26.01.2022 Автор: VT-METALL
Из этого материала вы узнаете
:
- Понятие прецизионных сплавов
- Краткая характеристика железа и никеля
- История открытия сплава железа и никеля
- Процесс изготовления сплава
- Структура полученного сплава
- Физические и химические свойства сплава
- Сферы применения инвара
Инвар (сплав железа с никелем)
просто необходим для создания высокоточных механических систем, одним из требований к которым является сохранение стабильных размеров при изменении температуры. Ни один из природных материалов такими свойствами не обладает.
Именно поэтому прецизионный сплав инвар сегодня настолько востребован предприятиями. Он применяется в самых разных сферах человеческой деятельности, например, в приборостроении, бытовой электронике. И адекватную замену ему пока не нашли.
Фехраль и нихром: сопоставление сплавов
Сплавы фехраль и нихром достаточно похожи, но по мнению многих мастеров, предпочтению следует отдать нихрому. Фехраль и нихром относятся к группе прецизионных сплавов, то есть обладают точно определенными показателями. Хоть и один, и другой из вышеуказанных сплавов имеет значительную ценность для промышленности в силу свойственных ему качеств, имеются отличия, влияющие на «выполнение» поставленных перед ними задач.
Так, к примеру, фехраль считается хрупче, чем нихром, поскольку в его составе отсутствует никель (Ni), который имеет свойство повышать прочность и живучесть сплава в часах.
Состав и структура
Структура сплава алюминия с железом представляет собой пересыщенный раствор Al в α-Fe с упорядочением структуры FeAl (тип В2), наличием включений Fe3AlCx. Свойства определяются упорядочением альфа-фазы и пересыщением. Чтобы сформировать однородный состав, необходим отжиг при температуре выше упорядочения состава с последующим регулируемым охлаждением.
При количестве Al 8–14% формируется столбчатая матричная структура. В процессе отжига структура немного упорядочивается: включения длиной до 150 мкм находятся вдоль границы зёрен. Выделение включений происходит при охлаждении из твёрдой фазы.
Метастабильное состояние фазы определяется количеством включений. Отжиг позволяет их сократить до 2%. Чем больше в составе алюминия, тем больше создаётся негомогенных областей, в результате чего понижается микротвёрдость матрицы до 0,4 ГПа и износостойкость образца.
С увеличением скорости отжига при водяном или воздушном охлаждении количество карбидных включений снижается.
14-20% сплав алюминия с железом имеет также матричную структуру, но карбидная фаза обеднена по Al и структура FeAl не упорядочена. При отжиге на воздухе количество карбидных включений возрастает, за счёт чего повышаются свойства износостойкости и прочности. Если проводить охлаждение в воде, то такого эффекта не наблюдается и образец получается хрупким.
При повышенном содержания в сплаве Al от 20 до 30% карбидной фазы становится меньше, при охлаждении образцов данная фаза отсутствует в структуре или не более 3%. За счёт большого количества алюминия образец приобретает высокую прочность и пластичность. Воздушное охлаждение после отжига стимулирует образование твёрдых износостойких фаз.
Увеличение содержания алюминия в расплаве становится причиной формирования интерметаллида Fe4Al13, который не устраняется после отжига, а образец становится непригодным для какого-либо практического применения.
Для улучшения свойств расплава в состав вводятся следующие легирующие элементы:
- 0,1–10% Cr;
- 0,1–0,2% Nb;
- 0,1–2,0% Si;
- 0,1–5% B;
- от 50 до 200 мг/кг Zr.
Содержание углерода — от 100 до 500 мг/кг.
Температура плавления
Фехраль – сплав железа, хрома и алюминия
Фехраль – прецизионный сплав на основе железа (Fe). В его составе также присутствует хром (Cr) и алюминий (Al). Кроме того, в незначительной процентной доле присутствуют и некоторые другие элементы.
Данный сплав может иметь несколько видоизмененных составов и, соответственно, марок. Самыми распространенными являются фехраль Х23Ю5Т, Х27Ю5Т, а также Х15Ю5.
