Стали и сплавы с особыми физическими свойствами. 2

§ 18. СТАЛИ И СПЛАВЫ С ОСОБЫМИ ФИЗИЧЕСКИМИ СВОЙСТВАМИ

 
Магнитные стали и сплавы. Ферромагнетизмом (способностью в значительной степени сгущать магнитные силовые линии) обладают железо, кобальт и никель. Эта способность характеризуется магнитной проницаемостью. У ферромагнитных материалов относительная магнитная проницаемость достигает десятков и сотен тысяч единиц, для других материалов она близка к единице. Магнитные свойства материала характеризуются остаточной индукцией и коэрцитивной силой. Остаточной индукцией называют магнитную индукцию, остающуюся в образце после его намагничивания и снятия внешнего магнитного поля. Размерность остаточной индукции Тл (тесла). 1Тл=1Н/(А∙м). Коэрцитивной силой Нс называют значение напряженности внешнего магнитного поля, необходимое для полного размагничивания ферромагнитного вещества. Размерность коэрцитивной силы А/м. Она определяет свойство ферромагнетика сохранять остаточную намагниченность. 
Магнитные стали и сплавы в зависимости от коэрцитивной силы и магнитной проницаемости делят на магнитно-твердые и магнитно-мягкие. 
Магнитно-твердые стали и сплавы применяют для изготовления постоянных магнитов; имеют большую коэрцитивную силу. Это высокоуглеродистые и легированные стали, специальные сплавы. Углеродистые стали (У10-У12) после закалки имеют достаточную коэрцитивную силу (Н_с=5175 А/м), но, так как они прокаливаются на небольшую глубину, их применяют для изготовления небольших магнитов. Хромистые стали по сравнению с углеродистыми прокаливаются значительно глубже, поэтому из них изготовляют более крупные магниты. Магнитные свойства этих сталей такие же, как и углеродистых. Хромокобальтовые стали (например, марки ЕХ5К5) имеют более высокую коэрцитивную силу – Н_с=7166 А/м. Магнитные сплавы, например ЮНДК24 (9% А1, 13,5% Ni; 3% Си; 24% Со; остальное железо), имеют очень высокую коэрцитивную силу – Н_с=39 810 А/м, поэтому из них изготовляют магниты небольшого размера, но большой мощности. 
Магнитно-мягкие стали и сплавы. Магнитно-мягкие стали и сплавы имеют малую коэрцитивную силу и большую магнитную проницаемость. К ним относят электротехническое железо и сталь, железоникелевые сплавы (пермаллои). 
Электротехническое железо (марки Э, ЭА, ЭАА) содержит менее 0,04% С, имеет высокую магнитную проницаемость μ=(2,78-3,58)∙10⁹ ГГн/м и применяется для сердечников, полюсных наконечников электромагнитов и др. Электротехническая сталь содержит менее 0,05% С и кремний, сильно увеличивающий магнитную проницаемость. Электротехническую сталь по содержанию кремния делят на четыре группы: с 1% Si - марки Э11, Э12, Э13; с 2% Si - Э21, Э22; с 3% Si - Э31, Э32; с 4% Si - Э41-Э48. Вторая цифра (1-8) характеризует уровень электротехнических свойств. 
Железоникелевые сплавы (пермаллои) содержат 45-80% Ni, их дополнительно легируют Сг, Si, Mo. Магнитная проницаемость этих сплавов очень высокая. Например, у пермаллоя марки 79НМ (79% Ni; 4% Mo) μ=175,15∙10⁹ ГГн/м. Применяют пермаллои в аппаратуре, работающей в слабых электромагнитных полях (телефон, радио). 
Ферриты – магнитно-мягкие материалы, получаемые спеканием смеси порошков ферромагнитной окиси железа Fe₂0₃ и окислов двухвалентных металлов (ZnO, NiO, MgO и др.). В отличие от других магнитно-мягких материалов у ферритов очень высокое удельное электросопротивление, что определяет их применение в устройствах, работающих в области высоких и сверхвысоких частот. 
Сплавы с высоким электрическим сопротивлением. Их применяют для изготовления электронагревателей и элементов сопротивлений (резисторов) и реостатов. Сплавы для электронагревателей обладают высокой жаростойкостью, высоким электрическим сопротивлением, удовлетворительной пластичностью в холодном состоянии. 
Указанным требованиям отвечают железохромоалюминиевые сплавы, например, марок Х13Ю4 (≤0,15% С; 12-15% Сг; 3,5-5,5% А1), 0Х23Ю5 (≤0,05% С; 21,5=23,5% Сг; 4,6-5,3% А1), и никелевые сплавы, например, марок Х15Н60 - ферронихром, содержащий 25% Fe, Х20Н80 - нихром. Стойкость нагревателей из железохромоалюминиевых сплавов выше, чем у нихромов. Сплавы выпускают в виде проволоки и ленты, применяют для бытовых приборов (сплавы Х13Ю4, Х15Н60, Х20Н80), а также для промышленных и лабораторных печей (0Х23Ю5). 
Сплавы с заданным коэффициентом теплового расширения. Они содержат большое количество никеля. Сплав 36Н, называемый инваром (≤0,05% С и 35-37% Ni), почти не расширяется при температурах от -60 до +100°С. Его применяют для изготовления деталей приборов, требующих постоянных размеров в интервале климатических изменений температур (детали геодезических приборов и др.). 
Сплав 29НК, называемый коваром (≤0,03% С; 28,5-29,5% Ni; 17-18% Со), имеет низкий коэффициент теплового расширения в интервале температур от -0° до +420°C. Его применяют для изготовления деталей, впаиваемых в стекло при создании вакуумноплотных спаев. 
Сплавы с заданными упругими свойствами. К таким сплавам относят сплав 40КХНМ (0,07-0,12% С; 15-17% Ni; 19-21% Сг; 6,4-7,4% Мо; 39-41% Со). Это высокопрочный с высокими упругими свойствами, немагнитный, коррозионностойкий в агрессивных средах сплав. Применяют его для изготовления заводных пружин часовых механизмов, витых цилинд§ 18. СТАЛИ И СПЛАВЫ С ОСОБЫМИ ФИЗИЧЕСКИМИ СВОЙСТВАМИ

