Глава 16. МАТЕРИАЛЫ С ОСОБЫМИ ТЕПЛОВЫМИ СВОЙСТВАМИ

16.1. Сплавы с заданным температурным коэффициентом линейного расширении

К этой группе материалов относят сплавы системы При больших содержаниях никеля в сплавах образуется непрерывный ряд твердых растворов с ГЦК решеткой (см. рис. 15.9). Согласно правилу Курнакова температурный коэффициент линейного расширения твердых растворов в функции состава изменяется по непрерывной криволинейной зависимости. В сплавах эта зависимость более сложная (рис. 16.1), что дает возможность создавать сплавы с малым температурным коэффициентом линейного расширения - инварные сплавы.

Заниженное значение температурного коэффициента линейного расширения в инварных сплавах имеет ферромагнитную природу и объясняется большой магнитострикцией парапроцесса.

Во всех ферромагнитных материалах, кроме сплавов инварного типа, намагниченность в области парапроиесса с ростом поля практически не меняется (рис. 16.2) (штриховая линия).

В сплавах инварного типа намагниченность в этой области увеличивается (сплошная линия) в результате дополнительной ориентации спиновых моментов электронов, несколько разориентированных тепловым движением, и вызывает большие магнитострикционные явления.

Магнитострикция - изменение размеров ферромагнетика при его намагничивании (см. гл. 15). В области технического намагничивания магнитострикция носит линейный характер, в области парапроцесса объемный.

Такие же явления возникают под влиянием внутреннего магнитного поля ферромагнетика (рис. 16.3): в отсутствие внешнего поля форма и размер домена искажены магнитострикцией. Истинные размеры выявляются лишь при нагреве до температур выше температуры точки Кюри когда устраняются все магнитострикционные деформации в связи с переходом в парамагнитное состояние. Истинные размеры домена условно показаны на рис. 16.3 в виде наименьшего квадрата. При охлаждении до температур ниже точки Кюри линейная магнитострикция искажает форму домена, вытягивая его в направлении вектора самопроизвольной намагниченности (превращая квадрат в прямоугольник). Объемная магнитострикция увеличивает размеры домена (прямоугольника).

В кристаллах ферромагнетика, исключая сплавы инварного типа, магнитострикция, возникшая из-за внутреннего поля, не обнаруживается, так как объемная магнитострикция в них мала, а линейная - компенсируется деформацией доменов в различных направлениях. В сплавах же инварного типа размеры ферромагнетика оказываются

Рис. 16.1. Зависимость температурного коэффициента линейного расширения от содержания никеля в железоникелевых сплавах: 1 — а-фаза; 2 — у-фаза

Рис. 16.2. Основная кривая намагничивания

увеличенными, так как в них велика объемная магнитострикция.

Температурный коэффициент линейного расширения для ферромагнетиков в общем виде определяется формулой

где - нормальный коэффициент линейного расширения, определяемый энергией связи атомов; Д - ферромагнитная часть коэффициента линейного расширения, основной составляющей которой является объемная магнитострикция парапроцесса.

Изменение размеров детали из инварного сплава при нагреве, описываемое формулой показано в виде схемы (рис. 16.4). Нормальная составляющая размера определяемая энергией связи атомов, растет вследствие уменьшения энергии при нагреве. Этот рост компенсируется уменьшением магиитострикции, так как при нагреве уменьшается намагниченность ферромагнетика из-за тепловых колебаний атомов.

В результате размер А при нагреве до температуры точки Кюри увеличивается незначительно, а для некоторых инварных сплавов даже уменьшается, т. е. коэффициент линейного расширения имеет отрицательное значение.

Рис. 16.3. Схема изменения формы и размера домена ферромагнетика под влиянием внутреннего магнитного поля

Рис. 16.4. Схема изменения размера кристалла инварного сплава при нагреве

Так, сплав, содержащий , в интервале температур от 20 до 70 °С имеет Этот сплав из-за высокого содержания хрома имеет хорошие антикоррозионные свойства.

