никелевые сплавы

Железоникелевые сплавы

Чистый никель, хотя и имеет достаточную механическую прочность, в технике используется редко, из-за своей дефицитности сложностей при пластической и механической обработке. Гораздо большее практическое применение находят сплавы никеля с железом.

Классификация железоникелевых сплавов

Может быть выполнена по следующим показателям:

  1. По жаропрочности. Преобладающее количество рассматриваемых сплавов обладает повышенной механической прочностью и стойкостью при высоких температурах и внешних нагрузках.
  2. По магнитным характеристикам. Некоторые сплавы никеля с железом обладают увеличенными, против обычного, значениями своей магнитной проницаемости.
  3. По способности сохранять постоянными свои габаритные характеристики и упругость, в результате чего коэффициент расширения сплавов имеет стабильные значения.
  4. По антикоррозионной стойкости, что используется в деталях, длительно работающих в агрессивных средах.

никелевые сплавыКроме того, отдельно следует упомянуть, что никелем легируются некоторые марки чугунов, что повышает стойкость деталей, изготовленных из такого материала (так, валки крупных прокатных станов выполняются именно из чугуна, содержащего до 3…4% никеля).

В дальнейшем, при сравнительном анализе эксплуатационных характеристик сплавов железа и никеля, в расчёт будут приниматься только такие сплавы, в которых процент никеля не будет менее 15…20.

Значительное количество марок отечественных железоникелевых сплавов производится по отраслевым ТУ. Однако в ГОСТ 5732  наряду с жаропрочными и жаростойкими сталями в отдельную группу выведены также и сплавы железа с никелем.  При этом суммарное процентное содержание этих элементов должно быть не менее 65%, а соотношение никеля к железу установлено в рамках 2:3.

Особенности состава

жаропрочного сплава ХН77ТЮР

Зависимость характеристик механических свойств железоникелевого сплава ХН77ТЮР от температуры

В результате выплавки структура сплавов представляет собой твёрдый раствор y-железа в никелевой основе. В результате такого растворения температура стабильности микроструктуры повышается на 150…2000С. При этом до 5000С диффузия никеля в железо происходит весьма медленно, и активизируется лишь при достижении температур 700…8000С.

Основной структурной составляющей является интерметаллидное соединение FeNi3, в котором содержание никеля, в зависимости от температуры, составляет 55…75%. Это предопределяет температурный диапазон, в котором производится термическая обработка таких сплавов. Наибольшее процентное содержание никеля в стабильно существующих сплавах не превышает 60…65%. Эффект введения никеля в основную структуру сплава обусловлен тем, что железо резко увеличивает термическую прочность.

Однако наличие одного железа не особо способствует повышению эксплуатационных характеристик железоникелевых сплавов, особенно тех, для которых требуется длительная стойкость при повышенных температурах. Поэтому в состав структуры железоникелевых сплавов вводят также хром, вольфрам, молибден, марганец и  — в незначительных количествах — кремний.

Таким образом, основными способами получения требуемой структуры железоникелевых сплавов считается механизм дисперсионного твердения, с последующей термической обработкой. Она производится для того, чтобы несколько повысить размеры зёрен в структуре, и снять внутренние напряжения, неизбежные при замещении в кристаллической решётке некоторых атомов железа атомами никеля.

Дело в том, что никель коррозионно стоек лишь в водяных парах  или в атмосфере чистого кислорода (до 9000С), а при введении туда дополнительно серы или водорода стойкость падает соответственно до 5500С и до 2800С.

Свойства и характеристики жаропрочных сплавов

Рассмотрим их на примере наиболее распространённых марок.

Сплав ЭП747 (или ХН45Ю) применяется в металлургии для изготовления роликов рольгангов, по которым перемещаются слитки. Кроме железа и никеля (содержание никеля 44…46%), содержит также хром и алюминий. Сплав выплавляется в электропечах, после чего проходит горячую пластическую деформацию, температурный интервал которой находится в диапазоне 1280…8500С (первая температура – начало деформирования, вторая – окончание).  Сплав хорошо поддаётся термической обработке и электродуговой сварке. Сортамент – листы толщиной до 2 мм и прутки.

Физико-механические показатели сплава ХН45Ю составляют:

  • Механическая прочность – от 600 МПа при комнатных температурах, до 150 МПа при температуре 8000С;
  • Жаростойкость на спокойном воздухе – до 1300…13500С;
  • Интенсивность окисления, г/м2∙ч — не более 170;
  • Коэффициент теплопроводности при температурах эксплуатации, Вт/м2 ∙К – 17,5…24,5;
  • Модуль Юнга при температурах эксплуатации, ГПа – 12,5…17,5.