 
Магнитные стали и сплавы. Ферромагнетизмом (способностью в значительной степени сгущать магнитные силовые линии) обладают железо, кобальт и никель. Эта способность характеризуется магнитной проницаемостью. У ферромагнитных материалов относительная магнитная проницаемость достигает десятков и сотен тысяч единиц, для других материалов она близка к единице. Магнитные свойства материала характеризуются остаточной индукцией и коэрцитивной силой. Остаточной индукцией называют магнитную индукцию, остающуюся в образце после его намагничивания и снятия внешнего магнитного поля. Размерность остаточной индукции Тл (тесла). 1Тл=1Н/(А∙м). Коэрцитивной силой Нс называют значение напряженности внешнего магнитного поля, необходимое для полного размагничивания ферромагнитного вещества. Размерность коэрцитивной силы А/м. Она определяет свойство ферромагнетика сохранять остаточную намагниченность. 
Магнитные стали и сплавы в зависимости от коэрцитивной силы и магнитной проницаемости делят на магнитно-твердые и магнитно-мягкие. 
Магнитно-твердые стали и сплавы применяют для изготовления постоянных магнитов; имеют большую коэрцитивную силу. Это высокоуглеродистые и легированные стали, специальные сплавы. Углеродистые стали (У10-У12) после закалки имеют достаточную коэрцитивную силу (Н_с=5175 А/м), но, так как они прокаливаются на небольшую глубину, их применяют для изготовления небольших магнитов. Хромистые стали по сравнению с углеродистыми прокаливаются значительно глубже, поэтому из них изготовляют более крупные магниты. Магнитные свойства этих сталей такие же, как и углеродистых. Хромокобальтовые стали (например, марки ЕХ5К5) имеют более высокую коэрцитивную силу – Н_с=7166 А/м. Магнитные сплавы, например ЮНДК24 (9% А1, 13,5% Ni; 3% Си; 24% Со; остальное железо), имеют очень высокую коэрцитивную силу – Н_с=39 810 А/м, поэтому из них изготовляют магниты небольшого размера, но большой мощности. 
Магнитно-мягкие стали и сплавы. Магнитно-мягкие стали и сплавы имеют малую коэрцитивную силу и большую магнитную проницаемость. К ним относят электротехническое железо и сталь, железоникелевые сплавы (пермаллои). 
Электротехническое железо (марки Э, ЭА, ЭАА) содержит менее 0,04% С, имеет высокую магнитную проницаемость μ=(2,78-3,58)∙10⁹ ГГн/м и применяется для сердечников, полюсных наконечников электромагнитов и др. Электротехническая сталь содержит менее 0,05% С и кремний, сильно увеличивающий магнитную проницаемость. Электротехническую сталь по содержанию кремния делят на четыре группы: с 1% Si - марки Э11, Э12, Э13; с 2% Si - Э21, Э22; с 3% Si - Э31, Э32; с 4% Si - Э41-Э48. Вторая цифра (1-8) характеризует уровень электротехнических свойств. 
Железоникелевые сплавы (пермаллои) содержат 45-80% Ni, их дополнительно легируют Сг, Si, Mo. Магнитная проницаемость этих сплавов очень высокая. Например, у пермаллоя марки 79НМ (79% Ni; 4% Mo) μ=175,15∙10⁹ ГГн/м. Применяют пермаллои в аппаратуре, работающей в слабых электромагнитных полях (телефон, радио). 
Ферриты – магнитно-мягкие материалы, получаемые спеканием смеси порошков ферромагнитной окиси железа Fe₂0₃ и окислов двухвалентных металлов (ZnO, NiO, MgO и др.). В отличие от других магнитно-мягких материалов у ферритов очень высокое удельное электросопротивление, что определяет их применение в устройствах, работающих в области высоких и сверхвысоких частот. 
Сплавы с высоким электрическим сопротивлением. Их применяют для изготовления электронагревателей и элементов сопротивлений (резисторов) и реостатов. Сплавы для электронагревателей обладают высокой жаростойкостью, высоким электрическим сопротивлением, удовлетворительной пластичностью в холодном состоянии. 
Указанным требованиям отвечают железохромоалюминиевые сплавы, например, марок Х13Ю4 (≤0,15% С; 12-15% Сг; 3,5-5,5% А1), 0Х23Ю5 (≤0,05% С; 21,5=23,5% Сг; 4,6-5,3% А1), и никелевые сплавы, например, марок Х15Н60 - ферронихром, содержащий 25% Fe, Х20Н80 - нихром. Стойкость нагревателей из железохромоалюминиевых сплавов выше, чем у нихромов. Сплавы выпускают в виде проволоки и ленты, применяют для бытовых приборов (сплавы Х13Ю4, Х15Н60, Х20Н80), а также для промышленных и лабораторных печей (0Х23Ю5). 
Сплавы с заданным коэффициентом теплового расширения. Они содержат большое количество никеля. Сплав 36Н, называемый инваром (≤0,05% С и 35-37% Ni), почти не расширяется при температурах от -60 до +100°С. Его применяют для изготовления деталей приборов, требующих постоянных размеров в интервале климатических изменений температур (детали геодезических приборов и др.). 
Сплав 29НК, называемый коваром (≤0,03% С; 28,5-29,5% Ni; 17-18% Со), имеет низкий коэффициент теплового расширения в интервале температур от -0° до +420°C. Его применяют для изготовления деталей, впаиваемых в стекло при создании вакуумноплотных спаев. 
Сплавы с заданными упругими свойствами. К таким сплавам относят сплав 40КХНМ (0,07-0,12% С; 15-17% Ni; 19-21% Сг; 6,4-7,4% Мо; 39-41% Со). Это высокопрочный с высокими упругими свойствами, немагнитный, коррозионностойкий в агрессивных средах сплав. Применяют его для изготовления заводных пружин часовых механизмов, витых цилиндрических пружин, работающих при температурах до 400°С.рических пружин, работающих при температурах дВВЕДЕНИЕ