Как было сказано ранее, самым весомым компонентом является железо (Fe). Оно составляет около 70 % в Х23Ю5Т и 66 % в Х27Ю5Т.
Цена фехраля ниже, чем нихрома, именно за счет высокого содержания железа. Элемент (Fe) ухудшает некоторые характеристики сплава.
Следующим компонентом является хром (Cr). Его содержание 23-25 % и 27-28 % соответственно.
Алюминий (Al) в Х23Ю5Т и Х27Ю5Т содержится практически в равных количествах – от 5 % до 6 %.
Марка фехраля Х15Ю5 отличается повышенным содержанием железа (Fe), близко 80 % и уменьшеным содержанием хрома (Cr) – от 13 % до 15 %.
Благодаря этому сплав обретает прочность, но не настолько большую, как у нихрома. Процентная доля алюминия сильно не отличается от других марок, он составляет не более 6%, не менее 4 %.
Во всех марках фехраля также содержится никель (Ni), титан (Ti), кремний (Si), марганец (Mn) и углерод (C). Их доля составляет до 1 %. А также в совсем малых количествах содержится кальций (Ca), церий (Ce), фосфор (P) и сера (S).
Процесс изготовления сплава
По своим внешним характеристикам и на ощупь инвар похож на сталь. И это вполне логично, ведь речь идет о сплаве черных металлов, где железо играет роль главной составляющей. В инваре содержится в пределах 0,01–0,1% углерода, но обычно это показатель находится у нижней границы, так как речь идет об очень чистом металле.
Для производства данного сплава железа и никеля применяют гальванический метод. Сопоставление свойств интересующих нас металлов показало, что создать инвар не так сложно. Но проблема оказалась в том, что в результате реакции железо переходит из двухвалентного в трехвалентное состояние. Этот побочный эффект и вызвал основные трудности при изготовлении столь важного сплава, приводя к сниженному выходу материала и понижению его физических характеристик.
Сократить негативный эффект удалось за счет комплекса добавок, содержащего органические вещества, кислоты, амины. Таким образом получили соединения низкой растворимости с трехвалентным железом, улучшив качества материала.
Избавиться от осадка позволяет метод эффективной диффузии электролитического раствора. Последний содержит в себе сернокислое железо, борную кислоту, сахарин, сернокислый никель и сульфат натрия.
При использовании пластин никеля и железа важно учитывать размер пластины. В некоторых случаях соединения получают при помощи электрических печей.
Плюсы и минусы фехраля
Представленный сплав, основными компонентами которого являются железо, хром и алюминий, имеет свои достоинства и недостатки.
Достоинства:
- низкая электропроводимость;
- дешевле, чем нихром;
- имеет высокую рабочую температуру (до 1400 °С);
- хорошая жаростойкость.
Недостатки:
- слишком хрупкий и недолговечный;
- сильно магнититься (вызвано большим содержанием железа);
- подвержен окислению;
- навивка возможно только в нагретом состоянии.
Введение.
Вопрос коррозии алюминия с никель-фосфорным химическим покрытием имеет огромное значение в технике. Сам по себе алюминий покрывается трудно и всегда существует риск отслоения покрытия даже со временем. Коррозия под покрытием способна в разы ускорить этот процесс. Механизм коррозии покрытого алюминия сложный и многогранный, чтобы разобраться в нем необходимо использовать электрохимические исследования, электронную микроскопию и рентгено-фазовый анализ. Электрохимические испытания проводились в моделируемых катодных и анодных условиях, имитирующих системы топливных элементов PEMFC (polymer electrolyte membrane fuel cells).
Нихром – сила никеля
Нихром также входит в группу прецизионных сплавов. В основном состоит из никеля (Ni), а также из хрома (Cr).
Примерная процентная доля каждого элемента в данном сплаве: никеля (Ni) 55-80 %, хрома (Cr) 15-23 %, марганца (Мn) не более 2 %. Также совсем малую процентную часть занимают кремний (Si), титан (Ti), алюминий (Al) и углерод (C), еще меньшее количество содержится фосфора (P) и серы (S).