Сплав ЭИ602 (или ХН75МБТЮ) используется для внутренней облицовки камер сгорания металлургических и термических печей при температурах, не превышающих 900…9500С. Кроме железа и никеля, содержит также хром, титан, молибден, алюминий и ниобий. Ввиду более сложного состава, который включает в себя весьма разнородные химические элементы, после выплавки в электропечах подвергается горячей деформации в гораздо более узком диапазоне температур: 1180…12800С. В отличие от предыдущего сплава, ХН75МБТЮ более пластичен, в частности, допускает глубокую вытяжку. Поэтому из него можно изготавливать полые детали машин, которые будут далее эксплуатироваться при высоких температурах. Хорошо сваривается всеми видами электросварки.

Интенсивное образование окалины на поверхности данного сплава начинается лишь при температурах от 1250…12800С.  Сплав поставляется только в виде листов  — горячей, либо холодной прокатки.


Физико-механические показатели сплава ХН75МБТЮ составляют:

  • Механическая прочность – от 860 МПа при комнатных температурах, до 177 МПа при температуре 9000С;
  • Длительная прочность и термическая выносливость, МПа, не менее — 190;
  • Коэффициент теплопроводности при температурах эксплуатации, Вт/м2 ∙К – 20,2…19,3;
  • Модуль Юнга при температурах эксплуатации, ГПа – 19,0…10,2.

лопатки турбин из никелевого сплаваСплав ЭИ868 (или ХН60ВТ) отличается еще более высокой жаростойкостью и стойкостью от воздействия агрессивных сред. Поэтому он используется для изготовления лопаток газовых турбин, работающих при температурах 950…10000С. В химическом составе сплава в больших количествах имеют вольфрам и хром, присутствует  также титан. Сортамент сплава – листы, пруток и проволока. Сплав обладает характеристиками обрабатываемости и свариваемости, схожими со сплавом ХН75МБТЮ, однако выделяется более высокими показателями жаростойкости, самыми высокими из жаропрочных железоникелевых сплавов: интенсивность окисления при температурах эксплуатации 10000С не превышает  0,6…0,8 г/м2∙ч.  Структура и прочность сплава не изменяются даже после 30…35 циклов нагрева и охлаждения.

Остальные физико-механические показатели сплава ЭИ868  составляют:

  • Механическая прочность – от 800 МПа при комнатных температурах, до 43 МПа при температуре 10000С;
  • Длительная прочность и термическая выносливость, МПа, не менее — 210;
  • Коэффициент теплопроводности при температурах эксплуатации, Вт/м2 ∙К – 28…24;
  • Модуль Юнга при температурах эксплуатации, ГПа – 19,0…2,0.

Другие железоникелевые сплавы с особыми свойствами

Во многих отраслях техники требуются сплавы, с постоянными показателями упругости. Такие материалы применяются в часовой промышленности, для производства высокоточных пружин измерительной техники, струн музыкальных инструментов, камертонов и т.п.

никелевый сплав алюмель

Никелевый сплав алюмель, используют для изготовления термопар

Наибольшее практическое применение находит сплав элинвар, в котором присутствует  59% железа, 36% никеля, а остальное составляют хром, молибден и вольфрам. Повышенная упругость элинвара имеет магнитную причину – силы межатомной связи в кристаллической решётке материала при подходе к точке Кюри резко ослабляются, благодаря чему доменная структура сплава при деформировании обратимо изменяется. При этом константы упругости элинвара практически не зависят от температуры.

Широкую группу железоникелевых сплавов образуют пермаллои – сплавы, для которых характерна высокая магнитная проницаемость в слабых полях. По сочетанию  своих электрических и магнитных характеристик пермаллои могут быть высоко- и низконикелевыми. Первые отличаются значительно более низким удельным электросопротивлением.

Пермаллои дополнительно легируются молибденом, хромом, кремнием. Плавку их ведут в вакуумной или нейтральной среде. Высокая магнитная проницаемость обеспечивается последующей термообработкой, которая включает в себя высокотемпературный отжиг.

Пермаллои довольно чувствительны к резким механическим нагрузкам. Для достижения стабильных механических показателей перед термообработкой изделия тщательно обезжириваются.

Чаще других применяются следующие марки пермаллоев:

  • 79НМ – для деталей, требующих высокой намагниченности;
  • 50ХНС – для оптимального сочетания показателей электропроводности и магнитной проницаемости;
  • 50Н – для максимальных значений магнитной индукции;
  • 50НП – для обеспечения необходимой анизотропии магнитных показателей.

Проволоку из железоникелевых сплавов применяют в технологических процессах наплавки и поверхностного напыления. При этом обеспечиваются повышенные эксплуатационные показатели для основного материала детали. Наибольшее распространение получила проволока марки СВ-10Х16Н25АМ6.

Из других марок железоникелевых сплавов стоит отметить инвар. Этот материал отличается чрезвычайно высокой стабильностью своих размеров, а потому используется при изготовлении  высокоточных инструментов, эталонов длины, объёма и иных физических характеристик.