 
В Основных направлениях экономического и социального развития СССР на 1981 -1985 гг. и на период до 1990 г. подчеркнута необходимость обеспечения дальнейшего ускорения научно-технического прогресса благодаря созданию и внедрению в производство принципиально новой техники, материалов и прогрессивных технологических процессов. В одиннадцатой пятилетке выпуск продукции машиностроения и металлообработки должен увеличиться не менее чем в 1,4 раза, а производительность труда должна возрасти на 31-35%. Достижение намеченных задач возможно за счет улучшения качества и ассортимента металлопродукции; увеличения производства новых конструкционных материалов, покрытий и изделий на основе металлических порошков; развития производства новых полимерных и композиционных материалов с комплексом требуемых свойств; широкого применения малоотходных, безотходных и малооперационных технологических процессов; использования высокоэффективных методов обработки металлов и материалов, обеспечивающих существенное улучшение их свойств, и осуществления ряда других мероприятий. 
Некоторые из этих важных направлений ускорения научно-технического прогресса в той или иной мере нашли отражение в данной книге. 
Современное машиностроение является основным потребителем производимых в нашей стране металлов. В станкостроении, судостроении, автомобильной и авиационной промышленности, электронике и радиотехнике из металлов изготовляют огромное число деталей машин и приборов. 
Используемые в технике металлы принято подразделять на две основные группы - черные и цветные. К черным металлам относят железо и его сплавы (чугун, сталь, ферросплавы). Остальные металлы и их сплавы составляют группу цветных. 
Из металлов особое значение имеют железо и его сплавы, являющиеся до настоящего времени основным машиностроительным материалом. В общемировом производстве металлов свыше 90% приходится на железо и его сплавы. Это объясняется ценными физическими и механическими свойствами черных металлов, а также и тем, что железные руды широко распространены в природе, а производство чугуна и стали сравнительно дешево и просто. 
Наряду с черными металлами важное значение в технике имеют и цветные металлы. Это объясняется рядом важных физико-химических свойств, которыми не обладают черные металлы. 
Наиболее широко используют в самолетостроении, радиотехнике, электронике и в других отраслях промышленности медь, алюминий, магний, никель, титан, вольфрам, а также бериллий, германий, кремний и другие цветные металлы. 
Особое развитие за последние 30 лет получило производство синтетических материалов - пластмасс. Так, на рубеже 1980 г. мировое производство пластмасс составило примерно 60 млн. т. При этом, начиная с 1950 г., производство пластмасс каждые 5 лет удваивалось. 
Пластмассы и другие неметаллические материалы используют в конструкциях машин и механизмов взамен металлов и сплавов. Такие материалы позволяют повысить сроки службы ряда деталей и узлов машин и установок, снизить массу конструкций, экономить дефицитные цветные металлы и сплавы, снизить стоимость и трудоемкость обработки. 
Рациональный выбор материалов и совершенствование технологических процессов их обработки обеспечивают надежность конструкций, снижают себестоимость и повышают производительность труда. Прикладную науку о строении и свойствах технических материалов, основной задачей которой является установление связи между составом, структурой и свойствами, называют материаловедением. 
Большой вклад в развитие науки о материалах внесли русские и советские ученые. Д. К. Чернов (1839-1921) является основоположником научного металловедения. Работы Н. С. Курнакова (1860-1941) и его учеников имели большое значение для развития методов физико-химического исследования металлических сплавов. С именами С. С. Штейнберга (1872-1940), Н. А. Минкевича (1883-1942) и Н. Т. Гудцова (1885-1957) связана разработка теории и технологии термической обработки стали. Крупные советские ученые С. Т. Конобеевский, Г. В. Курдюмов, В. Д. Садовский, А. А. Бочвар, С. Т. Кишкин, Н. В. Агеев и ряд других исследовали превращения в металлических сплавах. 
Крупнейший химик А. М. Бутлеров (1828-1886) создал теорию химического строения органических соединений и научную основу для разработки синтетических полимерных материалов. В. А. Каргин и его ученики выполнили исследования, имевшие большое значение для развития полимерных материалов. Впервые в мире на основе работ С. В. Лебедева было создано промышленное производство синтетического каучука. 
Настоящая книга написана в соответствии с учебной программой предмета «Материаловедение», утвержденной Государственным комитетом СССР по профессионально-техническому образованию, и предназначена для подготовки квалифицированных рабочих в профессионально-технических учебных заведениях (для профессий, связанных с обслуживанием и ремонтом машин и механизмов). Наряду с приобретением практических навыков по избранной специальности изучение основ материаловедения позволит учащимся повысить теоретическую подготовку, стать квалифицированными рабочими и принять активное участие в дальнейшем совершенствовании производственных процессов, повышении эффективности производства и улучшении качества К сталям и сплавам с особыми физическими свойствами относятся те, работоспособность которых оценивается не только по механическим, но и по ряду других (теплофизических, магнитных, электрических и др.) свойств требуемого уровня.

