Никелевые и кобальтовые жаропрочные сплавы

Эти материалы применяются в основном для изготовления лопаток турбин реактивных двигателей, которые работают при t=700 – 900°С. Гомогенные никелевые сплавы (нихромы, инконели) служат жаростойкими материалами, а стареющие сплавы (нимоники) имеют высокую жаропрочность.

Нимоники основного состава представляют собой четверной сплав Ni-Cr-Ti-Al (Cr»20%; Ti»2%; Al»1%; Ni-остальное). Нимоники применяют в термически обработанном состоянии.

Тугоплавкие металлы и сплавы

Основными материалами, которые могут работать при температурах выше 1000⁰C, являются тугоплавкие металлы и сплавы на их основе.

Температуры плавления основных тугоплавких металлов приведены ниже:

Металл	Cr	Nb	Mo	Ta	W
tплавления, ºC

Высокая жаропрочность указанных металлов обусловлена большой величиной энергии межатомных связей (в кристаллической решетке) и высокими температурами рекристаллизации.

Наибольшее применение из тугоплавких металлов находят Mo и Nb, обладающие удовлетворительными технологическими свойствами и имеющие достаточно низкую температуру хрупкости (в интервале от +100°C до –100 °C).

Дополнительное повышение жаропрочности Mo (от 1100 до 1400°C) достигается созданием сплавов Mo с 0,5% Ti; 0,03% С; 0,05% Zr.

Ниобий имеет относительно невысокие показатели жаропрочности при t=1100 – 1200 °С, которые существенно повышаются путем создания сплавов с W, Zr, Ta.

Для изготовления деталей, работающих при t > 1600°C (и даже до 2200°C), пригоден вольфрам. Повышение жаропрочности W достигается спеканием его с 1 – 2% ThО₂ или 4% TaC. Основной недостаток W – очень плохие технологические свойства (плохая штампуемость, большая хрупкость). Присадка Re положительно влияет на технологические и механические свойства W.

Большим недостатком тугоплавких металлов является их малая жаростойкость (во много раз меньше, чем, например, у стали 10Х18В9Т).

Жаростойкость (жароупорность, окалиностойкость) – способность металлических материалов противостоять химическому разрушению (газовой коррозии) их поверхности под действием воздуха или другой окислительной газовой среды при высоких температурах.

Ввиду этого обязательным условием при использовании тугоплавких металлов является их защита от окисления различными методами (блокированием Mo нимоником; нанесением покрытия типа Si-Al-Cr путем распыления и др.).

3.1.2. Применение металлов и сплавов в качестве
электротехнических и радиотехнических материалов

Электротехника нуждается, с одной стороны, в материалах с большой электрической проводимостью (малым электрическим сопротивлением), а с другой – в материалах с большим электрическим сопротивлением.

3.1.2.1. Краткая характеристика металлов с большой
электрической проводимостью

Свойства трех металлов с высокой электрической проводимостью (низким электрическим сопротивлением) и одновременно – с большой теплопроводностью приведены в табл. 4.

Таблица 4

Свойства Ag, Cu и Al

Показатели свойств	Металлы
Ag	Cu	Al
Удельное объемное электрическое сопротивление, Ом·мм2 /м Коэффициент теплопроводности, Вт/(м·град) Плотность, кг/м3	0,0161   408,5	0,0175   348,0	0,0265   203,5

Серебро (Ag) – металл с наивысшими электро- и теплопроводностью – имеет большую плотность и, главное, высокую стоимость, поэтому как материал с высокой электрической проводимостью Ag применяется лишь в радиотехнических устройствах (приборах) весьма ответственного назначения.

Медь и алюминий являются наиболее применимыми в электротехнике проводниками. Электропроводность алюминия составляет приблизительно 66% электропроводимости меди, но Al в 3,3 раза легче Cu. Получается, что алюминиевый провод одинакового с медным проводом сопротивления имеет в два раза меньшую массу (в 2 раза легче).

Довольно высокой электропроводимостью (наряду с большой магнитной проницаемостью) обладает технически чистое железо (99,85% Fe). Такое железо в технике называется “армко-железо” и в значительных количествах производится для электротехнических целей. Армко-железо имеет удельное объемное электрическое сопротивление (r _V) порядка 0,11 – 0,12 Ом·мм²/м.

3.1.2.2. Краткая характеристика сплавов с высоким
электрическим сопротивлением

Одна группа материалов данного типа используется для изготовления нагревательных элементов, другая – для изготовления реостатов.

Сплавами для нагревательных элементов являются малоуглеродистые стали ферритного класса, легированные Ni и Cr, – нихромы. Марки и основные свойства сплавов для электронагревательных элементов приведены в табл. 5.

Таблица 5

Свойства ряда сплавов

Показатели свойств	Марка сплава
Х13Ю4 (фехраль)	ОХ27Ю5А (хромаль)	Х20Н80 (нихром)	Х15Н60 (нихром)
1. Удельное объемное электрическое сопротивление r V, Ом·мм2 /м (при 20°C) 2. Предельная рабочая температура, °C	1,26	1,4	1,11	1,1

Молибденовые нагреватели имеют рабочую температуру до 1450°C, однако из-за высокой химической активности они могут работать только в вакууме или в среде водорода.