Нихром тоже имеет несколько марок, в зависимости от изменений состава. Так, широко используются такие нихромовые марки как Х20Н80 или Х15Н60.
Под «Х» подразумевается хром, цифры сразу после этой буквы – процентная доля хрома, соответственно. Так точно «Н» – это процентное содержание никеля. А также есть марки с добавками циркония (Zr) – нихром Х20Н60-Н и Х15Н60-Н.
Кстати, в названии марки зачастую может скрываться способ создания сплава. К примеру, в названиях Нихром Х20Н80-ВИ и нихром Х15Н60-ВИ подразумевается, что ВИ – это вакуумно-индукционное изготовление сплава.
Применение никеля в чистом виде
Для защиты металлов от коррозии
Для этого используются покрытия, которые наносятся гальванопластикой или плакированием. Первый способ применяют для алюминия, чугуна, магния и цинка, второй — для нелегированных сталей и железа.
Для производства металлических изделий, которые имеют постоянные формы и высокую коррозионную устойчивость
Никель в чистом виде стоит дороже, чем железо и сталь, поэтому используется в тех случаях, когда невозможно обойтись другим металлом с никелевым покрытием. Из никеля производят тигли и котлы, цистерны для перевозки и плавления щелочей, хранения реагентов, пищевых продуктов и др. В никелевых трубах изготавливают конденсаты. Инструменты их этого металла устойчивы при взаимодействии с агрессивными элементами, поэтому они практически незаменимы в химических лабораториях и медицинских центрах. Различные приборы из никеля применяются для телевидения, радиолокации и атомной техники.
В качестве катализаторов и фильтров в химической промышленности
Никель обладает такими же каталитическими свойствами, что и палладий, но стоит значительно меньше, поэтому широко используется в виде порошка в реакциях гидрирования спиртов, непредельных и ароматических углеводородов, циклических альдегидов.
Порошок чистого никеля также подходит для создания пористых фильтров, которые используются для фильтрования различных продуктов: топлива, газов и др.
Для механических прерывателей нейтронного пучка.
Свойства никеля позволяют получать нейтронные импульсы с большой энергией, в результате чего пластины из этого металла применяются в ядерной физике.
Также никель используют при изготовлении электродов в щелочных аккумуляторах.
Фехраль и нихром: физические свойства
Представленные сплавы имеют специфические физические качества. Плотность фехраля составляет 7,2 г/см3, нихрома — 8,4 г/см3.
Удельное сопротивление равно 1,2-1,3 мкОм·м и 1,0-1,1 мкОм·м соответственно.
Фехраль ферромагнитен, а нихром немагнитен.
Удельная теплоемкость фехраля 0,48 °С, а нихрома 0,44 — 0,46 °С. Твердость составляет 200-250 единиц и 140-150 единиц соответственно.
Предельная температура плавления фехраля – 1500 °С, нихрома – 1400 °С.
Основные характеристики алюминиевых сплавов
Алюминий — известнейший элемент, обладающий малой плотностью (2,7 г/см³) и низкой температурой плавления (около 660 °С). Такое свойство, как высокая пластичность, существенно облегчает прокатку, ковку, волочение и другую обработку этого металла. Кроме того, он характеризуется хорошей электро- и теплопроводностью.
Литейные алюминиевые сплавы отливаются в индукционных печах по специальным технологиям. В качестве исходного материала может выступать не только первичное, но и вторичное сырьё, например, стружка. В последнем случае лом проходит тщательную предварительную подготовку с целью очищения его от грязи, масла и других инородных включений.
Литейные и деформируемые алюминиевые сплавы имеют следующие свойства:
- коррозионную стойкость;
- малую линейную усадку;
- способность к максимальному заполнению ёмкости формы;
- высокую устойчивость к появлению трещин, раковин, газовых пористых пустот и прочих дефектов;
- хорошую жидкотекучесть, позволяющую создавать сложные по конфигурации заготовки.