Стали и сплавы с особыми физическими свойствами часто называют прецизионными. Прецизионные сплавы - металлические сплавы с особыми физическими свойствами (магнитными, электрическими, тепловыми, упругими) или редким сочетанием свойств, уровень которых в значительной степени обусловлен точностью химического состава, отсутствием примесей, тщательностью изготовления и обработки.

Стали и сплавы с особыми физическими свойствами имеют очень широкий диапазон использования. Наибольшее распространение получили стали и сплавы:

· с заданным температурным коэффициентом линейного расширения;

· с высоким электросопротивлением (при повышенной жаростойкости);

· магнитные стали и сплавы.

Стали и сплавы с заданным температурным коэффициентом линейного расширения

Стали и ставы с заданным температурньм коэффициентом линейного расширения (ГОСТ 10994-74) предназначены для впаивания изделий на их основе в стеклянные и керамические корпуса вакуумных приборов. Химический состав этих сплавов базируются на системе Fe+Ni + Co с небольшим количеством меди. Точный состав каждого сплава устанавливается для конкретного вида стекла или керамики, используемых в изделиях, из условия равенства их температурных коэффициентов линейного расширения. Например, сплав 29НК (29% Ni, 18% Со, остальное Fe) с a = (4,6...5,5)•10^-6°C^-1, называемый ковар, предназначен для вакуумных впаев в молибденовые стекла. Для изготовления деталей, спаиваемых со стеклом (например, в телевизионных кинескопах), применяют более дешевые ферритные железохромистые сплавы 18ХТФ и 18ХМТФ, имеющие a= 8,7•10^-6°C^-1.

Особое  место в сплавах с заданным температурным коэффициентом линейного расширения занимают сплавы с малым коэффициентом, существенно не меняющимся в высокотемпературной области. Эти сплавы предназначены для изготовления деталей измерительных приборов и технических средств. Промышленное значение имеет сплав инвар на базе железа и никеля (36%) с небольшим (0,05%) количеством углерода. Для этого сплава величина температурного коэффициента линейного расширения a = 1.. 1,5-10^-6 °С^-1, причем, изменение величины коэффициента при температурах 600...700°С происходит очень плавно за счет ферромагнитного эффекта. Эти сплавы используют для деталей, впаиваемых в неорганические диэлектрики - стекло, керамику, слюду и др.

Стали и сплавы с высоким электросопротивлением 

Стали и сплавы с высоким электросопротивлением (ГОСТ 10994-74) должны сочетать высокое сопротивление (1,06... 1,47 мкОм·м, что более чем в 10 раз выше, чем у низкоуглеродистой стали) и иметь жаростойкость 1000...1350°С. К технологическим свойствам таких сплавов предъявляются требования высокой пластичности, обеспечивающей хорошую деформируемость на прутки, полосу, проволоку и ленты, в том числе малых сечений, а к потребительским - малая величина температурного коэффициента линейного расширения. Для этих сплавов используются системы Fe + Сг + А1, Fe + Ni + Сг и Ni + Сr. Их микроструктура представляет собой твердые растворы с высоким содержанием легирующего элемента. Чем больше в сплавах хрома и алюминия, тем выше их жаростойкость. Количество углерода в сплавах строго ограничивают (0,06...0,12%), так как появление карбидов снижает пластичность и сокращает срок эксплуатации изделий.