При нагреве выше температуры точки Кюри ферромагнитная часть коэффициента теплового расширения исчезает вследствие перехода сплава в парамагнитное состояние, и коэффициент резко возрастает. Все сказанное объясняет аномально заниженные значения коэффициента а у инварных сплавов.

В инварных железоникелевых сплавах, содержащих обнаружена ферромагнитная аномалия коэффициента а. Минимальное значение коэффициента в интервале температур 0-100 °С имеет сплав с При более высоких температурах этот минимум наблюдается в сплавах с большим содержанием никеля.

Сплав называемый инваром (неизменный), - основной представитель сплавов с минимальным коэффициентом а. Низкое значение коэффициента а в области температур а также хорошие механические, технологические и антикоррозионные свойства позволили использовать инвар как конструкционный материал для деталей приборов, от которых требуется постоянство размеров при изменении температуры в условиях эксплуатации.

ТАБЛИЦА 16.1. Свойства сплавов инварного типа (ГОСТ 10994 — 74)

Значения коэффициента а в значительной степени зависят от содержания примесей (особенно углерода) и технологии термической обработки сплава.

Углерод в процессе термической обработки образует с железом и никелем пересыщенные твердые растворы внедрения. В процессе эксплуатации, выделяясь, углерод вызывает «ползучесть» значения коэффициента а. Это связано с изменением параметра кристаллической решетки и магнитострикции парапроцесса, поэтому содержание углерода в сплаве должно быть минимальным (не более 0,05%). Минимальное значение коэффициента а у инвара достигается после закалки от в процессе которой все примеси переходят в твердый раствор. Отпуск при в течение 1 ч приводит к выделению мелкодисперсных избыточных фаз; последующее старение при в течение снимает все остаточные внутренние напряжения, возникающие в процессе технологической обработки деталей, и стабилизирует значение коэффициента а.

Свойства инвара дополнительно улучшают легированием кобальтом, который частично заменяет никель, и медью. Сплав такого типа, называемый суперинвар, имеет еще более низкое значение коэффициента а (табл. 16.1).

Особую группу составляют сплавы для пайки и сварки со стеклом. Составы этих сплавов подобраны таким образом, чтобы коэффициент а сплава соответствовал коэффициенту а материала, с которым производится соединение, во всем интервале температур, вплоть до размягчения стекла. Это обеспечивает сохранение спая при нагреве и охлаждении (в процессе изготовления и в условиях эксплуатации) и получение герметичного соединения.

Помимо этого основного требования к сплаву выдвигается требование в отношении пластичности и хорошей обрабатываемости давлением.

Основной представитель этой группы - сплав (его называют ковар), который имеет такой же коэффициент а, как термостойкое стекло, вольфрам и молибден. В этом сплаве часть никеля заменена кобальтом, что повышает температуру точки Кюри и расширяет область его применения до температуры При тех же температурах начинается размягчение термостойкого стекла.

Сплав пластичен и хорошо обрабатывается давлением, поэтому он заменил менее пластичные и нежаростойкие вольфрам и молибден в электровакуумном производстве.

Сплав относится к группе сплавов, имеющих такой же коэффициент а, как платина и нетермостойкие «мягкие» стекла.

Этот сплав называют платинитом и используют для сварки и пайки с такими стеклами в электровакуумной промышленности. Вследствие высокого содержания никеля сплав имеет высокую температуру точки Кюри.

Для пайки с керамикой используется сплав являющийся аналогом ковара, но с повышенным содержанием никеля. Для такой пайки не требуется очень точного совпадения коэффициентов а,

Рис. 16.5. Упругая часть диаграммы деформации ферромагнетика

что упрощает технологию изготовления сплава.

В качестве терморегулятора в приборостроении используют биметаллические пластинки, сваренные из двух материалов с различным значением коэффициента а. Для этих целей обычно используют инвар имеющий минимальное значение коэффициента а, и сплав с 25% Ni, у которого коэффициент а очень большой При нагреве пластинка биметалла сильно искривляется и замыкает (либо размыкает) электрическую цепь.