Для промышленных нужд алюминиевые сплавы поставляются в чушках и отливках. Конкретные свойства материала зависят от вида используемых добавок и их процентного содержания в основной массе.
Стойкость к окислению
Благодаря никелевому составу нихром практически не подвергается окислению. В промежуток нагрева на поверхности нихромовой части образуется тонкая, но защитная пленка (из оксида хрома), что довольно-таки сильно увеличивает стойкость сплава в более жестких условиях.
В свою очередь, фехраль будет подвержен окислению гораздо сильнее, поскольку главным компонентом сплава является железо. На поверхности фехралевого сплава при окислении образуется более массивная оксидная пленка высокой плотности. Эта пленка появляется гораздо быстрее на фехрале, чем на нихроме.
Твердость и пластичность в обычных условиях
Более высокая пластичность свойственна нихрому. Данный показатель у сплава в процентах примерно равняется 20, но это может зависеть еще и от маркировки.
Фехраль имеет пластичность, которая примерно равна 16 %, но это у марки Х15Ю5. А вот сплав с маркировкой Х23Ю5Т имеет еще меньшую пластичность – 10 %.
Но фехраль более прочен, поскольку в его составе большое количество хрома. Это не позволяет ему быть таким же пластичным, как и нихром.
Фехраль более ломок, так как содержит большой процент хрома.
Навивка фехраля доступна только при высокой температуре (от 300 °С), а нихром можно навить в спираль и при обычной комнатной температуре.
Немного истории
Инвар – это сплав железа с никелем, в состав которого входит 36 % легирующей добавки. Впервые он был открыт во Франции в 1896 году физиком Шарлем Гийомом. В это время он вел работы по поиску недорогого металла для эталонов мер массы и длины, которые изготовляли из очень дорогостоящего платиноиридиевого сплава. Благодаря этому открытию ученый в 1920 году получил Нобелевскую премию в области физики.
Слово «инвар» в переводе с латинского означает неизменный. Это значит, что у сплава железа с никелем коэффициент теплового расширения остается постоянным при широком диапазоне изменения температур — от -80 до 100 градусов по Цельсию. Этот сплав имеет и несколько других названий: нилвар, вакодил, нило-аллой, радиометалл. Invar является торговой маркой компании Imphy Alloys Inc., которая принадлежит сталелитейному концерну Arcelor Mittal.
Сфера применения фехраля и нихрома
Нихром считается очень даже прочным сплавом. Это сыграло большую роль для изготовления разного диаметра спиралей и проволок. А также из нихрома изготавливают прутки, нихромовые нити, ленты, листы, полосы.
Благодаря высокой жаростойкости, допустимо использовать нихромовые сплавы в производстве нагревательных приборов.
Нихром сохраняет свои ключевые физические свойства даже при сильных колебаниях температуры, что дает возможность применять сплав достаточно широко.
Из нихрома и фехраля изготовляют трубчатые элементы нагревания. Работать с этими сплавами можно при предельной температуре 1400 °С и 1500 °С соответственно. Поэтому эти сплавы можно применять при производстве элементов реостатов и проволочных резисторов.
Фехраль и нихром применяют в похожих сферах, несмотря на их разный состав и отличительные характеристики.
О свойствах железа
Чистое железо — серебристо-серого цвета, обладает пластичностью и ковкостью. Самородные слитки, встречающиеся в природе, имеют ярко выраженный металлический блеск и значительную твердость. На высоте и электропроводность материала, он с помощью свободных электронов легко передает ток. Металл обладает средней тугоплавкостью, размягчается при температуре +1539 градусов по Цельсию и теряет ферромагнитные свойства. Это химически активный элемент. При нормальной температуре легко вступает в реакцию, а при нагревании эти свойства усиливаются. На воздухе покрывается пленкой оксида, которая мешает продолжению реакции. При попадании во влажную среду появляется ржавчина, которая уже не препятствует коррозии. Но, несмотря на это, железо и его сплавы находят широкое применение.