Наибольшее  распространение в технике получили сплавы ферритного класса: Х13Ю4 (фехраль), ОХ23Ю5 (хромель) и ОХ27Ю5А. Эти сплавы малопластичны, поэтому изделия из них, особенно крупные, следует выполнять при подогреве до 200...300°С. сопротивление ползучести ферритных сплавов невелико, поэтому нагреватели при высоких (1150...1200°С) температурах нередко провисают под действием собственной массы.

Высоким электросопротивлением обладают сплавы на основе никеля - Х20Н80 (нихромы). Нихромы с железом называют ферронихромами, например, сплав Х15Н60, содержащий 25% Fe. Ферронихромы обладают более высокими технологическими свойствами и дешевле, чем нихромы. Стали и сплавы с высоким электросопротивлением предназначены для изготовления деталей и элементов нагревательных приборов, реостатов, а также резисторов, терморезисторов, тензодатчиков и др.

Магнитные стали и ставы

Магнитные стали и сплавы классифицируют на магнитно-твердые, магнитно-мягкие и парамагнитные.

Магнитно-твердые стали и сплавы (ГОСТ 17809-72) по своим потребительским свойствам характеризуются высокими коэрцитивной силой и остаточной индукцией и соответственно высокой магнитной энергией (BrHc)max.

По химическому составу промышленные магнитно-твердые стали и сплавы в порядке возрастания их коэрцитивной силы и магнитной энергии представляют собой:

·                       высокоуглеродистые стали (1,2... 1,4% С);

·                       высокоуглеродистые (1%С) сплавы железа с хромом (до 2,8%), легированные кобальтом;

·                       высокоуглеродистые сплавы железа, алюминия, никеля и кобальта, называемые алнико.

Легирующие  элементы повышают, главным образом, коэрцитивную силу и магнитную энергию, а также улучшают температурную и механическую стабильности постоянного магнита.

В углеродистых магнитно-твердых сталях необходимые свойства (Я,. = 65 Э) обеспечиваются неравновесной мартенситной структурой с высокой плотностью дефектов. В сплавах железа с хромом (например, ЕХЗ) высокие потребительские свойства обеспечивают магнитная и кристаллографическая текстуры, получаемые в результате термообработки, включающей нормализацию и высокий отпуск или закалку и низкий отпуск. Наиболее высокие свойства (Нс = 500 Э), достигаемые в сплавах алнико, реализуются за счет выделения интерметаллида NiAl и наличия магнитной и кристаллографической текстур. Для сплавов алнико используют при термообработке нагрев до 1300°С с последующим охлаждением со скоростью 0,5...5 °С/с в магнитном поле.

Обозначают  магнитно-твердые стали индексом "Е", указывая далее буквой с цифрой наличие хрома и его содержание в целых процентах (например, ЕХ2, ЕХЗ).

Магнитно-твердые стали и сплавы используются для изготовления различного рода постоянных магнитов. В промышленности наиболее широко применяют сплавы типа алнико (ЮНДК15, ЮН14ДК25А, ЮНДК31ТЗБА и др.). Эти сплавы тверды, хрупки и не поддаются деформации, поэтому магниты из них изготовляют литьем. После литья проводят только шлифование.

Магнитно-мягкие стали и сплавы отличаются легкой намагничиваемостью в относительно слабых магнитных полях. Их основными потребительскими свойствами являются высокая магнитная проницаемость, низкая коэрцитивная сила, малые потери на вихревые токи и при перемагничивании. Эти свойства обеспечивает гомогенная (чистый металл или твердый раствор) структура, чистая от примесей. Магнитно-мягкие материалы должны быть полностью рекристаллизованы для устранения внутренних напряжений, так как даже слабый наклеп существенно снижает магнитную проницаемость и повышает коэрцитивную силу. Магнитная проницаемость возрастает при микроструктуре из более крупных зерен.

По   химическому   составу   промышленно   применяемые   магнитно-мягкие (электротехнические) стали и сплавы делятся на:

· низкоуглеродистые (0,05...0,005%С) с содержанием кремния 0,8...4,8%;

· сплавы железа с никелем.

В низкоуглеродистых сталях кремний, образуя с a-железом твердый раствор, увеличивает электрическое сопротивление и, следовательно, уменьшает потери на вихревые токи; кроме того. кремний повышает магнитную проницаемость, немного снижает коэрцитивную силу и потери на гистерезис вследствие вызываемого им роста зерна, графитизирующего действия и лучшего раскисления сталей. Однако кремний понижает индукцию в сильных магнитных полях и повышает хрупкость, особенно при его содержании 3...4%.

