (нік)ель], сплав нікелю з хромом, що володіє сприятливим поєднанням термоелектричних властивостей та жаростійкості. Містить близько 10% Cr, близько 1%, а також домішки (до 0,2% С і до 0,3% Fe). Хромель характеризується досить великою і майже прямолінійною зміною термоЕДС (ТЕДС) у широкому інтервалі температур. ТЕРС термопари хромель - платина при температурах спаїв 1000 і 0 ° С - близько 33 мв. Хромель має постійне значення ТЕРС при тривалій роботі повітря в інтервалі температур 20—1000 °З; за більш високої температури експлуатаційна надійність сплаву знижується. Хромель виготовляється у вигляді дроту і застосовується в парі з алюмелем як позитивний термоелектрод термопари хромель — алюмель, яка використовується при вимірюванні температури. Хромель застосовується також як компенсаційні проводи. В Україні випускають Хромель марок НХ9,5 і НХ9.
Капель, мідно-нікелевий сплав, що містить
0,5% Mn. За хімічним складом, фізичними та механічними властивостями Копель близький до константану, температура плавлення Копель близько 1290°С. З усіх мідно нікелевих сплавів Копель має максимальну термоелектрорушійну силу в парі з хромелем (близько 6,95 мв при 100°С, 49,0 мв при 600°С). Застосовується головним чином у пірометрії як негативний термоелектрод термопар при вимірюванні температур до 600°С, е. також яккомпенсаційних дротів. В Україні виготовляється Капель марки МНМц 43-0,5.
Підступ, сплав на основі заліза, містить 18% і 29% Ni. Характеризується низьким коефіцієнтом теплового розширення [(4,5-5,2)Ч10 -6 1/°C - в інтервалі 20-400 °C], близьким до коефіцієнта теплового розширення скла. Температура плавлення Ковар 1450 ° C, питомий електричний опір 0,5 мкОм · м, температура Кюрі 420 ° С. У вологому середовищі сплав схильний до корозії, вимагає захисних покриттів. При впайці в скло Ковар утворює міцне вакуумно-щільне зчеплення, що використовується в електровакуумній техніці при виготовленні корпусів та струмовивідів різних ламп, приладів.
Платініт, біметалічний дріт, що складається з залізо-нікелевого сердечника (58% Fe, 42% Ni), покритого тонким шаром міді (близько 30% від загальної маси дроту). Платініт має коефіцієнт теплового розширення, близький до коефіцієнта теплового розширення платини (близько 9×10 -6 град -1 ), і застосовується натомість її як струмівводи в освітлювальні лампи та різні електровакуумні прилади для забезпечення герметичного з'єднання зі склом. Платініт іноді називають також залізо-нікелевий сплав (54% Fe, 46% Ni), що використовується в електровакуумній промисловості для з'єднання з керамікою (в Україні сплав марки 46H).