В качестве реостатных сплавов в основном применяются сплавы системы
Cu-Ni-Mn (40 – 45% Ni, 1 – 2% Mn, остальное – Cu) и сплавы MHMц 40 – 1,5 (константан) и MHMц 43 – 0,5 (копель). Они имеют r _V порядка 0,5 Ом·мм² /м, которое практически не зависит от температуры. Предельная рабочая температура реостатных сплавов t_пред=500°C.

3.1.3. Применение металлов и сплавов в качестве
антифрикционных материалов (АФМ)

Как известно, антифрикционные материалы («анти» – против, лат. frictio – трение) применяются в узлах (парах) трения для уменьшения работы внешнего трения, вызывающей нагревание и износ различных частей механизмов и машин. Одной из важных характеристик АФМ является коэффициент трения скольжения. Коэффициент трения скольжения (f_тр) численно равен отношению силы трения к силе нормального давления:

f_тр=F_mp/F_дав

Понятно, что коэффициент трения скольжения детали из АФМ по поверхности сопряженной детали из конструкционного материала должен иметь малую величину. Широко известно применение в качестве АФМ сплавов меди с оловом и другими элементами (бронзы) и сплавов на основе олова или свинца (баббиты). Сплавы указанной природы называются в технике подшипниковыми сплавами.

Коэффициенты трения (со смазкой) баббитов имеют величину f_тр=0,004 – 0,007, а антифрикционные бронзы f_тр = 0,07 – 0,10.

В последнее время все большее применение находят подшипники, изготовляемые прессованием и спеканием из бронзового или железного порошка, обычно с добавлением графита (1 – 3%). Металлокерамические АФМ из металлических порошков имеют поры (15 – 30% от объема изделия), что способствует удержанию смазки. Наличие графита в материале и запас смазки в порах придают подшипникам свойства самосмазываемости. Срок службы подшипников из порошков по сравнению с литыми больше от 1,5 до 10 раз. Коэффициент трения металлокерамических подшипников f_тр =0,04 – 0,06. Они могут работать при скоростях до 6 м/с и нагрузках на подшипник до 600 МПа. При меньших нагрузках скорости скольжения могут достигать 20 – 30 м/с.

3.1.4. Применение металлических сплавов в качестве
фрикционных материалов

Надежность работы многих механизмов и машин при возрастании скоростей и нагрузок на рабочие части в значительной мере зависит от качества работы тормозных устройств. В связи с этим создание и применение фрикционных материалов (ФМ) приобретают особую важность.

В настоящее время для оснащения тормозных устройств многих машин и механизмов применяется ФМ на базе полимерных композитов (пластмасс). К таким материалам относятся ферродо, ретинакс, асбоволокниты и асботекстолиты, имеющие f_тр = 0,25 – 0,45. Однако эти материалы в тяжелых условиях работы недостаточно износостойки.

Методами порошковой металлургии создаются ФМ, более полно отвечающие требованиям, предъявляемым современной техникой. Эти материалы могут работать при V_тр=50 м/с и нагрузках s= 350 – 400 МПа (полимерные материалы – до 50 – 60 МПа). ФМ из порошков имеют коэффициент трения при работе в масле f_тр=0,08 – 0,15, а при сухом трении по чугуну f_тр=0,3 – 0,5(и даже до 0,7).

Ориентировочный состав типичного ФМ на медной основе для работы в масле таков:

Ø Медь 60 – 70%

Ø Олово 5 – 7%

Ø Свинец 5 – 15%

Ø Цинк 5 – 10%

Ø Железо 5 – 10%

Ø Кремнезем или карбид кремния 2,5 – 3%

Ø Графит 1 – 2%

Разработаны также ФМ на основе железного порошка для работы при трении без смазки. Примерный состав таких материалов приведен ниже:

Ø Железо 64%

Ø Медь 15%

Ø Графит 9%

Ø Асбест 3%

Ø Сернокислый барий 6%

Ø Кремнезем 3%

Из ФМ изготовляют детали тормозных устройств в виде дисков, накладок, лент, колодок и т.д. Эти детали необходимы для производства самолетов, автомобилей, тракторов, тягачей, различного рода станков для механической обработки материалов и множества других механизмов.

3.1.5. Применение металлов и сплавов в качестве
антикоррозионных материалов

В целом ряде областей практического применения металлов и сплавов (и прежде всего – в химической промышленности) приходится решать проблему защиты КМ от коррозии.

Коррозия (от лат. corrodere – разъедать) – разрушение металлов при воздействии на них химически агрессивной (коррозионно-активной) среды.

С точки зрения особенностей химизма процесса различают химическую и электрохимическую коррозию.

Химическая коррозия – разрушение материалов в жидкостях – неэлектролитах и в сухих газах при высоких температурах.

Электрохимическая коррозия – разрушение материалов в растворах электролитов и во влажных газах (процессы характеризуются наличием электрического тока).

По природе агрессивной среды различают газовую, атмосферную, жидкостную и почвенную коррозию.

Жидкостная коррозия может быть кислотной, щелочной и солевой. Вариантами солевой коррозии являются процессы морской и речной коррозии.

К сожалению, черные металлы (стали и чугуны) не обладают достаточной стойкостью к целому ряду химических сред. Вследствие важности вопроса ниже дается краткая характеристика коррозионной стойкости черных металлов к широкому ряду химических сред.