Железоникелевые сплавы с содержанием никеля 36...83%, называемые пермаллои, обладают наиболее высокими потребительскими свойствами. Для улучшения тех или иных характеристик в их состав вводят хром, молибден, медь и др. Величина их магнитной проницаемости превосходит аналогичные показатели для низкоуглеродистых сталей в 15-10³ раз. Пермаллои - легко деформируемые сплавы. Однако деформация значительно ухудшает их первоначальные магнитные характеристики. Для восстановления свойств проводят термообработку по строго разработанному режиму: скорость нагрева (до 900...1000°С), выдержка и скорость охлаждения. Применяют их в аппаратуре, работающей в слабых частотных полях (телефон, радио).

Для электротехнических сталей (ГОСТ 21427-75) принята маркировка, основаная на кодировании. В обозначении марки используют четыре цифры, причем, их значения соответствуют кодам, содержащим следующую информацию:

· первый - структура материала (по наличию и степени текстуры) и вид прокатки (горячая или холодная деформация);

· второй - химический состав по содержанию кремния;

· третий - величины потерь тепловых и на гистерезис;

· четвертый - значение нормируемого потребительского свойства.

Электротехнические стали изготавливают в виде рулонов, листов и резаной ленты. Они предназначены для изготовления магнитопроводов постоянного и переменного тока, якорей и полюсов электротехнических машин, роторов, статоров, магнитных цепей трансформаторов и др. Парамагнитными сталями являются аустенитные стали 12Х18Н10Т, 17Х18Н9, 55Г9Н9ХЗ, 40Г14Н9Ф2 и др. Их химический состав базируется на системе Fe + Cr + Ni -rTi. Основными потребительскими свойствами являются немагнитность и высокая прочность. Необходимая прочность достигается при деформационном и дисперсионном упрочнении изделий. К недостаткам этих сталей и сплавов следует отнести низкий предел текучести (150...350 МПа), что ограничивает область применения только малонагруженньгми конструкциями.

Парамагнитные стали и сплавы применяют для изготовления немагнитных деталей конструкций в электротехнике, приборостроении, судостроении и специальных областях техники. Повышение износостойкости деталей, работающих в узлах трения достигается азотированием (стали 40Г14Н9Ф2 и др.) 

выпускаемой продукции.о 400°С. Сплавы с заданными упругими свойствами.

К таким сплавам  относят сплав 40КХНМ (0,07—0,12% С, 15—17% Ni, 19—21% Сr; 6,4—7,4% Мо, 39—41% Со). Это высокопрочный  с высокими упругими свойствами, немагнитный, коррозионностойкий в агрессивных средах сплав.    Применяют его для изготовления заводных пружин часовых механизмов, витых цилиндрических пружин, работающих при температурах до 400°С.

Стали и сплавы с особыми физическими  свойствами

Стали и сплавы с особыми физическими свойствами — это сплавы которые делятся на основные группы:

• Магнитные стали и сплавы
• Магнитно-мягкие стали и сплавы
• Сплавы с высоким электрическим сопротивлением
• Сплавы с заданным коэффициентом теплового расширения
• Сплавы с заданными упругими свойствами

Магнитные стали и сплавы

Ферромагнетизмом (способностью в  значительной степени сгущать магнитные  силовые линии) обладают железо, кобальт  и никель. Эта способность характеризуется  магнитной проницаемостью. У ферромагнитных материалов относительная магнитная проницаемость достигает десятков и сотен тысяч единиц, для других материалов она близка к единице. Магнитные свойства материала характеризуются остаточной индукцией и коэрцитивной силой. Остаточной индукцией называют магнитную индукцию, остающуюся в образце после его намагничивания и снятия внешнего магнитного поля. Размерность остаточной индукции Тл (тесла). 1 Тл = 1 Н/(А·м). Коэрцитивной силой Н_с называют значение напряженности внешнего магнитного поля, необходимое для полного размагничивания ферромагнитного вещества. Размерность коэрцитивной силы А/м. Она определяет свойство ферромагнетика сохранять остаточную намагниченность. 
 
Магнитные стали и сплавы в зависимости от коэрцитивной силы и магнитной проницаемости делят на магнитно-твердые и магнитно-мягкие.

Магнитно-твердые сплавы

Магнитно-твердые стали и сплавы применяют для изготовления постоянных магнитов; имеют большую коэрцитивную силу. Это высокоуглеродистые и легированные стали, специальные сплавы. Углеродистые стали (У10 - У12) после закалки имеют достаточную коэрцитивную силу (Нс = 5175 А/м), но. так как они прокаливаются на небольшую глубину, их применяют для изготовления небольших магнитов. Хромистые стали по сравнению с углеродистыми прокаливаются значительно глубже, поэтому из них изготовляют более крупные магниты. Магнитные свойства этих сталей такие же, как и углеродистых. Хромокобальтовые стали (например, марки ЕХ5К5) имеют более высокую коэрцитивную силу — Н_с = 7166 А/м. Магнитные сплавы, например ЮНДК24 (9% Аl, 13,5% Ni, 3% Сu, 24% Со, остальное железо), имеют очень высокую коэрцитивную силу — Н_с = 39810 А/м, поэтому из них изготовляют магниты небольшого размера, но большой мощности. 
 
Дополнительно: 
 
ГОСТ 25639-83 "Магниты литые постоянные. Технические условия" 
ГОСТ 24936-81 "Магниты постоянные литые для электротехнических изделий. Общие технические условия" 

 Магнитно-мягкие стали и сплавы

Магнитно-мягкие стали и сплавы имеют малую коэрцитивную силу и  большую магнитную проницаемость. К ним относят электротехническое железо и сталь, железоникелевые сплавы (пермаллои). 
Электротехническое железо (марки Э, ЭА, ЭАА) содержит менее 0,04% С, имеет высокую магнитную проницаемость μ = (2,78…3,58) · 10⁹ ГГн/м и применяется для сердечников, полюсных наконечников электромагнитов и др. 
Электротехническая сталь содержит менее 0,05% С и кремний, сильно увеличивающий магнитную проницаемость. Электротехническую сталь по содержанию кремния делят на четыре группы: с 1% Si — марки Э11, Э12, Э13; с 2 % Si - Э21, Э22; с 3% Si — Э31, Э32; с 4% Si — Э41—Э48. Вторая цифра (1—8) характеризует уровень электротехнических свойств. 
Железоникелевые сплавы (пермаллои) содержат 45—80% Ni, их дополнительно легируют Сr, Si, Мо. Магнитная проницаемость этих сплавов очень высокая. Например, у пермаллоя марки 79НМ (79% №; 4% Мо) μ = 175,15 · 10⁹ ГГн/м. Применяют пермаллои в аппаратуре, работающей в слабых.электромагнитных полях (телефон, радио). 
Ферриты — магнитно-мягкие материалы, получаемые спеканием смеси порошков ферромагнитной окиси железа Fe₂О₃ и окислов двухвалентных металлов (ZnО, NiO, МgO и др.). В отличие от других магнитно-мягких материалов, у ферритов очень высокое удельное электросопротивление, что определяет их применение в устройствах, работающих в области высоких и сверхвысоких частот. 
 
Дополнительно: 
 
ГОСТ 4063-80 "Ферриты магнитотвердые. Марки и основные параметры" 
ГОСТ 23618-79 "Изделия из ферритов и магнитодиэлектриков. Термины и определения"  

Сплавы с высоким электрическим  сопротивлением

Сплавы  с высоким электрическим сопротивлением применяют для изготовления электронагревателей и элементов сопротивлений (резисторов) и реостатов. Сплавы для электронагревателей обладают высокой жаростойкостью, высоким электрическим сопротивлением, удовлетворительной пластичностью в холодном состоянии. 
Указанным требованиям отвечают железо-хромоалюминиевые сплавы, например марок Х13Ю4 (≤ 0,15 % С; 12 — 15% Сr; 3,5 — 5,5 % Аl), 0Х23Ю5 (≤ 0,05 % С; 21,5 — 23,5 % Сr; 4,6 — 5,3 % Аl), и никелевые сплавы, например марок Х15Н60 — ферронихром, содержащий 25% Fе, Х20Н80 — нихром. Стойкость нагревателей из железохромоалюминиевых сплавов выше, чем у нихромов. Сплавы выпускают в виде проволоки и ленты, применяют для бытовых приборов (сплавы Х13Ю4, Х15Н60, Х20Н80), а также для промышленных и лабораторных печей (0Х23Ю5). 
 
Дополнительно: 
 
ГОСТ 12766.3-90 "Сплавы калиброванные прецизионные с высоким электрическим сопротивлением. Технические условия" 
ГОСТ 12766.1-90 "Проволока из прецизионных сплавов с высоким электрическим сопротивлением. Технические условия"Сплавы с заданным коэффициентом теплового расширения

Сплавы с заданным коэффициентом  теплового расширения содержат большое  количество никеля Ni. 
Сплав 36Н, называемый инваром (≤ 0,05% С и 35 - 37% Ni), почти не расширяется при температурах от - 60 до + 100°С. Его применяют для изготовления деталей приборов, требующих постоянных размеров в интервале климатических изменений температур (детали: геодезических приборов и др.). 
Сплав 29НК, называемый коваром (≤ 0,03% С; 28,5 - 29,5% Ni; 17 - 18% Со), имеет низкий коэффициент теплового расширения в интервале температур от - 70° C до + 420° С. Его применяют для изготовления деталей, впаиваемых в стекло при создании вакуумно-плотных спаев. 
 
Дополнительно: 
 
ГОСТ 14082-78 "Прутки и листы из прецизионных сплавов с заданным температурным коэффициентом линейного расширения. Технические условия" 
ГОСТ 14081-78 "Проволока из прецизионных сплавов с заданным температурным коэффициентом линейного расширения. Технические условия" 

 Сплавы  с заданным коэффициентом теплового  расширения

Сплавы с заданным коэффициентом  теплового расширения содержат большое  количество никеля Ni. 
Сплав 36Н, называемый инваром (≤ 0,05% С и 35 - 37% Ni), почти не расширяется при температурах от - 60 до + 100°С. Его применяют для изготовления деталей приборов, требующих постоянных размеров в интервале климатических изменений температур (детали: геодезических приборов и др.). 
Сплав 29НК, называемый коваром (≤ 0,03% С; 28,5 - 29,5% Ni; 17 - 18% Со), имеет низкий коэффициент теплового расширения в интервале температур от - 70° C до + 420° С. Его применяют для изготовления деталей, впаиваемых в стекло при создании вакуумно-плотных спаев. 
 
Дополнительно: 
 
ГОСТ 14082-78 "Прутки и листы из прецизионных сплавов с заданным температурным коэффициентом линейного расширения. Технические условия" 
ГОСТ 14081-78 "Проволока из прецизионных сплавов с заданным температурным коэффициентом линейного расширения. Технические условия" 

 Сплавы с заданными  упругими свойствами

К таким сплавам относят сплав 40КХНМ (0,07 — 0,12 % С, 15—17 % Ni, 19—21 % Сr; 6,4 — 7,4 % Мо, 39 — 41 % Со). Это высокопрочный с высокими упругими свойствами, немагнитный, коррозионностойкий в агрессивных средах сплав. Применяют его для изготовления заводных пружин часовых механизмов, витых цилиндрических пружин, работающих при температурах до 400°С. 
 
Дополнительно: 
 
ГОСТ 13764-86 "пружины винтовые цилиндрические сжатия и растяжения из стали круглого сечения" 
ГОСТ 1452-2003 "пружины цилиндрические винтовые тележек и ударно-тяговых приборов подвижного состава железных дорог. Технические условия"

ПРЕДИСЛОВИЕ

Возможности ускорения научно-технического прогресса во многом зависят от рационального  использования, улучшения качества уже существующих материалов и создания принципиально новых материалов, отвечающих требованиям новых поколений высокоэффективной техники. Особое место среди современных металлических материалов занимают прецизионные сплавы, т. е. материалы с заранее заданными особыми физическими свойствами. Эти материалы находят широкое применение в отраслях промышленности, определяющих экономическое развитие страны в целом: в электро- и радиотехнической, аэрокосмической и ядерной, электронной и приборостроительной, в отраслях промышленности, создающих средства связи и автоматизированные системы, а также ЭВМ и микропроцессоры. Перечень таких отраслей промышленности можно было бы продолжить. Без преувеличения можно сказать, что в настоящее время нет почти ни одной отрасли промышленности, ни одного научного и технического направления, где бы не применялись в том или ином качестве прецизионные сплавы.

Промышленные предприятия нашей  страны выпускают более 200 марок  прецизионных сплавов, отличающихся по химическому составу, способам выплавки и методам оптимизации заданных физических свойств, уровню служебных характеристик, сочетанию основного («ведущего») физического свойства с другими свойствами — физическими, механическими, химическими.

Прецизионные сплавы по их физическим свойствам обычно делят на следующие  группы: магнитно-мягкие; магнитно-твердые; сплавы с заданным (в том числе с очень низким) коэффициентом термического расширения; сплавы с особыми упругими свойствами, проводниковые материалы и сплавы с высоким удельным электрическим сопротивлением; сверхпроводниковые материалы и сплавы с особым комплексом физико-механических свойств при низких температурах (криогенные сплавы); термочувствительные материалы и материалы с особыми акустическими и демпфирующими свойствами.

Кроме того, в связи с появлением металлических аморфных сплавов различают кристаллические и аморфные прецизионные материалы, т. е. различают прецизионные материалы по их атомному строению. Причем аморфные сплавы, в свою очередь, могут быть отнесены к тем или иным группам прецизионных сплавов: аморфные прецизионные сплавы — это и магнитно-мягкие материалы, у которых высокая проницаемость сочетается с повышенной прочностью и износостойкостью и у которых потери на перемагничивание в несколько раз ниже, чем в соответствующих кристаллических аналогах; это и резистивные материалы с высоким удельным электросопротивлением; это и пластичные сверхпроводники; это и материалы с низким коэффициентом термического расширения (инвары) и с особыми упругими и акустическими свойствами (элинвары, материалы с высоким коэффициентом магнитомеханической связи. Аморфные и мелкокристаллические прецизионные сплавы получают путем применения одноопе-рационной технологии — разливки расплава на быстровра-щающуюся цилиндрическую поверхность (метод закалки из расплава).

На кафедре металлографии Московского института стали и сплавов уже около 40 лет ведется выпуск специалистов по прецизионным материалам. Инициатором создания такого курса был проф. Лившиц Б. Г. Заложенные при создании курса методологические принципы подготовки специалистов, способных решать вопросы, связанные с производством, совершенствованием существующих и конструированием новых материалов с особыми физико-механическими свойствами на основе глубокого знания физики металлов, теории фазового равновесия, структуре-образования и термической обработки, во многом себя оправдали, о чем, в первую очередь, свидетельствует успешная деятельность большого числа выпускников кафедры на промышленных предприятиях, в отраслевых и академических научно-исследовательских организациях.